1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）2011 屆 題 目 抗酸染色實(shí)驗(yàn)恒溫箱溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 論文字?jǐn)?shù) 完成日期 2010-12-25 抗酸染色實(shí)驗(yàn)恒溫箱溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：為了實(shí)現(xiàn)抗酸染色實(shí)驗(yàn)的恒溫控制，本文以stc89c52單片機(jī)為主控制器，采用ds18b20檢測(cè)溫度，利用數(shù)字pid算法和pwm輸出控制雙向可控硅通斷，來驅(qū)動(dòng)加熱器工作，從而實(shí)現(xiàn)溫度的控制。該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在抗酸染色實(shí)驗(yàn)恒溫箱中得到了良好的應(yīng)用。具有穩(wěn)定，易控制，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，ds18b20，可控硅，pidthe design of temperature contro

2、l system of acid-fast staining experiment thermotankabstract：in order to complete constant temperature control of acid-fast staining experiment , this article takes stc89c52 microcontroller unit as mainly controller, uses ds18b20 to detect temperature, uses a digital pid algorithm and pwm output to

3、control triac on and off, to drive the heater in order to achieve temperature control. the system is verified by experiments, and gets a good application on acid-fast staining experiment thermotank. stable, easy to control, easy operation, etc.key words：microcontroller unit , ds18b20 , triac , pid目

4、錄第一章 緒 論11.1 選題的意義11.1.1 課題來源11.1.2 研究意義11.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)11.2.1 研究現(xiàn)狀11.2.2 發(fā)展趨勢(shì)21.3 論文研究的目標(biāo)及主要內(nèi)容21.3.1 研究的目標(biāo)21.3.2 研究的主要內(nèi)容31.4 本章總結(jié)3第二章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)42.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證42.2 系統(tǒng)整體框圖52.3 stc89c52單片機(jī)簡(jiǎn)介62.4 鍵盤控制電路設(shè)計(jì)72.5 彩燈與led數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)72.5.1 彩燈狀態(tài)顯示電路72.5.2 led數(shù)碼管顯示電路82.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)92.7 溫度采集電路設(shè)計(jì)92.8 溫度控制電路設(shè)計(jì)102.9 電源電路設(shè)計(jì)10

5、2.10 本章總結(jié)11第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)123.1 系統(tǒng)總體程序流程圖123.2 按鍵功能程序設(shè)計(jì)123.3 led顯示程序設(shè)計(jì)153.4 溫度采集程序設(shè)計(jì)163.5 溫度控制程序設(shè)計(jì)193.5.1 pid簡(jiǎn)介193.5.2 溫度控制程序設(shè)計(jì)213.6 定時(shí)和報(bào)警程序設(shè)計(jì)243.7 系統(tǒng)調(diào)試253.8 本章總結(jié)25第四章 總結(jié)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果264.1 設(shè)計(jì)總結(jié)264.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果26參 考 文 獻(xiàn)27結(jié) 束 語28致 謝29附 錄30第1章 緒 論1.1 選題的意義1.1.1 課題來源本課題為與醫(yī)學(xué)院的合作研究項(xiàng)目“抗酸染色實(shí)驗(yàn)裝置”的子課題。該裝置可用于生產(chǎn)、科研、醫(yī)院和計(jì)量部門等實(shí)驗(yàn)室做恒定

6、溫度實(shí)驗(yàn)和檢定溫度。本文針對(duì)課題中的溫度控制部分進(jìn)行研究。1.1.2 研究意義 在抗酸染色實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)涂有細(xì)菌的玻片進(jìn)行恒溫加熱。溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有重要作用，過高或者過低的溫度都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，從而得到錯(cuò)誤的結(jié)論，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。因此，研究高性能的恒溫控制系統(tǒng)對(duì)于抗酸染色實(shí)驗(yàn)具有重要意義。溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中至關(guān)重要的一個(gè)因素, 在醫(yī)藥、冶金、航空和化工中都起著重要的作用, 溫度的高低可以影響著許多產(chǎn)品的質(zhì)量和使用的壽命以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性。在現(xiàn)代的各種工業(yè)生產(chǎn)中，很多地方都需要用到溫度控制系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)控制精度低，控制能力較弱，故智能化的控制系統(tǒng)成為一種發(fā)展的趨

