第54頁共54頁基于單片機的乳化物干燥過程控制系統(tǒng)設(shè)計摘要對乳化物進行干燥是為了使物料便于加工、運輸、駐藏和使用。本設(shè)計是以AT89S51單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)。溫度信號由溫度芯片DS18B20采集，并以數(shù)字信號的方式傳送給單片機,該控制系統(tǒng)的硬件部分，包括：溫度檢測電路、溫度控制電路、PC機與單片機串口通訊電路和一些接口電路。單片機通過對信號進行相應(yīng)處理，從而實現(xiàn)溫度控制的目的。軟件設(shè)計部分尤為重要，在這里采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要模塊有：數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、超溫報警程序、加熱程序。經(jīng)過調(diào)試，實現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化控制，使乳化物干燥過程達到較好的效果。關(guān)鍵詞：單片機，控制，溫度，干燥MICROCONTROLLER-BASEDEMULSIONDRYINGPROCESSCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTDryingoftheemulsionistomakethematerialeasytoprocess,transport,anduseofTibet.ThisdesignisbasedonAT89C51microcomputerasthecoreofthetemperaturecontrolsystem.ThetemperaturesignalbythetemperaturechipDS18B20gathering,andtransmitsbydigitalsignal'swayforthemonolithicintegratedcircuit.Inthearticleintroducedthiscontrolsystem'shardwarepart,including:Temperatureexaminationelectriccircuit,temperature-controlcircuit,PCmachineandmonolithicintegratedcircuitserialportcommunicationchannelandsomeinterfacecircuit.Themonolithicintegratedcircuitthroughcarriesoncorrespondingprocessingtothesignal,thusrealizesthetemperaturecontrolgoal.hesoftwaredesignisespeciallyimportant,usesthemodularstructureinhere,themainmoduleincludes:Nixietubedisplaysequence,keyboardscanningandpressedkeydisposalprocedure,temperaturesignalprocessingprocedure,black-whitecontrolprocedure,excesstemperaturewarningprocedure，heatingprocedure.Aftercommissioning,realizedtheintelligentcontrolsyatem,makeemulsifydryingprocesstoachievebettereffect.Keywords:SCM，Control，Temperature,Drying目錄1緒論 11.1本課題研究的對象、背景、現(xiàn)狀及意義 11.1.1背景及意義 11.1.2現(xiàn)狀 11.1.3最新研究動態(tài) 11.1.4發(fā)展趨勢 21.1.5被控對象的介紹 31.1.6單片機的發(fā)展及溫度控制系統(tǒng) 32系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 62.1系統(tǒng)的總體設(shè)計 62.2乳化物的干燥過程及溫度的設(shè)定 72.2.1原料 72.2.2預(yù)熱殺菌 82.2.3真空濃縮 82.2.4冷卻 83硬件設(shè)計 93.1單片機選型原則 93.2單片機的選擇 103.374HC245芯片的選定 163.4溫度采集硬件的選擇 173.4.1技術(shù)性能描述 183.4.2應(yīng)用范圍 193.4.3接線說明 193.5顯示硬件的選擇 223.6按鍵的選擇 223.7通信部分 223.8報警加熱部分 233.9Proteus軟件的介紹 243.10總體電路原理圖 254軟件設(shè)計 264.1KeilC51軟件的介紹 264.2設(shè)計思路、流程圖 264.2.1溫度采集模塊 274.2.2數(shù)據(jù)處理模塊 284.2.3鍵盤模塊 294.2.4加熱報警模塊 304.2.5編寫程序所需要的總流程圖 314.2.6本設(shè)計的源程序代碼 325單片機控制溫度的說明及PID控制 335.1溫控制的說明 335.2PID控制原理及算法 335.2.1控制原理 335.2.2控制規(guī)律及對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響 346仿真 356.1下面是仿真的結(jié)果和分析 357總結(jié) 36附錄Ⅰ 37附錄Ⅱ 38參考文獻 47致謝 491緒論1.1本課題研究的對象、背景、現(xiàn)狀及意義1.1.1背景及意義干燥在化工生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，因為絕大多數(shù)的固化工產(chǎn)品都有一定的含濕量要求。例如，聚氯乙烯的含水量須低于0.3%，否則在其制品中將有氣泡生成；抗菌素含水量太高會影響其使用期限；不經(jīng)干燥的染料在包裝桶中貯藏時，濕物料會沉降分層，使各層中染料含量不同，這會給使用廠家?guī)碓S多不必要的麻煩。所以，干燥的意義是使物料便于加工、運輸、駐藏和使用。1.1.2現(xiàn)狀幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域都有熱力干燥這一環(huán)節(jié)，涉及的材料超過6萬種。物料干燥屬于高能耗行業(yè)，據(jù)不完全統(tǒng)計，全球10％～25％的能源用于工業(yè)熱力干燥，在我國干燥所用能源占國民經(jīng)濟總能耗的12％左右。目前干燥學(xué)術(shù)研發(fā)活動地位低下，存在咀下問題：1)很多干燥的實際過程過于復(fù)雜，有時甚至無法總結(jié)歸納其采用的干燥原理；2)不少干燥的理論研究與工業(yè)應(yīng)用脫節(jié)，陷人了“理論研究一發(fā)表論文一再研艚發(fā)表論文”的怪圈，昂終失去應(yīng)用價值；3)一砦新的干燥理念在小試或巾試后，由于技術(shù)風(fēng)險性高和擴大生產(chǎn)的條件限制，只有少部分成為有活力并可在商業(yè)上應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)；4)多數(shù)干燥設(shè)備的使用壽命過長，在優(yōu)化設(shè)計方面無創(chuàng)新，阻礙了創(chuàng)新的快速發(fā)展。如目前術(shù)材干燥行業(yè)巾，尚尤突破性的技術(shù)取代常規(guī)蒸汽干燥{5)大多數(shù)工業(yè)干燥生產(chǎn)習(xí)慣于采用簡單的、無正規(guī)設(shè)計的土法干燥設(shè)施[1]。