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毕业设计
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DZ156基于单片机的温度控制系统,毕业设计
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株 洲 工 学 院 200 届毕业设计说明书 题 目 基于单片机的温度控制系统 院 (系 )、部： 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： nts摘 要 本文列举了单片机在锅炉中的一个实际 应用，并对设计的温度控制系统的组成及主要电路的作用进行了详细的介绍。 文章介绍了用单片机控制的、基于数字温度传感器 DS1820的温度测量和控制系统：重点阐述了 DS1820的工作原理、指令系统、单片机与 DS1820之间的接口、数据传递、通信协议。该系统采用单片机与数字温度传感器 DS1820相结合，能够测量出 -55 -125之间的温度，同时还具有通过控制加热系统调节被测环境温度和对超限温度进行报警等功能。 关键词 温度传感器 DS1820；单片机；硬件设计；软件设计 Abstract Practical application of one-chip computer in heat-treatment furnace is listed,and detailed introduction is given to the compositionsand the main functions of temperature control system. The paper introduces the temperature measurement and control system based on the DS1820. The author emphasizes on the working principle of the DS1820, instructionset, data transfer, the interface and the communication protocol between the DS1820 and single chip microcomputer. The system adopt single chi p microcomputer combined with the DS1820,it can measure temperature between -55 -125 . The system not only can measure the temperature of the environment , but also can alarm when the temperature is beyond the rang of the safe temperature which is set. Key words DS1820; Single Chip Microcomputer; tlardware Design; Software Design nts目 录 第 1章 绪 论 第 2章 系统简介 2.1 系统的组成 2.1.1系统组成图 2.1.2 系统各部分工作原理 2.1.3 系统各部分功能 2.2 系统的工作过程 第 3章 系统的硬件电路设计 3.1 微处理器的 89C51 的简介 3.1.1 引脚性能 3.2 DS1820的简介 3.2.1 DS1820功能块的详细说明 3.2.2 DS1820测温原理 3.2.3 DS1820使用中注意事项 3.3 控制电路设计 3.3.1主回路设计 3.3.2 键盘显示电路 3.3.3 接口电路 3.3.4温度控制电路 第 4章 控制的算法 4.1 温度控制的 PID算法 第 5章 温度控制程序 5.1 总 述 5.2 主程序 5.3 T0中断服务程序 CT0 5.4 子程序 致 谢 参考文献 附录 1 附录 2 nts第 1 章 绪 论 单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在温度控制中的应用。 在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工 等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用 MCS-51 单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 MCS-51 单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。本 文的温度控制系统，只是单片机广泛应用于各行各业中的一例 传统控制方法 (包括经典控制和现代控制 )在处理具有非线形或不精确特性的被控对象时十分困难。而温度系统为大滞后系统，较大的纯滞后可引起系统不稳定。大量的应用实践表明，在 在工程实际中 ,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制 ,简称 PID控制 ,又称 PID调节。 