基于单片机的恒温控制系统设计

摘要： 近年来随着计算机技术在社会领域的渗透 , 单片机的应用也在不断地的快速发展，同时推动传统控制检测日新月益 的 更新。在自动控制和实时检测的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部分，仅单片机方面技术是不够的，还应根据具体硬件结构与应用对象特点的软件结合，以作完善。 本论文 从主要 研究 水温的恒温自动控制过程 ， 主要应用 AT89C51、 DS18B20、LED 数码管、 MOC3041、可控硅 。通过 DS18B20 数字温度传感器采集温度，以单片机为 中央 控制器 进行数据的处理和控制的分析 ，并通过四位 LED 数码管显示实时温 度 和各种状态值， 然后单片机调制出 PWM 脉冲， 通过 PWM 驱动可控硅 的通断，实现温度的 实时 控制 。 关键词 ： 单片机系统；传感器；数据采集；模数转换器；温度 ABSTRACT: With the computer technology in recent years, the penetration in the social sphere, SCM applications are constantly rapid development, while promoting traditional control detects the rapidly growing updated. In automatic control and real-time detection of microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core part only of SCM technology is not enough, but also according to the specific characteristics of the hardware structure and application software objects combine to make perfect. The major research paper from the automatic thermostat temperature control process, the main application AT89C51, DS18B20, LED digital tube, MOC3041, triac. By collecting temperature DS18B20 digital temperature sensor, a microcontroller as the central controller for data processing and control analysis, and through the four LED digital display real-time temperature and various status values, then a single-chip PWM pulse modulated by PWM drive can be silicon-off control, to achieve real-time temperature control. KEY WORDS: MCU system； sensor； data acquisition； analog-to-digital converter； temperature 第一章 前言 1.1 课题的背景及其意义 21 世纪是科 学技术 高速发展的信息时代，电子技术、单片机技术的应用 已经 是 非常 广泛，伴随着科学技术和生产的不 断发展， 在生产生活中 需要对各种参数进行温度测量。因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用 技术 ，同时它们在各行各业中也发挥着 非常 重要的作用。如在日趋发达的工业 领域 之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。在农业 生产 中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。 温度 值 是表征物体冷热程度的 一个 物理量，温度 的 测量则是工农 和 业生产过程中一个很重要 也 普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品 的 质量、提高生产的 效率、节约能源、安全生产、促进经济的发展起到非常重要的作用。 因 为 温度测量的普遍性， 使得 温度传感器的数量在各种传感器中居首。 