基于單片機(jī)的PID溫度控制系統(tǒng)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)2011年6月基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)領(lǐng)域的滲透，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常作為一個(gè)核心部件來(lái)使用，僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。本文從硬件和軟件兩方面來(lái)講述水溫的自動(dòng)控制過(guò)程，在控制過(guò)程中主要應(yīng)用AT89C51、DS18B20、MAX232等，而主要是通過(guò)DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機(jī)為核心控制部件。軟件方面采用匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，這樣可以使指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存

2、儲(chǔ)空間。為了便于擴(kuò)展和更改，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系更加的簡(jiǎn)潔明了，使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運(yùn)作。而系統(tǒng)的過(guò)程則是：首先，設(shè)定恒溫運(yùn)行時(shí)的溫度值。然后，在運(yùn)行過(guò)程中將采樣的溫度數(shù)字量送入單片機(jī)，最后用單片機(jī)來(lái)控制加熱器，進(jìn)行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器溫度AbstractIn recent years,with the computer penetration in the social field,the application of SCM is to keep at the same time,traditi

3、onal control testing update on Crescent benefits.Inreal-time detection and automatic control system of single-chip applications,often as a single-chip core component to use only single-chip is not enough knowledge,but also the specific hardware structure and the specific features of application soft

4、ware objects combine to make perfect.In this paper,both hardware and software for automatic control of water temperature on the process,in the control of the main application of the process of AT89C51, DS18B20,MAX232 and so on,but mainly through the digital temperature sensor DS18B20 collecting ambi

5、ent temperature to single-chip microcomputer as the core control components. Software using assembly language for programming, so that the implementation of Directive speedto save storage space.To facilitate the expansion and change, software design using modular structure, make the program design l

6、ogical relationship more succinctly, make the hardware in the software under the control of the coordination of operations.And systematic process is: First of all, set the thermostat temperature at the time of operation.Then,in the running temperature of the process of sampling digital into thesingl

7、e-chip microcomputer, the last single-chip microcomputer to control the heater used for heating or stop heating until the temperature in the provisions under the constant temperature heating.Keywords：Single-chipmicrocomputersystem; Sensor;Data Acquisition;ADC; Temperature目錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1 文獻(xiàn)

8、綜述1課題的背景及其意義11.1.2 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀21.1.3 展望21.2 課題的主要內(nèi)容31.3 課題的研究方案4第二章 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)6單片機(jī)的發(fā)展概況62.2 AT89C51系列單片機(jī)介紹72.2.1 AT89C51系列基本組成及特性72.2.2 AT89C51系列引腳功能82.2.3 AT89C51系列單片機(jī)的功能單元102.3 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20132.3.1 DS18B20簡(jiǎn)介132.3.2 DS18B20的引腳圖及引腳說(shuō)明152.3.3 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)162.3.4 DS18B20的工作原理162.4 RS-232總線接口芯片 MAX232

9、172.4.1 RS-232接口172.4.2 MAX232簡(jiǎn)介192.4.3 MAX232的管腳圖及管教說(shuō)明192.4.4 MAX232的內(nèi)部功能框圖21第三章 硬件電路設(shè)計(jì)23硬件系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)23硬件系統(tǒng)電路連接設(shè)計(jì)253.2.1 溫度檢測(cè)電路253.2.2 繼電器控溫電路263.2.3 串口通信接口電路263.2.4 外部電路27第四章 PID控制算法284.1 PID控制的發(fā)展284.2 PID控制理論284.3 PID控制算法29第五章 軟件設(shè)計(jì)335.1 軟件設(shè)計(jì)綜述335.2 軟件流程圖335.2.1 主程序流程圖335.2.2 DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和溫度數(shù)值讀取流程圖

10、345.2.3 顯示流程圖35結(jié)語(yǔ)36參考文獻(xiàn)37致謝38附錄 溫度控制系統(tǒng)源程序39第一章緒論文獻(xiàn)綜述在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的主要參數(shù)，如溫度，壓力，流量，速度等進(jìn)行有效的控制。其中溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占據(jù)了相當(dāng)大的比例1。2課題的背景及其意義二十一世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的信息時(shí)代，電子技術(shù)、微型單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用更是空前廣泛，伴隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行溫度測(cè)量。溫度一詞在生產(chǎn)生活中所出現(xiàn)的頻率日益增多，與之相對(duì)應(yīng)的，溫度控制和測(cè)量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用的詞語(yǔ)，同時(shí)它們?cè)诟餍懈鳂I(yè)中也發(fā)揮著重要的作用。如在日趨發(fā)達(dá)的工業(yè)生產(chǎn)中，利用測(cè)

