基于PID算法和51单片机的温度

本科生毕业设计（论文）中文题目： 基于PID算法和51单片机的温度控制系统 英文题目： 院 系： 机械电子工程学院 专 业： 自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成时间： 摘 要近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用。本文从硬件和软件两方面来介绍水温自动控制过程,在控制过程中主要应用AT89C52、LCD1602显示器、光耦MOC3051，以单片机为核心控制部件，通过 DS18B20数字温度传感器采集环境温度，LCD显示实时温度和目标温度。软件方面采用c语言来进行程序设计，使编程简单化。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。而系统的过程则是：通过矩阵按键,设定恒温运行时的温度值，用LCD1602显示这个温度值.在运行过程中将DS18B20采样到的温度再将转换后的数字量用LCD1602进行显示，调用PID算法，确定PWM波的占空比，确定加热的功率，直到能在规定的温度下恒温加热。关键词：单片机系统；传感器；LCD1602；光耦；温度；PIDIIAbstractIn recent years, with the computer penetration in the social field, the application of SCM is to keep at the same time, traditional control testing update on Crescent benefits. In real-time detection and automatic control system of single-chip applications. often as a single-chip core component to use only single-chip is not enough knowledge, but also the specific hardware structure and the specific features of application software objects combine to make perfect. In this paper, both hardware and software for automatic control of water temperature on the process, in the control of the main application of the process of AT89C52, LCD1602, MOC3051, microcomputer as the core control components, through the digital temperature sensor DS18B20 collecting ambient temperature and through Liquid Crystal Display1602 display of a digital thermometer temperature. Software using C language for programming, so that making it easier for the programming, to save storage space. In order to facilitate the expansion and changes to the design of modular software structure, so that the logic of the relationship between program design more concise,Hardware software co-operation under the control of it.And systematic process is: First of all, by setting the matrix keyboard, set the thermostat temperature at the time of DS18B20, and digital display of the temperature. Then, in the running temperature of the process of sampling analog into the converter in the simulation - digital converter, And the PID algorithm is called, to determine the heating power, to determine the duty ratio of PWM wave, and then converted digital control with digital display, the last single-chip microcomputer to control the heater used for heating or stop heating until the temperature in the provisions under the constant temperature heating.Key words：Single-chip microcomputer system ；Sensor；LCD1602；Opto-coupler； Temperature；PID目录目录3第1章 绪 论51.1 概述51.2 温度控制技术的发展与现状61.3 课题研究的内容及要求81.4 课题的研究方案9第2章 设计理论基础132.1 单片机的发展概况132.2 AT89C51系列单片机介绍142.3 通讯芯片MAX232232.4 显示器LCD1602252.5 矩阵键盘262.6 光耦芯片MOC3051282.7 数字温度计DS18B20352.8 双向可控硅372.9 PID算法42第3章 电路设计473.1 电源电路473.2 51起震和复位电路483.3 程序下载电路493.4 报警电路503.5 显示电路513.6 键盘输入电路523.7 传感器电路523.8 控制电热得快电路53第4章 软件设计544.1 程序构架544.2 主程序554.3 初始化程序564.4 读取温度传感器DS18B20数据程序574.5 按键扫描程序584.6 温度控制PID程序604.7 中断程序61第5章 系统调试及结论分析62参考文献64致 谢66附录67第1章 绪 论1.1 概述温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的，例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标温度，对控制效果的影响也是很大的。鉴于上述这些特点，高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。下面就简要的讨论一下温度测控技术的发展与现状。1.2 温度控制技术的发展与现状近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度即稳态误差不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：定值开关温控法、PID线性温控法、智能温控法。其中PID这种控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理，控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现调节功能。前者称为模拟控制器，后者称为数字控制器。其中数字控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个参数比例值、积分值、微分值。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。