并 且随着科学技术与 生产的不断发展，温度传感器的种类 仍然 在不断增加 和 丰富 以 来满足生产生活中的 各种 需要。 在单片机温度 控制 系统中的关键是温度 的 测量、温度 的 控制和温度 的 保持，温度是工业 控制 对象中主要的被控参数之一。因此，单片机 要对 温度 的 测量则是对温度进行有效 及准确 的测量，并且能够在工业生产中得广泛的应用，尤其在机械制造、电力工程化工生产、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常 工作和 生活中，也 被 广泛 应 用于空调器、电加热器等各种室温测量及工业 设备 的 温度测量。但温度是一个模拟量， 需要 采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量 ，才生使用计算机或单片机进行相应的处理。 1.2 课题研究的内容及要求 本次 毕业设计的题目是 基于单片机的恒温控制系统设计 。它是多种技术的结合，不仅涉及到软件的 技术 ，而且还将应用电子技术 和 单片机的应用技术有机结合 ，其中还涉及 自动控制理论； 其具有 较 精度高、测量误差 较 小、稳定性好等特点。 1课题的主要研究的内容 。 本文所要研究的课题是 基于单片机的恒温控制系统设计 ，主要是介绍了对温度的控制，实现了温度的实时显示 与 控制。温 度 控制部 分，提出了用 DS18B20、AT89C51 单片机 和 LED 的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，利用 DS18B20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制。而温度控制部分，采用一套 PID 闭环负反馈控制系统，由 DS18B20 检测温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在 LED 中显示。控制器是用 AT89C51 单片机，用 PID 进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制温度。每片 DS18B20 都有唯一的产品号，可以一并存入其 ROM 中，以便 在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18B20 芯片。从 DS18B20 读出或写入 DS18S20 信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据线，该总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 提 供电源 ，不需要额外电源。同时 DS18S20 能提供九位温度 精度 ，它无需任何外围硬件便 可方便地构成温度检测系统。而且本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度 控制 ，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分和人机交互 部分来共同实现温 度的监测与控制。 2 利 用单片机实现其具体控制功能如下： （ 1）能够连续测量水的温度值，用十进制 LED 数码管来显示水的实际温度。 （ 2）能够设定水的温度值，设定范围是 30 90 。 （ 3）能够实现 水温 自动控制，如果设定水温 在 80 ，则能使水温保持恒定在 80 的温度下运行。 （ 4） 使 用单片机 AT89C51 控制，通过 输入 按键来控制水温的设定值，数值采用 LED 数码管显示。 1.3 课题的研究方案 温度控制系统是比较典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中 很 重要的被控参数，计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制 系统达到自动化、智能化，比过去采用电子线路进行 PID 调节的控制效果要好 很 多，可控性方面也有了很大的提高。 温度是一个非线性的 控制 对象，有大惯性的特点， 尤其 在低温段惯性较大，而 在高温段惯性较小。对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式： sseT Ks 1)(G （ 1-1） 方案一（见图 1-1） 数 据 采 集 信 号 放 大温 度 预 设比较器信号放大继电器负载 图 1.1 方案一的 流程 图 此方案是传统的模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定值，反馈的温度值和设定值比 较后， 判 定加热或不加热。