11、量與控制溫度來(lái)保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行；在農(nóng)業(yè)中，用于保證蔬菜大棚的恒溫保產(chǎn)等。溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度測(cè)量則是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)十分重要且普遍的參數(shù)。溫度的測(cè)量及其控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測(cè)量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中占據(jù)了首位。而且隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，溫度傳感器的種類還是在不斷增加豐富來(lái)用于滿足生產(chǎn)生活中的需要。單片機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵是測(cè)量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度測(cè)量是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。因此，單片機(jī)溫度測(cè)量則是對(duì)溫度進(jìn)行有效的測(cè)量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中可以得到廣

12、泛的應(yīng)用，尤其在電力工程、化工生產(chǎn)、機(jī)械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中擔(dān)負(fù)著重要的測(cè)量任務(wù)。在日常生活中，也能廣泛實(shí)用于地?zé)?、空調(diào)器、電加熱器等各種家庭室溫測(cè)量及工業(yè)設(shè)備溫度測(cè)量場(chǎng)合。但溫度是一個(gè)模擬量，如果采用相適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量雖不困難，但卻成本較高，電路復(fù)雜。31.1.2單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀（1）國(guó)外溫度測(cè)控系統(tǒng)研究國(guó)外對(duì)于溫度控制技術(shù)研究較早，始于20世紀(jì)70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場(chǎng)信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正在開(kāi)發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國(guó)的溫度測(cè)控技術(shù)都發(fā)展

13、很快，一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無(wú)人化的方向發(fā)展。4（2）國(guó)內(nèi)溫度測(cè)控系統(tǒng)研究我國(guó)對(duì)于溫度測(cè)控技術(shù)的研究則較晚，始于20世紀(jì)80年代。我國(guó)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家溫度測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了溫度室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于對(duì)溫度的單項(xiàng)環(huán)境因子的控制。我國(guó)的溫度測(cè)控設(shè)施計(jì)算機(jī)應(yīng)用，在總體上正從消化吸收、簡(jiǎn)單應(yīng)用階段向?qū)嵱没?、綜合性應(yīng)用階段過(guò)渡和發(fā)展。在技術(shù)上，以單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無(wú)真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在較大差距。我國(guó)溫度測(cè)量控制現(xiàn)狀還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到工廠化的程度，生產(chǎn)實(shí)際中仍然有許多問(wèn)題困擾著我們，存在著裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化

14、程度低，環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點(diǎn)。51.1.3展望單片機(jī)為我們改變了什么？縱觀我們現(xiàn)在生活的各個(gè)領(lǐng)域，從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，到飛機(jī)上各種儀表的控制，從計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC卡、電子寵物等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。以前沒(méi)有單片機(jī)時(shí)，這些東西也可以做，但是必須使用復(fù)雜的模擬電路，然而這樣做出來(lái)的產(chǎn)品不僅體積大，而且成本高，并且由于長(zhǎng)期使用，元器件不斷老化，控制的精度自然也會(huì)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。在單片機(jī)產(chǎn)生后，我們就將控制這些東西變?yōu)橹悄芑耍覀冎恍枰趩纹瑱C(jī)外圍接一點(diǎn)簡(jiǎn)單的接口電路，核心部分只是由人為的寫

15、入程序來(lái)完成。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成本也降低了，長(zhǎng)期使用也不會(huì)擔(dān)心精度達(dá)不到了的問(wèn)題了。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的單片機(jī)年容量已經(jīng)達(dá)到了3億片，且每年以大約20%的速度增長(zhǎng)，但相對(duì)于世界市場(chǎng)我國(guó)的占有率還不到1%。特別是沿海地區(qū)的玩具廠等生產(chǎn)產(chǎn)品多數(shù)用到單片機(jī)，并不斷的向內(nèi)地輻射。所以，學(xué)習(xí)單片機(jī)在我國(guó)是有著十分廣闊的前景。目前，測(cè)溫控溫系統(tǒng)得到快速的發(fā)展，國(guó)外的測(cè)量控制系統(tǒng)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品也較多。近兩年，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了許多高精度的溫度控制系統(tǒng)產(chǎn)品，但相對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，價(jià)格還是偏高。而由于競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，現(xiàn)在企業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)是如何最有效的提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。尋求性能可靠、價(jià)格低廉，且應(yīng)用廣泛的元器件是生

16、產(chǎn)過(guò)程中需首先要考慮的問(wèn)題，因此像本設(shè)計(jì)這種控制簡(jiǎn)單、精度較高、價(jià)格低廉的控制系統(tǒng)會(huì)有很好的發(fā)展前景，所以學(xué)好單片機(jī)技術(shù)也十分重要。通過(guò)本次的設(shè)計(jì)，讓我感覺(jué)到單片機(jī)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，而且，在醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展中，單片機(jī)也會(huì)越來(lái)越重要。以后的醫(yī)療服務(wù)會(huì)急速的向現(xiàn)代化，智能化等方向發(fā)展，從而增加了安全性，減少了操作的繁瑣性。學(xué)習(xí)并使用單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，將會(huì)為我們電子工作者打開(kāi)一扇通往電子設(shè)計(jì)新出路的大門。1.2課題的主要內(nèi)容本課題以水為測(cè)量對(duì)象，溫度測(cè)量電路接收傳感器的信號(hào)，并將模擬信號(hào)通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)系統(tǒng)，與預(yù)設(shè)的溫度對(duì)比，通過(guò)一定的控制算法，控制繼電器的通斷，從而控

