基于單片機(jī)的制冷系統(tǒng)及智能控制

1、1 引言溫度是與人類的生活和工作關(guān)系最密切的物理量，也是各門學(xué)科與工程研究設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到和必須精確測(cè)定的物理量。從工業(yè)爐溫、環(huán)境氣溫到人體溫度；從空間、海洋到家用電器等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都離不開測(cè)溫和控溫。因此，測(cè)溫、控溫技術(shù)發(fā)展最快，范圍最廣。1.1 本課題的意義在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)，對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時(shí)無刻不在與溫度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對(duì)

2、是否能掌握溫度控制有著絕對(duì)的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。溫度是一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)常需要測(cè)量、控制和保持的量，而溫度是一個(gè)模擬量，不能直接與單片機(jī)交換信息，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量在原理上雖然不困難但成本較高，還會(huì)遇到其它方面的問題。 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們需要對(duì)各中加熱爐，熱處理爐，生化溫室中溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。溫度監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域 ,如家電、汽車、材料、電力電子等，和人們的日常生活息息相關(guān)，例如微波爐，冰箱，熱水器等都需要對(duì)溫度進(jìn)行控制，而開發(fā)一個(gè)智能的溫度控制系系統(tǒng)顯著尤為重要，而如今

3、隨著科技的進(jìn)步，已經(jīng)開發(fā)出很多不同用途的智能溫度控制系統(tǒng)，大大方便了人們的日常生活，為經(jīng)濟(jì)的發(fā)戰(zhàn)做出了貢獻(xiàn)。溫度測(cè)量和控制在工業(yè)控制領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，溫度控制充當(dāng)了一個(gè)很重要的角色，所以說溫度控制在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中都有著重要的意義。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r目前，國(guó)內(nèi)的大型冷庫(kù)大多采用儀表控溫.人工手動(dòng)的定值方式。對(duì)于大型多種類型庫(kù)房的冷庫(kù)，這種控制方式往往無法滿足冷庫(kù)溫度控制的要求。為此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)大型冷庫(kù)溫度控制系統(tǒng)時(shí)。采用AT89C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制器。通過對(duì)各庫(kù)房?jī)?nèi)多點(diǎn)測(cè)溫點(diǎn)的檢測(cè)。分析庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況，然后根據(jù)對(duì)庫(kù)溫的各種具體要求，控制制冷系統(tǒng)的運(yùn)行。我國(guó)冷庫(kù)自建

4、國(guó)以來經(jīng)歷了從小到大、從少到多、從單一到綜合、從一般到先進(jìn)的發(fā)展歷程。冷庫(kù)的發(fā)展離不開對(duì)制冷技術(shù)的依托，而制冷技術(shù)的發(fā)展又離不開自動(dòng)控制的應(yīng)用。自動(dòng)控制在我國(guó)冷庫(kù)制冷裝置及其系統(tǒng)的應(yīng)用始于六十年代，從自控元件儀表自主開發(fā)研制和試點(diǎn)工程，到大量工程應(yīng)用和發(fā)展;整個(gè)裝置系統(tǒng)的引進(jìn)和應(yīng)用，直至電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了從無到有、從初級(jí)到高級(jí)的不斷開發(fā)、拓展的歷程。當(dāng)今我國(guó)冷庫(kù)制冷裝置及其系統(tǒng)的自動(dòng)控制技術(shù)己日趨成熟并得以廣泛應(yīng)用和發(fā)展;可以這樣說，當(dāng)今制冷技術(shù)的發(fā)展已越來越離不開自動(dòng)控制的支撐;當(dāng)今電子技術(shù)、PLC和CPU的應(yīng)用已越來越深入于冷庫(kù)自動(dòng)控制的內(nèi)容;當(dāng)今自動(dòng)控制的實(shí)施在安全、經(jīng)濟(jì)和節(jié)能等

5、領(lǐng)域亦越來越體現(xiàn)其無可替代的重要地位。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使制冷系統(tǒng)的自動(dòng)控制上升了一個(gè)很大的臺(tái)階，做到了常規(guī)控制難以做到的控制內(nèi)容。例如庫(kù)房溫度排序、氨壓縮機(jī)列隊(duì)、當(dāng)前負(fù)荷和制冷量計(jì)算、蒸發(fā)溫度設(shè)定、庫(kù)房溫度設(shè)定、系統(tǒng)最佳運(yùn)行、冷凝水泵動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、事故處理、數(shù)據(jù)采集打印和隨機(jī)查詢等功能的實(shí)現(xiàn)，就是計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的成果。自行設(shè)計(jì)的冷庫(kù)自動(dòng)控制與以往相比，最大的不同是可以選用的自控元件儀表品種多了、質(zhì)量也高了，其結(jié)果就是克服了長(zhǎng)期以來“頭腦靈活而手腳不靈”的尷尬局面，使冷庫(kù)自動(dòng)控制成了十分必要而且實(shí)用的技術(shù)。吳徑冷庫(kù)1000噸高溫庫(kù)的項(xiàng)目，以通用PLC為核心，采用相關(guān)元件和儀表，編制控制中國(guó)制冷

6、學(xué)會(huì)第十七次團(tuán)體會(huì)員大會(huì)暨第五屆全國(guó)食品冷藏鏈大會(huì)論文集程序，取得了可編程序控制器在制冷系統(tǒng)應(yīng)用的成功，還獲得了上海市科技成果應(yīng)用的證書。新加坡在中國(guó)投資的深圳清溪和山東龍口冷庫(kù)，用國(guó)產(chǎn)制冷設(shè)備和進(jìn)口自控元件實(shí)現(xiàn)了高溫庫(kù)和高、低溫兩用庫(kù)的自動(dòng)控制。廣州600()噸山力冷庫(kù)是民營(yíng)企業(yè)，在該工程中選用了進(jìn)口螺桿制冷壓縮機(jī)、國(guó)產(chǎn)輔機(jī)和進(jìn)口制冷自控元件，實(shí)現(xiàn)了采用頂墻排管低溫庫(kù)(包括制冰和冰庫(kù))的自動(dòng)控制。在這些冷庫(kù)的自動(dòng)控制中，螺桿式制冷壓縮機(jī)的機(jī)電一體化是一個(gè)很大的特點(diǎn)，采用微電腦或PLC組成的主機(jī)控制屏不但提高了對(duì)本機(jī)自控的程度，還有專用通訊接口，可以與系統(tǒng)建立聯(lián)絡(luò)和納入整個(gè)系統(tǒng)的控制;通過該控