1.1.3最新研究動態(tài)1干燥創(chuàng)新技術(shù)舉例1)干燥模型近年來，一些學(xué)者采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和考慮物料收縮的孔道網(wǎng)絡(luò)等溫干燥樓型以及計算流體動力學(xué)模型(配有CFD商用計算軟件)L7一等。2)過熱蒸汽干燥用過熱蒸汽作干燥介質(zhì)，町以減少傳質(zhì)阻力，明顯增強傳熱系數(shù)。3)聯(lián)合干燥是符合國際干燥技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展趨勢的干燥方式。因為每一種干燥方法都有各自的優(yōu)點和適用范圍，聯(lián)合干燥IE是取其優(yōu)點而避其缺點。4)生物干燥原理是利用堆積的生物材料巾，微生物氧化分解有機物所產(chǎn)生的能量來實現(xiàn)干燥過程。特點是不需要消耗常規(guī)能源，干燥成本低，且使用安全。生物干燥的速度常與生物材料的含水率、溫度及通氣量有關(guān)。該技術(shù)可用于干燥紙漿混和物，在技術(shù)上和經(jīng)濟E都星可行的。5)超臨界干燥超臨界流體是一種溫度和壓力處于臨界點以上，無汽液柏界面區(qū)別而兼有液體性質(zhì)和氣體性質(zhì)的物質(zhì)相態(tài)。超臨界干燥過程實際上就是利用超臨界流體超強的溶解能力，使被干燥液體達到超臨界狀態(tài)并溶解在超臨界流體中。1.1.4發(fā)展趨勢未來干燥技術(shù)的發(fā)展總趨勢是：在同等能耗下，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量；在同等產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量下降低能耗;各種干燥技術(shù)組合和優(yōu)化以降低干燥過程對環(huán)境危害,促進可持續(xù)發(fā)展。1推進干燥技術(shù)的創(chuàng)新1)將沉積的創(chuàng)新技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙掷m(xù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，否則失去干燥技術(shù)研發(fā)的意義；2)干燥模型必須可預(yù)測轉(zhuǎn)遞現(xiàn)象和制定質(zhì)量參數(shù)．使之更具有普遍性、精確性和實用性；3)提高干燥效率不單是熱質(zhì)傳遞問題，還要考慮整個十燥系統(tǒng)的優(yōu)化，聯(lián)合干燥技術(shù)就屬一例4)真空一過熱蒸汽干燥是一項頗具發(fā)展?jié)摿Φ母稍锛夹g(shù)，可叫顯提高十燥速度，且改善干燥質(zhì)量；2推廣常規(guī)干燥的節(jié)能和排氣熱能回收技術(shù)目前在世界各國的干燥設(shè)備中，常規(guī)干燥仍占主導(dǎo)地位．在我囤木材的常規(guī)蒸汽干燥占80％以上。常規(guī)干燥能耗高的主要原因之一是排氣熱能損失大，如能有效回收排氣熱能，則可顯著減少能耗和煙塵對大氣的污染。同收排氣熱能的方法很多，比較成熟的有：用除濕機和熱管換熱器回收。除濕干燥與常規(guī)蒸汽干燥聯(lián)合，與蒸汽干燥相比，其節(jié)能率在40％以上。用熱管換熱器回收排氣熱能，其熱能回收率略低于除濕機，但由于投有運動部件，本身不消耗能量．且易于操作管理，因此．有較好的推廣應(yīng)用前景[2]。1.1.5被控對象的介紹在工業(yè)生產(chǎn)上，被干燥物料的性質(zhì)、對產(chǎn)品的要求以及生產(chǎn)能力的大小各不相同，操作上間歇或連續(xù)兩種方式，加熱方法有對流、傳導(dǎo)或輻射等方式，為了適應(yīng)這些千差萬別的特點，干燥的形式、種類必然是多種多樣的。生產(chǎn)中的幾種常見的干燥設(shè)備，有以下幾種，下面作簡要說明。1.盤架式干燥器典型的間歇式常壓干燥設(shè)備。2.轉(zhuǎn)筒干燥器直接加熱熱空氣逆流操作的干燥器。3.氣流干燥器使物料懸浮在熱氣流中被熱氣流帶走，一邊干燥，一邊向上輸送，從干燥管頂部經(jīng)旋風(fēng)分離器把干燥好的物料回收，廢氣經(jīng)除塵器后放空。4.噴霧干燥器它是一種處理液體物料的干燥器，它可使乳濁液、懸浮液、糊狀液的有機物料、無機物料、生化制品等轉(zhuǎn)化為粒度均勻的產(chǎn)品。它干燥速率快、效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好，適用于石油、化工、建筑、冶金、食品、醫(yī)藥、陶瓷、生化等行業(yè)。5.滾筒干燥器一種間接加熱連續(xù)的干燥器，其熱量的傳遞是通過器壁以傳導(dǎo)方式進行的。6.沸騰床干燥器它也叫流化床干燥器，它利用物料在硫化狀態(tài)下，與熱氣進行傳熱玉傳質(zhì)而達到干燥目的的。7冷凍干燥在低溫、低壓條件下，利用水的升華性能而進行的一種干燥方法。1.1.6單片機的發(fā)展及溫度控制系統(tǒng)單片機作為微型計算機的一個重要分支，應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。自單片機誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個機種。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。單片機誕生于20世紀70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段[3]。（1）SCM即單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。（2）MCU即微控制器（MicroControllerUnit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。（3）單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機的集成度將更高、體積將更小、功能將列強。在單片機家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司將其MCS–51系列中的80C51內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名IC制造廠商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與80C51單片機兼容的基礎(chǔ)上改善了80C51的許多特性。這樣，80C51就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為80C51系列。80C51單片機已成為單片機發(fā)展的主流。專家認為，雖然世界上的MCU品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明，80C51可能最終形成事實上的標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片?；趩纹瑱C的溫度控制主要運用單片機技術(shù)，微機接口技術(shù)，傳感器與信號處理技術(shù)來實現(xiàn)。用傳感器感知溫度，并轉(zhuǎn)換成電壓的輸出，單片機的外圍電路芯片把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入到單片機中。包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件方面有8155接口電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，溫度傳感器進行設(shè)計，然后把它們整合成為一個整體，完成對溫度進行控制的硬件部分。