毕业设计：室温控制系统设计论文

1、装订线第一章 绪 论1.1本设计的研究意义随着人们生活水平的提高，科技的迅猛发展，人们对生活的要求也越来越高。每个人无论走到哪里都会有一个家庭，所以家里的环境问题是我们最关心的，也是急于解决的问题，说起家里的环境就离不开其主要的因素室内温度；城市里每个人都比较繁忙，不可能每天都关心自己家里的室温情况，但这个问题我们还必须去面对，如果室内的温度过高，或者过低，都会给繁忙了一天的我们带来烦恼，没有一个舒适的环境，怎么会有快乐的心情去面对tomorrow的工作，为了提高我们的生活质量，研究了温控系统。当今社会，温度测量系统被广泛的应用于社会生产、生活的各个领域。 在工业、环境检测、医疗、家庭等多方面

2、均有应用。同时单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛。在很多电子产品中也将其用到温度检测和温度控制。目前温度测量系统种类繁多，功能参差不齐。有简单的应用于家庭的如空调，电饭煲、太阳能热水器，电冰箱，等家用电器的温度进行检测和控制。采用AT89S51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。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在日常生活中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。因此，单片机对温度的控制问题是一个日常

3、生活中经常会遇到的问题。以上述问题为出发点，设计实现了温度实时测量、显示、控制系统。以DS18B20为温度采集芯片，AT89S51为处理器来完成设计任务提出的温度控制要求。所设计的电路单元较为合理。1.2温度控制系统的发展历程及现状温度的测量和控制在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用

4、于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极为重要的实际意义。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参

5、数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；二是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理

6、论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。1.3本设计的主要工作以单片机为核心，设计通用室温控制系统对室内温度进行有效的控制，用集成温度传感器DS18B20实时采集室内温度。将采集到的温度信号转换成电压信号通过A/D转换器转换成数字信号供CPU读取，利用键盘输

7、入不同的室温设定值，并且能区分开工作日及休息日的情况，通过液晶显示器在键盘的辅助下能实时显示当前的室温值、设定的温度值、时间、日期等。根据本设计所要完成的任务本论文完成了如下工作：(1)据系统功能要求并且考虑产品的性价比，进行系统的整体方案的设计。并在理论上经过反复论证（2）介绍了研究和设计的背景和意义，调查并综述了当前温度控系统市场的国内外现状（3）提出了符合设计要求的高精度温度控制系统方案，并阐述了其工作元理。（4）完成了硬件电路的设计，包含AT89S51单片机，DS1302时钟芯片电路， DS18b20等芯片的接口电路及温控电路；键盘接口和LCD显示电路。（5）基本完成了软件部分设计，它

8、包括主程序流程图，温度采集流程图，T0、T1中断程序流程图，数字滤波子程序流程图，键处理子程序流程图；T0、T1中断程序，滤波子程序，DS18B20采样程序，主程序清单。第二章 总体设计方案2.1 温控系统的功能要求以单片机为核心，设计通用室温控制系统对室内温度进行有效的控制，用集成温度传感器DS18B20实时采集室内温度。将采集到的温度信号转换成电压信号通过A/D转换器转换成数字信号供CPU读取，利用键盘输入不同的室温设定值，并且能区分开工作日及休息日的情况，通过液晶显示器在键盘的辅助下能实时显示当前的室温值、设定的温度值、时间、日期等。设计完整的微机控制系统完成以下功能和要求：对室内温度进

9、行有效的控制，在一天24小时之内不同的时间段可设定不同的室温设定值，并且能区分开工作日及休息日的情况，能够显示当前的室温值、设定的温度值、时间、日期等。进行系统设计时应考虑如下问题：1、温度变化规律控制，即室温按预定的温度-时间关系变化，这主要在控制程序设计中考虑。2、温度控制范围在-30+30，这就涉及到测温芯片、控温元件的选择。3、控制精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律的选择等。2.2 系统总体框图根据毕业设计要求和系统构成的需要来设计通用室温控制系统，其总体设计，采用单片机作为控制中心，配有时钟电路、液晶（LCD）显示电路等。考虑到减少外存储器的扩展，本设计采用单片机A

