电子钟设计 模版Word文件下载.docx
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参数
1.测温范围为0-1000º
C
2.测温误差<
±
5º
C
进度
要求
1.布置任务、方案设计，硬件设计（1天）
2.画电路图（1天）
3.软件设计，画流程图（1天）
4.程序设计和调试（6天）
5.设计验收、撰写报告（1天）
详见进度安排表
参考资料
1.程德福.智能义器.机械工业出版社.2009.9
2.胡文金.单片机系统实训教程.重庆：
重庆大学出版社,2005
其它
说明
１.本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份，院系审批后交院系办备案，一份由负责教师留用。
２.若填写内容较多可另纸附后。
3.一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。
系主任：
指导教师：
钟秉翔、柏俊杰
摘要
本系统是基于STC89C51单片机的温度控制系统，硬件系统主要包括单片机，DS18B20，独立按键模块，液晶显示模块，数模准换模块ADC0809，K分度热电偶传感器等组成。
它具有温度上、下限报警以及报警值设定，目标温度值设定，PWM手动与自动设定控制功能。
此系统中，K分度热电偶传感器获得温度的感应电压，转变成0~5V的标准电压信号，由ADC0809转换成数字信号与DS18B20数字温度传感器测得得室温一起送入单片机，DS18B20所测室温做补偿用，然后通过PID算法，采用模拟PWM控制电子开关的闭合时间，以实现控制的目的。
关键字：
单片机DS18B20PID算法PWM控制
1方案总体设计与论证
图1—1是基于单片机的温度控制系统基本组成方框。
主要由K分度温度传感器，DS18B20，信号调理电路，A/D0809转换器，80C51单片机，独立键盘输入，LCD显示器，发光二极管（指示工作状态）等组成。
K分度热电偶传感器把温度转换成电压的器件，温度传感器输出电压的大小随温度的高低变化而变化，在0℃—1000℃温度变化范围内，电压值的变化范围从0毫伏到41.276毫伏。
DS18B20采集到的室温作为补偿，信号调理电路的主要功能是把微弱的温度电压信号放大到0—5v伏的范围内，以适应AD0809输入的要求。
A/D转换器把放大后的模拟电压信号转换成对应的数字信号。
单片机8051是温度控制系统的核心部分，一方面控制A/D0809转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面将采集到温度的数字信号，通过滤波查表来显示实测温度，经过PID算法，由PWM来控制加热时间。
LCD显示器实测量的温、室温、设定温度等。
由MODE键选择不同模式，UP、DOWN键来修改各个值，来设定和修改报警的温度上、下限值、目标温度值设定，PWM手动/自动设定控制功能。
而软件设计是紧紧围绕系统的硬件结构展开的，软件主要是配合控制硬件完成预期的设计要求，软件的基本模块也是针对上述硬件结构进行相应操作的，来实现各个工作模式。
各个工作模式
模式一：
实测温度显示、室温显示、设定目标温度，PWM显示以及PWM自动调节。
模式二：
实测温度显示、室温显示、PWM显示，以及PWM手动调节控制。
模式三：
设定和修改上限温度。
模式四：
设定和修改下限温度。
图1.1系统总框图
2硬件电路设计与分析
2.1C51单片机最小系统
单片机最小系统由CUP芯片、时钟电路（外接11.0592HZ的的晶振），和复位电路组成。
图2.1C51单片机最小系统
2.2K分度热电偶测量处理电路
K分度热电偶的工作原理：
将两种不同的金属丝组成回路，如果二种金属丝的两个接点有温度差，在回路内就会产生热电势，这就是热电效应，热电偶就是利用这一原理制成的一种温差测量传感器，置于被测温度场的接点称为工作端，另一接点称为冷端（也称自由端），冷端可以是室温值也可以是经过补偿后的0℃、25℃的模拟温度场。
信号调理电路中包括滤波和放大部分。
将K分度传感器的测量值，可直接输出到运算放大器，电容滤波的反相放大电路，使得传感器感受0℃—1000℃的信号调理电路对应输出0—5V的电压值，通过查表求出温度值。
图2.2K分度热电偶处理电路
2.3DS18B20工作原理
由于温度测量系统处在室温中，用K型热电偶测量温度需要进行补偿，所以采用DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器测量室温进行补偿，提高测量系统的精度。
温范围为－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±
0.5℃，独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温，在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
DS18B20有三个引脚，GND为电源地、DQ为数字信号输入/输出端、VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
图2.3DS18B20工作原理图
图2.4DS18B20接口电路
2.4ADC0809转换电路
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
其引脚功能如下：
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
D7～D0：
8位数字量输出端。
A0、A1、A2：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：
A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
