基于PID的恒温箱温度控制系统设计(共35页)

精选优质文档-倾情为你奉上基于PID的恒温箱温度控制系统设计（2008届） 2008年6月摘 要本设计是恒温箱温度控制系统设计。可供各类实验室、医疗机构、食品加工、生产部门等使用。在周围温度不断变化条件下，使用恒温箱，可以使一定范围的温度恒定在特定温度下，从而适应生活和工作。控制的温度范围为50120。恒温箱可以在线设定温度，并对温度进行实时数码显示。设计内容包括硬件和软件两个部分。硬件主要由AT89S52单片机、DS18B20数字温度传感器、8155片外存储器、继电器，LED数码管和报警器等组成。电原理图包括数据采集、温度显示、键盘设定、温度控制和复位电路等几个模块。软件部分主要对PID算法进行了数学建模和编程。本设计由键盘电路输入设定温度信号给单片机，温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机，单片机根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算，输出控制信号给加温控制电路，实现加温和停止。当实际温度比设定温度大2摄氏度以上时，则清P1.3输出口，从而停止对电阻丝的加热。当实际温度比设定温度小2摄氏度以上时，取PID的最大值，实现全功率输出。在它们之间时，实现PID算法控制，控制可控硅的接触时间，调节电阻丝功率。显示电路实现现场温度的实时监控。软件部分 ，采用PID控制和时间最优控制相结合的控制方案，实现了控制速度快、超调小、线性控制精度高和实现成本低等的优点。硬件部分采用单片机来实现温度控制，不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度的提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量。关键词：恒温控制，单片机，数字PID算法ABSTRACTThe system of this design is the temperature controller of a constant temperature box.Can be provided as each kind of laboratory, medical treatment organization, food processing and produce the section etc. usage.Under the condition that the surroundings temperature continuously change, the usage constant temperature box, can make the temperature maintaining of the certain scope settle under the particular temperature, thus adapt the life and works.The temperature scope of the control is 50-120, The constant temperature box can with on-line enactment temperature, and carry on the solid hour to the temperature figures manifestation.When be placed in to set the appearance, figures tube manifestation enactment temperature, circulate, manifestation actual temperature.Design content including hardware and software two parts. The hardware mainly by at89S52 monolithic integrated circuit, the DS18B20 digit temperature sensor, 8155 piece of external memory, the relay, the LED nixietube and the alarm apparatus and so on is composed. Electricity schematic diagram including data acquisition, temperature demonstration, keyboard hypothesis, temperature control and reset circuit and so on several modules. The software part mainly has carried on mathematics modelling and the programming to the PID algorithm.The circuit design of the keyboard input from the set temperature signal to the microcontroller, Temperature Signal Acquisition Circuit collect temperature signal to the microcontroller, According to SCM input and feedback signal, the error for PID, the output control signals to the heating control