17、制加熱器的工作，使得水溫維持在設(shè)定的溫度。溫度控制算法精確控制溫度加熱，以溫度最小為優(yōu)化目標(biāo)。溫度是工業(yè)控制對(duì)象的主要的被控參數(shù)之一，如冶金，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。在過(guò)去多是采用常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器對(duì)溫度進(jìn)行控制，本課題采用了單片微型機(jī)對(duì)溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。6使用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行溫度自動(dòng)控制，難度就在于測(cè)量溫度和單片機(jī)輸出的溫度誤差是不是太大，導(dǎo)致無(wú)法輸出，利用ATMEL單片機(jī)核心程序?qū)ζ溥M(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)溫度在一段范圍內(nèi)的變化，實(shí)驗(yàn)成功控制語(yǔ)言的代碼，并進(jìn)行燒片，燒片成功后，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，若能看到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，則實(shí)驗(yàn)完成。1.3課題的研究方案溫度控制系統(tǒng)是一種比較

18、常見(jiàn)和典型的過(guò)程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的被控參數(shù)之一，當(dāng)今計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫度控制系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)化、智能化，比過(guò)去單純采用電子線路進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。溫度是一個(gè)非線性的對(duì)象，具有大慣性的特點(diǎn)，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。對(duì)于這種溫控對(duì)象，一般認(rèn)為它具有以下的傳遞函數(shù)形式：（1.1）方案一（如圖1-1）：信號(hào)采集信號(hào)放大固態(tài)繼電器信號(hào)放大負(fù)載溫度預(yù)置比較器圖1-1方案一框圖此方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，決定加熱或不加熱。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)所

19、得到的結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境影響較大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設(shè)定。方案二（如圖1-2）：信號(hào)采集溫度預(yù)設(shè)固態(tài)繼電器信號(hào)處理信號(hào)放大上線比較下線比較負(fù)載圖1-2方案二框圖此方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同，但由于采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對(duì)鍵盤進(jìn)行設(shè)定。方案三（如圖1-3）：AT89C51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集輸入電源溫度控制算法控制圖1-3方案三框圖此方案采用89C51單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編

20、程靈活、自由度大，可用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機(jī)系統(tǒng)可以使用數(shù)碼管來(lái)顯示水溫的實(shí)際值，能用鍵盤輸入設(shè)定值。本方案選用了AT89C51芯片，不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。前兩種方案采用的是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。而方案三則是采用以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對(duì)溫度控制，可達(dá)到模擬控制所達(dá)不到的效果，并且實(shí)現(xiàn)顯示和鍵盤設(shè)定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。這也使得系統(tǒng)所測(cè)得結(jié)果的精度大大提高。所以，經(jīng)過(guò)對(duì)三種方案的對(duì)比，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用了方案三。第二章設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)單片機(jī)的發(fā)展概況1970年微型計(jì)算機(jī)研制成

21、功之后，隨之便出現(xiàn)了單片機(jī)（即單片微型計(jì)算機(jī)） 美國(guó)Intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片機(jī)4004和1972年生產(chǎn)的雛形8位單片機(jī)8008，這也可以算是單片機(jī)的第一次公眾亮相。1976年Intel公司首先推出了可以稱為單片機(jī)的MCS-48系列單片微型計(jì)算機(jī)。它以體積小、功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，贏得了非常廣泛的應(yīng)用，同時(shí)一些與單片機(jī)有關(guān)的其他公司都爭(zhēng)相推出各自的單片機(jī)。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列單片機(jī)，Zilog公司相繼推出Z8單片機(jī)系列。1980年Intel公司在MCS-48系列的基礎(chǔ)之上又推出高性能的MCS-51系列單片機(jī)。這類單片機(jī)均帶有串行I/O口，定時(shí)器/計(jì)

22、數(shù)器為16位，片內(nèi)存儲(chǔ)容量（RAM，ROM）都相應(yīng)增大，并有優(yōu)先級(jí)中斷處理功能，單片機(jī)的功能、尋址范圍都比早期的擴(kuò)大了，它們是當(dāng)時(shí)單片機(jī)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。1982年Mostek公司和Intel公司又先后推出了更高性能的16位單片機(jī)MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分別在原有8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上推出了16位單片機(jī)HPC16040和PD783××系列。1987年Intel公司又宣布了比8096性能高兩倍的CMOS型80C196單片機(jī)，1988年推出帶EPROM的87C196單片機(jī)。由于16位單片機(jī)推出的時(shí)間比較遲、價(jià)格昂貴、開(kāi)發(fā)設(shè)備有限等多種原因，至今還不能得

