本文介绍一种以AT89C51单片机为核心的低成本温度控制实验系统。该系统采用温度传感器DS18820实现一线数字式测温，经过PID算法输出PWM波，再由PWM信号控制固态继电器，调节热阻丝发热功率，最终达到控制被控对象温度的目的，该系统还扩展了人机接口和串口通信，实现温度设定、控制及图像显示。

　　硬件设计

      1．总体设计

       系统结构框图如下图所示，以AT89C51单片机为控制核心，DS18820测量被控温度，外围电路包括人机接口的按键与数码显示电路、温度读取与控制驱动电路以及与上位机串行通信电路。

　　用户通过按键设定加热温度后，系统启动加热“热得快”烧水。当前水温经过DS18820测量送给单片机，单片机经PID校正后输出PWM信号，然后通过固态继电器驱动热得快加热，最终使水温保持在设定值上，误差不超过O.1℃。

　　单片机系统通过串口与上位PC机实现通讯，上位机实现温度、温度曲线显示以及PID参数的设定，用户通过上位机可以清晰地看到设定的PID参数所产生的控制作用，如系统的微调、时间等参数。

　　2.温度测试模块

       系统选用美国DALLAS公司生产的单总线DS18820数字式温度传感器作为温度模块，引脚图如下图所示。

DS18820具有体积小、经济、使用方便灵活、测试精度高、性价比高、CRC校验功能等特点，温度测量范围为-55+125℃，可编程为9位～12位A／D转换精度，测温分辨率达0.0625℃，被测温度采用带符号位扩展的16位数字方式串行输出。其工作电源即可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18820可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线即可与多个DS18820通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

　　文中的DS18820三引脚分别接公共电源+5V、电源地和单片机P1．O引脚，具体电路如下图所示，由于DS18820为1-WIRE器件，只需在其信号线上加一个上拉电阻到+5V电源即可。

　　同时，每一个DS18820均有唯一系列号，即允许在不同地方放置温度灵敏器件，通过SearchRom指令选择不同的DS18820芯片，实现温度的多点监测，如HVAC环境控制、建筑物、设备或机械内温度检测、过程温度监视和控制等。

　　3键盘及显示电路模块本系统采用PT6961驱动控制电路同时驱动键盘与数码管。PT6961为带有键盘扫描接口的LED驱动控制专用电路，内部集成MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动、键盘扫描等电路。主要应用于VCR、VCD、DVD及家庭影院等产品的显示屏驱动、多种显示模式(11段×7位～14段×4位)、键扫描(10×3bit)电路、灰度调节电路(占空比8级可调)，与单片机实现串行数据传输，节省了单片机引脚。PT6961可以自己驱动显示和键盘模块电路，可实现串行数据传输，同日寸对时序要求较高。

　　单片机的P0．6引脚与PT6961的时钟线相连，控制时序；P0.7引脚与PT6961的片选端相连，选通芯片，P0.4、PO．5引脚与PT6961的DOUT、DIN端相连，进行数据和指令的串行传输，具体的传输数据仍由单片机编程控制。PT6961在cLOCk端产生下降沿时，读取DIN口的数据，在clock端产生上升沿时，在DOUT口产生按键寄存器值可供单片机读取。硬件连接电路如下图所示，

该芯片可以同时驱动(8～14)段×(4～7)位数码管和3×10个按键，本文选用驱动6个数码管和1×6个按键。

　　4．执行模块

　　系统采用固态继电器(SSR)控制热得快电源，固态继电器是一种四端器件，两个输人端，两个输出端，输入端接控制信号，输出端与负载、电源串联，SSR实际是一个受控电力电子开关。

　　单片机经PID算法，从P1．5口输出PWM波，经ULN2003反相驱动后，作为SSR的控制信号，如下图所示，

在固态继电器输出端接两个二端口插件，方便引线串入热得快插线中。由于SSR与热得快接口是整个系统和电路板唯一一块强电部分，为将其对弱电部分的干扰降到最低，弱电电路线远离该部分电路，且不共地，接线端子的脚间距应大于SSR的脚间距。

　　5．串行通信模块

　　本系统采用串口实现单片机与上位计算机的连接，单片机向上位机传送温度值，上位机显示该值，并画出温度变化曲线图，反应温度的变化情况，同时上位机可以调整PID参数，使系统适用于不同的对象。串行通信连接如下图所示，

其中5个电容均取O．1μF的典型值，串口DB9的5端为公共端接地端，2、3端则分别连接信号的接收端和发送端，该电路完成TTL电平与RS232电平转换，DB9接口通过交叉串口线连接到PC机上，完成硬件的串行通信。

　　软件设计

      为加强程序的可读性、可移植性和便于调试，系统软件设计采用模块化思想，程序运行时，通过主程序调用各子程序模块。本文主程序流程如下图所示，软件设计主要讲述DS18820信号处理子程序和串口通信子程序。

　　1．DS18820信号处理子程序DSl8820为1-wire制器件，采用一根信号线即可与单片机进行串行通信，简化了硬件电路，但是，在软件设计中须进行复杂的时序控制。DS1820单线通信功能为分日寸完成，有严格的时隙概念，系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。

　　操作协议为：初始化DS1820(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据，DS1 8820操作程序流程如下图所示。

　　本文只有一个DSl8820挂在总线上，因此每次对总线进行读写日寸，可跳过读ROM指令，为提高测温精度，文中采用默认的12位数码转换，即0.0625度／位，程序如下：

　　2，串行通信程序设计

　　单片机通过引脚RXD(P3.O，串行数据接收端)和引脚TXD(P3．1，串行数据发送端)与外界通讯，SBUF为串行口缓冲寄存器，包括发送寄存器和接收寄存器，具有相同名字和地址空间，但不会出现冲突，因为其中一个只能被CPU读出数据，另一个只能被CPU写入数据。

　　单片机的串行口的四种工作方式中，方式0和2的波特率是固定的，方式1和3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率控制，方式2为自动重装入初值的8位定时器／计数器模式，作为本文的波特率发生器。

　　上位机编程中，本文采用最常用的通信控件MSComm，实现可视化界面。

　　MSComm控件的常用属性有：Comm-Port设置并返回通讯端口号：Settings以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位；PortOpen设置并返回通讯端口的状态，也可以打开和关闭端口；Input从接收缓冲区返回和删除字符；Output向传输缓冲区写一个字符串。

　　串口初始化程序如下：