畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于MCS-51單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、I （2012 屆）屆） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料 題題 目目 名名 稱：稱： 基于基于 MCS-51MCS-51 單片機(jī)的溫度控制單片機(jī)的溫度控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)學(xué) 院（部）院（部） ： 電氣與信息工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 專專 業(yè)：業(yè)： 應(yīng)用電子技術(shù)應(yīng)用電子技術(shù) 學(xué)學(xué) 生生 姓姓 名：名： 班班 級(jí)：級(jí)： 學(xué)號(hào) 學(xué)號(hào) 0930193010909301930109 指導(dǎo)教師姓名：指導(dǎo)教師姓名： 職稱職稱 講師講師 最終評(píng)定成績(jī)：最終評(píng)定成績(jī)： II 湖南工業(yè)大學(xué)教務(wù)處湖南工業(yè)大學(xué)教務(wù)處 摘摘 要要 溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對(duì)其溫度的控制

2、 效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是具有不一般的 價(jià)值與意義。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān) 量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、 機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和 鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用MCS-51單片機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制 方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而 能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中 經(jīng)常會(huì)遇到的問題。將這個(gè)問題地解決，能很好地提升生產(chǎn)效率，節(jié)

3、約資源，降低生 產(chǎn)成本。 本文從硬件和軟件兩方面介紹了MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)硬件 原理圖和程序框圖作了簡(jiǎn)捷的描述該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制算法新穎，控制精度高，有 較強(qiáng)的通用性。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 溫度控制 數(shù)字 PID 控制 III ABSTRACT In the modern industrial production, the current, voltage, temperature, pressure, and flow, velocity, and switch quantity is accused of main parameters.For example

4、,n metallurgical industry, chemical industry, electric power engineering, paper industry, machinery and food processing and so on many domains, people need to all kinds of heating furnace, heat treatment furnace, reactors and boiler temperature detection and control.Using MCS - 51 SCM to control tem

5、perature, has not only convenient control, simple and flexible configuration advantages, and can greatly improve the technical indexes are controlled temperature, which can greatly improve the products quality and quantity.Therefore, the problem of temperature control chip is a industrial production

6、 we often encounter problems. Based on it, for example, hope to receive other cases and the effect. From the two aspects of hardware and software are introduced MCS - 51 SCM temperature control system design, hardware diagram and the procedures for the description of the simple diagram. Key words: M

7、icrocontroller Temperature control system Digital PID control IV 目 錄 摘 要.I 第 1 章 緒 論.1 1.1 概述 .1 1.2 溫度控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 .1 1.2.1 定值開關(guān)溫控法 .2 1.2.2 PID 線性溫控法.2 1.2.3 智能溫度控制法.3 1.3 MCS51 介紹.3 1.4 溫度控制的主要方法 .5 1.5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 .6 1.5.1 系統(tǒng)性能要求.6 1.5.2 系統(tǒng)硬件方案分析.6 第 2 章 硬件設(shè)計(jì).8 2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) .8 2.2 硬件電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) .8 2.2.1 主

8、機(jī)電路的設(shè)計(jì).9 2.2.2 I/O 通道的硬件電路的設(shè)計(jì).9 2.2.3 鍵盤顯示及設(shè)計(jì) .10 2.2.4 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).11 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).29 3.1 軟件設(shè)計(jì)思想 .29 3.2 軟件組成 .30 3.3 主程序模塊 .30 3.4 數(shù)據(jù)采集模塊 .30 3.5 數(shù)據(jù)處理模塊 .32 3.5.1 數(shù)字濾波.33 3.5.2 顯示處理.34 3.6 中斷處理子程序 .35 3.6.1TO 中斷子程序.35 3.6.2 鍵盤中斷子程序.35 3.6.3T1 中斷子程序.35 3.7 軟件抗干擾措施 .35 3.8 標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序 .36 3.9 報(bào)警電路設(shè)計(jì) .36

9、3.10 溫度部分軟件設(shè)計(jì) .37 V 結(jié) 論.38 參考文獻(xiàn).39 致 謝.40 附錄 源代碼 .41 第二部分 過程管理資料.1 VI VII 第 1 章 緒 論 1.1 概述 溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任 何物理、化學(xué)過程都緊密的與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測(cè)量和控制都 直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)指標(biāo)相聯(lián)系。 因此，溫度的測(cè)量與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。在實(shí)際的 生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，由于系統(tǒng)內(nèi)部與外界的熱交換是難以控制的，其他熱源的干擾也是 無法精確計(jì)算的，因此溫度量的變化往往受到不

10、可預(yù)測(cè)的外界環(huán)境擾動(dòng)的影響。為了 使系統(tǒng)與外界的能量交換盡可能的符合人們的要求，就需要采取其他手段來達(dá)到這樣 一個(gè)絕熱的目的，例如可以讓目標(biāo)系統(tǒng)外部環(huán)境的溫度與其內(nèi)部溫度同步變化。根據(jù) 熱力學(xué)第二定律，兩個(gè)溫度相同的系統(tǒng)之間是達(dá)到熱平衡的，這樣利用一個(gè)與目標(biāo)系 統(tǒng)溫度同步的隔離層，就可以把目標(biāo)系統(tǒng)與外界進(jìn)行熱隔離。另外，在大部分實(shí)際的 環(huán)境中，增溫要比降溫方便得多。因此，對(duì)溫度的控制精度要求比較高的情況下，是 不允許出現(xiàn)過沖現(xiàn)象的，即不允許實(shí)際溫度超過控制的目標(biāo)溫度。特別是隔熱效果很 好的環(huán)境，溫度一旦出現(xiàn)過沖，將難以很快把溫度降下來。這是因?yàn)楹芏鄳?yīng)用中只有 加熱環(huán)節(jié)，而沒有冷卻的裝置。同樣道

