基于單片機(jī)的電熱杯溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕論文題目：基于單片機(jī)的電熱杯溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔硬件〕姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：年級(jí)：專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化學(xué)院：機(jī)械與電子工程學(xué)院指導(dǎo)教師：完成時(shí)間：作者聲明本人以信譽(yù)鄭重聲明：所呈交的學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕，是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下由本人獨(dú)立撰寫(xiě)完成的，沒(méi)有剽竊、抄襲、造假等違反道德、學(xué)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和其他侵權(quán)行為。文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注出，不包含他人成果及為獲得東華理工大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。對(duì)本設(shè)計(jì)〔論文〕的研究做出重要奉獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕引起的法律結(jié)果完全由本人承當(dāng)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕成果歸東華理工大學(xué)所有。特此聲明。畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕作者〔簽字〕：簽字日期：年月日本人聲明：該學(xué)位論文是本人指導(dǎo)學(xué)生完成的研究成果，已經(jīng)審閱過(guò)論文的全部?jī)?nèi)容，并能夠保證題目、關(guān)鍵詞、摘要局部中英文內(nèi)容的一致性和準(zhǔn)確性。學(xué)位論文指導(dǎo)教師簽名：年月日基于單片機(jī)的電熱杯溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)Electriccupdesignoftemperaturecontrolsystembasedonsinglechipcomputer摘要本設(shè)計(jì)的溫度量測(cè)及加熱控制系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心部件，外加溫度溫度采集電路、鍵盤(pán)及顯示電路、加熱控制電路和報(bào)警電路等。運(yùn)用單總線型的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，以及用行列式鍵盤(pán)和LCD動(dòng)態(tài)顯示的方式，運(yùn)用比擬好控制的光耦合器來(lái)作為加熱控制局部的開(kāi)關(guān)器件。本設(shè)計(jì)不但可以對(duì)當(dāng)前的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)地顯示而且可以對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以滿足我們?cè)O(shè)定的溫度要求，并且具有保溫功能。方便簡(jiǎn)潔的行列式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)可以讓我們?cè)谠O(shè)定溫度時(shí)更加簡(jiǎn)單快捷，我們的顯示方式是采用兩位整數(shù)再加一位小數(shù)的顯示方式，使得顯示精度更高、讀數(shù)更加方便。溫度控制是通過(guò)直流斬波的全控型器件IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)的。基于PID控制理論上的控制算法，能夠讓控制精度進(jìn)一步的到達(dá)我們最初的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)硬件資源以及系統(tǒng)軟件的合理設(shè)計(jì)和精確規(guī)劃，既可以讓單片機(jī)發(fā)揮其集成眾多系統(tǒng)級(jí)功能單元的優(yōu)點(diǎn)，又可以在滿足功能要求的前提下一定程度上降低硬件本錢(qián)，系統(tǒng)的操控也非常簡(jiǎn)單方便。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)恒溫控制PID控制直流斬波ABSTRACTThedesignofthetemperaturemeasurementandheatingcontrolsystemtoAT89C51microcontrollerasthecorecomponents,plusthetemperatureofthetemperatureacquisitioncircuit,keyboardanddisplaycircuit,heatingcontrolcircuitandalarmcircuit.Theuseofsingle-busdigitaltemperaturesensorDS18B20,andusethekeyboardandLCDdynamicdisplaydeterminantway,theuseofbettercontrolofheatingcontroloptocoupleraspartoftheswitchingdevices.Thisdesignnotonlyonthecurrenttemperatureisdisplayedinrealtimeandcanadjustthetemperaturecontroltomeetthetemperaturerequirementssetbyus,andhasinsulationfunction.Simpleandconvenientdeterminantkeyboarddesignallowsustobemoresimpleandquicksettemperature,ourapproachistousetwodisplaysplusadecimalintegerdisplay,makingthedisplaymoreaccuratereadingeasier.TemperaturecontrolisfullycontrolledbytheDCchopper-typedeviceIGBTtoachieve.PIDcontroltheorybasedcontrolalgorithm,allowingfurthercontrolaccuracyachievedourinitialdesignrequirements.Throughthehardwareresourcesandsystemsoftwaredesignandpreciserationalplanning,notonlyallowstoplayitsintegratedsingle-chipsystem-levelfunctionalunitsofmanyadvantages,butalsotomeetthefunctionalrequirementsofthepremisetosomeextent,reducehardwarecosts,systemcontrolisalsoverysimpleandconvenient.Keywords:SCM；temperaturecontrol；PIDcontrol；DCchopper。