在軟件設(shè)計方面，對主程序，中斷服務(wù)程序，采樣子程序，數(shù)字濾波程序進行編寫[4]。用單線數(shù)字溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù),打破了傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶再通過A/D轉(zhuǎn)換采集溫度的思路。用單片機對數(shù)字進行處理和控制,通過RS-232串口傳到PC機對溫度進行監(jiān)視與報警,設(shè)置溫度的上限和下限。其優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單，編程不需要用專用的編程器,只需點擊電腦鼠標(biāo)就可以把編好的程序?qū)懙絾纹瑱C中,很方便且調(diào)試、修改和升級很容易。2系統(tǒng)的總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計溫度自動控制系統(tǒng)以單片機為核心，主要采用AT89C51單片機為中央處理器，結(jié)合高精度數(shù)字溫度傳感器及其控制電路，實現(xiàn)高精度、高可靠性。數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣燃皽?zhǔn)確性是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，采用傳感器傳輸溫度測量信號，通過單片機控制乳化物干燥設(shè)備的工作過程，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化，達到更好的干燥效果。系統(tǒng)的設(shè)計原理圖如圖2.1驅(qū)動控制模板溫度采集模板驅(qū)動控制模板溫度采集模板單片機單片機串口通信加熱報警模板板串口通信加熱報警模板板PCPC鍵盤顯示模板鍵盤顯示模板圖2-1單片機：該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，同時還要對執(zhí)行單元進行控制。單片機是整個系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心[6]。溫度信號采集與傳感器：本部分的主要作用是用傳感器檢測模擬環(huán)境中的溫度信號，溫度傳感器上電流將隨環(huán)境溫度值線性變化。再把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，使用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能夠進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號，本設(shè)計采用的是數(shù)字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內(nèi)部完成。串口通信：為了提高系統(tǒng)的可用性和實用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機與上位機的通信，便于進行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎(chǔ)工作。加熱報警：采集的溫度通過轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字信號與設(shè)定的溫度值相比較，采集的溫度高于設(shè)定值是就報警，低于就加熱，這樣能更好的、穩(wěn)定的控制干燥器內(nèi)的空氣溫度，達到更好的干燥效果。驅(qū)動器：單片機負載過多會導(dǎo)致不好的影響，驅(qū)動器正好能解決和放大要傳給顯示器的數(shù)字信號。鍵盤：本部分主要是控制溫度的輸出，從而更好的控制被控對象的溫度。2.2乳化物的干燥過程及溫度的設(shè)定2.2.1原料

用于生產(chǎn)乳粉的牛乳必須在一級品以上，酸度超過20T會嚴重影響乳粉的溶解度，在保藏過程中容易發(fā)生酸敗。乳粉在復(fù)水后應(yīng)還原到鮮乳狀態(tài)，因此，原料乳需標(biāo)準(zhǔn)化到鮮乳國標(biāo)要求。

2.2.2預(yù)熱殺菌

由于乳粉在常溫的保藏期長，脂肪酶、蛋白酶、過氧化物酶的殘留會對產(chǎn)品的風(fēng)味、色澤造成嚴重影響，必須加以鈍化；此外，產(chǎn)品中不得有致病菌檢出，大腸桿菌和雜菌數(shù)也有嚴格標(biāo)準(zhǔn)。對原料乳的殺菌可以達到以下目的：

殺滅存在于牛乳中的全部病源微生物和絕大部分其他微生物，使產(chǎn)品中微生物殘存量達到國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，成為安全食品；破壞牛乳中各種酶的活性，尤其要破壞脂酶和過氧化物酶的活性，以延長乳粉的保存期；提高牛乳的熱穩(wěn)定性；提高濃縮過程中牛乳的進料溫度，使牛乳的進料溫度超過濃縮鍋內(nèi)相應(yīng)牛乳的沸點，殺菌乳進入濃縮鍋后即自行蒸發(fā)，從而提高了濃縮設(shè)備的生產(chǎn)能力，牛乳的進料溫度等于濃縮鍋內(nèi)牛乳的沸點，也同樣可提高設(shè)備的生產(chǎn)能力，并可減少濃縮設(shè)備加熱器表面的結(jié)垢現(xiàn)象；高溫殺菌可提高乳粉的香味，同時因分解含硫氨基酸而產(chǎn)生活性巰基，提高乳粉的抗氧性，延長乳粉的保存期。

因此，乳粉原料奶的殺菌條件比較激烈，一般有中溫長時間殺菌法，72～75℃保持15分鐘；高溫短時間殺菌法，85～90℃，保溫3～5分鐘；超高溫瞬時殺菌法，120～140℃，保溫1～2秒鐘。實踐證明，無論從乳粉的衛(wèi)生及其他質(zhì)量指標(biāo)來看，高溫短時加殺菌效果良好，因此，目前乳粉生產(chǎn)上多采用高溫短時間殺菌法。超高溫瞬時殺菌不但是牛乳經(jīng)殺菌后處于無菌狀況，而且保持牛乳原有的營養(yǎng)成分，但由于設(shè)備成本高，未能得到廣泛的應(yīng)用[7]。

2.2.3真空濃縮

牛乳的87％以上都是水，未經(jīng)濃縮直接干燥的乳粉有許多缺點，通過濃縮可達到如下目的：

提高產(chǎn)品的色、香、味、形，濃縮后干燥的乳粉色澤奶黃到淡黃，而直接干燥的乳粉灰白暗淡；經(jīng)濃縮的乳粉乳香濃郁、滋味充足，未經(jīng)濃縮的乳粉乳香淡薄，缺乏乳粉滋味；經(jīng)過真空濃縮的乳粉顆粒直徑大，分散性、沖調(diào)性好，反之則性能相反；節(jié)約能源和設(shè)備，噴霧干燥時蒸發(fā)1Kg水需耗用2.8～3.2Kg蒸汽，真空濃縮只需1～1.2Kg；未濃縮乳噴干需要的干燥室體積比正常的大三分之一，設(shè)備投資高；便于包裝，直接干燥乳粉因顆粒小、密度低，包裝過程中容易發(fā)生粉塵飛揚和粘滯，包裝材料也需多耗10％。

真空濃縮的工藝條件為：單效濃縮，真空度為表壓0.08～0.0895MPa,乳溫51～562.2.4冷卻