7、勢(shì)。恒溫箱控制系統(tǒng)有著廣泛的用途，可供醫(yī)療衛(wèi)生、生物、科研中用做儲(chǔ)存菌種，細(xì)胞培養(yǎng)，制藥行業(yè)藥品檢測(cè)，醫(yī)院臨床檢驗(yàn)，也可在農(nóng)業(yè)中作為育種、發(fā)酵、育雛菌種培養(yǎng)以及其他恒溫實(shí)驗(yàn)和恒溫培養(yǎng)，是進(jìn)行科研的必需設(shè)備。因此, 研究高性能的溫度控制系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 研究現(xiàn)狀實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行抗酸染色實(shí)驗(yàn)的過程中，所使用的傳統(tǒng)恒溫箱對(duì)溫度的控制響應(yīng)慢、超調(diào)大、精度低，其采用模擬電路方法，溫度漂移及元器件的參數(shù)誤差對(duì)溫度的設(shè)定及控制精度影響較大，自動(dòng)化程度低，成本高。而且這類恒溫箱大都采用機(jī)械觸點(diǎn)控溫，以電阻絲、電熱管為發(fā)熱源，靠風(fēng)機(jī)或水循環(huán)熱量，保持箱內(nèi)溫度。這類恒溫箱存

8、在以下問題：機(jī)械觸點(diǎn)控溫，調(diào)溫鈕易松動(dòng)指示不準(zhǔn)，傳感器靈敏度差，溫差范圍誤差大，變化幅度正負(fù)3-5；機(jī)械式傳感器觸點(diǎn)易打火炭化，時(shí)常出現(xiàn)接觸不良或粘連。嚴(yán)重時(shí)引起電路、箱體內(nèi)膽、熱源、待測(cè)樣品燒壞，器皿炸裂。造成分析結(jié)果的偏差、實(shí)驗(yàn)失敗和經(jīng)濟(jì)損失；熱源熱效率低，工作時(shí)間長(zhǎng)。電阻絲、電熱管長(zhǎng)時(shí)間工作易蒸發(fā)老化壽命短；設(shè)備故障率高，技術(shù)含量雖不高，但維修過程復(fù)雜。維修機(jī)械溫控，更換電阻絲、電熱管、水箱補(bǔ)漏等故障，幾乎要分解箱體，不方便維修；無超溫、漏電保護(hù)裝置，采用電阻絲熱源的箱體存在明火，有安全隱患。恒溫箱控制系統(tǒng)有著廣泛的用途，可供醫(yī)療衛(wèi)生、生物、科研中用做儲(chǔ)存菌種，細(xì)胞培養(yǎng)，制藥行業(yè)藥品檢測(cè)

9、，醫(yī)院臨床檢驗(yàn)，也可在農(nóng)業(yè)中作為育種、發(fā)酵、育雛菌種培養(yǎng)以及其他恒溫實(shí)驗(yàn)和恒溫培養(yǎng)，是進(jìn)行科研的必需設(shè)備。隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能控制越來越普遍，具有簡(jiǎn)單、精確、可靠以及智能化等特點(diǎn)。電加熱設(shè)備溫度特性復(fù)雜，其溫度的測(cè)量和控制亦顯得尤為重要和復(fù)雜。多年來，研究人員一直不斷地把各種新方法和新技術(shù)應(yīng)用于電加熱設(shè)備溫度的測(cè)量和控制中，并獲得了許多的經(jīng)驗(yàn)和一定的成果。隨著計(jì)算機(jī)、智能控制理論技術(shù)的飛速發(fā)展，加熱設(shè)備參數(shù)的測(cè)量和控制已進(jìn)入微機(jī)化、智能化的新時(shí)代。1.2.2 發(fā)展趨勢(shì)在現(xiàn)代生產(chǎn)過程的檢測(cè)和控制中，溫度參數(shù)的測(cè)控量是最重要最普遍的測(cè)控項(xiàng)目之一，溫度也是日常生活中接觸最多的。隨著微電子

10、技術(shù)的發(fā)展，特別是單片微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，體積小、成本低、精度高的單片機(jī)溫度控制裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)是一種高集成度的、可產(chǎn)生智能的芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成是一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)，更由于其體積小，所以在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于單片機(jī)是按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，因此，它通常有很好的環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力，故有很好的可靠性。隨著超大規(guī)模集成電路，單片機(jī)的速度、內(nèi)存量、位數(shù)等硬件性能也大為提高，采用單片機(jī)對(duì)溫度控制具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。因此，以單片機(jī)為核心組成的溫度控制系統(tǒng)是一種必然的結(jié)構(gòu)形式。隨著各種應(yīng)用對(duì)溫度控制精度的要求不斷提高，傳統(tǒng)的模擬式儀表已經(jīng)較難達(dá)到目標(biāo)控制要求。各種新的控制理論和經(jīng)

