基于单片机的饮水机温度控制系统设计.docx

摘 要

本文介绍了单片机应用于电加热饮水机的一种设计方法，该电加热饮水机具有自动化程度高、安全性好、功能多、使用方便、功率小、加热快、可靠性高等特点。并详细地论述了以单片机为处理器的电加热饮水机的硬件、软件设计、系统编程和抗干扰设计等方面的问题。本系统以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心，由DS18B20、信号处理电路、键盘控制电路、LED显示电路、输出控制电路等构成。
主要包含的程序有：主程序、显示子程序、PID控制子程序等。同时，在软、硬设计时均采取了有效的抗干扰措施。
关键词：AT89C51；DS18B20；PID控制。

目 录

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1 前言
随着电子技术的发展，特别是大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。目前，单片机在工业控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。特别是其中的C51系列单片机的出现，由于它具有极好的稳定性，更快和更准确的运算精度[1]，它的出现不但推动了工业的生产，也影响着人们的工作和学习。温度控制系统在现代工业设计、工程建设及日常生活中的应用越来越广泛。在日常人们的生活中，温度控制系统的应用和作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的[2]。
1.1 水温控制系统概述
在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热炉炉温进行测量、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的炉温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度（起码是在满足我们要求的范围内），帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题[3]。
在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。用高新技术来解决工业生产问题，排除生活用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务，以此来加强工业化建设，提高人民的生活水平。
在能源日益紧张的今天，电热水器，饮水机，电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费。但是利用AT89C51单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，输出控制电路，故障报警电路等组成，软件选用汇编语言编程。单片机可将温度传感器检测到的水温模拟量转换成数字量，显示于LED显示器上。该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景
1.2 本设计任务
(1)基本要求

(2) 主要性能指标
①温度设定范围：最小区分度为1℃。
②控制精度：温度控制的静态误差≤1℃。
③用十进制数码显示实际水温。
(3) 扩展功能
①具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他数据设备。
②采用适当的控制方法实现当设定温度或环境温度突变时，减小系统的调节时
和超调量。
③温度控制的静态误差≤0.2℃。

2 系统设计原理
2.1 水温控制系统总体框图
该水温控制系统主要由AT89C51单片机控制系统、前向通道（温度采样转换电路）、后向通道（温度控制电路）、显示电路等四部分组成，其总体设计框图如图2.1所示[6]。

图2.1 单片机控制系统原理框图
2.2 总体方案论证

方案1：此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码显示。
方案2：采用单片机AT89C51为核心。采用了温度传感器DS18B20采集温度变化信号，该传感器可以直接采集数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案1的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此本设计电路采用方案2。
2.3 各部分电路方案论证
本电路以单片机为基础核心，系统由前向通道模块、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成[9]。现将各部分主要元件及电路做以下的论证：
(1)温度采样部分
方案1：采用热敏电阻，可满足0℃~95℃的测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1℃的温度信号是不适用的。
方案2：采用温度传感器DS18B20。DS18B20具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点。其测量范围在-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃时，其精度为0.5℃，当电源电压在5~10V之间，稳定度为1%时，误差只有±0.01℃，其各方面特性都满足此系统的设计要求。此外DS18B20是温度电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助[10]。
经上述比较，方案2明显优于方案1，故选用方案2。
(2)显示部分
控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。
方案1：采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成，可编程/显示器件8279提供LED的显示信号，并对LED显示控制。
方案2：采用单片机AT89C51的串口对主电路进行通信，并对LED显示进行控制这种方案既能很好的控制显示，又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点[11]。
对比两种方案可知，方案1虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计的成本和电路整体的性能，我们采用方案2。
(3)控制电路部分
    方案1：采用8031芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。
方案2：本方案的CPU模块采用2051芯片，其内部有2kB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器。但由于系统用到较多的I/O口，因此此芯片资源不够用[9]。
方案3：采用AT89C51单片机，其内部有8kB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求[1]。
  比较这3种方案，综合考虑单片机的各部分资源，因此此次设计选用方案3。

硬件电路设计
本电路总体设计包括四部分：主机控制部分（89C51）、前向通道（温度采样和转换电路）、后向通道（温度控制电路）、键盘显示部分。3.1 温度传感器的选择
温度传感器是该系统的关键器件，系统采用美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器DS18B20，由于具有结构简单，不需要外接电路，可用一根I/O数据线既供电又传输数据，并且具有体积小，分辨率高，转换快等优点，被广泛用于测量和控制温度的地方。
DS18B20采用了TO-92封装或8脚SOIC封装。本系统用的是TO-92封装。其引脚排列及含义如图3.1所示。

