温度控制系统毕业设计

摘要基于单片机控制的水温控制系统在工业及平常生活中应用广泛,分类较多，并且温度检测和控制迅速发展，将更好的服务于社会。目前，单片机控制器用于从生活工具到工业应用的各个领域。本设计是基于ATmega16单片机控制的水温智能控制系统，以ATmega16单片机为关键，采用了温度传感器DS18B20，PID算法控制措施来实现水温控制。该系统通过温度传感器DS18B20采集水箱的温度，将模拟量转换成数字量，并通过单片机将采集的成果进行读取并处理，然后，将处理的成果送给半导体驱动芯片BTS7960，来控制半导体制冷片TCE1-12710的功率，对水箱进行加热或制冷，这样就构成了一种闭环控制系统，以此来实现对水温的控制。并且本设计的显示模块采用1602LCD，对温度进行动态显示，按键模块可以设定温度值，报警模块可以提醒系统的工作状态。本文详细的简介了该系统的硬件构成、硬件仿真、软件设计等。关键词：ATmega16单片机，PID控制算法，半导体制冷片，闭环控制系统

AbstractTemperaturecontrolsystembasedonSCM'swidelyusedinindustryandeverydaylifeapplications,morecategories,andtherapiddevelopmentofdetectionandcontroloftemperature,willbetterservethecommunity.Currently,themicro-controllerusedinvariousfieldsoflifetoolsfromtheindustrialapplications.ThedesignisbasedonthewatertemperatureATmega16MCUintelligentcontrolsystem,inordertoATmega16microcontrollercore,withatemperaturesensorDS18B20,PIDcontrolalgorithmmethodtoachievetemperaturecontrol.ThesystemthroughthetemperaturesensorDS18B20collectingtanktemperature,theanalogtodigitalconverterandthemicrocontrollerwillbecollectedbytheresultswerereadandprocessed,andthentheresultoftheprocessingtothesemiconductorchipdriverBTS7960,tocontrolthecoolingofthesemiconductorchipTCE1-12710power,watertankforheatingorcooling,thusconstituteaclosedloopcontrolsystem,inordertoachievethetemperaturecontrol.Andthedesignofthedisplaymoduleusing1602LCD,dynamicdisplayoftemperature,keymodulecansetthetemperaturevalue,thealarmmodulecanprompttheworkingstatusofthesystem.Thispaperdescribesindetailthecompositionofthesystemhardware,hardwareemulation,softwaredesign.KeywordsATmega16Microcontroller,PIDControlAlgorithm,SemiconductorRefrigerationPiece,Closed-loopControlSystem目录TOC\o"1-3"\h\u96831引言 170071.1课题研究的目的和意义 1303041.2国内外研究现实状况 2237121.3温度控制系统的发展方向 214172重要研究内容 4295652.1设计规定 4154952.2设计思绪 44913方案论证及选择 511923.1主控模块 598303.2温度采集模块 569733.3按键输入模块 6262953.4温度显示模块 676103.5加热制冷模块 697373.6声光提醒模块 7225334硬件设计与仿真 8103774.1系统各模块的最终方案 8281674.2系统硬件电路仿真图 8310114.3主控单元的设计 97624.3.1ATmega16单片机简介 9271704.3.2ATmega16引脚功能 10215234.3.3单片机最小系统设计 11285954.4温度采集单元设计 14106054.4.1DS18B20的特点 14193564.4.2DS18B20的内部构造 15223754.4.3DS18B20引脚阐明 15316634.4.4DS18B20测温操作及其原理阐明 1671204.5功率输出单元 17104224.5.1半导体制冷片的驱动电路图 17157644.5.2半导体制冷片TEC1-12710 185015软件设计 19191545.1PID控制算法 2044615.1.1PID控制规律及其基本作用 21287905.1.2比例调整器（P） 21142125.1.3比例积分调整器（PI） 21327165.1.4比例积分微分调整器（PID） 22124925.2PWM的控制措施 2265825.3流程图 23243005.3.1主程序模块 23297885.3.2数据采集和显示模块 2556365.3.3输入模块 2560346总结 2731235参照文献 283407致谢 295055附录 301引言1.1课题研究的目的和意义温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在平常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而导致水资源的巨大挥霍。尤其是在目前全球水资源极度缺乏的状况下，我们更应当掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地运用起来。温度是工业控制中的重要被控参数之一，尤其是在冶金、化工、建材、食品、机械石油等工业中，具有举足轻重的作用。