PID控制器问世至今已有近 70年历史 ,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握 ,或得不到精确的数学模型时 ,控制理论的其它技术难 以采用时 ,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 ,这时应用 PID 控制技术最为方便。 实际应用中取得了很好的效果。 测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器，模拟集成温度传感器，智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器 正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。本文 将介绍智能集成温度传感器 DS18B20 的结构特征及控制方法，并对以此传感器、 89C2051 单片机为控制器构成的温度测量装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍。该装置 适用于人民的日常生活和工、农业生产用于温度测量。 nts第 2 章 系统简介 该仪器采用美国 Intel 公司八位单片机作为控制核心，配以 DS18B20构成的智能温度测量装置 及 其他集成电路，加上精心对软件设计，实现了仪表智能化。对 0100范围内的各种电加热炉的温度进行精密测量并能实现实时控制，同时， LED显示器直接跟踪显示被控对象的温度值，准确度高，显示清晰，稳定可靠，使用方便。 文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控与温度传感器，完成了课题所有要求。 2.1 系统的组成 由 DS18B20构成的智能温度 控制 装置由 四 部分组成： DS18B20温度传感器、 89C51芯片 、显示模块 ，温度调节驱动电路 。产品的主要技术指标： 测量范围： 0 100 ， 测量精度： 0.5 ， 反应时间 500ms。 2.1.1 系统组成图 图 一 显示等 TTL 电平到EIA 电平 转 换电路 单片机 温度传感器 降温控制电路 控制对象 加热控制电路 nts2.1.2 系统各部分工作原理 温控仪原理框图如图 1所示。整个仪表的工作原理是：由 89C51单片机控制，按预先编制的程序定时对被测信号进行采样，并自动进行 零漂校正，最后显示所测温度值，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行 PID参数自整定和运算，并输出 010mA控制电流，配以主回路实现温度的控制及显示。 2.1.3 系统各部分功能 由 DS18B20构成的智能温度 控制 装置由 四 部分组成： DS18B20温度传感器、 89C51、显示模块 ， 温度调节驱动电路 。 文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控以及温度传感器。 2.2 系统的工作过程 基于 DS18B20的温度测量装置电图如图 2所示：温度传感器 DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），传感器可置于离装置 150米以内的任何地方，输出脚 I/O 直接与单片机的 P1.1 相连， R1 为上拉电阻，传感器采用外部电源供电。 89C51是整个装置的控制核心， 89C51内带 1K字节的 FlashROM，用户程序存放在这里。显示器模块由四位一体的共阳数码管和 4个 9012组成。 系统程序分传感器控制程序和显示器程序 和温度控制程序三 部分，传感器控制程序是按照 DS18B20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示 。 标度 转换程序根据温度检测值求的实际炉温，数字调节器程序根据恒温给定值与实际值的偏差。按积分分离的 PID 控制算法得到输出的控制量。数字触发器程序根据控制量控制电阻炉子的导通时间，调节炉温的变化使之与给定恒温值一致。导通时间长，输出功率大，温度升的快；导通时间短，输出功率小，温度升的变慢。 89C51对温度的控制是通过双向可控硅实现的。双向可控硅管和加热丝串接在交流 220V、50Hz市电回路。在给定周期 T 内， 89C51只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。 图 二 nts 第 3 章 系统的硬件电路设计 3.1 微处理器的 89C51 的简介 89C51单片机最早由 Intel公司推出 ,其后 ,多家公司购买了 89C51的内核 ,使得以 89C51为内核的 MCU系列单片机在世界上产量最大 ,应用也最广泛 ,有人推测 89C51可能最终形成事实上的标准 MCU芯片 . 3.1.1 引脚性能 89C51引脚说明 一、 I/O 端口 89C51 共有 4 I/O 端口 ,为 P0,P1,P2,P3； 4 个 I/O 口都是双向的，且每个口都具有锁存器。每个端口有 8条线，共计 32条 I/O线。 P0.0P0.7； P1.0P1.7； P2.0P2.7； P3.0P3.7 1. P0 有三个功能 1）。外部扩充存储器时，作数据总线（ D0D7） 2）。外部扩充存储器时，作地址总线（ A0A7） 3）。