1.3 课题研究的内容及要求1.3.1 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控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。水箱水温控制部分，提出了用DS18B20、AT89C52单片机及LCD1602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及超出设定的上下限温度的报警系统。而水温度控制部分，采用一套PID闭环负反馈控制系统，由DS18B20检测水的温度，并在LCD1602中显示。控制器是用89C52单片机，用PID算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节PWM波的占空比从而控制热得快的加热功率，从而控制水的温度。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片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DS18B20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总线，该总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而且不需要额外电源。同时DS18B20能提供十二位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时按PID算法得出的功率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对话部分来共同实现温度的监测与控制。1.3.1 用单片机实现其具体控制功能 （1）能够连续测量水的温度值，用LCD1602显示水的实际温度。（2）能够设定水的温度值，设定范围是3090。（3）能够实现水温的自动控制，如果设定水温为85，则能使水温保持恒定在85的温度下运行。（4）用DS18B20做温度传感器，用单片机AT89C52和PID算法控制电加热器，通过矩阵键盘的输入来控制水温的设定值，数值采用LCD1602显示。1.4 课题的研究方案温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今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，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。1 方案一（见图1-1）图1-1 方案一的图此方案是传统的一位式模拟控制方案，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，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静态差大、不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码管显示，不能用键盘设定。2 方案二（见图1-2）图1-2 方案二的图此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码管显示，对键盘进行设定。3 方案三（见图1-3）图1-3 方案三的图此方案采用89C52单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可以用数码管来显示水温的实际值，能用键盘输入设定值。本方案选用了AT89C52芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。结论：前两种方案是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂的控制规律，控制方案的修改也较为繁琐。而方案三是采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。也使得系统所测得结果的精度大大提高。所以，经过对三种方案的比较，本次毕业设计采用了方案三。54第2章 设计理论基础第2章 设计理论基础 本设计系统的基本组成单元包括：主机、温度采样单元、单片机控制单元、调节执行单元四部分，本章将逐一进行介绍。2.1 AT89C51系列单片机介绍2.2.1 AT89C51系列基本组成及特性AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。而在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。AT89C51基本功能描述如下：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，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积, 增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k, 四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且写入时间仅10毫秒, 仅为8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89C51 芯片提供三级程序存储器锁定加密， 提供了方便灵活而可靠的硬加密手段, 能完全保证程序或系统不被仿制。另外,AT89C51 还具有MCS-51系列单片机的所有优点。1288 位内部RAM, 32 位双向输入输出线, 两个十六位定时器/计时器, 5个中断源, 两级中断优先级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的, 当外围器件仍然处于工作状态时, CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态, 内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限, 当振荡器停止振动时, CPU 停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变, 一直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。2.2.2 AT89C51系列引脚功能AT89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。其与80C51引脚结构基本相同，其逻辑引脚图如图2-1。 图2-1 AT89C51逻辑引脚图各引脚功能叙述如下：1电源和晶振VCC运行和程序校验时加+5VGND接地XTAL1输入到振荡器的反向放大器XTAL2反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器（当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。2I/O（4个口，32根）P0口8位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。P1口8位、准双向I/O口。在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。P1口可驱动4个LSTTL负载。对于80C51，P1.0T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1T2EX，是定时器的外部输入端。这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。P2口8位、准双向I/O口。当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。P3口8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。P3口提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。3串行口P3.0RXD（串行输入口），输入。P3.1TXD（串行输出口），输出。4中断P3.2INT0外部中断0，输入。P3.3INT1外部中断1，输入。