7、制屏的人機(jī)界面不但能了解當(dāng)時(shí)運(yùn)行工況和相關(guān)參數(shù)，還能根據(jù)運(yùn)行要求對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，滿足實(shí)際控制需要。國(guó)外引進(jìn)冷庫(kù)的自控特點(diǎn) 一些企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)的冷庫(kù)、制冷設(shè)備和制冷系統(tǒng)，其特點(diǎn)之一就是技術(shù)先進(jìn)自動(dòng)化程度高。這些工程基本上都采用帶微電腦控制的螺桿制冷壓縮機(jī)和各種自控元件，結(jié)合制冷對(duì)象的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)制冷設(shè)備及其系統(tǒng)的自動(dòng)控制。該時(shí)期的深圳坪山冷庫(kù)、上海外高橋冷庫(kù)、二十一世紀(jì)冷庫(kù)和福樂冰琪淋食品公司等項(xiàng)目的自動(dòng)控制都各具特點(diǎn)。1)螺桿壓縮機(jī)不但能根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的變化作相應(yīng)的能量調(diào)節(jié)，還能根據(jù)運(yùn)行工況變化作相應(yīng)的內(nèi)容積比調(diào)節(jié)。2)在高、低溫多蒸發(fā)溫度的制冷系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了中冷帶負(fù)荷系統(tǒng)的配置和自動(dòng)調(diào)節(jié)，使

8、制冷壓縮機(jī)的配置數(shù)量最少、投入運(yùn)行的效率最高、對(duì)制冷對(duì)象變化的適應(yīng)最靈活。3)實(shí)現(xiàn)了重力供液系統(tǒng)的自動(dòng)控制，還同樣做到了中冷帶負(fù)荷的控制，使較為傳統(tǒng)的重力供液系統(tǒng)煥發(fā)了新春，在省去液泵的同時(shí)，減少了制冷裝置的功率消耗和日常維修。通過這些工程的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，還拓展了視野、豐富了經(jīng)驗(yàn)、加快了與國(guó)際接軌的步伐從以往冷庫(kù)自控的發(fā)展，可以明顯地看到，自控元件儀表的制造、制冷系統(tǒng)的控制是和電子技術(shù)的發(fā)展互為依托、相互促進(jìn)的。從最早的繼電器回路、到由分立原件組成的程序控制器、再到集成電路的可變程序控制器。1.3 溫度監(jiān)控系統(tǒng)常用的兩種裝置1.3.1 PLC控制系統(tǒng)由溫度傳感器、PLC系統(tǒng)(含鍵盤和液晶顯

9、示) 、加熱設(shè)備幾部分組成。利用PLC把傳感器采集的有關(guān)參數(shù)(如溫度)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并把這些數(shù)據(jù)暫存起來,與給定值進(jìn)行比較,經(jīng)控制算法后,給出相應(yīng)的控制信號(hào)進(jìn)行控制。系統(tǒng)還可以經(jīng)過串行通信接口將數(shù)據(jù)送至上位機(jī),從而完成數(shù)據(jù)管理、智能決策、歷史資料統(tǒng)計(jì)分析等更為強(qiáng)大的功能,并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、編輯、存儲(chǔ)及打印輸出。傳感器把與環(huán)境有關(guān)的參量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),經(jīng)運(yùn)算放大器組成的信號(hào)處理電路變換成壓頻轉(zhuǎn)換器(V /F)需要的電壓信號(hào)。其中溫度傳感器的輸出電流與絕對(duì)溫度成正比,且具有溫度響應(yīng)快、線性度好及高阻抗電流輸出等特點(diǎn),適于長(zhǎng)距離傳輸,可把- 555 的溫度轉(zhuǎn)換成14 V的電壓;測(cè)濕調(diào)理電路是將

10、濕度傳感器測(cè)試到的10 %90 %的相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換成420 mA的電流輸出信號(hào)。監(jiān)控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括遮陰簾、電磁閥等設(shè)備。系統(tǒng)工作時(shí), PLC通過溫度傳感器來測(cè)量溫室內(nèi)的溫度并與設(shè)定值相比較,如果溫室內(nèi)的溫度超出了設(shè)定范圍的上下限值, PLC就輸出指令,控制接通相應(yīng)的設(shè)備;當(dāng)溫室的溫度和濕度都在范圍內(nèi)時(shí), PLC就輸出指令,切斷設(shè)備的電源。1.3.2 單片機(jī)控制溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行控制，由溫度檢測(cè)電路、顯示電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制電路和單片微處理器等組成。用單片機(jī)作為控制器, 可對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)調(diào)節(jié),具有上下位機(jī)直接設(shè)置溫度范圍, 溫度實(shí)時(shí)顯示等功能。系統(tǒng)下

11、位機(jī)由傳感器檢測(cè)模塊, 鍵盤顯示模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊三大部分構(gòu)成。 2系統(tǒng)框圖和數(shù)學(xué)模型2.1 控制要求1）冷庫(kù)的溫度要保證在適于放置冷藏物品的溫度內(nèi)，這主要在控制程序設(shè)計(jì)中考慮。溫度控制范圍為-15 -25，升溫、降溫階段的溫度控制精度要求為0.5，保溫階段溫度控制精度為 0.5 ，溫度控制曲線見圖2.1。1圖2.1溫度控制曲線2）微機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié) 正常情況下，系統(tǒng)投入自動(dòng)。3）模擬手動(dòng)操作 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動(dòng)操作。4）微機(jī)監(jiān)控功能 顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實(shí)際值，控制量的輸出。2.2 受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型控制的溫度是影響冷庫(kù)性能的重要因素。本系統(tǒng)要求長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視冷庫(kù)的溫度，并對(duì)當(dāng)前的溫度進(jìn)行控