10、T89S51来实现。单片机是将中央处理器（CPU）、随机存取存储器（ROM）、定时/计数器、中断系统、输入输出（I/O）接口电路等主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机有专用单片机和通用单片机两种。通用型单片机的内部资源比较丰富，性能全面且实用性强，能覆盖多种应用需求。专用单片机是针对一种产品或者一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化、软硬件资源的利用最优化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了通盘的考虑和论证，所以专用单片机具有明显的综合优势。以AT89S51单片机为该控制系统的核心，实现对温度的采集、检测和控制。该系统的结构框图如图所示：单片机键盘输入LCD显示温

11、度传感器输出报警实时时钟图2-1系统结构框图DS18B20芯片将采集的信号转变为05V电压信号，并进行A/D转换。转换后的数字量与当前数字化后的给定值进行比较，即可得到实际室温和给定室温的偏差及温度的变化率。室温的设定值由键盘输入。由89S51构成的核心控制器按PID控制算法进行推算，得出所需要的控制量。由单片机的输出通过调节继电器的通断时间，改变电阻丝的加热功率，当温度过高时同样通过调节继电器，控制电风扇启停时间的长短，以达到调温的作用。第三章 硬件设计单片机及其外围电路是一个系统的核心部分，它的选择和设计直接关系到系统稳定性。本章介绍单片机的选择，所选单片机的特性以及时钟电路复位电路，单片

12、机地址和I/O。3.1 单片机的选择单片机是本系统的核心部分，它的选择直接关系到系统的性能。单片机选择的原则是：选择比较常用的，成熟的单片机，性价比高的单片机。自1976年9月，INTEL推出MCS-48系列单片机之后，单片机飞速发展，许多公司都推出自己的单片机产品，目前单片机产品已多达五十多个系列，300多种型号。常用的有INTEL公司的MCS系列,PHILIPS公司的80C51系列，Microchip公司的PIC16等。其中INTEL公司的MCS系列是国内的主流系列。这里选用和它完全兼容，但比它功能更强的AT89C52，它的技术比较成熟，编程比较容易，可以减小开发周期，和AT89C52功能

13、一样的AT89S51有更突出的优点，它可以在系统编程，编程方便。3.2 单片机AT89S513.2.1 AT89S51的概述AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4K bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可以用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89S51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128

14、字节内部RAM，32个IO 口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16 位定时计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器1000次擦写周期4.05.5V的工作电压范围全静态工作模式：0Hz33MHz三级程序加密锁

15、128×8字节内部RAM32个可编程IO口线2个16位定时计数器6个中断源全双工串行UART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模唤醒系统看门狗（WDT）及双数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）图3-1 AT89S51引脚图 管脚说明：Vcc：电源电压GND：地P0 ：P0口是一组8位漏极开路型双向I0口，也即地址数据总线复用口作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在F1ash编程时，P0口接收指

16、令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 ：Pl 是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。表3-1 P1口第二功能 端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO（用于ISP编程）P1.7SCK （用于ISP编程）P2 ：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向IO 口，P2 的输出缓

17、冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRi 指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3 ：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I0 口。P3

18、口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 表3-2 P3口第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外中断0）P3.3（外中断1）P3.4T0（定时计数器0外部输入）P3.5T1（定时计数器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）RS

19、T：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRT0 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的16 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器

20、（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。 ：程序储存允许（ ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CP

21、U则执行内部程序存储器中的指令。F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。XTALl：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。特殊功能寄存器特殊功能寄存器的于片内的空间分布如表3-3所示。这些地址并没有全部占用，没有占用的地址亦不可使用，读这些地址将得到一个随意的数值。而写这些地址单元将不能得到预期的结果。 表3-3 AT89S51特殊功能寄存器分布图及复位值不要软件访问这些未定义的单元，这些单元是留作以后产品扩展用途的，复位后这些新的位将为0。3.2.2 中断系统AT89S51共有5个中断向量：2个外中断（INT0和INT1），2个定