5定时器/计数器P3.4T0定时器/计数器0的外部输入，输入。P3.5T1定时器/计数器1的外部输入，输入。6数据存储器选通P3.6WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。P3.7RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。7控制线(共4根)输入：RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21V的编程电压。注意：在加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。输入、输出：ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入，输入编程脉冲（PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。注意：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。输出：PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。2.2.3 AT89C51系列单片机的功能单元1并行I/O接口：单片机芯片内有一项主要功能就是并行I/O口。51系列共有4个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低八位地址和数据由P0口分时传送，高八位地址由P2口传送。2定时器/计数器定时器/计数器（timer/counter）是单片机中的重要部件，其工作方式灵活、编程简单，使用它对减轻CPU的负担和简化外围电路都大有好处。C51系列包含有两个16位的可编程定时器/计数器分别称为定时器/计数器T0和定时器/计数器T1；在C51部分产品中，还包含有一个用做看门狗的8位定时器。定时器/计数器的核心是一个加1计数引脚上施加器，其基本功能是加1功能。在单片机的定时器T0或T1中，有一个定时器发生由0到1的跳变时，计数器增1，即为计数功能；在单片机内部对机器周期或其分频进行计数，从而得到定时，这就是定时功能。在单片机中，定时功能和计数功能的设定和控制都是通过软件来进行的。定时器/计数器内部结构及其原理：由定时器0、定时器1、定时器方式寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON组成。当定时器/计数器设置为定时工作方式时，计数器对内部机器周期计数，每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出。定时器的定时时间与系统的振荡频率紧密相关，因为C51系列单片机的一个机器周期由12个振荡脉冲组成，所以，计数频率fc=fosc/12。如果单片机系统采用12MHz晶振，这是最短的定时周期，适当选择定时器的初值可获取各种定时时间。当定时器/计数器设置为计数工作方式时，计数器对来自输入引脚T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平，若前一个机器周期采样值为1，后一个机器周期采样值为0，则计数器加1。新的计数值是在检测到输入引脚电平发生1到0的负跳变后，于下一个机器周期的S3P1期间装入计数器中的，可见，检测一个由1到0的负跳变需要两个机器周期，所以最高检测频率为振荡频率的1/24。计数器对外部输入信号的占空比没有特别的限制，但必须保证输入信号的高电平与低电平的持续时间在一个机器周期以上。3振荡器 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。当输入至内部时钟信号时要通过一个二分频触发器，而对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。5中断系统中断系统是单片机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、单片机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断系统大大提高了系统的效率。C51系统有关中断的寄存器有4个，分别为中断源寄存器TCON和SCON、中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP；中断源有5个，分别为外部中断0请求INT0、外部中断1请求INT1、定时器0溢出中断请求TF0、定时器1溢出中断请求TF1和串行中断请求R1或T1。5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器IP和顺序查询逻辑电路共同决定，5个中断源分别对应5个固定的中断入口地址。中断的特点是分时操作，实时处理和故障处理。 简单介绍一下本次设计所需的单片机芯片AT89C51的中断系统中要用到的中断类型。（1） 定时器溢出中断源定时器溢出中断由AT89C51内部定时器分的中断源产生,故它们属于内部中断。AT89C51内部有两个16位定时器/计数器,受内部定时脉冲(主脉冲经12分频后)或T0/T1引脚上输入的外部定时脉冲计数。定时器T0/T1在定时脉冲作用下从全“1”变成全“0”时可以自动向CPU提出溢出中断请求,以表明定时器T0或T1的定时时间已到。 （2） 中断标志AT89C51在S5P2时检测(或接收)外部(内部)中断源发来的中断请求信号后先使相应中断标志位置位,然后便在下个机器周期检测这些中断标志位状态,以决定是否响应该中断。2.2 通讯芯片MAX232图2-2 MAX232引脚图2.3.1 引脚介绍第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。2.3.2 主要特点1、符合所有的RS-232C技术标准。2、只需要单一 +5V电源供电。3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-。4、功耗低，典型供电电流5mA。5、内部集成2个RS-232C驱动器。6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。2.4 显示器LCD16022.4.1 LCD1602简介1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。2.4.2 LCD1602管脚功能1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地。第2脚：VCC接5V电源正极。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。2.5 矩阵键盘2.5.1 矩阵键盘结构和工作原理在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图2-3所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。本设计是为了输入方便故选择矩阵键盘。 图2-3 矩阵键盘2.5.2 矩阵式键盘的按键识别方法1、确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。 行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。 首先判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。然后判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。2、确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“高低电平翻转法”。首先让P1口高四位为1，低四位为0,。若有按键按下，则高四位中会有一个1翻转为0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。 然后让P1口高四位为0，低四位为1,。若有按键按下，则低四位中会有一个1翻转为0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置。