伴随国民经济的发展，温度控制系统不仅可以广泛应用于工业、农业中，并且还和人们的平常生活息息有关，在工业中，电站锅炉和供热锅炉大量存在，且大多数锅炉处在能耗高、挥霍大和环境污染等生产状态，采用温度控制系统就能提高热效率和减少能耗、保护环境。在农业上，温室大棚采用温度控制系统，对于温度的有效控制，不仅可以节省资源并且还可以保证农作物有良好的生长环境，可以有效提高农作物产量。在人们的平常生活中，人们也可以运用温度控制系统去控制洗澡水的温度等，以此来以便人们的生活。伴随电子技术的发展和人们生活质量的提高，尤其是伴随大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了主线性的变化。现代社会中，伴随科学技术的进步，温度检测和控制迅速发展，温度控制将更好的服务于社会。目前，单片机控制器用于从生活工具到工业应用的各个领域。国内外温度控制系统也发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面获得成果。目前社会上温度控制大多采用智能调整器，国产调整器辨别率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格廉价，国外调整器辨别率和精度较高，价格较贵。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优秀的温度控制器及仪器仪表．并在各行业广泛应用。从市场角度看，假如我国的大中型企业将温度控制系统引入生产，可以减少消耗，控制成本，从而提高生产效率。嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的规定，符合国家经济发展政策，具有十分广阔的市场前景。现今，应用比较成熟的如电力脱硫设备中，主控制器在主蒸汽温度控制系统中的应用，已经到达了世界前进水平。如今，在微电子行业中。温度控制系统也越来越重要，如单晶炉、神经网络系统的控制。因此。温度控制系统经济前景非常广泛，我国的高新精尖行业研究其应用的意义更是愈加重大。1.2国内外研究现实状况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在20世纪80年代中后期水平，成熟产品重要以“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、时变的温度。而适应于较高控制场所的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十提成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已经有较多的成熟产品。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、参数自整定等方面获得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优秀的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们重要具有如下的特点：一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；二是可以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；三是可以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，可以根据历史经验及控制对象的变化状况，自动调整有关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强的特点。国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。老式的温度传感器有热电偶、铂电阻热敏电阻等，虽然它们有各自的长处，不过他们需要后续处理电路，并且由于自身的热效应会影响测量精度，可靠性较差，与之相比本设计采用的DS18B20作为测温传感器它具有体积小，一线总线的数字传播方式，可直接向单片机传播数字信号，简化了数据传播与处理过程，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，在－10一85℃范围内，测量精度为±0．5℃。1.3温度控制系统的发展方向由于工业过程控制的需要，尤其是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计措施发展的推进下，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获得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优秀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。

温度控制不好就也许引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，不过要控制好温度常常会碰到意想不到的困难。由于温度控制具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调整器规定较高。

模糊逻辑控制（FLC）是人工智能领域中形成最早、应用最广的一种重要分支，合用于构造复杂且难以用老式理论建立模型的问题。目前FLC已经成功地应用与多种温度控制上。

模糊控制与一般的自动控制的主线区别是，不需要建立精确的数学模型，而是运用模糊理论将人的经验知识、思维推理，其控制过程的措施与方略是由所谓模糊控制器来实现。对于多变量、非线性和时变的大系统，系统的复杂性和控制技术的精确性形成了锋利的矛盾。模糊控制对那些难以获得数学模型或模型非常粗糙的工业系统，如那些大滞后、非线性等复杂工业对象实行控制有独特优势，但静态误差不易控制.模糊控制偏偏具有大量专家经验,实际实现比较困难,它绝不可以替代经典的自动控制，而是扩展了一般的自动控制。在某些实际过程中，人们也常把模糊控制与一般的自动控制结合在一起应用，并且已研制出神经模糊网络的家电产品，将模糊控制技术与人工神经网络、专家系统等人工智能中某些新技术相结合，向着更高层次的研究和应用发展。

