基于PID算法的中医理疗恒温控制器毕业论文

1、PAGE 师范学院学院 毕 业 设 计（论文）2013 届 题 目 基于PID算法的中医理疗恒温控制器专 业 电子信息工程 学生姓名 & 学 号 09283406 指导教师 * 论文字数 12806 完成日期 2013.1.4 师范学院学院教务部印制PAGE PAGE 2师范学院学院本科毕业论文PAGE IV基于PID算法的中医理疗恒温控制器摘 要：在科技与医疗技术高速发展的今天，医用理疗设备趋于高精度化，高智能化来极大地发挥中药的物理疗效。本文设计了一个基于PID算法的中医理疗恒温控制系统，阐述了系统的工作原理、硬件电路以及软件设计，论述了数字PID控制器的原理及其在恒温控制系统中的应用。控

2、制器由单片机、温度采集模块、温度控制模块、显示模块等模块组成，可结合现场温度与用户设定的目标温度，采用PID算法和PWM脉宽调制技术，使温度逐步稳定于用户设定的目标值。可应用按键设定目标温度值、加热时间，用LCD液晶显示实时时间、温度以及加热倒计时，通过绿、黄、红彩灯显示正在加热、定时倒计时、报警这三种状态。该控制器可满足理疗温控设备使用需求与控制精度，且更便捷、智能，具有广大的市场需求。关键词： PID算法，恒温控制，中医理疗 Constant Temperature Control System of TCM PhysiotherapyBased on PIDAbstract：In the

3、 rapid development of science and technology, and medical technology, medical physiotherapy equipment tends to be high-precision, high intelligence to play the physical efficacy of traditional Chinese medicine. Designed a PID algorithm-based Chinese medicine treatments thermostatic control system on

4、 the working principle of the system hardware circuit and software design, discusses the principle of digital PID controller and its constant temperature control system. Controller by the microcontroller, temperature acquisition module, temperature control module, display modules and other modules c

5、an be combined with on-site temperature and the target temperature set by the user, using PID algorithms and PWM technology, the temperature is gradually stable set by the user target. The application button is set target temperature, heating time, the LCD display real-time, temperature and heating

6、countdown display is being heated, timer countdown, alarm status of the three green, yellow, red lantern. The controller can meet the the physiotherapy temperature control equipment needs and control accuracy, more convenient, intelligent, with the majority of the market demand. Key words: PID , Con

7、stant temperature control , Physiotherapy目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc345420075 第一章 绪论 PAGEREF _Toc345420075 h 1 HYPERLINK l _Toc345420076 1.1选题的背景与意义 PAGEREF _Toc345420076 h 1 HYPERLINK l _Toc345420077 1.1.1课题来源 PAGEREF _Toc345420077 h 1 HYPERLINK l _Toc345420078 1.1.2研究意义 PAGEREF _Toc345420

8、078 h 1 HYPERLINK l _Toc345420079 1.2研究现状及发展趋势 PAGEREF _Toc345420079 h 1 HYPERLINK l _Toc345420080 1.2.1研究现状 PAGEREF _Toc345420080 h 1 HYPERLINK l _Toc345420081 1.2.2发展趋势 PAGEREF _Toc345420081 h 2 HYPERLINK l _Toc345420082 1.3论文研究的目标及主要内容 PAGEREF _Toc345420082 h 2 HYPERLINK l _Toc345420083 1.3.1论文研究

9、目标 PAGEREF _Toc345420083 h 2 HYPERLINK l _Toc345420084 1.3.2论文主要研究内容 PAGEREF _Toc345420084 h 2 HYPERLINK l _Toc345420085 第二章 硬件电路设计 PAGEREF _Toc345420085 h 4 HYPERLINK l _Toc345420086 2.1 系统硬件总体框图 PAGEREF _Toc345420086 h 4 HYPERLINK l _Toc345420087 2.2系统主要模块方案的设计与论证 PAGEREF _Toc345420087 h 4 HYPERLI

10、NK l _Toc345420088 2.2.1 测温模块 PAGEREF _Toc345420088 h 4 HYPERLINK l _Toc345420089 2.2.2温度控制模块 PAGEREF _Toc345420089 h 5 HYPERLINK l _Toc345420090 2.2.3显示模块 PAGEREF _Toc345420090 h 5 HYPERLINK l _Toc345420091 2.3 STC89C52单片机最小系统 PAGEREF _Toc345420091 h 5 HYPERLINK l _Toc345420092 2.3.1 STC89C52单片机简介