12、制。本控制對(duì)象為冷庫(kù)，采用繼電器進(jìn)行控制。AT89C52加熱控制電路高阻抗加熱絲降溫控制電路半導(dǎo)體降溫片冷庫(kù)溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路顯示電路上位機(jī)鍵盤報(bào)警電路圖2.2 溫度控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖2.2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖冷庫(kù)溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)主要由AT89C52為核心，結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。2.2.2 系統(tǒng)整體工作過程本系統(tǒng)的一大特點(diǎn)是用戶可以通過下位機(jī)中的鍵盤輸入溫度的上、下限值，也可以通過上位機(jī)對(duì)溫度的上、下限值進(jìn)行輸入，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)培養(yǎng)容器溫度檢測(cè)控制的遠(yuǎn)程操作。系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)在冷庫(kù)里，下位機(jī)中的溫度傳感器可以將環(huán)境中的溫度非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化成電量信號(hào)，再將這些信號(hào)進(jìn)行處理后送至下位機(jī)中的

13、單片機(jī)，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)送到緩沖區(qū)內(nèi)，通過LED數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)與原來內(nèi)部設(shè)定的上、下限值進(jìn)行比較，單片機(jī)可以根據(jù)比較的結(jié)果對(duì)溫度控制電路內(nèi)的繼電器發(fā)出相應(yīng)的通斷信號(hào)，并通過繼電器的吸合狀態(tài)去控制相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行操作，調(diào)節(jié)冷庫(kù)內(nèi)的溫度狀態(tài)。用戶直接通過鍵盤對(duì)溫度的上、下限值進(jìn)行設(shè)置后，如果環(huán)境的實(shí)時(shí)參數(shù)超越上、下限值，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)冷庫(kù)內(nèi)溫度狀態(tài)，直到溫度狀態(tài)處于上下限值范圍內(nèi)為止。下位機(jī)LED顯示部分可以直接實(shí)現(xiàn)溫度值的實(shí)時(shí)顯示。上位機(jī)可通過通信接口模塊接收下位機(jī)傳送過來的溫度值，可以直接設(shè)置溫度值并通過單片機(jī)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)冷庫(kù)進(jìn)行相關(guān)操作。由于通常的PC機(jī)都配有RS

14、-232C的串行通訊接口，有效通訊距離較短。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通訊，不得不將RS-232C接口轉(zhuǎn)化成RS-485接口。因此上下位機(jī)之間通過符合串行總線RS-485標(biāo)準(zhǔn)的通信通道以事先約定的協(xié)議進(jìn)行通信。2.2.3 溫度控制系統(tǒng)的組成框圖采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，組成部分見圖2.3。其中數(shù)字控制器的功能由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。冷庫(kù)溫度的傳遞函數(shù)為，其中1為電阻加熱的時(shí)間常數(shù)，為電阻加熱的純滯后時(shí)間，為采樣周期。A/D轉(zhuǎn)換器可劃歸為零階保持器內(nèi)，所以廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為 （2.1） 圖2.3 溫度控制系統(tǒng)的組成框圖廣義對(duì)象的Z傳遞函數(shù)為 （2.2）所以系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)為 (2.3)系統(tǒng)的數(shù)字控制器為=

15、（2.4）寫成差分方程即為 （2.5） 令 ,得 （2.6）式中 第次采樣時(shí)的偏差；第次采樣時(shí)的偏差；第次采樣時(shí)的偏差。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)考慮到盡量降低成本和避免復(fù)雜的電路，此系統(tǒng)所用到的元器件均為常用的電子器件。主控器采用單片機(jī)AT89C52；溫度傳感器采用AD590；采用控制端TTL電平，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開關(guān)，使用時(shí)完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)所需要的+5V工作電源是通過220V交流電壓通過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波得到。實(shí)時(shí)控制的顯示器、鍵盤通過單片機(jī)來完成鍵盤掃描與輸出動(dòng)態(tài)顯示。下面對(duì)硬件電路作具體的設(shè)計(jì)。3.1 單片機(jī)AT89C52單片機(jī)介紹AT89C52是

16、美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，期間采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，因此，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場(chǎng)合。AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通訊口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式，空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通訊口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部

17、件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89C52的引腳如圖3.1所示。1圖3.1 AT89C52引腳結(jié)構(gòu)圖3.1.1單片機(jī)的引腳功能描述下面對(duì)AT89C52各引腳的功能進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹：1)電源引腳Vcc和Vss Vcc(40腳)：電源端為+5V Vss(20腳)：接地端。 2)時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL2(18腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。在單片機(jī)內(nèi)部它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時(shí)針電路時(shí)，該引腳輸入外時(shí)鐘脈沖。要檢查89C52的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號(hào)輸出。XTAL1(19腳)：接外部晶體和

18、微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。 3)控制信號(hào)腳 RST ALE PSEN 和EA。 RST(9腳)：RST是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。在此輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期)的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。ALE/PROG（30引腳）：地址鎖存允許信號(hào)端。當(dāng)AT89C52上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號(hào)。此頻率為振蕩器頻率fosc的1/6，當(dāng)CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)作為鎖存低8位地址的控制信號(hào)。在CPU訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，每取值一次（一個(gè)機(jī)器周期）會(huì)丟失一個(gè)脈沖。平時(shí)不訪問片外存儲(chǔ)時(shí)，ALE端