23、到廣泛應(yīng)用。而8位單片機(jī)已經(jīng)可以滿足大部分應(yīng)用的需要，因此，在推出16位單片機(jī)的同時(shí)，高性能的新型8位單片機(jī)也不斷問(wèn)世?？v觀這短短的20年，已經(jīng)經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機(jī)正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴(kuò)大存儲(chǔ)容量和加強(qiáng)I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。新一代的80C51系列單片機(jī)除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)微控制器（microcontroller）完善的控制功能為己任。這一系列單片機(jī)為外部提供了非常完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置打下了良好的基礎(chǔ)。由于80C51系列單片機(jī)所具有的一系列優(yōu)越的特點(diǎn)，獲得廣泛使用是指日可待的7。下面我們就來(lái)重點(diǎn)

24、介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的AT89C51系列單片機(jī)。AT89C51系列單片機(jī)介紹2.2.1 AT89C51系列基本組成及特性AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。而在眾多的51系列單片機(jī)中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更實(shí)用，也是一種高效微控制器，因?yàn)樗坏?051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器，用戶可以用電的方式達(dá)到瞬間擦除、改寫。而這種單片機(jī)

25、對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求非常低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也能大大縮短。AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，而且在其片種還有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程序存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與MCS-51系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能。AT89C51可以構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長(zhǎng)度小于4k，四個(gè)I/O口就會(huì)全部提供給用戶?？刹捎?V的電壓來(lái)編程，而且寫入時(shí)間僅10毫秒，僅為8751/

26、87C51的擦除時(shí)間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比，不易損壞器件，沒(méi)有兩種電源的要求，改寫時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。AT89C51 芯片有三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外，AT89C51還同時(shí)具有MCS-51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)。128×8位內(nèi)部RAM，32位雙向輸入輸出線，兩個(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器，5個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)鐘發(fā)生器等。AT89C51具有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來(lái)設(shè)置的，當(dāng)外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時(shí)，CPU可根據(jù)工作情況適時(shí)地進(jìn)入

27、睡眠狀態(tài)，內(nèi)部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)會(huì)被任何一個(gè)中斷所終止或通過(guò)硬件復(fù)位。掉電模式是指VCC電壓低于電源下限，當(dāng)振蕩器停止振動(dòng)時(shí)，CPU停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器值會(huì)保持不變，一直到掉電模式被終止。只有在VCC電壓恢復(fù)到正常工作范圍內(nèi)并且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過(guò)硬件復(fù)位、掉電模式才可被終止。2.2.2 AT89C51系列引腳功能AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式。其結(jié)構(gòu)與80C51引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其邏輯引腳圖如圖2-1。圖2-1 AT89C51邏輯引腳圖各引腳功能敘述如下：電源和晶振 VCC運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加+5V G

28、ND接地 XTAL1輸入到振蕩器的反向放大器 XTAL2反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器 （當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號(hào)）1RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，需要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。2I/O（4個(gè)口，32根） P0口8位、漏極開(kāi)路的雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ROM、RAM）時(shí)，作地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用。在程序校驗(yàn)期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。P0口（作為總線時(shí)）能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。 P1口8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在編程/校驗(yàn)的時(shí)候，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)

29、LSTTL負(fù)載。對(duì)于80C51，P1.0T2，是定時(shí)器的計(jì)數(shù)端且位輸入；P1.1T2EX，是定時(shí)器的外部輸入端。這時(shí)候，讀兩個(gè)特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P2口8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ROM及RAM）時(shí)，輸出高8位地址。在編程/校驗(yàn)的時(shí)候，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。P3口8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。P3口可以提供各種替代功能。在提供這些功能的時(shí)候，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個(gè)LSTTL負(fù)載。3串行口 P3.0RXD（串行輸入口），輸入。 P3.1TXD（串行輸出口），輸出。4中斷 

30、;P3.2INT0外部中斷0，輸入。 P3.3INT1外部中斷1，輸入。5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 P3.4T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入，輸入。 P3.5T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入，輸入。6數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選通 P3.6WR低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫選通。 P3.7RD低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器讀選通。7控制線(共4根) 輸入： EA/VPP片外程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào)，低電平有效。在編程時(shí)，其上需要施加21V的編程電壓。注意：在加密方式為1時(shí)，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程