11、PAGEREF _Toc345420092 h 5 HYPERLINK l _Toc345420093 2.3.2 单片机复位电路 PAGEREF _Toc345420093 h 6 HYPERLINK l _Toc345420094 2.3.3 单片机时钟电路 PAGEREF _Toc345420094 h 7 HYPERLINK l _Toc345420095 2.3.4 控制器 I/O口分配 PAGEREF _Toc345420095 h 7 HYPERLINK l _Toc345420096 2.4按键接口电路 PAGEREF _Toc345420096 h 7 HYPERLINK l

12、 _Toc345420097 2.5 显示电路 PAGEREF _Toc345420097 h 8 HYPERLINK l _Toc345420098 2.5.1 LCD1602概述 PAGEREF _Toc345420098 h 8 HYPERLINK l _Toc345420099 2.5.2 LCD1602引脚功能 PAGEREF _Toc345420099 h 8 HYPERLINK l _Toc345420100 2.6 指示灯与报警电路 PAGEREF _Toc345420100 h 9 HYPERLINK l _Toc345420101 2.7 温度采集电路 PAGEREF _T

13、oc345420101 h 10 HYPERLINK l _Toc345420102 2.7.1 DS18B20简介 PAGEREF _Toc345420102 h 10 HYPERLINK l _Toc345420103 2.7.2 DS18B20测温原理 PAGEREF _Toc345420103 h 10 HYPERLINK l _Toc345420104 2.7.3 DS18B20与单片机接口电路 PAGEREF _Toc345420104 h 10 HYPERLINK l _Toc345420105 2.8 温度控制电路 PAGEREF _Toc345420105 h 11 HYPE

14、RLINK l _Toc345420106 2.8.1 PWM波控制 PAGEREF _Toc345420106 h 11 HYPERLINK l _Toc345420107 2.8.2控制电路图 PAGEREF _Toc345420107 h 12 HYPERLINK l _Toc345420108 2.9串行通信电路 PAGEREF _Toc345420108 h 12 HYPERLINK l _Toc345420109 2.10 DS1302时钟电路 PAGEREF _Toc345420109 h 13 HYPERLINK l _Toc345420110 2.10.1 DS1302的结构

15、 PAGEREF _Toc345420110 h 13 HYPERLINK l _Toc345420111 2.10.2 DS1302与单片机接口电路 PAGEREF _Toc345420111 h 14 HYPERLINK l _Toc345420112 2.11 供电电路 PAGEREF _Toc345420112 h 14 HYPERLINK l _Toc345420113 第三章 系统软件设计 PAGEREF _Toc345420113 h 16 HYPERLINK l _Toc345420114 3.1 系统总体程序流程图 PAGEREF _Toc345420114 h 16 HYP

16、ERLINK l _Toc345420115 3.2 按键功能程序 PAGEREF _Toc345420115 h 18 HYPERLINK l _Toc345420116 3.3 显示程序 PAGEREF _Toc345420116 h 22 HYPERLINK l _Toc345420117 3.4 温度采集程序 PAGEREF _Toc345420117 h 23 HYPERLINK l _Toc345420118 3.5 温度控制程序 PAGEREF _Toc345420118 h 25 HYPERLINK l _Toc345420119 3.5.1PID简介 PAGEREF _Toc

17、345420119 h 25 HYPERLINK l _Toc345420120 3.5.2 温度控制程序 PAGEREF _Toc345420120 h 25 HYPERLINK l _Toc345420121 3.6定时和报警程序 PAGEREF _Toc345420121 h 27 HYPERLINK l _Toc345420122 图3-7 定时报警程序流程图 PAGEREF _Toc345420122 h 28 HYPERLINK l _Toc345420123 3.7 DS1302时钟程序 PAGEREF _Toc345420123 h 29 HYPERLINK l _Toc345

18、420124 第四章 总结及实验结果 PAGEREF _Toc345420124 h 31 HYPERLINK l _Toc345420125 4.1 设计总结 PAGEREF _Toc345420125 h 31 HYPERLINK l _Toc345420126 4.2 实验结果 PAGEREF _Toc345420126 h 31 HYPERLINK l _Toc345420127 4.3 实物图 PAGEREF _Toc345420127 h 31 HYPERLINK l _Toc345420128 参 考 文 献 PAGEREF _Toc345420128 h 32 HYPERLIN

