基于AVR單片機(jī)的爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總說明：溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一，象冶金、機(jī)械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對(duì)工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，微機(jī)測量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，溫度控制的手段也越來越優(yōu)越，單片機(jī)因具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，尤其在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高，得到了廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以AVR單片機(jī)為控制核心的爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。選擇DS18B20作為溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測低溫電阻爐溫度；基于交流觸發(fā)器和晶閘管觸發(fā)電路的混合

2、控制，達(dá)到快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)溫度。設(shè)計(jì)了硬件原理圖，并詳細(xì)論述了各個(gè)硬件組成部分的工作原理，以及各部分所使用的元器件。將其應(yīng)用于電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)，滿足了溫度控制穩(wěn)定性的要求，減少了操作人員的勞動(dòng)量和帶來的人為誤差，提高了產(chǎn)品的熱處理質(zhì)量。本基于AVR單片機(jī)的爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案包括：一、溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)；二、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)；三、PID控制器的設(shè)計(jì)。首先是溫度傳感器的選擇。目前常用的測溫傳感器分模擬和數(shù)字兩種方式：模擬方式如熱敏元件或熱電阻等；數(shù)字方式多采用智能芯片DS18B20。模擬方式有很多小足。相比之下數(shù)字式比模擬式有更大的優(yōu)勢。新代數(shù)字溫度傳感器DS18B

3、20其優(yōu)點(diǎn)是：電壓適用范圍寬；單線接口數(shù)據(jù)傳輸方式；支持組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫；測溫范圍寬、精度高、體積小、外圍電路簡單等。本系統(tǒng)選擇的溫度傳感器就是DS18B20，系統(tǒng)開始工作時(shí)，DS18B20采集溫度信號(hào)并將信號(hào)送到單片機(jī)中，再將對(duì)應(yīng)的溫度送顯示并保存數(shù)據(jù)信息，同時(shí)單片機(jī)會(huì)根據(jù)初始化所設(shè)置的溫度進(jìn)行比較，將其差值送PID控制器，處理后輸出一定數(shù)值的控制量，根據(jù)控制量，控制晶閘管主回路的導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)節(jié)輸入功率，從而控制電阻絲的發(fā)熱量，達(dá)到控制溫度的目的。其次，是外圍硬件電路的設(shè)計(jì)，外圍硬件電路包括溫度檢測、晶閘管觸發(fā)電路、鍵盤及LCD顯示電路、晶振電路，復(fù)位電路、報(bào)警電路等。本次設(shè)計(jì)選擇AVR單片

4、機(jī)型號(hào)為ATmega8 ，ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)。根據(jù)單片機(jī)的I/O口設(shè)計(jì)硬件電路，合理分配I/O接口，電路設(shè)計(jì)簡潔、直觀，成本低廉，溫度測量準(zhǔn)確。第三，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求來設(shè)計(jì)的。軟件按功能可分為兩類，一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實(shí)際性的功能，如溫度測量、計(jì)算、顯示、輸出控制等；另一類是監(jiān)控軟件，它是專門、用來協(xié)調(diào)各種執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，充當(dāng)組織調(diào)度角色。第四，PID控制器的設(shè)計(jì)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)

5、的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制是由P, I, D三個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合而成。其基本組成原理比較簡單，參數(shù)的物理意義也比較明確。本次設(shè)計(jì)的是以溫度為被控制量的閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢測模塊作為閉環(huán)的反饋實(shí)時(shí)檢測溫度，經(jīng)過放大處理后將信號(hào)傳送給單片機(jī)，經(jīng)過處理后，一方面送與系統(tǒng)溫度設(shè)定值相比較，通過PID算法控制溫度達(dá)到所需值，以達(dá)到更準(zhǔn)確的溫度控制。關(guān)鍵詞：AVR單片

