基于單片機的PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）題 目： 基于單片機的PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 （Title）：The design of control system of temperature based on PID and SCM 基于單片機的PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要隨著生活的發(fā)展時代的變遷，溫度似乎由原來的不可控量變到今天的可控量。正是因為這樣的變化凸顯控制溫度重要性和意義性。而工業(yè)生產(chǎn)中都用到電熱爐、坩鍋電阻爐和溫控箱，于是單片機就成為了它的核心搭檔，不僅可以解決繁瑣復(fù)雜的人工控制還可以提高別控對象的精準度和良好指標；因此，微電腦化溫度控制技術(shù)正在廣泛的被人們接納。本作品是恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計，可用

2、在生產(chǎn)也可以用在科研實驗還可以用在醫(yī)院里。在溫度時常變化環(huán)境中使用恒溫箱，可以使一定范圍的溫度恒定在特定溫度下，從而適應(yīng)生活和工作。而且還可以隨心所欲的設(shè)定溫度來達到你想要的那種環(huán)境。本論文首先是介紹恒溫控箱的工作原理，以硬件為基礎(chǔ)軟件為核心的介紹開來的，幾種對于硬件我還會以流程框圖來介紹，這樣能讓我們能容易的明白它的工作過程，和各個模塊各自實現(xiàn)的功能。先是硬件我們用了STC89C51單片機，它具有內(nèi)部集成數(shù)模轉(zhuǎn)換和封裝小的優(yōu)點，再加上DS18B20的溫度傳感器。軟件的方面 ，采用了PID的精準算法，不僅實現(xiàn)了超調(diào)小、線性控制精度高、反應(yīng)快和實現(xiàn)成本低等的優(yōu)點。在使用的時候用戶先根據(jù)自己的要求

3、在按鍵上選擇自己想要達到的溫度，然后由單片機采集測溫元件的溫度輸入與反饋進行比對和準確的PID算法，接著馬上輸出信號讓升溫器件工作升溫。在這里PID成為軟件的核心。如果說PID調(diào)節(jié)控制恒溫箱的溫度，使溫度在理想范圍內(nèi)穩(wěn)定。在相同的情況下，在整定PID使溫控箱達到最理想的效果過程中，使它能能更快準穩(wěn)的調(diào)節(jié)溫度，你就會發(fā)現(xiàn)和了解什么樣的調(diào)節(jié)參數(shù)更適合更快達到效果。 關(guān)鍵詞：恒溫控制，單片機，數(shù)字PID算法The design of control system of temperature based on PID and SCMAbstractWith thedevelopment ofthe

4、life and times ofchange,from the originaltemperatureseems to benot controlledquantity toa controlled amountof today.It is precisely because of this changehighlights theimportance and significanceoftemperature control.Andindustrial productionare used inelectric furnace,crucibleresistance furnaceand t

5、hetemperature control box,so theSCMhas become a corepartnerof it,not only can solve theartificial controlof complexobjectsbut also can improve thecontrolprecision andnota good indicator therefore,the microcomputertemperaturecontrol technologyis beingwidelyaccepted by people.This work is theconstant

6、temperaturecontrol system design oftemperature,can be used inproduction andcan also be used inscientific experimentscan also be usedin the hospital.In theconstant temperature boxtemperatureoften change touseenvironment,can make thetemperaturerangeat a certain temperature,so as to adapt to thelife an

7、d work.But alsocanset the temperatureenvironment in whichyou wantto achieve.This paperfirstdescribes the working principleof constant temperaturecontrol box,hardware basedsoftwareas the core of theintroduced,severalhardwareI wouldflow diagramto introduce,sowecan easilyunderstandits working process,a

8、nd each moduleof thefunction The firstis the hardwarewe useSTC89C51 single chip microcomputer,it hasthe internal integration ofdigital to analog conversionand encapsulationof small advantages coupled with thetemperaturesensorDS18B20.The softwareaspect,theprecisionof the PID algorithm,not only to ach

9、ieve asmall overshoot,high control precision,fast responselinearity and low cost When usersaccording to their ownrequirementson the buttonto choose their desiredtemperature,temperature inputand thencollected by the microcontrollertemperature measurement elementandaccuratethanPID algorithm andfeedbac

10、k,and thenoutput signal forheatingdeviceheating.HerePID isthe core of the softwareIf thePID control of temperature,temperaturestabilityin the ideal range Under the same conditions,in thesetting of PID. The temperature controlboxto achieve the most ideal effectin the process,so that it can bequicker