11、理，對(duì)于只有冷卻沒有加熱環(huán)節(jié)的應(yīng)用中，實(shí) 際溫度低于控制的目標(biāo)溫度，對(duì)控制效果的影響也是很大的。 鑒于上述這些特點(diǎn)，高精度溫度控制的難度比較大，而且不同的應(yīng)用環(huán)境也需要 不同的控制策略。下面就簡(jiǎn)要的討論一下溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀。 1.2 溫度控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 近年來，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證 快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的 控制，仍然是目前需要解決的問題。 溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。在溫度的測(cè)量技術(shù)中， 接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、低廉、測(cè)量精度較高，一

12、般能夠測(cè)得真實(shí)溫度但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物 體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于超高溫測(cè) 量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。另外的非接觸式測(cè)溫方法是通過對(duì)輻射能量的檢測(cè)來 實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是不破壞被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于測(cè) VIII 量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測(cè)量誤差 較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。 因此，在實(shí)際的溫度測(cè)量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿足測(cè) 量精度要求的前提下盡量減少投入。 溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)

13、的不同可分為兩類動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動(dòng) 態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化。在 工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué) 反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象 的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度即穩(wěn)態(tài)誤差不能超過某允許值。本 文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱的恒值溫度控制要求，故 以下僅對(duì)恒值溫度控制進(jìn)行討論。 從工業(yè)控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種： 1.2.1 定值開關(guān)溫控法 所謂定值開關(guān)控溫法，就是通過硬件電路或軟件計(jì)算判別當(dāng)

14、前溫度值與設(shè)定目標(biāo) 溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱裝置或冷卻裝置進(jìn)行通斷控制。若當(dāng)前溫度值比 設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開動(dòng)制冷裝置若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則 開啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。這種開關(guān)控溫方法比較簡(jiǎn)單，在沒有計(jì)算機(jī)參與的情 況下，用很簡(jiǎn)單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我 國(guó)許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定 點(diǎn)時(shí)關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)開通電源，因而無法克服溫度變化過程的 滯后性，致使被控對(duì)象溫度波動(dòng)較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。 1.2.2 PID 線性溫控法 這種控溫方法是

15、基于經(jīng)典控制理論中的調(diào)節(jié)器控制原理，控制是最早發(fā)展起來的 控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控 制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。由于調(diào)節(jié)器模型中考慮了 系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開 關(guān)控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。前者 稱為模擬控制器，后者稱為數(shù)字控制器。其中數(shù)字控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線 整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度 控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)參數(shù)比例值、積分值、微分值。只要 PID IX

16、參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。但 是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對(duì)象特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)控制參數(shù)也必須相應(yīng)地 跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。 1.2.3 智能溫度控制法 為了克服線性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的方法，如 參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。并通過將智能控制與控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能 控制。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)智 能化。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫 法在實(shí)際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可 以很

17、好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。 所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng)算法的溫度 控制儀表。 目前國(guó)內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對(duì)國(guó)外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之 間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度 控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的被 控對(duì)象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。 1.3 DS18B20 的介紹 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1Wire，即單總線器件，具有 線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來組成一個(gè)

18、測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通 信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。 （1）DS18B20 產(chǎn)品的特點(diǎn) 1、只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。 2、在 DS18B20 中的每個(gè)件上都有獨(dú)一無二的序列號(hào)。 3、實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。 4、測(cè)量溫度范圍在55.C 到125.C 之間。 5、數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇。 6、內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。 7、三個(gè)管腳，1 腳是接地腳，2 腳是單總線、可向電源提供電源 、3 腳是電源腳 （2）DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 的內(nèi)部框圖如圖 3-2 所示。64 位 RO 存儲(chǔ)器件獨(dú)一無二的序

19、列號(hào)。暫 X 存器包含兩字節(jié)（0 和 1 字節(jié)）的溫度寄存器，用于存儲(chǔ)溫度傳感器的數(shù)字輸出。暫 存器還提供一字節(jié)的上線警報(bào)觸發(fā)（TH）和下線警報(bào)觸發(fā)（TL）寄存器（2 和 3 字 節(jié)） ， 和一字節(jié)的配置寄存器 字節(jié)）使用者可以通過配置寄存器來設(shè)置溫度轉(zhuǎn)換的 精度。 （4 ， 暫存器的 5、6 和 7 字節(jié)器件內(nèi)部保留使用。第八字節(jié)含有循環(huán)冗 余碼（CRC ） 。使用 寄生電源時(shí)，DS18B20 不需額外的供電電源；當(dāng)總線為高電平 時(shí)，功率由單總線上的 上拉電阻通過 DQ 引腳提供；高電平總線信號(hào)同時(shí)也向內(nèi)部 電容 CPP 充電，CPP 在總 線低電平時(shí)為器件供電。 圖 1-1 DS18B20

20、 的內(nèi)部框圖 (3)DS18B20 的 4 個(gè)主要數(shù)據(jù)部件 光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的 地址序列碼。64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著 的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)， 最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。 光刻 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛 接多個(gè) DS18B20 的目的。 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16 位符 號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 0.0625/LS

