智能温度控制系统方案

1、智能温度控制系统设计（硬件）摘要温度控制对于人们日常生活、生产具有重要意义,针对我国北方冬季供暖系统的特点及存在的不足，设计了基于单片机控制技术的室智能温度控制系统，采用DS18B20采集温度，利用电磁阀的开关控制供热水管中的水流量，并且利用模糊控制技术实现了室温度的精确控制，给用户带来了很大的方便，系统的实现将对减少热能的浪费及提高人们的生活质量起着重要的作用。从温度控制系统的发展来看，以单片机为核心构成的微机温度控制系统调节装置己经成为主要的发展方向。对于温室温度这个被控对象，有很多控制方案可选。首选方案就是PID控制，因为它简单，容易实现,它有可消除稳态误差的优点，但它的快速性和超调量之

2、间的矛盾关系，使它不能满足控制的技术要求。其次就是模糊控制，它的优点是超调量很小，但是稳态误差却很大。最后是用模糊规则参数的模糊自整定PID控制方法，基本上能够达到反应速度快、零超调、稳态误差小的理想结果。本文简述了温度控制器的应用及其原理，介绍了基于单片机的检测系统的硬件设计，并说明了用模糊自整定PID控制方法设计出的温度控制的控制算法及其系统实现方法，实现对温度的检测，显示和控制功能。此外，本文还详细介绍了系统硬件和软件设计原理。关键词：单片机；智能温度控制；DS18B20；PID控制；串口通信温度控制；DesignOfIntelligentTemperatureControlSystem

3、Design(Hardware)ABSTRACTTemperaturecontrolforpeoplesdailylife,theproductionofgreatsignificance,characteristicsandshortcomingsofChinasnorthernwinterheatingsystem,thedesignofmicrocontroller-basedcontroltechnologyforindoorsmarttemperaturecontrolsystem,usingtheDS18B20collectiontemperature,thesolenoidval

4、veswitchcontroltheflowofwaterintheheatingpipes,andfuzzycontroltechnologytoachieveaccuratecontrolofroomtemperature,hasbroughtgreatconveniencetotheuser,thesystemwillreduceenergywasteandimprovepeoplesqualityoflifeplaysanimportantrole.Fromtheperspectiveofthedevelopmentofthetemperaturecontrolsystemtosing

5、le-chipmicrocomputertemperaturecontrolsystemforthecorecomponentsoftheadjustmentdevicehasbecomethemaindirectionofdevelopment.Greenhousetemperaturecontrolledobject,alotofcontrolschemeisoptional.ThepreferredsolutionisthePIDcontrol,becauseitissimple,easytoimplement,ithastheadvantagesthatcaneliminatethes

6、teadystateerror,butthecontradictoryrelationshipbetweenthefastandovershoot,sothatitcannotmeetcontroltechnologyrequirements.Secondly,fuzzycontrol,ithastheadvantageofverysmallovershoot,butthesteady-stateerror.Finally,thefuzzyruleparametersofthefuzzyself-tuningPIDcontrolmethodisbasicallyabletoachievefas

7、tresponse,zeroovershoot,smallsteadystateerrorofthedesiredresult.Thispaperoutlinestheapplicationoftheprincipleofthetemperaturecontroller,microcontroller-baseddetectionsystemhardwaredesign,anddescribesthedesignofthefuzzyself-tuningPIDcontrolmethodcontroltemperaturecontrolalgorithmanditsimplementation,

8、toachievetemperaturemeasurement,displayandcontrolfunctions.Inaddition,thearticlealsodetailsthesystemhardwareandsoftwaredesignprinciples.Keywords:AT89C51;temperaturecontrol;DS18B20;PIDcontrol;serialcommunicationtemperaturecontrol;目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第章绪论224 HYPERL

9、INK l bookmark8 o Current Document 1.1课题研究背景与意义2241.1.1课题研究背景2241.1.2课题硏究意义225 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.2系统方案分析2251.2.1系统硬件方案分析2251.2.2系统软件方案分析226 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 第二章系统功能与结构227 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.1系统功能2272.1.1系统参数2272.1.2系统功能227 H

10、YPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.2系统的构成2272.2.1组成结构2272.2.2工作原理228 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 第三章系统硬件设计229 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 3.1核心控制器的设计229单片机AT89C51简介2293.1.2单片机引脚功能分配230 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.2温度显示模块的设计231LED显示器结构及工作原理231LED连接电