11、典的控制方法在溫度控制中的研究與應(yīng)用也在不斷發(fā)展，新型的、現(xiàn)代化的測(cè)溫技術(shù)不斷出現(xiàn)；溫度信號(hào)的轉(zhuǎn)化與處理趨于數(shù)字化、微機(jī)化和智能化；智能控制理論與技術(shù)日漸成為溫度控制的基本理論與技術(shù)。文獻(xiàn)【4】介紹了傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid和柔性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid分別應(yīng)用于恒溫箱溫度控制不同之處。文獻(xiàn)【5】介紹了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的pid溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)【6】介紹了模糊pid的控制原理，以及在恒溫箱溫度控制中的應(yīng)用。文獻(xiàn)【7】介紹了利用位置式pid控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫箱溫度的控制。因此，在抗酸染色實(shí)驗(yàn)裝置中采用基于數(shù)字pid算法和單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)必然會(huì)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。1.3 論文研究的目標(biāo)及主要內(nèi)容1.3.1

12、 研究的目標(biāo)本課題研究的目標(biāo)是以stc89c52單片機(jī)為核心器件，設(shè)計(jì)一款抗酸染色實(shí)驗(yàn)恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)，主要完成對(duì)抗酸染色實(shí)驗(yàn)過程的恒溫加熱的控制，同時(shí)具有報(bào)警、定時(shí)加熱等功能。課題研究的主要目標(biāo)及技術(shù)參數(shù)有以下幾點(diǎn)：（1）通過按鍵設(shè)定加熱目標(biāo)溫度和恒溫時(shí)間；（2）通過led數(shù)碼管顯示溫度和時(shí)間，當(dāng)目標(biāo)溫度到達(dá)時(shí)，倒計(jì)時(shí)；（3）通過綠、黃、紅彩燈顯示正在加熱、定時(shí)倒計(jì)時(shí)、加熱停止報(bào)警；（4）紅燈閃爍報(bào)警的同時(shí)，結(jié)合蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警；（5）應(yīng)用pid算法提高控制精度；溫度誤差小于0.2攝氏度；（6）系統(tǒng)加熱溫度小于100攝氏度。1.3.2 研究的主要內(nèi)容該系統(tǒng)由stc89c52單片機(jī)控制實(shí)

13、現(xiàn)對(duì)抗酸染色實(shí)驗(yàn)過程的定時(shí)恒溫加熱，通過按鍵可以設(shè)定目標(biāo)溫度和恒溫時(shí)間，然后通過數(shù)碼管顯示，配以led彩燈顯示實(shí)驗(yàn)處于哪一階段。課題研究的內(nèi)容主要有以下幾點(diǎn)：（1）研究單片機(jī)的工作原理（2）研究各種pid算法及其在溫度控制中的應(yīng)用（3）研究抗酸染色實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)及要求指標(biāo)（4）研究大功率加熱管的驅(qū)動(dòng)原理及其控制方式（5）研究系統(tǒng)按鍵、顯示、報(bào)警等模塊電路的設(shè)計(jì)及其與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)（6）研究系統(tǒng)整體硬件電路及其程序設(shè)計(jì)。1.4 本章總結(jié)本章對(duì)課題的選題意義、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)和論文研究的目標(biāo)及主要內(nèi)容做了比較簡(jiǎn)單的介紹。加熱溫度和加熱時(shí)間是影響抗酸染色實(shí)驗(yàn)的重要因素，因此，研究高性能的溫度控制系

14、統(tǒng)具有重要意義。第2章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)方案比較論證如下：1. 測(cè)溫模塊方案一：采用鉑熱電阻采集溫度數(shù)據(jù)，通過a/d轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送給單片機(jī)。大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻率隨溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)，這就是熱電阻測(cè)溫的基礎(chǔ)。一般熱電阻的測(cè)量范圍可達(dá)-200+500，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，適宜于測(cè)低溫。熱電阻測(cè)得的信號(hào)需要經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換，才能送給單片機(jī)。原理框圖如圖2-1所示。熱電阻pt100放大電路a/d轉(zhuǎn)換單片機(jī)圖2-1 測(cè)溫方案一原理框圖方案二：采用數(shù)字溫度傳感器ds18b20采集溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直接送給單片機(jī)。ds18b20的

15、測(cè)溫范圍是-55125，精度為0.5。該傳感器將半導(dǎo)體溫敏器件、a/d轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等做在了一個(gè)很小的集成電路芯片上，傳感器直接輸出的就是溫度信號(hào)數(shù)字值。信號(hào)傳輸采用單總線結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。原理框圖如圖2-2所示。ds18b20數(shù)字溫度傳感器單片機(jī)圖2-2 測(cè)溫方案二原理框圖比較方案一與方案二，優(yōu)缺點(diǎn)如下：雖然熱電阻測(cè)量范圍寬，精度高，但是測(cè)量方法復(fù)雜，成本較高；而ds18b20數(shù)字溫度傳感器雖然測(cè)量范圍小，但已經(jīng)能夠滿足本系統(tǒng)的測(cè)量范圍要求和精度要求，而且測(cè)量方法簡(jiǎn)單，無需進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，成本也低。故選擇方案二。2. 溫度控制模塊方案一：采用繼電器驅(qū)動(dòng)電加熱管加熱升溫。通過單