circuit, Heating and achieve stop. Show circuit scene of the real-time monitoring of temperature. When actual temperature compares to set temperature big more than 2 degrees , then the pureexportation, thus stop to electric resistance silk of heating.When the actual temperature compares to set smaller than 2 degrees , taking the PID biggest value, carrying out the whole power exportation.among the two , carry out the PID calculate way control, control contact time that controvable silicon , regulate the electric resistance silk power. software part, the adoption PID control and the control project that time superior control combine together, carried out to control the speed quick, super adjust small, line control the accuracy is high and carry out the cost advantage of low etc.The hardware part adopts a machine to carry out the temperature control, not only have the control convenience, simple, vivid etc. advantage, and can is control with the significant exaltation the technique index sign of the temperature, raise the quantity of the product thus and consumedly.Keywords:Temperature，control，microcontroller，PID，algorithm, MATLAB目 录绪论 把温度作为被控参数进行研究无论在工业生产，还是在日常生活中，都已经变得非常适用和广泛了。在工业生产中，例如冶金工业、化工生产、电力工程、食品加工、机械制造、医疗以及科研研究室等，人们对需要对温度进行监测和控制；而日常生活中的家用电器如电烤箱、微波炉、烘干箱、保温箱等等，也是我们不可或缺的。因此，就恒温箱的研究就有极其重要的现实意义。本设计系统主要由AT89S52单片机、8155片外存储器、继电器、27128片外存储器和DS18B20数字温度传感器等组成。电原理图包括数据采集、BCD码转换和温度显示、键盘设定、温度控制和复位电路等几个模块。通常，采用单片机系统来实现对温度的控制，不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度的提高被控温度的技术指标。 在本设计中，需要达到以下几点技术要求：（1） 控制温度范围50-120，控制精度为2 。（2） 温度采集数字量输入。（3） 键盘按键输入，具有设定功能。（4） 显示功能，数码管显示设定值及当前所测温度值。（5） 具有超温报警功能。本课题应该解决的问题：在设计过程中，对硬件选型时一定要注意控制精度。所选用的芯片必须达到我们设计任务书中的精度要求。显然，恒温箱的微机系统的设计是一个闭环控制系统，虽然可以到达一定的精度，但是仍然有极限。核心设计内容是硬件和软件部分，硬件是基础，在软件设计中，分析清楚各个功功能模块，如主程序，中断服务程序，以及包含在中断程序中的数据采集， PID控制，温度显示子程序。第一章 方案设计分析 控制模块的选择，数字比较器与模拟控制器相比较，数字比较器具有以下几个优点： 1、模拟调节器调节能力有限，当控制规律较为复杂时，就难以甚至无法实现。而数字控制器能实现复杂控制规律的控制。 2、计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制。 3、数字控制器具有灵活性。起控制规律可灵活多样，可用一台计算机对不同的回路实现不同的控制方式，并且修改控制参数或控制方式一般只可改变控制程序即可，使用起来简单方便，可改善调节品质，提高产品的产量和质量。 4、采用计算机除实现PID数字控制外，还能实现监控、数据采集、数字显示等其他功能。综合考虑，本设计控制模块采用数字PID调节器。本系统是一个恒温箱的温度控制器。其控温范围是50-120摄氏度。控制器可以在线设定控制温度，并对温度进行实时数码显示。当系统处于设定状态时，数码管显示设定温度值，平时显示实际温度。当实际温度与设定温度偏差达小于负2时，全功率加热电阻丝，当偏差值在正负2的范围内时，实行PID控制来达到控制温度的目的，当偏差值大于2时，停止加热，从而达到恒温控制的目的。这样的一闭环控制系统，其控制速度快，超调小、线性控制精度高和实现成本低。根据上面分析，结合控制要求，总体方案确定如下为了使设计的成本低、抗干扰强，系统动态性能与稳态性能好的前提下，设计方案的总体结构框图如图1.4所示：AT89S52单片机按 键LED 显 示温 度 采 集 EEPROM控制继电器越 限 报 警图1.4 设计总体结构框图此系统主要有单片机系统、用户接口、温度控制电路、传感器等组成。