温度系统模糊PID控制与仿真.doc

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1、摘要模糊PID的温度控制系统具有真正的智能化和灵活性，越来越多的温度控制系统都基于模糊PID算法而设计。随着控制对象变得复杂，应用常规PID温度控制精度和鲁棒性降低。当控制对象很复杂的情况下，常规PID温度控制器已经不再适用了，为了提高对复杂系统的控制性能，要使用模糊PID温度控制器。一种将PID控制与模糊控制的简便性、灵活性、以及鲁棒性融为一体，构造了一个模糊PID温度控制器。本文设计了一种基于模糊PID的温度控制系统，以AT89C51单片机为核心，主要做了如下几方面的工作：首先介绍了模糊PID控制理论基础，其次进行系统的硬件设计以及硬件选择，最后进行系统的软件设计以及仿真。关键词：模糊PI

2、D；AT89C51单片机；温度控制；仿真AbstractFuzzy PID temperature control system with real intelligence and flexibility, more and more temperature control systems are designed based on fuzzy PID algorithm.With the control object becomes complicated, using conventional PID temperature control accuracy and robustness

3、 of the lower.When the control object is a complex situation, conventional PID temperature controller is no longer applied, in order to improve the control performance of complex systems, to use the fuzzy PID temperature controller.A way to PID control and fuzzy control of simplicity, flexibility, a

4、nd robustness of the integration, we constructed a fuzzy PID temperature controller.This design presents a fuzzy-based PID temperature control system to AT89C51 SCM,made the following main areas of work:first introduce the theory of fuzzy PID control,second for the hardware design and hardware desig

5、n,and finally to the system software design and simulation.Keywords: Fuzzy PID; AT89C51 SCM; temperature control; simulation目 录第一章 绪论11.1选题背景及其意义11.2概述11.3温度测控技术的发展与现状11.3.1定值开关控温法21.3.2 PID线性控温法21.3.3智能温度控制法2第二章 模糊PID控制理论42.1PID控制器42.1.1 PID控制的发展42.1.2 PID控制理论42.1.3 PID控制算法52.2模糊控制原理72.2.1模糊控制系统的基本

6、概念72.2.2模糊控制系统的组成72.2.3模糊控制的基本原理82.3模糊PID复合控制算法92.3.1模糊PID复合算法92.3.2模糊PID算法运用10第三章 模糊PID温度控制系统硬件设计143.1系统硬件电路构成143.2系统设计原则及系统总电路图143.2.1系统设计原则143.2.2系统总电路图153.3 单片机的选择153.4温度传感器的选择193.4.1 DS18B20简介193.4.2 DS18B20的性能特点203.4.3 DS18B20的管脚排列213.4.4 DS18B20的内部结构213.4.5 DS18B20的测温原理223.5数码管输出223.6键盘接口电路23

7、3.7蜂鸣电路243.8外部存储模块243.9电机驱动模块25第四章 系统软件设计274.1主程序模块274.2温度传感器DS18B20模块274.3LED显示模块294.4键盘控制模块29第五章 系统的仿真315.1仿真工具315.2 MATLAB及其模糊逻辑工具箱和仿真环境315.2.1MATLAB概况315.2.2模糊逻辑工具箱315.3模糊PID的仿真325.3.1控制对象模型325.3.2MATLAB仿真335.4仿真结果与分析35结论37参考文献38附 录39附件一:部分源程序391.DS18B20相关子程序392.LED相关子程序393.按键相关子程序40附件二：英文文献43附件

8、三：系统总电路图51第一章 绪论1.1选题背景及其意义在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义1。1.2概述 温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节

9、约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现模糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。1.3温度测控技术的发展与现状近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目

10、前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价

11、格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入1。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等;恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。

12、从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：1.3.1定值开关控温法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置;若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程

13、的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。1.3.2 PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具

14、有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。1.3.3智能温度控制法为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，如PID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智

15、能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。第二章 模糊PID控制

16、理论2.1PID控制器2.1.1 PID控制的发展PID控制策略是最早发展起来的控制策略之一，现金使用的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间尽管自1940年以来，许多先进的控制方法不断的推出，但由于PID控制具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定，P、I、D控制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合，而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累大量的PID控制器参数的调节经验。因此，PID控制器在工业控制中仍然得到广泛的应用，许多工业控制器仍然采用PID控制器。PID控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展3。2

