機(jī)電工程系《綜合課程設(shè)計(jì)》指導(dǎo)書(shū)

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1、綜合課程設(shè)計(jì)》 指導(dǎo)書(shū) 機(jī)電工程系 2015 年 1 月 目錄 一、 本課程設(shè)計(jì)的地位和作用 2 二、課程設(shè)計(jì)的目的 2 三、課程設(shè)計(jì)的要求 2 四、課程設(shè)計(jì)的具體步驟 3 五、課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求 4 六、課程設(shè)計(jì)課題 6 設(shè)計(jì)實(shí)例一：?jiǎn)纹瑱C(jī)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 設(shè)計(jì)實(shí)例二：小型SBR廢水處理PLC電氣控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 17 本課程設(shè)計(jì)的地位和作用 綜合課程設(shè)計(jì)是電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、 自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)、單片機(jī)、PLC等課程之后的一門(mén)綜合性的設(shè)計(jì)課 程，目的在于加深學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組

2、成、 工作原理等基本理論和基本知識(shí) 的理解，讓學(xué)生初步掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本方法和仿真調(diào)試步驟， 強(qiáng)化學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識(shí)的實(shí)用性、 應(yīng)用性和系統(tǒng)性， 使學(xué)生樹(shù)立系統(tǒng)和全面的觀 點(diǎn)，從整體上把握自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)成、實(shí)現(xiàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的創(chuàng) 新意識(shí)和實(shí)踐能力。 二、 課程設(shè)計(jì)的目的 1．加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，并能將其熟練應(yīng)用，做到理論知識(shí)與實(shí)際 應(yīng)用相結(jié)合； 2．學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟，通過(guò)查尋資料、方案比較，以及設(shè) 計(jì)計(jì)算及調(diào)試等環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高多門(mén)學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用能力； 3．培養(yǎng)學(xué)生具有初步的系統(tǒng)分析能力、系統(tǒng)集成能力，能在系統(tǒng)的層面上 看待問(wèn)題、解決問(wèn)

3、題。 4．培養(yǎng)獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括電路布局、安裝、調(diào)試和排除故障的能力。 5．培養(yǎng)書(shū)寫(xiě)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。 對(duì)本次課程設(shè)計(jì)， 原則上指導(dǎo)老師只給出大致的設(shè)計(jì)要求， 在設(shè)計(jì)思路上不 框定和約束同學(xué)們的思維， 所以同學(xué)們可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造性， 并力求設(shè)計(jì)方案 凝練可行、思路獨(dú)特、效果良好。 三、 課程設(shè)計(jì)的要求 1．在接受設(shè)計(jì)任務(wù)后，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和應(yīng)完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)度計(jì)劃，確 定各階段應(yīng)完成的工作量，妥善安排時(shí)間。 2．在方案確定過(guò)程中應(yīng)主動(dòng)提出問(wèn)題，以取得指導(dǎo)數(shù)師的幫助，同時(shí)要廣 泛討論，依據(jù)充分。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中要多思考，尤其是主要參數(shù)，要經(jīng)過(guò)計(jì)算 論證。 3．所有電氣圖樣的

4、繪制必須符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，包括線條、圖型符 號(hào)、項(xiàng)目代號(hào)、回路標(biāo)號(hào)、技術(shù)要求、標(biāo)題欄、元器件明細(xì)表以及圖樣的折疊和 裝訂。 4．說(shuō)明書(shū)要求文字通順、簡(jiǎn)練，字跡端正、整潔。 5．應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所有的設(shè)計(jì)任務(wù)。 四、課程設(shè)計(jì)的具體步驟 綜合課程設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)方法和步驟是： 分析設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)， 選擇總 體方案，設(shè)計(jì)單元電路及接口，選擇器件，計(jì)算參數(shù)，畫(huà)總體電路圖。進(jìn)行仿真 試驗(yàn)和性能測(cè)試。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中往往反復(fù)進(jìn)行以上各步驟， 才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求， 需要靈活掌握。 1. 總體方案選擇 設(shè)計(jì)的第一步就是選擇總體方案，就是根據(jù)提出的設(shè)計(jì)任務(wù)要求及性能指 標(biāo)，在系統(tǒng)的高度上，給出

5、一個(gè)解決方案。首先決定控制方式，采用開(kāi)環(huán)控制還 是閉環(huán)控制；采用恒值控制、 隨動(dòng)控制還是程序控制。 然后用若干系統(tǒng)單元組成 一個(gè)整體， 來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)提出的各項(xiàng)要求和技術(shù)指標(biāo)。 此階段要明確各單元的 功能及接口要求，并畫(huà)出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往有多種方案可以選擇，應(yīng)針對(duì)任務(wù)要求，查閱資料，權(quán)衡 各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從中選優(yōu)。 2. 系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì) 常見(jiàn)的系統(tǒng)單元有電源單元、信息采集單元、放大單元、控制單元、驅(qū)動(dòng)單 元、執(zhí)行單元、顯示單元、通信單元等。雖然它們的功能不盡相同，但設(shè)計(jì)的方 法和步驟卻相似。 2.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)單元的一般方法和步驟 A. 根據(jù)系統(tǒng)單元功能要求和接口要求，確定

6、各單元電路的性能指標(biāo)。 B. 擬定出各單元電路的要求后，對(duì)它們進(jìn)行設(shè)計(jì)。 C. 單元電路設(shè)計(jì)應(yīng)采用符合的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的原則。 2.2 元器件的選擇 針對(duì)系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)， 在搭建單元電路時(shí)， 對(duì)于特定功能單元選擇主要集成塊 的余地較小。 比如時(shí)鐘電路選 555，轉(zhuǎn)換電路選 0809，譯碼及顯示驅(qū)動(dòng)電路也都 相對(duì)固定。但由于電路參數(shù)要求不同，還需要通過(guò)選擇參數(shù)來(lái)確定集成塊型號(hào)。 一個(gè)電路設(shè)計(jì)， 單用一門(mén)課程內(nèi)容是不夠的， 往往同時(shí)摻有線性電路元件和集成 塊，因此還需對(duì)相應(yīng)內(nèi)容熟悉， 比如運(yùn)算放大器的種類和基本用法， 集成比較器 和集成穩(wěn)壓電路的特性和用法。 總之，構(gòu)建單元電路時(shí)， 選擇器件

7、的電平標(biāo)準(zhǔn)和 電流特性很重要。 普通的門(mén)電路、時(shí)序邏輯電路、 組合邏輯電路、 脈沖產(chǎn)生電路、 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、 采樣和存儲(chǔ)電路等， 參數(shù)選擇恰當(dāng)可以發(fā)揮其性能并節(jié)約 設(shè)計(jì)成本。 單元電路設(shè)計(jì)過(guò)程中， 阻容元件的選擇也很關(guān)鍵。 它們的種類繁多， 性能各 異。優(yōu)選的電阻和電容輔助于數(shù)字電路的設(shè)計(jì)可以使其功能多樣化、完整化。 3. 電路仿真與調(diào)整 首先進(jìn)行系統(tǒng)單元部分仿真與測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整。 所有系統(tǒng)單元均經(jīng) 過(guò)仿真測(cè)試后， 再進(jìn)行系統(tǒng)集成仿真與測(cè)試， 此時(shí)主要測(cè)試各個(gè)系統(tǒng)單元的接口 是否正常， 各個(gè)單元配合到一起能否正常工作。 仿真測(cè)試時(shí)要逐個(gè)將系統(tǒng)單元增 加到系統(tǒng)中， 邊增加系