不扩充时，作一般 I/O 使用，内部无上拉电阻，作为输出 /输入使用时应加上拉电阻 2. P1只作 I/O口使用，有内部上拉电阻。 3. P2有两个功能 1)。扩充外部存储器时，作地址总线（ A8A15）使用。 2）。作一般 I/O口使用，有内部上拉电阻。 3. P3有两个功能 除作为 I/O口（有内部上拉电阻）外，还有一些特殊功能。如下表所示，由特殊寄存器来设置。 端口的引脚 特殊功能 P10 T2 TIMER2的外部输入引脚 P11 /T2EX (TIMER2的捕捉（ Capture） /重新加载（ Reload）的触发 ) P30 RXD（串行输入口） P31 TXD（串行输出口） P32 /INT0（外部中断） P33 /INT1（外部中断） P34 T0（ TMER0的外部输入脚） P35 T1（ TMER1的外部输入脚） P36 /WR（外部数据存储器的写入控制信号） P37 /RD（外部数据存储器的读取控制 信号） nts 端口 1,2,3有内部上拉电阻，作为输入时，其电位被拉高，若输入为低电平可提供电流源；作为输出时可驱动 4个 LS TTL。而端 0作输入时，处在抗的状态，其输出缓冲器可驱动 8个LS TTL（需外加上拉电阻）。 二、 RESET 复位引脚 为高电平时（约 2 个机器周期），可将 CPU 复位， CPU 复位后累加器及寄存器的初值如下表所示： 寄 存 器 二 进 制 值 ACC 00000000 B 00000000 PSW 00000000 SP 00000111 P0/P1/P2/P3 11111111 IP XXX00000 IE 0XX00000 TMOD 00000000 TCON 00000000 三、 ALE/PROG 地址使能信号端 有三种功能： 1）。 89C51外接 RAM/ROM时， ALE接地址器（ 8282）的 STB脚，（ 74373）的 EN脚，当CPU对外部存储器进行存取时，用以锁住地址的低位地址。 2）。 89C51未外接 RAM/ROM时， ALE脚会有 1/6晶体振荡频率，可作为外部时钟。 3）。在烧写 EPROM 时， ALE作为烧写时钟的输入端。 四、 PSEN 程序储存使能端 1）。内部程序存储器读取，不动作。 2）。外部程序存储器读取（ ROM），在每个机器周期会动作两次。 3）。外部数据存储器读取 （ RAM），两个 /PSEN脉冲被跳过不会输出。 4）。外接 ROM 时，与 ROM的 /OE脚连接。 五、 EA/VPP 1）。接高电平时： CPU 读取内部程序存储器（ ROM）。 扩充外部 ROM，当读取内部程序存储器超过 0FFFH（ 89C51）、 1FFFH（ 8052）时，自动读取外部 ROM。 2）。接低电平时： CPU 读取外部程序存储器（ ROM）。 3）。 8751烧写内部 EPROM时，利用此脚 21V 的烧写电压。 nts 六、 XTAL1 、 XTAL2 接晶体振荡器引脚 机器周期晶体 12；如 12MHz晶体 /12 1微秒 3.2 DS1820 的说明 DS1820是美国 DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用了在板（ ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的器件里。 3.2.1 详细说明 1 综述 图 1 的方框图表示 DS1820 的主要部件 DS1820 有三个主要 的数据部件 64 位激光 ROM; 温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器 TH 和 TL 。器件从单线的通信线取得其电源，在信号线为高电平的时间周期内把能量贮存在内部的电容器中；在单信号线为低电平的时间期内，断开此电源，直到信号线变为高电平重新接上寄生电容电源为止，作为另一种可供选择的方法。 DS1820 也可用外部 5V 电源供电 与 DS1820 的通信经过一个单线接口，在单线接口情况下，在 ROM 操作未定建立之前不能使用。 存贮器和控制操作 主机必须首先提供五种 ROM 操作命令 之一： 1 Read ROM(读 ROM) 2 Match ROM(符 合 ROM),3)Search ROM(搜索 ROM),4)Skip ROM(跳过 ROM),或 5 Alarm Search(告警搜索 ) 这些命令对每一器件的 64 位激光 ROM 部分进行操作 如果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定的器件，并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型。在成功地执行了 ROM 操作序列之后，可使用存贮器和控制操作，然后主机可以提供五种存贮器和控制操作命令之一。一个控制操作命令指示 DS1820 完成 温度测量，该测量的结果将放入 DS1820 的高速暂存便笺式存贮器 Scratchpad memory，通过发出读暂存存储器内容的存储器操作命令可以读出此结果，每一温度告警触发器 TH 和 TL 构成一个字节的 EEPROM 如果不对 DS1820 施加告警搜索命令，这些寄存器可用作通用用户存储器 使用存储器操作命令可以写 TH 和 TL 对nts这些寄存器的读访问。通过便笺存储器，所有数据均以最低有效位在前的方式被读写。 