最后将上述两者进行或运算即可确定被按下的键的位置。 2.6 光耦芯片MOC30512.6.1 工作原理及其优点耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大提高计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。2.6.2 主要特性一、输入特性1光耦合器的输入特性实际也就是其内部发光二极管的特性。常见的参数有：1. 正向工作电压Vf（Forward Voltage）Vf是指在给定的工作电流下，LED本身的压降。常见的小功率LED通常以If=20mA来测试正向工作电压，当然不同的LED，测试条件和测试结果也会不一样。2. 反向电压Vr（Reverse Voltage ）是指LED所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED。在使用交流脉冲驱动LED时，要特别注意不要超过反向电压。3. 反向电流Ir（Reverse Current）通常指在最大反向电压情况下，流过LED的反向电流。4. 允许功耗Pd（Maximum Power Dissipation）LED所能承受的最大功耗值。超过此功耗，可能会损坏LED。5. 正向工作电流If（Forward Current）If是指LED正常发光时所流过的正向电流值。不同的LED，其允许流过的最大电流也会不一样。6. 正向脉冲工作电流Ifp（Peak Forward Current）Ifp是指流过LED的正向脉冲电流值。为保证寿命，通常会采用脉冲形式来驱动LED，通常LED规格书中给中的Ifp是以0.1ms脉冲宽度,占空比为1/10的脉冲电流来计算的。二、输出特性光耦合器的输入特性实际也就是其内部光敏三极管的特性，与普通的三极管类似。常见的参数有：1、集电极电流Ic（Collector Current）光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。2、集电极-发射极电压Vceo（C-E Voltage）集电极-发射极所能承受的电压。3、 发射极-集电极电压Veco（E-C Voltage）发射极-集电极所能承受的电压4、 反向截止电流Iceo 。5、 C-E饱和电压Vcd(sat)（C-E Saturation Voltage）。2.6.3 典型作用由于光耦芯片的作用很多这里就只简单介绍下本设计中用到的作用。一、用作固体继电器采用光电耦合器作固体继电器具有体积小、耦合密切、驱动功率小、动作速度快、工作温度范围宽等优点。图3-8所示是一个光电耦合器用作固体继电器的实际电路图，它的左半部分电路可用于将输入的电信号Vi变成光电耦合器内发光二极管发光的光信号；而右半部分电路则通过光电耦合器内的光敏三极管再将光信号还原成电信号，所以这是一种非常好的电光与光电联合转换器件。光电耦合器的电流传输比为20%，耐压为150V，驱动电流在820mA之间。在实际使用中，由于它没有一般电磁继电器常见的实际接点，因此不存在接触不良和燃弧打火等现象，也不会因受外力或机械冲击而引起误动作。所以，它的性能比较可靠，工作十分稳定。二、作为固体开关应用在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。2.7 数字温度计DS18B20 在传统的模拟信号远距离的温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术。另外考虑到一般的测量现场的电磁环境非常的恶劣，各种干扰信号较强，模拟信号很容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。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。在实际的温度测量过程中被广泛应用，同时也取得了良好的测量效果。DS18B20数字温度计的主要特性：1、DS18B20的适应电压范围更宽，其范围为：3.0-5.5V，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、DS18B20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、DS18B20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集成在形状如一只三极管的集成电路内。4、DS18B20具有-55C至+125C的工作温度范围，在-10C至+85C温度范围内精度为0.5C。5、每片DS18B20具有唯一的64位序列码，这些码允许多片DS18B20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DS18B20器件。6、DS18B20的测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时还可以传送给CRC校验码，它具有极强的抗干扰纠错的能力。7、DS18B20具有负载特性，当电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但是不能正常的工作。根据以上这些特性而从中受益的应用包括：HVAC环境控制、室内，设备或者机器内部的温度监测系统、过程监控和控制系统8、DS18B20的时序很重要。参考文献2.8 双向可控硅2.8.1 元件简介一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅T。又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。2.8.2 工作原理1、可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。2、当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，条件如下：A、从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位，2、控制极有足够的正向电压和电流，两者缺一不可。B、维持导通1、阳极电位高于阴极电位，2、阳极电流大于维持电流，两者缺一不可。C、从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位，2、阳极电流小于维持电流，任一条件即可。2.8.3 保护措施晶闸管元件的主要弱点是承受过电流和过电压的能力很差，即使短时间的过流和过电压，也可能导致晶闸管的损坏，所以必须对它采用适当的保护措施。1. 过电流保护晶闸管出现过电流的主要原因是过载、短路和误触发。过电流保护有以下几种：快速容断器 快速容断器中的溶丝是银质的，只要选用适当，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏前先溶断，从而保护了晶闸管。过电流继电器 当电流超过过电流继电器的整定值时，过电流继电器就会动作，切断保护电路。但由于继电器动作到切断电路需要一定时间，所以只能用作晶闸管的过载保护。过载截止保护 利用过电流的信号将晶闸管的触发信号后移，或使晶闸管得导通角减小，或干脆停止触发保护晶闸管。2. 过电压保护过电压可能导致晶闸管的击穿，其主要原因是由于电路中电感元件的通断、熔断器熔断或晶闸管在导通与截止间的转换。对过压保护可采用两种措施阻容保护 阻容保护是电阻和电容串联后，接在晶闸管电路中的一种过电压保护方式，其实质是利用电容器两端电压不能突变和电容器的电场储能以及电阻使耗能元件的特性，把过电压的能量变成电场能量储存在电场中，并利用电阻把这部分能量消耗掉。2.9 PID算法图2-4 PID控制图2.9.1 PID简介1、PID是一个闭环控制算法。因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制1L水的温度，就得有一个测量水温度的传感器，并将结果反馈到控制路线上，下面也将以水温控制为例。PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法。但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。我以前对于闭环控制的一个最朴素的想法就只有P控制，将当前结果反馈回来，再与目标