恒溫箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、恒溫育種箱的設(shè)計(jì)與制作 摘 要在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中電熱恒溫箱的應(yīng)用隨處可以見到。在生活中我們保存食物用到恒溫箱，工業(yè)生產(chǎn)中一些生產(chǎn)原料的保存用到恒溫箱，實(shí)驗(yàn)室里，特別是生物的培育實(shí)驗(yàn)室，恒溫箱的應(yīng)用更是普遍。在本設(shè)計(jì)中，我們針對(duì)培養(yǎng)箱而設(shè)計(jì)的一個(gè)恒溫系統(tǒng)，在系統(tǒng)里，通過對(duì)恒溫箱溫度的檢測(cè)與變送傳到單片機(jī)，與給定值進(jìn)行比較，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)偏差信號(hào)的大小輸出驅(qū)動(dòng)PWM輸出，通過改變PWM輸出的周期和幅值，控制發(fā)熱絲的功率，從而達(dá)到恒溫箱內(nèi)溫度控制的目的。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)為51系列，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、比較、處理與輸出，PWM通過單片機(jī)的脈沖輸出，通過光電隔離輸入放大電路對(duì)發(fā)熱絲進(jìn)行

2、加溫，直接對(duì)箱子溫度進(jìn)行提升，最終達(dá)到控制溫度的目的。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；PWM；數(shù)字PID控制目 錄第一章 緒論1第二章 總體方案設(shè)計(jì)22.1 方案一22.2 方案二3第三章 單元模塊設(shè)計(jì)43.1數(shù)字溫控芯片DS18B20介紹43.1.1 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)53.1.2 DS18B20的外形及引腳說明73.1.3 DS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器83.1.4 DS18B20的特性103.1.5 DS18B20工作原理113.1.6 DS18B20使用中注意事項(xiàng)133.2 預(yù)置數(shù)153.2.1 撥碼盤介紹153.3 時(shí)鐘163.4 復(fù)位電路173.5 LED顯示183.6 加熱電路193.6

3、.1 ULN2003介紹203.6.2 IGBT管介紹20第四章 PID控制214.1 PID控制原理214.2 PID控制系統(tǒng)框圖214.3 PID算法22第五章 單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)255.1 總體軟件設(shè)計(jì)流程圖25參考文獻(xiàn)27附 錄28第一章 緒論恒定溫度的設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。在醫(yī)用、水產(chǎn)、特種工業(yè)、工業(yè)探傷、照相等行業(yè)，都需要有穩(wěn)定而精確的溫度。在本設(shè)計(jì)中，我們針對(duì)培養(yǎng)箱而設(shè)計(jì)的一個(gè)恒溫系統(tǒng)，在系統(tǒng)里，通過對(duì)恒溫箱溫度的檢測(cè)與變送傳到單片機(jī)，與給定值進(jìn)行比較，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)偏差信號(hào)的大小輸出驅(qū)動(dòng)PWM輸出，通過改變PWM輸出的周期和幅值，控制發(fā)熱絲的功率

4、，從而達(dá)到恒溫箱內(nèi)溫度控制的目的。本設(shè)計(jì)是對(duì)恒溫箱進(jìn)行的溫度控制。從箱內(nèi)溫度的檢測(cè)、變換到信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳送這一系列的過程都牽扯到很多的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中我們也遇到很多困難，比如說溫度測(cè)量器件的選用，變換成電壓信號(hào)還是電流信號(hào)，相應(yīng)的怎么傳送等，都經(jīng)過了考慮才選擇了這個(gè)方案。單片機(jī)的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)外部線路的設(shè)計(jì)，端口的分配和選用，復(fù)位和內(nèi)部時(shí)鐘的配合和電路的驅(qū)動(dòng)等方面也遇到了不少問題，經(jīng)過討論我們都基本上解決了。加熱電路我們選擇了IGBT作為開關(guān)器件，IGBT可控而且開關(guān)頻率很高，適合用在控制頻繁通斷的場(chǎng)合。這里利用芯片DS18B20作為恒溫箱的溫度檢測(cè)元件。DS18B20芯片可以直接把測(cè)量的溫