11、toquasisteadytemperatureregulation,you will findandunderstand what kind ofadjusting parameteris more suitableto achieve the effect offaster.Key word：Constant temperature ，SCM，PID algorithm基于單片機PID的溫度控系統(tǒng)研究前言隨著時間的推移生活水平的提高,用單片機來控制是生活中必不可少的，然而它帶給人類的方便也是不可否認的，很多電子產(chǎn)品中都用到溫度檢測、溫度控制。隨著溫控器的廣泛運用和多樣化，所以在市場中產(chǎn)生了

12、各種各樣的溫控器。數(shù)字溫度計就是一個典型例子，隨著人們追求的越來越高和簡約的生活，人們就會自主的尋找最佳的解決方案著手于單片機的開發(fā)和控制，向著數(shù)字化控制，智能化控制發(fā)展。相對來說傳統(tǒng)的溫度控制往往用簡單的PID來實現(xiàn)。雖然他們有PID調(diào)節(jié)所具備的穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性較高，但存在著它的參數(shù)設(shè)定對環(huán)境的影響高的不足的問題，導(dǎo)致調(diào)節(jié)時間與超調(diào)量難以協(xié)調(diào)一致的。后來科學(xué)家們就引入了改良后的PID控制器以彌補上面說的不足，它是系統(tǒng)在適應(yīng)性和抗干擾能力都得到了提升，從而得到了較高的溫度控制的穩(wěn)定性。與一般的溫度控制器相比，有方便讀數(shù)、廣泛測溫、準確控制、負載廣泛、有LED顯示工作方式，其輸出溫度用

13、四位數(shù)碼管顯示，主要用于對測溫要求高的的場所，該設(shè)計使用單片機 STC89C51來控制，使用 DS18B20測溫傳感器，用PNP三極管驅(qū)動。1 設(shè)計要求和設(shè)計方案的論證明確要求，討論方案的可行性然后確定方案，最后逐一攻破難點。1.1 設(shè)計要求PID精準控制；單片機微智能處理；數(shù)碼管顯示；溫度可控；1.2 系統(tǒng)基本方案選擇和論證 1.2.1 單片機芯片的選擇方案和論證介紹選用單片機的原因單片機特點：（1）高集相對較高，高可靠性。單片機由于內(nèi)部集成了很多功能在小小的芯片內(nèi)部，非常短的內(nèi)部布線，本身就是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，而且其抗工業(yè)噪音性能比一般的CPU要好。單片機的程序，常數(shù)、表格都燒錄在

14、ROM中掉電都不會損壞的，眾多的信號通道都是匯聚到一個芯片內(nèi)，故可靠性較高。（2）低功耗、低電壓，可使用在要求靈活的場所。 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，所以設(shè)計單片機工作電壓在1.8到3.6伏之間，而工作電流僅為數(shù)百微安。（3）控制功能強 由于對控制的要求相當高，單片機的內(nèi)部附帶的指令系統(tǒng)相當?shù)凝R全和可靠，其中有: I/O口的邏輯操作及位處理能力，分支轉(zhuǎn)移能力，非常適用于有特殊要求的設(shè)備上。 （4）性價比比較突出優(yōu)異 單片機性能非常高。為了得到較高的運行速度可運行效率，在芯片里植入使用RISC流水線、DSP技術(shù)。單片機的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達到1兆和16兆，片內(nèi)的ROM容

15、量可達62兆，RAM容量則可達2兆。因此得到了廣泛的使用支持，從而提高了產(chǎn)量減低了生產(chǎn)成本，使生產(chǎn)與消費之間形成了一個良性循環(huán)。（5）擴展功能強大 芯片內(nèi)有雷同計算機的運行功能。芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。 方案一: 采用AT89S51。AT89S51片內(nèi)具有4K字節(jié)程序存儲空間，256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間沒有EEPROM存儲空間，也與MCS-51系列單片機完全兼容，具有在線編程可擦除技術(shù)。兩種單片機都完全能夠滿足設(shè)計需要，STC89C51相對ATS89C51價格便宜，且下載簡單方便。考慮到方便因素，因此選用STC89C51。方案