2 寄生电源 (parasite power) 方框图 (图 1)示出寄生电源电路。 当 I/O 或 VDD引脚为高电平时，这个电路便 取 得 电源。只要符合指定的定时和电压要求， I/O 将提供足够的功率。寄生电源的优点是双重的 1 利用此引脚远程温度检测无需本地电源， 2 缺少正常电源条件下也可以读 ROM。 为了使 DS1820 能完成准确的温度变换，当温度变换发生时， I/O 线上必须提供足够的 功率，因为 DS1820 的工作电流高达 1mA。 5K 的上拉电阻将使 I/O 线没有足够的驱动能力。 3 运用测量温度 DS1820 通过使用在板 on-board 温度测 量专利技术来测量温度。温度测量电路的方框图见图二所示。 DS1820 通过门开通期间内低温度系数振荡器经历的时钟周期个数计数来测量温度。而门开通期由高温度系数振荡器决定，计数器予置对应于 -55 的基数，如果在门开通期结束前计数器达到零，那么温度寄存器，它也被予置到 -55 的数值。将增量指示温度高于 -55，同时，计数器用斜率累加器电路所决定的值进行予置，为了对遵循抛物线规律的振荡器温度特性进行补偿，这种电路是必需的。时钟再次使计数器计值至它达到零。如果门开通时间仍未结束，那么此过程再次重复。斜率累加器用于补偿振 荡器温度特性的非线性，以产生高分辩率的温度测量，通过改变温度。每升高一度，计数器必须经历的计数个数来实行补偿，因此，为了获得所需的分辩率，计数器的数以及在给定温度处每一摄氏度的计数个数，斜率累加器的值，二者都必须知道。 此计算在 DS1820 内部完成以提供 0.5 的分辩率，温度读数以 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供。数据在单线接口上串行发送 DS1820 可以以 0.5 的增量值在 0.5 至 +125 的范围内测量温度。对于应用华氏温度的场合 必须使用查找表或变换系数。 注意 在 DS1820 中 温度是以 1/2 LSB 最低有效位形式表示时产生以下 9 位格 MSB：最高有效位 ；最低有效位： LSB。最高有效符号位被复制到存储器内两字节的温度寄存器中较高 MSB的所有位，这种符号扩展产生了如表 1 所示的 16 位温度读数。 以下的过程可以获得较高的分辩率 首先 读温度 并从读得的值截去 0.5 位 (最低有效位 )，这个值便是 TEMP_READ 然后可以读留在计数器内的值，此值是门开通期停止之后计数剩余。 TEMPRATURE(温度 = TEMP _ READ 0.25+ (COUNT _ PER _ C COUNT _ REMAIN) COUNT _ PER _ C COUNT_REMAIN 所需的最后一个数值是在该温度处每一摄氏度的计数个数 COUNT_PER_C于是用户可以使用上式计算实际温度。 4 运用告警信号 在 DS1820 完成温度变换之后，温度值与贮存在 TH 和 TL 内的触发值相比较，因为这些寄存器仅仅是 8 位，所以 0.5 位在比较时被忽略。 TH 或 TL 的最高有效位直接对应于 16 位温度寄存器的符号位，如果温度测量的 结果高于 TH 或低于 TL，那么器件内告警标志将置位。每次温度测量更新此标志，只要告警标志置位， DS1820 将对告警搜索命令作出响应 。这允许并联连接许多 DS1820同时进行温度测量，如果某处温度超过极限，那么可以识别出正在告警的器件并立即将其读出而不必读出非告警的器件。 5 64 位激光 ROM 每一 DS1820 包括一个唯一的 64 位长的 ROM 编码。开绐的 8 位是单线产品系列编码。 64位 ROM 和 ROM 操作控制部分允许 DS1820 作为一个单线器件工作并遵循单线总nts线系统一节中所详述的单线协议，直到 ROM 操作协议被满足。 DS1820 控制部分的功能是不可访问的， 单线总线主机必须首先操作五种 ROM 操作命令之一 。 6 CRC 产生 DS1820 有一存贮在 64 位 ROM 的最高有效字节内的 8 位 CRC 总线上的主机可以根据 64 位 ROM 的前 56 位计算机 CRC 的值并把它与存贮在 DS1820 内的值进行比较，以决定 ROM 的数据是否已被主机正确地接收。 CRC 的等效多项式函数为： CRC=X8+X5+X4+1 DS1820 也利用与上述相同的多项式函数产生一个 8 位 CRC 值并把此值提供给总线的主机以确认数据字节的传送。在使用 CRC来确认数据传送的每一种情况中，总线主机必须使用上面给出的多项式函数计算 CRC 的值，并把计算所得的值或者与存贮在 DS1820 的 64 位 ROM 部分中的 8 位 CRC 值 ROM 读数，或者与 DS1820 中计算得到的 8 位 CRC 值 在读暂存存贮器中时它作为第九个字节被读出。进行比较 CRC 值的比较和是否继续操作都由总线主机来决定，当存贮在 DS1820 内或由 DS1820 计算得到的 CRC 值与总线主机产生的值不相符合时 在 DS1820 内设有电路来阻止命令序列的继续执行。 移位寄存器的所有位被初始化为零，然后从产品系列编码的最低有效位开始，每次移入一位。当产品系列编码的 8 位移入以后，接着移入序列号，在序列号的第 48 位进入之后 移位寄存器便包含了 CRC 值，移入 CRC 的 8 位应该使移位寄存器返回至全零。 7 存贮器 DS1820 的存贮器如图所示那样被组织。