19、也以1/6的振蕩頻率固定輸出正脈沖，因而ALE信號(hào)可以用作對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。如果你想看一下AT89C52芯片的好壞，可用示波器查看ALE端是否有脈沖信號(hào)輸出，如有脈沖信號(hào)輸出，則AT89C52基本上是好的。ALE的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為8個(gè)LS型TTL（低功耗高速TTL）。PSEN（29腳）；程序存儲(chǔ)允許輸出信號(hào)引腳，在訪問片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端定時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。此引腳接ERROM的OE端。PSEN端有效，即允許讀出ERROM/ROM中的指令碼。CPU在從外部ERROM/ROM取指令期間，每個(gè)周期PSEN兩次有效。不過，在訪問片外RAM時(shí)，要少產(chǎn)生兩次PSEN負(fù)脈沖信號(hào)。

20、要檢查一個(gè)AT89C52小系統(tǒng)上電后CPU能否正常到ERROM/ROM中讀取指令碼，也可用于示波器看PSEN端有無脈沖輸出。如有，說明基本上工作正常。EA/VPP（31腳）：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當(dāng)EA引腳接高電平時(shí)，CPU只訪問片內(nèi)ERROM/ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。但在PC（程序計(jì)數(shù)器）的值超過OFFFH（對(duì)8751/8051為4k）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外存儲(chǔ)器的程序。當(dāng)出入信號(hào)EA引腳接低電平（接地）時(shí)，CPU只訪問外部ERROM/ROM并執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。對(duì)于無芯片內(nèi)的ROM的8031或8032，須外擴(kuò)ERR

21、OM，此時(shí)必須將EA引腳接地。如果使用有片內(nèi)ROM的AT89C52，外擴(kuò)ERROM也是可以的，但也要使EA接地。4)I/O（輸入/輸出端口，P0，P1，P2，P3）P0口：P0口是一個(gè)漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P2口：即可以做地址總線輸出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此時(shí)為準(zhǔn)雙向口）。P3口：雙功能口，即可以做普通I/O口用（此時(shí)為準(zhǔn)向口，也可以按每位定義實(shí)現(xiàn)第二功能操作）。見表3.1。表3.1 P3口的第二功能表引腳第二功能P3.0RXD （串行輸入口）P3.1TXD （串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4

22、T0（定時(shí)器0外部中斷）P3.5T1（定時(shí)器1外部中斷）P3.6WR（外部存儲(chǔ)器寫選通）P3.7RD（外部存儲(chǔ)器讀寫通）3.12 時(shí)鐘電路 AT89C52的時(shí)鐘方式有兩種，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種是外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)化電路方面考慮，采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。AT89C52單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)高增益的反相放大器，其輸人端（XTAL1）和輸出端（XTAL2）用于外接石英晶體和微調(diào)電容構(gòu)成振蕩器，對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，一般電容值在20pF40pF時(shí)，振蕩器有較高的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)用于交流電參數(shù)的測(cè)量，數(shù)據(jù)計(jì)算又軟

23、件實(shí)現(xiàn)，需要穩(wěn)定的振蕩時(shí)鐘來保證測(cè)量與計(jì)算的精度，所以選擇電容值為33pF，晶振頻率為12MHz。電路如圖3.12所示。圖3.12 時(shí)鐘電路3.13 復(fù)位電路復(fù)位電路常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，其工作原理為：上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用12MHz時(shí)，C取22F， R約為10K。除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要人工按鈕復(fù)位。考慮到系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)的情況，自動(dòng)復(fù)位不能實(shí)現(xiàn)，于是就采用了上電復(fù)位與按鈕復(fù)位兼有的復(fù)位電路，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。如圖3.13所示。 圖3.13 復(fù)位電路3.2

24、 8155芯片的簡(jiǎn)介8155是帶RAM和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的可編程并行接口芯片。用8155可作LED顯示接口。如圖3.2所示：圖3.2 8155引腳圖1）8155各引腳功能說明如下：RST：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。復(fù)位后，3個(gè)I/O口均為輸入方式。AD0AD7：三態(tài)的地址/數(shù)據(jù)總線。與單片機(jī)的低8位地址/數(shù)據(jù)總線（P0口）相連。單片機(jī)與8155之間的地址、數(shù)據(jù)、命令與狀態(tài)信息都是通過這個(gè)總線口傳送的。：讀選通信號(hào)，控制對(duì)8155的讀操作，低電平有效。：寫選通信號(hào)，控制對(duì)8155的寫操作，低電平有效。：片選信號(hào)線，低電平有效。IO/：8155的RAM存儲(chǔ)器或I/O口選擇線。當(dāng)IO/0時(shí)，則選擇8

25、155的片內(nèi)RAM，AD0AD7上地址為8155中RAM單元的地址（00HFFH）；當(dāng)IO/1時(shí)，選擇 8155的I/O口，AD0AD7上的地址為8155 I/O口的地址。ALE：地址鎖存信號(hào)。8155內(nèi)部設(shè)有地址鎖存器，在ALE的下降沿將單片機(jī)P0口輸出的低8位地址信息及，IO/的狀態(tài)都鎖存到8155內(nèi)部鎖存器。因此，P0口輸出的低8位地址信號(hào)不需外接鎖存器。 PA0PA7：8位通用I/O口，其輸入、輸出的流向可由程序控制。 PB0PB7：8位通用I/O口，功能同A口。PC0PC5：有兩個(gè)作用，既可作為通用的I/O口，也可作為PA口和PB口的控制信號(hào)線，這些可通過程序控制。TIMER IN：