6、機(jī)；DS18B20；PID控制；溫度檢測與控- V -華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)The Furnace Temperature Monitoring System of AVR SCMGeneral introduction:Temperature is one of the main controlled parameters in industrial objects. All kinds of heating furnace, heat treatment furnace and radiators are widely used in the industry likes metallurg

7、y, machinery, food and chemical industry, etc. Its strictly controlled in the requirements of processing temperature. As the development of electronic technology and computer technology, computer measurement as well as the control technology obtains a rapid development and widespread application. Mo

8、rever, the means of temperature control gets more and more superior. SCM gets a wide range of applications for the advantages of strong handling ability, fast running speed, low power consumption. Apart from this, the simple and convenient controlling, range measuring and high accuracy in temperatur

9、e measurement and control makes it more and more popular.Using AVR SCM as the core, the article designs a furnace temperature monitoring system. It chooses DS18B20 as the temperature sensor to monitor the low temperature resistance furnace temperature. Based on the mix control of communication trigg

10、er and grain brake canal trigger circuit, it achieves the purpose of fast and accurate temperature adjustment. The article designs a hardware principle diagram to illustrate the working principle of all parts of the hardware and each branch of the components. Applying into the intelligent electric h

11、eating temperature control system, it meets the requirements of the temperature control stability, reduces the amounts of operators and human error, improves the product quality of heat treatment, eic.The overall design of AVR SCM Furnace temperature monitoring system includes the following three pa

12、rts: the hardware circuit design of the temperature monitoring system, the design of the system software as well as the design of PID controller.First,the choice of temperature sensor. In nowadays, the common temperature sensor has two ways, one is analog and the other is digital. For example, the e

13、mperature sensing elements and heat resistance belong to the analog way, and the digital one is mainly using intelligent chip DS18B20. Compared to the analog way, digital way has much more advantages, likes the Wide application scope of voltage, One interface data transmission, Multi-point, wide rag

14、e, high precision, small volume and simple peripheral circuit temperature measurement, etc. The temperature sensor chosen by the system is DS18B20. After the operating of the system, DSI8B20 collectes the temperature signal and sends it to the chip, after that, it displays the corresponding temperat

15、ure and stores the data. At the same time, SCM will compare the real temperature with the initial set one and send the difference to the PID controller to get a output of a certain amount of control volume. And according to the control volume, it controls the thyristor circuit conduction time to adj

16、ust the input power and controls the calorific value of the resistance wire, aims to control the temperature.Second, the design of peripheral hardware circuit. Peripheral hardware circuit includes Temperature detection, Thyristor trigger circuit, Keyboard and LCD display circuit, Crystals circuit, R

17、eset circuit, Alarm circuit, etc. The type of AVR SCM we choose is ATmega8. ATmega8 is an-eight-SCM based on AVR RISC structure, produced by a low power consumption CMOS. According to the I/O mouth SCM, we design the hardware circuit and distribute I/O interface resonably. The design is simple, intu

18、itive, low cost and accuracy temperature measurement.Third, the design of System software. The designs of system software meets the requirements of system function. The software can be divided into two categories based on the system function. One is Implement software which can perform a variety of

19、practical function, such as temperature measurement, calculation, display, output control, etc. The other one is Monitoring software which is dedicated to coordinate the various executive module and the operator, playing a role as a coordinater.Four, the design of PID controller. A control system in

20、cludes the controller, sensors, transmitter, actuators and input/output interface.The output of the controller goes through the output interface and actuators and added to the controlled system. The quantity accused of the control system goes by the sensor, transmitter and sent to the controller thr

21、ough the input interface.In the engineering practice, the most widely used regulator control laws are Scale, Integral and Differential control, PID control for short. With the history of nearly seventy years, PID controller becomes one of the main technologs in industrial control for the simple stru

22、cture, good stability, convenient adjustment and reliable working. PID control is a combination of P, I, D.The basic principle of PID control is rather simple and its parameters of the physical meaning is rather clear. This design is a closed loop control system to detect the feedback real-time temp