存贮器由一个高速暂存便笺式 RAM 和一个非易失性电可擦除 E2 RAM 组成。后者存贮高温度和低温度和触发器 TH 和 TL。暂存存贮器有助于在单线通信时确保数据的完整性。数据首先写入暂存存贮器，在那里它可以被读回，当数据被校验之后，复制暂存存贮器的命令把数据传送到非易失性 E2 RAM，这一过程确保了更改存贮器时数据的完整性。 SCRATCHPAD BYTE E2RAM TEMPERATURE LSB 0 TEMPERATURE MSB 1 TH/USERBYTE1 2 TH/USERBYTE1 TL/USERBVTE2 3 TL/USERBVTE2 RESERVED 4 RESERVED 5 COUNT REMAIN 6 COUNT PER 7 CRC 8 DS1820 存贮器映象图 暂存存贮器是按 8 位字节存储器来组织的。头两个字节包含测得温度信息，第三和第四个字节是 TH 和 TL 的易失性拷贝，在每一次上电复位时被刷新，接着的两个字节没有使用，但是在读回时，它们呈现为逻辑全 1。第七和第八个字节是计数寄存器，它们可用于获得较高的温度分辨率。还有第九个字节，它可用 Read Scratchpad 读暂存存贮器命令。该字节包含一个循环冗余校验 CRC 字节，它是前面所有 8 个字节的 CRC 值。此 CRC 值以 CRC 产生一节中所述的方式产生 。 nts 8 单线总线系统 8.1 硬件接法 单线总线只有一根线，即线上的第一个器件能在适当的时间驱动该总线。为了做到这一点，第一个连接到单线总线上的器件必须具有漏极开路或三态输出。单线总线要求近似等于 5k 的上拉电阻，单线总线的空闲状态是高电平。不管任何原因，如果执行需要被挂起，那么，若要重新恢复执行，总线必须保持在空闲状态。如果不满足这一点且总线保持在低电平时间大于 480us，那么总线上所有器件均被复位。存在脉冲 presence pulse 使总线主机知道 DS1820 在总线上 并已准备好工作。 经过单线接口访问 DS1820 的协议 protocol 如下 初始化 ROM 操作命令 存贮器操作命令 处理 /数据 8.2.1 初始化 单线总线上的所有处理均从初始化序列开始，初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲 ，接由从属器件送出存在脉冲。 2.8.2.2 ROM 操作命令 一旦总线主机检测到从属器件的存在，它便可以发出器件 ROM 操作命令之一，所有 ROM 作命令均为 8 位长，这些命 令列表如下： Read ROM(读 ROM) 33h 此命令允许总线主机读 DS1820 的 8 位产品系列编码 唯一的 48 位序列号 以及 8 位的 CRC。此命令只能在总线上仅有一个 DS1820 的情况下可以使用，如果总线上存在多于一个的从属器件，那么当所有从片企图同时发送时将发生数据冲突的现象，漏极开路会产生线与的结果。 Match ROM( 符合 ROM) 55h 符合 ROM 命令后继以 64 位的 ROM 数据序列，允许总线主机对多点总 线上特定的 DS1820寻址。只有与 64 位 ROM 序列严格相符的 DS1820 才能对后继的存贮器操作命令作出响应。所有与 64 位 ROM 序列不符的从片将等待复位脉冲，此命令在总线上有单个或多个器件的情况下均可使用。 Skip ROM( 跳过 ROM ) CCh 在单点总线系统中，此命令通过允许总线主机不提供 64 位 ROM 编码而访问存储器操作来节省时间。如果在总线上存在多于一个的从属器件而且在 Skip ROM 命令之后发出读命令 那么由于多个从片同时发送数据，会在总线 上发生数据冲突，漏极开路下拉会产生线与的效果。 Search ROM( 搜索 ROM) F0h 当系统开始工作时，总线主机可能不知道单线总线上的器件个数或者不知道其 64 位 ROM 编码。搜索 ROM 命令允许总线主机使用一种消去 elimination 处理来识别总线上所有从片的 64 位 ROM 编码。 Alarm Search(告警搜索 ) ECh 此命令的流程与搜索 ROM 命令相同，但是仅在最近一次温度测量出现告警的情况下 ntsDS1820 才对此命令作出响应 。告警的条件定义为温度高于 TH 或低于 TL。只要 DS1820 一上电，告警条件 就保持在设置状态，直到另一次温度测量显示出非告警值，或者改变 TH 或 TL 的设置使得测量值再一次位于允许的范围之内，贮存在 EEPROM 内的触发器值用于告警。 3.2.2 DS1820 测温原理 如图 2所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。高温度系数晶振随温度变 化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器 2的脉冲输入。计数器 1和温度寄存器被预置在 55所对应的一个基数值。计数器 1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1的预置值减到 0时，温度寄存器的值将加 1 ，计数器 1的预置将重新被装入，计数器 1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器 2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图 2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器 1的预置值。