31、期間，此引腳也可以用于施加12V編程電源（VPP）。 輸入、輸出：ALE/PROG地址鎖存允許信號(hào)，輸出。在ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出時(shí)，可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘或用于定時(shí)。在EPROM編程的時(shí)候，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的時(shí)候，地址鎖存所允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程的時(shí)候，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)的時(shí)候，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。注意：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)候，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如果想要禁止A

32、LE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX指令，而MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳會(huì)被略微的拉高。如果微處理器處于外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。輸出：PSEN片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。在從片外程序存儲(chǔ)器取址的時(shí)候，在每個(gè)機(jī)器周期中，當(dāng)PSEN有效的時(shí)候，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。2.2.3 AT89C51系列單片機(jī)的功能單元1并行I/O接口：?jiǎn)纹瑱C(jī)芯片內(nèi)具有一項(xiàng)主要功能就是并行I/O口。51單片機(jī)系列共有4個(gè)8位的并行I/O口，分別記作P0、P1、P2、P3每個(gè)口都包含一個(gè)鎖存器，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)

33、器和輸入緩沖器。實(shí)際上，它們已經(jīng)被歸為專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問(wèn)片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的時(shí)候，低八位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時(shí)傳送，高八位地址由P2口傳送。2定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（timer/counter）是單片機(jī)中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡(jiǎn)單，使用它對(duì)減輕CPU的負(fù)擔(dān)和簡(jiǎn)化外圍電路都大有好處。C51單片機(jī)系列包含有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器分別稱為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1；在C51部分產(chǎn)品中，還包含有一個(gè)用做看門狗的8位定時(shí)器。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的核心是一個(gè)加1計(jì)數(shù)引腳上施加器，其基本的功能是加1功能。在單片機(jī)的定時(shí)器T0或T1中，有一個(gè)定時(shí)

34、器在發(fā)生由0到1的跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器增1，即為計(jì)數(shù)功能；在單片機(jī)內(nèi)部對(duì)機(jī)器周期或其分頻進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到定時(shí)，這就是定時(shí)功能。在單片機(jī)中，定時(shí)功能和計(jì)數(shù)功能的設(shè)定和控制都是需要通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行的。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時(shí)器0、定時(shí)器1、定時(shí)器方式寄存器TMOD和定時(shí)器控制寄存器TCON組成。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)置為定時(shí)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)，每過(guò)一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器加1，直至計(jì)滿溢出。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因?yàn)镃51系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩脈沖組成，所以，計(jì)數(shù)頻率fc=fosc/12。如果單片機(jī)系統(tǒng)采用12MHz晶振，則計(jì)數(shù)周期為：（2.

35、1）這是最短的定時(shí)周期，適當(dāng)選擇定時(shí)器的初值可獲取各種定時(shí)時(shí)間。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)置為計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)器對(duì)來(lái)自輸入引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信號(hào)計(jì)數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計(jì)數(shù)。在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平，若前一個(gè)機(jī)器的周期采樣值為1，后一個(gè)機(jī)器的周期采樣值為0，則計(jì)數(shù)器加1。新的計(jì)數(shù)值是在檢測(cè)到輸入引腳電平發(fā)生從1到0的負(fù)跳變后，于下一個(gè)機(jī)器周期的S3P1期間裝入計(jì)數(shù)器中的，可見(jiàn)，檢測(cè)一個(gè)由1到0的負(fù)跳變需要兩個(gè)機(jī)器周期，所以最高檢測(cè)頻率為振蕩頻率的1/24。計(jì)數(shù)器對(duì)外部輸入信號(hào)的占空比沒(méi)有什么特別的限制，但必須保證輸入信號(hào)的高電平與低電平的持續(xù)時(shí)間在

36、一個(gè)機(jī)器周期以上。3振蕩器：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可被配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可以采用。如果采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。當(dāng)輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)需要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，而對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4芯片擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可以通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片被擦除操作中，代碼陣列全被“1”并且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以使其在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟

37、件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。5中斷系統(tǒng)：中斷系統(tǒng)是單片機(jī)的重要組成部分之一。實(shí)時(shí)控制、故障自動(dòng)處理、單片機(jī)與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)大大的提高了系統(tǒng)的效率。C51系統(tǒng)有關(guān)于中斷的寄存器有4個(gè)，分別為中斷源寄存器TCON和SCON、中斷允許控制寄存器IE和中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP；中斷源有5個(gè)，分別為外部中斷0請(qǐng)求INT0、外部中斷1請(qǐng)求INT1、定時(shí)器0溢出中斷請(qǐng)求TF0、定時(shí)器1溢出中斷請(qǐng)求TF1和串行中斷請(qǐng)求