目錄TOC\o"1-3"\h\u26516緒論120210第1章方案設(shè)計(jì)與論證241.1總體設(shè)計(jì)思路297231.2設(shè)計(jì)方案論證與比擬3318721.2.1溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)39931.2.2溫度控制模塊設(shè)計(jì)5246751.2.3顯示模塊的設(shè)計(jì)630876鍵盤(pán)掃描模塊8219241.2.5電源模塊的設(shè)計(jì)9162第二章硬件設(shè)計(jì)10245332.1系統(tǒng)控制框圖10282652.2被控對(duì)象--電熱杯1061652.3溫度檢測(cè)11197252.4執(zhí)行環(huán)節(jié)12168012.5單片機(jī)模塊14279342.6鍵盤(pán)與顯示15173882.7電源設(shè)計(jì)185343第3章軟件設(shè)計(jì)20159683.1編寫(xiě)程序語(yǔ)言的選擇20223993.2數(shù)字PID控制原理20192523.3單片機(jī)的資源分配21294543.3.1I/O口的分配21291873.3.2定時(shí)計(jì)數(shù)器的分配21213193.3.3外部中斷的使用分配2141023.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖221882第4章調(diào)試局部26274154.1調(diào)試方案26111054.2調(diào)試方法和軟件263570結(jié)論272597致謝2816200參考文獻(xiàn)298794附錄30緒論溫度是工業(yè)生產(chǎn)和生活中非常重要的一項(xiàng)參數(shù)，形形色色的溫度控制系統(tǒng)也普遍地應(yīng)用在各種制造、化工、機(jī)械、食品加工等行業(yè)中。在各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中往往都需要進(jìn)行溫度控制,在某些工藝過(guò)程中如果溫度控制做的不好，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量造成不良影響，所以設(shè)計(jì)一種能夠滿足生產(chǎn)要求的高精度的溫度控制系統(tǒng)是非常有必要的。在生活中我們常見(jiàn)的具有溫度控制功能部件的物品有：空調(diào)、吹風(fēng)機(jī)、電熱水器、電熱鍋等等。本設(shè)計(jì)就是要設(shè)計(jì)一個(gè)具有溫度控制功能的電熱杯。除了要求本設(shè)計(jì)要有溫度控制功能以外，此系統(tǒng)還要有溫度顯示、可以設(shè)置目標(biāo)溫度值以及保溫等功能。本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為主要控制核心，采用適宜的溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度采集；利用LCD顯示屏接上單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的實(shí)時(shí)顯示；通過(guò)光耦合器的接通與斷開(kāi)，來(lái)控制IGBT的翻開(kāi)與關(guān)斷從而控制加熱電路，到達(dá)加熱功能。把這幾個(gè)功能模塊組合起來(lái)，再加上一個(gè)電源控制電路，就組成了一個(gè)完整的電熱杯溫度控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究，加深了我們對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)各種溫度控制的理論原理的理解，也讓我們對(duì)加熱及溫度控制系統(tǒng)各個(gè)功能模塊有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。更主要的是經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)，我們對(duì)大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)又重新溫習(xí)了一遍、加強(qiáng)了對(duì)本專(zhuān)業(yè)的認(rèn)識(shí)，幫助我們明確了今后的開(kāi)展方向。第1章方案設(shè)計(jì)與論證1.1總體設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)主要采用AT89C51單片機(jī)作為電熱杯溫控系統(tǒng)的主控芯片。采用直流脈沖寬度調(diào)制的方法對(duì)水溫進(jìn)行控制。首先數(shù)字式溫度傳感器把對(duì)象的溫度量測(cè)出來(lái)，然后AT89C51單片機(jī)就能接受到有溫度傳感器傳送過(guò)來(lái)的溫度信息，通過(guò)單片機(jī)的處理，之后溫度信息就可以在顯示屏上顯示出來(lái)。本設(shè)計(jì)所采用的顯示屏為L(zhǎng)CD12864，以點(diǎn)陣字符的形式來(lái)顯示。它的溫度量測(cè)范圍為-55℃~+125℃。單片機(jī)也接收來(lái)自溫度傳感器的超限信號(hào)，并自動(dòng)處理，發(fā)送信號(hào)給加熱控制電路，使加熱電路按一定的規(guī)律工作，讓溫度逐漸靠近目標(biāo)溫度，并趨于穩(wěn)定。加熱電路工作還是停止，都要通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制。單片機(jī)發(fā)送的信號(hào)為上下電平，三極管接受該電平后，就可以控制光耦合器的通斷，這樣就能夠間接控制IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，使得加熱絲斷續(xù)加熱。此方法即為：利用單片機(jī)來(lái)接收溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)發(fā)出控制信號(hào)，控制光耦耦合器的通斷，間接控制IGBT的導(dǎo)通占空比，加熱絲加熱使水溫到達(dá)目標(biāo)溫度，并趨于穩(wěn)定。此局部主要研究的內(nèi)容是：溫度傳感器對(duì)溫度的采集、PID算法、直流斬波原理。當(dāng)電熱杯加熱時(shí)，溫度傳感器不停地對(duì)水溫進(jìn)行采集，同時(shí)LCD顯示器對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。此局部研究的內(nèi)容為L(zhǎng)CD顯示屏對(duì)數(shù)據(jù)的顯示?？傮w方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：圖1總體方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖1.2設(shè)計(jì)方案論證與比擬根據(jù)電熱杯的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由電源模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、溫度采集模塊、溫度控制模塊、時(shí)鐘與復(fù)位電路模塊以及報(bào)警電路等幾個(gè)模塊組成。為了能夠獲得最好的設(shè)計(jì)方案，分別設(shè)計(jì)了幾種方案進(jìn)行論證。1.2.1溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)在日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域中，比擬常用的溫度傳感器有：半導(dǎo)體熱敏電阻、熱電偶傳感器、紅外傳感器以及數(shù)字式溫度傳感器DS18B20等。這些傳感器都有自己的測(cè)溫原理、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們適用的領(lǐng)域也不一樣，因此，我們要選擇一種適合本設(shè)計(jì)使用的溫度傳感器，用來(lái)完成溫度采集這項(xiàng)工作。