8、統(tǒng)單元邊仿真測(cè)試。 集成測(cè)試中各系統(tǒng)單元的輸入輸出邏 輯關(guān)系與它們之間的正確傳遞決定了系統(tǒng)集成的成敗。 4. 衡量設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn) 工作穩(wěn)定可靠；能達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔浚浑娐泛?jiǎn)單，成 本低，功耗低；器件數(shù)目少，集成體積小，便于生產(chǎn)和維護(hù)。 五、課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求 課程設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容： 1．封面 2．摘要 3．目錄 4．設(shè)計(jì)任務(wù)及其具體要求。 5．總體設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖。 6．系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)（含各系統(tǒng)單元功能，輸入、輸出信號(hào)，系統(tǒng)單元原理圖 及其原理闡述，所選用的集成電路器件等。有的需要進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。 ）。 7．整機(jī)電路圖（電路圖應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)邏輯符號(hào)繪制，電路圖中

9、應(yīng)標(biāo)明接線引出 端名稱、元件編號(hào)等） 。 8．器件清單。 9. 仿真調(diào)試結(jié)果及改進(jìn)措施。 10. 總結(jié)與體會(huì)。 11．主要參考文獻(xiàn) 六、課程設(shè)計(jì)課題 1. 單相數(shù)顯電量表：最大電流30A,計(jì)量誤差＜1%有過(guò)流保護(hù)和停電數(shù)據(jù)保 存功能。不要求電量卡部分。 2. 交流電流變送器： 檢測(cè)范圍 AC 0-50A，輸出DC 0-5V, 4-20mA供電 DC 24V 3. 速度里程表： 能顯示電動(dòng)車(chē)當(dāng)前速度和總里程, 可以分段統(tǒng)計(jì)平均、 最大 速度和段里程。 4. 超聲波測(cè)距系統(tǒng)：測(cè)量距離100mm— 2m，測(cè)量精度＜5mm 5. 電動(dòng)車(chē)有刷電機(jī)控制器：電機(jī)180Vy 36V,要求有

10、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)功 能。附加定速巡航功能,允許取消。 6. 溫度控制儀：溫度控制范圍100-200 C,溫度傳感器為PT10Q加熱元件 功率1000W要求控制精度土「C。 7. 液位測(cè)量?jī)x：能測(cè)量液位的深度（高度），量程0-100cm,誤差＜1%要求 適用于不同密度的液體測(cè)量。 8. 直流數(shù)控電源：輸出1.5-15V，最大電流1A,步進(jìn)電壓0.1V。有過(guò)流和 短路保護(hù)。 9. 數(shù)字電子稱：稱重范圍：0-5Kg，誤差＜1%要求輸入單價(jià)，根據(jù)稱重可以 計(jì)算出總價(jià)，具有總價(jià)累加功能。 10. LED點(diǎn)陣電子屏：設(shè)計(jì)一個(gè)163 32點(diǎn)陣LED電子顯示屏，內(nèi)容可以滾動(dòng) 顯示。 11. 停車(chē)

11、場(chǎng)車(chē)位控制： 在出入口處設(shè)置傳感器，檢測(cè)車(chē)輛的出入情況。實(shí)時(shí) 顯示停車(chē)場(chǎng)空余車(chē)位數(shù)，空余車(chē)位數(shù)為 0，則不允許車(chē)輛進(jìn)入。 12. 病床呼叫系統(tǒng)： 每一層樓有一護(hù)士站，每一護(hù)士站均有該層樓病人緊急 呼叫與處理完畢的重置按鈕。共有 10 個(gè)病房，每間病房 3 個(gè)床位。每個(gè)床位均 有緊急呼叫按鈕及重置按鈕。 病人按下緊急呼叫按鈕， 護(hù)士站顯示病房緊急呼叫 并閃爍指示燈。 按下護(hù)士處理按鈕以取消閃爍情況， 再依病房緊急呼叫順序處理 病房緊急事故， 若事故處理妥當(dāng)后， 病房緊急閃爍指示燈和病床上的緊急指示燈 方町被重置。 13. 自助洗車(chē)機(jī)控制設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)投幣 100 元自助洗車(chē)機(jī)。有 3 個(gè)投幣孔

12、，分 別為5元、10元及 50元3種，當(dāng)投幣合計(jì) 100元或超過(guò)時(shí)，按啟動(dòng)開(kāi)關(guān)洗車(chē)機(jī) 才會(huì)動(dòng)作，啟動(dòng)燈亮起。7段數(shù)碼管會(huì)顯示投幣金額（用 BCD碼），當(dāng)投幣超過(guò) 100元時(shí)，可按退幣按鈕， 這時(shí) 7段數(shù)碼管會(huì)退回零， 表示找回余額（退幣選作）。 洗車(chē)機(jī)動(dòng)作流程按規(guī)定的流程進(jìn)行。 14. 機(jī)械手臂搬運(yùn)加工流程控制： 工作物由輸送帶 A 送到加工位置，然后由 機(jī)械手臂將加工物送至工作臺(tái) 1 的位置進(jìn)行第一步驟加工。 當(dāng)?shù)谝徊襟E加工完成 后，機(jī)械手臂將工作物夾起再送至工作臺(tái) 2進(jìn)行第二步驟加工； 當(dāng)?shù)诙襟E加工 完成后，機(jī)械手臂將工作物放到輸送帶 B送走，然后由7段數(shù)碼管顯示加工完成 的數(shù)量。

13、15. 自動(dòng)售貨機(jī)的控制設(shè)計(jì)： 售貨共有 3種飲料供選擇， 分別為汽水（4 元）、 花茶（ 6 元）和咖啡（ 10 元），自動(dòng)售貨機(jī)有 3 個(gè)投幣孔，分別為 1 元、5 元和 10元。投幣總額或當(dāng)前值顯示在 7段數(shù)碼管上。投幣值等于或大于貨物金額時(shí)， 貨物可選。按下對(duì)應(yīng)按鈕，則相對(duì)應(yīng)的指示燈開(kāi)始閃爍， 3s 后自動(dòng)停止，表示 飲料已經(jīng)掉出。 如投幣總額超過(guò)銷(xiāo)售價(jià)格， 將可由退幣鈕找回余額， 退回金額如 果大于 10 元，則先退 10 元再退 1。 16. 全自動(dòng)洗衣機(jī)：1. 按下啟動(dòng)按扭及水位選擇開(kāi)關(guān)， 2.注水直到高（中、 低） 水位，關(guān)水，3.2s后開(kāi)始洗滌，4.洗滌時(shí)，正轉(zhuǎn)30s,停2