38、R1或T1。5個(gè)中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP和順序查詢邏輯電路共同決定，5個(gè)中斷源分別對(duì)應(yīng)5個(gè)固定的中斷入口地址。中斷的主要特點(diǎn)是分時(shí)操作，實(shí)時(shí)處理和故障處理8。簡(jiǎn)單介紹一下本次設(shè)計(jì)所需的單片機(jī)芯片AT89C51的中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。 （1）外部中斷源AT89C51具有INT0和INT1兩條外部中斷請(qǐng)求輸入線，用于輸入兩個(gè)外部中斷源的中斷請(qǐng)求信號(hào)，并允許外部中斷源以低電平或負(fù)邊沿兩種中斷觸發(fā)方式來(lái)輸入中斷請(qǐng)求信號(hào)。AT89C51究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式，可由用戶對(duì)定時(shí)器控制寄存器TCON中IT0和IT1位狀態(tài)的設(shè)定來(lái)選取。AT89C51在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2

39、時(shí)對(duì)INT0、線上中斷請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行一次檢測(cè)，檢測(cè)方式和中斷觸發(fā)方式的選取有關(guān)。若設(shè)定AT89C51為電平觸發(fā)方式（IT0=0或IT1=0），則CPU檢測(cè)到INT0、INT1上低電平時(shí)就可認(rèn)定其上中斷請(qǐng)求有效；若設(shè)定為邊沿觸發(fā)方式（IT0=1或IT1=1），則CPU需要兩次檢測(cè)INT0、INT1線上電平方能確定其上中斷請(qǐng)求是否有效，即前一次檢測(cè)為高電平和后一次檢測(cè)為低電平時(shí)中斷請(qǐng)求才有效。 （2）定時(shí)器溢出中斷源定時(shí)器溢出中斷是由AT89C51內(nèi)部定時(shí)器分的中斷源產(chǎn)生，故它們屬于內(nèi)部中斷。AT89C51內(nèi)部具有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，受內(nèi)部定時(shí)脈沖（主脈沖經(jīng)12分頻后）或T0/T1引

40、腳上輸入的外部定時(shí)脈沖計(jì)數(shù)。定時(shí)器T0/T1在定時(shí)脈沖的作用下從全“1”變成全“0”的時(shí)候可以自動(dòng)向CPU提出溢出中斷請(qǐng)求，以表明定時(shí)器T0或T1的定時(shí)時(shí)間已到。 （3）串行口中斷源串行口中斷是由AT89C51內(nèi)部串行口的中斷源產(chǎn)生，也是一種內(nèi)部中斷。串行口中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種中端。在串行口進(jìn)行發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，每當(dāng)串行口發(fā)送/接收完一組串行數(shù)據(jù)時(shí)串行口電路自動(dòng)使串行口控制寄存器SCON中的RI或TI中斷標(biāo)志位置位，并自動(dòng)向CPU發(fā)出串行口中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)串行口中斷后便立即轉(zhuǎn)入串行口中斷服務(wù)程序執(zhí)行。因此，只需要在串行口中斷服務(wù)程序中安排一段對(duì)SCON中

41、RI和TI中斷標(biāo)志位狀態(tài)的判斷程序，便可區(qū)分串行口發(fā)生了接收中斷請(qǐng)求還是發(fā)送中斷請(qǐng)求。 （4）中斷標(biāo)志AT89C51在S5P2時(shí)檢測(cè)（或接收）外部（內(nèi)部）中斷源發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求信號(hào)后先使相應(yīng)中斷標(biāo)志位置位，然后便在下個(gè)機(jī)器周期檢測(cè)這些中斷標(biāo)志位狀態(tài)，以決定是否響應(yīng)該中斷。92.3數(shù)字溫度傳感器DS18B202.3.1 DS18B20簡(jiǎn)介DS18B20是DALLAS公司所生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)（按9位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個(gè)傳感器芯

42、片。它具有獨(dú)特的單總線接口方式，僅需使用1個(gè)端口就能實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的雙向通訊。采用數(shù)字信號(hào)輸出提高了信號(hào)抗干擾能力和溫度測(cè)量精度。它的工作電壓使用范圍寬3.05.5 V，可以采用外部供電方式，也可以采用寄生電源方式，即當(dāng)總線DQ為高電平時(shí)，竊取信號(hào)能量給DS18B20供電。它還有負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，DS18B20不會(huì)因接錯(cuò)線而燒毀，但不能正常工作?？梢酝ㄟ^(guò)編程而實(shí)現(xiàn)912位的溫度轉(zhuǎn)換精度設(shè)置。設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。DS18B20采用的是3腳TO-92封裝，形如三極管，同時(shí)也有8腳SOIC封裝，還有6腳的TSOC封裝。測(cè)溫