16、二:采用STC89C51芯片作為硬件核心。STC89C51內(nèi)部具有4KB ROM 存儲空間,512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，帶有2K字節(jié)的EEPROM存儲空間，與MCS-51系列單片機完全兼容,STC89C51可以通過串口下載。1.2.2 溫度傳感器設(shè)計方案論證利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類?，F(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計算機技術(shù))。溫度傳感器的

17、發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段；(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)；(2)模擬集成溫度傳感器/控制器；(3)智能溫度傳感器。國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在20世紀90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到1C。國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是912位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達0.50.0625C。由美國DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數(shù)據(jù)，其分辨力高達0.03125C，測溫精度為0.2C。為了提高多通道智能溫

18、度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。目前，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。溫度傳感器作為從機可通過專用總線接口與主機進行通信。方案一: 由于本設(shè)計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測溫度變化 的電壓或電流采集過來，進行 A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。方案二:進而考慮到用溫度傳感器，在單片機電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容

19、易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器 DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計要求。從以上兩種方案，兩種都完全能夠滿足設(shè)計需要，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設(shè)計也比較簡單，故采用了方案二。 1.2.3 顯示模塊方案論證方案一：1602液晶模塊1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等顯示模塊它有若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以他不能顯示圖形 它的優(yōu)點是微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄

20、輕巧。方案二：數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管：按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在

21、應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。由于它的價格便宜使用簡單在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。綜上所訴：LCD1602雖然顯示較全；但數(shù)碼管以完全能顯示溫度值，價格也差6倍之多，數(shù)碼管更適合本設(shè)計，固本設(shè)計用數(shù)碼管作為顯示模塊。1.3 電路設(shè)計最終方案決定綜上各方案所述,對此次作品的方案選定：采用STC89C51單片機作為主控制系統(tǒng)；采用DS18B20為傳感器；采用數(shù)碼管作為顯示器件。2 主要元件介紹2.1 STC89C51介紹STC89C51是由宏晶科技公司生產(chǎn)的與工業(yè)標準MCS-51指令集

22、和輸出管腳相兼容的單片機。（1）中央處理器（CPU）中央處理器是單片機的核心,完成運算和控制功能。8051的CPU能處理8位二進制數(shù)或代碼。（2）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部RAM）8051芯片中共有256個RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。因此通常所說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指前128單元，簡稱內(nèi)部RAM。（3）內(nèi)部程序存儲器（內(nèi)部ROM）8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格，因此，稱之為程序存儲器，簡稱內(nèi)部ROM。（4）定時/計數(shù)器8051共有兩個16位的定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或

23、計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。 （5）并行I/O口 MCS-51共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出。（6）串行口8051單片機有一個全雙工的串行口，以實現(xiàn)單片機和其它設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。（7）中斷控制系統(tǒng)8051單片機的中斷功能較強，以滿足控制應(yīng)用的需要。8051共有5個中斷源，即外中斷兩個，定時/計數(shù)中斷兩個，串行中斷一個。全部中斷分為高級和低級共兩個優(yōu)先級別。 (8) 時鐘電路8051芯片的內(nèi)部有時鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列。系統(tǒng)允

24、許的晶振頻率一般為6 MHz和12 MHz。從上述內(nèi)容可以看出，MCS-51雖然是一個單片機芯片，但作為計算機應(yīng)該具有的基本部件它都包括，因此，實際上它已是一個簡單的微型計算機系統(tǒng)了。2.1.1 STC89C51主要功能及PDIP封裝STC89C51主要功能如表1所示，其PDIP封裝如圖1所示主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫Flash ROM32個雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷時鐘頻率0-24MHz2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能表1：STC8

25、9C51主要功能2.1.2 STC89C51引腳介紹 主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接5V電源GND(Pin20)：接地線外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。可編程輸入/輸出引腳（32根）S

26、TC89C51單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。P0口（Pin39Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位準雙向I/O口線，名稱為P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位準雙向I/O口線，名稱為P3.0P3.7圖1：STC89C51封裝圖2.1.3 單片機最小系統(tǒng)：當在STC89C51單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作，按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方

27、式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)過電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的。最小系統(tǒng)如圖2所示。圖2 單片機最小系統(tǒng)電路（1）內(nèi)部方式時鐘電路在8051芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機的時鐘電路，如圖3-3所示。時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈沖信號。請讀者特別注意時鐘脈沖與振蕩脈沖之間的二分頻關(guān)系，否則會造成概念上的錯誤。一般地，電容C1和C2取30pF左右，晶體的振蕩頻率范圍是1.212MHz。晶體