14、s,然后反轉(zhuǎn)30s，停 2s， 5. 如此循環(huán) 5 次，總共 320s 后開(kāi)始排水，排空后脫水 30s， 6. 開(kāi)始清洗， 重復(fù) 2--5 ，清洗兩遍， 7. 清洗完成，報(bào)警 3 秒并自動(dòng)停機(jī)。 8. 若按下停車(chē)按扭， 可手動(dòng)排水（不脫水）和手動(dòng)脫水（不計(jì)數(shù)） 。 17. 電子計(jì)算器設(shè)計(jì)： 由按鍵輸入的數(shù)值顯示在 7段數(shù)碼管上，但只限 4位 數(shù)。按加、減、乘、除鍵時(shí)， 第一次輸入的值被存放在緩沖區(qū)中， 當(dāng)做被加、 減、 乘、除數(shù)，且加、減、乘、除相對(duì)的運(yùn)算指示燈會(huì)亮。接著輸入一個(gè)數(shù)，之后若 是按下“ =”鍵，則此加、減、乘、除數(shù)被存放于另一個(gè)緩沖區(qū)中，與剛才輸入 的數(shù)做運(yùn)算，且相對(duì)應(yīng)的運(yùn)算指

15、示燈熄滅。將運(yùn)算結(jié)果顯示在 7 段數(shù)碼管上。 18. 自動(dòng)噴泉的PLC控制：有16個(gè)彩燈代表16個(gè)噴頭，有4個(gè)選擇按鈕， 采用S7-200PLC進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)四種以上的自動(dòng)噴泉花樣。 19. 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng) : 在南北向與東西向交錯(cuò)的路口上，各設(shè)置紅、黃、 綠三種信號(hào)燈，以控制車(chē)輛和行人的通行。1.南北方向通車(chē)時(shí)綠燈亮25s，然后 黃燈亮警告5s后紅燈亮30s，如此循環(huán)；2.東西向則是先紅燈30s,然后綠燈亮 25s后黃燈亮5s，如此循環(huán)；3.用數(shù)碼進(jìn)行30s的時(shí)間遞減顯示。 20. 裝瓶流水線的PLC控制：有A1?A10選瓶、裝瓶、蓋蓋、貼簽、傳送、 成品入庫(kù)生產(chǎn)線操作工序，用 1

16、0盞燈來(lái)模擬；并有啟動(dòng) / 停止、移位、復(fù)位按鈕 進(jìn)行操作。采用S7-200PLC進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)，自動(dòng)等四種以上的裝瓶流水線 工序控制。 21. 數(shù)字頻率計(jì)： 設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心的頻率測(cè)量裝置。使用單片機(jī)的 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能，外部擴(kuò)展 6位LED數(shù)碼管，要求累計(jì)每秒進(jìn) 入單片機(jī)的外部脈沖個(gè)數(shù)，用 LED數(shù)碼管顯示出來(lái)。被測(cè)頻率fx<1000Hz,采用 測(cè)周法；fx>=1000Hz，采用測(cè)頻法。 22. 基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集 : 設(shè)計(jì)八路模擬信號(hào)自動(dòng)采集與數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)；以單片機(jī)作為下位機(jī)，能夠完成模擬電壓信號(hào)采集和 A/D轉(zhuǎn)換，用三位數(shù)碼 管進(jìn)行顯示，要求對(duì)通道號(hào)

17、和測(cè)量值進(jìn)行顯示。 23. 小型機(jī)器人關(guān)節(jié)角控制 : 研究關(guān)節(jié)控制原理；設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)控制方案；完成 硬件電路并搜集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 24. 智能定時(shí)搶答器設(shè)計(jì)： 幾個(gè)選手，誰(shuí)先按下自己手中的按鈕， LED 顯示 器SM就會(huì)顯示相對(duì)應(yīng)的選手號(hào)碼。開(kāi)始按鈕開(kāi)啟之后，才可以搶答。 25. 燃?xì)鉄崴骱銣乜刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)： 在了解燃?xì)鉄崴鹘Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，完成 燃?xì)鉄崴魉疁厍度胧秸{(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。水溫調(diào)節(jié)范圍 20-60 C。 26. 火災(zāi)報(bào)警及滅火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 1、設(shè)計(jì)一個(gè)由單片機(jī)控制的室內(nèi)火災(zāi)自 動(dòng)報(bào)警控制器； 2、采用感煙傳感器和感溫傳感器，能對(duì)室內(nèi)的煙霧及溫度的突 變進(jìn)行報(bào)警；3、有火災(zāi)發(fā)生

18、時(shí)，產(chǎn)生聲、光報(bào)警信號(hào)；4、如火災(zāi)報(bào)警10s后不 解除，則控制啟動(dòng)滅火裝置。 27. 自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 1、有人來(lái)時(shí)（進(jìn)門(mén)或出門(mén)）開(kāi)門(mén)。當(dāng)人走到離門(mén) 不遠(yuǎn)的時(shí)候時(shí)，安裝在門(mén) 上側(cè)的熱釋紅外線傳感器信號(hào)檢測(cè)裝置檢測(cè)到有人時(shí)， 將啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈 開(kāi)門(mén)。 2、無(wú)人時(shí)關(guān)門(mén)延遲，當(dāng)熱釋收發(fā)裝置沒(méi)有檢 測(cè)到有人在離門(mén)1m的范圍內(nèi)，將延遲1秒啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈關(guān)門(mén)。3、關(guān) 門(mén)中途來(lái)人，立即開(kāi)門(mén)。當(dāng)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈關(guān)門(mén)時(shí)，感應(yīng)探頭 突然檢測(cè) 到在離門(mén)1m的范圍內(nèi)有人，則立即停止電動(dòng)機(jī)關(guān)門(mén)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng) 傳動(dòng)鏈開(kāi) 門(mén)。 28. 電阻測(cè)量?jī)x：可以測(cè)試1Q?1MQ的電阻，測(cè)量誤差小于1% L

19、CD屏顯示。 29. 可預(yù)約電飯鍋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 可預(yù)約工作時(shí)間，可選擇蒸熟飯后是保溫 還是斷電。具有過(guò)壓檢測(cè)保護(hù)功能。 30. 光伏發(fā)電光照自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)一個(gè)能夠檢測(cè)并指示點(diǎn)光源位置 的模擬光伏發(fā)電太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。 31. 基于單片機(jī)的多功能智能小車(chē)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一個(gè)用單片機(jī)控制的智能小車(chē)， 具有循跡和避障功能。 32. 單片機(jī)脈搏測(cè)量?jī)x：利用光電傳感器作為變換原件，把采集到的用于檢 測(cè)脈搏跳動(dòng)的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，放大后用單片機(jī)進(jìn)行顯示。 設(shè)計(jì)實(shí)例一：?jiǎn)纹瑱C(jī)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求： 本溫度控制系統(tǒng)為以單片機(jī)為核心， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制， 實(shí)現(xiàn)了