干燥后乳粉的溫度通常都在60～72℃，溫度的高低是根據(jù)顆粒大小與在干燥室中滯留位置及工藝條件而定。如不及時對乳粉實施冷卻，容易引起蛋白質(zhì)變性；脂肪球因處于超熔點狀態(tài)，容易破裂而使游離脂肪量增多，尤其在包裝過程中，經(jīng)撞擊與摩擦，使乳粉中的脂肪滲出到表面，再保藏階段容易發(fā)生氧化。傳統(tǒng)的冷卻方法是將乳粉放入專用的不銹鋼箱內(nèi)，在室溫下自然冷卻數(shù)小時之后篩粉，更先進的是通過干燥室內(nèi)附帶的冷卻裝置冷卻，或使乳粉在卸粉過程中通過自動篩網(wǎng)，并用符合食品衛(wèi)生要求的冷風(fēng)進行冷卻，使乳粉溫度降至25～30℃，低于脂肪熔點因此，為了更好的干燥乳化物，本設(shè)計在選定控制溫度時最好把溫度控制在90-95℃，這樣才能更好的實現(xiàn)對乳化物的干燥3硬件設(shè)計3.1單片機選型原則1.性能，是最重要的參數(shù)要求，要根據(jù)設(shè)計任務(wù)的復(fù)雜程度和設(shè)計的對象來決定要完成什么養(yǎng)的任務(wù)，只選型的重要標(biāo)準(zhǔn)。2. 存儲器，是專門用來存放程序和數(shù)據(jù)的，有掩膜ROM，OTPROM,EPROM,FlashROM等類型。采用EPROM的單片機具有可以靈活修改程序的優(yōu)點，但存在需要紫外線擦除，繳費時間的缺點。Flash單片機可以電寫入、電擦除，使得修改程序很方便，可以提高開發(fā)速度，本課題需要多次調(diào)試和針對不同車型對程序稍加修改，所以選擇Flash單片機。3. 運行速度，單片機的運行速度首先看時鐘頻率，一般情況對于同一種結(jié)構(gòu)的單片機，時鐘頻率越高越快速，其次看單片機的CPU結(jié)構(gòu)，采用CISC（集中指令集）結(jié)構(gòu)比采用RISC（精簡指令接）的速度要慢。但是要根據(jù)需要選擇速度，不要片面追求高速，單片機的穩(wěn)定性、抗干擾性等基本參數(shù)跟速度成反比，而且速度越快功耗越大。4. I/O口，需要根據(jù)實際確定輸入輸出口的數(shù)量，同時還要考慮輸入輸出口的驅(qū)動能力，驅(qū)動能力大的單片機可以簡化外圍電路，51單片機下拉時驅(qū)動電流大，但上拉時驅(qū)動電流很小。本課題事宜選用4個端口的單片機以能夠滿足要求。5. 定時器/計數(shù)器，大部分單片機提供2~3個定時/計數(shù)器還具有輸入捕獲、輸出比較和PWM功能，有的單片機還有專門的可編程計數(shù)陣列模塊和輸入捕獲/輸出比較/PWM模塊，6. 模擬電路功能，現(xiàn)在不少單片機提供A/D轉(zhuǎn)換器，輸出電壓比較強，也有少量的單片機提供D/A轉(zhuǎn)換器。本課題由于無需數(shù)模轉(zhuǎn)換所以不需要此類功能單片機。7. 工作電壓、功耗，單片機的工作電壓最低可以達到1.8V,最高6V,單片機的功耗參數(shù)主要是指正常模式、空閑模式、掉電模式下的工作電流，用電池供電的系統(tǒng)要選擇小電流的產(chǎn)品，同時要考慮單片機的掉電模式，8. 封裝形式，常見的封裝形式有DIP（雙列直插），PLCC（對應(yīng)插座），QFP(四側(cè)引腳扁平封裝),SOP(雙列小外形貼片封裝)等。根據(jù)本課題，考慮的單片機的工作環(huán)境比較不穩(wěn)定，事宜選用DIP雙列直插單片機。9. 抗干擾性能、保密性，首要考慮這些因素，特別是在比較大的工業(yè)環(huán)境中的尤其應(yīng)該如此，單片機加密后的保密性能也要好，這樣可以保證知識產(chǎn)權(quán)不容易被侵犯[9]。3.2單片機的選擇單片機AT89C51的實物圖如下：圖3-1AT89C51的實物圖AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案，它的主要特性如下：·與MCS-51兼容·32可編程I/O線·4K字節(jié)可編程FLASH存儲器·兩個16位定時器/計數(shù)器·壽命：1000寫/擦循環(huán)·5個中斷源·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz·可編程串行通道·三級程序存儲器鎖定它的外形及引腳排列如圖所示：圖3-2AT89C51的管腳圖管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳備選功能:P3.0RXD（串行輸入口）、P3.1TXD（串行輸出口）、P3.2/INT0（外部中斷0）、P3.3/INT1（外部中斷1）、P3.4T0（記時器0外部輸入）、P3.5T1（記時器1外部輸入）、P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）、P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通），P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間[10]。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。串口通訊：單片機的結(jié)構(gòu)和特殊寄存器，這是你編寫軟件的關(guān)鍵。至于串口通信需要用到那些特殊功能寄存器呢，它們是SCON，TCON，TMOD，SCON等，各代表什么含義呢？SBUF數(shù)據(jù)緩沖寄存器這是一個可以直接尋址的串行口專用寄存器。有朋友這樣問起過“為何在串行口收發(fā)中，都只是使用到同一個寄存器SBUF？而不是收發(fā)各用一個寄存器?！睂嶋H上SBUF包含了兩個獨立的寄存器，一個是發(fā)送寄存，另一個是接收寄存器，但它們都共同使用同一個尋址地址－99H。CPU在讀SBUF時會指到接收寄存器，在寫時會指到發(fā)送寄存器，而且接收寄存器是雙緩沖寄存器，這樣可以避免接收中斷沒有及時的被響應(yīng)，數(shù)據(jù)沒有被取走，下一幀數(shù)據(jù)已到來，而造成的數(shù)據(jù)重疊問題。發(fā)送器則不需要用到雙緩沖，一般情況下我們在寫發(fā)送程序時也不必用到發(fā)送中斷去外理發(fā)送數(shù)據(jù)。操作SBUF寄存器的方法則很簡單，只要把這個99H地址用關(guān)鍵字sfr定義為一個變量就可以對其進行讀寫操作了，如sfrSBUF=0x99;當(dāng)然你也可以用其它的名稱。通常在標(biāo)準(zhǔn)的reg51.h或at89x51.h等頭文件中已對其做了定義，只要用#include引用就可以了。SCON串行口控制寄存器通常在芯片或設(shè)備中為了監(jiān)視或控制接口狀態(tài)，都會引用到接口控制寄存器。SCON就是51芯片的串行口控制寄存器。它的尋址地址是98H，是一個可以位尋址的寄存器，作用就是監(jiān)視和控制51芯片串行口的工作狀態(tài)。51芯片的串口可以工作在幾個不同的工作模式下，其工作模式的設(shè)置就是使用SCON寄存器。它的各個位的具體定義如下：串行口工作模式設(shè)置位，這樣兩位可以對應(yīng)進行四種模式的設(shè)置。串行口工作模式設(shè)置：SM0、SM1、SM2、REN、TB8、RB8、TI、RI、SM0、SM1。在這里只說明最常用的模式1，其它的模式也就一一略過，有興趣的朋友可以找相關(guān)的硬件資料查看。表中的fosc代表振蕩器的頻率，也就是晶振的頻率。UART為(UniversalAsynchronousReceiver）的英文縮寫。SM2在模式2、模式3中為多處理機通信使能位。在模式0中要求該位為0。REM為允許接收位，REM置1時串口允許接收，置0時禁止接收。REM是由軟件置位或清零。如果在一個電路中接收和發(fā)送引腳P3.0,P3.1都和上位機相連，在軟件上有串口中斷處理程序，當(dāng)要求在處理某個子程序時不允許串口被上位機來的控制字符產(chǎn)生中斷，那么可以在這個子程序的開始處加入REM=0來禁止接收，在子程序結(jié)束處加入REM=1再次打開串口接收。大家也可以用上面的實際源碼加入REM=0來進行實驗。TB8發(fā)送數(shù)據(jù)位8，在模式2和3是要發(fā)送的第9位。該位可以用軟件根據(jù)需要置位或清除，通常這位在通信協(xié)議中做奇偶位，在多處理機通信中這一位則用于表示是地址幀還是數(shù)據(jù)幀[11]。RB8接收數(shù)據(jù)位8，在模式2和3是已接收數(shù)據(jù)的第9位。該位可能是奇偶位，地址/數(shù)據(jù)標(biāo)識位。