22、时中断（Timer0和Timer1）和一个串行中断。这些中断如图3-2：图3-2中断源方框图这些中断源各自的禁止和使能位参见特殊功能寄存器的IE。IE也包含总中断控制位EA，EA清0，将关闭所有中断。值得注意的是表3-5中的IE.6和IE.5没有定义，用户不要访问这些位，它是保留为以后的AT89产品作扩展用途。定时器0和定时器1 的中断标志TF0和TF1，它是定时器溢出时的S5P2时序周期被置位，该标志保留至下个时序周期。表 3-4：中断控制寄存器EA- - ESET1EX1ET0EX0相应bit=1，打开中断。bit=0，关闭中断。表 3-5：功能介绍SymbolPosltionFuncti

23、onEAIE.7EA=0,关闭所有中断EA=1，各中断源的禁止或使能取决于各中断源控制位的设置为1或是位0- IE.6保留- IE.5保留ESIE.4串行中断使能控制位ET1IE.3定时器1使能控制位EX1IE.2外中断1使能控制位ET0IE.1定时器0使能控制位EX0IE.0外中断0使能控制位用户不要访问保留位，这些位可能是保留给以后的AT89系列产品扩展用途的。3.2.3 定时器/计数器T0（T1）作定时器时对内部机械周期脉冲计数，作计数器时对外部脉冲计数。它们有四种工作方式，由寄存器TMOD设置。表3-6 TMOD寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/TM1M0GATEC/T

24、M1M0 T1 T0C/T：定时器或计数器功能选择位，等于1时为计数方式，等于0时为定时方式。表3-7 工作方式M1M0工作方式方式说明00013位定时器/计数器01116位定时器/计数器102具有自动重装初值的8位定时器/计数器3.3 外围电路设计3.3.1 振荡器设计89系列单片机和51系列单片机一样，在内部有一个振荡器，可以用作CPU的时钟源，但是89系列单片机也允许采用外部振荡器，外部振荡器产生的信号加到振荡信号的输入端，就可以用作单片机CPU的时钟源，在本次设计中采用了内部时钟电路。这种方式的结构紧凑，成本低廉，可靠性高。振荡器的等效电路如图所示。本系统采用11.0592MH的石英晶

25、振,由于这里选用了石英晶振，所以电容的选取没有太严格的要求，这里选用30PF。如图3-3:图3-3 晶振电路振荡周期为：1/11.0592 us机器周期约为：1usAT89S51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。3.3.2 复位电路设计复位是一个单片机系统不可少的电路，由于程序出错或外界干扰常会使程序失控，必须要人工干预使单片机开始重新执行程序。当单片机的RST脚出现10ms的高电平

26、，单片机就实现复位。复位电路一般有两种，上电复位和上电与开关复合复位。这里采用开关和上电复合复位方式。如图3-4：图3-4 复位电路上电时+5V电源立即对单片机供电，同时对电容充电，充电过程中，RESET端出现正脉冲，从而使单片机复位；当按下开关时，电容通过电阻R17放电，电压通过R17，R9加在RESET端，RESET端出现一个4.17V的正脉冲，由于人的动作不会太快，这个脉冲会维持几10ms，使单片机复位。3.3.3 系统电源电路本系统需要的电压有+5V+12V。现在电源集成器件很多也很便宜，所以本系统选用已有的集成电源器件。集成电源器件主要有一下几种：线性稳压器件、开关形稳压器件、线性稳

27、压器件便宜，它要求输入电压不能波动太大。开关稳压器件价格高，其输入电压可在很大范围变化。综合本系统电网电压的波动不会太大，便宜的线性稳压器完全能满足要求。所以本次设计的电源是自己购买，只要满足系统要求。3.4温度采集系统本系统的温度采集应用的是美国DALLAS半导体公司推出的DS18B20温度传感器，它是第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，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，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。3.4.1 温控芯片DS18B20信息经过单线接口送入DS18B20 或从DS18B20送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线（和地