在正常测温情况下， DS1820的测温分辩率为 0.5以 9位数据格式表示，其中最低有效位（ LSB）由比较器进行 0.25比较，当计数器 1中的余值转化成温度后低于 0.25时，清除温度寄存器的最低位（ LSB），当计数器 1中的余值转化成温度后nts高于 0.25，置位温度寄存器的最低位（ LSB），如 25.5对应的 9位数据格式如下： 3.2.3 DS1820 使用中注意事项 DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： (1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对 DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用 PL/M、 C等高级语言进行系统程序设计时，对 DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。 (2)在 DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个 DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂 DS1820超过 8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。 (3)连接 DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过 50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距 离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用 DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 nts(4)在 DS1820 测温程序设计中，向 DS1820 发出温度转换命令后，程序总要等待 DS1820的返回信号，一旦某个 DS1820接触不好或断线，当程序读该 DS1820时，将没有返回信号，这一点在进 程序进入死循环。对 DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。 3.3 电路的设计 3.3.1 主回路的设计 3.3.2 键盘显示电路 由 74LS247 七段译码器、 74LS139 双二四线译码器、 74LS05 六倒向器各一片和四位 LED显示器组成。 89C51单片机把要显示的温度信号通过 P3.0P3.3口送到 74LS247，经译码后送nts七段数码显示器，然后再由 89C51的 P1.4P1.5口输出位选通信号，选通要显示的位。四位显示器从个位到千位依次轮番点亮，每位显示时间 1ms，显示实际测量的温度以及断偶报警。 3.3.3 接口电路 8255用作键盘 /LED显示器 接口电路 8255 引脚功能 RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有 I/O 口均被置成输入方式。 CS:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许 8255 与 CPU 进行通讯。 RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许 8255 通过数据总线向 CPU 发送数据或状态信息，即 CPU 从 8255 读取信息或数据。 WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许 CPU 将数据或控制字写入 8255。 D0 D7:三态双向数据总线， 8255 与 CPU 数据传送的通道，当 CPU 执行输入输出指令时，通过它实现位数据的读 /写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。 PA0 PA7:端口 A 输入输出线，一个位的数据输出锁存器 /缓冲器， 一个位的数据输入锁存器。 PB0 PB7:端口 B 输入输出线，一个位的 I/O 锁存器， 一个位的输入输出缓冲器。 PC0 PC7:端口 C 输入输出线，一个位的数据输出锁存器 /缓冲器， 一个位的数据输入缓冲器。端口 C 可以通过工作方式设定而分成个位的端口， 每个位的端口包含一个位的锁存器，分别与端口 A 和端口 B 配合使 用，可作为控制信号输出 或状态信号输入端口。 PA3- 1 40 -PA4 PA2- 2 39 -PA5 ntsPA1- 3 38 -PA6 PA0- 4 37 -PA7 RD- 5 36 -WR CS- 6 35 -RESET GND- 7 34 -D0 A1- 8 33 -D1 A0- 9 32 -D2 PC7- 10 31 -D3 PC6- 11 30 -D4 PC5- 12 29 -D5 PC4- 13 28 -D6 PC0- 14 27 -D7 PC1- 15 26 -VCC PC2- 16 25 -PB7 PC- 17 24 -PB6 PB0- 18 23 -PB5 PB1- 19 22 -PB4 PB2- 20 21 -PB3 A1、 A0:端口地址总线， 8255 中有端口 A、 B、 C 和一个内部控制字寄存器，共个端 口，由 A0、 A1 输入地址信号来寻址。 