方案一：半導(dǎo)體熱敏電阻利用導(dǎo)體或者半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化的特性制成的溫度傳感器，叫作熱電阻式傳感器。它主要用于對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)溫范圍主要在中、低溫區(qū)域〔-200℃~650℃〕。半導(dǎo)體熱敏電阻屬于熱電阻式傳感器的一種。它是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性而制成的熱敏元件。它是由某些金屬氧化物和其他化合物按不同的配方比例燒結(jié)制成的，具有以下一些優(yōu)點(diǎn)。熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大，半導(dǎo)體材料可以有正或負(fù)的溫度系數(shù)，根據(jù)需要可以選擇。電阻率達(dá)，因此可以制成極小的電阻元件，體積小，熱慣性小，適合于測(cè)量點(diǎn)溫、外表溫度及快速變化的溫度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械性能好。可根據(jù)不同要求，制成各種形狀。熱敏電阻的最大缺點(diǎn)是線性度較差，只在某一較窄的溫度范圍內(nèi)有較好的線性度，由于是半導(dǎo)體材料，其復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。方案二：熱電偶傳感器熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電勢(shì)變化的傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶是應(yīng)用最廣泛的測(cè)溫元器件之一。它是由兩種不同的金屬A和B構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸端溫度不同，即T>To時(shí)，回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)EAB〔T，To〕，如圖2所示。圖2熱電偶熱電偶傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣，可以在1K至2800℃的范圍內(nèi)使用，精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好，把溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)信號(hào)便于處理和遠(yuǎn)距離傳輸。但其也有一些缺點(diǎn)：比方熱電勢(shì)會(huì)比擬小、靈敏度也會(huì)偏低、而且在高溫條件下它的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)明顯的下降、再者其對(duì)污染相當(dāng)?shù)拿舾?、某些金屬材料也非常的昂貴，因此一次性的投資可能會(huì)比擬大。方案三：紅外傳感器紅外傳感器是如今工業(yè)生產(chǎn)以及生活中，各種溫度測(cè)量?jī)x器當(dāng)中最前沿、技術(shù)最先進(jìn)的溫度量測(cè)儀器。其原理是紅外線通過(guò)對(duì)物體發(fā)射出的電磁輻射進(jìn)行遠(yuǎn)距離的溫度量測(cè)。其特點(diǎn)是：對(duì)非靜止的物體即運(yùn)動(dòng)物體的溫度的量測(cè)以及對(duì)溫度比擬會(huì)變化的物體的溫度的量測(cè)會(huì)有比擬可觀的效果。它有一些缺點(diǎn)：如量測(cè)時(shí)反響不夠靈敏，測(cè)量精度也不是很高。方案四：數(shù)字式溫度傳感器DS18B20新型的可編程數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它與通常的溫度傳感器相比，它可以把被測(cè)對(duì)象的溫度直接讀出來(lái)，在實(shí)際的應(yīng)用中，他可以通過(guò)編程很容易的到達(dá)9~12位的讀數(shù)。它還可以?xún)H通過(guò)單線接口來(lái)完成對(duì)DS18B20內(nèi)部溫度信息的讀取以及寫(xiě)入。它具有量測(cè)精度高，微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配處理器這些優(yōu)點(diǎn)，他可以直接把溫度轉(zhuǎn)化成串行的數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)處理。它的工作電源可以從遠(yuǎn)端引入，還能利用寄生電源方式產(chǎn)生。利用熱電偶或熱電阻作為溫度傳感器，這類(lèi)傳感器與儀表之間通常要有專(zhuān)用的溫度補(bǔ)償導(dǎo)線，而溫度補(bǔ)償導(dǎo)線的價(jià)格比擬高，并且線路很長(zhǎng)也容易影響到測(cè)量溫度值的精確度，這是直接以模擬量形式進(jìn)行采集的不可防止的問(wèn)題。采用新型的可編程溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度檢測(cè)可以防止熱電阻或熱電偶作為溫度傳感器所帶來(lái)的測(cè)量誤差過(guò)大等問(wèn)題，并且DS18B20只需要一個(gè)I/O口就可以進(jìn)行通信，它可以以更低的本錢(qián)和更高的精度實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)，所以我們選擇了方案三。1.2.2溫度控制模塊設(shè)計(jì)方案一：交流調(diào)功型控制法交流調(diào)功型電路和交流調(diào)壓型電路形式完全相同，只是控制方式不同。此法不是在每個(gè)交流電源周期都對(duì)輸出的電壓波形進(jìn)行控制，而是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)整周期再斷開(kāi)幾個(gè)整周期，由控制器輸出的控制量控制接通周波數(shù)和斷開(kāi)周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。這種方法可保證主回路在電源波形的過(guò)零瞬間導(dǎo)通或關(guān)斷，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對(duì)電網(wǎng)電壓電流造成通常意義上的諧波。但這種方式負(fù)載較易收到?jīng)_擊，控制精度相對(duì)較低。方案二：繼電器通斷控制法此方法的答題控制思路是：在我們的加熱電路中參加繼電器1與加熱器連接，需要制冷時(shí)再加一個(gè)與制冷設(shè)備連接的繼電器2。當(dāng)采集到的溫度超過(guò)設(shè)定溫度的上限時(shí)，單片機(jī)輸出控制信號(hào)啟動(dòng)繼電器2，開(kāi)啟制冷設(shè)備制冷；當(dāng)采集到的溫度低于設(shè)定溫度的下限時(shí)，單片機(jī)輸出信號(hào)控制啟動(dòng)繼電器1，開(kāi)始加熱。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的反復(fù)調(diào)整后到達(dá)設(shè)定的溫度。這種方法思路比擬簡(jiǎn)單，控制上也比擬容易，但是調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，溫度控制不穩(wěn)定，存在波動(dòng)，屬于有差控制。多用在控制要求不高的場(chǎng)合。方案三：交流調(diào)壓型控制法這種方法是基于可控硅電力控制器的，其思路是：在每個(gè)電源周期，溫度傳感器實(shí)時(shí)采樣水溫信號(hào)，返回給溫度控制器，溫度控制器將所測(cè)值與給定值比擬后得到偏差，經(jīng)運(yùn)算后得到控制值輸出給可控硅，以控制可控硅的導(dǎo)通角和控制角的比例來(lái)改變輸出電壓平均值，由此到達(dá)溫控的效果。