单片机系统主要用来运行控制软件，接受温度设定和控制指令，输入采样温度信息，输出加热控制信号、温度显示数据。（1）用户接口包括温度显示，报警和按键三部分。由于控温范围为50-120摄氏度，可以采用三位8段LED数码管显示。温度超过一定的范围报警。按钮设置四个，分别为设定键、增键、减键和移位键。（2）DS18B20采集到的就是为数字信号。（3）继电器的接通时间来控制电阻丝的加热功率，而继电器的接通时间又由P1.3上的触发脉冲来控制。其中我主要负责按键、LED显示、温度采集第2章 恒温控制系统硬件设计考虑到尽量降低成本和避免与复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。而主控器采用低功耗、高性能、片内含8k byte可反复檫写的Flash 、只读程序器CMOS8位单片机AT89S52；温度传感器采用DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20；采用控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用 NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动；单片机所需要的+5V工作电源是通过220V交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。用DS18B20定时采集环境温度存到EEPROM，通过三个LED实时显示采集到的温度值，并用此温度与设定的温度比较，通过单片机对偏差进行PID运算，控制继电器的通断，加热或断开热敏电阻，使温度上升或下降，温度达到时断开继电器，使温度自然下降，不够时接通继电器加热，控制显示器、键盘并通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。2.1 AT89S52单片机简介2.1.1 AT89S52单片机资源简介AT89S52的结构如图2.1所示。由于它的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是很经济的。该芯片具有如下功能：有1个专用的键盘/显示接口；有1个全双工异步串行通信接口；有2个16位定时/计数器。这样，1个89S52，承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。89S52有40个引脚，有32个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复插除。所以可以降低成本。主要功能特性： （1）兼容MCS51指令系统（2）32个双向I/O口线（3）3个16位可编程定时/计数器中断（4）2个串行中断口 （5）2个外部中断源（6）2个读写中断口线（7）低功耗空闲和掉电模式（8）8k可反复擦写(1000次)Flash ROM（9）256x8 bit内部RAM（10）时钟频率0-24MHz（11）可编程UART串行通道（12）共6个中断源（13）3级加密位（14）软件设置睡眠和唤醒功能2.1.2 AT89S52芯片2.1.3 AT89S52单片机时钟和复位电路时钟电路单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚，输出端为引脚。而在芯片外部和 之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，所以，这里使用震荡频率为6MHz的石英晶体。震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。需要注意的是：电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图如图2.2所示复位电路单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式。（a）上电复位： 在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的。当的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的初始化电路原理图。RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，满足复位操作的要求。 (b) 按键复位：程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。按键复位又分按键脉冲复位（图2.3）和按键电平复位。电平复位将复位端通过电阻与相连，按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位的。(c) 注意：因为按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的。所以电平复位要将复位端通过电阻与相连.如复位电路中R、C的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。故本设计采用按键复位。.2DS18B20数字温度传感器简介2.2.1 DS18B20数字温度传感器资源简介新的一线器件DS18B20体积更小、适用电压更宽、更经济。 