2764 是 8K EPROM 型器件。 89C51 的 PSEN 和 2764 的 OE 相连， P2.5 和 CE 相连，所以 2764的地址空间为： 0000H-1FFFH， ADC0809 的 0 通道（ IN0 其他输入端可作备用）和变送器的输出端相连，所以从通道 0（ IN0）上输入的 0V-+5V范围的模拟电压经 A/D转换后可由 89C51通过程序从 P0口输入到它的内部 RAM单元，在 P2.2=0 和 WR=0时， 89C51可使 ALE和 START变为高电平而启动 ADC0809 工作；在 P2.2=0 和 RD=0 时， 89C51 可以从 ADC0809 接收 A/D 转换后的数字量。也就是说 ADC0809 可以视为 89C51 的一个外部 RAM 单元，地址为 03F8H（地址重复范围很大），因此， 89C51执行如下程序可以启动 ADC0809工作。 MOV DPTR， #03F8H MOVX DPTR,A 若 89C51执行下列程序： MOV DPTR， #03F8H MOVX A， DPTR 则可以从 ADC0809输入 A/D 转换后的数字量。 nts 3.3.4 温度控制电路 可控硅在自动控制控制，机电领域，工业电气及家电等方面都有广泛的应用。可控硅是一种有源开关元件，平时它保持在非道通状态，直到由一个较少的控制信号对其触发或称“点火”使其道通，一旦被点火就算撤离触发信号它也保持道通状态，要使其截止可在其阳极与阴极间加上反向电压或将流过可控硅二极管的电流减少到某一个值以下。 可控硅二极管可用两个不同极性（ P-N-P 和 N-P-N）晶体管来模拟，如图 G1 所示。当可控硅的栅极悬空时， BG1 和 BG2 都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流 过负载电阻 RL，当栅极输入一个正脉冲电压时 BG2 道通，使 BG1 的基极电位下降， BG1 因此开始道通， BG1的道通使得 BG2 的基极电位进一步升高， BG1 的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使 BG1 和 BG2 进入饱和道通状态。电路很快从截止状态进入道通状态，这时栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持道通状态不变。如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于 BG1 和 BG2 均处于反向偏置状态所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻 RL 的阻值使电路电流减少 BG1 和 BG2 的基电流也将减少，当减少到某一个值时由于电路的 正反馈作用，电路将很快从道通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。在实际应用中，我们可通过一个开关来短路可控硅的阳极和阴极从而达到可控硅的关断。 nts 第 4 章 控制的算法 4.1 温度控制的 PID 算法 PID参数如何设定调节 PID就是比例微积分调节 ,具体你可以参照自动控制课程里有详细介绍！正作用与反作用在温控里就是当正作用时是加热 ,反作用是制冷控制。 PID控制简介 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时 ,控制理论的发展也经历了古 典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构加到被控系统上控制系统的被控量经过传感器变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统其传感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前 ,PID控制及其控制器或智能PID 控制器（仪表）已经很多 ,产品已在工程 实际中得到了广泛的应用 ,有各种各样的 PID 控制器产品 ,各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator),其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器 ,能实现 PID控制功能的可编程控制器 (PLC),还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等。 可编程控制器 (PLC)是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制 ,而可编程控制器 (PLC)可以直接与 ControlNet 相连 ,如 Rockwell 的 PLC-5等。还有可以实现 PID 控制功能的控制器 ,如 Rockwell 的 Logix产品系列 ,它可以直接与ControlNet相连 ,利用网络来实现其远程控制功能。 