采用模糊控制其长处是不需要粗确懂得被控对象的数学模型，并且合用于有较大滞后特性的控制对象。缺陷是静态误差不易控制，因具有大量专家经验，实际实现比较困难。

模糊控制比老式的PID控制等措施,在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势。将模糊控制技术应用于家电产品在国外已是很普遍的现象。单片机是家用电器常用的控制器件,把两者结合起来,可使控制器的性能指标到达最优的目的。基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器,是对老式的电热水器开关控制的改造,具有到达设定温度的时间短、稳态温度波动小、反应敏捷、抗干扰能力强、节省电能等长处，将成为后来发展的主流。2重要研究内容本课题的研究内容是基于单片机的水温控制系统的设计。重要是采用单片机实现对水箱温度的显示、控制和报警等功能。2.1设计规定1.熟悉控制系统的原理和单片机的有关基础知识。2.可以持续测量水的温度值，并能显示水的实际温度等。3.可以设定水的温度范围。4.可以实现水温的自动控制。5.采用单片机控制，通过按键能控制水温的设定值。2.2设计思绪根据设计规定，该温度控制系统可分为6个模块（如图2-1）图2-1温度控制系统温度采集模块：通过温度传感器来测量水温，并将采集后的信号进行放大、A/D转换传送给主控模块。主控模块：接受温度采集模块传来的信号，进行数据处理和逻辑判断，把处理后的成果输出给液晶显示模块、声光提醒模块和加热模块。按键输入模块：通过扫描按键来控制系统的“设定”、“加”、“减”等。声光提醒模块：当水温到达设定值时出现红灯提醒，在水箱加热或制冷过程中，绿灯提醒。液晶显示模块：显示目前水温和水温设定值。加热/制冷模块：给水箱加热/制冷。3方案论证及选择3.1主控模块方案一：采用8031芯片。8031单片机，它是8位高性能单片机，属于原则的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特性，原则MCS-51单片机的体系构造和指令系统。

80C31内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定期/计数器和5个两级中断构造，一种全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。不过其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增长了复杂度。方案二：采用Freescale16MC9S12XS128单片机。该单片机是16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash(P-lash)、8KB