20、 控制的智能化。設(shè)計(jì)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)，配有溫度傳感器，采用DS18B2C數(shù)字 溫度傳感器，無(wú)需數(shù)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，可直接與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字傳輸，采用了 PID 控制技術(shù)，可以使溫度保持在要求的一個(gè)恒定范圍內(nèi)，配有鍵盤(pán)，用于輸入 設(shè)定溫度；配有數(shù)碼管LED用來(lái)顯示溫度。 技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)任務(wù) ： 1、 利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，實(shí)現(xiàn)保持恒溫箱在最高溫度為 110C。 2、 可預(yù)置恒溫箱溫度，烘干過(guò)程恒溫控制，溫度控制誤差小于土 2C。 3、 預(yù)置時(shí)顯示設(shè)定溫度，恒溫時(shí)顯示實(shí)時(shí)溫度，采用 PID 算法顯示精確到 0.1 °C。 4、 溫度超出預(yù)置溫度土 5C時(shí)發(fā)出聲音報(bào)警。 5、 對(duì)升

21、、降溫過(guò)程沒(méi)有線性要求。 6溫度檢測(cè)部分采用DS18B2C數(shù)字溫度傳感器，無(wú)需數(shù)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換， 可直接與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字傳輸 7、人機(jī)對(duì)話部分由鍵盤(pán)、顯示和報(bào)警三部分組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示、報(bào) 警。 一、總體設(shè)計(jì)方案 1、 系統(tǒng)原理 選用AT89C2051單片機(jī)為中央處理器，通過(guò)溫度傳感器DS18B20寸恒溫箱進(jìn) 行溫度采集，將采集到的信號(hào)傳送給單片機(jī)，在由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理控制顯 示器，并比較采集溫度與設(shè)定溫度是否一致，然后驅(qū)動(dòng)恒溫箱的加熱或制冷。 2、 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖 總體設(shè)計(jì)應(yīng)該是全面考慮系統(tǒng)的總體目標(biāo)， 進(jìn)行硬件初步選型，然后確定一 個(gè)系統(tǒng)的草案，同時(shí)考慮軟硬件實(shí)現(xiàn)的

22、可行性。總體方案經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲，確定了 以美國(guó)Atmel公司推出的51系列單片機(jī)為溫度智能控制系統(tǒng)的核心，并選擇低 功耗和低成本的存儲(chǔ)器、數(shù)碼顯示器等元件，總體方案如下圖： 圖1系統(tǒng)總體框圖 二、硬件各單元設(shè)計(jì) 1、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)選用Atmel公司的單片機(jī)芯片AT89C2051,完全可以滿足本系統(tǒng)中要 求的采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需要。單片機(jī)的選擇在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要， 該單片機(jī)與MCS-51系列單片機(jī)高度兼容、低功耗、可以在接近零頻率下工作等 諸多優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于各類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、工業(yè)控制、消費(fèi)類產(chǎn)品中。 AT89C2051是 AT89系列單片機(jī)中的一種精簡(jiǎn)產(chǎn)品

23、。它是將AT89C51的 P0 口、 P2 口、EA/Vpp ALE/PROG PSENH線省去后，形成的一種僅 20引腳的單片機(jī)， 相當(dāng)于早期Intel8031的最小應(yīng)用系統(tǒng)。這對(duì)于一些不太復(fù)雜的控制場(chǎng)合，僅有 一片AT89C2051就足夠了，是真正意義上的“單片機(jī)” 。AT89C2051為很多規(guī)模 不太大的嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種極佳的選擇方案，使傳統(tǒng)的 51系列單片機(jī) 的體積、功耗大、可選模式少等諸多弱點(diǎn)不復(fù)存在。該型號(hào)單片機(jī)包括 （1） 一個(gè)8位的微處理器（CPU）。 （2） 片內(nèi)有2K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器（ROM和128/256字節(jié)RAM （3） 15條可編程雙向I/O 口線。

24、 （4） 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì) 數(shù)，也可設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。 （5） 五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)。 （6） —個(gè)全雙工UATR通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O 口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之 間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信。 （7） 片內(nèi)含模擬比較器。 （8） 低功耗的閑置和掉電模式。 +5V 圖2最小系統(tǒng)電路 AT89C205是一個(gè)20腳的雙列直插封裝（DIP）芯片。最小系統(tǒng)電路包括晶體振 蕩電路和手動(dòng)復(fù)位電路，如圖2。 本設(shè)計(jì)使用一片AT89C205就代替了原來(lái)的8031、EPROM2732地址

25、鎖存器 74LS373,因?yàn)锳T89C205內(nèi)部的2KBEPRO和 128B的RAM對(duì)智能化溫度傳感器測(cè) 試系統(tǒng)已能滿足設(shè)計(jì)要求，而且降低了成本，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也較精巧 2、溫度傳感器 采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比,他能夠直接讀出被 測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9?12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？?以分別在93.75ms和750m內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B2讀出的信 息或?qū)懭隓S18B2的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫(xiě),溫度變換功率來(lái)源 于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B2供電，而無(wú)需額外電源。因而 使用DS18B2可使系統(tǒng)結(jié)

26、構(gòu)更趨簡(jiǎn)單,可靠性更高，成本更低。測(cè)量溫度范圍為? 55C?+125C。C,在一 10C?+85C。C范圍內(nèi)，精度為土 0.5 C。DS1822勺精度 較差為土 2C?，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。其引腳分布如圖3所示 DSIKB2H 圖3 DS18B2C引腳圖 （1）引腳功能如下： NC（1、2、6、7、8腳）：空引腳，懸空不使用。 VDD（3腳）:可選電源腳，電源電壓范圍3?5.5V。 DQ（4腳）：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳,漏極開(kāi)路,常態(tài)下高電平。 ⑵DS18B20測(cè)溫原理 DS18B2的測(cè)溫原理如圖4所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫

27、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 C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。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。DS18B2在正常使用時(shí)的測(cè)溫分辨率為

28、 0.5 C,如果要更高的精度，則在對(duì)DS18B2測(cè)溫原理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上， 采 取直接讀取DS18B2內(nèi)部暫存寄存器的方法，將 DS18B2的測(cè)溫分辨率提高到 0.1 ?0.01C。 圖4測(cè)溫原理圖 ⑶DS18B20與單片機(jī)接口電路 P1.3 口和DSI8B20的引腳DQS接，作為單一數(shù)據(jù)線。U2即為溫度傳感芯片 DS18B20,本設(shè)計(jì)雖然只使用了一片DSI8B20，但由于不存在遠(yuǎn)程溫度測(cè)量的考慮 所以為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，采用外部供電的方式，如圖2.6所示。測(cè)溫電纜采用屏蔽4芯雙 絞線,其中一對(duì)線接地線與信號(hào)線,另一對(duì)接VC（和地線,屏蔽層在電源源端單點(diǎn) 接地。 +5V 1

29、 RST (RXD)P3 0 VCC P1 7 2 3 — (TXD)P3.1 P1.6 4 XTAL2 P1 5 5 XTAL1 P1.4 (INT0)P3.2 P1.3 (INT1)P3.3 P1.2 8 仃 0)P3.4 P1.1(AIN1) 9 仃 1)P3.5 P1.0(AIN0) 10 GND P3.7 U1 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 AT89C2051 R15 4.7K U2 -NC NC .NC NC -V