21、B 形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位 這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中，二 進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測(cè)到的 數(shù)值乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測(cè)到的數(shù)值需 要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度。 DS18B20 溫度傳感器的存儲(chǔ)器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫 存 RAM 和一個(gè)非易失性的可電擦 EEPROM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、TL 和 XI 結(jié)構(gòu)寄存器。 配置寄存器，五位一直都是1，

22、TM 是測(cè)試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作 模式還是在 測(cè)試模式。在 DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動(dòng)。R1 和 R0 用來設(shè)置 分辨率 （4）DS18B20 的工作過程 、初始化 DS18B20 所有的數(shù)據(jù)交換都由一個(gè)初始化序列開始。由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟 在其后的由 DS18B20 發(fā)出的應(yīng)答脈沖構(gòu)成。DS18B20 發(fā)出響應(yīng)主機(jī)的應(yīng)答脈沖時(shí)， 當(dāng) 即向主機(jī)表明它已處在總線上并且準(zhǔn)備工作。 、 ROM 命令 ROM 命令通過每個(gè)器件 64-bit 的 ROM 碼，使主機(jī)指定某一特定器件（如果有多 個(gè)器件掛在總線上）與之進(jìn)行通信 DS18B20 ，每個(gè) RO

23、M 命 令都是 8 bit 長(zhǎng)。 功能命令 主機(jī)通過功能命令對(duì) DS18B20 進(jìn)行讀/寫 Scratchpad 存儲(chǔ)器，或者啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn) 換。 （5）DS18B20 的信號(hào)方式 DS18B20 采用嚴(yán)格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種 信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫 0、寫 1、讀 0 和讀 1。除了應(yīng)答脈沖所有這些 信 號(hào)都由主機(jī)發(fā)出同步信號(hào)?？偩€上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以字節(jié)的低位在前。 、初始化序列：復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖 在初始化過程中，主機(jī)通過拉低單總線至少 480s，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖(TX)。然后 主機(jī) 釋放總線并進(jìn)入接收(RX)模式。當(dāng)總線被釋放后，4.7k

24、的上拉電阻將單總線 拉高。 DS18B20 檢測(cè)到這個(gè)上升沿后，延時(shí) 15s60s，通過拉低總線 60s240s 產(chǎn)生應(yīng)答 脈沖。初始化波形如圖 3-3 所示。 、讀和寫時(shí)序 在寫時(shí)序期間，主機(jī)向 DS18B20 寫入指令，而在讀時(shí)序期間，主機(jī)讀入來自 DS18B20 的指令。在每一個(gè)時(shí)序，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。讀/寫時(shí)序如圖 3-4 所示。 XII 寫時(shí)序：存在兩種寫時(shí)序：“寫 1”和“寫 0” 。主機(jī)在寫 1 時(shí)序向 DS18B20 寫入邏輯 1，而在寫 0 時(shí)序向 DS18B20 寫入邏輯 0。所有寫時(shí)序至少需要 60s，且在 兩次寫時(shí)序之 間至少需要 1s 的恢復(fù)時(shí)間。兩種寫時(shí)序均以主

25、機(jī)拉低總線開始。產(chǎn) 生寫 1 時(shí)序：主機(jī)拉低總線后，必須在 15s 內(nèi)釋放總線，然后由上拉電阻將總 線 拉至高電平。 產(chǎn)生寫0時(shí)序： 主機(jī)拉低總線后，必須在整個(gè)時(shí)序期間保持低電平 （至 少 60s） 。在寫時(shí)序開始后的 15s60s 期間，DS18B20 采樣總線的狀態(tài)。 圖 3-4 DS18B20 初始化時(shí)序圖 讀時(shí)序 ：DS18B20 只能在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)序時(shí)才能向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。所以主機(jī)在 發(fā)出讀數(shù)據(jù) 命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)序，以便 DS18B20 能夠傳送數(shù)據(jù)。所有讀時(shí) 序至少 60s， 且在兩次獨(dú)立的讀時(shí)序之間至少需要 1s 的恢復(fù)時(shí)間。 XIII 圖 3-4 DS18B20 讀/寫時(shí)

26、序圖 控制器采樣 1.4 MCS51 介紹 由于 Intel 公司的單片機(jī)問世早、產(chǎn)品系列齊全、兼容性強(qiáng)，得到了廣泛的英語， 目前我國(guó)的主要使用 MCS-51 系列的單產(chǎn)，尤以 8031 為多。這是因?yàn)?8031 無片內(nèi) ROM、應(yīng)用靈活、價(jià)格便宜。MCS-51 是 Intel 公司的 8 位系列單片機(jī)，包括 51 和 52 兩個(gè)子系列。51 子系列有 8031、8051、8071；52 子系列有 8032、8052.52 子系列的 不同在于它多具有定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2 及具有 256B 的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 （1）主要性能 1.內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：4KB 2.外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：128B 3.外部程序存儲(chǔ)

27、器：可擴(kuò)展到 64KB 4.輸入/輸出口線：32 跟（4 個(gè)端口，每個(gè)端口 8 跟） 5.定時(shí)/計(jì)數(shù)器：2 個(gè) 16 位可編程的定時(shí)計(jì)數(shù)器。 6.串行口：全雙工，2 跟 7.寄存器區(qū)：在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的 128B 中劃出一部分作為寄存器區(qū)，分為四個(gè)區(qū)， 每個(gè)區(qū) 8 個(gè)通用寄存器。 8.中斷源：5 個(gè)中斷源，2 個(gè)優(yōu)先級(jí)別 XIV 9.堆棧：最深 128B 10.布爾處理機(jī)：即位處理器，對(duì)某些單元的某位做單獨(dú)處理。 11.指令系統(tǒng)（系統(tǒng)時(shí)鐘為 12MHz 時(shí)）：大部分指令執(zhí)行時(shí)間為 1us；少部分執(zhí)行指令 時(shí)間為 2us；只有乘、除指令的執(zhí)行時(shí)間為 4us。 （2）功能引腳說明 引腳結(jié)構(gòu)有雙列只