43、范圍為-55+125，在-1085范圍內(nèi)，精度為±0.5。每一個(gè)DS18B20芯片的ROM中都存放了一個(gè)64位ID號(hào)：前8位是產(chǎn)品類型編號(hào)，隨后48位是該器件的自身序號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。又因其可以采用寄生電源方式供電。因此，一條總線上免可以同時(shí)掛接多個(gè)DS18B20，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。另外用戶還可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定非易失性溫度報(bào)警上下限值TH和TL。DS18B20所檢測(cè)到的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，自動(dòng)存入存儲(chǔ)器中，并與設(shè)定值TH或TL進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)量溫度超出給定范圍時(shí)，就輸出報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)識(shí)別是高溫超限還是低溫超限。圖2-2溫度芯片DS18B20主要特性：(1)D

44、S18S20的適應(yīng)電壓范圍更寬，其范圍為：，而且它能夠直接由數(shù)據(jù)線獲取電源（寄生電源），無(wú)需外部工作電源。(2)DS18S20提供了9位攝氏溫度測(cè)量，具有非易失性、上下觸發(fā)門限用戶可編程的報(bào)警功能。(3)DS18S20通過(guò)1-Wire®總線與中央微處理器通信，僅需要單根數(shù)據(jù)線（或地線）。同時(shí)，在使用過(guò)程中，它不需要任何的外圍的元件，全部的傳感元件和轉(zhuǎn)換電路集成在形狀如一只三極管的集成電路內(nèi)。(4)DS18S20具有-55至+125的工作溫度范圍，在-10至+85溫度范圍內(nèi)精度為±0.5。(5)每片DS18S20具有唯一的64位序列碼，這些碼允許多片DS18S20在同一條1-

45、Wire總線上工作，因而，可方便地使用單個(gè)微處理器控制分布在大范圍內(nèi)的多片DS18S20器件。(6)DS18S20的測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)還可以傳送給CRC校驗(yàn)碼，它具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)的能力。(7)DS18S20具有負(fù)載特性，當(dāng)電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但是不能正常的工作。2.3.2 DS18B20的引腳圖及引腳說(shuō)明TO-92封裝的DS18B20的引腳排列見(jiàn)下圖，其引腳功能描述見(jiàn)下：圖2-3 DS18B20的引腳圖引腳說(shuō)明：TO-92封裝符號(hào)說(shuō)明1GND接地2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。對(duì)于單線操作：漏極開(kāi)路。當(dāng)工作在寄生電源模式時(shí)用來(lái)提供

46、電源。3VDD可選的VDD引腳。工作在寄生電源模式時(shí)VDD必須接地。 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DQVDD圖2-4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20內(nèi)部功能模塊主要由4部分組成：64位光刻R0M、溫度傳感器、非易失性的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。R0M中的64位序列號(hào)是出廠前被光所刻好的，它可以看作是該DSISB20的地址序列碼，每個(gè)DSI8B20的64位序列號(hào)均不相同。高低溫報(bào)警觸發(fā)器TH 和TL，配置寄存器均由一個(gè)字節(jié)的E2PROM組成，使用一個(gè)存儲(chǔ)器功能命令可對(duì) TH，TL或配置寄存器寫入。配置寄存器中R1，R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)：R1、R000，9位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間

47、為93.75 ms；R1、R0 =01，10位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為187.5 ms；R1、R0=10，11位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為375 ms；R1、R0 =11，12位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為750 ms；未編程時(shí)默認(rèn)為12位精度。本系統(tǒng)所采用的也是12位的精度。2.3.4DS18B20的工作原理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，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。DS18B20測(cè)溫原理如圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的

48、信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。10斜率累加器計(jì)數(shù)器1=0比較預(yù)置溫度寄存器計(jì)數(shù)器2=0預(yù)置溫度寄存器溫度寄存器停止加1LSB置位/清除圖2-5 DS18B20的工作原理圖2.4 RS-2

49、32總線接口芯片MAX232 RS-232接口RS-232接口是個(gè)人計(jì)算機(jī)上的通訊接口之一，是1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè)25個(gè)腳的DB25連接器，對(duì)連接器的每個(gè)引腳的信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定，還對(duì)各種信號(hào)的電平加以規(guī)定。隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了代替DB25的DB9接口。通常 RS-232 接口是以9個(gè)引腳（DB-9）或是25個(gè)引腳（DB-25）的型態(tài)出現(xiàn)，一般個(gè)人計(jì)算機(jī)上會(huì)有兩組 RS-232 接口

50、，分別稱為COM1和COM2。現(xiàn)在通常都把RS-232接口叫做DB9，所以，在本設(shè)計(jì)中我們采用的是DB9。圖2-6 RS-232接口接口定義：l DCD 載波檢測(cè)l RXD 接收數(shù)據(jù)l TXD 發(fā)送數(shù)據(jù)l DTR 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好l SG 信號(hào)地l DSR 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好l RTS 請(qǐng)求發(fā)送l CTS 允許發(fā)送l RI 振鈴提示接口電平：RS-232采用負(fù)邏輯電平：l -15-3：邏輯1l +15+3：邏輯0l 電壓值通常在7V左右2.4.2 MAX232簡(jiǎn)介MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5V單電源供電。該器件包含2驅(qū)動(dòng)器、2接收器和一個(gè)電