28、振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快。8051在通常應(yīng)用情況下，使用振蕩頻率為6MHz或12MHz。圖 2-3 時鐘振蕩電路（2）外部方式時鐘電路在由多片單片機組成的系統(tǒng)中，為了各單片機之間時鐘信號的同步，應(yīng)當引入惟一的公用外部脈沖信號作為各單片機的振蕩脈沖。這時，外部的脈沖信號是經(jīng)XTAL2引腳注入，其連接如圖3-4所示。圖 2-4 外部時鐘源接法（3） 時序時序是用定時單位來說明的。8051的時序定時單位共有4個，從小到大依次是：節(jié)拍、狀態(tài)、機器周期和指令周期。它們之間的關(guān)系如下：1）一個振蕩脈沖的周期為節(jié)拍；2）一個狀態(tài)就包含兩個節(jié)拍；3）一個機器周期的寬度為6個狀態(tài)；

29、4）一條指令周期由若干個機器周期組成。 （4） 單片機的復(fù)位電路單片機復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，復(fù)位后PC=0000H，使單片機從第一個單元取指令。單片機復(fù)位的條件是：必須使RST/VPD 或RST引腳加上持續(xù)兩個機器周期（即24個振蕩周期）的高電平。若時鐘頻率為12 MHz，每機器周期為1s，則只需2s以上時間的高電平，在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機器周期執(zhí)行復(fù)位。單片機復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE和PSEN信號，即ALE=1和PSEN=1。這表明單片機復(fù)位期間不會有任何取指操作。復(fù)位后，內(nèi)部各專用寄存器狀態(tài)如下:PC： 0000H TM

30、OD：00HACC： 00H TCON： 00HB： 00H TH0： 00HPSW： 00H TL0： 00HSP： 07H TH1： 00HDPTR： 0000H TL1： 00HP0P3：FFH SCON： 00HIP： *00000B SBUF： 不定IE： 0*00000B PCON： 0*0000其中，*表示無關(guān)位。注意：（1）復(fù)位后PC值為0000H，表明復(fù)位后程序從0000H開始執(zhí)行，這一點在實訓(xùn)中已介紹。（2）SP值為07H，表明堆棧底部在07H。一般需重新設(shè)置SP值。（3）P0P3口值為FFH。P0P3口用作輸入口時，必須先寫入“1”。單片機在復(fù)位后，已使P0P3口每一端線

31、為“1”，為這些端線用作輸入口做好了準備。電路以STC89C51單片機最小系統(tǒng)為控制核心，測溫電路由DS18B20提供，輸入部分采用三個獨立式按鍵S1、S2、S3。數(shù)碼管顯示部分。具體電路連接，詳見附錄1。2.2 DS18B20傳感器介紹2.2.1 DS18B20概述在現(xiàn)代檢測技術(shù)中，傳感器占據(jù)著不可動搖的重要位置。主機對數(shù)據(jù)的處理能力已經(jīng)相當?shù)膹姡菍ΜF(xiàn)實世界中的模擬量卻無能為力。如果沒有各種精確可靠的傳感器對非電量和模擬信號進行檢測并提供可靠的數(shù)據(jù)，那計算機也無法發(fā)揮他應(yīng)有的作用。傳感器把非電量轉(zhuǎn)換為電量，經(jīng)過放大處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入計算機，由計算機對信號進行分析處理。從而傳感器技術(shù)

32、與計算機技術(shù)結(jié)合起來，對自動化和信息化起重要作用。采用各種傳感器和微處理技術(shù)可以對各種工業(yè)參數(shù)及工業(yè)產(chǎn)品進行測控及檢驗，準確測量產(chǎn)品性能，及時發(fā)現(xiàn)隱患。為提高產(chǎn)品質(zhì)量、改進產(chǎn)品性能，防止事故發(fā)生提供必要的信息和更可靠的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，且對測量要求比較高，所以選擇合適的傳感器很重要。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、從集成化向智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。智能溫度傳感器DS18B20正是朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。因此，智能溫度傳感器DS18B20作為溫度測量裝置已廣泛應(yīng)用于人

33、民的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。美國DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片外加不銹鋼保護管封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。有獨特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊；其測溫范圍 55125，固有測溫分辨率0.5；支持多點組網(wǎng)功能；多個DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫；工作電源為35V/DC；在使用中不需要任何外圍元件。18B20共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是：ROM 只讀存儲器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8位是單線