在模式0中，RB8為保留位沒有被使用。在模式1中，當(dāng)SM2=0，RB8是已接收數(shù)據(jù)的停止位。TI發(fā)送中斷標(biāo)識位。在模式0，發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)時，由硬件置位。其它模式中則是在發(fā)送停止位之初，由硬件置位。TI置位后，申請中斷，CPU響應(yīng)中斷后，發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。在任何模式下，TI都必須由軟件來清除，也就是說在數(shù)據(jù)寫入到SBUF后，硬件發(fā)送數(shù)據(jù)，中斷響應(yīng)（如中斷打開），這時TI=1，表明發(fā)送已完成，TI不會由硬件清除，所以這時必須用軟件對其清零。RI接收中斷標(biāo)識位。在模式0，接收第8位結(jié)束時，由硬件置位。其它模式中則是在接收停止位的半中間，由硬件置位。RI=1，申請中斷，要求CPU取走數(shù)據(jù)。但在模式1中，SM2=1時，當(dāng)未收到有效的停止位，則不會對RI置位。同樣RI也必須要靠軟件清除。常用的串口模式1是傳輸10個位的，1位起始位為0,8位數(shù)據(jù)位，低位在先，1位停止位為1。它的波特率是可變的，其速率是取決于定時器1或定時器2的定時值（溢出速率）。AT89C51和AT89C2051等51系列芯片只有兩個定時器，定時器0和定時器1，而定時器2是89C52系列芯片才有的[12]。波特率在使用串口做通訊時，一個很重要的參數(shù)就是波特率，只有上下位機的波特率一樣時才可以進行正常通訊。波特率是指串行端口每秒內(nèi)可以傳輸?shù)牟ㄌ匚粩?shù)。有一些初學(xué)的朋友認為波特率是指每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)9600會被誤認為每秒種可以傳送9600個字節(jié)，而實際上它是指每秒可以傳送9600個二進位，而一個字節(jié)要8個二進位，如用串口模式1來傳輸那么加上起始位和停止位，每個數(shù)據(jù)字節(jié)就要占用10個二進位，9600波特率用模式1傳輸時，每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)是9600÷10＝960字節(jié)。51芯片的串口工作模式0的波特率是固定的，為fosc/12，以一個12M的晶振來計算，那么它的波特率可以達到1M。模式2的波特率是固定在fosc/64或fosc/32，具體用那一種就取決于PCON寄存器中的SMOD位，如SMOD為0，波特率為focs/64,SMOD為1，波特率為focs/32。模式1和模式3的波特率是可變的，取決于定時器1或2（52芯片）的溢出速率。那么我們怎么去計算這兩個模式的波特率設(shè)置時相關(guān)的寄存器的值呢？可以用以下的公式去計算：波特率＝（2SMOD÷32）×定時器1溢出速率上式中如設(shè)置了PCON寄存器中的SMOD位為1時就可以把波特率提升2倍。通常會使用定時器1工作在定時器工作模式2下，這時定時值中的TL1做為計數(shù)，TH1做為自動重裝值，這個定時模式下，定時器溢出后，TH1的值會自動裝載到TL1，再次開始計數(shù)，這樣可以不用軟件去干預(yù)，使得定時更準(zhǔn)確。在這個定時模式2下定時器1溢出速率的計算公式如下：溢出速率＝（計數(shù)速率）/(256－TH1)上式中的“計數(shù)速率”與所使用的晶體振蕩器頻率有關(guān)，在51芯片中定時器啟動后會在每一個機器周期使定時寄存器TH的值增加一，一個機器周期等于十二個振蕩周期，所以可以得知51芯片的計數(shù)速率為晶體振蕩器頻率的1/12，一個12M的晶振用在51芯片上，那么51的計數(shù)速率就為1M。通常用11.0592M晶體是為了得到標(biāo)準(zhǔn)的無誤差的波特率，那么為何呢？計算一下就知道了。如我們要得到9600的波特率，晶振為11.0592M和12M，定時器1為模式2，SMOD設(shè)為1，分別看看那所要求的TH1為何值，代入公式：9600＝(2÷32)×((11.0592M/12)/(256-TH1))TH1＝2509600＝(2÷32)×((12M/12)/(256-TH1))TH1≈249.49上面的計算可以看出使用12M晶體的時候計算出來的TH1不為整數(shù)，而TH1的值只能取整數(shù)，這樣它就會有一定的誤差存在不能產(chǎn)生精確的9600波特率。當(dāng)然一定的誤差是可以在使用中被接受的，就算使用11.0592M的晶體振蕩器也會因晶體本身所存在的誤差使波特率產(chǎn)生誤差，但晶體本身的誤差對波特率的影響是十分之小的，可以忽略不計[13]。所以，選用AT89C51單片機是很好的選擇。3.374HC245芯片的選定74HC245是總線驅(qū)動器，典型的TTL型三態(tài)緩沖門電路。由于單片機等CPU的數(shù)據(jù)／地址／控制總線端口都有一定的負載能力，如果負載超過其負載能力，一般應(yīng)加驅(qū)動器。雙向數(shù)據(jù)8位總線接口，加強驅(qū)動能力。另外，也可以使用74HC244等其他電路，74HC244比74HC245多了鎖存器。它的實物圖如下圖3-3芯片74HC245實物圖74HC245的作用：信號功率放大，它在本設(shè)計中起到信號功率放大的作用，同時也為單片機在大負荷時能夠增大單片機的驅(qū)動能力，更好的幫助單片機處理信號等問題[14]。它的管腳圖如下:圖3-474HC245的管腳它的引腳的定義：第1腳DIR，為輸入輸出端口轉(zhuǎn)換用，DIR=“1”高電平時信號由“A”端輸入“B”端輸出，DIR=“0”低電平時信號由“B”端輸入“A”端輸出。第2~9腳“A”信號輸入輸出端，A1=B1、、、、、、A8=B8，A1與B1是一組，如果DIR=“1”O(jiān)E=“0”則A1輸入B1輸出，其它類同。如果DIR=“0”O(jiān)E=第11~18腳“B”信號輸入輸出端，功能與“A”端一樣，不再描述。第19腳OE，使能端，若該腳為“1”A/B端的信號將不導(dǎo)通，只有為“0第10腳GND，電源地。第20腳VCC，電源正極。3.4溫度采集硬件的選擇圖3-5是DS18B20數(shù)字溫度傳感器的元件圖圖3-5DS18B20數(shù)字溫度傳感器DS18B20數(shù)字溫度傳感器芯片具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。3.4.1技術(shù)性能描述DS18B20的主要特性1）、適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電2）、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊3）、DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫4）、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)5）、溫范圍－55℃～+125℃，在-10～+85℃時精度為6）、可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃7）、在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快8）、測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力9）、負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作[15]。