30、DD NC -DQ GND 1 2 3 4 DS18B20 8 7 6 5 圖5 DS18B2C與單片機(jī)接口電路 3、鍵盤(pán)顯示電路 LED^控制器的連接有并行和串行方式。由于串行方式占用較少接口，因此 得到廣泛應(yīng)用。顯示電路中選用MAX721作為L(zhǎng)EE3區(qū)動(dòng)芯片。MAX721是一個(gè)高集 成化的串行輸入/輸出的共陰極LE耶動(dòng)顯示器。每片可驅(qū)動(dòng)8位7段加小數(shù)點(diǎn)的共 陰極數(shù)碼管。片內(nèi)包括BCD?碼器、多路掃描控制器、字和位驅(qū)動(dòng)器和 83 8靜態(tài) RAM外部只需要一個(gè)電阻設(shè)置所有LEE顯示器字段電流。MAX721和控制器只需 要三根導(dǎo)線連接，每位顯示數(shù)字有一個(gè)地址

31、由控制器寫(xiě)入。 允許使用者選擇每位 是BC譯碼或不譯碼。使用者還可以選擇停機(jī)模式、數(shù)字亮度控制、從 1?8位選 擇掃描位數(shù)和對(duì)所有LED顯示器的測(cè)試模式。 （1）引腳功能 MAX7219是24引腳芯片，它的引腳排列如圖2.7所示。各引腳功能如下： 1） DIN（1腳）:串行數(shù)據(jù)輸入端，當(dāng)CLI為上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被載入16位內(nèi)部移位寄存 器。 2） CLK （13腳）：串行時(shí)鐘脈沖輸入端，最大工作頻率可達(dá) 10MHz 3） LOAD （12腳）：片選端，當(dāng)LOA為低電平時(shí)，芯片接收來(lái)自DIN的數(shù)據(jù)，接收 完畢，LOA回到高電平，接收的數(shù)據(jù)將被鎖定。 4） DIGO?DIG7（2、3、

32、5、6、7、8、10、11腳）：吸收顯示器共陰極電流的位驅(qū) 動(dòng)線，最大值可達(dá)500mA DIM niG 4 ￡.M. EUG厶 DIG 3 巨巨巨r(nóng)zlzrvEELI叵疋叵 1 C DIG* E I CIG.: 叫刃zlnl可回in□訶IniarJ 圖6 MAX721引腳圖 5） SEGA?SEGG SEGDR14、15、16、17、20、21、22、23腳）：驅(qū)動(dòng)顯示器 7 段及小數(shù)點(diǎn)的輸出電流，一般為40mA可編程調(diào)整。 6） ISET （18腳）：硬件亮度調(diào)節(jié)端。 7） DOUT （24腳）:串行數(shù)據(jù)輸出端；V+,正電源。 8） GND （9腳）:接

33、地。 ⑵MAX7219與單片機(jī)和LED及鍵盤(pán)的接口電路 1） MAX72191 勺3個(gè)輸入端DIN、CLK和LOAD!單片機(jī)的三個(gè)I/O 口連接，DIG0?DIG7 分別與八個(gè)共陰極LED勺公共端連接，SEG?SEGG SEGD分別與每個(gè)LEDt段 動(dòng)和小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)端相連。電路圖如圖7所示。 2） 鍵盤(pán)功能介紹 采用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)，如圖上圖所示。 由于只有四個(gè)按鍵，因此按鍵接口 電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，單片機(jī)P1.4?P1.7端口設(shè)定為輸入狀態(tài)，平時(shí)通過(guò)電阻上 拉到Vcc，按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的端口的電平被拉到低電平。這樣就可以通過(guò)查詢 P1的高4位來(lái)判斷有門(mén)有按鍵按下按鍵各接一根輸入線，一

34、根輸入線的按鍵工作 狀態(tài)不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。通過(guò)讀I/O 口，判斷各I/O 口的電平狀態(tài)， 即可識(shí)別出按下的按鍵。4個(gè)按鍵定如下： A、 P14S1功能鍵，按此鍵則開(kāi)始鍵盤(pán)控制。 B、 P1.5:S2加，按此鍵則溫度設(shè)定加1度。 C、P1.6:S3減，按此鍵則溫度設(shè)定減1度。 D P1.7:S4發(fā)送，按此鍵將傳感器的溫度傳送到上位機(jī) 5 \"e^4 7 3 7 DS0 DPY A a A a b c d e f g dp Dp y Amber-CA .RST VCC (RXD)P3.0 P1.7 (TXD)P3.1 P1.6 XTAL2 P

35、1.5 XTAL1 P1.4 (INT0)P3.2 P1.3 (INT1 )P3.3 P1.2 (T0)P3.4 P1.1(AIN1 ) (T1)P3.5 P1.0(AIN0) GND P3.7 U1 3 4 5 6 8 13 9 12 1 0 11 AT89 C2 051 站5 \a10 DS7 DPY a a A g ' +5V 1r5 5.1 K a b c f d ee g dp R5 5.1 K R5 5.1 K R5 5.1 K Dpy Amber-CA 20 S4 19

36、? 18 S3 17 ■ S2 16. S1 15 U2 14 +5V )IGO D G1 1 DIG2 DIG3 DIG4 DIG5 DIG6 DIG7 1 12 13 2 r 6 7 3 0 5 8 2 4 .1 DIN V+ LOAD CLK ISET DIG0 SEG A DIG1 SEG B DIGI DIG2 SEG B SEG C DIG3 SEG D DIG4 SEG E DIG5 SEG F DIG6 SEG G DIG7 DOUT SEG DP

37、GND GND MAX7 219 CNG R1 圖7 MAX7219與單片機(jī)和LED及鍵盤(pán)的接口電路 1 8 14 a 16 b 20 c 23 d 21 e 15 f 17 g 22 DP * ] 9.5 K 4、驅(qū)動(dòng)控制電路 (1)熱電制冷介紹 熱電制冷原理：半導(dǎo)體熱電偶由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成。當(dāng)電流的極性如圖8 所示時(shí)，電子從電源負(fù)極出發(fā)，經(jīng)連接片

38、、 P型半導(dǎo)體、連接片、N型半導(dǎo)體，最 后回到電源正極。N型材料有多余的電子，有負(fù)溫差電勢(shì)。 P型材料電子不足，有 溫差電勢(shì)；當(dāng)電子從P型穿過(guò)結(jié)點(diǎn)至N型時(shí)，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng) 于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量。這一點(diǎn)可用溫差降低來(lái)證明。相反，當(dāng)電子從 N型流至P型 材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度就會(huì)升高。直接接觸的熱電偶電路在實(shí)際的引用中不可用， 所以用圖8的連接方式來(lái)代替，實(shí)驗(yàn)證明，在溫差電路中引入銅連接片和導(dǎo)線，不 會(huì)改變電路的特性。簡(jiǎn)單地說(shuō)當(dāng)一塊 N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成 電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由 N型元件 流向P型元件的接頭吸收能量