23、erature of the module. After the amplification processing, it sends the signal to SCM. Comparing with the initial set temperature and caculating the necessary values of by PID algorithm to reach the aim of a better accuracy temprature control.Key words: AVR Single-chip Microcomputer;DS18B20;PID Cont

24、rol ;Temperature Detection and Control目錄設(shè)計(jì)總說明IGeneral introductionIII1. 緒論11.1 國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況11.1.1國外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展情況11.1.2 國內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況21.2 溫度控制的研究意義21.3 本論文的內(nèi)容和主要工作32. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)42.1 電阻爐的數(shù)學(xué)模型及爐溫控制曲線42.2 系統(tǒng)控制的工藝要求42.3 系統(tǒng)的組成和基本原理52.3.1 系統(tǒng)的組成52.3.2 系統(tǒng)基本原理53. 硬件設(shè)計(jì)73.1 主機(jī)電路73.1.1 ATmega8簡單概述73.1.2 ATmega8主要特性8

25、3.1.3 ATmega8管腳說明103.1.4 ATmega8單片機(jī)接口的分配113.2 溫度檢測電路123.2.1 傳感器DS18B20的介紹123.2.2 DS18B20的供電方式143.2.3 DS18B20的讀寫時(shí)序153.2.4 DS18B20的測溫原理173.2.5 DS18B20與單片機(jī)接線183.3 電源電路193.4 顯示電路的設(shè)計(jì)203.4.1 SMC1602A總線方式驅(qū)動(dòng)接口及讀/寫時(shí)序213.4.2 SMC1602A的操作指令223.4.3 SMC1602A和單片機(jī)接口電路243.5 鍵盤設(shè)置電路253.6 控制執(zhí)行電路253.6.1 交流接觸器工作原理263.6.2

26、 可控硅觸發(fā)電路調(diào)功控溫273.7 時(shí)鐘電路293.8 復(fù)位電路303.9 過限報(bào)警電路314.軟件設(shè)計(jì)324.1主程序的設(shè)計(jì)324.1.1 按鍵程序流程圖334.2 PID控制算法344.2.1 PID控制原理344.2.2 PID控制及其算法364.2.3 PID參數(shù)的整定374.2.4 PID軟件設(shè)計(jì)流程圖405. 結(jié)論41參考文獻(xiàn)42致謝43附錄A：程序清單44附錄B：DS18B20驅(qū)動(dòng)53附錄C：SMC1602A驅(qū)動(dòng)56華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1. 緒論在鋼鐵、機(jī)械、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，電阻爐被廣泛應(yīng)用于其中。而電阻爐是一個(gè)模型隨爐溫變化而變化的對(duì)象，這導(dǎo)致了溫度成為這

27、些行業(yè)極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。從工業(yè)爐溫、環(huán)境氣溫到人體溫度；從空間、海洋到家用電器，各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都離不開測溫和控溫。因此，測溫、控溫技術(shù)是發(fā)展最快、范圍最廣的技術(shù)之一。溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)滯以及不確定性。單純依靠傳統(tǒng)的控制方式或現(xiàn)代控制方式都很難達(dá)到高質(zhì)量的控制效果。采用單片機(jī)進(jìn)行溫度控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)。1.1 國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1.1.1國外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展情況由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、

28、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點(diǎn)：（1）適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。（2）能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。（3）能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制。（4）這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的算法，適應(yīng)的范圍廣泛。（5）普遍溫控器具有參數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制對(duì)象控制參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還

29、具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。（6）溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。1.1.2 國內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于 20 世紀(jì) 80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后

30、、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。目前，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外的差距主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，導(dǎo)致研發(fā)能力不強(qiáng)，制約技術(shù)發(fā)展。（2） 商品化產(chǎn)品以 PID 控制器為主，智能化儀表少，這方面同國外差距較大。目前，國內(nèi)企業(yè)復(fù)雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)大多采用進(jìn)口溫度控制儀表。（3） 儀表控制用關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)算法及控制軟件方面的研究較國外滯后。例如：在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還