11、路232 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.3温度采集模块的设计233DS18B20概述233DS18B02工作原理及功能指令233DS18B02连接电路234 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3.4温度控制模块的设计2353.4.1电动调节阀2353.4.2驱动电路2363.4.3温度控制模块电路236 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.4串行通信模块设计237MAX232芯片简介237RS-232简介238RS232串口通讯电路图2

12、40 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3.5单片机复位电路的设计2403.5.1复位电路的作用2403.5.2基本的复位方式241 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3.6红外检测模块的设计2443.6.1红外传感器作用2443.6.2红外传感器原理2443.6.3红外传感器接线图245 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 第四章系统软件设计246 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 4.1温度采集

13、模块246DS18B20工作程序246DS18B20程序流程图247 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 4.2温度显示模块2484.2.1显示模块程序流程图248 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 4.3红外监控模块2494.3.1红外监控流程图249 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 4.4系统初始化模块250 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 4.5模糊自整定PID控制算法模块2504.5.1

14、模糊PID控制理论250PID控制器各校正环节对系统的影响2524.5.3温控模型的建立253 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 4.5.4模糊自整定PID算法254 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 第五章系统整体设计256 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 5.1系统硬件设计256 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 5.2系统软件设计2565.3系统整体设计2585.3.1系统程序流程图258

15、5.3.2系统硬件原理图259第六章总纟吉错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。辞错误!未定义书签。第一章绪论课题研究背景与意义课题研究背景温度是生产、科学和日常生活中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，准确地测量和有效地控制。温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。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经济指标相联系。在大力提倡节能减排以及追求高质量生活的今天，冬季供暖系统存在的不足日益显现出来。我国北方城市大部分采用集中供暖，在整个供暖期，无论室有人与无人

16、，系统全天连续供暖；系统热能的输送是不变的，不能根据室外温度的变化以及个人对室温的不同要求做出相应的调整，这就造成了热能的严重浪费以及供暖不人性化等问题。现今世界能源日益紧缺。据测算，目前我国民用建筑耗能量占全国商品能源消耗的25，其中采暖能耗为60，相当于发达国家在同等条件的采暖能耗的三倍，在同等条件下，耗费了更多的煤矿资源，为此我们需要设计出节能环保的供热系统，以减少资源的浪费。设计一种比较理想的温度控制系统是非常有价值的.日常生活中，温度值也是一个重要的参考量。人们的居室，医院等环境都要求对温度的有一定的控制。此外，对温度信息的釆集，检测，控制,不仅保证产品质量，还节约能源,安全生活生产

17、方面积极作用。这就使得温度的控制，温度值釆集成为了人们日常生活生产中一个极有意义的工作。由于温度的采集，控制属于四遥遥测、遥信、遥控、遥调）领域。单片机在凭借其在系统设计中的成本、复杂度和系统稳定性方而的优势，在控制领域中得到了广泛运用。自70年代以来，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方面取得成果。并且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，目前国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面迅速发展。温度控制系统的国的各行各业的应用虽然已经十分广泛但从国生产的温度控制器来看总体发展水平仍然不高，同国外的先进国家相比仍然有着较大差距。目前我过在这方面总体技

18、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，它只能适应于一般温度系统控制难于控制滞后复杂时变温度系统控制，进入21世纪后智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性等方向迅速发展。设计开展之前，本人当前一些温度控制系统进行详细的调硏，对比总结了其中的优缺点。基于当前的一些温度控制系统数据都没有传送至PC机。本设计将温度数据传送至PC上，方便后续处理。可将PC得到的数据，运用不同的PC应用软件，进行统计工作，远程操作。课题硏究意义对于不同的用户其对室温的要求不同，当温度高于用户要求时，一般采取的方法是打开窗户进行温度调节。特别是对于长期

19、外出的时候用户不能对使用状态进行控制，这样造成很大的能源浪费，对用户来讲承担了一部分不必要的经济支出。目前世界发达国家集中供热系统都已实现了系统的自动监测和控制。自动化监测和控制是集中供热系统供热可靠、节能运行、提高运行效率和降低运行成本的重要手段,其容有流量、温度、压力、热量和报警等。但是在我国，甚至在世界发达国家对用户单元进行自主控制的要求的产品还没有。鉴于上述情况，提出了供暖温度的智能控制设计。本设计主要是测量室温度，并根据室温要求对其进行控制，使温度能够很好的满足住户的要求，在要求的温度围保证其精确度，并且能够做到连续控制，大大的减少了能源的浪费；并可通过红外检测室有人与无人系统自动调