RAM、8KB数据Flash(D-lash)构成片内存储器。重要功能模块包括：内部存储器

、内部PLL锁相环模块

、2个异步串口通讯

SCI

、1个串行外设接口

SPI

、MSCAN

模块

、1个8通道输入/输出比较定期器模块

TIM

、周期中断定期器模块

PIT

、16通道A/D转换模块

ADC

、1个8通道脉冲宽度调制模块

PWM、

输入/输出数字I/O口

。虽然功能强大，运算速度快，资源丰富，不过价格昂贵，性价比较低。方案三：采用ATmega16单片机。ATmega16是基于增强的AVRRISC构造的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。高可靠性、作用强、高速度、低功耗和低价位，内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、丰富的中断源等，完全可以实现对系统的控制。综上采用方案三。3.2温度采集模块方案一：采用热敏电阻。热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件．热敏电阻由半导体陶瓷材料构成，大多为负温度系数，即阻值随温度增长而减少，满足35℃--95℃的测量范围。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系，精度低、反复性和可靠性都比较差。方案二：采用铂电阻温度传感器。铂电阻虽然精度较高，不过调整复杂，假如调整不精确，影响精度。此外，使用铂电阻温度传感器，需要进行信号放大和A/D转换，增长了系统设计的复杂性。方案三：采用单线数字温度传感器DS18B20。DS18B20可直接输出数字量，单线器件，和单片机的接口只需一根信号线，硬件电路十分简朴，轻易实现。由于DS18B20正常使用的测温辨别率为0.50°C，故采用直接读取DS18B20内部暂存寄存器的措施，是一种很好的选择。综上选择方案三。3.3按键输入模块方案一：使用带有触屏功能的彩屏显示键盘。该显示屏是一种可接受触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动多种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。虽然触摸屏操作灵活，不过价格昂贵，性价比较低。方案二：键盘选用常用的44扫描键盘，选择了3个按键，分别用作“设定”、“设定值加”、“设定值减”。在显示方面，选用了常用的1602液晶显示模块。通过对应的软件编程，可以实现显示。综上选择方案二。3.4温度显示模块方案一：采用数码管显示。数码管由多种发光二极管封装在一起构成“8”字型的器件，引线已在内部连接完毕，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管构成8字形构成的，加上小数点就是8个。虽然数码管价格低廉，不过显示内容单一，外围驱动电路较复杂。方案二：使用1602液晶显示屏显示。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)存储了160个不一样的点阵字符图形。同步液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电、画面效果好，辨别率高，抗干扰能力强等特点，可以显示设定温度和目前温度。综上选择方案二。3.5加热制冷模块水温控制模块通过控制驱动电路的导通与关闭，从而到达控制半导体制冷片的功率，以此来控制水温的目的。驱动电路选用BTS7960。BTS7960是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），一般应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调整、安全保护、转换电路等作用。加热制冷模块选用半导体制冷片TEC1-12710。半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的长处是没有滑动部件，应用在某些空间受到限制，可靠性规定高，无制冷剂污染的场所。运用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不一样半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸取热量和放出热量，可以实现加热或制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。3.6声光提醒模块采用发光二极管，当水温到达设定值时出现红灯提醒，在水箱加热制冷过程中，绿灯提醒。4硬件设计与仿真4.1系统各模块的最终方案主控模块：采用ATMEGA16AVR单片机。温度采集模块：采用DS18B20数字温度传感器。按键输入模块：键盘选用常用的扫描键盘。温度显示模块：采用1602液晶显示。加热/制冷模块：采用TCE1-12710半导体制冷片和BTS7960驱动芯片。4.2系统硬件电路仿真图图4-1系统硬件电路图4-1为系统的proteus全局仿真图。该仿真图重要包括：主控模块、温度采集模块，按键输入模块，温度显示模块，声光提醒模块等。虽然学习Proteuse花费了我们的某些时间，不过这款软件的的便利性也让我深有感触。其中双踪示波器显示两路PWM波——即输送给驱动电路的电压。仿真运行时，可以看出pwm波的频率，以此可以模拟出在温差存在时，半导体制冷片的功率大小。1602显示以实现动态显示目前温度、设定温度等实时数据。这样使得硬件没有做出来的状况下，软件就已经可以开始编写了，大大地以便了我们软件的编写与调试。