31、沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)試來確定。1.2 溫度控制的研究意義在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時(shí)無刻不在與溫度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對(duì)是否能掌握溫度有著絕對(duì)的聯(lián)系。在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。溫度對(duì)于工業(yè)如此重要，由此設(shè)計(jì)一個(gè)具有高可靠性，靈活姓方便性和有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；信號(hào)易于處理、

32、傳送和自動(dòng)控制；便于動(dòng)態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀；安裝方便，維護(hù)簡單的溫控是很有必要的。所以采用AVR單片機(jī)和DS1820傳感器構(gòu)成測溫系統(tǒng)來對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等以上優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。針對(duì)目前市場的現(xiàn)狀，本課題提出了一種可滿足要求、可擴(kuò)展的并且性價(jià)比高的單片機(jī)測溫系統(tǒng)。1.3 本論文的內(nèi)容和主要工作設(shè)計(jì)內(nèi)容：結(jié)合電力電子技術(shù)，達(dá)到高效率控制電阻爐，降低調(diào)節(jié)溫差，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低燃耗,節(jié)約能源。參數(shù)設(shè)定便利、直觀，溫度測量準(zhǔn)確，控

33、制溫度范圍3080，過限報(bào)警，并最終由大屏幕液晶顯示參數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要工作：（1）開發(fā)一個(gè)能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能完成控制功能的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含由AVR單片機(jī)及其復(fù)位電路，晶振電路，溫度傳感器與系數(shù)接口，顯示電路，存儲(chǔ)器及接口電路組成的控制器，以溫度為被控制量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2）根據(jù)系統(tǒng)功能要求對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。（3）使用PID控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制。2. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1 電阻爐的數(shù)學(xué)模型及爐溫控制曲線被控對(duì)象是一個(gè)電阻爐，它的傳遞函數(shù)可以表示為： =其中， 表示對(duì)象慣性時(shí)間，K表示對(duì)象放大系數(shù)。一個(gè)電爐的爐溫控制要求按下圖2-1所示曲線規(guī)律變化。從加溫開始到a點(diǎn)（對(duì)應(yīng)溫度為Ta）

34、為自由升溫段，當(dāng)溫度達(dá)到Ta后收入模糊PID控制，使?fàn)t溫在超調(diào)滿足給定指標(biāo)的條件下進(jìn)入保溫段bc，cd段為自然降溫段，無需控制。t/mindcba0T/圖2-1 爐溫控制曲線2.2 系統(tǒng)控制的工藝要求在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一，為了保證生產(chǎn)過程正常安全的運(yùn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)節(jié)約能源,須要求加熱用的各種電爐在一定的條件下保持恒溫，不能隨電壓的波動(dòng)而變化.或者有的電爐根據(jù)工藝要求按照某個(gè)指定的升溫或保溫律而變化，且超調(diào)量小或者無超調(diào)量，穩(wěn)定性好，不振蕩。根據(jù)工藝的要求不同，大體上可以歸納為以下幾個(gè)過程：（1）自由升溫段，這一工藝過程要求執(zhí)行元件向

35、電阻爐輸送最大能量，使加熱爐全速升溫到某一值，升溫的時(shí)間和速度沒有具體要求，這時(shí)單片機(jī)不需要進(jìn)行控制工作，只需檢測爐溫。（2）恒溫段，這一工藝過程是溫度控制的主要工藝過程，它要求控制系統(tǒng)保證爐溫在各種干擾下能穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。（3）自由降溫段，這一工藝過程中執(zhí)行元件不再向爐子輸送能量，讓其自然冷卻到某一溫度，此時(shí)單片機(jī)只需監(jiān)測爐溫即可，有時(shí)甚至無須做任何工作。2.3 系統(tǒng)的組成和基本原理2.3.1 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)由單片機(jī)、接口電路、外部設(shè)備等組成，如圖2-2所示。控制對(duì)象的被測參數(shù)經(jīng)傳感器、變換器，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)多路開關(guān)送到送入單片機(jī)。除此之外，有些被測參數(shù)為數(shù)字量、開關(guān)量或脈沖量