3.4.2應(yīng)用范圍1）該產(chǎn)品適用于冷凍庫，糧倉，儲罐，電訊機房，電力機房，電纜線槽等測溫和控制領(lǐng)域.2）軸瓦，缸體，紡機，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設(shè)備測溫和控制。3）汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等。4）供熱/制冷管道熱量計量，中央空調(diào)分戶熱能計量和工業(yè)領(lǐng)域測溫和控制3.4.3接線說明1）特點：獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無需備用電源測量溫度范圍為-55℃至+125℃。華氏相當(dāng)于是-67F到257華氏度-10℃至+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃，溫度傳感器可編程的分辨率為9~12位溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，2）描述該DS18B20的數(shù)字溫度計提供9至12位（可編程設(shè)備溫度讀數(shù)。信息被發(fā)送到/從DS18B20通過1線接口，所以中央微處理器與DS18B20只有一個一條口線連接。為讀寫以及溫度轉(zhuǎn)換可以從數(shù)據(jù)線本身獲得能量，不需要外接電源。因為每一個DS18B20的包含一個獨特的序號，多個ds18b20s可以同時存在于一條總線。這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控制，感測建筑物內(nèi)溫設(shè)備或機器，并進行過程監(jiān)測和控制。3）DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。該裝置信號線高的時候，內(nèi)部電容器儲存能量通由1線通信線路給片子供電，而且在低電平期間為片子供電直至下一個高電平的到來重新充電。DS18B20的電源也可以從外部3V-5.5V的電壓得到。4）DS18B20采用一線通信接口。因為一線通信接口，必須在先完成ROM設(shè)定，否則記憶和控制功能將無法使用。主要首先提供以下功能命令之一：（1）讀ROM，（2）ROM匹配，（3）搜索ROM，（4）跳過ROM，（5）報警檢查。這些指令操作作用在沒有一個器件的64位光刻ROM序列號，可以在掛在一線上多個器件選定某一個器件，同時，總線也可以知道總線上掛有有多少，什么樣的設(shè)備。若指令成功地使DS18B20完成溫度測量，數(shù)據(jù)存儲在DS18B20的存儲器。一個控制功能指揮指示DS18B20的演出測溫。測量結(jié)果將被放置在DS18B20內(nèi)存中，并可以讓閱讀發(fā)出記憶功能的指揮，閱讀內(nèi)容的片上存儲器。溫度報警觸發(fā)器TH和TL都有一字節(jié)EEPROM的數(shù)據(jù)。如果DS18B20不使用報警檢查指令，這些寄存器可作為一般的用戶記憶用途。在片上還載有配置字節(jié)以理想的解決溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換。寫TH,TL指令以及配置字節(jié)利用一個記憶功能的指令完成。通過緩存器讀寄存器。所有數(shù)據(jù)的讀，寫都是從最低位開始。5）DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM，溫度傳感器，溫度報警觸發(fā)器TH和TL,配置寄存器，DS18B20的存儲器包括高速暫存器RAM和可電擦除RAM，可電擦除RAM又包括溫度觸發(fā)器TH和TL，以及一個配置寄存器。存儲器能完整的確定一線端口的通訊，數(shù)字開始用寫寄存器的命令寫進寄存器，接著也可以用讀寄存器的命令來確認這些數(shù)字。當(dāng)確認以后就可以用復(fù)制寄存器的命令來將這些數(shù)字轉(zhuǎn)移到可電擦除RAM中。當(dāng)修改過寄存器中的數(shù)時，這個過程能確保數(shù)字的完整性。6）溫度的讀?。篋S18B20在出廠時以配置為12位，讀取溫度時共讀取16位，所以把后11位的2進制轉(zhuǎn)化為10進制后在乘以0.0625便為所測的溫度，還需要判斷正負。前5個數(shù)字為符號位，當(dāng)前5位為1時，讀取的溫度為負數(shù)；當(dāng)前5位為0時，讀取的溫度為正數(shù)。16位數(shù)字擺放是從低位到高位[16]。7）DS18B20引腳定義：(1)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；(2)GND為電源地；(3)VDD為外接供電電源輸入（在寄生電源接線方式時接地）。8）DS18B20工作原理：DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS18B20相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。DS18B20測溫原理如圖3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送給計數(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)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功[17]9）DS1820使用中注意事項DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：a)較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設(shè)計時，對DS18B20操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。b)在DS18B20的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS18B20數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS18B20，在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS1820超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。c)連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS18B20進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。d)在DS18B20測溫程序設(shè)計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計時也要給予一定的重視。測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在源端單點接地[19]。故選用DS18B20是簡潔方便的一種選擇，它可以把采集的溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，也可以通過單片機把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換溫度信號被控對象接受，而它的采集溫度在-55℃至+125℃,而乳化物的干燥溫度一般在60℃3.5顯示硬件的選擇該設(shè)計顯示部分采用2個4位8段共陽極數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA。一個數(shù)碼管用于顯示當(dāng)前環(huán)境溫度，另外一個數(shù)碼管用于顯示設(shè)定溫度。