1、开环控制系统 开环控制系统 (open-loop control system)是指被控对象的输出 (被控制量 )对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中 ,不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2、闭环控制系统 闭环控制系统 (closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出 (被控 制量 )会反送回来影响控制器的输出 ,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈 ,若反馈信号与系统给定值信号相反 ,则称为负反馈 ( Negative Feedback),若极性相同 ,则称为正反馈 ,一般闭环控制系统均采用负反馈 ,又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统 ,眼睛便是传感器 ,充当反馈 ,人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛 ,就没有了反馈回路 ,也就成了一个开环控制系统。另例 ,当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净 ,并在洗净之后 能自动切断电源 ,它就是一个闭环控制系统。 3、阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（ step function）加到系统上时 ,系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、nts准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性 (stability),一个系统要能正常工作 ,首先必须是稳定的 ,从阶跃响应上看应该是收敛的准是指控制系统的准确性、控制精度 ,通常用稳态误差来 (Steady-state error) 描述 ,它表示系统输出稳态值与期望值之差快是指控制系统响应的快速性 ,通常用上升时间来定量描述。 4、 PID控制的原理和特点 在工程实际中 ,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制 ,简称 PID控制 ,又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史 ,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握 ,或得不到精确的数学模型时 ,控制理论的其它技术难以采用时 ,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 ,这时应用 PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通 过有效的测量手段来获得系统参数时 ,最适合用 PID 控制技术。 PID 控制 ,实际中也有 PI和 PD控制。 PID控制器就是根据系统的误差 ,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steady-state error）。 积分（ I）控制 在积分控制中 ,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统 ,如果在进入稳态后存在稳态误差 ,则称这个控制系统是有稳 态误差的或简称有差系统（ System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差 ,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分 ,随着时间的增加 ,积分项会增大。这样 ,即便误差很小 ,积分项也会随着时间的增加而加大 ,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小 ,直到等于零。因此 ,比例 +积分 (PI)控制器 ,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（ D）控制 在微分控制中 ,控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中 可能会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay)组件 ,具有抑制误差的作用 ,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ,即在误差接近零时 ,抑制误差的作用就应该是零。这就是说 ,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的 ,比例项的作用仅是放大误差的幅值 ,而目前需要增加的是“微分项” ,它能预测误差变化的趋势 ,这样 ,具有比例 +微分的控制器 ,就能够提前使抑制误差的控制作用等
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