特点是电路简单，易于实现，但是系统的精度不高并且调节动作频繁，系统 的 静态差大、不稳定。系统受环境 的 影响大，不能实现复杂控制算法。 并且不能用数码管显示温度值和当前的状态，也不能使用键盘进行设定 。 方案二（见图 1-2） 信号采集信号放大温 度 预 设上 限 比 较下 限 比 较信号处理继电器负载 图 1.2 方案二的 流程 图 此方案的控制方式是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想和方案一相同，但由于采用了上下限比较电路，使得在控制精度上有所提高。这种方法仍然还是模拟控制方式，因此也很难能实现复杂的控制算法 使的控制的精度做得较高，并且不能用数码管显示温度值和当前的状态，也不能使用键盘进行设定 。 方案三（见图 1-3） 键 盘 设 定A T 8 9 C 5 1单 片 机数 据 采 集数 据 显 示光 电 耦 合 可 控 硅 负 载 图 1.3 方案三的 流程 图 该 方案采用 AT89C51 单片机系统来实现 检测和控制的， 软件编程灵活、自由度大，可用软件编程 设计 实现各种控制算法 以及 逻辑控制 ，进而获得比极高的控制精度 。 该 系统可以用数码管来显示温 读 的实际值 和各种状态 ， 可 用键盘输入设定值。本方案选用了 AT89C51 芯片，不需要外扩展存储器， 很多硬件设备也都集成到了 AT89C51 的内部， 使系统整体结构更简单 ，实现更加容易 。 结论：前两种方案是 比较 传统的模拟控制方式，模拟控制系统难以实现复杂的控制规律 ，无法 获取比较高的控制精度 ， 并且 控制方案的修改也较为繁琐。方案三是采用以单片机为控制核心的系统，对温度 的 控制，可达到模拟控制达不到的效果 ；可以编程实现各种逻辑功能和复杂的控制算法，可也实时的处理各种状况； 并且实现 了数据 显示和键盘设定功能，提高了系统的智能 性和人机交互性。所以，经过比较，本次毕业设计采用了方案三。 第 2 章 设计理论基础 本设计系统的组成单元包括：单片机控制单元 、 温度采样单元 、调节执行单元 、显示单元 。 2.1 AT89C51 系列单片机介绍 AT89C51 是一种低损耗、高性能、 CMOS 八位微处理器，而且在其片种还有4k 字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入 /擦除 1000 次，数据保存时间 可以达到 十年。它与 MCS-8051 系列单片机在指令和引脚上完全兼容，因此 不仅可完全代替 MCS-51 系列单片机，而且 还 能使系统具有许多 MCS-8051系列产品没有的功能。 使用 AT89C51 单片机便 可构成的单片机最小应用系统，缩小 了 系统 的 体积 , 增加 了 系统可 的 靠性 易用性 ，降低了系统 的制作 成本 。程序长度 可达 4096 字节 , 四个可编程的用户 I/O。 在 5V 的 电压 下就可以 编程，而且 程序的 写入时间 也 仅 需要 10毫秒 的时间 , 仅为 8751/87C51单片机 的时间的百分之一，与 87C51 系列的单片机 的 12V 的 擦写电压相比 , 即保护了 器件 , 也 没有两种电源的 不同 要求， 在不拿下芯片的情况先即可进行程序的擦写 ， 非常 适合嵌入式的 控制领域 的应用 。 AT89C51 芯片提供 了 三级程序存储器 来 锁定加密， 提供了方便灵活 并且 可靠的硬加密手段 , 能保证程序或系统不被仿制。另外 ,AT89C51 还具有 MCS-51 系列单片机的所 具 有优 点。 1288 位 的 内部 RAM, 32 位双向输入输出 总 线 , 两个十六位 可编程 定时器 /计时器 , 5 个中断源 , 两级中断优先级 控制 , 一个全双工 的 异步串行口 以 及时钟发生器等。 AT89C51 具 有间歇、掉电两种电源控制 工作模式。间歇模式 的 是设置由软件来 执行 的 , 当外围器件仍处于工作模式 时 , CPU 可根据 当前的工作状态在适当的时候 地进入睡眠状态 , 内部 RAM 的数据以及 所有特殊寄存器值 将 将保持 原值 不变。 睡眠 状态可被任一 一个 中断所终止或通过 外部 硬件复位 唤醒 。掉电模式是 指当 VCC（电源电压） 低于电源 电压的下限 时 , 当振荡 器 的频率为 0 时 , CPU 将会 停止指令 的 执行。 此时 该芯片内 RAM的数据 和特殊功能寄存器 中的 值保持 原莱来值 不变 , 一直 维持 到掉电模式被终止。只有 当 VCC（电源）的 电压恢复到正常工作范围 （高于电压的下限） 而且在振荡器稳定振荡后，通过 外部 硬件 的 复位 ， 掉电模式 则 可被终止 退出 。 2.2 光电耦合器 MOC3041 MOC3041 是常用双向晶闸管输出的光电耦合器 (固态继电器 )，带过零触发电路，输入端的控制电流为 15mA，输出端的额定电压为 400V，输入输出端隔离电压为 7500V。 