1 2 3
1：GND 2：DQ 3：VDD
图3.1 DS18B20 TO-92封装
DS18B20性能特点：
(1)独特的单线接口方式：DS18B20在I/O处理器连接时，仅需要一个I/O口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。
(2)测温范围：-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时，其精度为0.5℃。
(3)分辨率：DS18B20的分辨率由9～12位(包括1位符号位)数据在线编程决定。
(4)温度转换时间：DS18B20的转换时间与设定的分辨率有关，当设定为9位时最大转换时间为93.75ms；10位时，为187.5 ms；11位时，为375ms；12位时，为750ms。在使用过程中，测得12位时，一般为5～7.5ms。
DS18B20的供电方式有两种：一种是寄生电源；另一种为外电源供电。其工作过程及其编程在软件设计部分介绍。在使用过程中发现DS18B20在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面与传统各种温度传感器相比，有无可比拟的优越性。其表现在：
①DS18B20可将被测温度直接转换成单片机能识别的数字信号输出。温度值不需要以电桥电路先获取电压模拟量，再经信号放大和A/D转换成数字信号，解决了传统温度传感器存在的因参数不一致性，在更换传感器时会因放大器零漂而必须对电路进行重新调试的问题，使用方便[16]。
②DS18B20能提供9到12位温度读数，精度高。且其信息传输只需1根信号线，与单片机接口十分简便。
③负压特性：当电源极性接反时，DS18B20虽然不能正常工作，但不会因发热而烧毁。
如图3.2为DS18B20其温度检测电路图。

图3.2 温度检测电路图
DS18B20管脚GND为电源地，DQ为数字信号输入/输出端，VDD为外接供电电源接入端（用寄生电源方式时接地）。在本系统中用外接电源，DQ接到AT89C51的P13端，R1为信号和5V电源之间的上拉电阻[15]。在实际中，若需要多点检测时，可在单总线上挂多个DS18B20，但超过8个时要考虑驱动问题，软件设计也变得复杂多了，同时要考虑挂DS18B20单总线的长度问题，一般不要超过50m。为实现更远程的控制，可以考虑把系统设计成无线系统，以突破DS18B20单总线的长度的限制。
3.2 温度控制电路
此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和IGBT组成。采用脉宽调制输出控制电炉与电源的接通和断开比例，以通断控制调压法控制电炉的输入功率。MOC3041光电耦合器的耐压值为400V，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。电路原理图如图3.3所示。
3.3 单片机控制部分
此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机AT89C51。单片机AT89C51内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。AT89C51是由美国生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机。该芯片采用FLASH存储技术，内部具有2kB字节快闪存存储器，采用DIP封装，是目前在中小系统中应用最为普及的单片机。
(1)AT89C51的特点
①AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；
②片内有4K字节在线可重复编程快擦写程序存储器；
③全静态工作，工作范围：0Hz~24MHz；

④三级程序存储器加密；
⑤128×8位内部RAM；
⑥32位双向输入输出线；
⑦两个十六位定时器/计数器；
⑧五个中断源，两级中断优先级；
⑨一个全双工的异步串行口；
⑩间歇和掉电两种工作方式。
(2)AT89C51的功能描述
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能[18]。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4k，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且擦写时间仅需10ms，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（2.7V~6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz~24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性，系统能快能慢。AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
(3)AT89C51引脚功能
图3.4 为AT89C51单片机20引脚芯片
3.5电源电路

PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 PWM控制技术在逆变电路中应用最广，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路绝大部分是PWM型逆变电路，可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位；近年来，PWM技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出的优越性。
PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同；如果将输出波形进行傅氏分解，则低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 例如图3.6(a)、(b)、(c)所示的三个窄脉冲形状不同，其中图(a)为矩形脉冲，图(b)为三角形脉冲，(c)为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图(d)的单位脉冲函数δ(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

(a) (b) (c) (d)
图3.6 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
图(a)的电路是一个具体的例子。图中e(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图(a)、(b)、(c)、(d)所示，为电路的输出。该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出。图(b)给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。从波形可以看出，在i(t)的上升段，脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础[23]。
下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波如图3.7。正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部都不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到图(b)所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusidal PWM）波形。要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。
PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路，其PWM波都是由直流电源产生，由于直流电源电压幅值基本恒定，因此PWM波是等幅的。将要介绍的PWM整流电路中，其PWM波也是等幅的。讲述的斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路，其输入电源都是交流，因此所得到的PWM波也是不等幅的。不管是等幅PWM波还是不等幅PWM波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是相同的。
上面所列举的PWM波都是PWM电压波。除此之外，也还有PWM电流波。例如，电流逆变电路的直流侧是电流源，如对其进行PWM控制，所得到的PWM波就是PWM电流波。
直流斩波电路得到的PWM波是等效直流波形，SPWM波得到的是等效正弦波形。这些都是应用十分广泛的PWM波。本章讲述的PWM控制技术实际上主要是SPWM控制技术。除此之外，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效成所需要的非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也是基于等效面积原理。