26、定時(shí)/計(jì)數(shù)器脈沖輸入端。TIMER OUT：定時(shí)/計(jì)數(shù)器輸出端。VCC：5V電源。2）用8155作顯示接口芯片的連接電路：其中C口為輸出口（位控口），以PC5-PC0輸出位控線。由于位控線的驅(qū)動(dòng)電流較大，8段全亮?xí)r約40-60mA，因此PC口輸出加74LS06進(jìn)行反相和提高驅(qū)動(dòng)能力，然后再接各LED顯示器的位控端。B口也為輸出口（段控口），以輸出8位字型代碼（段控線）。段控線的負(fù)載電流約為8mA，為提高顯示亮度，通常加74LS244進(jìn)行段控輸出驅(qū)動(dòng)。3.3 溫度傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流、電壓特性與溫度的關(guān)系，把感溫PN結(jié)及有關(guān)電子線路集成在一個(gè)小硅片上，構(gòu)成一個(gè)

27、小型化、一體化的專用集成電路片。集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。AD590是集成溫度傳感器中常用的芯片。它是AD公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。由于該器件具有良好的線性特性和互換性,因此測(cè)量精度高,并具有消除電源波動(dòng)的特性。AD590傳感器有三個(gè)引腳，在使用時(shí)“+”極引腳接電源，“-”極接一電阻到地， “NC”懸空即可。它可接的工作電壓為4V30V，可檢測(cè)的溫度范圍為-55+150，有非常好的線性輸出性能。溫度每降低1,電流就增加1uA。AD590溫度與電流的關(guān)系如表3.1所示2。AD590檢測(cè)電路接線圖如圖3.3所示。使用時(shí)，運(yùn)算放大器OPA

28、1為電壓跟隨器，主要為了穩(wěn)定信號(hào)的輸入，調(diào)節(jié)變阻器使0時(shí)運(yùn)放OPA2的輸入為：2.73 - 2.73 = 0V，而-25時(shí)，OPA2的輸入為2.732.98 = -0.25V（反相），這一步稱為零位調(diào)整。運(yùn)放OPA2為放大倍數(shù)為10的反相比例運(yùn)算放大器。這樣，-25時(shí)的-2.5V經(jīng)反相大10倍后為2.5V。 圖3.3 溫度檢測(cè)放大電路設(shè)計(jì)表3.2 AD590溫度與電流的關(guān)系溫度AD590電流經(jīng)10K電壓0273.2 uA2.732V-10283.2 uA2.832V-20293.2 uA2.932V-25298.2 uA2.982V-30303.2 uA3.032V-40313.2 uA3.1

29、32V-50323.2 uA3.232V-60333.2 uA3.332V-100373.2 uA3.732V通過兩個(gè)運(yùn)放后，電路所送出的電壓值的大小就能反映相應(yīng)的溫度值了。為了換算方便，本設(shè)計(jì)中采用的參考電壓為5.1V，即8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809模擬量輸入為+5.1V時(shí)，ADC0809的數(shù)字量為0FFH，即255。溫度顯示范圍設(shè)定為-510，則系統(tǒng)采樣分辨率為51255 = 0.2/LSB。各溫度與2個(gè)運(yùn)放及ADC0809輸入輸出間的關(guān)系如表3.3所示。在軟件設(shè)計(jì)中，只要將輸出的數(shù)字量乘以0.2/LSB就能換算成實(shí)際的溫度值3。再將個(gè)位與十位分別存入單片機(jī)的兩個(gè)內(nèi)存單元等待顯示即可。表3

30、.3 各溫度與2個(gè)運(yùn)放及ADC0809輸入輸出間的關(guān)系溫度值經(jīng)OPA1后經(jīng)10K后零位調(diào)整后經(jīng)OPA2后ADC輸入ADC輸出0273.2 uA2.732V0V0V0V0-10283.2 uA2.832V01V1V1V50-20293.2 uA2.932V02V2V2V100-30303.2 uA3.032V03V3V3V150-40313.2 uA3.132V04V4V4V200-50323.2 uA3.232V05V5V5V2503.4 ADC0809的簡(jiǎn)單介紹及其與單片機(jī)和傳感器的連接3.4.1 ADC0809的簡(jiǎn)單介紹ADC0809是8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)

31、換的。ADC0809由單一的+5V電壓供電；片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對(duì)8路05V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換大約需要100S；片內(nèi)帶有多路開關(guān)的地址譯碼器和鎖存電路、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)和樹形電子開關(guān)以及逐次逼近寄存器。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可以直接接到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。它是28腳雙列直插式封裝，其引腳圖如圖3.4所示，各引腳的功能如下：D7D0 ：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0IN7 ：8位模擬量輸入引腳。REF（+） ：參考電壓正端。REF（-） ：參考電壓負(fù)端。ALE ：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。START ：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)

32、輸入端。CLK ：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。EOC ：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。OE ：輸出允許控制端，用于打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。圖3.4 ADC0809引腳圖A、B、C：地址輸入線，經(jīng)譯碼后可以選通IN0IN7八通道中的一個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3.4.2 ADC0809與單片機(jī)的連接 ADC0809與AT89C52的接線圖如下圖3.5所示。由于ADC0809片內(nèi)無時(shí)鐘，可以利用AT89C52提供的地址鎖存允許信號(hào)ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得，ALE腳的頻率是AT89C52單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/6。此系統(tǒng)中單片機(jī)時(shí)鐘頻率采用6MHz，則ALE腳的輸出頻率為1MHz，再經(jīng)過二

33、分頻后為500KHz，恰好符合ADC0809對(duì)時(shí)鐘頻率的要求。由于ADC0809具有輸出三態(tài)鎖存器，其8位數(shù)據(jù)輸出引腳可以直接與數(shù)據(jù)總線相連。地址譯碼引腳A、B、C分別與地址總線的低三位A0、A1、A2相連，以選通IN0IN7中的一個(gè)通路。將P2.7作為片選信號(hào)，在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號(hào)和P2.7控制ADC的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，由于ALE和START連在一起，因此，ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)，啟動(dòng)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用低電平的讀信號(hào)和P2.7腳經(jīng)過一個(gè)或非門后，產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號(hào)，用以打開三態(tài)輸出鎖存器，因此，P2.7應(yīng)該設(shè)置為低電平。ADC0809與AT8