28、差封裝（DIP）方式和方形封裝方式。下面分別敘述這些引腳 的功能。 1.主電源引腳 VCC：電源端 GND：接地端 2.外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1：晶體振蕩器接入的一個(gè)引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。 XTAL2：晶體振蕩接入的另一個(gè)引腳。采用外部振蕩器時(shí)，此引腳作為外部振蕩信 號(hào)的輸入端。 （3）控制或與其他電源復(fù)用引腳 RST，ALE,VPP RST：撫慰輸 H 入端。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平 將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存的地址的低位 字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE 端仍以不

29、變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的 1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。 然而注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。在對(duì) FLASH 存儲(chǔ) 器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。 如果需要的話，通過對(duì)專用寄存器(SFR)區(qū)中的 8EH 單元的 DO 位置數(shù)，可禁止 ALE 操作。該位置數(shù)后，只有在執(zhí)行一條 MOVX 或 MOVC 指令期間，ALE 才會(huì)被激活。 另外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，該設(shè)定禁止 ALE 位無效。 程序儲(chǔ)存允許：程序儲(chǔ)存允許輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng) 80C51 由 外部程序存儲(chǔ)器取

30、指令（或常數(shù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效（即輸出 2 個(gè)脈 沖).但在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。 CPP：外部訪問允許端。要是 CPU 只訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000H-FFFFH） ， 則 VPP 端必須保持低電平（接地） 。然而要注意的是，如果保密位 LB1 被編程，復(fù)位 時(shí)在內(nèi)部會(huì)鎖存 VPP 端的狀態(tài)。當(dāng) VPP 端保持高電平（接 Vcc 端）時(shí)，CPU 則執(zhí)行內(nèi) 部程序存儲(chǔ)器中的程序。在 FLASH 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳也用于施加 12V 的編程允 XV 許電源 Vpp。 （4）輸入/輸出引腳 P0.0-P0.7，P1.0-P1

31、.7和 P2.2-P2.7,P3.0-P3.7。 P0端口：P0是一個(gè)8位漏極開路型雙向 I/O 接口，作為輸出口用時(shí)，每位能以吸 收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè) TTL 輸入，在對(duì)端口寫1時(shí)，又可作高阻抗輸入端用。 在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線， 在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在 FLASH 編程時(shí)，P0端口接收指令字節(jié)；而在校 驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1端口：P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向 I/O 端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū) 動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻，哪些被外部信 號(hào)拉低的引腳會(huì)輸

32、出一個(gè)電流。在對(duì) FLASH 編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1接收低8位地址。 P2端口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向 I/O 端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū) 動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè) TTL 輸入。對(duì)端口寫1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口 拉到高電位，這是可用作輸入口。P2作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，哪些 被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVXDPTR 指令） 時(shí)，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVXRI 指令）時(shí)， P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中 P2寄存器的內(nèi)容） ，

33、在整個(gè)訪問期 間不會(huì)改變。 在對(duì) FLASH 編程和程序檢驗(yàn)期間，P2也接受高位地址和一些控制信號(hào)。 P3端口：P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向 I/O 端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流方式）4個(gè) TTL 輸入。對(duì)端口寫1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉 到高電位，這是可用作輸入口。P3作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被 外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在89C51中，P3端口還用于一些復(fù)位功能。 1.5 溫度控制的主要方法 溫度的測(cè)量方法多采用集成的半導(dǎo)體模擬溫度傳感器，傳感器輸出的電壓或電流 與溫度在一定范圍呈線性關(guān)系。通過放大，采樣得到被測(cè)量。另一種溫度測(cè)量方法

34、是 使用熱電偶，其測(cè)量精度較高，但測(cè)試過程復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，而且采用電橋測(cè)量的 系統(tǒng)抗干擾能力較差，誤差較大。隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，新型的數(shù)字化溫度 傳感器其精度、穩(wěn)定性、可靠性及抗干擾能力都優(yōu)于模擬的溫度傳感器。數(shù)字溫度傳 感器也越來越的到廣泛的應(yīng)用。 溫度檢測(cè)的方法根據(jù)敏感元件和被測(cè)介質(zhì)接觸與否，可以分為接觸式與非接觸式 XVI 兩大類。接觸式檢測(cè)的方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度檢測(cè)儀 表；基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測(cè)儀表。非接觸式檢測(cè)方法是利用物體的熱輻射特 性與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)物體的溫度進(jìn)行檢測(cè)，主要有亮度法、全輻射法和比色 法等。接觸式測(cè)溫是使測(cè)溫敏感元