传统的方法都是采用移相触发的晶闸管，通过 控制晶闸管的导通角而达到控制功率大小的效果，不仅同步检测的电路非常的复杂，而且会在晶闸管导的通瞬间会产生高次的谐波干扰，引起电网的电压产生波形畸变，影响到其他电子设备和电子通讯系统的正常运行，本设计中采用过的零触发晶闸管导通以及关断时间的比值来调节功率的大小，因为过零触发不会改变电压的波形而是改变的只是电压全波通过的次数，并不会对电网造成干扰，所以，本设计采用过零的触发方式。 MOC3041 芯片内部包含过零检测的电路，在输入引脚 1 输入的电流为 15mA的时候，输出引脚 6、和输出引脚 4 之间的电压刚刚过零时，内部 的双向晶闸管开始导通，从而触发外部的晶闸管导通，在 MOC3041 输入引脚的输入电流为 0时，内部的双向晶闸管被关断，从而外部的晶闸管也被关断 。 654123过 零 比 较M A I N T E R MA N O D EC A T H O E D N C *N C M A I N T E R M 图 2.1 M0C3041 逻辑引脚图 2.3 双向可控硅 可控硅分为单向可控硅和双向可控硅两种 ,他们的符号也是不同的 .单向可控硅是由三个 PN 结构成 ,由外层的 P 极与 N 极引出两个电极 ,分别称为阳极与阴极 ,由中间的 P 极引出一个可控硅的控制极 G 极 。 单向的可控硅有其独特的特性为 :当阳极被接反向电压 ,或者阳极被接正向 电 压但控制极不加控制电压时 ,可控硅都是不导通 ,而阳极与控制极同时被接正上向电压时 ,可控硅就会变成导通状态 .可控硅一旦导通 ,控制极的电压便失去了对可控硅的控制作用 ,这时不论控制极有没有控制电压 ,也不论控制极的控制电压的极性是如何 ,将会一直保持在导通的状态。要想关断此可控硅 ,只有把可控硅阳极电压降到某一临界值或者反向。 双向的可控硅的引脚多数是按 T1、 T2、 G 的顺序从左至右排列 (电极引脚向下 ,面对有字符的一面时 ).加在控制极 G 上的触发脉冲的大小或时间改变时 ,就能改变其导通电流的大小 。 与单向可控硅的区别是 ,当 双向可控硅 G 极上触发脉冲的极性改变时 ,其导通方向就随着极性的变化而改变 ,从 而能够控制交流电负载 .而单向可控硅经触发后只能从阳极向阴极单方向导通 ,所以可控硅有单双向之分 。 本设计所使用的可控硅为 BTA08，其参数如下： Tstg 贮存温度 40125 Tj 结温 40125 PGM 峰值门极功耗 5W VDRM 重复峰值断态电压 600V IT（ RMS） RMS 通态电流（ Ta=89） 8A VGM 峰值门极电压 10V IGM 峰值门极电流 2.0A ITSM 浪涌通态电流 (一个周期 50/60HZ,峰值 ,不重复 ) 80/88A VISO 绝缘击穿电压（ RMS，交流 1 分钟 1500V ） 2.4 移位寄存器 74LS164 因为数码管需要段码和位码，这样就大量的占用了单片机的 I/O 口，为了使I/O 口得到充分的使用，本设计采用 74LS164 作为段码的选择输出电路，即节省了 I/O 引脚也省去了 LED 的驱动电路，简化了电路的设计和程序的编写，提高个系统的设计效率。 移位寄存器 74LS164 的引脚如图 2-6 所示： CLR9CLK8A1B2QA3QB4QC5QD6QE10QF11QG12QH13VCC14GND7USN74LS164N 图 2.2 移位寄存器 74LS164 引脚图 其引脚功能如下： A、 B 串行输入端； Q0 Q7 并行输出端； 预 置 比 较 计 数 器斜 率 累 加 器减 法 计 数 器 1低 温 度 系 数 振 荡 器减 到 0 温 度 寄 存 器预 置减 到 0减 法 计 数 器 2高 温 度 系 数 振 荡 器 清除端，低电平有效； CLK 时钟脉冲输入端，上升沿有效。 多片 74LS164 串联，能实现多位 LED 静态显示。每扩展一片 164 就可增加一位显示。 MR 接 +5V，不清除。 但是本设计为了使电路的设计更加简单易于实现，采用了 4 位一体的共阳极数码管，因此只能实现动态的显示数据。 2.5 数码显示管 LED LED 显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也是被广泛运用的。如果需要显示的内容只有数码和某些字母 ，使用 LED 数码管是一种较好的选择。 LED 数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。 LED 数码管作为显示字段的数码型显示器件，它 包含 若干个发光二极管。