16、片機(jī)i/o口控制電平轉(zhuǎn)換，觸發(fā)繼電器線圈的的通斷，來驅(qū)動(dòng)加熱管進(jìn)行加熱。繼電器是一種電子控制器件，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。原理框圖如圖2-3所示。單片機(jī)繼電器加熱管 圖2-3 溫控方案一原理框圖方案二：采用雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電加熱管加熱升溫。通過單片機(jī)i/o口的電平轉(zhuǎn)換控制雙向可控硅的通斷，驅(qū)動(dòng)加熱管加熱。雙向可控硅是在普通可控硅的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅，而且僅需一個(gè)觸發(fā)電路，是比較理想的交流開關(guān)器件。原理框圖如圖2-4所示。單片機(jī)雙向可控硅加熱管圖2-4 溫控方案二原理框圖比較方案一與方案二，優(yōu)缺點(diǎn)如下： 雖

17、然繼電器控制電路簡(jiǎn)單，但是加熱過程加熱管通斷頻繁，繼電器的觸點(diǎn)容易損壞；而雙向可控硅用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離，以小功率控制大功率，具有反應(yīng)快，在微秒級(jí)內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點(diǎn)運(yùn)行，無火花，無噪音；效率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。故選擇方案二。3. 顯示模塊方案一：采用lcd1602液晶顯示器。1602液晶顯示器，每行顯示16個(gè)字符，共顯示2行，并行接口。其體積小、功耗低、顯示操作簡(jiǎn)便。方案二：采用led數(shù)碼管顯示器。8段led數(shù)碼管，內(nèi)部由8個(gè)發(fā)光二極管組成，能顯示數(shù)字0-9和部分字母。比較方案一與方案二，優(yōu)缺點(diǎn)如下：1602液晶顯示器顯示內(nèi)容多，人機(jī)交互性好，但是成本較高；而本系統(tǒng)只需顯示溫度

18、和定時(shí)時(shí)間，數(shù)碼管就能很好的實(shí)現(xiàn)這一功能，且成本低。故選擇方案二。2.2 系統(tǒng)整體框圖在用89c52單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，首先要構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)，單片機(jī)才能正常工作，即將單片機(jī)接上時(shí)鐘（晶振）電路和復(fù)位電路。經(jīng)過細(xì)致的分析與論證，我將本系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化，分為幾個(gè)簡(jiǎn)單的模塊，再將各個(gè)模塊進(jìn)行統(tǒng)籌結(jié)合，最終構(gòu)成了完整的一個(gè)系統(tǒng)，如圖2-5系統(tǒng)整體框圖所示。電源電路給整個(gè)系統(tǒng)提供+5v電源，通過溫度傳感器采集到的溫度信號(hào)送給單片機(jī)，然后單片機(jī)模擬pwm控制可控硅的通斷來驅(qū)動(dòng)加熱管加熱或關(guān)斷。通過鍵盤設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)， led顯示，并提供聲光報(bào)警。圖2-5 系統(tǒng)原理框圖2.3 stc89c52單片機(jī)簡(jiǎn)介stc8

19、9c52rc單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，它是一種高性能cmos8位微控制器，器件采用stc公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)的指令系統(tǒng)。89c52單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。它由如下功能部件組成：（1） 微處理器（cpu）：89c52單片機(jī)中有1個(gè)8位的cpu，包括了運(yùn)算器和控制器。（2） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram)：片內(nèi)512b的ram以高速ram的形式集成在單片機(jī)內(nèi)，可以加快單片機(jī)的運(yùn)行速度，而且這種結(jié)構(gòu)的ram還可以降低功耗。（3） 程序存儲(chǔ)器(8kb flash rom)：89c52片內(nèi)集成有8kb的flash存儲(chǔ)器，用來存儲(chǔ)

20、程序。（4） 中斷系統(tǒng)：8個(gè)中斷源，4級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。（5） 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：片內(nèi)有3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有4種工作方式。 （6）串行口：1個(gè)全雙工的串行口，具有4種工作方式。（7）4個(gè)8位可編程并行i/o口（p0口、p1口、p2口、p3口）（8） 特殊功能寄存器（sfr）：共有21個(gè)特殊功能寄存器，用于cpu對(duì)片內(nèi)個(gè)功能部件進(jìn)行管理、控制和監(jiān)視。圖2-6 stc89c52單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)目前89c52單片機(jī)多采用40只引腳的雙列直插封裝方式，如圖2-7所示。圖2-7 89c52雙列直插封裝方式的引腳2.4 鍵盤控制電路設(shè)計(jì)鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人