5、度值變換成單片機(jī)可以讀取的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。單片機(jī)從外部設(shè)置兩位撥碼開關(guān)進(jìn)行預(yù)置數(shù)，讀入的數(shù)據(jù)與預(yù)置數(shù)進(jìn)行比較，根據(jù)偏差的大小，單片機(jī)執(zhí)行程序?qū)WM進(jìn)行控制，經(jīng)過對(duì)PWM的輸出脈沖進(jìn)行放大，也就是對(duì)恒溫箱內(nèi)電阻絲的驅(qū)動(dòng)，對(duì)恒溫箱進(jìn)行加熱，使箱內(nèi)溫度升高，熱電偶連續(xù)對(duì)恒溫箱進(jìn)行溫度檢測(cè)，當(dāng)偏差存在時(shí)單片機(jī)就繼續(xù)驅(qū)動(dòng)后繼電路進(jìn)行加熱，直到偏差為零。 第二章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 方案一 圖2.1利用熱電偶作為恒溫箱的溫度檢測(cè)元件，應(yīng)用橋式電路對(duì)熱電偶作為補(bǔ)償。熱電偶出來的電流信號(hào)通過轉(zhuǎn)換變成電壓信號(hào)，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變換成單片機(jī)可以接受的電壓信號(hào)，在從單片機(jī)讀入進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)從外部設(shè)置兩位撥碼開

6、關(guān)進(jìn)行預(yù)置數(shù)，讀入的數(shù)據(jù)與預(yù)置數(shù)進(jìn)行比較，根據(jù)偏差的大小，單片機(jī)執(zhí)行程序?qū)WM進(jìn)行控制，經(jīng)過對(duì)PWM的輸出脈沖進(jìn)行放大，也就是對(duì)恒溫箱內(nèi)電阻絲的驅(qū)動(dòng)，對(duì)恒溫箱進(jìn)行加熱，使箱內(nèi)溫度升高，熱電偶連續(xù)對(duì)恒溫箱進(jìn)行溫度檢測(cè)，當(dāng)偏差存在時(shí)單片機(jī)就繼續(xù)驅(qū)動(dòng)后繼電路進(jìn)行加熱，直到偏差為零。在控制過程中，存在著檢測(cè)信號(hào)與控制信號(hào)之間的滯后關(guān)系，因此，在單片機(jī)的控制程序里加入了數(shù)字PID控制算法，是控制更加的準(zhǔn)確。單片機(jī)的設(shè)計(jì)包括外部時(shí)鐘和上電復(fù)位電路計(jì)。單片機(jī)對(duì)溫度的檢測(cè)可以通過兩個(gè)LED進(jìn)行顯示。2.2 方案二 圖2.2方案一：用的是熱電偶進(jìn)行溫度的測(cè)量，熱電偶的測(cè)量范圍和精度要求都符合本設(shè)計(jì)的需要，在不

7、同的環(huán)境下所需要的補(bǔ)償是不一樣的，而且輸入單片機(jī)要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,增加了轉(zhuǎn)換電路即增加了成本,轉(zhuǎn)換還需要時(shí)間,那往往就給控制帶來了很多麻煩，而且給恒溫巷的使用帶來一定的局限性，使保溫箱不能得到推廣，給廠家大批量的生產(chǎn)也帶來了很多不便。線性化的處理往往是應(yīng)用熱電偶的約束。而在方案二中，應(yīng)用的是測(cè)量溫度的專用芯片，避免了上述的一些問題，而且應(yīng)用方案二的芯片使測(cè)量的靈敏度增加不少。在方案一中，熱電偶測(cè)量出來的信號(hào)是電流信號(hào)，電流信號(hào)適合遠(yuǎn)距離傳輸，而到單片機(jī)的距離不大，電流信號(hào)容易受外界的干擾而影響了測(cè)量信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量的誤差增加，就算可以用其他方法消除干擾信號(hào)，也麻煩。而在方案二中，測(cè)量出來的是電壓信