這種方法輸出的連續(xù)性比擬好，被控參數(shù)比擬穩(wěn)定，可以通過(guò)變壓器、互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)電量反響來(lái)提高性能，所以應(yīng)用場(chǎng)合很多。但是此法輸出的波形為缺角正玄波，在導(dǎo)痛的瞬間可能會(huì)產(chǎn)生較大的自感電勢(shì)。方案四:直流脈沖寬度調(diào)制法這種方法的思路是：將220V交流電整流成直流后，通過(guò)斬波電路生成一系列脈沖波。只要改變斬波電路中IGBT〔選用全控型〕的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的比例〔占空比〕就可以改變加到負(fù)載上的平均電壓。按不同的控制規(guī)律改變占空比就可到達(dá)溫控的效果。結(jié)論：第一種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)最簡(jiǎn)單，但是其控制滯后于參數(shù)的改變，且有波動(dòng)，溫度不穩(wěn)定；第二種方法輸出波形連續(xù)性好，控制穩(wěn)定，但是得在電源波的每個(gè)周期進(jìn)行控制，且易產(chǎn)生諧波污染電源，本錢(qián)也高；第三種方法比第二種要簡(jiǎn)單些，且是在電源波形的過(guò)零瞬間接通或關(guān)斷，不會(huì)產(chǎn)生諧波，但是此法對(duì)負(fù)載有一定要求，而且需要過(guò)零檢測(cè)，精度也相對(duì)低一些。第四種方法控制思路簡(jiǎn)單，控制穩(wěn)定，所用的全控型器件通、斷都易于控制。這種方法不用過(guò)零檢測(cè)，也不會(huì)產(chǎn)生諧波。針對(duì)本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況與要求，應(yīng)選擇第四種方法。1.2.3顯示模塊的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)對(duì)顯示模塊的要求是:不僅要能夠顯示得兩側(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)溫度，而且還要能夠顯示對(duì)象溫度的實(shí)時(shí)變化曲線，兩者必須可以相互切換。在我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中經(jīng)常用到的在市場(chǎng)上比擬常見(jiàn)的顯示器有LED數(shù)碼顯示器、LCD12864液晶顯示屏等。方案一：LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管是各種顯示電路中經(jīng)常用到的顯示器之一，它主要有以下一些特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流非常小，與ITL電路、CMOS電路等等都是相互兼容的；〔2〕反響比擬靈敏，能在極短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，具有良好的高頻時(shí)的特性，而且其單色性也不錯(cuò)，具有挺高的亮度；小巧玲瓏的外形，使其具有良好的抵抗沖擊的性能；其使用壽命非常長(zhǎng)，可以到達(dá)10萬(wàn)小時(shí)之上，價(jià)格也比擬低，在各種數(shù)字儀表，計(jì)算機(jī)等的顯示方面使用廣泛。以上都是其優(yōu)點(diǎn)，它也有一些缺點(diǎn)，如耗電多、但只能顯示數(shù)字而不能顯示文字或者圖形。方案二：LCD12864液晶顯示屏LCD12864液晶顯示屏是一款帶有中文字庫(kù)的并且含有4位或者8位的并行的、具有2線或者3線的串行的具有好幾種接口方式的具有點(diǎn)陣圖形液晶顯示功能的模塊；它具有128×64的顯示分辨率，內(nèi)置的16*16點(diǎn)的漢字有8192個(gè)，并且16*8點(diǎn)的ASCII字符集也有128個(gè)。該種模塊具有非常靈活的接口方式并且操作指令也相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)捷方便，因此全中文的人與機(jī)交互的圖形界面的構(gòu)成成為可能。對(duì)8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字進(jìn)行顯示是其根本功能，顯示圖形是它的另一大特色功能。它的另一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是功耗比擬低。由這個(gè)模塊所構(gòu)成的液晶顯示方案與相同類(lèi)型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示的模塊相互比擬，不管是硬件電路的結(jié)構(gòu)還是顯示程序都要簡(jiǎn)單很多，而且這個(gè)模塊的價(jià)格也要比相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊低一些。其根本特性有：〔1〕電源電壓比擬低，一般在3~5.5V〔2〕它的顯示的分辨率為128×64點(diǎn)〔3〕內(nèi)部具有漢字字庫(kù)，16×16的點(diǎn)陣漢字有8192個(gè)〔4〕內(nèi)部具有16×8點(diǎn)陣字符128個(gè)〔5〕時(shí)鐘頻率為2MHZ〔6〕顯示方式有STN、半透和正顯〔7〕驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY，1/5BIAS〔8〕視角方向：6點(diǎn)〔9〕背光方式為側(cè)部高亮的白色LED，功耗特別低〔10具有串行和并口可選的通訊方式〔11〕內(nèi)部有DC-DC的轉(zhuǎn)換電路，不需要外加負(fù)壓〔12〕不需要片選信號(hào)，這樣可以使軟件設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化〔13〕工作溫度范圍比擬寬，一般為0℃~+55℃,存儲(chǔ)溫度一般為-20℃~+60℃由于本設(shè)計(jì)要求能夠顯示對(duì)象的溫度值、溫度實(shí)時(shí)變化曲線以及對(duì)漢字顯示也做出了要求。因此，經(jīng)過(guò)綜合比擬，我們選擇LCD12864液晶顯示屏來(lái)顯示溫度數(shù)據(jù)以及溫度變化曲線。鍵盤(pán)掃描模塊鍵盤(pán)有編碼式的鍵盤(pán)以及非編碼式的鍵盤(pán)之分。二者在工作原理以及功能特點(diǎn)方面都有一定的區(qū)別。方案一：編碼式鍵盤(pán)編碼式鍵盤(pán)除了自身帶有按鍵之外，它還附帶有不可或缺的硬件電路，其按鍵的ASCII碼可以由其自身直接提供，它還具有抖動(dòng)去除以及具有能夠識(shí)別多按鍵的硬件裝置。由于它可以把按鍵的ASCII直接提供出來(lái)，因此其軟件程序會(huì)比擬簡(jiǎn)單，這樣在工作時(shí)可以為CPU節(jié)省更多的時(shí)間，但它的硬件電路相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)非常的復(fù)雜，使用時(shí)的靈活性也非常不夠。方案二：非編碼式鍵盤(pán)對(duì)于非編碼式鍵盤(pán)來(lái)說(shuō)，能夠根據(jù)用戶的需要由假設(shè)干個(gè)按行、列相互排列，從而構(gòu)成矩陣開(kāi)關(guān)。對(duì)于其來(lái)說(shuō)，其按鍵之識(shí)別、按鍵之代碼以及抖動(dòng)的去除等都是通過(guò)軟件編程來(lái)完成的。這種類(lèi)型的鍵盤(pán)其本錢(qián)會(huì)比擬的低，并且因其鍵盤(pán)主要由軟件來(lái)識(shí)別閉合鍵，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用靈活等特點(diǎn)，因此被廣泛使用于單片機(jī)系統(tǒng)。