20、节室的温度，合理的减少了热能的浪费，提高了人们的生活质量。基于温度控制在日常生活生产的重要意义，温度控制系统的设计成了重要的设计课题，当前温控系统种类繁多，而且功能不一，应用闹广泛。本文介绍一种智能化温度控制系统的设计。其硬件系统是以单片机作为控制器，通过控制温度传感器进行数据釆集，同吋建立起单片机与PC机的通信连接，方便温度数据传输，方便温度统计工作，还可扩展成为多点温度采集系统，温度环境的监控等功能。系统方案分析系统硬件方案分析目前，温度控制系统的一般采用模拟电路和单片机以及PLC三种形式。方案一：采用模拟控制电路，模拟控制电路各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、

21、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。方案二：采用单片机作为控制核心。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数器以及I/O输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是：功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实

22、现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。方案三：采用PLC作为控制电路的核心，其他部分的电路采用和方案二同样的设计。这种方案不仅具有和方案二同样的控制精度，而且整个电路的稳定性比方案二更高，但是PLC的价格远远高于单片机，其不适合大批量的生产，所以考虑到价格因素,此种方案不宜选择。综上分析，本文采用采用方案二。系统由单片机AT89C51、温度采集电路、键盘电路、显示电路、串口通讯模块，温度控制模块等部分组成。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。AT89C51单片机是ATMEL公司出品的与MCS-51系列兼容的低电压、高性能CMOS8位单片机。本系统选择AT89C51为核心

23、器件组成的控制系统。系统软件方案分析在目前的单片机软件开发中，常用的语言是汇编语言和C语言两种。汇编语言是一种文字用助记符来表示机器指令的符号语言，其优点是程序占用资源少、运行速度快、执行效率高，但具有缺乏通用性、程序可移植性差、编程比高级语言困难等缺点C语言是是一种结构化程序设计语言，可产生紧凑代码。C语言可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言，汇编语言相比，C语言有如下优点：对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对单片机的存储器结构有初步了解；寄存器的分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理；程序有规的结构、可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化；具有将可变的选择与特殊操作组

24、合在一起的能力，改善了程序的可读性；关键字及运算函数可以近似人的思维过程方式使用；编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率；提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；具有方便的模块化编程技术，已编好的程序可容易的植入新程序。C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可以根据单片机的不同较快的移植过来。鉴于C语言编程有众多优点，在本设计中，采用的是C语言编写程序。第二章系统功能与结构系统功能系统参数所选用温度传感器的测量围：0C50C，温度测量误差VO.3C,适用中性介质。选用电磁阀。完成功能：将传感器输出的模拟电压信号进行A/

25、D转换，数据处理和显示，温度控制。系统功能结合实际情况，所设计系统应具有以下功能：（1）实时采集室温度，并显示于显示器上；（2）根据温度的设定围自动调节温度；（3）串行传送数据；（4）控制外围；（5）可扩展形成多点温度采集；（6）温度控制围在设定温度2C。系统的构成组成结构智能温度控制系统的硬件设计主要由核心控制器单片机89C51、温度采集模块温度传感器DS18B20、温度显示器LED、和流量控制阀等模块构成。图一为室智能温度控制系统的构成。图2-1系统总体结构1）核心控制器:釆用单片机AT89C51；2温度釆集模块：温度传感器DS18B203）温度显示模块：数码管；4）外部设备控制电路；（5

26、）温度智能化控制模块：PC机。6）温度存储模块7）键盘输入模块工作原理系统核心控制器起着重要的作用，它不仅与温度传感器，外部设备，数码管连接还通过与串口电平芯片MAX232连接，由数据线连接到PC上，建立起通信连接。上电后，控制器驱动温度传感器工作，进行温度数据釆集，传输。在接到传感器传送过来的温度数据后，进行操作，一方面送至数码管显示模块进行温度显示，另一方面将数据送至PC机上，方便在PC进行一些后续处理，控制操作，方便智能化的实现。第三章系统硬件设计核心控制器的设计单片机AT89C51简介AT89C51是一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用AT