19、K l _Toc345420129 结 束 语 PAGEREF _Toc345420129 h 33 HYPERLINK l _Toc345420130 致 谢 PAGEREF _Toc345420130 h 34 HYPERLINK l _Toc345420131 附录 PAGEREF _Toc345420131 h 35 PAGE 35第一章 绪论1.1选题的背景与意义1.1.1课题来源选择该课题的最初想法是来自医用理疗方面的应用，如中药薰蒸疗法。这是传统中医常用的一种给身体局部位置治疗的方法。一般做法是把中药煎煮后倒入容器中，然后利用它产生的蒸汽向病人的病患部位进行薰蒸式的渗透，从而达到

20、逐步治疗的目的。由于自然散热较快或其他种种因素，不仅难以控制药液的温度，也难以确保在恒温时间内使药液充分渗透于病人的病变部位，无法达到最佳效果。设计类似于中药薰蒸治疗仪的智能恒温控制器，可以响应市场的需求。用户可自行设定的所需温度、恒温时间等参数。本课题针对恒温控制的特点以及实现准确温度控制的意义，设计了一款基于PID算法的医用理疗恒温控制器。1.1.2研究意义1948年世界卫生组织（World Health Organization.WHO）在世界卫生组织章程中确定了健康的定义。20世纪70年代以后，随着科学技术的发展和医学的进步，新的生物-心理-社会的医学模式代替了旧的生物医学模式，尤其是

21、物理治疗技术1在医学临床上的作业日益突出。在物理治疗中，温度是一个重要参数，当传统的温度控制方式已不能满足高精度、高速度的要求时，选择采用PID控制技术2，它具有算法简单，鲁棒性好和可靠性高的优点，新型PID控制理论和工程应用也是近年来的热门课题。采用PID控制来提高理疗温控设备的温度控制精度，能使医用理疗设备恒温控制系统简便化、智能化。本课题所采用的PID算法应用于理疗恒温控制系统中，由系统的键盘电路输入设定温度信号给单片机，温度采集电路将现场温度信号送至单片机，单片机则根据输入与反馈信号的差值进行计算，输出控制信号给温度控制电路，实现加热和停止，同时显示电路实现对现场温度的实时监控。该技术

22、能有效提高恒温控制系统的温度控制的准确性，元器件价格低廉，方便实用，相信一定会有较好的市场效益。1.2研究现状及发展趋势1.2.1研究现状现在市场上的温度控制器所选用电热元件一般都是电发热丝。接通电源时电热丝正常工作，其内部温度很高。当被加热物体的温度达到用户设定的温度时，温度控制器发出信号，停止加热。但这时电热丝的温度会高于用户设定的温度，还会继续对物体进行加热，使得被加热器件的温度继续上升。自然冷却之后，物体的温度下降到所设定的下限温度，则温度控制器发出加热信号，由于发热丝在进行温度传递时需要一定时间，难以达到较好的恒温效果。电热丝的降温是通过自然冷却的方式，温度过高就几乎没有办法使其降温

23、，所以难以用数字方法建立精确的模型。而应用传统的模拟电路来控制，不仅元器件多、电路复杂，而且抗干扰能力差，很难达到理想的控制效果。1.2.2发展趋势目前，国内外对于恒温控制系统的研究也越来越深入。温度控制系统由人工调节发展到由单片机控制，温度采集由热电偶、热电阻发展到可编程的数字温度传感器，制冷和加热的设备都有所改善，可控制的温度范围越来越大，精度逐步提高，恒温箱的应用也越来越细化。虽然恒温箱的应用在生活生产中比较多，但绝大部分都仅仅有维持温度的功能，但在医学领域中，对其实际应用有很高的标准。本课题主要是研究恒温控制系统在医学上的应用，将温度控制性能和可实现运动的机械结构结合起来，达到精确恒温

24、的目的。在当今科技迅速发展的时代，现代物理学，现代医学、生物学的迅猛发展，物理治疗也越来越受人们的关注，已成为临床综合治疗及康复医疗3中的一个重要组成部分。而国粹中医学钱学森早在上世纪80年代就提出“中医现代化，是中医的未来化，也就是21世纪我们要实现的一次科学革命，是地地道道的尖端科学”，进而提出“中医的现代化可能引起医学的革命，而医学的革命可能要引起整个科学的革命”等观点。中医理疗恒温控制实现了控制系统专业化，也成为控制领域研究的热点和发展的趋势之一。应用于控制系统的PID技术被业界普遍认为前景光明4。1.3论文研究的目标及主要内容1.3.1论文研究目标本课题研究的目标是以STC89C52