21、工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。常用的鍵盤接口分為獨(dú)立式鍵盤接口和行列式鍵盤接口。1. 獨(dú)立式鍵盤接口獨(dú)立式鍵盤就是各鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一條輸入線，通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易地判斷哪個(gè)按鍵被按下。在按鍵數(shù)目較多時(shí)，獨(dú)立式鍵盤電路需要較多的輸入口線，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。2. 行列式鍵盤接口行列式（也稱矩陣式）鍵盤用于按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。如圖2-所示，一個(gè)44的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成16個(gè)按鍵的鍵盤。很明顯，在按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合，行列式鍵盤與獨(dú)立式按鍵盤相比，要節(jié)省很多的i/o口線。本設(shè)計(jì)中所需按鍵較少，故選擇獨(dú)立式鍵盤，如圖

22、2-8所示。通過設(shè)置鍵可以設(shè)定目標(biāo)溫度和定時(shí)時(shí)間，加減鍵來增加和降低溫度和時(shí)間的設(shè)定值。圖2-8 按鍵電路2.5 彩燈與led數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)2.5.1 彩燈狀態(tài)顯示電路彩燈顯示電路如圖2-9所示，發(fā)光二極管陽極接+5v電源，陰級(jí)與470歐姆電阻連接，再連到單片機(jī)i/o口。通過i/o口輸出的電平高低來控制彩燈亮滅，當(dāng)輸出為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的階段作出顯示，分別是正在加熱、報(bào)警、定時(shí)倒計(jì)時(shí)。圖2-9 彩燈狀態(tài)顯示電路2.5.2 led數(shù)碼管顯示電路led顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，常用的為8段數(shù)碼管，每一個(gè)段對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極數(shù)碼

23、管的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。8段共陽極led數(shù)碼管的段碼如表2-1所示。顯示字符0123456789共陽極段碼c0hf9ha4hb0h99h92h82hf8h80h90h顯示字符abcdef滅共陽極段碼88h83hc6ha1h86h8ehffh表2-1 8段led段碼在多位led顯示時(shí)，通常將所有位的段碼線的相應(yīng)段并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位的i/o口控制，而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的i/o口線控制，形成各位的分

24、時(shí)選通。若要各位led能夠同時(shí)顯示不同字符，就必須采用動(dòng)態(tài)顯示方式。即在某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段碼線上輸出相應(yīng)位要顯示的字符的段碼。這樣，在同一時(shí)刻，3位led中只有選通的那一位顯示字符，而其他三位則是熄滅的。如此循環(huán)，就可以使各位顯示將要顯示的字符。雖然這些字符實(shí)在不同時(shí)刻出現(xiàn)的，而在同一時(shí)刻，只有一位顯示，其他各位熄滅，但由于led顯示器的余輝和人眼的“視覺暫留”作用，只要每位顯示間隔足夠短，則可以造成“多位同時(shí)亮”的假象，達(dá)到同時(shí)顯示的效果。數(shù)碼管顯示部分如圖2-10所示，此數(shù)碼管為共陽級(jí)數(shù)碼管，所以需要外部低電平才能使相應(yīng)的內(nèi)部

25、二極管點(diǎn)亮。數(shù)碼管的8個(gè)腳a-dp接到單片機(jī)的p0口，位選控制端1h-6h分別接三極管q1-q6的集電極，三極管的基極分別接到單片機(jī)的p1.0-p1.5口，三極管的發(fā)射極連接在一起接+5v電源。通過p1口可以使相應(yīng)的數(shù)碼管位被選中，然后通過p0口送入相應(yīng)的段碼顯示。左邊的數(shù)碼管顯示溫度，右邊顯示定時(shí)時(shí)間。圖2-10 led顯示電路2.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路分為聲音報(bào)警和發(fā)光二極管閃爍報(bào)警，即聲光報(bào)警。光報(bào)警在前文闡述過，這里討論聲音報(bào)警。報(bào)警電路如圖2-11所示。采用蜂鳴器發(fā)出蜂鳴的聲音來達(dá)到報(bào)警的功能。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的i/o 口是無法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大

26、電路來驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來放大電流就可以了。圖2-11 報(bào)警電路2.7 溫度采集電路設(shè)計(jì)溫度采集電路原理圖如圖2-12所示。溫度傳感器采用單總線方式的集成數(shù)字溫度傳感器dsl8b20。dsl8b20數(shù)字溫度計(jì)提供9位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入dsl8b20或從dsl8b20送出，因此從主機(jī)cpu（單片機(jī)）到dsl8b20僅需一條線(和地線)，dsl8b20的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。dsl8b20的測(cè)量范圍從一55攝氏度到+125攝氏度,增量值為05攝氏度。可在1s(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。圖2-12 溫度采集電路ds18b20測(cè)溫原理如圖2