美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 一线总线接口的温度传感器，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集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。目前DS18B20批量采购价格仅10元左右。DS18B20、DS1822 一线总线数字化温度传感器 同DS1820一样，DS18B20也支持一线总线接口，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内，精度为0.5C。DS1822的精度较差为2C。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，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，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20、DS1822的特性 DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为2C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。继一线总线的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。2.2.2 DS18B20数字温度传感器引脚介绍DS18B20引脚定义：(1)DQ为数字信号输入/输出端；(2)GND为电源地； (3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20电路图参考图: 2.2.3 DS18B20数字温度传感器的使用一、DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电（2）独特的单线接口方式，DS18B20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DS18B20的双向通讯（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 （5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快（8）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，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 二、DS18B20的内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。存储器和控制器64位ROM和是单线接口温度灵敏元件低温触发器高速缓存存储器电源检测高温触发器TH配置寄存器8位CRC生成器三、DS18B20工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3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3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。DS18B20有4个主要的数据部件： （1）光刻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。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。表1: DS18B20温度值格式表LS byteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0232221202-12-22-32-4LS byteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。TEMPERATUREDIGITAL OUTPUTDIGITAL OUTPUT+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.500000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90HThe power_on reset value of the temperature register is +85（3）DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。 （4）配置寄存器该字节各位的意义如下：表3：配置寄存器结构TMR1R011111低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）表4：温度分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5 ms1011位375 ms1112位750 ms四、高速暂存存储器 高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表5所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。表5是对应的一部分温度值。第九个字节是冗余检验字节。表5：DS18B20暂存寄存器寄存器内容字节地址温度值低位（LS Byte）0温度值高位（MS Byte）11高温限值（TH）2低温限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。