35、件與被測(cè)介質(zhì)接觸，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)與感溫元件達(dá)到熱 平衡時(shí)，感溫元件與被測(cè)介質(zhì)的溫度相等。這類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、精度高、 穩(wěn)定性好、價(jià)格低、應(yīng)用十分廣泛，因此，本方案采用接觸式測(cè)溫法，選用相關(guān)類型 的傳感器。 由單片機(jī)組成的溫度測(cè)控系統(tǒng),通過在單片機(jī)外部添加各種接口電路，可構(gòu)成單 片機(jī)最小系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制對(duì)象的溫度的顯示和控制。同時(shí)也能根據(jù)實(shí)際情 況實(shí)現(xiàn)多路巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警及記錄,對(duì)各個(gè)參數(shù)以一定的周期進(jìn)行檢查和 測(cè)量,檢測(cè)的結(jié)果經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后再進(jìn)行顯示、打印和報(bào)警,以提醒操作人員注意或直 接用于生產(chǎn)控制。 1.6 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 本論文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)是某

36、型號(hào)氣相色譜儀的溫度控制子系 統(tǒng)，其目的是對(duì)兩個(gè)溫控箱的溫度進(jìn)行恒值溫度控制。溫控箱的溫度控制范圍在室溫 到攝氏度之間，溫度控制的精度要求為士 1。下面討論系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，包括 系統(tǒng)的性能要求以及系統(tǒng)的軟、硬件方案分析。 1.6.1 系統(tǒng)性能要求 系統(tǒng)性能要求： 1、可以人為方便地通過控制面板或機(jī)設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)將 溫控箱加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實(shí)現(xiàn)溫度的 自動(dòng)控制； 2、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫控箱溫度的測(cè)量并且通過控制面板上的液晶顯示實(shí)時(shí)的顯示出 來； 3、具有加熱保護(hù)功能的安全性要求。如果實(shí)際測(cè)得的溫控箱溫度值超過了系統(tǒng) 規(guī)定的安全溫度，保護(hù)電

37、路就會(huì)做出反應(yīng)，從而對(duì)溫控箱實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù); 4、模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡(jiǎn)單，維修方便; 5、系統(tǒng)可靠性高，不易出故障; 6、盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場(chǎng)上買到同樣零部件進(jìn)行 替換。 XVII 1.6.2 系統(tǒng)硬件方案分析 目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路和單片機(jī)兩種形式。模擬控制電 路的各控制環(huán)節(jié)一般由運(yùn)算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外 圍元器件組成。它的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。根據(jù)計(jì) 算機(jī)控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的 響應(yīng)特性。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，對(duì)溫

38、控系統(tǒng)的實(shí)時(shí) 性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。另外，模擬電路依靠元器件之間 的電氣關(guān)系來實(shí)現(xiàn)控制算法，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。 單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它是把中央 處理單元、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、定時(shí)計(jì)數(shù)器以及輸入輸出接口電路等主要 計(jì)算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它的特點(diǎn)是功能強(qiáng)大、運(yùn)算 速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。由此可見，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控 制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，還可以 提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。 另外，隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片

39、上系統(tǒng)得到了十足的 發(fā)展。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種芯片應(yīng)用到先進(jìn)的控制儀表中。芯 片通常含有一個(gè)微處理器核，同時(shí)，它還含有多個(gè)外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存 儲(chǔ)器和（RAM 和 ROM） ，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其 功能非常強(qiáng)大，適用領(lǐng)域也非常廣。它不僅能滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使 整個(gè)系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。 從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，是實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選 擇，但目前市場(chǎng)上的價(jià)格還比較昂貴，并且的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利 于實(shí)驗(yàn)電路板的搭建。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫 度控制系

40、統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。 XVIII 第 2 章硬件設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個(gè)部分： 單片機(jī)主控模塊、輸入通道、輸出通道、保護(hù)電路、電源電路等。硬件總體結(jié)構(gòu) 框圖如圖 2.1 所示。由結(jié)構(gòu)框圖可見，溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，并擴(kuò)展外部存 儲(chǔ)器構(gòu)成主控模塊。被測(cè)對(duì)象的溫度由 DS18B20 溫度傳感器檢測(cè)外界溫度并轉(zhuǎn)化為數(shù) 字信號(hào)。 XIX 圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 此數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)處理，一方面將被測(cè)對(duì)象的溫度通過控制面板上的液晶顯 示器顯示出來；另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小， 采用控制算法進(jìn)行運(yùn)算

41、，最后通過控制繼電器（即控制溫控箱加熱平均功率的大小） ， 進(jìn)而達(dá)到對(duì)被測(cè)物體溫度進(jìn)行控制的目的。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過或低于系統(tǒng)給 定的極限安全溫度，保護(hù)電路會(huì)做出反應(yīng)同時(shí)報(bào)警電路報(bào)警提示，從而保護(hù)被測(cè)物體。 單片機(jī)快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行溫度采集、數(shù)據(jù)處理、顯示和控制主要是時(shí)鐘電路提供 的時(shí)鐘頻率，使單片機(jī)正常的協(xié)調(diào)處理各項(xiàng)任務(wù)。各個(gè)器件工作的電源電壓主要有電 源電路提供。則溫度的設(shè)定范圍就通過矩陣鍵盤進(jìn)行設(shè)定，使被測(cè)物體在正常的溫度 范圍下工作。 2.2 硬件電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分；從功能模塊上來分有：主 機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、電源電路、控制