為了節(jié)省I/O口，本設(shè)計通過74HC245連接兩個數(shù)碼管的段碼。7SEG-MPX4-CA的元件圖如下：圖3-67SEG-MPX4-CA3.6按鍵的選擇選用兩個獨立的按鍵來控制乳化物干燥的默認值，S1控制默認值的十位數(shù)值的增減，S2是控制默認值的個位上的數(shù)字的增減。有圖如下：圖3-7按鍵3.7通信部分選用芯片MAX232MAX232該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5-VTTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。下面是其管腳圖：圖3-8MAX232管腳圖其主要特點如下：1）單5V電源工作2）LinBiCMOSTM工藝技術(shù)3）兩個驅(qū)動器和兩個接收器4）+30V輸入電平5）低電源電流：典型值是8mA6）符合甚至優(yōu)于ANSI標(biāo)準(zhǔn)TIA/EIA-232-E及ITU推薦標(biāo)準(zhǔn)7）ESD保護大于MIL-STD-883標(biāo)準(zhǔn)2000V3.8報警加熱部分采用光敏三極管和發(fā)光二極管，光敏三極管的實物圖如下：圖3-9光敏三極管光敏三極管一般和發(fā)光二極管做在一起，構(gòu)成光電耦合器件使用，起隔離作用電信號之間會有干擾，通過光電耦合器，電-變成光--又變成電，就不會受干擾了。它在Proteus中的元件圖如下：圖3-10光電耦合元件3.9Proteus軟件的介紹Proteus軟件是英國Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器[20]。Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能，這些功能是：1、原理布圖2、PCB自動或人工布線3、SPICE電路仿真革命性的特點：1、互動的電路仿真用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2、仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀\示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境[21]。3.10總體電路原理圖根據(jù)系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能，使用Proteus進行原理圖設(shè)計。（見附錄Ⅰ）4軟件設(shè)計4.1KeilC51軟件的介紹本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國KeilSoftware公司出品的KeilC51，是51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢：1、對單片機的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對8051的存儲器結(jié)構(gòu)有初步了解；2、寄存器分配、不同存儲器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細節(jié)可由編譯器管；3、程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，可分為不同的函數(shù)，這種方式可使程序結(jié)構(gòu)化；4、具有將可變的選擇與特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性；5、關(guān)鍵字與運算函數(shù)可用近似人的思維過程方式使用；6、編程及程序調(diào)試時間顯著縮短，從而提高效率；7、提供的庫包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較高的數(shù)據(jù)處理能力；8、已編好程序可容易地移植入新程序，因為它具有方便的模塊化編程技術(shù)[22]。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢,C51工具包的整體結(jié)構(gòu)中，μVision與Ishell分別是C51forWindows和forDos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)C51連接定位生成絕對目標(biāo)文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標(biāo)板進行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中[23]。4.2設(shè)計思路和設(shè)計流程圖本系統(tǒng)要完成溫度信號的采集與控制，需要實現(xiàn)溫度信號的采集與A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ?。從功能上可將其分為溫度信號采集及控制?zhí)行、數(shù)據(jù)處理、加熱報警這四大部分進行設(shè)計，軟件系統(tǒng)框圖如圖4-1所示：數(shù)據(jù)處理子程序數(shù)據(jù)處理子程序加熱報警子程序溫度采集子程序控制執(zhí)行子程序圖4-1溫度信號采集子程序，主要完成溫度信號采集與A/D功能，由于數(shù)字溫度傳感器DS18B20是采用單總線結(jié)構(gòu)，所以軟件設(shè)計需要根據(jù)單總線協(xié)議來完成溫度數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換和傳輸。溫度信號采集子程序主要包括傳感器初始化、單片機給傳感器寫命令、單片機給傳感器寫數(shù)據(jù)、單片機從傳感器讀數(shù)據(jù)等部分。4.2.1溫度采集模塊根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前，都要對DS18B20進行復(fù)位即初始化，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令即ROM操作，最后發(fā)送RAM指令即功能命令，這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。初始化：基于單總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，初始化過程由主機發(fā)出的復(fù)位脈沖和從機響應(yīng)的應(yīng)答脈沖組成，應(yīng)答脈沖使主機知道總線上有從機設(shè)備且準(zhǔn)備就緒。復(fù)位要求主機將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右后，發(fā)出60～240微秒的低脈沖，主機收到此信號表示復(fù)位成功。ROM命令：主機檢測到應(yīng)答脈沖后，發(fā)出ROM命令，這些命令與一個從機設(shè)備的唯一64位ROM代碼相關(guān)，允許主機在單總線上連接多個從機設(shè)備，指定操作一個從機設(shè)備。這些命令還使主機能夠檢測到總線上有多少個從機設(shè)備以及類型和有沒有設(shè)備處于報警狀態(tài)。從機設(shè)備可以支持5種ROM命令。每種命令長度為8位，主機在發(fā)出功能命令之前，必須送出合適的ROM命令。溫度采集子程序流程圖如圖4-2所示初始化DS18B20初始化DS18B20發(fā)送指定64序列碼發(fā)送指定64序列碼發(fā)送跳過ROM命令發(fā)送跳過ROM命令發(fā)送讀取發(fā)送讀取RAM指令發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令讀取匹配的DS18B20讀取匹配的DS18B20溫度值延時等待溫度轉(zhuǎn)換完畢延時等待溫度轉(zhuǎn)換完畢全部DS18B20都訪問完？