表6：ROM指令表指令约定代码功能读ROM33H读DS18B20温度传感器ROM中的编码（即64位地址）符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对的DS18B20使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址。为操作各器件作好准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令，适用于单片机工作告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。表6：RAM指令表指令约定代码功能温度变换44H启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最厂为750MS（9位93.75MS）。结果存入内部9字节ROM中读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器48H将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中重调EEPROM0B8H将EEPROM中内容恢复到RAM中底第3、4字节读供电方式0B4H读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送“0”，外接电源供电DS18B20发送“1”。2.3 并行I/O接口芯片的选择在单片机控制系统中，经常利用I/O接口芯片来扩张CPU的并行I/O端口。这类I/O接口芯片的种类很多。在单片机系统中，广泛应用的I/O接口芯片是8155。2.3.1 Intel81558155是Intel公司研制的通用I/O接口芯片。AT89S52芯片和8155相连不仅可为外设提供两个八位I/O端口（A口和B口）和一个六位I/O端口（C口），而且也为CPU提供一个256字节的RAM存储器和一个14位定时器/计数器。内部结构如下图所示。图2-4 8155芯片引脚图2.3.2 内部结构8155共有七部分电路组成，她们是双线数据总线缓冲器、地址锁存器、地址译码器和读写编码盘、RAM存储器、I/O寄存器、命令寄存器和状态寄存器以及定时器/计数器等。双向数据总线缓冲器：该缓冲器是8位的，用于传送CPU对RAM存储器的读写数据。地址译码器：共八位，用于锁存CPU送来的RAM单元地址和端口地址。地址译码器和读写控制器：地址译码器的三位地址由地址锁存器输出端送来，译码后可以选中命令/状态寄存器、定时器/计数器和ABC三个I/O寄存器中的某个工作。读写控制其接收RD和WR线上的信息，实现对CPU和8155间所传信息的控制。RAM存储器，容量为256字节，主要用于存放实时数据。存储器存储单元地址由地址锁存器输出端送来。I/O寄存器，分为ABC三个端口。A口和B口的I/O寄存器为8位，既可以存放外设的输出数据又可以存放外设的输入数据；C口的I/O寄存器只有6位，用于存放I/O数据或命令/状态信息。8155在某一瞬间只能选中某个I/O寄存器工作，这有CPU送给8155的命令字决定。命令寄存器和状态寄存器，皆为8位寄存器。命令寄存器存放CPU送来的命令字，状态寄存器存放8155的状态字。定时器/计数器，这是一个二进制14位的减1计数器，计数器初值由CPU通过程序送来。定时器/计数器由T/N输入线上脉冲减1，每当计满溢出时可在T/OUT线上输出一个终止脉冲。2.3.3 引脚功能（1）AD7-AD0（8条）：AD7-AD0为地址/数据总线，常可和MCS-51的P0口相接，用于分时的传送地址/数据信息。I/O总线（22条）：PA7-PA0通用I/O线，用于传送A口上的外设数据，数据外送方向由8155命令字决定。PB7-PB0为通用I/O线，用于传送B口上的外设数据，数据传送的方向也是由8155命令字决定的。PC5-PC0为I/O数据/控制线，共6条，通用I/O方式下，用作传送I/O数据，在选通I/O方式下，用作传送命令/状态信息。（2）控制总线（8条）RESET：8155总清输入线，在RESET线上输入一个大于600ns宽的正脉冲时，8155立即处于总清状态，A、B、C三口也定义为输入方式。CE和IO/M：CE为8155片输入线，若CE=0，则CPU选中本8155工作；否则，本8155不工作。IO/M为I/O端口或RAM存储器的选通输入线；若IO/ M=0，则CPU选中8155的RAM存储器工作；若IO/M=1 ，则CPU选中8155内某一寄存器工作。RD和WR：RD是8155的读/写命令输入线，WR为写命令线当RD=0和WR=1时，8155处于读出数据状态；当RD=1和WR=0时，8155处于写入数据状态。ALE：为允许地址输入线，高电平有效。若ALE=1，则8155允许AD7AD0上的地址锁存道“地址锁存器”；否则，8155的地址锁存器处于封锁状态。8155的ALE常和MCS-51的同名端相连。T/IN和T/OUT：T/IN实计数器输入线，其上脉冲用于对8155片内14位计数器减1。T/OUT为计数器输出线，当14位计数器从计满回零时就可以在该引线上输出脉冲波形，输出脉冲的形状和计数器工作方式有关。（3）电源线(2条)：Vcc为+5V电源输入线，Vss为接地线。第3章 恒温控制系统模块分析设计3.1 温度的采集温度测量转换部分是整个系统的数据来源，直接影响系统的可靠性。传统的温度测量方法是：温度传感器例如AD590，将测量的温度转换成模拟电信号，再经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，单片机再对采集的数字信号进行处理3。这种模拟数字混合电路实现起来比较复杂，滤波消噪难度大系统稳定性不高，鉴于这些考虑，本设计采用数字式温度传感器DS18B20。