25、单片机为控制器件，设计一款恒温控制器，主要完成对恒温加热的控制，同时具有报警、定时加热、实时时间显示等功能。课题研究的主要内容及技术参数有以下几点：（1）通过按键设定加热目标温度和恒温时间；（2）通过LCD液晶显示温度和时间，当目标温度到达时，倒计时；（3）通过绿、黄、红彩灯显示正在加热、定时倒计时、报警；（4）红灯闪烁报警的同时，结合蜂鸣器发出声音报警；（5）应用PID算法提高控制精度；温度误差0.2；（6）系统加热温度100。1.3.2论文主要研究内容本课题是基于PID算法的中医理疗恒温控制器，通过查找相关资料，以及对现存问题的调研，初步要研究的内容有以下几点：（1）研究STC89C52单

26、片机原理及其应用，形成设计方案的框架；（2）研究PID算法的具体内容，理解几个典型环节的作用和应用方法。（3）研究温度采集的相关资料，选择灵敏、简便的温度传感器；（4）对温度控制部分进行研究，实现加热、恒温的精确控制功能；（5）对硬件输入输出部分进行研究，实现良好的人机交流界面；（6）对其他额外功能进行拓展，实现温度控制器的智能化、简便化；（7）对系统的整个电路图设计及程序设计进行研究。第二章 硬件电路设计2.1 系统硬件总体框图论文利用单片机技术实现对温度的控制，从而使中医理疗更智能化、简便化。基于单片机，对各功能模块进行控制，从而实现各模块的功能。控制器以STC89C52单片机作为控制核心

27、，主要包括单片机的晶振电路和复位电路，还有温度测量模块、加热控制模块、实时时钟模块、串口通信模块、液晶显示模块以及报警电路、指示灯电路和键盘电路等。根据中医理疗设备上恒温控制应用需求及对温度精度的要求，将PID算法应用于温度控制中，设计以下控制器设计方案，即以STC89C52单片机为核心控制器件，采用DS18B20数字温度传感器，无需数模拟数字转换，直接与单片机进行数字传输。应用PID算法5提高温度的精度，使温度保持在要求的一个恒定范围内。配有按键用于输入设定温度，配有LCD液晶用来显示温度，并通过绿、黄、红彩灯显示正在加热、定时倒计时、报警这三种状态。系统总体硬件框图，如图2-1所示。图 2

28、 SEQ 图 * ARABIC s 1 1 系统硬件总体框图2.2系统主要模块方案的设计与论证2.2.1 测温模块方案一： 采用热敏电阻（如PT100）PT100测温的模拟电路是把当前PT100热电阻传感器6的电阻值，转换为容易测量的电压值，经过放大器放大信号后送给A/D转换器把模拟电压转为数字信号后传给单片机AT89S51，单片机再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出进行显示，连接电路比较复杂。PT100温度传感器的测温范围从200650, B级别的PT100精度能达到0.5%，其市场价是每个20元左右。方案二：采用 DS18B20温度传感器DS18B20数字温

29、度传感器是单总线器件，线路简单，体积小，耐磨耐碰，接线方便，能直接输出数字信号，无须A/D转换。使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。其测量范围在-50- +125，在-10至+85范围内精度为0.5，当电源电压在510V之间，稳定度为1。其市场价大约在5-6元之间。比较方案一与方案二：综上所述， DS18B20具有体积小、使用方便、精密度高、全数字化、性能稳定等优点。各方面特性都满足设计要求，且价格低，电路连线简单，故选择方案二。2.2.2温度控制模块方案一： 继电器控制由单片机输出高低电平控制电加热的继电器来控制火线。输出高电平时，三极管不导通使得继电器中无电流

30、，所以电加热器不工作。输出低电平时使得三极管导通，有较大电流通过继电器，使电加热器得以正常工作。方案二： 光耦（具有过零比较功能）+ 可控硅采用单片机为核心器件，结合PID算法计算实时PWM脉冲的输出参数，再由产生的PWM波来决定双向可控硅的通断，进而控制电热丝来实现对温度的控制。用单片机并结合PID算法对温度进行控制，大大减少了温度的抖动，使温度处于相对稳定值，也减少了双向可控硅道通次数，打破了频繁通断继电器的传统温度控制方式。比较方案一与方案二，方案一虽然电路简单，容易控制，但控制器所要求温度波动为0.2，无法满足，而且频繁的接通和断开继电器会产生较大的噪音，甚至损坏器件。故选择方案二。2