42、執(zhí)行電路以及掉電保護(hù)電路。 各個(gè)模塊電路通過主機(jī)電路控制，協(xié)調(diào)一致的進(jìn)行工作。完成對(duì)被測(cè)物體的溫度控制。 硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.2 所示： XX 圖 2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 2.2.1 主機(jī)電路的設(shè)計(jì) 主機(jī)選用 INTEL 公司的 MCS-51 系列單片機(jī) 89C51 來實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)軟件編程 靈活、自由度大的特點(diǎn)，力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的 89C51 芯片時(shí)時(shí)鐘可達(dá) 12MHZ，運(yùn)算速度快，控制功能完善。其內(nèi)部具有 128 字節(jié) RAM，而且內(nèi)部含有 4KB 的 EPROM 不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，也有數(shù)據(jù)通信接口，通過 TXD、RXD 與 PC 機(jī)連接，可以進(jìn)行人

43、機(jī)操作，使得操作更加簡(jiǎn)單、方便。具有五個(gè)中 斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，兩個(gè)外部中斷、兩個(gè)定時(shí)中斷還用一個(gè)通信中斷，可以對(duì)溫 度檢測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分時(shí)操作，這樣就可以對(duì)被測(cè)物體溫度監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確、延時(shí)性 更小，同時(shí)也可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單實(shí)用。 如圖 2.3 所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)和時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及電源電路構(gòu)成了單片機(jī)的最小 系統(tǒng)，即溫度控制系統(tǒng)的主機(jī)電路。用來處理溫度采集的數(shù)字信息并控制各部分的正 常工作。其中單片機(jī)的 I/O 口，即 P0、P1、P2 和 P3 用來接相應(yīng)的顯示設(shè)備，鍵盤輸 入以及繼電器等。 XXI 圖 2.3 主機(jī)電路示意圖 2.2.2 I/O 通道的硬件電路的設(shè)計(jì) 就本系統(tǒng)來說，

44、需要實(shí)時(shí)溫度傳感器DS18B20采集水溫?cái)?shù)據(jù)，送入單片機(jī)中的特 定單元，然后一部分送去顯示；另一部分與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過PID算法得到控制 量并經(jīng)由單片機(jī)輸出去控制電爐加熱或制冷器降溫。 （1）數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集電路主要由數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 采集水溫的溫度。溫度傳感器的單 總線(1-Wire)與單片機(jī)的 IO 連接，P3.7 是單片機(jī)的高位地址線。P3 端口是一個(gè) 帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO，每個(gè)端口都有第二功能，其輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) (吸收或 輸出電流)4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)該端口寫“1” ，可通過內(nèi)部上拉電阻將 其端口拉至高電平，此時(shí)可作為輸入口使用，

45、這是因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某一引腳 被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 如圖 2.4 所示：溫度傳感器 DS18B20 與單片機(jī)只有一根線連接即單總線或 one_wire 總線。溫度傳感器 DS18B20 只有三個(gè)端口，電路連接很簡(jiǎn)單，一根電源線 接電源，一根接地，一根數(shù)據(jù)時(shí)鐘線接單片機(jī)的 I/O,數(shù)據(jù)時(shí)鐘線必須接一個(gè)上拉電 XXII 阻，防止數(shù)據(jù)、時(shí)鐘高阻懸掛，就會(huì)得不到準(zhǔn)確的溫度數(shù)字信號(hào)。 圖2.4 溫度傳感器硬件電路示意圖 （2）溫度控制控制執(zhí)行電路的設(shè)計(jì) 由輸出來控制加熱器或制冷器，加熱器可以近似建立為具有滯后性的一階慣性 環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：G(s)=K/（Ts+1）e-t

46、s 制冷器可以認(rèn)為是線形環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離， 要選擇光電耦合器，使輸出信號(hào)要對(duì)繼電器進(jìn)行通斷控制，以便使電爐或風(fēng)扇電路導(dǎo) 通，此外，當(dāng)實(shí)際溫度不在設(shè)定的范圍內(nèi)，報(bào)警電路將實(shí)時(shí)報(bào)警并作出相相應(yīng)的處理 如（報(bào)警信號(hào)傳到單片機(jī)或人，單片機(jī)或人就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作） ，當(dāng)實(shí)際溫度低于 設(shè)定的溫度時(shí)相應(yīng)黃色發(fā)光二極管點(diǎn)亮并且加熱器啟動(dòng)升溫；高于設(shè)定的溫度時(shí)對(duì)應(yīng) 紅色二極管亮并且制冷器啟動(dòng)降溫。 如圖2.5所示：繼電器的通斷通過單片機(jī)的I/O的輸出控制，從而控制加熱器、制 冷器的啟停，來控制被測(cè)物體的溫度。 圖2.5 溫度控制電路圖 XXIII 如圖2.6所示：報(bào)警電路也是由單片

47、機(jī)的I/O控制，當(dāng)實(shí)際溫度不在設(shè)定的范圍單 片機(jī)就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的指令，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，提示溫度超過或低于設(shè)定的溫度，以便及 時(shí)作出處理。 圖2.6 報(bào)警電路圖 2.2.3 鍵盤設(shè)計(jì) 鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它具有最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備， 通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。鍵盤上閉合建的識(shí)別是由專 用硬件實(shí)現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實(shí)現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。 鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計(jì)，低電平有效。鍵盤還分為矩 陣鍵盤和獨(dú)立鍵盤，使用矩陣鍵盤能大量的節(jié)約單片機(jī)的I/O資源，方便快捷。獨(dú)立 鍵盤雖然占用了I/O資源，但是運(yùn)用靈活，很適用鍵盤少的電路。其按鍵的功能如下