27、-13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)置值見到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(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)知道計(jì)數(shù)器2技術(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。圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。圖2-

28、13 ds18b20測(cè)溫原理圖2.8 溫度控制電路設(shè)計(jì)在本課題研究的抗酸染色實(shí)驗(yàn)恒溫箱中，要求試樣的溫度恒定保持在50-85，因此這里只需考慮加熱控制而不考慮制冷。由于電加熱管需要220v供電，因此不能直接連接單片機(jī)。溫度控制電路如圖2-14所示，由雙向可控硅bta12-600b和光電耦合器moc3062組成加熱管驅(qū)動(dòng)電路。雙向可控硅和加熱管串接在交流220v供電回路中，單片機(jī)經(jīng)運(yùn)算輸出模擬pwm，經(jīng)過光電耦合器，控制雙向可控硅的通斷，從而實(shí)現(xiàn)控制電加熱管的加熱。本溫度控制系統(tǒng)采用通斷控制，通過溫度傳感器測(cè)得的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，然后改變給定控制周期內(nèi)加熱管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，達(dá)到調(diào)節(jié)

29、溫度的目的。當(dāng)單片機(jī)的p2.0口輸出低電平時(shí)，moc3062輸出端的雙向可控硅導(dǎo)通，加熱管通電加熱；當(dāng)p2.0口輸出高電平時(shí)，moc3062輸出短的雙向可控硅關(guān)斷，加熱管斷電。圖2-14 溫度控制電路2.9 電源電路設(shè)計(jì)如圖2-15所示電路為輸出電壓+5v、輸出電流1.5a的穩(wěn)壓電源電路。它由電源變壓器t1，橋式整流電路d5，濾波電容c5、c8，防止自激電容c6、c7和一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)組成。220v交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路d5和濾波電容c5的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器lm7805的vin和gnd兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常隨市

30、電電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過lm7805的穩(wěn)壓和c8的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為ttl電路或單片機(jī)電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡(jiǎn)捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。 圖2-15 電源電路2.10 本章總結(jié)本章首先介紹了系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與論證，比較了不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，擇優(yōu)選之，確定整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。介紹了stc889c52單片機(jī)片內(nèi)硬件的總體結(jié)構(gòu)以及管腳分布等基本知識(shí)。然后詳細(xì)介紹了系統(tǒng)各模

31、塊的設(shè)計(jì)原理，分別是鍵盤控制、led顯示、聲光報(bào)警、溫度采集、溫度控制、電源電路等模塊。獨(dú)立鍵盤各按鍵相互獨(dú)立，控制簡(jiǎn)單，方便各項(xiàng)參數(shù)的是設(shè)定。8段led數(shù)碼管顯示器內(nèi)部由8個(gè)發(fā)光二極管組成，能顯示數(shù)字0-9和部分字母。led發(fā)光二極管發(fā)出閃爍光，結(jié)合蜂鳴發(fā)出蜂鳴響聲，可以實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。溫度信號(hào)的采集選用數(shù)字溫度傳感器dsl8b20，ds18b20的測(cè)溫范圍是-55125，精度為0.5，抗干擾能力強(qiáng)。溫度控制采用雙向可控硅驅(qū)動(dòng)加熱管加熱，雙向可控硅是一種理想的交流開關(guān)器件，它能很好的實(shí)現(xiàn)控制端與負(fù)載端的隔離，以小功率控制大功率。電源電路用整流橋堆結(jié)合三端穩(wěn)壓器lm7805將220v交流轉(zhuǎn)為

32、+5v電源，為系統(tǒng)供電。第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體程序流程圖軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，本系統(tǒng)采用ds18b20數(shù)字溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，存入stc89c52單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，經(jīng)處理后送led顯示，并將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)過pid運(yùn)算得到控制量并經(jīng)單片機(jī)輸出去控制加熱器。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總流程圖如圖3-1所示，其中包括了系統(tǒng)初始化、溫度測(cè)量、led顯示、按鍵處理程序、pid運(yùn)算程序、聲光報(bào)警等。圖3-1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總流程圖3.2 按鍵功能程序設(shè)計(jì)除系統(tǒng)復(fù)位鍵外，還有3個(gè)用于人工控制的按鍵。一個(gè)是菜單功能鍵，進(jìn)入設(shè)定目標(biāo)溫度和定時(shí)時(shí)間，以及確認(rèn)完成設(shè)定；另外2個(gè)按鍵分別是