31、.2.3显示模块方案一：数码管显示在单片机的应用中，数码管显示器常采用两种显示方法：静态显示和动态扫描。在显示位数较多时单片机中I/O 口的开销很大，需要提供的I/O 接口电路也较复杂，功耗比较大，扫描消耗资源比较多，占用CPU的时间多，反应不灵敏。方案二:LCD1602液晶显示LCD1602液晶是字符型液晶显示，是一种专门用于显示数字、字母、符号等点阵式LCD，常用的有16*1，16*2，20*2和40*2等。具有显示质量高，数字式接口，体积小，重量轻功耗低等优点。与数码管相比，开销小，需要提供的I/O 接口电路也较简单，功耗低，反应灵敏。比较方案一与方案二，应选择方案二。2.3 STC89

32、C52单片机最小系统2.3.1 STC89C52单片机简介本设计采用STC89C52单片机为核心处理器7。STC89C52是一种低功耗、高性能的8位微控制器。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，HYPERLINK /view/1313309.htm看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 HYPERLINK /view/281961.htm定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种HYPERLINK /view/37.htm软件可选择节电模式。

33、空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下能保存RAM的内容，此时单片机停止一切工作，等到下一个中断或硬件复位再工作。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。STC89C52单片机引脚图如图2-2所示。图2-2 STC89C52单片机引脚图2.3.2 单片机复位电路如图2-3所示为单片机复位电路。复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，不仅能使系统正常初始化，而且在程序运行出错或操作错误时，也可以按复位键重新启动系统，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，来可以提高电磁兼容性能。

34、复位电路可分为上电复位与按键复位。图 2-3单片机复位电路2.3.3 单片机时钟电路如图2-4所示为单片机时钟电路。STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，可驱动晶振振荡从而产生单片机工作所需的时序。时钟有内部产生方式和外部产生方式。如图2-4为外部时钟产生方式，即采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率为0到40MHz之间，电容值为5到30pF之间，电容值可对频率作微小调节。图 2-4 单片机时钟电路2.3.4 控制器 I/O口分配根据控制器要求设计控制器硬件电路，在硬件设计中，对单片机的I/O口8进行分配，分配方案具体如下：P0.0P0.7为LCD1602的数

35、据口输出端； P2.4P2.6为LCD1602的RS，RW，EN 输出端； P2.7为温度信号输入端； P1.7为PWM脉冲输出端； P1.4P1.6为指示灯输出端； P1.0为设置键输入端； P1.1为设定“+”键的输入端； P1.2为设定“-”键的输入端； P3.5P3.7实时时钟芯片时钟、数据、复位输入端。2.4按键接口电路 控制器共设置5个按键，其中3个功能按键，用来设置温度和时间，如下图2-5所示。其中设置键S2，接单片机的P1.0引脚判断是否需要对温度与时间进行设置，当按第一次时设置时间秒，按第二次时设置时间分，按第三次时设置时间小时，当按第四次时系统功能为设置目标温度值。加键S4

36、，用于向上调整参数，每按一次加1；减键S5，用于向下调整参数，每按一次减1。当参数全部修改完毕后，再次按设置键：用于完成设置并退出。图2-5 键盘接口电路图2.5 显示电路2.5.1 LCD1602概述字符型液晶显示是一种用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件，有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等优点。控制器采用16*2液晶显示模块LCD1602，其实物如下图2-6所示: 图2-6 1602字符型LCD实物图2.5.2 LCD1602引脚功能1602LCD采用标准的14脚（无背光）

37、或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下:第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最强，使用时可以接10K的电位器来进行调整。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W都为低电平时，可写入指令或者显示地址，都为高电平时则可读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可写入数据。第6脚：E端是使能端，低电平时执行命令。第714脚：D0到D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。单