34、9C52的中斷方式接口電路只需要將0809中的EOC腳經(jīng)過一個(gè)非門連接到AT89C52的INT0腳即可。采用中斷方式可以大大節(jié)省CPU的時(shí)間，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC圖3.5 ADC0809與單片機(jī)AT89C52的接線圖發(fā)出一個(gè)脈沖向單片機(jī)提出中斷申請(qǐng)，單片機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求，由外部中斷的服務(wù)子程序讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，并啟動(dòng)下一個(gè)轉(zhuǎn)換。外部中斷采用邊沿觸發(fā)方式。3.5 鍵盤輸入電路的設(shè)計(jì)一般情況下，鍵盤是由一組規(guī)則排列的按鍵組成，一個(gè)按鍵實(shí)際上是一個(gè)開關(guān)元件。其主要功能是把機(jī)械上的通斷轉(zhuǎn)換為電氣上的邏輯關(guān)系（0和1）。常見的種類有：獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤的特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O

35、口線，每個(gè)按鍵工作不會(huì)影響其他I/O口線的狀態(tài)，多用于所需按鍵不多的場(chǎng)合。在本系統(tǒng)中，所需按鍵較多，應(yīng)采用矩陣式鍵盤。44鍵盤結(jié)構(gòu)如下圖3.6所示。圖中所示的列線通過電阻接+5V，當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時(shí)，所有的行和列線斷開，列線呈高電平。當(dāng)鍵盤上某個(gè)鍵閉合，該鍵所對(duì)應(yīng)的行和列線短路4。例如，當(dāng)6號(hào)鍵閉合時(shí)，行線PA.1與對(duì)應(yīng)的列線PA.6短路，此時(shí)PA.6的電平由PA.1電平?jīng)Q定，如果把列線接到微機(jī)的輸入口，行線接到微機(jī)的輸出口，則在微機(jī)的控制下，使行線PA.0的輸出為低電平，其余三根PA.1、PA.2、PA.3都為高電平然后微機(jī)通過輸入口讀列線的狀態(tài)，如果PA.4、PA.5、PA.6、PA.7

36、都為高電平，則PA.0這一行上沒有閉合鍵，如果讀出的行線狀態(tài)不全為高電平，側(cè)為低電平的列線和PA.0的相交的鍵處于閉合狀態(tài)；圖3.6 44鍵盤結(jié)構(gòu)圖9 44矩陣鍵盤結(jié)構(gòu)如果PA.0的這一行上沒有鍵閉合，接著使行線PA.1為低電平，其余行線為高電平。用同樣的方法檢查PA.1這一行上有沒有閉合鍵，以此類推，最后使PA.3為低電平，其余行線為高電平，檢查PA.3這一行上有無鍵閉合。這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的的過程稱為對(duì)鍵盤的一次掃描。這是識(shí)別鍵盤最常用的方法，其控制方法即：先判斷是否有鍵按下。如有，再判斷哪一個(gè)鍵按下，并得到鍵碼值，然后根據(jù)鍵碼值轉(zhuǎn)向不同的功能程序。3.6電源電路電源電路可分為三大

37、塊：變壓部分、整流濾波部分、穩(wěn)壓部分。電源電路如圖3.7所示。圖3.7電源電路1）電源變壓器：變壓器作用是將220V的交流電壓變換成我們所需的電壓9V。然后再送去整流和濾波。2）整流濾波電路：電路將交流電壓變成單相脈動(dòng)的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動(dòng)電壓中的交流成份，合之成為平滑的直流電壓。濾波電路常見的有電容濾波電路、電感濾波電路。一般的整流有全波整流、單相半流整流、橋式整流、及變壓整流。3）穩(wěn)壓電路：這的穩(wěn)壓電路中我使用的是“三端固定輸出集成穩(wěn)壓器”，穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)輸入交流電源電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。集成穩(wěn)壓器、使用方便、性能穩(wěn)定、更重要的是考慮到

38、它的價(jià)格低廉。 3.7顯示電路的設(shè)計(jì)前面介紹了單片機(jī)系統(tǒng)人機(jī)交流輸入設(shè)備鍵盤輸入的電路設(shè)計(jì)，解決了用戶進(jìn)行狀態(tài)和參數(shù)輸入的問題?，F(xiàn)在將介紹單片機(jī)的輸出設(shè)備LED顯示器，滿足用戶觀察結(jié)果的要求。下面先了解LED顯示的結(jié)構(gòu)和原理5。LED數(shù)碼管主要用于顯示單片機(jī)的輸出數(shù)據(jù)和狀態(tài)。其中七段LED顯示器是發(fā)光器件最常用的一種數(shù)碼管，內(nèi)部由七個(gè)條形發(fā)光二極管和一個(gè)小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的亮暗組合成字符。按內(nèi)部發(fā)光二極管的接線形式可以分為共陰極和共陽極兩種。每段發(fā)光二極管需要510mA的驅(qū)動(dòng)電流才能正常發(fā)光，一般需要加限流電阻控制電流的大小。用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示有很多方法，按顯示方式可以分

39、為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或是截止，例如7段顯示器a、b、c、d、e、f導(dǎo)通，g截止，顯示0。這種顯示方式每一位都需要一個(gè)8位輸出口控制。靜態(tài)顯示時(shí)，較小的電流能得到較高的亮度而且字符不閃爍，可以用8155H的輸出口直接驅(qū)動(dòng)。在單片機(jī)串行口方式0應(yīng)用中，也是采用靜態(tài)顯示方法。當(dāng)顯示位數(shù)較少時(shí)，采用靜態(tài)顯示的方法是適合的。當(dāng)位數(shù)較多時(shí)，用靜態(tài)顯示所需要的I/O口太多，一般采用動(dòng)態(tài)顯示方法。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位的輪流點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位（掃描），對(duì)于顯示器的每一位，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必