36、，它們可過接口直接加至單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，然后經(jīng)模擬量或開關(guān)量輸出通道輸出，對(duì)被測參數(shù)進(jìn)行控制?？刂茖?duì)象傳感器多路開關(guān) 單片 機(jī)串口通信口鍵盤顯示器執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)量輸出開關(guān)量輸入圖2-2 系統(tǒng)的基本組成框圖2.3.2 系統(tǒng)基本原理溫度控制系統(tǒng)硬件電路由溫度檢測，單片機(jī)PID運(yùn)算，輸出控制和過限報(bào)警四個(gè)模塊組成。如圖2-3所示，檢測模塊作為閉環(huán)的反饋實(shí)時(shí)檢測溫度，經(jīng)過放大處理后將信號(hào)傳送給單片機(jī)，經(jīng)過處理后，一方面送往液晶顯示器，另一方面，與系統(tǒng)溫度設(shè)定值相比較，通過PID算法控制溫度達(dá)到所需值。其中輸出控制模塊部分由兩塊組成：由晶閘管觸發(fā)電路和交流接觸器協(xié)調(diào)控制通斷。由于初始的全

37、功率加熱電流大，晶閘管允許通過的電流小，故采用交流接觸器進(jìn)行控制；在后期的溫度調(diào)整時(shí)期，需要來回通斷以調(diào)整溫度達(dá)到預(yù)期值，對(duì)交流接觸器的觸點(diǎn)壽命有很大的影響，故采用晶閘管觸發(fā)電路。電阻爐傳感器Mega8顯示器/鍵盤設(shè)溫晶閘管交流接觸器過限報(bào)警隔離功放交流電晶閘管圖2-3系統(tǒng)工作原理圖3. 硬件設(shè)計(jì)硬件電路主要有：主機(jī)電路、溫度檢測電路、電源部分的電路、鍵盤設(shè)置電路、顯示電路、控制執(zhí)行電路、系統(tǒng)時(shí)鐘復(fù)位電路、過限報(bào)警電路。下面將具體介紹各部分電路。3.1 主機(jī)電路根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)選擇的是AVR系列的ATmega8單片機(jī)。3.1.1 ATmega8簡單概述ATmega8是基于增強(qiáng)的AVR R

38、ISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega8的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega8內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 ATmega8 有如下特點(diǎn) :8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash( 具有同時(shí)讀寫的能力，即 RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K字節(jié) SRAM，32 個(gè)通用

39、I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 (T/C), 片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，10 位6路 (8路為TQFP與MLF封裝 )ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及五種可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。工作于空閑模式時(shí)CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時(shí)終止CPU和除了異步定時(shí)器與 AD

40、C以外所有I/O模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力。 本芯片是以Atmel高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi) ISP Flash允許程序存儲(chǔ)器通過ISP串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)(Application Flash Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW操作。

41、通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega8成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega8 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板。具體的引腳圖如圖3-1所示。圖3-1 ATmega8引腳圖3.1.2 ATmega8主要特性l 高性能、低功耗的8位AVR微處理器，先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)l 130條功能強(qiáng)大的指令-大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期32個(gè)8位通用工作寄存器全靜態(tài)工作工作于16MHz 時(shí)性能高達(dá)16MIPS片內(nèi)集成硬件乘法器（執(zhí)行速度為2個(gè)時(shí)