39、，成為冷端；由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量， 成為熱端。吸收和放熱的大小是通過(guò)電流的大小以及半導(dǎo)體材料 N、P的元件對(duì)數(shù) 來(lái)決定 P 圖8半導(dǎo)體制冷原理圖 ⑵驅(qū)動(dòng)控制電路 光耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器是一種單片機(jī)輸出與雙向可控硅之間較理想的接口 器件，它由入和輸出兩部分組成，輸入部分為砷化傢發(fā)光二極管，該二極管在5m/V 15mA正向電流作用下發(fā)出足夠強(qiáng)度的紅外光，觸發(fā)輸出部分。連接電路如圖 9所 示。輸出部分為硅光敏雙向可控硅，在紅外線作用下可雙向?qū)ā? 光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種“電 -光-電”轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同

40、一殼體內(nèi)，彼此間用透明 絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入部分，受光器的引腳為輸出端，常見(jiàn)的發(fā)光源 為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等。 在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大 小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光 器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”轉(zhuǎn)換。在光電耦合器的內(nèi)部，由于發(fā) 光管和受光器之間的耦合電容很小，使用共模輸入電壓通過(guò)極間耦合電容對(duì)輸出 電流的影響很小，因而共模抑制比很高。 在發(fā)光二極管上提供一個(gè)偏置電流，再把信號(hào)電壓通過(guò)電阻耦合到發(fā)光二極 管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信

41、號(hào)，其輸出電 流將隨輸入的信號(hào)電壓作線性變化。光電耦合器也可工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖 信號(hào)。在傳輸脈沖信號(hào)是，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在一定的延時(shí)，不同結(jié)構(gòu) 的光電耦合器輸入、輸出延時(shí)時(shí)間相差很大 +5V R10 R9 10k U9 Opto TRIAC 360 R11 330 制冷系統(tǒng) R12 3.9k V1 220V Q1 —J-C11 0.11uF V1 220V 圖9加熱降溫驅(qū)動(dòng)控制電路 5、看門(mén)狗和上位機(jī)通信電路 (1)串口通信功能實(shí)現(xiàn) 在實(shí)際的工作中，計(jì)算機(jī)的 CPU與外部設(shè)備之間常常要進(jìn)行信息交換，一臺(tái) 計(jì)算機(jī)與其他計(jì)算機(jī)之間也往往

42、要交換信息，所有這些信息交換均可稱為通信。 串行通信是指：數(shù)據(jù)是一位一位按順序傳送的通信方式。它的突出優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì) 傳輸線 （利用電話線就可以作為傳輸線 ） ，這樣就大大降低了成本，特別適用與遠(yuǎn) 距離通信 ; 其缺點(diǎn)是傳送速度低。 ⑵MAX232與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 圖10為MAX23與單片機(jī)接口電路；通過(guò)它可以把單片機(jī)和計(jì)算機(jī)連接起來(lái)， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊功能。 （3） 看門(mén)狗與電源監(jiān)控芯片介紹 由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制系統(tǒng)可能造成很強(qiáng)的干擾，為保證控制器在任何干擾條件下 都能正常工作，就必須對(duì)單片機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，避免死機(jī)、程序跑飛或進(jìn)入死 循環(huán)。采用看門(mén)狗電路則可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾

43、能力態(tài)。 本系統(tǒng)選用MAX813L該芯片能夠監(jiān)控電源電壓、電池故障和微控制器的工作狀態(tài)。 MAX813引腳功能如下： 1） MR（1腳）:手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效。 2） PRI（4腳）、PFO（5卻）:分別為電源故障輸入和電源故障輸出。 3） WDI（6腳）、WDO（腳）：分別為看門(mén)狗輸入和看門(mén)狗輸出。 4） RESET（7腳）:復(fù)位輸出。 MAX813I芯片主要特點(diǎn)： 1） 復(fù)位輸出：系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，第 7 腳產(chǎn)生復(fù)位脈沖，復(fù)位 脈沖寬度的典型值為200ms高電平有效，復(fù)位門(mén)限值為 4.65V。 2） 看門(mén)狗電路輸出：如果在1.6s內(nèi)沒(méi)有觸發(fā)該電路，則第

44、8腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。 3） 手動(dòng)復(fù)位輸入：低電平有效，即第 1腳輸入一個(gè)低電平，則地 7腳產(chǎn)生復(fù)位輸出。 4） 第4腳輸入電壓為1.25V時(shí)，第5腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。 ⑸MAX813L與單片機(jī)的連接 MAX813的典型應(yīng)用電路如圖10所示，在軟件設(shè)計(jì)中，P3.7不斷的輸出脈沖信 號(hào)。如果因某種原因進(jìn)入死循環(huán)，則P3.7無(wú)脈沖輸出，于是1.6s后在MAX813的第 8腳輸出低電平。該低電平加到1腳，使MAX813產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位， 擺脫死循環(huán)。另外，當(dāng)電源電壓低于限制值 4.65V時(shí)，MAX813也會(huì)產(chǎn)生復(fù)位輸出， 使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，知道電壓電壓恢

45、復(fù)正常，以有效防止 因電源電壓較低使單片機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作。 U4 VCC 5「 9 o 4 8 3RXD 0 2TXD 6 0 1 +5V J1 0 O PC DB9 C4 0.01 6 15 TXD14 RXD13 V+ V- GND T1OUT T2OUT R1IN R2IN MAX232 C1 + C1- C2+ C2- T1IN T2IN R1OUT R20UT 6、電源電路 J2 12V 1 C5+ 10uF 5 + C6 10uF VCC PF1

46、 Mr WDI WDo PF0 GND RESET U6 2 4 1 6 8 5 RESET 3 MAX813L 圖10 MAX23與單片機(jī)接口電路 5 RST VCC (RXD)P3.0 P1.7 (TXD)P3.1 P1.6 XTAL2 P1.5 XTAL1 P1.4 (iNT0)P3.2 P1.3 (INT1)P3.3 P1.2 仃0)P3.4 P1.1(AIN1) 仃 1)P3.5 P1.0(AIN0) GND P3.7 U1 1 2 19 18 4 17 16 15 14

47、8 13 9 12 10 11 AT89C2051 11 TXD TXD 10 12 RXD RXD 3 +5V 20 1 2 圖11電源電路 電源電路雖然簡(jiǎn)單，但需要功能可靠，要有 CBEfe容和高品質(zhì)的ELN/電容做退 藕，，設(shè)計(jì)所用的電源都是直流電源 +5V,所用采用三端集成穩(wěn)壓器7805,可以方 便的實(shí)現(xiàn)此功能，

48、電路如圖11所示 7、PID控制算法 (1) PID的數(shù)學(xué)模型 PID控制是一種比較成熟的控制理論，它通過(guò)比例、積分、微分三部分的合理 組合可以用比較簡(jiǎn)單的方法獲得令人滿意的控制效果。 PID的數(shù)學(xué)模型如圖12表 示： 圖12 PID數(shù)學(xué)模型 給定值R(t)與實(shí)際值丫(t)構(gòu)成控制誤差： E( t)=R (t)-Y( t) 式2-1 PID控制器根據(jù)E(t)將誤差的比例(P)、積分(I)、和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu) 成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律如式 2所示： U(t)=K P[e(t)+ - t E(t)dt Td^] 式 2-2 T「0 dt U(t