由于来自外界的干扰不停产生,要想到达现场控制目的的恒定,控制作用就必须不停进行。假如现场控制值发生变化,检测元件就会把这种变化采集后送至PID控制器的输入端,并且与系统设定的值进行比较得出偏差,调整器按照偏差值以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号,去变化调整器,从而使现场控制对象发生变化,趋向于设定值,从而到达控制目的。将温度传感器得到的数值作为输入,与设定值进行比较得出偏差,然后再进行PID运算得出成果进行输出,根据输出成果进行PWM控制输出,控制半导体制冷片的工作状态。图4-2PWM波仿真图4.3主控单元的设计4.3.1ATmega16单片机简介ATmega16是基于增强的AVRRISC构造的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一种时钟周期内同步访问两个独立的寄存器。这种构造大大提高了代码效率，并且具有比一般的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同步读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定期器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定期器，一种SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定期器继续运行，容许顾客保持一种时间基准，而其他功能模块处在休眠状态；ADC噪声克制模式时终止CPU和除了异步定期器与ADC以外所有I/O模块的工作，以减少ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其他功能模块处在休眠状态，使得器件只消耗很少的电流，同步具有迅速启动能力；扩展Standby模式下则容许振荡器和异步定期器继续工作。4.3.2ATmega1图4-3AVR单片机管脚图6引脚功能图4-3AVR单片机管脚图VCC电源正GND电源地端口A(PA7..PA0)端口A做为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸取大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，虽然系统时钟尚未起振，端口A处在高阻状态。端口B(PB7..PB0)端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸取大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，虽然系统时钟尚未起振，端口B处在高阻状态。端口B也可以用做其他不一样的特殊功能。端口C(PC7..PC0)端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸取大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，虽然系统时钟尚未起振，端口C处在高阻状态。假如JTAG接口使能，虽然复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C也可以用做其他不一样的特殊功能.端口D(PD7..PD0)端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸取大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，虽然系统时钟尚未起振，端口D处在高阻状态。端口D也可以用做其他不一样的特殊功能.RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P36Table15。持续时间不不小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2反向振荡放大器的输出端。AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一种低通滤波器与VCC连接。AREFA/D的模拟基准输入引脚。4.3.3单片机最小系统设计基本的AVR硬件线路，包括如下几部分：●复位线路。●晶振线路。●ISP下载接口。●JTAG仿真接口。●电源。(1)复位线路的设计Mega16已经内置了上电复位设计。并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很简朴：直接拉一只10K的电阻到VCC即可(R6)。为了可靠，再加上一只0.1uF的电容(C0)以消除干扰、杂波。D3(1N4148)的作用有两图4-4图4-4复位电路设计重要阐明：实际应用时，假如你不需要复位按钮，复位脚可以不接任何的零件，AVR芯片也能稳定工作。即这部分不需要任何的外围零件。（2）晶振电路的设计Mega16已经内置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。不过，内置的毕竟是RC振荡，在某些规定较高的场所，例如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，提议使用外部的晶振线路。初期的90S系列，晶振两端均需要接22pF左右的电容。Mega系列实际使用时，这两只小电容不接也能正常工作。不过为了线路的规范化，我们仍提议接上。(3)JTAG仿真图4图4-5晶振电路设计仿真接口也是使用双排2＊5插座。需要一只10K的上拉电阻。