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度的范围为-55C+125C，现场温度直接以“一线总线”的数字式传输，大大的提高了系统的抗干扰性。DS18B20为3引脚， DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。温度采集电路模块如图2.4所示。DSB8B20的3脚接系统中单片机的P1.4口线，用于将采集到的温度送入单片机中处理，2脚和3脚之间接一个4.7K上拉电阻，即可完成温度采集部分硬件电路。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。数据转换如下表2.1。表2.1 DS18B20温度数据转换表LS ByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0232221202-12-22-32-4MS ByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。DS18B20采集到的温度数字量存在31H（高位），30H（低位3.2键盘和显示电路的设计3.2.1 按键设置本系统中，采用四个按键实现温度的设定，分别为设定键、增键、减键和移位键，温度值有三个位，通过移位键可以方便的设定温度值。并接在8155PC口中。PC为读入口表2.2 按键功能按键键名功能SET键设定键或退出键使系统产生中断，进入设置状态或退出+ 键增键按一次当前值加1- 键减键按一次当前值减1MOV键移位键按一次移动到另一位设置电路参考图2.7（在下面）3.2.2 LED数码管显示原理显示电路实行LED显示。这里采用八段共阳LED。A口字段口，B为在字位口。LED数码管结构简单，价格便宜。八段LED显示管有八只发光二极管组成，编号分别为a、b、c、d、e、f、gS、P，分别和同名管相连。八段LED数码显示管原理简单，是通过同名管脚上所加电压高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形的。例如，若在共阳LED管的SP、g、f、e、d、c、b、a管脚上分别加上80H控制电平（即SP上为TTL高电平，不亮，其余为0伏，亮），则LED显示管显示字形“8”。80H是按照SP、g、f、e、d、c、b、a顺序排列后的十六进制编码（0为TTL低电平，1为TTL高电平），常称为字形码。因此，LED上显示字形不同，相应字形码也不一样。 LED管的显示可以分为静态显示和动态显示两种。（1）静态显示的特点是各个LED管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各LED轮流地一遍一遍显示各自字符，人们因视觉气管惰性而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。但是静态显示所需的硬件开锁大，CPU也无法预先知道什么时候需要改变LED的被显示字符。为了减少硬件开锁，提高系统可靠性和降低成本，单片机控制控制系统通常采用动态扫描显示。在本电路图中，8031通过8155对三只共阳LED的接口电路；A口和所有LED的a、b、c、d、e、f、g、SP 引线相连，各LED控制端G和8155C口相连，故B口为字形口和C口为字形口，因为CPU可以通过C口控制各LED是否点亮。(2) 动态显示采用软件法把欲显示十六进制（或BCD码）转换为相应的字形码，故它通常需要在RAM区建立一个显示缓冲区。显示缓冲区内包含的存储单元个数常和系统中LED的个数相等。显示缓冲区的起始很重要，它决定了显示缓冲区在RAM中的位置。在本系统程序中，设置了70H，71H，72H三个显示缓冲区。3.2.3 LED接口电路显示采用3位共阳LED动态显示方式,显示内容有温度值的百位、十位、个位，按键并接在8155PC口中，PC为读入口。显示电路实行LED显示，A口字段口，B口为在位选口，LED用动态显示，这里采用八段共阳LED。模块电路如下图2.7所示： 图2.7 显示接口电路第4章 恒温控制系统各功能和软件设计4.1 工作流程恒温箱在复位后处于停止加热的状态，此时，系统默认显示设定温度值为50摄氏度。我们可以通过用设定键改变预设定温度，也可以直接启动运行。在运行的过程中，系统不断的检测当前温度，并送往显示器显示，超过设定温度值允许的范围后停止加热，当温度下降到上限（比设定温度大2度时）启动加热，实行PID计算达到控制温度的目的。当下降到下限（比设定温度小2以上）时，实行全功率控制。快速达到加热到设定温度的目的。这样不断的重复上述的过程，使温度保持在与设定的温度范围内。当然，运行过程中，也可以随时地改变设定温度，温度设定好之后运行，系统按新设定的温度运行。4.2 主程序设计主程序应该包括各个的初始化工作，T0初始化，开中断、温度显示和键盘的扫描以及看门狗子程序。其相应的程序框图以及程序见附录。T0 初始化时，设定T0的计数器方式为2，初值为06H，故它的溢出中断时间为250个过零同步触发脉冲。而T1中断服务程序的执行时间必须满足T0的这一时间要求，因为T1 的中断是嵌套在T0中断之中的。其中有LED显示子程序，按键温度设定子程序。主程序设计基本框图；主程序汇编：MAIN:MOVA,#03H;初始化8155 A,B输出，C输入(方式控制字03H）MOV DPTR,#8000H MOVX DPTR,AMOV TMOD,#56H ;定义T0为定时器计数方式2,T1为方式1() MOV TL0,#06H ;装入定时初值 MOV TH0,#06H CLRPT0;T0为低中断优选 MOV IE,#82H ;开T0中断() SETB TR0 ;启动T0计数MIAN1:ACALL LED_DISPACALLBUTTONAJMPMIAN14.2.1 LED显示子程序LED采用动态显示，先由PA口送段选码，PB口送位选码，延时1MS，指向下一单元，判断是否3位显示完，完了返回，没完，位选码左移，继续显示。