我們本著節(jié)約本錢(qián)、要求軟硬件電路都能比擬容易實(shí)現(xiàn)，因此我們最終果斷選擇了第二種方案，即采用非編碼式鍵盤(pán)。組成鍵盤(pán)的按鍵有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式兩種。本系統(tǒng)采用的是由機(jī)械觸點(diǎn)構(gòu)成的鍵盤(pán)開(kāi)關(guān)，機(jī)械鍵盤(pán)在接觸過(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，一般可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)完成去抖。按照行列式鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)，按鍵跨接在行、列線的交叉點(diǎn)上，均有上拉電阻。當(dāng)無(wú)按鍵被按下時(shí)行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，行線電平發(fā)生了改變，即與該鍵跨接的行、列線瞬間接在一起，如果此時(shí)列線送出低電平0，那么該行線的電平就變?yōu)榈碗娖?，通過(guò)判斷行線電平的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下。由于行列式鍵盤(pán)中的行、列線多鍵共用，首先需要對(duì)鍵盤(pán)按規(guī)定進(jìn)行編碼，然后對(duì)行、列線逐次分析，準(zhǔn)確識(shí)別按鍵的位置，最后與鍵盤(pán)編碼進(jìn)行比對(duì)，準(zhǔn)確識(shí)別出按鍵。1.2.5電源模塊的設(shè)計(jì)在各種工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，比擬常見(jiàn)的穩(wěn)壓電源有：交流穩(wěn)壓電源、直流穩(wěn)壓電源、逆變式穩(wěn)壓電源以及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。由于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要在5V的直流電源下工作，我們最選擇直流穩(wěn)壓電源作為本系統(tǒng)的供電電源。直流穩(wěn)壓電源也就是我們通常所說(shuō)的直流之穩(wěn)壓器。為其提供電壓的通常都是交流電，假設(shè)交流之供電電壓發(fā)生變化，或者說(shuō)輸出之負(fù)載電阻發(fā)生變化的時(shí)候，穩(wěn)壓電源之直接的輸出電壓一般情況下都會(huì)保持在一個(gè)比擬穩(wěn)定的狀態(tài)。直流穩(wěn)壓電源所需要用到的芯片為7805三端穩(wěn)壓IC。以7805的三端穩(wěn)壓IC所組成得穩(wěn)壓電源要用到比擬少的外圍元器件，其電路的內(nèi)部往往有過(guò)流、過(guò)熱和調(diào)整管等的起保護(hù)作用的電路，運(yùn)用也非常簡(jiǎn)單方便，花費(fèi)的本錢(qián)也不高。由于類(lèi)似這樣的三端固定集成的穩(wěn)壓電路使用起來(lái)既簡(jiǎn)單又方便，電子制作中經(jīng)常采用，本設(shè)計(jì)就是采用的7805芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)控制框圖本系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示，其中被控量為溫度、給定量為我們?cè)O(shè)定的“目標(biāo)溫度〞、單片機(jī)作為控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)為IGBT、被控對(duì)象為電加熱杯、DS18B20溫度傳感器作為測(cè)量變送裝置。系統(tǒng)工作原理為：來(lái)自溫度傳感器所測(cè)得的水溫的瞬時(shí)值與目標(biāo)溫度進(jìn)行比擬，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的分析與處理，按照PID算法進(jìn)行控制，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)IGBT的導(dǎo)通與斷開(kāi)，從而控制電加熱杯是否加熱，最終到達(dá)溫度控制的目的。圖3系統(tǒng)控制框圖2.2被控對(duì)象--電熱杯溫度控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是一個(gè)容量為2L、額定電壓為220V的電熱杯，它的杯體是絕緣的，其加熱絲能夠與加熱控制電路相連接。電熱杯內(nèi)加滿水后，只要接上220V電壓就能正常工作。當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)，要保持電熱杯中的水溫根本不變的條件是：輸送給電熱杯中水的熱量和輸出的熱量相等。此時(shí)電熱杯中水的溫度保持不變。由于本電熱杯的加熱原理是：利用電阻元件通電發(fā)熱的原理，然后通過(guò)熱傳遞，熱量由溫度高的加熱絲傳遞給電熱杯中的水；不斷地給加熱絲加熱并同時(shí)進(jìn)行熱傳遞，最終到達(dá)讓水溫升高的目的。本電熱杯在平安性方面的設(shè)計(jì)也很有特點(diǎn)：杯體分為兩層，杯體內(nèi)部采用的是不銹鋼材質(zhì)，這樣可以加快熱量的傳遞，時(shí)水溫升高的比擬快，既省時(shí)又省電；外面一層采用的是耐高溫的平安型塑料，一方面它可以起到絕緣的作用，另一方面還有絕熱的作用，這讓我們使用起來(lái)不僅方便、平安，而且保溫效果也比擬好。本電熱杯還有一個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，就是為DS18B20測(cè)溫探頭預(yù)留了孔位，方便測(cè)溫。2.3溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，我們選用DS18B20溫度傳感器作為溫度檢測(cè)的元件。DS18B20溫度傳感器工作原理框圖如圖4所示：圖4DS18B20溫度傳感器工作原理框圖低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，它用于產(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頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度存放器被預(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)，溫度存放器的值將加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)，停止溫度存放器值的累加，此時(shí)溫度存放器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。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。溫度檢測(cè)電路模塊如圖5所示。其中DQ作為數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出的端口；GND為電源接地地；VCC是外接電源的輸入端。