38、片机与LCD1602接口电路9如图-7所示，可调电阻用于设计对比度，背光常亮，LCD1602数据线与单片机的P0相连。图2-7 LCD1602接口电路2.6 指示灯与报警电路控制器采用发光二极管作为状态指示、采用发光二极管与蜂鸣器作为报警器。报警器采用三极管控制，蜂鸣器与发光二极管接三极管的集电极，另一端接正5伏。并且通过P1.4口控制报警电路，当温度超标时P1.口输出低电平报警，不报警时将P1.4口置高电平。电路图如图2-8所示：图2-8指示灯、报警电路控制器采用三个发光二极管指示工作状态，2黄灯表示恒温保持定时倒计时；绿灯表示控制器正在控制加热；红灯表示恒温时间到，停止工作。2.7 温度采

39、集电路2.7.1 DS18B20简介 DS18B2010是DALLAS公司最新推出的单线数字温度传感器，新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济，能够通过简单的编程，直接读取被测温度。DS18B20可以程序设定9-12位的分辨率，精度为0.5C。 而且读取信息仅需要一根口线, 温度变换功率来源于数据总线, 因总线本身也可供电而无需额外电源。所以使用DS18B20温度传感器使系统简单化,可靠性良好，也比较节约成本。测量温度范围为55+125。C，在一10+85。C范围内，精度为0.5。DS1822的精度较差为2。温度是以“一线总线”的数字方式进行传输，增强了系统的抗干扰能力，也便于处理。D

40、S18B20有三个引脚，和脚为电源引脚，脚为数据引脚。2.7.2 DS18B20测温原理如图2-9所示为DS18B20测温原理图。DS18B20的测温原理11为：低温度系数晶振的振荡频率受温度影响小，把产生固定频率的脉冲信号送到计数器1。高温度系数晶振的震荡频率受温度影响大，所产生的脉冲信号送至计数器2。计数器1和温度寄存器预置一个-55时的基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计算，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值加1，重新装入计数器1的预置值，计数器1重新计数，当计数器2 计数到0时，温度寄存器值停止累加，这时温度寄存器中的数值就是所测温度。斜率累加器用来补偿感温

41、振荡器的非线性。在正常使用时，DS18B20的测温分辨率为0.5，若要提高精度，可采取直接读取DS18B20内部暂存寄存器的方式，将分辨率提高到0.10.01。图2-9 DS18B20测温原理图 2.7.3 DS18B20与单片机接口电路电路采用温度传感器DS18B20，可直接输出数字量，单线器件和单片机的接口只需一根信号线。能达到0.5C的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器的方法能达到0.2C以上的精度。 P2.7口和DSl8B20的引脚DQ连接,作为单一数据线，并且接4.7K上接电阻，连接电路图如图2-10所示。 图2-10 DS18B20与单片机的接口电路2.8 温度控制电路 2.8.1

42、 PWM波控制一般的加热系统具有较大的热惯性，温度难以精确控制，无法满足市场需求，本控制器采用PWM波控制，当系统输出高电平时，双向可控硅道通，电热丝通电开始加热；输出低电平时，双向可控硅截止，电热丝断电，停止加热。脉冲宽度T1与周期T的比值为（占空比），他反映了系统的输出控制量，我们实质控制的就是这量，从而控制加热器加热时间，达到对温度的控制。当环境温度下降时, 输出信号增大,输出脉宽增大, 电热丝加热时间增长，环境温度上升。反之, 当环境温度上升时,输出减少,输出脉宽减少, 电热丝加热时间减少，环境温度下降。温控过程中功率电路输出的脉冲电流方波宽度始终受温度差信号的调节控制原理如图2-11

43、所示。图2-11 PWM控制原理图2.8.2控制电路图本温度控制器采用对加热器PWM控制12，以过到对温度的控制。通过温度传感器测得的实际温度并与设定温度值进行比较，计算温度差，通过PID算法，计算加热时间，即改变给定控制周期内加热管的导通和关断时间，达到调节温度的目的。当单片机的P1.7口输出低电平时，MOC3043输出端的双向可控硅导通，此时对向可控硅BTA12-600导通，加热管通电加热；当P1.7口输出高电平时，MOC3062输出短的双向可控硅关断，对向可控硅BTA12-600截止，加热管断电，不加热。控制电路如图2-12所示。光电耦合器的光敏三极管可以通过的电流可以触发5A的双向可控

44、硅，在这之中不需要功放环节。当接通电源时，因为它具有绝缘耐压性，可以迅速地将系统与220V强电隔离开。由双向可控硅BTA12-600D和光电耦合器MOC3043组成加热管驱动电路13。双向可控硅和加热装置串联在220V的电路中，单片机经运算后输出模拟PWM波，通过光电耦合器来控制双向可控硅的通断，从而实现控制电加热管的加热。图2-12 温度控制电路2.9串行通信电路串行通信是指依次传送数据，每位数据占有一个固定的时间长度。所以，只需几个数据线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机之间、计算机与外设之间的远距离通信。本控制器可以通过此模块，可以实现微机和单片机之间的数据交换。硬件电路如图2-1