17、.1.2 PID控制理论PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)： 式（2-1）将偏差e(t)的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，因此称为PID控制，PID控制系统原理如图2-1所示：图2-1 PID控制系统原理图其控制规律为 式（2-2）或者写成传递函数形式为 式（2-3）式2-3中：比例系数；：积分时间常数；：微分时间常数。PID控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控

18、制作用，以减少偏差；（2）积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。；（3）微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间5。2.1.3 PID控制算法由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，式2-3中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理现令T为采样周期，以一系列的采样时刻点KT代表连续时间t，以累加求和近似代替积分以一阶后向差分近似代替微分做如下的近似变换2： 式（2-4） 式（2-5） 式（2-6）其中，T为采样周期，e(k)为系统第k

19、次采样时刻的偏差值，e(k-l)为系统第(k-l)次采样时刻的偏差值，k为采样序号，k=0，1，2，。将上面的式2-4和式2-5代入式2-6则可以得到离散的PID表达式： 式（2-7）如果采样周期了足够小，该算式可以很好的逼近模拟PID算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。通常把式2-7称为PID的位置式控制算法。若在式2-7中，令： （称为积分系数） (称为微分系数）则 式（2-8）(2-8)式即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。可以看出，每次输出与过去的所有状态都有关，要想计算u(k)，不仅涉及e(k)和e(k-l)，且须将历次e(j)相加，计算复杂，浪费内存。下面，推导计

20、算较为简单的递推算式。为此，对(2-8)式作如下的变动：考虑到第（k-1）次采样时有： 式（2-9）使（2-8）两边对应减去（2-9）式得整理后得 式（2-10）其中：； 式（2-10）就是PID位置式的递推形式如果令，则： 式（2-11）式中、同式（2-10）中一样。因为在计算机控制中式中、都可以事先求出，所以，实际控制时只须获得 、三个有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制输出对应执行机构的位置的增量，故(2-11)式通常被称为PID控制的增量式算式3。增量式PID控制算法与位置式控制算法比较，有如下的一些优点：（1）位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去偏差的累加值，

21、容易产生较大的累计误差。而增量式中只须计算增量，控制增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，当存在计算误差或者精度不足时，对控制量的影响较小，且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果；（2）由于计算机只输出控制增量，所以误动作影响小，而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉，对系统安全运行有利；（3）手动与自动切换时冲击比较小5。2.2模糊控制原理2.2.1模糊控制系统的基本概念在人参与的实际控制系统中，人们发现，有些有经验的操作人员，虽然不懂被控对象或者被控过程的数学模型，也不懂自动控制的基本原理，却能凭借经验采取相应的决策，很好的完成控制工作，如图2-2是典型的人机控制系统框图4。图2-2 典型人

22、机控制系统框图操作者根据仪表显示的信息（包括声、光、及数字信息），获得系统的运行状态，然后操作者根据自己以往的经验和积累的知识，做出相应的决策，并对控制对象进行运作，在这个系统中，仪表的信息都是精确量，通过人的感官传入操作者的大脑，然后在脑中形成具有模糊性的概念，然后操作者根据经验，进行模糊决策。显然，这种人机控制系统进行的控制是一种模糊控制，人们为了模拟这种控制过程，设计了一种以模糊数学为基础的控制系统，模糊控制系统的工作过程同人机控制系统一样，都是一种模糊控制，只不过模糊控制系统中的决策者是模糊控制器。模糊控制器将根据输入的信息进行模糊决策，输出一个模糊量，然后将它精确化，并作用于被控对象

23、。这样即使一个控制过程出现了问题，其他的规则往往可以补偿，此时的系统可能不是最佳控制，但是仍然会正常工作。2.2.2模糊控制系统的组成模糊控制系统如图2-3所示10 图2-3 模糊控制系统 模糊控制系统一般可以分为五个部分： （1）模糊控制器。它是各类模糊控制系统的核心部分。由于被控对象的不同，以及对系统静态、动态特性的要求和所应用的控制规则各异，可以构成各种类型的控制器，在模糊控制理论中，则采用基于模糊控制的知识表示和规则推理的语言型“模糊控制器”，这也是模糊控制系统区别于其他控制系统的特点所在。模糊控制器的主要功能有三个：模糊量化处理；模糊推理（决策）；非模糊化处理（精确化处理）。（2）输