42、鐘周期）片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及工作存儲(chǔ)器8K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫次數(shù)：10000次支持可在線編程（ISP）、可在應(yīng)用自編程（IAP）帶有獨(dú)立加密位的可選BOOT區(qū)，可通過BOOT區(qū)內(nèi)的引導(dǎo)程序區(qū)（用戶自己寫入）來實(shí)現(xiàn)IAP編程。512個(gè)字節(jié)的E2PROM，擦寫次數(shù)：100000次1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密l 外設(shè)特點(diǎn)2個(gè)具有比較模式的帶預(yù)分頻器（Separate Prescale）的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器, 其中之一有比較功能一個(gè)具有預(yù)分頻器（SeParat Prescale）、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1個(gè)具

43、有獨(dú)立振蕩器的異步實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）3個(gè)PWM通道，可實(shí)現(xiàn)任意16位、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出8通道 A/D轉(zhuǎn)換（TQFP、MLF封裝），6路10位A/D+2路8位A/D6通道 A/D轉(zhuǎn)換（PDIP封裝），4路10位A/D+2路8位A/D1個(gè)I2C的串行接口，支持主/從、收/發(fā)四種工作方式，支持自動(dòng)總線仲裁1個(gè)可編程的串行USART接口，支持同步、異步以及多機(jī)通信自動(dòng)地址識(shí)別個(gè)支持主/從（Master/Slave）、收/發(fā)的SPI同步串行接口帶片內(nèi)RC振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器片內(nèi)模擬比較器特殊的處理器特點(diǎn)上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器片內(nèi)/片外中斷源l 五種睡

44、眠模式空閑模式（Idle）、ADC噪聲抑制模式（ADC Noise Reduction）。省電模式（Powersave）、掉電模式（Powerdown）、待命模式（Standby）l I/O 和封裝最多23個(gè)可編程I/O口，可任意定義I/O的輸入/輸出方向；輸出時(shí)為推挽輸出，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng)LED等大電流負(fù)載：輸入口可定義為三態(tài)輸入，可以設(shè)定帶內(nèi)部上拉電阻，省去外接上拉電阻28腳PDIP封裝，32腳TQFP封裝和 32腳MLF封裝l 工作電壓2.7 - 5.5V (ATmega8L)4.5 - 5.5V (ATmega8)l 速度等級(jí)0 - 8 MHz (ATmega8L)0 - 16

45、MHz (ATmega8)l 4 Mhz 時(shí)功耗, 3V, 25°C正常模式（Active）：3.6mA空閑模式（Idle Mode）：1.0mA掉電模式（Power-down Mode）：0.5uA 3.1.3 ATmega8管腳說明VCC ：數(shù)字電路的電源。GND ：地。端口B(PB7-PB0)：端口B是一個(gè)8位雙向I/O口，每一個(gè)引腳都帶有獨(dú)立可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。當(dāng)端口B作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口B仍處于高阻狀態(tài)。通過時(shí)鐘選擇熔絲位的設(shè)置，P

46、B6可作為反向振蕩放大器或時(shí)鐘操作電路的輸入端，PB7可作為反向振蕩放大器的輸出端。若通過系統(tǒng)時(shí)鐘選擇熔絲位的設(shè)置，則使用片內(nèi)標(biāo)定RC振蕩器時(shí)鐘，通過置位ASSR寄存器的AS2位，可將PB6、PB7作為異步實(shí)時(shí)時(shí)鐘/計(jì)數(shù)器2的輸入口TOSC1、TOSC2使用。端口C(PC5-PC0)：端口C為7位雙向I/O口，每一個(gè)引腳都帶有獨(dú)立可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。當(dāng)端口C作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口C仍處于高阻狀態(tài)。PC6/RESET：若RSTDISBL熔絲位編程， PC6

47、作為I/O引腳使用。注意PC6的電氣特性與端口C的其他引腳不同。若RSTDISBL熔絲位未編程，PC6作為復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。端口D(PD7-PD0)：為8位雙向I/O口，每一個(gè)引腳都帶有獨(dú)立可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。當(dāng)端口D作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口D處于高阻狀態(tài)。RESET：復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。AVCC：是A/D轉(zhuǎn)換器、端口C(3-0)及ADC(7-6)的電源。不使用ADC時(shí)