8、號(hào)，能直接輸入單片機(jī)，方便而且準(zhǔn)確，不容易受外界干擾。在方案一中，需要進(jìn)行電流電壓的轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理才能的到標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電壓向輸入單片機(jī)，而方案二中卻可以直接輸入。綜上所述：方案二比方案一有更大的優(yōu)越性，而且方案二只用一個(gè)芯片就可以達(dá)到目的，而方案一卻要經(jīng)過多個(gè)步驟，從經(jīng)濟(jì)角度看，方案二更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，且使用性強(qiáng)。因此這個(gè)設(shè)計(jì)決定起用方案二來進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。第三章 單元模塊設(shè)計(jì) 圖3.13.1數(shù)字溫控芯片DS18B20介紹在本設(shè)計(jì)中，選用的是溫度測(cè)量的專用芯片DS18B20。DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20為新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。DA

9、LLAS半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總接獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，是用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的建構(gòu)引入全新的概念。DS18B20、DS1822“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為-50+125,在-10+85范圍內(nèi)，精度為0.5。DS1822的精度較差為2?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測(cè)量類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新產(chǎn)品支持3v5.5v的電壓范圍，使系

10、統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為0.5?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價(jià)格比也非常出色！DS1822與DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡化版本。省略可存儲(chǔ)用戶定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的EEPROM， 精度降低為2，適用于對(duì)性能要求不高，成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用，是經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。DS18B20和DS1822使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的、經(jīng)濟(jì)

11、的測(cè)溫系統(tǒng)。3.1.1 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1、DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四個(gè)部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校檢碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為

12、例：用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。 表3.1 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0LS Byte232221202(-1)2(-2)2(-3)2(-4) bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8MS ByteSSSSS262524這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù),存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)比特的RAM中,二進(jìn)制中的前面5位符號(hào),如果測(cè)得的溫度大于0,這5位為0,只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度;如果溫度小于0,這5位為1,測(cè)到的數(shù)值

13、需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度.例如+125的數(shù)字輸出為07D0H,+25.0625的數(shù)字輸出為0191H,-25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH,-55的數(shù)字輸出為FC90H.表3.2TEMPERATUREDIGITAL OUTPUT(Binary)DIGITAL OUTPUT(Hex)+1250000 0111 1101 000007D0h+85*0000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000A2h+0.50000 0000 0000 10000008h

14、00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000FFF8h-10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh-25.06251111 1110 0110 1111FE6Fh-551111 1100 1001 0000FC90h*The power-on reset value of the temperature register is +853.1.2 DS18B20的外形及引腳說明外形如圖所示。圖3.21（GND）：地2（DQ）：單線運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳3（VDD）：可選的電源引腳3、DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20的內(nèi)部結(jié)

15、構(gòu)如圖3所示。圖3.33.1.3 DS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器.暫存存儲(chǔ)器包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié),前兩個(gè)字節(jié)是測(cè)得的溫度信息,第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位,第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝,第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存的易失性拷貝,這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。表3.3DS1820暫存寄存器分布 寄存器內(nèi)容 字節(jié)地址 溫度最低的數(shù)字位 0溫度最高的數(shù)字位

16、 1高溫限值 2低溫限值 3保留 4保留 5計(jì)數(shù)剩余值 6每度計(jì)數(shù)值 7 CRC校驗(yàn) 8 該字節(jié)各位的意義如下:TM R1 R0 1 1 1 1 1低五位一直都是1,TM是測(cè)試模式位,用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式,在DS18B20出廠時(shí)該設(shè)置為0,用戶不要去改動(dòng).R1和R0用來設(shè)置分辨率,如下表所示(DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位)表3.4分辨率設(shè)置R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議,主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟:每一次讀寫之前都要對(duì)DS18