24、入-输出接口。模糊控制器通过输入-输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，转变为模拟信号，然后送给被控对象。在I/O接口装置中，除了A/D、D/A转换外，还包括必要的电平转换。（3）执行结构。包括各种交、直流电动机、伺服电动机、步进电动机等。（4）被控对象。它可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的、自然的、社会的、生物的或其他的各种的对象过程。这些被控对象可以是确定性的或是不确定的、单变量的或多变量的、有滞后或是无滞后的，也可以是线性或非线性的、定常或时变的以及具有强耦合的和干扰的等多种情况。对于那些难以监理精确数学模型的复杂对象，更适宜

25、采用模糊控制。（5）检测装置。即传感器，传感器是将被控对象或各种过程的被控量转化为电信号（模拟或数字）的一类装置。被控量往往是非电量，如速度、加速度、温度、压力等。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个模糊控制系统的精度，因此，在选择传感器时，应十分注意选择精度高且稳定性好的传感器。2.2.3模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理如图2-4所示，它的核心部分为模糊控制器，即图中线框内部9。 图2-4 模糊控制原理框图 模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现，模糊控制的基本思想是：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到偏差信号e。一般选偏差信号e

26、作为模糊控制器的一个输入量，把偏差信号e的精确量进行模糊化变成模糊量，偏差e的模糊量可以用相应的模糊语言表示，得到偏差e的模糊语言集合的一个子集。再由模糊子集、模糊控制规则（模糊关系）和前项推理进行模糊推理，得到模糊控制量为：u=E*R，式中u为一个模糊量。为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量u转换为精确量，这一步骤称为解模糊（也称清晰化）。得到了精确的数字控制量后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制。然后中断，等待第二次采样，进行第二步控制，这样循环下去，就实现了都被控对象的模糊控制。综上所述，模糊控制过程可概括为以下四个步骤：（1）根据本次采样得到的系统

27、的输出值，计算所选择系统的输入变量；（2）将输入变量的精确值变为模糊量；（3）根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按照模糊推理合成规则推理计算输出控制量（模糊量）；（4）由上述得到的控制量（模糊量），并作用于执行机构。2.3模糊PID复合控制算法2.3.1模糊PID复合算法由于PID算法只有在系统为非时变的情况下才能获得较理想的效果，当一个调整好参数的PID控制器被应用到模型参数时变系统，系统控制性能会变差，甚至不稳定。而Fuzzy控制虽然对被控对象的时滞性、非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也具有较强的抑制能力，但消除系统稳态误差的能力较弱，难以达到较高的控制精度。因此单纯采用模

28、糊控制都不会取得较好的控制效果。本文采用Fuzzy-PID复合控制温度可以克服上述两种方法的缺点。Fuzzy-PID控制是在一般PID控制系统的基础上，加上一个环节，利用模糊控制规则对PID参数进行修改的一种自适应控制系统误差E和误差变化Ec作为输入，可以满足不同时刻的E和Ec对参数要求。Fuzzy-PID控制器是在常规PID的基础上，应用Fuzzy集合理论建立参数、与误差变化间的二元连续函数关系为：，并根据不同的E和Ec在线自整定参数、的控制器。PID参数自整定在运行中通过不断检测E和Ec，根据不同的E、Ec在线自整、参数，以满足不同时对控制参数的不同要求，使被控对E和时对控制参数的不同要求

29、，使被控对象具有良好的动、静态性能。PID参数模糊自整定控制原理如图所示。 图2-5 PID模糊自整定控制原理图 2.3.2模糊PID算法运用（1）模糊化处理将系统误差和误差变化率变化范围定义为模糊集上的论域：E，Ec-5,5，其模糊子集为：E，Ec-NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。设E，Ec隶属函数取“三角形”隶属函数，如图2-6所示。 图2-6 E、Ec隶属函数、的论域为0,1，均服从正态分布，隶属函数如图2-7 所示。 图2-7 、隶属函数（2）建立模糊规则Fuzzy-PID是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差E