48、表所示： 表2-1 鍵盤功能表 按鍵鍵名功能 KEY1復(fù)位鍵使系統(tǒng)復(fù)位 KEY2 KEY3功能 切換鍵 切換當(dāng)前溫度和 設(shè)定溫度的顯示 界面 矩陣鍵盤設(shè)定溫度鍵盤設(shè)定溫度的允許范圍 如圖2.7所示：矩陣鍵盤與單片機(jī)的P1口連接，采用軟件查詢的方式，用來設(shè)定 溫度的允許范圍，也可以用來做狀態(tài)顯示切換功能鍵等，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話，鍵盤 的輸入值被單片機(jī)讀入并通過中央處理器處理，送到顯示模塊進(jìn)行顯示。 XXIV 圖2.7 鍵盤電路圖 如圖 2.8 所示按鍵 KEY10、KEY11 分別與 P3.2（INTO） 、P3.3（INT1）相連，采 用外部中斷方式，對(duì)溫度設(shè)定實(shí)時(shí)處理。 圖 2.8 獨(dú)立鍵盤

49、電路圖 2.2.4 顯示電路設(shè)計(jì) 顯示電路采用了 LCD_1602 和數(shù)碼管的混合顯示，設(shè)定的溫度值范圍顯示在數(shù)碼 管上，一看就是知道被測(cè)物體正常時(shí)的溫度范圍是多少，同時(shí)當(dāng)前溫度顯示在液晶上， 因此知道被測(cè)物體的當(dāng)前值是多少。 (1)液晶的介紹 、 1602 型液晶接口信號(hào)說明 XXV 1602 型液晶接口信號(hào)說明如表 2-2 所示 編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明 1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)口 2VDD電源正極10D2數(shù)據(jù)口 2V0液晶顯示器對(duì)比度調(diào)解端11D4數(shù)據(jù)口 4RS數(shù)據(jù)命令選擇端12D5數(shù)據(jù)口 5R/W讀寫選擇端（H/L）12D6數(shù)據(jù)口 6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)口 7D0數(shù)據(jù)口15B

50、LA背光電源正極 8D1數(shù)據(jù)口16BKL背光電源負(fù)極 、 基本操作時(shí)序 讀狀態(tài) 輸入：RS=L, R/W=H,E=H 輸出：D0D7=狀態(tài) 字 讀數(shù)據(jù) 輸入：RS=H, R/W=H,E=H 輸出：無 寫指令 輸入：RS=L, R/W=L,D0D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：D0D7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù) 輸入：RS=H, R/W=L, ,D0D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖 輸出：無。 、寫操作時(shí)序 通過 RS 確定是寫數(shù)據(jù)還是寫命令。讀/寫控制端設(shè)置為寫模式，即低電平。 將 數(shù)據(jù)或命令送達(dá)數(shù)據(jù)線上，給 E 一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成寫操作。 寫操作時(shí)序如下圖所示： XXVI 圖 2-9 1602 液

51、晶寫操作時(shí)序圖 （2）液晶的電路設(shè)計(jì) 如圖 2-10 所示：液晶的數(shù)據(jù)線接 P0 口，而 RS、RW、E 分別接單片機(jī)的 P2.5、P2.6、P2.7 口，通過單片機(jī)的控制顯示設(shè)定的溫度值或?qū)嶋H溫度值。 圖 2-10 1602 液晶電路顯示電路圖 （2）數(shù)碼管 LED 簡(jiǎn)介 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡(jiǎn)稱 LED；液晶顯示 器，簡(jiǎn)稱 LCD。前者價(jià)廉，配置靈活，與單片機(jī)接口方便；后者可進(jìn)行圖形顯示，但 接口復(fù)雜，成本較高。結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在這里系統(tǒng)的顯示采用發(fā)光二極管作為顯 示器件。 圖 2.11 數(shù)碼管 XXVII 單片機(jī)中使用 7 段 LED 構(gòu)成字形“8” ，

52、另外，還與一個(gè)小數(shù)點(diǎn)發(fā)光二極管用以顯 示數(shù)字、符號(hào)及小數(shù)點(diǎn)。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種，如圖 2.15 所示。發(fā)光 二極管的陽極連在一起稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。一位 顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管組成，其中，7 個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字形“8”的各個(gè)筆劃 （段）a-g,另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為 dp 發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電 壓是，該段筆劃即點(diǎn)亮；不加電壓則該段二極管不亮。為了保護(hù)各段 LED 不被損壞， 需要外加限流電阻. 如果要顯示某個(gè)字形，則應(yīng)使此字形的相應(yīng)段點(diǎn)亮，也即送一個(gè)不同的電平組合 代表的數(shù)據(jù)來控制 LED 的顯示字形，此數(shù)據(jù)稱為字符的段碼。數(shù)據(jù)字位數(shù)

53、與 LED 段 碼的關(guān)系如表所示。 表 2-3 數(shù)碼管各段與輸出口各位的對(duì)應(yīng)關(guān)系 輸出口各位 D7D6D5D4D3D2D1D0 數(shù)碼管各段 dpgfedcba 如使用共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為 0 表示對(duì)應(yīng)字段亮，數(shù)據(jù)為 1 表示對(duì)應(yīng)字段暗；如 使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為 0 表示對(duì)應(yīng)字段暗，數(shù)據(jù)為 1 表示對(duì)應(yīng)字段亮。如要顯示 “0” ，共陽極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：11000000B（即 C0H） ；共陰極數(shù)碼管的字型編 碼應(yīng)為：00111111B（3FH） 。依次類推，可求得數(shù)碼管字型編碼如表 2-4 所示。 表 2-4 共陽極共陰極 字型 dpgfedcba字型碼dpgfedcba字型碼 011