重要阐明：实际应用时，假如你不想使用JTAG仿真，并且不想受四只10K的上拉电阻的影响，可以将JP1－JP4断开。图图4-6JTAG方针接口(4)ISP下载接口设计ISP下载接口，不需要任何的外围零件。使用双排2＊5插座。由于没有外围零件，故（MOSI）、（MISO）、（SCK）、复位脚仍可以正常使用，不受ISP的干扰。RST连接倒RESET，为了减小图片大小这里没有画出，你可以从本页的那个图片看出来。重要阐明：实际应用时，假如你想简化零件，可以不焊接2＊5座。但在PCB设计时最佳保留这个空位，以便后来升级AVR内的软件。图图4-7JTAG方针接口设计图图3-5JTAG方针接口设计图4.4温度采集单元设计4.4.1DS18B20的特点DS18B20是DALLAS企业生产的一种线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温辨别率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多种DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常合用于远距离多点温度检测系统。4.4.2DS18B20的内部构造图4-9DS18B20的管脚排列图4-8DS18B20的内部构造图4-9DS18B20的管脚排列图4-8DS18B20的内部构造ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相似。64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。ROM的作用是使每一种DS18B20都各不相似，这样就可以实现一根总线上挂接多种DS18B20的目的。4.4.3DS18B20引脚阐明表4-1DS18B20的引脚阐明表16脚SSOPPR35符号阐明91GND接地82DQ数据输入/输出脚。对于单线操作：漏极开路73VDD可选的VDD引脚。4.4.4DS18B20测温操作及其原理阐明DS18B20通过一种片上温度测量技术来测量温度。图4-10示出了温度测量电路的方框图。图4图4-10温度传感器测量电路图DS18B20是这样测温的：用一种高温度系数的振荡器确定一种门周期，内部计数器在这个门周期内对一种低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55℃的一种值。假如计数器在门周期结束前抵达0，则温度寄存器（同样被预置到-55℃）的值增长，表明所测温度不小于-55℃。同步，计数器被复位到一种值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来赔偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，假如门周期仍未结束，将反复这一过程。斜坡式累加器用来赔偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的辨别力。这是通过变化计数器对温度每增长一度所需计数的数值来实现的。因此，要想获得所需的辨别率，必须同步懂得在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。图图4-11DS18B20测温的电路原理图4.5功率输出单元4.5.1半导体制冷片的驱动电路图图4—12半导体制冷片的驱动电路图制冷片的驱动采用的英飞凌企业的智能功率芯片BTS7960作为驱动芯片,由两个半桥驱动芯片BTS7960组合成一种H桥驱动。BTS7960是大电流半桥高集成芯片,它带有一种N沟道的低边MOSFET、一种P沟道的高边MOSFET和一种IC驱动。P沟道高边开关对电荷泵的需求省去了,因而减小了EMI。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调整、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTS7960通态电阻经典值为16mΩ,驱动电流可达43A。两片BTS7960构成全桥驱动,mega16的PD6连接芯片的使能控制,当PD6的输出电平为高电平时,对芯片进行使能操作(INH=1)。通过单片机IO口PD5、PD7提供不一样电平值,向控制的半导体制冷片提供不一样方向的电流,进行制冷或者制热,以到达不一样的控制效果。4.5.2半导体制冷片TEC1-12710半导体热电偶由N型半导体和P型半导体构成。N型材料有多出的电子，有负温差电势。P型材料电子局限性，有正温差电势；当电子从P型穿过结点至N型时，结点的温度减少，其能量必然增长，并且增长的能量相称于结点所消耗的能量。相反，当电子从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高。直接接触的热电偶电路在实际应用中不可用，因此用下图的连接措施来替代，试验证明，在温差电路中引入第三种材料（铜连接片和导线）不会变化电路的特性。这样，半导体元件可以用多种不一样的连接措施来满足使用者的规定。把一种P型半导体元件和一种N型半导体元件联结成一对热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的接头处，电流方向是从N至P，温度下降并且吸热，这就是冷端；而在下面的一种接头处，电流方向是从P至N，温度上升并且放热，因此是热端。因此是半导体致冷片由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而N/P之间以一般的导体相连接而成一完整线路，一般是铜、铝或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾同样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好。