当其中某个 发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画 就会 发亮 ； 控制二极管导通 在不同的组合 ，就能显示出各种 不同的 字符，常用的 LED数码管有 7段和 “ 米 ”字段 两种 。这种 数码管 有共阳极 与 共阴极两种 类型 。共阴极 LED 数码管 的发光二极管的阴极 端 连在一起， 一般 此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时 ，电流导通 ，发光二极管 被 点亮，相应的段被 点亮 显示。 与之类似 ，共阳极LED 数码管 的发光二极管的阳极 连 接在一起，通常此共阳极接正 极的 电压，当某 个发光二极管的阴极 被 接 到 低电平时， 电流导通， 发光二极管被点亮，相应的段被 点亮 显示。本次设计所用的 LED 数码管为共阳极 的 7 段数码管 。 LED 数码管的使用 方式 与发光二极管 的使用方式 相同，根据材料 的 不同正向压降一般为 15 2V，额定电流为 10mA，最大电流为 40mA。静态显示时取 10mA为宜，动态扫描 时 显示可加大脉冲电流，但一般不 都 超过 40mA。 本设计采用的是 4 位一体的共阳极数码管，数码管的原理图和引脚表示如下图： M1 M2 M3 M4a b c d efg h 图 2.3 数码显示管 LED 引脚图 2.6 数字温度计 DS18S20 在传统的模拟信号远距离的温度测量系统中 ， 模拟信号很容易受到干扰 ， 而产生测量误差，影响测量 的 精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效的方案。 DS18B20 数字温度传感器，与传统热敏电阻所不同的是，集成在单个芯片，采用单了总线技术，这样能够有效的减小外界的干扰，提高温度测量的精度。同时，它可以直接将被测温度的模拟信号转化成串行数字信号输出供单片机处理，接口简单， 使数据的传输和处理简得到单化。模块 功能电路的集成化，使总体硬件电路的设计更加简洁，有的效地降低了成本，使得搭建电路和焊接电路时更容易，调试也更加容易，使得开发的周期大大缩短。 2.6.1 DS18S20 的主要特性 1 DS18S20 的适应电压范围更宽，其范围为： 30-55V，而且它能够直接由数据线获取电源 (寄生电源 )，无需外部工作电源。 2 DS18S20 提供了 9 位摄氏温度测量，具有非易失性、上下触发门限用户可编程的报警功能。 3 DS18S20 通过 1-Wire总线与中央微处理器通信，仅需要单根数据线 (或地线 )。同时，在使用过程中，它不需 要任何的外围的元件，全部的传感元件和转换电路 都被封装 在形状如一只三极管的集成电路内。 4 DS18S20 具有 -55C 至 +125C 的工作温度范围，在 -10C 至 +85C 温度范围内精度为 05C 。 5每片 DS18S20 具有唯一的 64 位序列码，这些码允许多片 DS18S20 在同一条 1-Wire 总线上工作，因而，可方便地使用单个微处理器控制分布在大范围内的多片 DS18S20 器件。 6 DS18S20 的测量结果直接输出 的是 数字温度信号， 通过“单总线” 串行传送给 CPU，同时还可以 自动生成及发送 CRC 数据 校验码， 它具有极强的抗干扰和 纠错的能力。 7 DS18S20 具有负载 的 特性，当电源 因故障或失误 极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但是 也 不 会 正常的工作。 2.6.2 DS18B20 测温原理 预 置 比 较 计 数 器斜 率 累 加 器减 法 计 数 器 1低 温 度 系 数 振 荡 器减 到 0 温 度 寄 存 器预 置减 到 0减 法 计 数 器 2高 温 度 系 数 振 荡 器 图 2.4 DS18B20 的内部测温电路框图 低温度系数的晶振的振荡频率在温度变化时受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号，为减法计数器 1 提供频率稳定的计数脉冲。而高温度系数晶振在温度变化时随温度变化其震荡频率改变明显，是一个对温度很敏感的振荡 器，所产生的脉冲信 号作为减法计数器 2 的脉冲输入信号，为计数器 2 提供一个频率随温度变化而变化的计数脉冲。图中隐含了计数门，当计数被门打开时，DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计。计数门的开启的时间是由高温度系数振荡器决定的，在每次测量前，首先将 -55 所对应的基数值分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中。