33、加減鍵，增加或減少設(shè)定值。按鍵功能程序流程圖如圖3-2所示。圖3-2 按鍵功能程序流程圖按鍵功能部分程序如下：void key_scan() /按鍵掃描if(keyset=0)delay1(10);if(keyset=0)keysetnum+; /設(shè)置鍵按下次數(shù)自增 while(!keyset);if(keysetnum=1) /設(shè)置鍵按下第1次，設(shè)定溫度個(gè)位if(keyup=0)delay1(10);if(keyup=0) temp_ge+; if(temp_ge=10) temp_ge=0;while(!keyup);if(keydown=0)delay1(10);if(keydown=0

34、)temp_ge-;if(temp_ge=-1)temp_ge=9; while(!keydown); if(keysetnum=2) /設(shè)置鍵按下第2次，設(shè)定溫度十位if(keyup=0)delay1(10);if(keyup=0) temp_shi+; if(temp_shi=10) temp_shi=0;while(!keyup);if(keydown=0)delay1(10);if(keydown=0)temp_shi-;if(temp_shi=-1)temp_shi=9; while(!keydown);if(keysetnum=3) /設(shè)置鍵按下第3次，設(shè)定定時(shí)時(shí)間if(keyup

35、=0)delay1(10);if(keyup=0) time_sum+; if(time_sum=100) time_sum=0; while(!keyup);if(keydown=0)delay1(10);if(keydown=0)time_sum-;if(time_sum=-1)time_sum=99; while(!keydown); if(keysetnum=4)/設(shè)置鍵按下第4次，退出設(shè)置,開始加熱keysetnum=0; t1_flag=1; set_temp=temp_shi*10+temp_ge;3.3 led顯示程序設(shè)計(jì)led顯示程序流程圖如圖3-3所示，根據(jù)傳感器測(cè)得的溫度

36、數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算后，查表得當(dāng)前溫度所對(duì)應(yīng)的段碼（表2-1），送數(shù)碼管顯示。定時(shí)時(shí)間默認(rèn)為0，由人工設(shè)定。圖3-3 led顯示程序流程圖led顯示部分程序如下：uchar code dis_712=0x90,0xf6,0x8c,0xa4,0xe2,0xa1,0x81,0xf4,0x80,0xa0,0xff; /共陽led段碼表 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 不亮 disdata=dis_7display2; /溫度十位 discan=0xf7; delay(80); discan=0xff; disdata=dis_7display1; /溫度個(gè)位 din=0;/點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn)位 dis

37、can=0xef; delay(80); discan=0xff; disdata=dis_7display0; /溫度小數(shù)位 discan=0xdf; delay(80); discan=0xff; disdata=dis_7time0; /定時(shí)時(shí)間顯示 discan=0xfb; delay(80); discan=0xff; disdata=dis_7time1; discan=0xfd; delay(80); discan=0xff;3.4 溫度采集程序設(shè)計(jì)由于ds18b20外接電路極為簡(jiǎn)單，所以電路連接沒有問題，但是在軟件編程上，就要求嚴(yán)格按照時(shí)序進(jìn)行讀寫操作。具體操作如下：對(duì)ds18

38、b20操作時(shí)，首先要將它復(fù)位。將dq線拉低480s至960s，再將dq拉高15s至60s，然后ds18b20發(fā)出60s至240s的低電平作為應(yīng)答信號(hào)，這是主機(jī)才能對(duì)它進(jìn)行其它操作。寫操作：將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生起始信號(hào)。從dq線的下降沿起計(jì)時(shí)，在15s到60s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1；若為低電平，則寫0。至此，完成了一個(gè)寫周期。在開始另一個(gè)寫周期前，必須有1s以上的高電平恢復(fù)期。每個(gè)寫周期必須要有60s以上的持續(xù)期。讀操作：主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平1s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15s到60s，主機(jī)數(shù)

39、據(jù)讀取。每個(gè)讀周期最短的持續(xù)期為60s。兩個(gè)周期之間必須有1s以上的高電平恢復(fù)期。溫度采集程序流程圖如圖3-4所示。圖3-4 溫度采集程序流程圖溫度采集部分程序如下：/*ds18b20復(fù)位函數(shù)*/ow_reset(void)char presence=1;while(presence)while(presence) dq=1;_nop_();_nop_();/從高拉倒低dq=0;delay(50); /550 usdq=1;delay(6); /66 uspresence=dq; /presence=0 復(fù)位成功,繼續(xù)下一步 delay(45); /延時(shí)500 us presence=dq;d

40、q=1; /拉高電平/*ds18b20寫命令函數(shù)*/void write_byte(uchar val)uchar i;for(i=8;i0;i-)dq=1;_nop_();_nop_(); /從高拉倒低dq=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /5 usdq=val&0x01; /最低位移出delay(6); /66 usval=val1; /右移1位dq=1;delay(1);/*ds18b20讀1字節(jié)函數(shù)*/uchar read_byte(void)uchar i;uchar value=0;for(i=8;i0;i-)dq=1;_nop_();_nop