27、MEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供咼灵活、超有效的解决方案。AT89C51具有以下标准功能：8k字节Flash,256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片晶振及时钟电路。另外，AT89C51可降至OHz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串

28、口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，知道下一个中断或硬件复位为止。(T2)P1.D匚d4DVCCT2E托、F1.1匚23RPD.DADOF1.2匚336二1PD.1(AD1JF1.3匚斗FD.2P1.4匚530PD.3屮g(MOSI、F1.5匚035PD-4JAE+J(MlP1.6C孑APt.6tADSJ(3CK)F1.TC833ZlPOLO(ADGJRSTTCQ32PD.7CAD7J(RXEJ)F3.0匚31JEA.VPFTXZ；：.PS.C3DALEPROGIETE3JF3.J2匚25FSENirrrrF3.3匚132BP2.7(M&J(TD

29、iF3.4匚1427P21BfTT)P3.5匚152EP2.5A13)丽亘、F3.0匚1625F殛1F3_7匚1724P2.3tAll)KTAJ2匚23二PZ-2(AIDKTAL1匚1D22P2.1申0GND匚21Px.C(陶图3.1AT89C51引脚图Fig3.1AT89C51pindiagram主要性能：（1）与MCS-51单片机产品兼容8K字节在系统可编程FLASH存储器32个可编程I/O口线三个16位定时器/计数器六个中断源双数据指针单片机引脚功能分配控制电路引脚Rst/vpd(9脚)：复位信号/备用电源引脚当输入的复位信号延续2个机器周期以上，高电平即为有效，用以完成单片机的复位操作

30、。复位后影响片特殊功能寄存器的状态，但不影响片RAM状态。同一引脚的Vpd是备用电源输入端(Vpd接+5V备用电源)。在Vcc断电时，为保证RAM中的信息不丢失，可使此引脚完成掉电保护功能。ALE/PROG非(30脚)；地址锁存允许信号/编程脉冲输入端。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外边时钟或外部定时脉冲使用。PSEN非(29引脚)：外边程序存储器读选通信号。为低电平有效，AT89C51在访问片外程序存储器时，此引脚端输出负脉冲作为读片外程序存储器的选通信

31、号，以实现外部ROM单元的读操作。要检查AT89C51上电平后CPU能否正常到程序存储器中读取指令码，可以用示波器观察引脚PSEN非有无脉冲输出，若有说明正常。EA非/vPP(31脚)：部和外部程序存储器选择信号。当引脚接高电平时，CPU只访问片4kbyte的EPROM/ROM，执行部程序存储器中的指令，但在程序计数器计数超过0FFF时(即地址大于4kbyte时)，将自动转向执行片外大于4kbyte程序存储器的程序。若EA非引脚接低电平时，CPU只访问外部程序存储器，而不管片是否有程序存储器。2.1/0(输入/输出)接口引脚并行I/O接口的特点AT89C51有4个8位并行I/O接口P0-P3，

32、他们都是双向端口，可以进行输入或者输出操作，每个口都有口锁存器和口驱动器两部分组成。此外，它还有一个全双工串行通信口。这4个端口为AT89C51与外围器件或外围设备进行信息(数据、地址、控制信号)交换提供了多功能的输入/输出通道，也为单片机扩展外部功能、构成应用系统提供了必要的条件。I/O接口电路功能汇总AT89C51单片机部属单总线结构，因此使系统在结构上增加了灵活性。通过总线，用户可根据应用需要进行多功能的系统扩展，构成用户的实际应用系统。a、P0口是一个多功能口除可以作为通用的输入/输出口外，还具备用于系统扩展的第二功能。b、Pl口：Pl口作为通用1/O接口，它的每一位都可以别编程为通用

33、I/O接口线。c、P2口：P2口也是一个多功能口，与P0口相似，它除可被用作I/O接口外，在进行系统扩展时，还可以输16位地址总线中的高8位，和P0口共同构成16位的地址总线。d、P3口：P3口也是一个多功能口，除可以作为通用I/O接口外，还具有多种控制功能，为通用I/O接口时和其他具有控制功能的输入/输出引线在一起，共同形成单片机的控制总线。温度显示模块的设计LED显示器结构及工作原理LED显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应一个笔画划发光，控制某段发光二极管导通，就能显示出某个数码或字符，常用八段LED显示器有两种结构，如图3.