49、)――控制器輸出函數(shù);E(t)――控制器誤差函數(shù)； 匕一一比例系數(shù);Ti――積分時(shí)間常數(shù);Td――微分時(shí)間常數(shù)。 一個(gè)最簡(jiǎn)單的控制器可以只有比例部分，它能夠產(chǎn)生與輸入信號(hào)成比例的輸 出信號(hào)，所以誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝著減小誤 差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) 心 比例控制的缺點(diǎn)是不能在設(shè)置 點(diǎn)和反饋點(diǎn)之間產(chǎn)生零誤差(靜差)，為了產(chǎn)生有限的輸出信號(hào)，必須保持這種靜 差。加大K可以減小靜差，但是K過(guò)大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不 穩(wěn)定。 為了消除這種靜差，可以引入積分控制環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并 積分，即使只存在很小的偏差，也可以將其積

50、分后作用于操作部分，有利于消除 靜差。但是積分作用具有滯后特性，它總是滯后于偏差的存在，這樣會(huì)使系統(tǒng)易 于振蕩，結(jié)果往往超調(diào)，使被控變量波動(dòng)很大。積分控制常用于補(bǔ)償高精度的控 制系統(tǒng)。 微分控制能對(duì)誤差進(jìn)行微分，敏感出誤差的變化趨勢(shì)，將預(yù)期的動(dòng)作作用于 操作部分，增大微分控制作用可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減小，增加系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是微分控制對(duì)干擾同樣敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分控 制可用于補(bǔ)償快速變化的控制系統(tǒng)。 (2) PID控制規(guī)律的離散化 為了用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，必須將式表示PID控制規(guī)律的連續(xù)形式變成離散 形式，才能通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。若設(shè)溫度采樣周期為T(mén),第n次采樣

51、得到的輸入偏差為en, 輸出為U。 微分用差分代替 de①=9電1 式2-3 dt T t n 積分用求和代替 .°e(t)dt八ekT 式2-4 k=0 這樣PID控制器控制算法的離散形式改寫(xiě)為 Un 二 Kp[q , Q「Td “式2-5 Ti k=o T 這種算法的缺點(diǎn)是，由于是全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)， 計(jì)算時(shí)要對(duì)E(n)進(jìn)行累加，所以計(jì)算機(jī)工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的 U(n) 對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障， u(n)的大幅度變化會(huì)引起 執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合， 可能造成重大

52、的生產(chǎn)事故，因此產(chǎn)生了增量式 PID控制的控制算法。 所謂增量式PID控制算法是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 U(n)。當(dāng)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，可由式導(dǎo)出提供增量的 PID控制算法。根據(jù)遞推 規(guī)律得： n 4 U(n- 1) = KPe(n-1) e(j) Kd[e(n - 1)-e(n-2)] 式2-6 j=0 用式2-5減去式2-6可得: 式2-7 T 人 Un -Un」二 Kp[e(n) -e(n -1) -en -2en」en』 Ti T 改寫(xiě)成： Un =UnJ Kp{E( n) -E(n -1) KE( n) K°[E( n) -2E( n

53、-1) E(n -2)]} =U( n—1) PP P FD 式 2-8 事實(shí)證明，對(duì)于PID這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)和民用對(duì)象， 并以其很高的性價(jià)比在市場(chǎng)中占主導(dǎo)地分反映了 PID控制，但在工業(yè)控制過(guò)程中經(jīng) 常會(huì)碰到大滯位，充后、時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，其中有的是非線性系統(tǒng) ；有 的帶有延時(shí)和隨機(jī)干擾；有的無(wú)法獲得較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型或者模型非常粗燥。對(duì)于 以上這些系統(tǒng)，如果采用常規(guī)的 PID控制器，貝U難以整定PID參數(shù)，因此比較難以 達(dá)到預(yù)期的控制效果。同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困 擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工礦的適用性

54、很差。 三、軟件設(shè)計(jì) 1、溫度傳感器DS18B20莫塊軟件設(shè)計(jì) DS18B20上電后處于空閑狀態(tài)，需要控制器發(fā)能完成溫度轉(zhuǎn)換。DS18B2的單線 通訊功能是分時(shí)完成的，具有嚴(yán)格的時(shí)序要求，而 AT89C205單片機(jī)并不支持單線 傳輸，必須采用軟件的方法來(lái)模擬單線的協(xié)議時(shí)序。 DS18B2的操作必須嚴(yán)格按照 協(xié)議進(jìn)行。工作協(xié)議流程為：主機(jī)發(fā)復(fù)位脈沖初始化 DS18B20^ DS18B2發(fā)響應(yīng)脈 沖f主機(jī)發(fā)R0操作指令f主機(jī)發(fā)存儲(chǔ)器操作指令f數(shù)據(jù)傳輸。 對(duì)DS18B2操作時(shí)，首先要將它復(fù)位。復(fù)位時(shí)，D戯被拉為低電平，時(shí)間為480? 960us;接著將數(shù)據(jù)線拉為高電平，時(shí)間為 15?6

55、0us;最后DS18B2發(fā)出60?240us 的低電平作為應(yīng)答信號(hào)，這時(shí)主機(jī)才能進(jìn)行讀寫(xiě)操作。 進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫(xiě)起始信號(hào)。從 DQ線的 下降沿起計(jì)時(shí)，在15us到60us這段時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行檢測(cè)，如數(shù)據(jù)線為高電平 則寫(xiě)1;若為低電平，則寫(xiě)0,完成了一個(gè)寫(xiě)周期。在開(kāi)始另一個(gè)寫(xiě)周期前，必須 有1us以上的高電平恢復(fù)期。每個(gè)寫(xiě)周期必須要進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，將數(shù)據(jù)線從高電平 拉至低電平，產(chǎn)生寫(xiě)起始信號(hào)。從 D戯的下降沿起計(jì)時(shí)，在15us到60us這段時(shí)間 內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行檢測(cè)，如數(shù)據(jù)線為高電平則寫(xiě) 1;若為低電平，則寫(xiě)0,完成了一 個(gè)寫(xiě)周期。在開(kāi)始另一個(gè)寫(xiě)周期前，必須有

56、1us以上的高電平恢復(fù)期。每個(gè)寫(xiě)周期 必須要有60us以上的持續(xù)期 讀操作時(shí)，主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平 1us以上，再使數(shù)據(jù)線升為高電 平，從而產(chǎn)生讀起始信號(hào)。從主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平起 15us至60us， 主機(jī)讀取數(shù)據(jù)。每個(gè)讀周期最短的持續(xù)期為 60us，周期之間必須有1us以上的高電 平恢復(fù)期。 溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值程序流程如圖13所示 圖13溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度數(shù)值程序流程 2、顯示程序設(shè)計(jì) MAX721 上電時(shí)，譯碼方式、亮度調(diào)節(jié)、掃描位數(shù)、待機(jī)開(kāi)關(guān)和顯示檢測(cè) 5 個(gè)控制寄存器全部清零。對(duì)于 MAX7219串行數(shù)據(jù)以16位數(shù)據(jù)包的形式從DIN腳串 行