no全部DS18B20都訪問完？發(fā)送復(fù)位指令發(fā)送復(fù)位指令發(fā)送匹配ROM命令 發(fā)送匹配ROM命令結(jié)束yes結(jié)束圖4-24.2.2數(shù)據(jù)處理模塊DS18B20完成溫度信號的采集與A/D轉(zhuǎn)換，并把數(shù)據(jù)傳遞給單片機，并保存起來。數(shù)據(jù)處理時，把數(shù)據(jù)取出來，放在一個整型變量中。首先取出整數(shù)部分進行處理，求出數(shù)據(jù)十進制表示時的百位、十位及個位，再求小數(shù)部分數(shù)據(jù)計算流程圖如圖4-5所示。DS18B20采集的數(shù)據(jù)有四位小數(shù)，精度可達到0.0625。在設(shè)計中取四位小數(shù)，溫度測量的精度為0.0625，這樣的數(shù)據(jù)比較精確。通過數(shù)據(jù)處理后，把16位的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成帶四個小數(shù)位的十進制數(shù)據(jù)。圖4-3是整數(shù)處理的流程圖，具體如下圖：開始開始整數(shù)寄存器器器整數(shù)寄存器器器整數(shù)寄存器整數(shù)寄存器除以10除以100除以10除以100商存入十位寄存器商存入百位寄存器商存入十位寄存器商存入百位寄存器余數(shù)存入整數(shù)寄存器商存入個位寄存器余數(shù)存入整數(shù)寄存器商存入個位寄存器返回返回圖4-34.2.3鍵盤模塊當(dāng)按鍵被按下時，I/O口電平為低；松開時，I/O口電平為高。按鍵掃描程序通過讀取I/O口的電平即可知道對應(yīng)按鍵的狀態(tài)。按鍵的抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5~10ms，這是一個很重要的參數(shù)。抖動過程引起電平信號的波動，有可能令CPU誤解為多次按鍵操作，從而引起誤處理。為了確保CPU對一次按鍵動作只確認一次按鍵，提高按鍵處理的可靠性，應(yīng)在程序中做按鍵消抖處理。使用按鍵設(shè)置溫度限定值流程圖如圖4-4所示：溫度限值初值LED顯示初值鍵按下？溫度限值初值LED顯示初值鍵按下？YNNY開始返回加一鍵？減一鍵？設(shè)置鍵？加一顯示減一顯示YN顯示NY圖4-44.2.4加熱報警模塊通過單片機P/O口輸出的高電平或者低電平，經(jīng)過光電耦合器形成報警和加熱。當(dāng)采集溫度達到設(shè)定的上限值并超過時，子程序執(zhí)行報警；當(dāng)采集的溫度未達到設(shè)定的上限值時，子程序就執(zhí)行加熱，具體的加熱報警流程圖如圖4-5所示。>=上限比較程序<=上限>=上限比較程序<=上限上限報警控制降溫上限報警控制升溫YN延時延時YN開始返回圖4-54.2.5編寫程序所需要的總流程圖根據(jù)需要，編寫程序代碼必須要流程圖，上面所寫的都是各個模塊的單獨流程圖，編寫匯編語言時需要一個總的流程圖，下面圖4-6就是所需要的總的流程圖。圖4-64.2.6本設(shè)計的源程序代碼（見附錄Ⅱ）5單片機控制溫度的說明及PID控制5.1溫控制的說明溫度傳感器將溫度信息變換為模擬電壓信號后，將電壓信號放大到單片機可以處理的范圍內(nèi)，經(jīng)過低通濾波，濾掉干擾信號送入單片機。在單片機中對信號進行采樣，為進一步提高測量精度，采樣后對信號再進行數(shù)字濾波。單片機將檢測到的溫度信息與設(shè)定值進行比較，如果不相符，數(shù)字調(diào)節(jié)程序根據(jù)給定值與測得值的差值按PID控制算法設(shè)計控制量，觸發(fā)程序根據(jù)控制量控制執(zhí)行單元。如果檢測值高于設(shè)定值，則啟動制冷系統(tǒng)，降低環(huán)境溫度；如果檢測值低于設(shè)定值，則啟動加熱系統(tǒng)，提高環(huán)境溫度，達到控制溫度的目的。5.2PID控制原理及算法5.2.1PID控制原理PID控制器根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成的控制偏差:(5-1)將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量,對受控對象進行控制。其控制規(guī)律為:(5-2)或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式:(5-3)式中,Kp為比例系數(shù)，T1為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。簡單說來,PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用是這樣的:●比例環(huán)節(jié):即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。●積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度,積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大積分作用越弱,反之則越強?！裎⒎汁h(huán)節(jié):能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減小調(diào)節(jié)時間。5.2.2PID控制規(guī)律及對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響控制器輸出與偏差信號之間的函數(shù)關(guān)系稱為控制規(guī)律?？刂埔?guī)律決定了控制器的特性。在控制器輸出穩(wěn)定之前，偏差與輸出之間的相互關(guān)系，稱為控制器的動態(tài)特性。在控制器上施加恒定的偏差，經(jīng)過一段時間，控制器的輸出達到穩(wěn)定，偏差與輸出的相互關(guān)系稱為控制器的靜特性。2.3PID的溫度控制工式如下:(5-4)

m(t)為PID輸出量,e(1),e(2),,,e(n),為積累的設(shè)定溫度跟測得溫度誤差,Kp,Ki,Kd,分別為比例環(huán)節(jié),積分環(huán)節(jié),微分環(huán)節(jié)的參數(shù)。6仿真6.1下面是仿真的結(jié)果和分析DS18B20通過對被控對象（干燥器）溫度的采集，形成電信號，然后通過AT89C51的處理，在經(jīng)過總線驅(qū)動器74HC245的信號放大的作用在顯示器上顯示溫度數(shù)字，再由S1和S2設(shè)定的干燥溫度和單片機存儲的采集信號經(jīng)過單片機的處理比較，如果采集的溫度信號比設(shè)定干燥溫度高4到5度，則報警系統(tǒng)則會報警提示，然后就該給干燥器內(nèi)的空氣降溫；如果當(dāng)前干燥內(nèi)的溫度低于設(shè)定的溫度則，系統(tǒng)則會顯示要加熱。7總結(jié)本文設(shè)計的溫度測控系統(tǒng)，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器實時采集環(huán)境溫度，采用獨立按鍵自由設(shè)定溫度上限和下限，采用AT89C51單片機處理采集的溫度數(shù)據(jù)和發(fā)送控制溫度信號，將環(huán)境溫度和設(shè)定溫度通過數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA實時顯示。設(shè)計的樣機系統(tǒng)經(jīng)實驗表明，測溫精度和控溫精度均高達1℃，測溫范圍