图3.7 用PWM波代替正弦半波
当单片机输出的是高电平1时光电耦合器导通从而使IGBT导通，电阻炉工作；反之单片机输出电平为0时，光耦元件不能导通，IGBT不能形成有效偏置而截止，电炉丝不工作，饮水机不加热[25]。
3.7 温度传感器的工作原理
DS18B20是由美国DALLAS公司提供的一种一线总线系统的数字温度传感器，它可提供二进制9位温度信息，经过一线总线接口送入主机处理器。因此从主机到DS18B20仅需一条线进行通信。该器件采用单线通讯，可以允许在通讯总线上级联多个DS18B20器件，所以很适合多点测温。在DS18B20片内设有报警单元，用户可以定义报警的上下限。在完成温度转换后，与贮存在寄存器中的用户补码触发报警TH值和TL值进行比较而触发报警。为了适应不同场合的测温要求，DS18B20采用3种封装形式，即TO-292、8脚SO、8脚μSOP.TO-292可用于远距离测温，后两种可安装于仪器设备的内部，用于环境温度监测或室内温度监测等。该器件的供电也很灵活，可使用DC3.0 V~5.5V外部供电，也可以采用寄生取电模式供电，即把电源端和地端短路接地而在数据通讯线上寄生取电[26]。此外， DS18B20还有应用简单无需任何外围元件、测温范围广(-55℃~+125℃)、测温精度高(-10℃~+85℃范围内精度±0.5℃)等特点，可以应用于恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计以及其他热敏感系统。
DS18B20的内部结构如图3.8所示，主要包括寄生电源电路、64位只读存储器(ROM)和单线接口、存储器和控制逻辑、存放中间数据的高速暂存存储器、温度传感器、报警上限寄存器TH、报警下限寄存器TL、配置寄存器和8位CRC(循环冗余校验码)发生器。DS18B20的核心是其数字温度传感器，精度可以通过用户编程配置为9、10、11和12位，其分别对应于0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.062 5℃，可以满足各种不同的分辨率要求。开始一次温度转换时，微处理器需要向DS18B20发出Convert T指令。转换完成之后，该温度数据存放在高速暂存存储器的温度寄存器中，占用2字节，并且DS18B20返回到空闲状态。当DS18B20采用外部供电方式时，主机可以在发送温度转换指令后发起一次读时隙.若此时该DS18B20已经完成温度转换，它将会返回“1”，否则返回“0”。DS18B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。每一个DS18B20在出厂时已经给定了唯一的64位长的序号。该序号值存放在DS18B20内部的ROM(只读存贮器)中，低8位是产品类型编码(DS18加编码均为10H)，中间48位是每个器件唯一的序号，高8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码。DSl8B20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM，编号分别为0号和1号。1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负，则1号存贮器8位全为1；否则全为0。0号存贮器用于存放温度值的补码。将存贮器中的二进制数求补，再转换成十进制数并除以2，就得到测量的实际温度[27]。
其主要特性有：
(1)适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
(2)独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
(3)DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
(4)DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
(5)测温范围-55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。
(6)可编程的分辨率为9～12 位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
(7)在9位分辨率时最多在93.75ms 内把温度转换为数字，12 位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
(8)测量结果直接输出数字温度信号，传送给弹片机可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力[28]。

图3.8 DS18B20的内部结构图
表3.1 DS1820引脚说明
引脚
符号
说明
1
GND
地
2
DQ
单线运用的数据输入/输出引脚漏极开路路
3
VDD
可选VDD引脚两种供电方式式
3.7.1 DS18B20的外形和内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非触发的温度报警触发器TH和TL配置寄存器。
DS18B20 引脚定义：
(1)DQ：为数字信号输入/输出端；
(2)GND：为电源地；
(3)VDD：为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
3.7.2 DS18B20工作原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测温原理如图3.9所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-5℃所对应的一个基数值[29]。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3.10中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
DS18B20有4个主要的数据部件：
(1)光刻ROM 中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是DS18B20 的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC = X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

图3.9 DS18B20结构框图
(2)DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB 形式表达，其中S为符号位。
表3.2 DS18B20温度值格式表
LS Byte
bit 7
bit 6
bit 5
bit 4
bit 3
bit 2
bit 1
bit 0