48、，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與VCC連接。AREF：A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。ADC7-6(TQFP與MLF封裝)：作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入。為模擬電源；作為10位ADC通道。3.1.4 ATmega8單片機(jī)接口的分配圖3-1 單片機(jī)接口的分配ATmega8單片機(jī)的接口如上圖所示，其中14腳接溫度傳感器DS18B20，13,15腳分別為兩個(gè)控制端，12腳為過限報(bào)警端，1腳接復(fù)位電路，9、10腳接晶振電路，2-5腳為鍵盤輸入端。23-28腳接LCD液晶顯示屏。3.2 溫度檢測電路3.2.1 傳感器DS18B20的介紹本次設(shè)計(jì)選用的是新代數(shù)字溫度傳感器DS18B2

49、0，DS18B20具有精度高，測量范圍大，不需要輔助電源等特點(diǎn)，且通過一個(gè)單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線）。并且用戶可以自定義非易失性溫度報(bào)警設(shè)置，所以DS18B20在溫度控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)品等許多熱感測系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。工作過程及操作指令根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議.完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟:（1）每次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作;（2）復(fù)位成功后發(fā)送條ROn指令;（3）址后發(fā)送RAn指令。這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。CPU對(duì)DS18B20器件操作常用指令表如表1所示。表 1 DS18B20主要命令及其功能

50、說明命令碼功能說明命令碼功能說明33H讀DS18B20溫度傳感器ROM中的64位地址序列碼BEH讀9字節(jié)暫存寄存器55H發(fā)出此命令之后.接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的DS18B20使之作出響應(yīng).為下一步對(duì)該DS18B20的讀寫作準(zhǔn)備。4EH寫入溫度上/下限，緊隨其后是2字節(jié)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)上限和下限值0FOH鎖定總線上DS18B20的個(gè)數(shù)和識(shí)別其ROM中的64位地址序列碼48H將9字節(jié)暫存寄存器的第3和4字節(jié)復(fù)制到EEPROM中ECH只有溫度超過上限或下限的DS18B20才做出響應(yīng)B8H將EEPROM的內(nèi)容恢復(fù)到暫存寄存器的第3和4字節(jié)0CCH忽略64位ROM地址.直接向DS

51、18B20發(fā)溫度變換命令。適用手單片工作。B4H讀供電模式，寄生供電時(shí)DS18B20發(fā)送0，外接電源時(shí)DS18B20發(fā)送144H啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，結(jié)果存入9字節(jié)的暫存寄存器DS18B20 有三個(gè)主要數(shù)字部件：（1）64 位激光ROM；（2）溫度傳感器；（3）非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH 和TL。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號(hào)線處于高電平期間把能量儲(chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。DS18B20 也可用外部5V 電源供電。64位ROM和單線端口存儲(chǔ)器和控制邏輯暫存器下限觸發(fā)TL上限觸發(fā)TH溫度傳感器8位

52、CRC產(chǎn)生器電源探測內(nèi)部VDD圖3-2 DS18B20方框圖DS18B20 依靠一個(gè)單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制操作。因此，控制器必須首先提供下面5 種ROM操作命令之一：（1）讀ROM；（2）匹配ROM；（3）搜索ROM；（4）跳過ROM；（5）報(bào)警搜索。這些命令對(duì)每個(gè)器件的激光ROM 部分進(jìn)行操作，在單線總線上掛有多個(gè)器件時(shí)，可以區(qū)分出單個(gè)器件，同時(shí)可以向總線控制器指明有多少器件或是什么型號(hào)的器件。成功執(zhí)行完一條ROM操作序列后，即可進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制操作，控制器可以提供6條存儲(chǔ)器和控制操作指令中的任一條。一條控制操作命令指示 DS18B20