圖5溫度檢測(cè)電路數(shù)字信號(hào)輸入輸出端口接單片機(jī)P2.5，溫度傳感器檢測(cè)到的溫度就是通過(guò)該端口傳送給單片機(jī)，然后由單片機(jī)分析處理。該電路還必須接一個(gè)4.7KΩ的上拉電阻，以增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力。DS18B20的上拉電阻的阻值是一個(gè)需要注意的參數(shù)，如果DS18B20放置的位置離電路板較遠(yuǎn)，需要用較長(zhǎng)的電纜來(lái)連接時(shí)，上拉電阻要相應(yīng)減小，以彌補(bǔ)線路損耗，而且連接電纜要選用優(yōu)質(zhì)的三芯帶屏蔽層的電纜，否那么不能正常讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。2.4執(zhí)行環(huán)節(jié)所謂的執(zhí)行環(huán)節(jié)就是系統(tǒng)的加熱控制局部，其主要的功能元件為IGBT。它是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動(dòng)電流跟驅(qū)動(dòng)功率都非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。它和普通三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，它主要是作為開(kāi)關(guān)器件來(lái)應(yīng)用。其控制端口通過(guò)適宜的驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)相連，這樣就可以通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制它的導(dǎo)通與斷開(kāi)，從而控制電加熱杯是否加熱。使IGBT開(kāi)通的柵射極驅(qū)動(dòng)電壓一般取15~20V，所以我們選用輸出電壓為15V的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT，為了滿足我們的設(shè)計(jì)要求我們采用M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器作為器驅(qū)動(dòng)，其原理圖如圖6所示：圖6M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器原理圖M57962L具有高速的輸入輸出隔離，輸入電平與TTL電平兼容，適于單片機(jī)控制；內(nèi)部有定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，同時(shí)具有延時(shí)保護(hù)特性；采用雙電源供電方式，使IGBT更可靠地通斷。其相應(yīng)的電路圖如圖7所示：圖7IGBT驅(qū)動(dòng)電路其工作過(guò)程為：電源接通后，首先檢測(cè)IGBT是否有過(guò)載與短路現(xiàn)象，假設(shè)有，那么IGBT的C極電位升高，經(jīng)外接二極管VD1流入檢測(cè)電路的電流增加，柵極關(guān)斷電路動(dòng)作，切斷IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)在“8〞腳輸出高電平報(bào)警信號(hào)。IGBT正常時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)光電耦合，接口電路，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大后驅(qū)動(dòng)IGBT?？墒瞧涔ぷ鬟^(guò)程需雙電源供電，且通電后或保護(hù)復(fù)位后均須一定的自檢時(shí)間〔1~2μs〕，在工作頻率或控制精度較高的場(chǎng)合需引起注意。溫度控制本次設(shè)計(jì)所采用的控制方式是直流脈沖寬度調(diào)制法，加熱絲接在Uo兩端；IGBT的信號(hào)控制管腳通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路接到單片機(jī)的P2.6，用于接收單片機(jī)的上下電平控制信號(hào)。此法就是通過(guò)控制全空型器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)控制接在加熱絲兩端的電壓，從而到達(dá)溫度調(diào)節(jié)的效果。其原理如圖8所示：圖8降壓斬波電路降壓斬波原理圖如圖8，當(dāng)VT1導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電，那么Uo=Ui，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升；當(dāng)VT1關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD1續(xù)流，負(fù)載電壓近似為0。負(fù)載電流按指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常串接L1值較大的電感。2.5單片機(jī)模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱(chēng)為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō),最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。如圖9所示為本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖。圖9單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路：有電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合電容電壓不能突變的性質(zhì)，可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電，RST腳將出現(xiàn)高電平，并且這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的RC值來(lái)確定。典型的51單片機(jī)當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位，所以適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠復(fù)位。復(fù)位電路的原理是單片機(jī)RST引腳接收到2μs以上的電平信號(hào)，只要保證電容的充放電時(shí)間大于2μs，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，所以電路中的電容值是可以改變的。按鍵按下系統(tǒng)復(fù)位，是電容處于一個(gè)短路電路中，釋放了所有的電能，電阻兩端的電壓增加所引起的。時(shí)鐘電路：典型的晶振取11.0592MHz，用于有串口通迅的場(chǎng)合。單片機(jī)模塊接線圖如圖10所示：圖10單片機(jī)接線圖按照單片機(jī)I/O口的分配，將各個(gè)模塊分別接在單片機(jī)相應(yīng)的I/O口線上，單片機(jī)上電復(fù)位后，各模塊就可以根據(jù)各子程序的執(zhí)行而執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。在單片機(jī)的精確控制下，各模塊都按照一定的控制規(guī)律有序且穩(wěn)定的工作，從而最終到達(dá)控制水溫的目的。2.6鍵盤(pán)與顯示單片機(jī)所用的鍵盤(pán)有編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)之兩種。編碼鍵盤(pán)本身除了按鍵之外，還包括產(chǎn)生鍵碼的硬件電路。只要按下編碼鍵盤(pán)的某個(gè)鍵，他就能夠產(chǎn)生該鍵的代碼，并稱(chēng)為鍵碼。與此同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，以通知CPU接受鍵碼，編碼鍵盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)是使用比擬方便，亦不需編寫(xiě)太復(fù)雜的程序。其缺點(diǎn)是使用的硬件電路較復(fù)雜。非編碼鍵盤(pán)的按鍵是排成行、列矩陣形式的。按鍵的作用僅僅是簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的接通或斷開(kāi)，因此必須有一套相應(yīng)的程序與支配合，才能產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼，非編碼鍵盤(pán)幾乎不需要附加什么硬件電路。因此為了簡(jiǎn)潔電路，我們使用非編碼鍵盤(pán)。但使用非編碼鍵盤(pán)還需要使用軟件來(lái)解決按鍵的識(shí)別，防抖動(dòng)以及如何產(chǎn)生鍵碼的問(wèn)題。用單片機(jī)的并行口P1接4*4矩陣鍵盤(pán)，以P1.0~P1.3作輸入線，以P1.4~P1.7作輸出線。每個(gè)按鍵有它的行值和列植，行值和列植的組合就是識(shí)別這個(gè)按鍵的編碼，通過(guò)編碼去做相應(yīng)的處理。鍵盤(pán)電路如圖11所示：圖11鍵盤(pán)電路圖中各個(gè)按鍵的功能定義如下。