17、B20進(jìn)行復(fù)位,復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令,最后發(fā)送RAM指令,這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作.復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒,然后釋放, DS18B20收到信號(hào)后等待1660微秒左右,后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖,主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功.表3.5指令約定代碼功能讀ROM33H讀DS1820ROM中的編碼(即讀64位地址)符合ROM55H發(fā)出此命令之后,接著發(fā)出64位ROM編碼,訪問單線總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的DS1820使之作出響應(yīng),為下一步對(duì)該DS1820的讀寫作準(zhǔn)備搜索ROM0F0H用于確定掛接在同一條總線上DS1820的個(gè)數(shù)和識(shí)別64位ROM地址,為操作各器

18、件作好準(zhǔn)備跳過ROM0CCH忽略64位ROM地址,直接向DS1820發(fā)溫度變換指令,適用于單片工作.告警搜索命令0ECH執(zhí)行后,只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才作出響應(yīng).表3.6指令約定代碼功能溫度變換44H啟動(dòng)DS1820進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時(shí)間最長為500ms(典型為200ms),結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM中讀暫存器0BEH讀內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的第3,4字節(jié)寫上,下限溫度數(shù)據(jù)命令,緊跟該命令之后,是傳輸兩字節(jié)數(shù)據(jù).復(fù)制暫存器48H將RAM中的第3,4字內(nèi)容復(fù)制到EEPRAM中.重調(diào)EEPRAM0B8H將EEPRAM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3,4字節(jié).讀供

19、電方式0B4H讀DS18B20的供電模式,寄生供電時(shí)DS18B20發(fā)送“0”，外接電源供電，DS18B20發(fā)送“1”3.1.4 DS18B20的特性DS18B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為0.5?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度，存儲(chǔ)在EEPROM，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價(jià)格比也非常出色！DS1822與DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡化版本，省略了存儲(chǔ)用戶定義報(bào)警溫度，分辨率參數(shù)的EEPROM，精度降低為2。適用于對(duì)性能要求不高，成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用，是經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。 表3.7型號(hào)工作電壓分辨率精

20、度EEPROM軟件兼容性封裝采集模塊DS18B203.05.5V912位0.5有與DS1820部分兼容SOIC，TO-92LTM-8000系列表3.8特性指標(biāo)序號(hào)項(xiàng)目指標(biāo)1溫度傳感器DS18B20數(shù)字溫度傳感器2溫度精度0.5（-10+85范圍內(nèi)）3測(cè)溫范圍-55+1254溫度分辨率12位（0.0625）5測(cè)溫速度750ms（12位分辨率）6電源要求3V5.5V7通訊電纜三芯屏蔽電纜8支持通訊電纜長度300m9運(yùn)行環(huán)境-55+12510外型尺寸6mm11材質(zhì)不銹鋼3.1.5 DS18B20工作原理DS18B20的讀寫時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同,只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且

21、溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。DS18B20的讀寫時(shí)序如下：PROCWRITEWRITE:MOVR2,#8CLRCWR1:CLRDQMOVR7,#6DJNZR7,$RRCAMOVDQ,CMOVR7,#23DJNZR7,$SETBDQNOPDJNZR2,WR1SETBDQRET;讀一個(gè)字節(jié),出口:A=讀入的字節(jié)PROCDREADDREAD:MOVR2,#8READL:CLRCSETBDQNOPNOPCLRDQNOPNOPNOPSETBDQ;產(chǎn)生時(shí)間片MOVR7,#7DJNZR7,$MOVC,DQMOVR7,#23DJNZR7,$RRCADJNZR2,READLRET 圖3.4 DS1

22、8B20工作流程圖 圖3.5 DS18B20讀寫時(shí)序圖3.1.6 DS18B20使用中注意事項(xiàng)DS18B20雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡單，測(cè)溫精度高，連接方便，占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：3.1.6.1 較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送。因此，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格地保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果。在使用PL/M，C等高級(jí)語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)DS18B20操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。3.1.6.2在DS18B20的有關(guān)資料中，均未提及單總線上所掛DS18B20數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可