40、須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需要一個(gè)I/O口（稱為掃描口），控制顯示器的各位顯示的字符也需要一個(gè)8位口（稱為段數(shù)據(jù)口）。本設(shè)計(jì)中采用4位LED動(dòng)態(tài)顯示，8155的C口作為掃描口，經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器74F04接顯示器公共極，B口作為段數(shù)據(jù)口，接顯示器的各個(gè)極，如下圖3.8所示6。圖3.8 顯示電路的設(shè)計(jì)常用的LED顯示器有7段和“米”字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接

41、地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。LED數(shù)碼管的ag七個(gè)發(fā)光二極管，加正電壓的發(fā)光，加零電壓的不能發(fā)光，不同亮暗的組合就能形成不同的字符，這種組合稱為字型碼。共陰極和共陽極的字型碼是不同的，如下表3.4所示。表3.4 LED字型顯示代碼表顯示段 符 號(hào)十六進(jìn)制代碼dpgfedcba共陰極共陽極0001111113FHC0H10000011006HF9H2010110115BHA4H3010011114FHB0H40

42、110011066H99H5011011016DH92H6011111017DH82H70000011107HF8H8011111117FH80H9011011116FH90H3.8 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的電路設(shè)計(jì)芯片內(nèi)有一個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式，并具有多機(jī)通訊的特點(diǎn)，該串行口不僅可以和終端、系統(tǒng)主機(jī)等進(jìn)行通訊，而且也可以作為AT89C系列單片機(jī)之間的通訊口。大的串行口和其他標(biāo)準(zhǔn)串行接口芯片一樣，輸入、輸出均為TTL高電平。這種以TTL電平傳輸數(shù)據(jù)的方式，抗干擾能力差、傳輸距離短。為了提高串行通訊的可靠性，增大通訊距離，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用標(biāo)準(zhǔn)串行接口，如RS-232C，RS-422

43、A，RS-485等標(biāo)準(zhǔn)串行接口。RS-232C是異步串行通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線，它包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C(jī)械方面的規(guī)定。其機(jī)械指標(biāo)規(guī)定：RS-232C接口通向外部的連接器（插針插座）是一種“D”型25插頭。在微機(jī)通訊中，通常被使用的RS-232C接口信號(hào)只有九根引腳，如上圖中RS-232C所示。在這九個(gè)引腳中通常只使用三個(gè)：TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）、RXD（接收數(shù)據(jù)）、RTS（請(qǐng)求發(fā)送）。在電氣特性規(guī)定中，RS-232C采用負(fù)邏輯，即：邏輯“1”表示 -3V-15V ；邏輯“0”表示 +3V+15V。因此，RS-232C不能直接與TTL電平直接相連，使用時(shí)必須加上適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換電路才能不使TTL

44、電路燒毀7。雖然RS-232C應(yīng)用廣泛，而且一般的PC機(jī)也均有RS-232C的標(biāo)準(zhǔn)接口，但由于其信號(hào)傳輸?shù)淖畲箅娎|長(zhǎng)度為30米，最高傳輸速率為20KB/S, 有效傳輸距離較短, 數(shù)據(jù) 圖3.9 PC上位機(jī)RS-232C至RS-485的轉(zhuǎn)換電路及其與單片機(jī)AT89C52的連接速低，因此一般情況下不得不將RS-232C接口轉(zhuǎn)換為RS-485接口進(jìn)行操作。RS-485為半雙工的一種多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，它允許雙導(dǎo)線上一個(gè)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載設(shè)備。負(fù)載設(shè)備可以是發(fā)生器、接收器和收發(fā)器。RS-485標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定在何時(shí)控制發(fā)送器發(fā)送或者接收器接受數(shù)據(jù)。其驅(qū)動(dòng)器輸出電平在-1.5以下時(shí)為邏輯“1”，在+1.5

45、以上時(shí)為邏輯“0”；接收器輸入電平在-0.2以下時(shí)為邏輯“1”，在+0.2以上時(shí)為邏輯“0”。RS-485數(shù)據(jù)傳輸速率最高為10Mbit/s，最大電纜長(zhǎng)度為1200m。利用單片機(jī)的串行口，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行異步通信。圖3.9中所示為RS-232C轉(zhuǎn)換為RS-485的接口電路，同樣RS-485也不能直接與AT89C52相連，必須進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中，利用75176將RS-485的電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，這樣就可以通過RS-485標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與AT89C52的通信。3.9 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制3.9.1繼電器在本設(shè)計(jì)中，參數(shù)溫度檢測(cè)出來后送單片機(jī)并與其中存放的通過鍵盤（上位

46、機(jī)）設(shè)定好的上、下限相比較，如果檢測(cè)出來的參數(shù)在設(shè)定的上、下限范圍內(nèi)，系統(tǒng)則不動(dòng)作，繼續(xù)通過傳感器檢測(cè)；如果參數(shù)越限，則單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，通過繼電器線圈的吸合去控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。其電路接線圖如上圖3.10所示。在此系統(tǒng)中，繼電器選用過電流繼電器。一般的過電流繼電器所需要的驅(qū)動(dòng)電流為安級(jí)，幾十到幾百安不等。而從單片機(jī)I/O口出來的電流為mA級(jí)，大多數(shù)為幾百毫安左右。因此在單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)后應(yīng)再經(jīng)一個(gè)三極管放大去驅(qū)動(dòng)繼電器的銜鐵吸合。三極管的放大倍數(shù)選為100即可，這樣就可以實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制調(diào)節(jié)。3.9.2半導(dǎo)體降溫片及電阻加熱絲半導(dǎo)體制冷器是根據(jù)熱電效應(yīng)技術(shù)的特點(diǎn)，采用特殊半導(dǎo)體材料