28、）。读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。因为每一个DS18B20 有唯一的系列号（silicon serial number） 因此多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。此特性的应用范围包括HVAC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测。1.特性：独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信多点（multidrop）能力使分布式温度检测应用得以简化不需要外部元件可用数据线供电不需备份电源测量范围从-55至+125增量值为0.5。等效的华氏温度范围是-67°F至257

29、6;F增量值为0.9°F以9 位数字值方式读出温度在1 秒典型值内把温度变换为数字用户可定义的，非易失性的温度告警设置告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度告警情况）应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统2.引脚说明：GND：地DQ：数字输入输出VDD：可选的VDD NC：空引脚 引 脚 8脚 SOIC 引 脚 PR35 符号 说 明 5 1 GND地 4 2 DQ单线运用的数据输入/输出引脚：漏极开路。 3 3 可选VDD 引脚。 表3-8 DS18B20引脚介绍DS18B20使用中注意事项：DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、

30、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）DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使温度输出总是显示85。 （2）在实际使用中发现，应使电源电压保持在5V左右，若电源电压过低，会使所测得的温度与实际温度出现偏高现象，经过试验发现，一般在5V左右。 （3）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格保证读写时序，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DS18B20操作

31、部分最好采用汇编语言实现。 （4）在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此，当单总线上所挂DS18B20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。（5）连接DS18B20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，当采用每米胶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。这种情况主要由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，

32、在用DS18B20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。 （6）在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环，这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。 测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。3.4.2 温度测量温度测量电路的方框图见图3-5所示：图3-5温度测量电路DS18B20通过门开通期间内低温度系数振荡器经历的时钟周期

33、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，计数器用钭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。钭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，计数器的数值以及在给定温度处每一摄氏度的计数个数（钭率累加器的值）二者都

34、必须知道。此计算在DS18b20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。表3-9说明输出数据对测量温度的关系。数据在单线接口上串行发送。DS18b20 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DS18b20中，温度是以1/2LSB （最低有效位）形式表示时，产生以下9 位格式：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3-9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

35、(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 （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，用户可以使用下式计算实际温度： 表3-9 温度/数据关系温度数字输出/（二进制）安息字输出（十六进制）+12500000000 1111101000FAh+2500000000 001100100032h+1/200000000 000000010001h+000000000 000000000000h-1/211111111 11111111FFFFh-2511111111

36、 11001110FFCEh-5511111111 10010010FF92hDS18B20于单片机的接口极为简单，只需将DS18B20的信号线与单片机的一位双向端口相连即可。电源供给有两种方法，寄生电源工作方式和外接电源工作方式。本次设计采用外接电源方式。这样做的好处是I/O线上不需要加强上拉，而且总线控制器不用在温度转换其间总保持高电平。这样转换其间可以允许在单线总线上进行其他数据来往，在单线总线上可以挂任意多片DS18B20。在系统中温度测量电路硬件原理图如图3-6：图3-6 温度采集电路3.5时钟电路设计本系统的时钟芯片采用的是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片DS1302。3.

37、5.1 DS1302的概述DS1302是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：（1）RES 复位，（2） I/O（数据线），（3）SCLK（串行时钟）。时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率

38、小于1mW。DS1302是由DS1202 改进而，来增加了以下的特性：双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1 为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。1.特性：实时时钟具有能计算2100 年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力，还有闰年调整的能力 31×8 位暂存数据存储RAM 串行I/O 口方式使得管脚数量最少 宽范围工作电压：2.0V 5.5V 工作电流2.0V时,小于300nA 读/写时钟或RAM 数据时，有两种传送方式：单字节传送和多字节传送（字符组方式） 8 脚DIP 封装或可选的8 脚S

39、OIC 封装（根据表面装配） 简单3 线接口 与TTL 兼容（Vcc=5V） 可选工业级温度范围：-40+85 与DS1202 兼容 在DS1202 基础上增加的特性对Vcc1 有可选的涓流充电能力双电源管用于主电源和备份电源供应备份电源管脚可由电池或大容量电容输入2.管脚排列及描述X1 ，X2 32.768KHz 晶振管脚GND 地RST 复位脚I/O 数据输入/输出引脚SCLK 串行时钟Vcc1,Vcc2 电源供电管脚3. DS1302 内部寄存器CH: 时钟停止位 寄存器2的第7位:12/24 小时标志CH=0 振荡器工作允许 bit7=1,12 小时模式CH=1 振荡器停止 bit7=