23、以掛任意多個(gè)DS18B20，在實(shí)際應(yīng)用中并未如此。當(dāng)單總線上所掛DS18B20超過8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要加以注意。3.1.6.3 連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的，試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長度超過50米時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150米。當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻?。因此，在使用DS18B20進(jìn)行長距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。3.1.6.4在DS18

24、B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號(hào)，一但某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時(shí)，將沒有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給以一定的重視。3.2 預(yù)置數(shù)輸入預(yù)置數(shù)由兩個(gè)十進(jìn)制撥碼開關(guān)來完成，如圖7。每一個(gè)撥碼開關(guān)有四位，由0000到1111，取其中的0000到1010就可以實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制中0到10的設(shè)定，兩個(gè)就可以構(gòu)成兩位的輸入，就可以實(shí)現(xiàn)0到100的置數(shù)。圖3.63.2.1 撥碼盤介紹由于BCD撥碼盤方便、直觀、實(shí)用、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于參數(shù)設(shè)定的監(jiān)測(cè)儀表，機(jī)械機(jī)床等

25、設(shè)備上，具有很大的應(yīng)用空間。圖3.2.1為撥碼盤的內(nèi)部原理圖，1、2、4、8四個(gè)端子為數(shù)據(jù)端，com為公共端，當(dāng)撥碼盤窗口顯示的數(shù)值不為零時(shí)，其數(shù)據(jù)線將有一位或幾位與com端接通。例如：當(dāng)撥碼盤輸出為5時(shí)，1、4與com端接通。圖3.7 BCD撥碼盤內(nèi)部原理圖 讀撥碼盤流程圖：開 始選中十位撥碼盤，屏蔽個(gè)位撥碼盤讀BCD值大于9？存BCD值結(jié) 束 N Y 圖3.8 讀撥碼盤流程圖3.3 時(shí)鐘時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所需的時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)應(yīng)該在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下工作，嚴(yán)格按照時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各個(gè)

26、信號(hào)的關(guān)系。時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)的各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基礎(chǔ)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該增益反相放大器的輸入端為X1，輸出引腳為X2。著兩個(gè)引腳跨接晶振和微調(diào)電阻，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。圖8是單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘方式的振蕩電路。圖3.9電路中的電容典型選擇通常是30pF左右。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容值的大小會(huì)影響振蕩頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率通常為1.2MHz12MHz之間。晶體的頻率越高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也越

27、高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。但運(yùn)行越快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就越高，對(duì)電路板的工藝要求也就更高，即要求線間的寄生電容要小，晶體和電容應(yīng)該盡量安裝在單片機(jī)附近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)該采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。3.4 復(fù)位電路本設(shè)計(jì)用的是手動(dòng)復(fù)位電路中的按鍵電平復(fù)位電路。通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)。如圖3.4所示。圖3.103.5 LED顯示單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過LED進(jìn)行顯示。LED接成共陰，因?yàn)轱@示的溫度只有兩位，因此只用兩個(gè)LES就可以滿足要求，同時(shí)考慮的LED的擴(kuò)流電路。LED各管腳如圖3.5所示，接單片機(jī)的P0

28、口和P2口。 圖3.11圖3.113.6 加熱電路如圖3.6所示。圖3.12交流220V電壓通過芯片整流、濾波后得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓，此時(shí)，二極管無法導(dǎo)通。當(dāng)單片機(jī)把溫度信號(hào)讀進(jìn)去后，與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)偏差存在的時(shí)候，單片機(jī)通過串口T XD輸出一個(gè)脈沖，出來后進(jìn)行光電管進(jìn)行信號(hào)隔離，再輸入驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003，驅(qū)動(dòng)IGBT，使加熱回路導(dǎo)通，這樣，箱內(nèi)溫度就得到增加。此時(shí)單片機(jī)繼續(xù)從溫度檢測(cè)芯片那里讀數(shù)據(jù)，加熱到當(dāng)偏差為零時(shí)，脈沖變低，加熱回路停止工作。3.6.1 ULN2003介紹ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓管組成。 該電路的特點(diǎn)如下： ULN200