57、輸入，在CLK勺每一個(gè)上升沿一位一位的送入芯片內(nèi)部16位移位寄存器，而不管 LOA腳的狀態(tài)如何。LOA腳必須在第16個(gè)上升沿出現(xiàn)的同時(shí)或之后，但在下一個(gè) CLKt升沿之前變?yōu)楦唠娖?，否則移入的數(shù)據(jù)將丟失。 3、鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì) 在按鍵的軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮了按鍵去抖動(dòng)技術(shù)問(wèn)題。因?yàn)榘存I的無(wú)操作抖動(dòng)很 可能影響單片機(jī)對(duì)按鍵的判斷，因此必須考慮去抖動(dòng)問(wèn)題。鍵盤(pán)的程序流程圖如 4、PID控制程序設(shè)計(jì) 由式2-8可以改寫(xiě)成： P(K)=P(K-1)+K p[E(K)-E(K-1)]+K i2 E(K)+Kd[E(K)-2E(K-1)+E(K-2)] =P(K-1)+P p+P+PD 式 3

58、-1 根據(jù)式3-1編程，相應(yīng)的程序框圖如圖15所示: 圖15 PID算法程序流程圖 5、主程序流程圖及程序設(shè)計(jì) (1)系統(tǒng)主程序流程圖如圖16所示。 有了各個(gè)功能塊的軟件實(shí)現(xiàn)方法，軟件的總體設(shè)計(jì)就變得簡(jiǎn)單了，軟件設(shè)計(jì) 中一個(gè)重要的思想就是采用模塊化設(shè)計(jì)，把一個(gè)大的任務(wù)分解成若干個(gè)小任務(wù)， 分別編制實(shí)現(xiàn)這些小任務(wù)的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來(lái)，就可 以實(shí)現(xiàn)這個(gè)大任務(wù)了。這種思路對(duì)于可重復(fù)使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因?yàn)椴?僅程序結(jié)構(gòu)清晰，而節(jié)約程序存儲(chǔ)空間。 程序開(kāi)始 初始化數(shù)據(jù) 調(diào)顯示程序 中斷設(shè)置 調(diào)比較程序 初始化 DB18B20 初始化 MAX7

59、219 獲取溫度數(shù)值 Y i r 調(diào)PID算法 ■ Outflag=1 N N Outflag=-1 Y 啟動(dòng)制冷 啟動(dòng)制冷 1 調(diào)PID算法 i是否與設(shè)定值相等 N Y 圖16主程序流程圖 (2)主程序設(shè)計(jì) # nclude “ AT89C051.h #i nclude vintrin s.h> sbit TSOR=P1A7; // 溫度測(cè)試端 sbit DIN=P1A2; //MAX7219 串行數(shù)據(jù)輸入 sbit LOAD=P1A1； //MAX7219 裝載數(shù)據(jù)輸入 sbit LCK=P1A0； //MAX721

60、9 時(shí)鐘輸入 sbit SCL=P3A2; //AT24C32 信號(hào)線 sbit SDA=P3A3; // AT24C32 數(shù)據(jù)線 sbit OUT0=P3A4; // 控制制冷光耦 sbit OUT1=P3A5; // 控制加熱光耦 sbit weidog=P3A7; // 看門(mén)狗 [************************* ******************************' #define uchar unsigned chau; #define uint unsigned uint; uchar temp1,temp2; // 溫度的整數(shù)和小數(shù)

61、 void Delay15(); // void Delay60(); // void Delay100ms(); // void Write0TS(); // void Write1TS(); // void ReadTS(); // void ResetTS(); // void WriteBTS(); // void ReadBTS(); // 延時(shí) 15us 延時(shí) 60us 延時(shí) 100ms 寫(xiě)DS18B2數(shù)據(jù)位0 寫(xiě)DS18B2數(shù)據(jù)位1 讀DS18B2數(shù)據(jù)位 復(fù)位 DS18B20 寫(xiě)1字節(jié) 讀1字節(jié) uchar setb,sets,setg,setx;//

62、 預(yù)設(shè)定溫度的百、十 、個(gè)位和小數(shù)位 uchar xianb,xians,xiang,xianx;// 顯示溫度的百、 十 、個(gè)位和小數(shù)位 uchar add_1,add_10;// uchar count; //T0 中斷計(jì)數(shù) uchar pid; //PID 數(shù)值 bit outflag;// 升溫降溫標(biāo)志位 bit alert; /************************* 函 數(shù) 聲 明 *********************************/ void Init Interupt (); /***************

63、*********** 鍵 盤(pán) 掃 描 *********************************/ uchar key (); /********************* MAX7219 子程序 *********************************/ void send(uchar add, dat) /******************* 溫 度 傳 感 器子程 序  void InitTS(); // 初始化 DS18B20 void GetTempTS(); // 讀取測(cè)得的溫度 /**************

64、********** 比 較 程 序 ********************************/ Void compare(); /************************ 主 程 序 void main() {uchar i,j; uchar aa;// PID 值 sp=0x50; TSOR=1;// 1 —wire 總線釋放 Delay(500);// 延時(shí) 500ms InitInterupt();// 初始化中斷設(shè)置 setb=Ox00; sets=Ox02; setg=

65、Ox03 setx=Ox05; // 預(yù)設(shè)值 23.5 °C count=0; P1=0xff; InitTS();// 初始化 DS18B20 send(Ox0c;Ox01);// send(Ox0b;Ox07);// send(Ox0a;Oxf5);// send(Ox09;Oxff);// while(1) { GetTempTS();// i=temp1; if(i>=0 {xianb=i/100; 設(shè)定停機(jī)方式 掃描7位 亮度等級(jí) 譯碼方式 讀取測(cè)得的溫度 i<=100) j=i%100; xians=j/10; xiang=j%10 | 0x80

66、; xinx=temp2; send(0x01;xianb);// send(0x02;xians);// send(0x03;xiang);// send(0x04;xianx);// 顯示測(cè)得的溫度 send(0x05;setb);// send(0x06;sets);// Send(0x07;setg);// send(0x08;setx);// 顯示預(yù)設(shè)定的溫度 } else alert=1; 警告 void key(); // 調(diào)按鍵掃描 void compare(); // 調(diào)比較程序 if(outflag==1) { pid=_a_func(); // 調(diào)PID算法 for(i=0;i<8,i++)〃 將PID算法值送到輸出口 {j=aa&0x01; 0UT0=j; // 啟動(dòng)壓縮機(jī)工作 aa=aa>>1; i++;} } else if(outflag==-1) { pid=_a_func(); for(i=0;i<8,i++) {j=aa&0x01; 0UT01=j;// 啟動(dòng)電加熱 aa=aa>>1;