53、 完成一次溫度測量。測量結(jié)果放在DS18B20的暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲(chǔ)器操作命令可以把暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL各由一個(gè)EEPROM字節(jié)構(gòu)成。如果沒有對(duì)DS18B20 使用報(bào)警搜索命令，這些寄存器可以作為一般用途的用戶存儲(chǔ)器使用?？梢杂靡粭l存儲(chǔ)器操作命令對(duì)TH和TL進(jìn)行寫入，對(duì)這些寄存器的讀出需要通過暫存器。所有數(shù)據(jù)都是以最低有效位在前的方式進(jìn)行讀寫。3.2.2 DS18B20的供電方式DS18B20的寄生電源會(huì)在I/O或VDD引腳處于高電平時(shí)“偷”能量。當(dāng)有特定的時(shí)間和電壓需求時(shí)，I/O 要提供足夠的能量。寄生電源有兩個(gè)好處：（1）進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫時(shí)，無需本地電源；

54、（2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀ROM。要想使 DS18B20能夠進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須在轉(zhuǎn)換期間保證供電。由于DS18B20的工作電流達(dá)到1mA，所以僅靠5K 上拉電阻提供電源是不行的，當(dāng)幾只DS18B20 掛在同一根I/O線上并同時(shí)想進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，這個(gè)問題變得更加尖銳。有兩種方法能夠使 DS18B20 在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)。第一種方法，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到E2存儲(chǔ)器操作時(shí)，給I/O線提供一個(gè)強(qiáng)上拉。用MOSFET把I/O 線直接拉到電源上就可以實(shí)現(xiàn)，見圖3-3。在發(fā)出任何涉及拷貝到E2存儲(chǔ)器或啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的協(xié)議之后，必須在最多10s之內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉。

55、使用寄生電源方式時(shí)，VDD引腳必須接地。P+5V+5VGNDDS18B204.7kVDDI/O圖3-3 溫度轉(zhuǎn)換期間的強(qiáng)上拉電阻供電另一種給 DS18B20 供電的方法是從VDD 引腳接入一個(gè)外部電源，見圖3-4。這樣做的好處是I/O線上不需要加強(qiáng)上拉，而且總線控制器不用在溫度轉(zhuǎn)換期間總保持高電平。這樣在轉(zhuǎn)換期間可以允許在單線總線上進(jìn)行其他數(shù)據(jù)往來。另外，在單線總線上可以掛任意多片DS18B20，而且如果它們都使用外部電源的話，就可以先發(fā)一個(gè)Skip ROM 命令，再接一個(gè)Convert T命令，讓它們同時(shí)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。注意當(dāng)加上外部電源時(shí)，GND 引腳不能懸空。P+5VGNDDS18B204

56、.7k外部+5V電源I/O其他單線器件圖3-4 用VDD供電溫度高于 100時(shí)，不推薦使用寄生電源，因?yàn)镈S18B20 在這種溫度下表現(xiàn)出的漏電流比較大，通訊可能無法進(jìn)行。在類似這種溫度的情況下，強(qiáng)烈推薦使用DS18B20的VDD引腳。對(duì)于總線控制器不知道總線上的DS18B20是用寄生電源還是用外部電源的情況，DS18B20預(yù)備了一種信號(hào)指示電源的使用意圖?？偩€控制器發(fā)出一個(gè)Skip ROM協(xié)議，然后發(fā)出讀電源命令，這條命令發(fā)出后，控制器發(fā)出讀時(shí)間隙，如果是寄生電源，DS18B20 在單線總線上發(fā)回“0”，如果是從VDD 供電，則發(fā)回“1”，這樣總線控制器就能夠決定總線上是否有DS18B20需要強(qiáng)上拉。如果控制器接收到一個(gè)“0”，它就知道必須在溫度轉(zhuǎn)換期間給I/O線提供強(qiáng)上拉。3.2.3 DS18B20的讀寫時(shí)序由于DS18B20采用的是1Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)AT89S51單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對(duì)DS18B20芯片的訪問。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都