40、0,24 小时模式WP: 写保护位 寄存器2 的第5 位:AM/PM 定义WP=0 寄存器数据能够写入 AP=1 下午模式WP=1 寄存器数据不能写入 AP=0 上午模式TCS: 涓流充电选择 DS: 二极管选择位TCS=1010 使能涓流充电 DS=01 选择一个二极管TCS=其它 禁止涓流充电 DS=10 选择两个二极管DS=00 或11, 即使TCS=1010, 充电功能也被禁止表3-10 阻值的选择RS位电阻典型位00没有没有01R12K10R24K11R38K系统时钟电路的硬件原理图如图3-7:图3-7 时钟电路3.6 显示与键盘电路设计 本系统显示芯片为1602液晶显示器。3.6.

41、1 1602芯片概述1.主要技术参数：表3-11 参数显示容量16*2个字符芯片工作电压4.55.5V工作电流2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95*4.35（W*H）mm2.引脚图及接口信号说明：图3-8 1602引脚图表3-12 引脚介绍编号符号引脚说明编号符号引脚说明1GND电源地9D2Data I/O2VCC电源正极10D3Data I/O3VO液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读/写选择端（H/L）13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背

42、光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极控制器接口说明基本操作时序：读状态：输入：RS=L，RW=H,E=H输出：D0D7=状态字写指令：输入：RS=L，RW=L，D0D7=指令码，E=高脉冲输出：无读数据：输入：RS=H，RW=H,E=H输出：D0D7=数据写数据：输入：RS=H，RW=L，D0D7=数据，E=高脉冲输出：无状态字说明：表3-13 状态字 SAT7D7SAT6D6SAT5D5SAT4D4SAT3D3SAT2D2SAT1D1SAT0D0STA0-6当前数据地址指针的数值STA7读写操作使能1：禁止 0：允许注：对控制器每次进行读写操作之前，都必须进行读写检测，确保ST

43、A7为0指令说明：显示模式设置：表3-14 显示模式设置指令码功能00111000设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口显示开/关机光标设置表3-15 光标设置指令码功能00001DCBD=1 开显示; D=0 关显示C=1 显示光标 C=0 不显示光标B=1 光标闪烁 B=0 光标不显示000001NSN=1 当读或写一个字符后，地址指针加1，且光标加1N=0 当读或写一个字符后，地址指针减1，且光标减1S=1 当写一个字符，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0）以得到光标不移动而屏幕移动的效果S=0 当写一个字符，整屏显示不移动数据指针设置表3-16 数据指针设置指令码功能80H+地址

44、码（0-27H，40H-67H）设置数据地址指针其他设置表3-17 其它设置指令码功能01H显示清屏：1.数据指针清零 2.所有显示清零02H显示回车：1.数据指针清零本系统中显示电路的硬件原理图如图3-9：图3-9 显示电路3.6.2 键盘电路常用的键盘口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口。本设计采用独立式键盘输入，这种接口方式适用于按键数量较少的场合，平时无按键按下时，端口直接与+5V的上拉电阻连接，处于高电平，而当按下时端口处于低电平。由于采用独立式的键盘输入，各按键彼此独立不会相互影响，所以对键的判断很容易，很易决定闭合键位置。图3-10 键盘电路3.7温度控制电路设计系统的控温原理是

45、首先用DS18B20将实际室温变换为模拟电压信号，此mV级电信号经自身芯片带有的低通滤波滤掉干扰信号后送放大器，信号放大为05V后，通过多路开关将其送到AD转换器，变换成数字量后送计算机数字调节器程序根据实际温度与设定温度的偏差，按预定控制算法（PID）进行调节运算，得到输出高电平信号控制继电器的导通时间。系统采用继电器应用过零触发方式，在一个温度控制周期内由输出口控制继电器的通断率。数字输出信号经功率放大后，再驱动继电器工作，用继电器通断控制的电热丝的加热时间，或风扇的运转时间，来控制控制电路的输入能量，从而达到控制温度的目的。过零检测电路每当电源由负变正时输出一个正脉冲，作为数字触发器的同