EOC：
A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
Vcc：
电源，单一+5V。
GND：
地。
ADC0809工作过程：
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
图2.5ADC0809电路图
2.5LCD显示电路
本设计采用ST7920控制器的LCD液晶显示器，其具有低电压，字迹清晰、能够显示汉字和字符等特点，且编程方便，易于查看、修改。
ST7920控制器系列中文图形液晶模块的软件特性主要由ST7920控制驱动器决定的。
ST7920同时作为控制器和驱动器，它可提供33路com输出和64路seg输出。
在驱动器ST7920的配合下，最多可以驱动256×
32点阵液晶。
分别由单片机的P10、P11、P12来接液晶的CS、SID、SCLK。
图2.6液晶接口电路
2.6独立键盘
因为本设计中需要的按键不多，故设计采用独立式按键，分别占用P2.0，P2.1，P2.2和P2.3口。
它们分别实现设置模式的功能键，温度上限、下限设置修改，温度上限报警，温度下限报警。
目标温度设置键，以及自动或手动控制PWM，键盘的消抖动可有软件来实现。
图2.7独立按键
3软件设计与分析
3.1PID算法
PID算法由比例、积分、微分三部份组成，将实测温度和设定值进行比较，得到偏差，根据偏差值乘以比例系数（Kp）就确定比例项、积分项由累积偏差和乘以Ki和微分项由累积偏差差值乘以Kd，根据所的的值确定pwm值,程序如下:
voidPID（void）//PID算法{staticintSumerror=0,Lasterror=0;
intDerror=0,Error=0;
doublesum=0.0;
Error=mubiao-var;
//设定值-实时值
if（Error>
50）{Pwm_sum=100;
return;
}
if（Error+50<
0）{Pwm_sum=0;
return;
}
Sumerror=Sumerror+Error;
//积分
Derror=Error-Lasterror;
//微分
Lasterror=Error;
sum=Kp*Error;
sum=sum+Sumerror*Ki;
sum=sum+Derror*Kd;
if（sum>
0）sum=sum/100;
if（sum>
100）Pwm_sum=100;
elseif（sum<
0）Pwm_sum=0;
elsePwm_sum=（uint）sum;
VoidPID_Start（void）//PID入口{if（PID_time>
=20）//0.1s进入一次PID控制
{
PID_time=0;
PID（）;
3.2温度补偿
将DS18B20测得室温通过转化来查K分度热电偶表电压值，程序如下:
ucharwenshi;
uintx;
wenshi=temperature/10;
x=（K_TABLE[wenshi+1]-K_TABLE[wenshi]）/10;
/*表中相邻两值对应温度相差10°
C*/
x=K_TABLE[wenshi]+x*（temperature%10）;
//温度补偿
3.3查表滤波函数
由AD0809读取的十个数字分别赋给数组table[i]，将得到的数组进行比较，得到最大值和最小值，将数组中的数据去掉最大值和最小值后求和，在求平均数，根据平均数得，再将得到数值转化为相应电压值程序如下：
voidLv_bo（void）//滤波
{unsignedcharmax,min,i;
unsignedintsum;
sum=table[0];
max=table[0];
min=table[0];
for（i=1;
i<
10;
i++）
if（table[i]>
max）
max=table[i];
elseif（min>
table[i]）
min=table[i];
sum=table[i]+sum;
sum-=max;
sum-=min;
U1=（float）sum/8;
U1=（（U1*5）/255）;
//换成mv}
3.4模式转换
由判断MODE键按下才次数来，转换不同的模式，当MODE键按下时，count_mode++。
其里面还调用液晶显示函数来显示不同模式，如模式0：
显示室温、实测温度、PWM值。
voidmoshi（）//模式
{uintaa=0;
if（Mode==0）
{delay（200）;
{
count_mode++;
if（count_mode>
3）count_mode=0;
}
if（count_mode==0）
PID_Start（）;
Display（0,0,2,0,"
室温"
）;
Display（0,4,4,0,"
自动调节"
if（time>
=4）
temperature=ReadTemperature（）;
//读温度
time=0;
view（temperature）;
Display（0,3,2,1,disp_buf+2）;
Display（1,0,4,0,"
实测温度"
view（var）;
Display（1,5,4,1,disp_buf）;
Display（2,0,4,0,"
设定温度"
mubiao=xiugai（mubiao）;
if（mubiao>
=1000）
mubiao=1000;
view（mubiao）;
Display（2,5,4,1,disp_buf）;
view（Pwm_sum）;
Display（3,0,4,1,"
PWM:
"
Display（3,3,3,1,disp_buf+1）;
Display（3,5,1,1,"
%"
）
if（count_mode==1）
{
.................
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