51、壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將TIA/EIA-232-F 電平轉(zhuǎn)換成5-V TTL/CMOS電平。每一個(gè)發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。主要性能：l 單5V 電源工作l 先進(jìn)的CMOS制造工藝制造l 兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器及兩個(gè)接收器l ±30V輸入電平l 低電源電流：典型值是8mAl 符合甚至優(yōu)于ANSI 標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA-232-E 及ITU 推薦標(biāo)準(zhǔn)l 雙列直插式封裝2.4.3 MAX232的管腳圖及管教說(shuō)明管腳定義：管腳序號(hào)名稱功能1C1+電容倍增充電泵電容正端2C1-電容倍增充

52、電泵電容負(fù)端3C2+反向充電泵電容正端4C2-反向充電泵電容負(fù)端5V+充電產(chǎn)生的6V-充電產(chǎn)生的7R1INRS-232發(fā)送器輸入18R2INRS-232發(fā)送器輸入29T1OUTRS-232發(fā)送器輸出110T2OUTRS-232發(fā)送器輸出211T11INTTL發(fā)送器輸入112T21INTTL發(fā)送器輸入213R1OUTTTL接收器輸出114R2OUTTTL接收器輸出215VCC電源16GND接地圖2-7 MAX232管腳圖2.4.4 MAX232的內(nèi)部功能框圖圖2-8 MAX232的內(nèi)部功能框圖MAX232主要由三部分組成：電荷泵電路：由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12V和

53、-12V兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道：由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。11供電：15腳GND、16腳VCC（+5V）。主要特點(diǎn)：

54、l 符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)l 只需要單一 +5V電源供電l 片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-l 功耗低，典型供電電流5mAl 內(nèi)部集成2個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器l 內(nèi)部集成兩個(gè)RS-232C接收器l 高集成度，片外最低只需4個(gè)電容即可工作第三章硬件電路設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)數(shù)字溫度傳感器DS18B20從設(shè)備不同的位置采集溫度，并將數(shù)字信號(hào)送入AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)獲取采集的溫度值，經(jīng)過(guò)處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度值，根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度上下限值，再通過(guò)PID控制算法控制繼電器的通斷，從而控制加熱器的工作，使得水溫維持在設(shè)

55、定的溫度。當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的溫度值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器開(kāi)啟升溫設(shè)備（加熱器）12。AT89C51CPU數(shù)字溫度傳感器DS18B20啟動(dòng)開(kāi)關(guān)輸入電源繼電器1繼電器2加熱器加熱器RS-232總線接口芯片MXA232PC圖3-1單片機(jī)工作原理圖圖3-2 單片機(jī)電路圖硬件系統(tǒng)電路連接設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)電路溫度檢測(cè)用DS18B20溫度傳感器，DS18B20是Dallas公司推出的單線數(shù)字式測(cè)溫芯片，它能在現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將數(shù)字信號(hào)送入AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)。圖3-3溫度檢測(cè)電路圖繼電器控溫電路當(dāng)DS18B20采集到溫度后，會(huì)將溫度值傳送到單片機(jī)。單片機(jī)獲取采

56、集的溫度值，經(jīng)過(guò)處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度值，根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度上下限值，再通過(guò)PID控制算法控制繼電器的通斷，從而控制加熱器的工作，使得水溫維持在設(shè)定的溫度。13圖3-4繼電器控溫電路圖串口通信接口電路PC機(jī)的串口是RS-232電平的，而單片機(jī)是TTL電平的，當(dāng)要把單片機(jī)連接到PC機(jī)上時(shí)，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，我采用的是RS-232的專用接口芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖3-5串口通信接口電路圖3.2.4外部電路啟動(dòng)、復(fù)位電路用于系統(tǒng)的開(kāi)始和重置。圖3-6外部電路圖第四章 PID控制算法PID控制的發(fā)展PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，現(xiàn)今使用的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)

57、展于1915-1940年期間。盡管自1940年以來(lái)，許多先進(jìn)的控制方法不斷推出，但由于PID控制方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定，P、I、D控制規(guī)律各自成獨(dú)立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行組合，而且其應(yīng)用時(shí)期較長(zhǎng)，控制工程師們已經(jīng)積累了大量的PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)。因此，PID控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有90%以上的工業(yè)控制器采用PID控制器。PID控制器的發(fā)展經(jīng)歷了液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式幾個(gè)階段，目前正由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展。14 PID控制理論P(yáng)ID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值廠r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)：（4.1）將偏差的比例（Pro