半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有如下的长处和特点：1、不需要任何制冷剂，可持续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装轻易。2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远不小于1。因此使用一种片件就可以替代分立的加热系统和制冷系统。3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很轻易实现遥控、程控、计算机控制，便于构成自动控制系统4、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的状况下，通电不到一分钟，制冷片就能到达最大温差。5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般合用于中低温区发电。6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的措施组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。7、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有如下几种方面：1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。2、医疗方面;冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。3、试验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、多种恒温、高下温试验仪片。4、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。5、平常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子冰箱等。5软件设计本章简介在AVR水温自动控制系统中的软件设计部分，其中包括控制算法及程序。AVR系列ATmage16控制器的硬件资源为高性能运动控制系统的开发提供了必要的条件。怎样运用这些片上硬件资源，使整个系统到达预期的性能，则在很大程度上依赖于顾客软件的设计。下面，首先来谈一下AVR系列ATmega16控制器的软件设计。就AVR系列ATmega16控制系统开发而言，以AVR系列ATmega16控制器为硬件关键的运动控制系统一般都是某些实时性规定较高的系统，同步，由于ATmega16控制器自身的特点，此类系统的软件开发工作的难度要高于对应硬件系统的设计工作。基于上述考虑，我们认为：在实际的系统开发工作中，要在系统的软件设计上花费较大的力气。当采用高级语言或MATLAB等工具对算法进行模拟，并确定最终要实现的算法后来，软件的设计工作就是采用合适的编程语言进行算法实现，并使程序的效率满足实时性规定。根据所使用开发工具的不一样，软件设计可采用汇编语言、高级语言（C语言）、混合语言（C语言和汇编语言）进行编程。采用高级语言编程具有开发周期短、代码可读性强、代码可移植性好、便于维护等长处。而汇编语言编程的最大长处是代码效率高，不过不便于维护，开发周期长。实际状况是，为了设计出性能价格比最高的AVR系统，需要尽量充足的AVR控制器的资源，这意味着代码必须非常紧凑，效率很高，因而采用C语言编程一般能满足实时性和性价比的规定。在处理了编程语言的问题后来，软件设计工程师还应注意的是某些编程规范，这在软件设计需要多人来完毕时尤其重要。一般来说，软件设计应注意如下原因：1.软件的组织。明确界定控制程序、关键算法程序、I/O程序、硬件初始化程序等之间的功能，以便于软件调试与维护。2.存储器组织。3.合理的存储器组织对应用程序的移植和维护至关重要。4.编程常规。如混合语言编程时要严格遵守C语言的函数调用协议，不要编写自修改代码等。5.文档管理。所波及到的问题重要有代码修改历史记录、程序注释等。5.1PID控制算法按偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Differential）进行控制的调整器，简称为PID调整器。PID调整是持续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种控制措施，它构造灵活，不仅可以用常规的PID调整，并且可以根据系统的规定，采用多种PID的变型，如PI、PD控制及改善的PID控制等。它具有许多特点，如不需规定出数学模型、控制效果好等，尤其是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控对象来说，数字PID完全可以替代模拟PID调整器，应用愈加灵活，合用性更强。5.1.1PID控制规律及其基本作用PID调整器是一种线性调整器，其框图如图5-1所示。下面分别讨论比例调整器P、积分调整器I、微分调整器D的作用。图图5-1PID控制系统框图5.1.2比例调整器（P）这是一种简朴的调整器，比例调整器与偏差成比例调整，调整及时，误差一旦产生，调整器立即产生控制作用，使被控量y向减小偏差的方向变化，但这种调整使被调量y存在静差，即有残留误差，由于调整作用是以偏差的存在为前提条件的。只有在控制作用为U0时才会出现零静差（此时偏差）。提高放大系数虽可以减小静差，但永远不会使之减小为零，并且无止境的提高放大系数最终将导致系统不稳定。