减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的固定脉冲信号进行减法计数，当减法计数器 1 的值从预置值减到 0 时温度寄存器的值加 1，减法计数器 1 的预置值将重新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的固定脉冲信号进行减法 计数，如此循环直到减法计数器 2 减到 0时，此时温度寄存器中的数值即为所测温度值。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。 第 3 章 硬件电路设计 本设计采用按键作为输入，通过 DS18B20 数字温度传感器采集温度值，送到主机 AT89C51，由主机进行处理并将实际温度的值显示在 LED 数码管上，然后控制加热设备实现温度的恒温控制 。 整体原理图如下。 图 3.1 基于单片机的恒温 控制系统设计的整体原理图 EA/VPP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10U1AT89C51LED_SS1LED_DADALED_CLKLED_MRLED_SS2LED_SS3LED_SS4显示PWM调节执行设置加 1右移确定按键输入DS_IO温度检测 3.1 单片机控制单元 单片机控制电路包含 4 个按键实现温度和系统设定与控制。包括：“设置”、“加 1”，“右移”，“确定”四个按键。其原理图如下。 图 3.2 单片机控制单元原理图 3.2 温度采样电路 本设计采用 DS18B20 作为温度传感器，进行温度的检测，测量的到的数字数据可以直接送到单片机进行处理因此省去了信号放大和滤波电路。温度采样电路原理图如下： VDD3I/O2GND1U2DS18B20GNDVCC1KR2DS_I/O 图 3.3 温度采样电路 设置加 1右移确定GND1KR3Res21KR4Res21KR5Res21KR6Res2VCCP1.4P1.5P1.6P1.7 3.3 显示电路 本设计使用串行的方式显示数据，可节省大量的 I/O 占用。通过 74LS164将串行的数据转成并行的数据并锁存到输出端，其原理图如下图所示： 图 3.4 显示电路原理图 3.3 调节执行单元 本设计采用实时控制的方法，在主机 AT89C51 的 P2.1 口给出 PWM 温度控制信号，有光电耦合器 MOC3041 和可控硅组成驱动电路， MOC3041 用于将单片机系统和可控硅电路隔开，避免高电压和强电流对单片机的干扰 ,是单片机可以正常的运行，可控硅 SCR 的作用就是一个固态触电，使之可以开断加热设别，以实现温度的实时控制。其原理图如下 12 46MOC3041VCC10KR739R9360R8360R1012JP2HEADER 2Q1BTA08103C412JP1HEADER 2接 AC 220V接加热装置A_1A_2U77404PWM 图 3.5 调节执行电路原理图 第 4 章 软件设计 4.1 主程序流程图 系统的软件部分由主程序、中断子程序、按键 子程序 、 显示 子程序 和 PID控制算法子程序 图组成。系统的主程序流程图如图 4.1，当有 系统启动后 ，主程序启动，根据设定的条件逐步运行，达到设计目的。 开 始初 始 化处 理 按 键 及 显 示 设 定启 动 A / D 转 换数 值 处 理显 示 实 际 温 度P I D 分 段 增 量 式 控 制是 否 大 于加 热停 止 加 热是否输 出 D / A 给 控 制 比 较 电 路 图 4.1 主程序流程图 4.2 中断子程序流程图 图 4.2 为中断子程序的流程图。 开 始关 中 断保 护 现 场读 P 1 到 A 口A 右 移 一 位C = 1 ？右 移 一 位M O V 3 5 H , # 1C = 1 ？右 移 一 位M O V 3 5 H , # 2C = 1 ？右 移 一 位M O V 3 5 H , # 3C = 1 ？回 复 现 场M O V 3 5 H , # 4开 中 断中 断 返 回YYYYNNNN 图 4.2 中断子程序 4.3 按键流程图 图 4.3 为系统的按键流程图。主要是通过按 键的 输入 控制来调节系统的温度，从而实现系统对温度的手动和自动控制。 中 断P 1 . 5 = 0 ?返 回转 I R 1P 1 . 4 = 0 ?P 1 . 6 = 0 ?P 1 . 7 = 0 ?转 I R 2转 I R 3转 I R 4 图 4.3 按键流程图 4.4 显示流程图 图 4.4 为系统的显示流程图。主要是通过对 测量的温度 进行显示，给操作者提供提示。 开 始串 口 初 始 化向 缓 冲 区 发 送 数 据查 段 代 码显 示结 束 图 4.4 显示流程图 4.5 PID 控制算法子程序 采用传统 PID 位置式和增量式算法，其特点是结构比较简单，而且实现相对容易，但是其缺点是有超调以及温度上升不够快。 