;动态显示汇编子程序：LED_DISP: MOVR0,#00HMOVR1,#00HMOVA,#03H ;A口输出，B输出 C输入MOVDPTR,#8000H ;命令状态字MOVXDPTR,AMOVR0,LED_NUM1 ;显示存储首址送R0MOVR1,0FEH ;LED1位选（字位码始址送R1）MOVA,R1LED_1: MOVDPTR,#8002H ;位选码送B口MOVXDPTR,AMOVA,R0 ;取显示数据MOVDPTR,#LED_TAB ;字型码表首址MOVCA,A+DPTRMOVDPTR,#8001H ;A口地址MOVXDPTR,AACALL DELAYINC R0 ;指向下一显示单元MOVA,R1JNBACC.2,LED_2;显示完一遍，则跳转RLAMOVR1,AAJMPLED_1LED_2:RETLED_TAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H DB92H, 82H, 0F8H,80H, 90H DB88H, 83H, 0C6H,0A1H,86H DB8EH, 0FFH,0CH, 89H, 7FH DB0BFH4.2.2 按键温度设定子程序本设计中，安排四个按键，分别为设定建、增键、减键和移位键。可实现的功能为：开始必须按一设定建，表示系统现在处于设定状态了，如果没有按设定键，而直接按其他的三个键中的一个，那么将无效，返回。接着，如果所需设定的温度与当前温度相差不大时，可以直接按增减建来达到设定温度的目的，当然也可以用移位键。当相差大时，我们可以按移位键，标志位又四种状态，标志位1时表示个位设定，并送显示；标志位为2时为十位设定，并送显示；标志位是3时是百位设定，并送显示；当为4时则进行判断其值是否超过120度，在所有设定完了之后，必须在一次按下设定键表示已经设定好了。程序框图如下所示：；汇编程序：;* ;温度设定子程序;*BUTTON: MOVA,#03H;A,B输出，C输入MOV DPTR,#8000H MOVX DPTR,AACALLLED_DISPBUTTON1:MOVDPTR,#8003H;读C口MOVXA,DPTRCPLA;取反ANLA,#0FH;屏蔽高4位JNZKEY;A不等0,则转LJMPNKEY_P0 ;无键按下，跳到判断设定标志位 KEY:ACALLLED_DISP;调用显示ACALLDELAY2;调用延时，去抖MOVA,#0FFH;关LED显示MOVDPTR,#8001HMOVXDPTR,A ;重新判有无按？MOVDPTR,#8003H;读C口1111MOVXA,DPTRCPLAANLA,#0FH;屏蔽高4位JNZKEY_P0;A不等于0则转到判断功能键LJMPNKEY_P0 ;无键按下，跳判标志位KEY_P0:MOVDPTR,#8003H;确定是否是PC0输入MOVXA,DPTRCPLAANLA,#0FH;与JNBACC.0,NKEY_P0;PC.0等于1，则跳判标志位*INCTEMP_ENACLRTR0;关T0中断 ENA: MOV A,TEMP_ENA CJNEA,#02H,KEY_STATE;标志位不等于2，则判断功能键MOVTEMP_ENA,#00H;标志位清0CLRCAJMPN_KEY NKEY_P0: MOV A,TEMP_ENA CJNEA,#00H,ENA;标志位不等于0，则判断是否为2CLRCN_KEY:SETBTR0;开T0中断 RET;返回*KEY_STATE:JBACC.3,KEY_P3;ACC.3=1,则PC.3=0,那么转移位设定JBACC.2,KEY_P2;ACC.2=1,则PC.2=0,那么转减设定JBACC.1,KEY_P1;ACC.0=1,则PC.1=0,那么转增设定 LCALL DOGACALLDELAYLJMPBUTTON1;设定值增加KEY_P1:ACALLKEY_AD;调用增设定子程序 LJMPBUTTON1KEY_AD:CLRCMOVA,TEMP_1;当前温度值比较CJNEA,#78H,KEY_P1C;不等于120 则转到减设定CLRCP1_RET:RETKEY_P1C:MOV10H,C;判断CyMOVR0,10HDJNZ R0,P1_RET;R0-1不等于0，则说明Cy=0说明大于等于120度INCTEMP_1MOVA,TEMP_1MOVTEMP_2,A ACALLNUB_TRAN;调用温度数码转换ACALLLED_DISP;调用LED显示AJMPP1_RET;设定值减少KEY_P2:ACALLKEY_SUBLJMPBUTTON1 KEY_SUB: CLRCMOVA,TEMP_1CJNEA,#32H,KEY_P2CCLRC P2_RET:RETKEY_P2C:MOV 11H,CMOVR1,11HDJNZR1,P2_RETDECTEMP_1MOVA,TEMP_1MOVTEMP_2,AACALLNUB_TRANACALLLED_DISPAJMPP2_RET;移位设定 KEY_P3:INCTEMP_MOV;移位标志位1 MOV A,TEMP_MOV KEY_P31: CJNEA,#04H,KEYP3_3;标志位不4，则跳 判断3？CLRCACALLYIWEI_JS;移位计算子程序MOVTEMP_MOV,#00HACALLNUB_TRAN;调用数码转换ACALLLED_DISP;调用LED显示子程序LJMPBUTTONKEYP3_3:CLRCCJNEA,#03H,KEYP3_2;标志位不等于3，转CLRCACALLYIWEI_SD;调用移位设定子程序MOV72H,