30、和误差变化率EC，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。建立、的模糊控制规则表分别如表2-1、2-2和2-3所示。 表2-1 的模糊规则表 （3）去模糊化经过模糊推理后，模糊PID控制器整定的3个修正参数进行去模糊化处理，取得精确量以计算输出控制量。去模糊化的过程是把推理系统输出的模糊集合映射成精确量输出，采用面积中模糊中心法解模糊。 ； ； 。 表2-2 的模糊规则表 表2-3 的模糊规则表（4）确定参数、经去模糊处理后，、最终通过以下公式得到：其中、由以下公式得到：， ， 式中：为比例控制下等幅振荡时的比例增益；为比例控制下等幅振荡时振荡周期8。第三章 模糊PID温度控制系

31、统硬件设计3.1系统硬件电路构成模糊PID温度控制系统主要包括单片机控制模块，温度采集模块，温度显示模块，温度上下限调整模块，电机驱动模块和外部存储模块等六大部分。系统总体框图如图3-1所示5。 图3-1 系统总体框图（1）单片机控制模块：它是系统的核心模块，用来控制其他各个模块的工作情况。（2）温度采集模块：该模块用来采集控制对象的温度，并输入到单片机中。（3）温度设定模块：用来设定所需求的温度。（4）温度超限报警模块：当温度高于上限或者低于下限时，该模块启动，以实现更好的人机交流。（5）电机驱动模块：该模块分为两个部分；加热装置与散热装置。（6）外部存储模块：用来存储设定温度的上限值和下限

32、值。（7）温度显示模块：显示当前设定的温度值。3.2系统设计原则及系统总电路图3.2.1系统设计原则要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点4。l.可靠性高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑：使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；.输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波；系统自诊断功能等。2.操作维护方便在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。因此在设计时，要尽可能减少人机交互

33、接口，多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。3.性价比单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代硬件功能等。3.2.2系统总电路图系统总设计图11如图3-2所示图3-2 系统总设计图3.3 单片机的选择本文选用AT89C51单片机，AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Program

34、mable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要特性：与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存

35、储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位内部RAM 32可编程I/O线两个16位定时器/计数5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 图3-6 AT89C51单片机示意图管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口

36、：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内

37、部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高

38、电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是AL

39、E才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输

40、出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲

41、置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.4温度传感器的选择3.4.1 DS18B20简介本文选用DS18B20传感器，DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种数字化单总线器件，属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。使用DS1SB20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。同时其“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入了全新的概念。其测量温度范围为-55+125，在-1085范围内，精度为

42、土0.5。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，用符号扩展的16位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。因此，数字化单总线器件DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS18B20都有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果。可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中5。本文所用DS18B20，与单片机的P1.7引脚相连。如图3-7所示。图3-7 DS18B20与单片机连线图3.4.2 DS18B20的性能特点（1）采用DALLAS公司独

43、特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连仅需要一条口线即可实现微处理器与DSI8B20的双向通讯。（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用数据线供电，供电电压范围+3.0V5.5V（4）测温范围:-55125。固有测温分辨率为0.5。当在-10+85范围内，可确保测量误差不超过0.5，在-55+125范围内，测量误差也不超过2。（5）通过编程可实现912位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。（8）负压特性，即具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保护DS18B20不会因发热而

44、烧毁。但此时芯片无法正常工作。（9）DS18B20的转换速率比较高，进行9位的温度转换仅需93.75ms。（10）适配各种单片机或系统。（11）内含64位激光修正的只读存储ROM，扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码(CRC)之后，产品序号占48位。出厂前产品序号存入其ROM中。在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DS18B20。3.4.3 DS18B20的管脚排列DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装。其管脚排列如图3-3所示 图3-3 DS18B20的管脚排列I/O为数据输入/输出端(即单线总线)，它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。UDD是可供选

45、用的外部电源端，不用时接地，GND为地，NC空脚。3.4.4 DS18B20的内部结构DS18B20的内部结构框图如图2-6所示。它主要包括7部分：1、寄生电源;2、温度传感器；3、64位激光(loser)ROM与单线接口；4、高速暂存器，即便筏式RAM，用于存放中间数据:5、TH触发寄存器和TL触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上下限值；6、存储和控制逻辑；7、8位循环冗余校验码(CRC)发生器。图3-4 DS18B20内部结构图3.4.5 DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图3-5所示。图3-5 DS18B20的内部测温电路原理图图3-5中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振的振荡频率随温度变化而明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开