復(fù)位鍵：按下復(fù)位鍵，對(duì)所有硬件進(jìn)行復(fù)位操作；設(shè)定鍵：按下設(shè)定鍵，可以對(duì)目標(biāo)溫度、報(bào)警溫度上下限進(jìn)行設(shè)定；0~9鍵：當(dāng)按下設(shè)定鍵后，可以利用數(shù)字鍵方便簡(jiǎn)捷地進(jìn)行溫度設(shè)定；取消鍵：如果不想對(duì)當(dāng)前參數(shù)進(jìn)行更改，那么可以按下該鍵取消更改。確定鍵：當(dāng)要更改參數(shù)時(shí)，按下“確定〞鍵進(jìn)行確認(rèn)后才能產(chǎn)生效果，否那么無(wú)效；其中設(shè)定鍵與單片機(jī)的INT0引腳相連接0~9、確定、取消等鍵采用四行四列的方式連接單片機(jī)P0口，復(fù)位鍵可以實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)位的功能，與R、C構(gòu)成復(fù)位電路。由于按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)閉合和斷開(kāi)時(shí)，觸點(diǎn)會(huì)存在抖動(dòng)現(xiàn)象，為了準(zhǔn)確的判斷每次有效按鍵，對(duì)每次按鍵只做一次響應(yīng)，就必須考慮消除抖動(dòng)。在此我們選用雙穩(wěn)態(tài)去抖法使用兩個(gè)與非門(mén)構(gòu)成RS觸發(fā)器電路實(shí)現(xiàn)按鍵去抖，其去抖電路如圖12所示：圖12去抖電路本設(shè)計(jì)的顯示局部要求能夠?qū)λ疁剡M(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，因此顯示元件的選擇非常重要。假設(shè)用數(shù)碼管來(lái)顯示時(shí)間溫度的數(shù)據(jù)操作會(huì)比擬方便，但是這種方式需要用到的數(shù)碼管數(shù)量比擬多，占用的I/O口也就自然而然的變多了，這樣就會(huì)造成I/O口的利用率不高的現(xiàn)象；而如果用LCD來(lái)顯示，雖然在編寫(xiě)程序是在一定程度上比數(shù)碼管顯示程序編寫(xiě)要稍微的復(fù)雜一些，但是它占用的I/O資源相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)比擬的少，并且能顯示出來(lái)的內(nèi)容要比數(shù)碼管顯示的內(nèi)容豐富很多，不僅能顯示溫度數(shù)值還能顯示英文字符。LCD12864液晶顯示器能夠滿足本設(shè)計(jì)要求，它不僅可以顯示溫度數(shù)值，而且還能夠顯示溫度的實(shí)時(shí)變化曲線。它還能夠顯示16×16的點(diǎn)陣漢字字形。其引腳DB0~DB7分別接單片機(jī)的P0.0~P0.7；使能信號(hào)引腳E接單片機(jī)P2.1接口；P2.2接顯示屏的讀寫(xiě)信號(hào)引腳；片選信號(hào)CS1、CS2分別接P2.5、P2.4接口，其與單片機(jī)的引腳連接如圖13所示：圖13顯示屏與單片機(jī)引腳連接2.7電源設(shè)計(jì)由于本設(shè)計(jì)所用到的電壓有+5V、+15V和-10V的，所以必須設(shè)計(jì)出既能輸出+5V、+15V的又能輸出-10V的電壓。其電路圖如圖14所示：圖14電源電路本電源電路相當(dāng)于一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，需要用到7815穩(wěn)壓管、7805穩(wěn)壓管以及7912穩(wěn)壓管。直流穩(wěn)壓電源是一種將220v工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出直流電壓的裝置，它主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路這四局部電路組成，其原理圖如圖15所示圖：圖15穩(wěn)壓電路原理〔1〕電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)供應(yīng)的交流電u1〔220v、50Hz〕降壓后，得到符合電路需要的交流電壓u2，并送給整流電路。〔2〕整流電路：利用單向?qū)щ娫?0Hz的正弦交流電u2變換成方向不變、大小隨時(shí)間變化的脈動(dòng)電壓u3?！?〕濾波電路：可以將整流電路輸出電壓u3中的交流分量大局部濾除，從而可以得到比擬平直的直流電壓uI?！?〕穩(wěn)壓電路：但上述直流輸出電壓uI，還會(huì)隨交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變動(dòng)而變化，在對(duì)直流供電要求較高的場(chǎng)合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出電壓更加穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路就能滿足使輸出的直流電壓Uo更加穩(wěn)定的要求。其中7815穩(wěn)壓電路和7912穩(wěn)壓電路所得到的輸出電壓主要用于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。7912穩(wěn)壓電路得到的輸出電壓要經(jīng)過(guò)分壓，得到一個(gè)-10V電壓用于IGBT驅(qū)動(dòng)電路。7805穩(wěn)壓電源所得到的輸出電壓為+5V，主要給單片機(jī)以及各模塊提供工作電壓。第3章軟件設(shè)計(jì)3.1編寫(xiě)程序語(yǔ)言的選擇匯編語(yǔ)言是一種面向機(jī)器的語(yǔ)言，它能夠直接管理和控制硬件設(shè)備，占用的存儲(chǔ)空間比擬小，運(yùn)行效率高，屬于低級(jí)語(yǔ)言，脫離不開(kāi)具體的的機(jī)器硬件，因此缺乏通用性，可移植性差。即使完成較簡(jiǎn)單的工作也需要大量匯編語(yǔ)言代碼，易產(chǎn)生bug，難于調(diào)試，同時(shí)編程人員必需對(duì)對(duì)單片機(jī)的硬件和指令有深入的了解。C語(yǔ)言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，同時(shí)具有高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)。C語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊、靈活方便、運(yùn)算符和數(shù)據(jù)類(lèi)型豐富、可移植性好、表達(dá)力強(qiáng)。由于C語(yǔ)言程序比用匯編程序更符合人們的思考習(xí)慣，且較易調(diào)試，故本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)方法。