41、_();value=1;dq=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 usdq=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 usif(dq) value|=0x80;delay(6); /66 usdq=1;return(value);/*讀出溫度函數(shù)*/uint read_temp() uchar i,j; et0=0;ow_reset(); /總線復(fù)位delay(100);write_byte(0xcc); /跳過romwrite_byte(0x44); /發(fā)轉(zhuǎn)換命令,開始溫度轉(zhuǎn)換ow_reset(); /重新復(fù)位dela

42、y(1);write_byte(0xcc); /跳過romwrite_byte(0xbe); /讀取內(nèi)部ram的內(nèi)容j=read_byte(); /讀溫度值的低字節(jié) i=read_byte(); /讀溫度值的高字節(jié) temp1=i;temp1=8;temp1=temp1|j; / 兩字節(jié)合成一個(gè)整型變量 i=(i4; temp=i|j; /獲取的溫度放在temp中 et0=1;return temp1; /返回溫度值/*溫度數(shù)據(jù)處理函數(shù)*/work_temp(uint tem)display3=tem&0x0f; / 取小數(shù)部分的值display0=ditabdisplay3; / 存入小數(shù)部

43、分顯示值display3=tem4; / 取中間八位,即整數(shù)部分的值display1=display3%100; / 取后兩位數(shù)據(jù)暫存display2=display1/10; / 取十位數(shù)據(jù)暫存display1=display1%10;if(!display2)display2=0x0a; /最高位為0時(shí)不顯示3.5 溫度控制程序設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)中，采用的是數(shù)字pid控制算法。pid控制器是一種線性控制器，它將設(shè)定值與測(cè)量值之間偏差的比例（p）、積分（i）、微分（d）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。3.5.1 pid簡(jiǎn)介1.基本原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是pid控

44、制。pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-5所示。圖3-5 pid控制系統(tǒng)原理框圖pid控制是一種線性控制方法，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，即e(t)=r(t)-y(t)。對(duì)偏差e(t)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，將三種運(yùn)算的結(jié)果相加，就得到pid控制器的控制輸出u(t)。在連續(xù)時(shí)間域中，pid控制器算法的表達(dá)式如下： (3-1) 式中：kp為比例系數(shù)；ti為積分時(shí)間常數(shù)；td為微分時(shí)間常數(shù)。 2.基本概念 基本偏差e(t)：表示當(dāng)前測(cè)量值與設(shè)定目標(biāo)之間的偏差。設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或負(fù)，正數(shù)表示還沒有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值，這是面向比例（proport

45、ional）用的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。 累計(jì)偏差e(t)=e(t)+e(t-1) +e(t-n)：這是我們每一次測(cè)量得到偏差值的總和，是代數(shù)和，要考慮正負(fù)號(hào)運(yùn)算的。這是面向積分項(xiàng)（integral）用的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。 基本偏差的相對(duì)量e(t)-e(t-1)：用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當(dāng)前控制對(duì)象的趨勢(shì)，作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項(xiàng)（derivative）用的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。 三個(gè)基本參數(shù)kp、ki、kd：這是做好一個(gè)控制器的關(guān)鍵常數(shù)，分別稱為比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)。不同的控制對(duì)象需要選取不同的值，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試才能獲得較好的效果。標(biāo)準(zhǔn)的直接計(jì)算公式如下： （3-2）式（

46、3-2）中的u（t）直接提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，故稱為位置式pid算式或點(diǎn)位型pid算式。3.三個(gè)基本參數(shù)kp、ki、kd在實(shí)際控制中的作用 比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但過大比例會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)ti。ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)的值變得過大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。pid運(yùn)算程序

47、流程圖如圖3-6所示。圖3-6 pid運(yùn)算程序流程圖pid運(yùn)算部分程序如下：struct pid unsigned int setpoint; / 設(shè)定目標(biāo) desired value unsigned int proportion; / 比例常數(shù) proportional const unsigned int integral; / 積分常數(shù) integral const unsigned int derivative; / 微分常數(shù) derivative const unsigned int lasterror; / error-1 unsigned int preverror; / er

48、ror-2 unsigned int sumerror; / sums of errors ;struct pid spid; / pid control structureunsigned int rout; / pid response (output)unsigned int rin; / pid feedback (input)unsigned char high_time,low_time,count=0;/占空比調(diào)節(jié)參數(shù)unsigned int s;/*pid初始化*/void pidinit (struct pid *pp) memset ( pp,0,sizeof(struct pid); /*pid計(jì)算部分*/u