5.1.3比例积分调整器（PI）采用比例调整的系统存在静差，为了消除静差，在比例调整器的基础上加入积分调整器，构成比例积分调整器。积分调整器的突出长处是，只要被调量存在偏差，其输出的调整作用便随时间不停加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不答复原位，因而能保持静态误差为零。但单纯的积分也有弱点，其动作过于缓慢，因而在改善静态品质的同步，往往使调整的动态品质变坏，过渡过程时间加长。因此在实际生产中往往在积分调整的基础上加入比例调整，把比例作用的及时性与积分作用消除静态误差的长处结合起来，构成比例积分调整器。5.1.4比例积分微分调整器（PID）比例积分调整消除系统误差需通过较长的时间，为深入改善控制器，可以通过检测误差的变化率来预报误差，根据误差变化趋势，产生强烈的调整作用，使偏差尽快的消除在萌芽状态，数学上描述这个概念就是微分，因此在PI调整器的基础上加入微分调整，就构成了比例积分微分调整器。在PID三种调整器中，微分调整重要用来加紧系统的响应速度，减小超调，克服振荡。将P、I、D三种调整规律结合在一起，即迅速敏捷，又平稳精确，只要三者强度配合合适，便可获得满意的调整效果。在工业过程控制中，模拟PID调整器的执行机构有电动、气动、液动等类型，PID调整规律用硬件。而在微机控制系统中采用数字控制器，即用软件来实现PID控制，因此要将模拟PID调整器离散化为数字PID控制算法。由于持续生产过程一般均有较大的时间常数，而微机控制系统的采样周期远远不不小于过程对象的时间常数，因此数字PID调整器参数的整定，完全可以参照模拟调整器的参数整定措施进行，最终在实践中加以调整，以得到比较理想的参数。数字PID调整器参数的整定措施有三种：扩充临界比例读法、扩充响应曲线法与试凑法。5.2PWM的控制措施我采用的是控制时间比例的措施。时间比例：我设定一种原则的加热期，例如2分钟，我在这2分钟内对输出进行控制，也就是说在这2分钟内的加热多少时间，全速加热就是整个周期2分钟，停止加热就是不输出0分钟，根据我们的计算可以在0-2分钟内变化，例如计算得到1分钟30秒，那么，我们在2分钟内加热1分钟30秒，剩余30秒不加热，2分钟后在测量温度，重新计算输出量。我采用的是控制时间比例的措施。这样的措施会出现很大的温度波动，由于被加热对象的惯性作用，PID就会出现很大或长时间的振荡。很好的措施是采用调功方式，假如坚持用PID的话耐心调整参数会好的。通过老师的指导和在自己查阅资料发现如下可以改善的地方：1.采样频率视系统惯性而定，惯性小采样时间选小点，惯性大就选大点。2．调整参数时先用比例控制，同步调整采样时间，重要还是调整比例参数，将控制效果调到最佳。3．增长积分控制部分，积分参数从小往上调，同步调整比例参数，将控制效果调到最佳。4．增长微分部分，对于温度控制来说，微分参数还是小点好，系统惯性越温度突变也许性越小，也就是说微分的作用不是很大，就我自己的经验，假如微分明显起作用了，那一定是采样部分受到干扰，现象就是PID输出变化很快。对微分的调整同步也要调整比例、积分参数，不过调整量很小。5．程序要注意采样误差与否合理5.3流程图5.3.1主程序模块主程序模块要做的重要工作是上电后对系统初始化和构建系统整体软件框架，其中初始化包括对单片机的初始化、串口初始化等。然后等待温度设定，若温度已经设定好了，判断系统运行键与否按下，若系统运行，则依次调用各个有关模块，循环控制直到系统停止运行。主程序模块的程序流程图如图5-2所示。NYYNYNYNNYNNYYNYNYNNYNY图5-2主程序流程图开始读温度设定值等待数据采集温度显示PID运算控制输出系统初始化温度设定否运行/停止键按下否运行/停止键按下否等待5.3.2数据采集和显示模块数据采集模块的任务是负责温度信号的采集以及将采集到的数字量提供应单片机。ATmega16通过控制DS18B20读取实时温度，然后，通过PC口送到LCD1602进行显示。数据采集模块的程序流程图如图5-3所示，显示程序设计框图如图5-4所示。开始开始成果保留成果保留返回返回图5-3数据采集模块程序流程图开始开始测试显示屏幕与否忙状态测试显示屏幕与否忙状态清除屏幕送显示地址送显示地址Y返回送显示数据返回送显示数据图5-4显示程序设计框图5.3.3输入模块键盘选择程序扫描方式工作，运用CPU在完毕其他工作的空闲时间中，调用键盘扫描子程序，来处理键的输入规定。在执行键功能处理程序时，CPU不再响应其他键输入规定。键盘处理子程序流程图如图5-5所示：开始开始有键闭合找到闭合键延时去键抖动扫描键盘计算键值闭合键释放结束建立有效标志建立无效标志NYNYNY6总结本课题研究内容是基于单片机的水温控制系统的设计。重要是采用单片机实现对水箱温度的显示、控制和报警等功能。设计规定：1.熟悉控制系统的原理和单片机的有关基础知识；2.可以持续测量水的温度值，并能显示水的实际温度等；3.可以设定水的温度范围；4.可以实现水温的自动控制；5.采用单片机控制，通过按键能控制水温的设定值。硬件方面基本已完毕了仿真与设计，在制作方面已经完毕了按键模块、主控模块、温度采集模块、显示模块的焊接与调试。可以实现温度采集、温度实时显示、按键输入、设置温度的调整等功能。制冷片驱动电路及半导体制冷片未制作，采用一种发光二极管替代该模块，通过发光二极管的亮度变化可以观测到输送功率的变化。软件设计方面已基本完毕，其中有主程序模块，数据采集模块，显示模块，输入模块等。通过这次应用系统的设计，我学到了不少的知识。把此前没有学好的程序专业知识进行了补充和加强，加深了我对于单片机和数字电路的认识，巩固了自己的专业知识，相信在后来的学习和工作中碰到这些基础的元器件我会愈加得心应手。通过查阅大量的资料，