34、2所示。ed+cdp数码管共阳報共阴极图3.2LED显示器的结构Fig3.2LEDdisplaystructure常用的数码管显示器为8段，每一段对应一个发光二极管.分为共阳和共阴两种。共阴极显示的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当发光二极管的阳极为高电平吋，发光二极管被点亮，相应的段被显示。同样，共阳极的的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接高电平，当某个发光二极管的阴极接低电平吋，发光二极管被点亮，相应的段被显示。在静态显示系统中，每位显示器都应有各自的锁存器、译码器（若采用软件译码，译码器可省去）与驱动器，用以锁存各自待显示数字的BCD码或字段码。因此，静态显示系

35、统在每一次显示输出后能够保持显示不变，仅在待显示数字需要改变时，才更新其数字显示锁存器中的容。这种显示占用CPU的时间少，显示稳定可靠。缺点是，当显示的位数较多时，占用的1/0口较多。在动态显示的系统中，CPU需定时地对每位LED显示器进行扫描，每位LED显示器分时轮流工作，每次只能使一位LED显示，但由于人的视觉暂留现象，仍感觉所有的LED显示器都在同时显示。这种显示的优点是使用硬件少，占用I/O口少。缺点是占用CPU时间长，只要不执行显示程序，就立刻停止显示。但随着大规模集成电路的发展，目前已有能自动对显示器进行扫描的专用显示芯片，使电路既简单又占用CPU时间。在我们所设计的温度计中数码管

36、显示就是利用的动态显示。LED连接电路将单片机的P0口作为段码信号输出口，P2口作为位选端口，如图3.3所示：图3.3LED连接电路Fig3.3LEDconnectioncircuit温度采集模块的设计DS18B20概述DS18B20与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。传统的热敏电阻等一些测量温度的元件一般输出的是电压，要转化成控制需要用到的温度数据，需要一系列的外加电路，不仅会使制作成本变髙，同时会使得硬件电路更加复杂。DS18B20温度传感器是芙国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统传感器不同，

37、DS18B20可直接将采集到的温度转换成数字信号，通过单条数据先串行发送出去。只要严格严格遵循其规定时序逻辑和脉冲间隔，就能舍去了同步时钟信号线，做到了器件引脚最少化达到温度釆集目的。与其它温度传感器相比，DS1820具有以下特性：（1）独特的单线接口方式，DS1820在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS1820的双向通讯。（2）DS1820支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。（3）DS1820在使用中不需要任何外围元件。（4）温围一55C_125C，固有测温分辨率0.5C。（5）测量结果以9位数字量方式串行传送。DS18B02工作原理及功

38、能指令采用T0-92封装的DS18B20有3个引脚，其外观形状跟普通三极管非常相似1、GND为电源地2、DQ为数字信号输入/输出端3、VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。由于外部电源供电方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，电路简单，是DS18B20较好的工作方式图3.4DS18B02封装图Fig3.4theDS18B02packagediagram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一55C所对应的一个基数值。计数器1对低温度系

39、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。如图3.5所示。1/()ciVri?高速4bI温度传感器高渡瞬发器TH低温剋罠器Th图3.5DS18B20部结构图Fig3.5theDS18B20internalstructureofthediagramDS18B02连接电路图3.6外部电源供电接法Fig3

40、.6externalpowersupplyconnection图3.7DS18B20连接电路图Fig3.7DS18B20connectionschematic温度控制模块的设计电动调节阀1、电动调节阀原理电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。随着工业领域的自动化程度越来越高，正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调节阀相比具有明显的优点：节电动调节阀能（只在工作时才消耗电能），环保（无碳排放）,安装快捷方便（无需复杂的气动管路和气泵工作站）。由电动执行机构和调节阀连接组合后经过机械连接装配、调试安装构成电动调节阀。通过接收工业自动化控制系统的信号来驱动阀门改变阀芯和

41、阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数，实现自动化调节功能。电动调节阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经电动调节阀的相对流量与它的开度之间关系。动作原理：电机电源220VAC或者380VAC,控制信号420mA，阀里面有控制器，控制器把电流信号转换为步进电机的角行程信号，电机转动,由齿轮,杠杆,或者齿轮加杠杆,带动阀杆运作,实现直行程或角行程。反馈：电机运行,通过齿轮运转,由三接头的滑动变阻器输出阀门的定位信号,此外还有三根线的限位信号（全开，全开。公共线）2、电动调节阀的优点：（1）用电源既方便又节约，省去了建立气源站的一系列费用；（2）用“气动阀+电