分段式 PID 在传统 PID 算法的基 础上有效的克服积分饱和的问题 解决了系统运行一段时间后可能会会突然急剧升温的问题，同时也能按每部分加热的不同要求而灵活的调整达到较好的调温效果。因此在本设计中采用了 PID 控制算法其流程图如下： 开 始P I D 参 数 初 始 化 ，置 E ( k - 1 ) = E ( k - 2 ) = 0 ,V o u t = 0 ( 视 情 况 而 定 )取 给 定 值 S E T P O I N T ( 设定 值 ) 和 当 前 值 R ( k )E ( k ) = S E T P O I N T - R ( k )计 算 P I D 增 量 并 防 止 积 分 饱 和P I D = K p * ( E ( k ) ) - E ( k - 1 ) + K i * E ( k ) + K d * ( E ( k ) ) - 2 * E ( k - 1 ) + E ( k - 1 )输 出 V o u t = V o u t + P I D返 回 图 4.5 PID 控制算法子程序 流程图 第 5 章 系统调试及结论分析 单片机应用系统 实验板 组装好以后，便可进入系统调试，其主要任务是排除存在 硬件故障，并完善其硬件 的 结构，运行所设计的程序，排除程序 存在 错误，并 优化程序结构，使系统达到期望的 性能。 5.1 硬 件调试 单片机系统的硬件和软件调试 应 是 相互 进行的，但通常是先排除明显的硬件故障。 1.开路、短路：由于 焊接技术导致 的开路、短路等故障。 解决方法： 对照原理图用万用表检测 ,补焊即可 。 2.元器 的 件损坏：由于对 所使用的 元器件不熟悉及制 焊接 过程中操作不当致使器件损坏。 解决方法： 仔细阅读元器件的应用环境 ,仔细焊接 。 3.电源故障：上电后造成元器件损坏、无法正常 的 供电，电路不能正 的 常工作。电源故障包括：电压值不 符合 设计要求，电源引出线 与 插座不对应，各档电源之间短路等。 解决方法：电源必须单独 的 调试好以后才能加到系统 各个部件中 。 5.2 软件调试 设计软件部分出 问题 的现象： 1. 以断点或连续方式运行时，目标没有按规定的功能进行操作或什么结果也没有， 是 由于程序转移到某处死循环所造成的。 解决方法：这类错误的原因是程序中 跳转的 地址计算错误、堆栈 的 溢出、工作寄存器 的 冲突等 ,检查各处逻辑 ,更改之 。 2. 对 中断 不相应。 CPU 不响应中断的现象是连续运行时不执行中断任务程序的规定操作，当断点设在中断入口或中断服务程序中时碰不到断点。 解决方法： 更 改中断控制寄存器（ IE， IP）的设置。 3. 结果不 准确 确 。 系统基本上 可以 正常操作，但控制 会 有误动作或者 输出结果不正确。这 种 错误大多是由于 算法 错误引起的。错误原因没有查明，没有解决。 5.3 结论分析 通过对 软件系统和 硬件系统的调试，进一步理解了 自动控制理论在单片机系统中的应用，特别是自动控制原理在恒 温控制 中算法分析和应用； 同时也发现了些 问题，原电路缺乏对温 度 的实时控制 ，温度的控制不是很及时快速，不能达到高精度的温度控制； 此后加入调节执行 的 单元，采用实时控制方法 ，使用 PID算法； 在 AT89C51 的 P21 口输出 PWM 温度 的 控制信号，由光电耦合器 MOC3041和可控硅 SCR 组成。光电耦合器 MOC3041 的作用是将单 片机系统与可控硅 SCR的 电路隔开，避免在高压过程中干扰信号影响 到 单片机的运行；可控硅 SCR 的作用是相当于一个触点，使之有 可以 开启或关断电炉，从而控制电炉 的 通断， 从而实现对温 度 的实时控制。 第 6 章 结束语 经过 三个月的 努力， 毕业设计 以基本 完成 ，这意味着大学生活也要结束了，但我们的学习没有 因此而 结束 ； 在本次 的 设计 ， 所学的理论知识接受了实践的检验，增强 了 运用所学知识的能力及动手 的 能力，为以后的学习和工作打下了 很好的基础。本文以 AT89C51 单片机为核心， 做 为控制器件，温度信号通过 数字式温度传感器 DS18B20 采集 后直接转换为数字信号，单片机可以直接串行读取； 温度的 设定采用按键移位式设定方法 ； 温度控制采用 控制 光耦和可控硅 实现控制 控制加热器 效果 。软件算法采用 分段式 PID 的算法 ，调高可系统的可靠性 。在单片机应用的基础上，实现了 AT89C51 单片机控制传感器的自动化温度监控系统。 目前，测温控温系统快速发展，国外的测量控制系统已经 相当 成熟，产品也较多。近两年，国内也出现了高精度的温度控制系统产品，但对于用户来说，价格还是偏高。由于竞争 的 越来越激烈，现在企业发展的趋势是如何提高生产效率，降低生产成本。寻求性能可靠、价格 低廉，应用广泛的元器件是生产过程的首先