34、系列編碼（DS18B20的編碼是19H），后面48位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56位的CRC碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設(shè)置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9個字節(jié)RAM，每個字節(jié)為8位。第1、2個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第3、4個字節(jié)是用戶EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復(fù)位時其值將被刷新。第5個字節(jié)則是用戶第3個EEPROM的鏡像。第6、7、8個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第9個字節(jié)為前8個字節(jié)的CR

35、C碼。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。DS18B20的性能特點如下：（1） 采用DALLAS公司獨特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊； （2）在使用中不需要任何外圍元件；（3）可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍：+3.0V+5.5V；（4）測溫范圍：-55+125。固有測溫分辨率為0.5。當在-10+85范圍內(nèi)，可確保測量誤差不超過0.5，在-55+125范圍內(nèi)，測量誤差也不超過2；（5）通過編程可實現(xiàn)91

36、2位的數(shù)字讀數(shù)方式；（6）用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值；（7）支持多點的組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫（8）負壓特性，即具有電源反接保護電路。當電源電壓的極性反接時，能保護DS18B20不會因發(fā)熱而燒毀，但此時芯片無法正常工作；（9）DS18B20的轉(zhuǎn)換速率比較高，進行9位的溫度值轉(zhuǎn)換只需93.75ms；（10）適配各種單片機或系統(tǒng)；（11）內(nèi)含64位激光修正的只讀存儲ROM，扣除8位產(chǎn)品系列號和8位循環(huán)冗余校驗碼(CRC)之后，產(chǎn)品序號占48位。出廠前產(chǎn)品序號存入其ROM中。在構(gòu)成大型溫控系統(tǒng)時，允許在單線總線上掛接多片DS18B20。2.2.2 DS

37、18B20引腳介紹圖3：DS18B20引腳各引腳功能為：I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端（即單線總線），它屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后，常態(tài)下呈高電平。UDD是可供選用的外部電源端，不用時接地，GND為地，NC空腳。2.2.3 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括7部分:寄生電源、溫度傳感器、64位激光（loser）ROM與單線接口、高速暫存器（即便筏式RAM，用于存放中間數(shù)據(jù)）、TH觸發(fā)寄存器和TL觸發(fā)寄存器，分別用來存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值、存儲和控制邏輯、位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）發(fā)生器。圖4：DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2.4 DS18B20的程序流程圖否是發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換

38、命令寫入18B20讀溫度前復(fù)位顯示測溫點位置18B20復(fù)位開始18B20存在？延時發(fā)出讀溫度命令寫入18B20讀入溫度值數(shù)據(jù)返回延時圖5程序流程圖2.3 數(shù)碼管介紹數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管； 按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段

39、就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。圖5：數(shù)碼管數(shù)碼顯示器是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件，它使用了8個Led發(fā)光二極管，其中七個用于顯示字符，一個顯示小數(shù)點，所以通稱為七段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。4位一體數(shù)碼管，其內(nèi)部段已連接好，引腳如圖所示（數(shù)碼管的正面朝自己，小數(shù)點在下方）。a、b、c、d、e、f、g、dp為段引腳，S1、S2、S3、S4

40、分別表示四個數(shù)碼管的位。6.3 PID控制算法6.3.1 PID算法基本原理通常，以電爐爐溫為例。電爐爐溫的控制采用偏差控制算法。偏差控制的原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差處理，從而獲得控制信號去調(diào)節(jié)電爐的加熱功率，以實現(xiàn)對爐溫的控制。在工業(yè)上，偏差控制又稱為PID（Proportional Integral and Differential,比例積分與微分）。這是工業(yè)控制過程中應(yīng)用廣泛的一種控制形式，一般都能收到令人滿意的效果?？刂普摳嬖V我們，PID控制的理想微分方程為：U（t）= （5-2）其中e(t)=r(t)-y(t)稱為偏差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號，其中r(t)為給定值，y(t)為被測變量的值；為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)；u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出控制器輸出控制信號。但計算機只能處理數(shù)字信號，故上述數(shù)學(xué)方程必須加以變換。若設(shè)溫度的采樣周期為T，第n次的采樣得到的輸入偏差為，調(diào)節(jié)器輸出為 ，則有： （微分用差分代換） （積分用求和代替）這樣式5-2便可寫為： （5