42、气阀门定位器+气源”的复杂方式，它不只是增加了费用，反而带来了可靠性的下降（环节越多，可靠性差的因素增加）；（3）从经济性上看，除省去气源站的费用外，还省去电气阀门定位器的费用：现在一台好的进口的电气阀门定位器，通常在50006000元以上，更好的在800010000的价位上，而这个价位基本上可购回上述高可靠的电子式执行机构；（4）环节减少了，相应减少了维修工作量。驱动电路光耦元件4N35简介光电耦合器（简称光耦）是以光为媒介把输入端信号耦合到输出端，来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳，将它们的光路耦合在一起，当输入端加电信号时发光

43、器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电光电”转换。输入和输出之间不共地，因此广泛地应用于需要信号隔离的电路中。由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号，传输信号的频率高等优点，在电路上获得了广泛的应用。图3.8光电耦合器4N35Fig3.8optocoupler4N35温度控制模块电路单片机把设定值和经过温度采集电路的采样值，进行比较，通过PID运算，得到PWM输出量，软件模拟PWM控制晶闸管(Q1)的导通角控制电压，从而控制加热炉温度。由于仿真需要，本设计把晶闸管换做三极管。Fig3.9Temperaturecontr

44、olmodulecircuit串行通信模块设计3.4.1MAX232芯片简介MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。芯片引脚图如3-10所示。1161531-11312IG11|I?w|89I匚丨-匚二T2DUTR2INGNDrioijrRUN口IourT1INV2IN农OUT图3.10MAX232芯片引脚结构图Fig3.10MAX232,chippinoutdiagram1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

45、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（R10UT）、11脚（T1IN）、14脚（T10UT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R20UT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T10UT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。2.主要特点：1、符合所有的RS-232C技术标准2、只需

46、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5mA5、部集成2个RS-232C驱动器6、部集成2个RS-232C接收器7、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。如图3.10上半部分电容C,CCC及VV是电源变换电路部分。12，3,4+,-在实际应用中器件对电源噪声很敏感。因此，VCC必须要对地加上耦电容C,其值5为0.1uF。电容C,CCC取同样数值的电解电容1uF/16V,用以提高抗于扰能力，在12，3,4连接时尽量靠近器件。下半部分为发送和接收部分。实际应用中，T1T2直接接IN，INTTL/CMOS电平的

47、MCS51单片一机的串行发送端TXD；R1R2可直接接TTL/CMOS电平OUT,OUT的MCS-51单片机的串行接收口RXD；T1,T2可直接接PC机的RS-232串口的接收OUTOUT端RXD；R1,R2可直接接PC机的RS-232串口发送端TXD。ininRS-232简介RS-232C标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000b/s围的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口

48、中广泛采用。通常RS-232接口以9个引脚（DB-9）或是25个引脚（DB-25）的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232接口，分别称为COM1和COM2。RS-232C接口，全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。该标准是目前最常用的一种串行通讯接口，广泛应用于计算机之间、计算机与外设或终端设备之间的近距离连接和数据传输。RS-232C是EIA的一种通信接口标准，它最初是为远程通信中DTE与DCE间的连接设计的。目的是使各厂家生产的设备能达到接插的兼容性，即不需要任何转换电路就可以互相连接起来，它实际上是一种物理接口标准。RS是英文

49、“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。DB9型插头如图2.6.2-1所示。1.DB-9型插头座针脚功能如下：DB-9串行口的针脚功能针脚符号信号名称1DCD载波检测2RXD接受数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备好5SG信号地6DSR数据准备好7RTS请求发送8CTS清除发送9RI振铃指示图3.11DB9插头外形Fig3.11DB9plugshape2.电气特性EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TxD和RxD上：逻辑1（MARK）=-3V-15V,逻辑0（SPACE）=+3-15V。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号

50、有效（接通，ON状态，正电压）=+3V+15V，信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V-15V。以上规定说明了RS-323C标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V,逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号：接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V。也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义。因此，实际工作时，应保证电平在（315）V之间。3.4.3RS232串口通讯电路图PC机串口为标准的RS-232C