46、步信号；显示程序完成炉温数值；设定温度值在系统运行前由键盘直接送到指定单元。图3-11 温控电路输出控制部分采用固态继电器SSR调功率方式，通过在周期内改变通断时间的长短，就能达到改变加热功率的目的，从而实现对电阻炉温度进行控制，如图3-11所示。SSR是采用固体元件组装而成的一种新型无触点开关器件。SSR输入仅要求很小的控制电流（可小到几毫安），与TTL、CMOS、HTL等集成电路具有很好的兼容性，而输出端则采用大功率晶体管或双向晶闸管来接通或断开负载电源。由于SSR的接通或断开没有接触部件，所以工作可靠，开关速度快。 3.8 报警电路在单片机控制系统中，一般的工作状态，可以通过指示灯来指示

47、，以供操作员参考，但由于某些紧急状态，为了使操作员不致忽视，以便及时采取措施，往往加一报警设计。本系统采用单频音报警实现的，接口电路简单。其发音元件采用蜂鸣器，这种蜂鸣器只需要在其两条引线上加3V5V直流电压，就能产生3kHz左右的蜂鸣振荡音响。比电动式蜂鸣器结构简单，耗电少，且易于单片机系统中使用。如图3-12所示，当驱动器输入端接AT89S51的P1.2，当P1.2输出高电平“1”时，7406的输出端为低电平“0”，使蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣音响；当P1.2端输出为低电平时，7406的输出端升高到+5V，蜂鸣器两端的直流电压降低到“0”，发音停止。 图3-12 报警电路

48、第四章 PID控制算法设计为了进一步改进控制器的方法是通过检测误差的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分（PID）调节器，其控制规律为： (4-1)式中为微分常数， 越大微分作用越强。PID控制的原理框图： +PID控制器D(S)被控对象G(S) 图4-1 模拟PID控制系统框图常规的PID控制原理框图如上图所示。该系统有模拟PID控制器和被控对象组成。图中，是给定值，是系统的实际输出值，给定值和实际值输出值构成控制偏差，其中作为PID控制器的输入，作为PID控制器的输出和被控对象的输入。因为式（4-1）表示的是调节器的输入函

49、数及输出函均为模拟量，所以计算机是无法对其进行运算的，必须将连续形式的微分方程化为离散形式的差分方程，取T为采样周期。在采样时刻t=iT(T为采样周期，i为正整数)，PID调节规律可以通过数值公式近似计算。 (4-2)如果采样周期取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量（例如去风扇的电机）时，可导出增量式的PID算法，由（4-2）可得: (4-3)由（4-2）与式（4-3）相减可以导出下面的公式: (4-4)室温温度控制是这样一个反馈调节过程：比较实际室温和需要室温得到偏差，通过对偏差的处理得到控制信号，再去调节相应的输出设备

50、的功率，从而实现对室温温度加热与制冷的控制。该控制系统采用过程控制中应用最广泛的PID控制形式，PID算法用差分方程近似为： (4-5)式（4-5）也可以进一步写为： (4-6)其中 ，利用典型二阶的方法确定、参数二阶系统闭环传递函数一般形式为 (4-7)将s换成j得： (4-8)它的模为： (4-9)根据控制理论可知，要使二阶系统获得理想动态品质，应满足以下条件：； (4-10)可得 (4-11)将（4-11）代入（4-7）可得 (4-12) (s)为该系统的开环传递函数根据 (4-13)可算出 (4-14)而被控对象属于一阶对象和带纯滞后，其数学模型可近似写成： (4-15)在温度控制系统中，满足，所以式（4-15）是一个两时间常数相差较大的二阶环节。， 由式可推出 所以 （4-16）所以需用比例积分调节器来校正系统，比例积分调节器的传递函数为： （4-17）（4-16）与（4-1