54、000000C0H001111113FH 111111001F9H0000011006H 210100100A4H010110115BH 310110000B0H010011114FH 續(xù)表 2-3 41001100199H0110011066H 51001001092H011011016DH 61000001082H011111017DH 711111000F8H0000011107H XXVIII 81000000080H011111117FH 91001000090H011011116FH A1000100088H0111011177H B1000001183H011111007CH C

55、11000110C6H0011100139H D10100001A1H010111105EH E1000011086H0111100179H F100011108EH0111000171H 滅11111111FFH0000000000H （4）數(shù)碼管的電路設(shè)計(jì) 數(shù)碼管用的是八位共陽的發(fā)光二極管組成，只要賦予低電平對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管就 點(diǎn)亮，八段發(fā)光二極管的亮暗組合就能組成0F十六數(shù)字，利用數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃面就 能清晰穩(wěn)定的顯示溫度的設(shè)定值，考慮到I/O不夠用，采用了74ls138譯碼器和 74ls373鎖存器的組合，從而大量的節(jié)約了單片機(jī)I/O資源。 74LS373內(nèi)有8個(gè)相同的D型(三態(tài)同相)鎖

56、存器，由兩個(gè)控制端(11腳G或EN；1腳 OUT、CONT、OE)控制。當(dāng)OE接地時(shí)，若G為高電平，74LS373接收由PPU輸出的地址信 號(hào)如果G為低電平，則將地址信號(hào)鎖存。74LS373的輸出端O0O7可直接與總線相連。 當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，O0O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。 當(dāng)OE為高電平時(shí)，O0O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi) 部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時(shí)，O隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平 時(shí)，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 74ls138 是個(gè)三輸入 8 輸出的譯碼器，A0、A1、A2 為地址端，選擇相應(yīng)的輸出端 為低電

57、平，例如：當(dāng)譯碼器的地址端為 0 0 0 時(shí)，輸出端 Y0=0；當(dāng)譯碼器的的地址 端是 0 0 1 時(shí)，其輸出端 Y1=0；以此類推。 如圖2-11所示：數(shù)碼管的數(shù)據(jù)線利用鎖存器和液晶的數(shù)據(jù)線共用一個(gè)I/O即P0口； 而數(shù)碼管的片選線則利用了38譯碼器來選通，3-8譯碼器的地址線通過單機(jī)的 P2.3、P2.4、P3.6口來控制選擇數(shù)碼管的片選。只要控制這三個(gè)地址線就可以實(shí)現(xiàn)六 個(gè)數(shù)碼管的位選加鎖存器的使能。如下圖所示： XXIX 圖 2-12 數(shù)碼管顯示電路圖 2.2.5 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 溫度控制系統(tǒng)硬件包括：89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、D/A 轉(zhuǎn)換 模塊、信號(hào)放大電

58、路、溫控電路以及其它外圍電路。 （1）單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的 CPU 為 Atmel 公司生產(chǎn)的89C51。出廠所配晶振頻率為11.0592MH,每個(gè) 機(jī)器周期為1.085us,用戶更換晶振以提高速度。存貯器為64K,前4K/8K20K 在 CPU 內(nèi) 部,其它程序在 EPR0M27512中。數(shù)據(jù)存貯器為32K(62256),地址為8000FFFFH。I/O 擴(kuò)展8155,片內(nèi) RAM 地址200O-20FFH8155命令口地址為2100HA 口地址21O1H B 口地址：2102H C 口地址:2103H T 低八位2104H T 高八位. （2）傳感器電路 數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它

59、是一種能將外界溫度直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)的數(shù)字溫 度傳感器。它使用范圍廣，運(yùn)用靈活，它的價(jià)格便宜，精確度較高，延滯性下，因而 靈敏度很高， 而且它的線性很好。雖然其測(cè)量精度一般，但完全能滿足工業(yè)測(cè)溫要 XXX 求，應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。 (3)保護(hù)電路 保護(hù)電路的作用是對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行過溫保護(hù)，其電路如圖2-13所示。 圖 2-13 保護(hù)電路 驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制繼電器，斷開加熱電阻絲電源，保護(hù)溫控箱。電路中增加的達(dá)林頓 管是一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)型器件，能夠提高繼電器的勵(lì)磁電流。在繼電器兩端并聯(lián)了續(xù)流二 極管，其作用是當(dāng)達(dá)林頓管由導(dǎo)通到關(guān)斷時(shí)，繼電器也由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，由于繼電器 是個(gè)感性負(fù)載，電流不能突變，線圈兩端將產(chǎn)生

60、很高的反向電勢(shì)，以繼續(xù)維持線圈中 通過的電流。這個(gè)反向電勢(shì)一般很高，容易造成三極管的擊穿，加入續(xù)流二極管后， 為反向電勢(shì)提供了放電回路，從而保護(hù)三極管不會(huì)被擊穿。 （4）串行通信接口電路 目前，廣泛使用的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)有一，一與一三種。其中一是美國(guó)電子工業(yè) 協(xié)會(huì)正式公布的串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是目前最為常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī) 與計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通訊。串行通信接口的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 格式化。來自的是普通的并行數(shù)據(jù)，接口電路應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù) 格式化的任務(wù)。具體任務(wù)是： 1.進(jìn)行串-并轉(zhuǎn)換； 2.控制數(shù)據(jù)傳輸速率； 3.進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)； 4.進(jìn)行 TTL