45、3所示。图2-13串行通信电路 2.10 DS1302时钟电路2.10.1 DS1302的结构DS1302时钟芯片的结构主要包含有：移动寄存器、振荡器、实时时钟、控制逻辑以及RAM。有12个寄存器，其中7个与时钟、日历有关，并以BCD码的存放数据形式。时钟芯片DS1302具有一个实时时钟和31字节静态RAM。DS1302含有的RAM分为两种，一种是单个的RAM单元，一共有31个，其中每个单元有8位的字节，命令控制字为C0H-FDH，奇数为读操作。另一种是突发方式下的RAM，可一步到位的读写所有RAM的31个字节， 命令控制字FEH为读，FFH为写。 DS1302外部引脚：表2-1为DS1302

46、外部引脚引脚号引脚名称功能1VCC2主电源2、3X1、X2振荡源，外接32768Hz晶振4GND地线5RST复位/片选线6I/O串行数据输入/输出端（双向）7SCLK串行时钟输入端8VCC1后备电源DS1302的控制字节表2-2为DS1302的控制字节 7 6 5 4 3 2 1 01RAMA4A3A2A1A0RAM 控制字节的位1到位5指示操作单元的地址，控制字节的位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，如果为1，则表示存取RAM数据。控制字节的最高有效位（位7）必须为逻辑1，否则就不能把数据写入DS1302。最低有效位（位0），如果为0，表示要进行写操作，如果为1，则表示进行读操作。3、DS

47、1302时序在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据写入DS1302，数据输入从最低位即位0开始。在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿时，读出DS1302数据，从低位0位至高位7位读出数据，如图2-14所示为数据读写时序。图2-14为DS1302数据读写时序图2.10.2 DS1302与单片机接口电路 时钟芯片DS1302与单片机的接口是由3条线完成的，单片机STC89C52的P3.6与时钟芯片的I/O串行数据引脚端相连，P3.5控制DS1302的SCLK串行时钟引脚端，P3.7控制DS1302的复位输入端。DS1302接的晶振为标准32.768KHZ石英晶振，图

48、2-15所示为DS1302与单片机接口电路。图2-15为DS1302与单片机接口电路2.11 供电电路在日常生活中，最常用、最方便的电源是220V的工频交流电源14，但该恒温控制系统需要的是稳定的+5V电源，所以要为控制系统设计直流电源电路。 由于本设计由+5V电压供电，并且+5V是主电源。变压器分别采用220/8的变压器，稳压电路分别采用集成稳压器件7805进行稳压。其工作原理与元器件的选择如下：变压器输入端经过一个保险连接电源插头，变压器后面的4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，所以后面需接一个点解整容电流变压器输出端的12V电压经桥式整流并电容滤波，在

49、电容C1两端较大的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使C1两端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三端稳压器的元件。 三端稳压器是一种集成电路元件，在电路中相当于一个有自动调节功能的电阻，当负载电流较大时，其内部电阻自动变小，而当负载电流变小时，其内部电阻又会自动变大，这样就能使稳压器的输出电压较为恒定。 因为要输出5V的电压，所以选用7805，LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护。 三端稳压器后接的电容有滤波和阻尼作用。如图2-16为系统+5V直流电源的整体图。图2-16 变压器电路图第三章 系统软件设计

50、3.1 系统总体程序流程图系统总体流程图如图3-1所示，首先进行初始化，再读取温度值并显示、进行按键扫描与处理、显示温度与时间值、进行PID运算并输出控制信息对加热驱动电路进行控制，以此循环执行。图3-1系统总体流程图系统主程序如下：void main()InitDS1302(); tmpchange();temp=tmp();init();TR0=0;PIDw=1;while(1)keyscan(); keyscanw();compare_temp(); if(flag=1) tmpchange();temp=tmp();Displaytemp(temp);Henwentemp(tmph);

51、showtime(); disdingshi(); if(miao1!=0)|(fen1!=0)|(shi1!=0) if(temp=tmph) henwenfl=1;if(flag=1) yellow=0; TR0=1; if(henwenfl=0) green=0; TR0=1; if(henwenfl=1) hengwenPID(); green=1; if(miao1=0)&(fen1=0)&(shi1=0) if(henwenfl=1)disdingshi(); yellow=1; henwenfl=0; Baojin=0; delay1(900);showtime();Baojin