MS Byte
bit 15
bit 14
bit 13
bit12
bit 11
bit 10
bit 9
bit 8
S
S
S
S
S

这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8bit的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘0.0625即可得到实际温度。例如+125℃的数字输出07D0H，+25.0625℃的数字输出0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

图3.10 DS18B20测温原理
(3)DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
(4)配置寄存器。该字该字节各位的意义如表3.3。
表3.3 温度转换表
Temperature
Digital Output
(Binary)
Digital Output
(Hex)
+125
0000 0111 1101 0000
07D0h
+85
0000 0101 0101 0000
0550h
+25.0625
0000 0001 1001 0001
0191h
+10.125
0000 0000 1010 0010
00A2h
+0.5
0000 0000 0000 1000
0008h
0
0000 0000 0000 0000
0000h
-0.5
1111 1111 1111 1000
FFF8h
-10.125
1111 1111 0101 1110
FF5Eh
-25.0625
1111 1110 0110 1111
FE6Fh
-55
1111 1100 1001 0000
FC90h
低五位一直都是“1”，TM 是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20 出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如表3.4所示。
表3.4 温度分辨率设置表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
3.8 LED数码管显示电路
LED显示器的工作情况有两种：一种是温度显示；另一种是ROM码显示。DS18B20的测温范围上限是150℃，因此温度的十进制显示需要用4位，还有一位用于显示单位，在这里设置了4位的LED。
LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。图3.11(a)为LED数码管的外形和引脚图，其中7只发光二极管分别对应a~g笔段，构成“8”字形，另一只发光二极管Dp作为小数点，因此这种LED显示器称为八段数码管[22]。

图3.11 七段LED显示器的结构原理
LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴极型和共阳极型两大类：共阴极型是将各段发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM接地，a~g、Dp各笔段接控制端，某笔段接高电平时发光，低电平时不发光，控制某几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符[32]。如图3.11(b)显示。共阳极型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，某笔段接低电平发光，高电平时不发光，如图3.11(c)所示。本设计选用的是共阳极LED数码管[33]。
LED数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是0.5英寸和0.8英寸；按显示颜色也有多种，主要有红色和绿色；按亮度强弱可分为超亮、高亮和普亮。为了能更清晰的显示反应水的温度，本设计选用五位0.8英寸的高亮红色LED数码管显示温度。
LED数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同，正向降压一般为1.5~2V，额定电流为10mA，最大电流为40mA。静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示，可加大脉冲电流，但一般不超过40mA。因此设计中要接入8个200Ω的分压电阻。

4 系统软件设计

（1）在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为：比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近100多年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
①比例(P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
②积分(I)控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
③微分(D)控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前方”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入比例项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例微分控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
(4.1)
（2）实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控制组合，构成比例(P)控制器
(4.2)
比例积分(PI)控制器
(4.3)
比例积分微分(PID)控制器
(4.4)
其中——比例放大系数，——积分时间，——微分时间。
（3）在PID的三个参数中，比例控制(P)能迅速反映误差，从而减少误差，但比例控制不能消除稳态误差，的加大，会引起系统的不稳定。积分控制(I)的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断的累积，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调过大，甚至使系统出现震荡。微分控制(D)可以减少超调量，克服震荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。
PID控制属于常规的控制技术，在当今社会，随着计算机技术的广泛发展，许多复杂的控制技术正在研究当中。这些复杂的控制技术有纯滞后控制技术：施密斯预估控制、达林算法、串级控制技术、前馈一后馈控制技术、解祸控制技术和模糊控制技术等。实际运行的经验和理论分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。不过，用计算机实现PID控制，不是简单的把模拟PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能相结合，使PID控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求。如图4.2为

（4）PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法；它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法；它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，并且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作。
(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。
(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
4.3 数字显示
编一小程序，实现数字显示——分别实现数码管1、数码管2、数码管3、数码管4的显示。双机串口通讯流程图如图4.3所示。

图4.3 双机串口通讯流程图
4.4 PWM 输出
编一小程序，实现PWM 电压自动可调宽度脉冲波输出电路。自动可调宽度脉冲控制程序如下：
OUT： EQU P1.0
OUTBIT： EQU 7FH
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 000BH
AJMP CTC_INT
ORG 0030H
MAIN： MOV TMOD,#01H
MOV TH0,#3CH
MOV TL0,#0B0H
SETB TR0
SETB EA
SETB ET0
WAIT： SJMP WAI
CTC_INT： PUSH ACC
PUSH PSW
CLR TR0
JNB OUTBIT,OUT0
SETB POUT
CLR C
MOV A,#0FFH
SUBB A,0FFH
MOV TL0,A
MOV A,#0FFH
SUBB A,#0FH