51、接口，逻辑“1”为一3V-15V为负逻辑，逻辑“0”为+3V+15V为真那个逻辑，而单片机为TTL电平，所以需采用MAX232实现TTL与标准RS-232接口之间的电平转换。本系统设置为波特率为4800，数据位为8。程序中电路图如2.6.3-1所示。Fig3.12serialcommunicationcircuitdiagram单片机复位电路的设计3.5.1复位电路的作用在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。无论用户使用哪种类型的单片机，总要涉及到单片机复位电路的设

52、计。而单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。3.5.2基本的复位方式单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位1、手动按钮复位手动按钮复位需要

53、人为在复位输入端RST上加入高电平（图1）。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。GM)图3.13手动按钮复位Fig3.13Manualbuttonreset2、上电复位AT89C51的上电复位电路如图2所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1UF。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通

54、过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz,起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。在图2的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后,系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效

55、的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。图3.14上电复位电路Fig3.14Power-onresetcircuit图3.15单片机复位电路Fig3.15MCUresetcircuit红外检测模块的设计3.6.1红外传感器作用红外检测模块通过红外传感器检测室有人与无人，智能对温度控制系统进行控制当室长时间无人时自动关断电动调节阀，停止供热，以减少热量的浪费，当室有人时自动打开电动调节阀，提升室温度并对其进行控制。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类，按探测机理可分成为光子探测器和热探测器.红外传感技术已经在现代科

56、技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基通过探测室人体自身的热量来判断室有3.6.2红外传感器原理红外传感器根据探测机理可分成为：兀于热效应）两种

57、，本设计采用红外热探测器,人与无人，进而对温度控制系统进行控制。滤光片结构閔图3.16红外传感器原理图高阴引脚Fig3.16Infraredsensorschematic3.6.3红外传感器接线图AMN1可直接与单片机借口连接电路如图a所示，图b为传感器检测状态与输出电压。AMN1I/OW电湄关(检测禮町山JL未检测到严和卡冲严传感器输出彳uiujltl稳定时间(b)3.17AMN1原理图图Fig3.17AMN1principleFigureP1C.TF11.J1Fl1肌3PL4EL-i5?V(尤FL5731:1=c亠12Ahv:二1514图3.18红外传感器接线图Fig3.18Infrare

58、dsensorwiringdiagram第四章系统软件设计温度采集模块DS18B20工作程序1、复位时序主机将总线拉低480口s960口s叫释放，总线上拉至高电平。DS18B20在接收到这次正跳变后12口s60口s会将总线拉低60口s240口s发出一个应答时序，在此期间可判断当前总线是否有器件存在。复位时序图如图4-1所示。MASTERTxRESETPULSEMASTERR,*minimum448UUSniiiiiiiirniiiDS18B20Txn*D516B20presencepulsewaits115-GQis_60-24flns1-WIREBUSIN0I图4.1DS18B20复位时序图

59、Fig4.1DS18B20resettimingdiagram2、写时序STARTOFSLOTDS18B20SamplBMINTfPMAX当主机把数据线山高拉至低时则产生写时间隙，向单线总线写比lbit至少需要60口s,且保证两次写操作至少间隔ls。若写0则主机拉低总线至少60口s,写0完成;若写1则主机拉低总线1口s15口s释放拉高等待60口s写完成。写时间隙时序图如图4.2。STARTOFSLOTMASTER用R仃ELi0HSLOT460ns*JO12QU9g.I1.WIRE&USIGND-IDS1BB20Samples+15us+15li530u&MINTYPMAJ*15us+*15us

60、+30|i5图4.2DS18B20写时序图Fig4.2DS18B20writetimingdiagram3、读时序读时阆隙和写时间隙一样，总线山高拉至低并保持1US读时间隙产生。毎个读时隙必须保持60口s以上且两个读时间隙必须隔1US。来自DS18B20的输出数据在读时隙下降沿15口s有效；因此要读到数据必须在拉低总线1口s后释放总线。在1口s15口s对总线釆样得到数据即为读到的数据。读时间隙时序图如图4.3所示。MASTERREAD叩”SLOTMASTERREAD“FSLOT图4.3读时序图Fig4.3readtimingdiagramDS18B20程序流程图对DS18B20读写操作必须按照