52、=1; delay1(900);showtime();Baojin=0;delay1(900);showtime();Baojin=1;delay1(900);showtime();Baojin=0;delay1(900);showtime();Baojin=1;delay1(900);showtime();Baojin=0;delay1(900);showtime();Baojin=1;delay1(900);showtime();TR0=0;PIDw=1;high_time=0; 3.2 按键功能程序系统按键功能流程图如图3-2所示。按键主要完成对温度保持时间、目标温度值等参数时行设置。在

53、编写程序时主要完成判断是否有按键、去抖、键值确定、功能确定、加、减等功能。图3-2按键功能流程图键盘部分程序如下：void keyscan(void) uchar i,addr; if(set=0)delay1(2); if(set=0)lag=0; while(!set);num+; switch(num)case 1:write_com(0 x80+15); /miao write_com(0 x0F); break;case 2:write_com(0 x80+12); /fen write_com(0 x0f);break;case 3:write_com(0 x80+9); /fen

54、 write_com(0 x0f);break;case 4:num=0;flag=1;write_com(0 x0c); /退出break; if(num!=0)if(add=0)delay1(1);if(add=0);while(!add);switch(num)case 1: miao+;if(miao=60) miao=0;write_sfm(14,miao,1);break;case 2: fen+;if(fen=60)fen=0;write_sfm(11,fen,1); break;case 3: shi+;if(shi=24)shi=0;write_sfm(8,shi,1);br

55、eak;if(reduce=0)delay1(1);if(reduce=0);while(!reduce);switch(num)case 1: miao-;if(miao0)miao=59;write_sfm(14,miao,1); break;case 2: fen-;if(fen0)fen=59;write_sfm(11,fen,1);break;case 3: shi-;if(shi0)shi=23;write_sfm(8,shi,1);break; TableDs13020=miao;TableDs13021=fen;TableDs13022=shi;addr=0 x80; Writ

56、eSet1302(0 x8e,0 x00); /允许写入for(i=0;i0)i-; DQ=1; i=4; while(i0)i-;功能:读1字节函数uchar tmpread(void) uchar i,j,dat; dat=0; for(i=1;i=8;i+) j=tmpreadbit();/读1位数字程序 dat=(j1); /读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在DAT里 return(dat);功能: 向1820写一个字节数据函数void tmpwritebyte(uchar dat) uint i; uchar j; bit testb; for(j=1;j1; if(tes

57、tb) /write 1 DQ=0; i+;i+; DQ=1; i=8;while(i0)i-; else DQ=0; /write 0 i=8;while(i0)i-; DQ=1; i+;i+; void tmpchange(void) 功能: DS18B20开始获取数据并转换 dsreset(); delay(1); tmpwritebyte(0 xcc); / address all drivers on bus 写跳过读ROM指令 tmpwritebyte(0 x44); / initiates a single temperature conversion 写温度转换指令 功能: 读

58、取寄存器中存储的温度数据uint tmp() float tt; uchar a,b; dsreset(); delay(1); tmpwritebyte(0 xcc); tmpwritebyte(0 xbe); a=tmpread(); /读低8位 b=tmpread(); /读高8位 temp=b; tempSetPoint - NextPoint; / 偏差pp-SumError += Error; / 积分dError = pp-LastError - pp-PrevError; / 当前微分pp-PrevError = pp-LastError;pp-LastError = Erro

59、r;return (pp-Proportion * Error / 比例项+ pp-Integral * pp-SumError / 积分项+ pp-Derivative * dError); / 微分项温度比较处理子程序void compare_temp() unsigned char i; if(tmphtemp) if(tmph-temp10) high_time=100; /全速加热 low_time=0; else for(i=0;i10;i+) tmpchange();temp=tmp();s=temp%10*100/16;temp=temp/10; rin = s; / Read

60、 Input rout = PIDCalc ( &spid,rin ); / Perform PID Interation if (high_time=100) high_time=(unsigned char)(rout/800); else high_time=100; low_time= (100-high_time); else if(tmph0) high_time=0; /停止加热 low_time=100; else for(i=0;i10;i+) tmpchange(); temp=tmp(); s=temp%10*100/16; temp=temp/10; rin = s;