3.2數(shù)字PID控制原理數(shù)字PID算法是用差分方程來(lái)近似實(shí)現(xiàn)的，用差分方程表示的PID控制規(guī)律的理想算式是：U〔t〕=Kp[e(t)+1/Tie(t)dt+Tdde(t)/dt](1)單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，上式可等價(jià)于：Un=Kp[en+T/Ti+Td/T(e(n)-e(n-1))](2)寫(xiě)成遞推公式：Un=Un-1+Kp[en-e(n-1)+T/Tie(n)+Td/T(e(n)-2e(n-1)-e(n-2))](3)其中，Un為第n次的采樣值，Un-1為第n-1的采樣值，en為第n次采樣的偏差量；e(n-1)為第n-1次采樣的偏差量；T為采樣周期；Ti為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)間；Kp為比例系數(shù)。3.3單片機(jī)的資源分配3.3.1I/O口的分配P0.0~P0.7用于控制LCD12864對(duì)溫度的顯示，P1.0~P1.3控制鍵盤(pán)的輸入線，P1.4~P1.7控制鍵盤(pán)的輸出線，P2.0用于接收溫度傳感器DS18B20傳來(lái)的溫度信號(hào)以及控制傳感器進(jìn)行采樣，P2.1使能端口，P2.2控制LCD12864進(jìn)行讀寫(xiě)操作，P2.3控制LCD顯示數(shù)據(jù)或溫度曲線，T0用于定時(shí)溫度采集，T1用于控制IGBT，外部中斷0用于鍵盤(pán)掃描。3.3.2定時(shí)計(jì)數(shù)器的分配定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0：工作方式為16為的定時(shí)器〔定時(shí)器方式，方式1〕，用于溫度采集模塊，定時(shí)6S，每隔6S采集一次溫度數(shù)據(jù)。定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1：工作方式為16位的定時(shí)器〔定時(shí)器方式，方式1〕，用于加熱控制模塊，控制IGBT的通斷。3.3.3外部中斷的使用分配外部中斷0〔〕：定義為電平觸發(fā)方式，低電平有效，用于鍵盤(pán)掃描模塊，當(dāng)有按鍵按下時(shí)引腳上出現(xiàn)低電平，向CPU請(qǐng)求中斷，通過(guò)鍵盤(pán)掃描程序進(jìn)行按鍵識(shí)別。3.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖本系統(tǒng)主要分為測(cè)溫模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)掃描模塊以及溫度控制模塊，各個(gè)模塊的程序流程圖如下所示：主程序流程圖如圖16所示：圖16主程序流程圖系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，設(shè)定PID參數(shù)、定時(shí)器賦初值，12864LCD顯示初始字幕，之后就開(kāi)始判斷是否有按鍵被按下，假設(shè)無(wú)按鍵按下，那么繼續(xù)判斷；假設(shè)有按鍵按下，那么判別按下的是什么鍵，然后進(jìn)入相應(yīng)的子程序，直到結(jié)束。鍵盤(pán)掃描模塊程序流程圖如圖17所示：圖17鍵盤(pán)掃描采用中斷的方式進(jìn)行鍵盤(pán)掃描。當(dāng)掃描到有鍵被按下時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的去抖程序，進(jìn)行去抖，在執(zhí)行相應(yīng)的子程序就能找到并識(shí)別按鍵。定時(shí)器T0主要用于定時(shí)溫度檢測(cè)，程序流程圖如圖18所示：圖18定時(shí)溫度采集流程圖溫度檢測(cè)我們采用定時(shí)的方式，利用定時(shí)器T0，設(shè)定定時(shí)時(shí)間為6S，即每6SDS18B20進(jìn)行一次溫度檢測(cè)，然后將檢測(cè)得到的溫度值送給單片機(jī)進(jìn)行分析處理。定時(shí)器T1主要用于控制IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，程序流程圖如圖19所示：圖19IGBT控制流程圖IGBT的導(dǎo)通時(shí)間就是電熱杯的加熱時(shí)間，定時(shí)器T1可以用于IGBT的導(dǎo)通定時(shí)，從而控制電熱杯加熱。DS18B20溫度檢測(cè)流程圖，如圖20所示：圖20DS18B20溫度采集流程圖單片機(jī)上電后，DS18B20進(jìn)行復(fù)位，然后開(kāi)始測(cè)溫，所測(cè)溫度值可以直接讀出，最后傳給單片機(jī)進(jìn)行分析處理。第4章調(diào)試局部4.1調(diào)試方案本設(shè)計(jì)的調(diào)試局部主要分為：各個(gè)子模塊的調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試。其中子模塊的調(diào)試主要是在該模塊設(shè)計(jì)好之后，根據(jù)該子模塊要到達(dá)的的要求以及功能進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)試，只有當(dāng)各個(gè)子模塊的功能都到達(dá)要求后才會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。所謂系統(tǒng)調(diào)試，就是將所有子模塊按照單片機(jī)的資源分配組合在一起，看整個(gè)系統(tǒng)能否按照當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求正常工作。我們調(diào)試的原那么是“先設(shè)計(jì)好一個(gè)模塊，馬上進(jìn)行調(diào)試，有問(wèn)題就馬上修改，在調(diào)試〞，反復(fù)的調(diào)試，直到到達(dá)設(shè)計(jì)要求為止。4.2調(diào)試方法和軟件調(diào)試所用到的儀器有：、溫度計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、手表、proteus等。溫度計(jì)是用來(lái)測(cè)量水溫的，將其所測(cè)得的數(shù)值與DS18B20相比擬，就可以初步得出本設(shè)計(jì)測(cè)溫局部的測(cè)量精度；數(shù)字萬(wàn)用表那么主要用于測(cè)試個(gè)局部電路中的電阻、壓降、電流等與電相關(guān)的參數(shù)；手表用于測(cè)試從常溫加熱到目標(biāo)溫度所需的時(shí)間；proteus那么用于軟件仿真。結(jié)論我們?cè)O(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)是基于AT89C51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它不僅可以對(duì)當(dāng)前水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，而且還可以根據(jù)使用者的需求做出相對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作。本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)采用的是閉環(huán)的控制系統(tǒng)，工作時(shí)的穩(wěn)定性比擬高,控制的精度也相對(duì)來(lái)說(shuō)比擬的高,采用PID控制算法能夠在很大程度上降低了系統(tǒng)的超調(diào)量。本設(shè)計(jì)的硬件以及軟件局部都采用模塊化的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì),本設(shè)計(jì)的通用性也比擬好。本設(shè)計(jì)的目的不僅僅是為了