29、3 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路 直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行. 多數(shù)單片機(jī)的I/O口都是漏級(jí)開漏的方式，只能提供拉電流，也就是說在設(shè)置其為高電平的時(shí)候其實(shí)是高阻狀態(tài)，所以要加上拉電阻以確定I/O口的邏輯狀態(tài)（高電位）。引腳功能圖如下 圖3.133.6.2 IGBT管介紹 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）作為新型電力半導(dǎo)體場(chǎng)控自關(guān)斷器件，集功率MOSFET的高速性能與雙極性

30、器件的低電阻于一體，具有輸入阻抗高，電壓控制功耗低,控制電路簡單,耐高壓，承受電流大等特性，在各種電力變換中獲得極廣泛的應(yīng)用。主要參數(shù)：耐壓600V 開關(guān)頻率 1KHZ極限電流 1KA 第四章 PID控制4.1 PID控制原理 通過輸入通道將溫度傳感器DS18B20采集到的被控對(duì)象當(dāng)前溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)求出輸入的當(dāng)前溫度值與設(shè)定值的偏差，并根據(jù)該偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，最后，根據(jù)PID運(yùn)算的結(jié)果由單片機(jī)輸出控制數(shù)字信號(hào)經(jīng)過光電隔離，經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)控制晶閘管整流電路，控制恒溫箱加熱。本設(shè)計(jì)分兩個(gè)階段:(1)自由升溫階段控制.在這個(gè)階段,希望升溫越快越好.所以,控制

31、上只要讓電熱絲以最大的功率加熱也就是單片機(jī)輸出脈沖的最大值.在這個(gè)過程中,不斷測(cè)溫,當(dāng)預(yù)設(shè)溫度與實(shí)際測(cè)量的溫度之差小于等于10度時(shí)進(jìn)入控溫階段.(2)控溫階段.恒溫箱這個(gè)控制對(duì)象屬于帶純滯后的慣性環(huán)節(jié),所以采用PID控制.根據(jù)給定的參數(shù)設(shè)置.編寫增量式PID算法子程序等.4.2 PID控制系統(tǒng)框圖 微機(jī)系統(tǒng)PID 控制程序DS18B20 恒溫箱光電隔離ULN2003驅(qū)動(dòng)整流電路 圖4.1 PID控制系統(tǒng)框圖4.3 PID算法增量式算法中,輸出量與執(zhí)行的變化量相對(duì)應(yīng),即是前后兩次采樣所計(jì)算的位置差值,其算式為:u(n)=u(n)-u(n-1)在此就不詳細(xì)板書了,詳細(xì)式子請(qǐng)見附錄.4.3.1中斷子

32、程序流程如下圖所示,它的作用是判斷是否進(jìn)入控溫階段,若已進(jìn)入控溫階段,則調(diào)用PID算法子程序,否則輸出最大脈沖,使晶閘管整流器以全功率加熱.開 始調(diào)溫度采樣子程序存儲(chǔ)溫度值偏差10?輸出最大值調(diào)PID算法輸出脈沖輸出最大脈沖返 回YN圖4.2中斷子程序流程圖 4.3.2增量式PID算法的程序流程圖如下圖所示,計(jì)算u(n)時(shí)只需要現(xiàn)時(shí)刻以及以前的兩個(gè)偏差值e(n)、e(n-1) 、e(n-2),初始化程序置初值e(n-1)=e(n-2)=0,由中斷服務(wù)對(duì)過程變量進(jìn)行采樣,并根據(jù)參數(shù)計(jì)算出u(n).開 始計(jì)算e(n)計(jì)算a0e(n)計(jì)算a1e(n-1)計(jì)算a0e(n)+a1e(n-1)計(jì)算a2e(n-2)計(jì)算u(n)更新e(n-1),e(n-2)返 回 圖4.3PID算法子程序第五章 單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)5.1 總體軟件設(shè)計(jì)流程圖