47、熱電堆來制冷，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為熱能，效率較高。其工作原理如圖3.10所示。半導(dǎo)體制冷片由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆粒互相排列而成，而N P之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好，通上電源之后，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高。 本控制系統(tǒng)是對(duì)冷庫(kù)進(jìn)行溫度監(jiān)控，在本系統(tǒng)中采用的是高阻抗小功率加熱電阻絲進(jìn)行溫度的小范圍調(diào)節(jié)。 圖3.10 半導(dǎo)體降溫片工作原理圖 圖3.11 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和單片機(jī)的連接3.10 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)采用模擬聲音集成芯片KD29561 報(bào)警。它有多種不同的聲音(機(jī)槍、警

48、笛、救護(hù)車、消防車聲) ,用戶可以自主選擇自己喜愛的聲音。圖3.12 聲光報(bào)警電路聲光報(bào)警電路(如圖3.12示) 與AT89C52 的P1.0 口相連接,當(dāng)溫度在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)時(shí), P1.0 為高電平,通過74LS04 轉(zhuǎn)換為低電平,聲光報(bào)警電路不工作,發(fā)光二極管光顯為綠色,當(dāng)溫度在設(shè)定溫度范圍外時(shí),則為低電平,通過74LS04 轉(zhuǎn)換為高電平,聲光報(bào)警電路中的發(fā)光二極管發(fā)光為紅色、鳴叫,發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。總原理圖見附圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)完成之后，就要進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試。如果沒有軟件來控制硬件電路和外圍設(shè)備，系統(tǒng)仍然是不完善的。在監(jiān)控系統(tǒng)中，軟件的編制需要符合以下基本要求：1)

49、易理解、易維護(hù)。通常是指軟件系統(tǒng)容易閱讀和理解，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。由于檢測(cè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員很難在短時(shí)間內(nèi)就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)理解無誤，應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試不可能一次就完成，有些問題是在運(yùn)行中逐步暴露出來的，這就要求編制的軟件容易理解和完善。2)實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性是監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的普遍要求，既要求系統(tǒng)及時(shí)相應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時(shí)給出處理結(jié)果。3)可測(cè)試性。檢測(cè)控制系統(tǒng)軟件的可測(cè)試性具有兩方面的含義：其一是指比較容易地制定出測(cè)試準(zhǔn)則，并根據(jù)這些準(zhǔn)則對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)定；其二是指軟件設(shè)計(jì)完成后，首先在模擬環(huán)境下運(yùn)行，經(jīng)過靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行，證明準(zhǔn)確無誤后才可以投入實(shí)際運(yùn)行。4)準(zhǔn)確性。

50、準(zhǔn)確性對(duì)檢測(cè)控制系統(tǒng)具有重要意義。系統(tǒng)中要進(jìn)行大量運(yùn)算，算法的正確性和準(zhǔn)確性對(duì)控制結(jié)果有直接影響，應(yīng)次在算法的選擇、位數(shù)選擇方面要適合要求。5)可靠性。可靠性是檢測(cè)控制軟件最重要的指標(biāo)之一，它要求兩方面的意義：一試運(yùn)行參數(shù)環(huán)境變化時(shí)，軟件都能可靠運(yùn)行并給出正確結(jié)果，也就是要求軟件具有自適應(yīng)性；二是工業(yè)環(huán)境極其惡劣，干擾嚴(yán)重，軟件必須保證在嚴(yán)重干擾條件下也能可靠運(yùn)行，這對(duì)檢測(cè)控制系統(tǒng)尤為重要。4.1 開發(fā)語言和開發(fā)環(huán)境單片機(jī)的編程語言常用的有兩種，一種是匯編語言，一種是C語言。本設(shè)計(jì)中采用匯編語言編程，下面了解其基本概念和主要優(yōu)點(diǎn)。匯編語言是單片機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)語言。它的特點(diǎn)是使開發(fā)人員能夠充分的對(duì)

51、單片機(jī)硬件資源進(jìn)行管理和操作。所謂匯編語言就是用助記符、符號(hào)和數(shù)字等來表示指令的程序語言，容易理解和記憶，與機(jī)器語言是一一對(duì)應(yīng)的。它是為了彌補(bǔ)機(jī)器語言不易記憶，不易查錯(cuò)和不易修改而產(chǎn)生的一種低級(jí)語言。所謂程序設(shè)計(jì)就是用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語言，把需要解決的問題的步驟描述出來單片機(jī)不像其他微型計(jì)算機(jī)有自己的系統(tǒng)軟件，所有的單片機(jī)程序均需要用戶自己設(shè)定程序。到目前為止，雖然已經(jīng)有絕大部分的單片機(jī)都能夠在一些高級(jí)語言環(huán)境下編程，但匯編語言也有許多優(yōu)點(diǎn)是其他高級(jí)語言所不具有的。如：程序結(jié)構(gòu)緊湊、占用的內(nèi)存和CPU資源少；程序簡(jiǎn)短、執(zhí)行速度快；與計(jì)算機(jī)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)緊密、能充分發(fā)揮硬件的作用；實(shí)時(shí)性強(qiáng)、適用于

52、實(shí)時(shí)檢測(cè)控制系統(tǒng)9。匯編語言的程序設(shè)計(jì)步驟主要包括：分析問題、確定思路、畫流程圖、編寫程序、程序調(diào)試。這些步驟在軟件設(shè)計(jì)中將一一體現(xiàn)。4.2 系統(tǒng)軟件資源分配和各芯片端口地址在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，充分考慮了與硬件電路有機(jī)結(jié)合，利用單片機(jī)的優(yōu)異特性實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度檢測(cè)控制。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，在主程序下分成若干彼此獨(dú)立的功能模塊，如溫度采集模塊，鍵盤輸入模塊，顯示輸出模塊，繼電器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出模塊，串行口通訊模塊等10。在各模塊設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)考慮系統(tǒng)資源的分配和各芯片端口地址。由硬件接線圖可以得到如下地址：1）8155既可以用來做擴(kuò)展的I/O口使用，也可以用作RAM使用，在本系統(tǒng)中，8155用作I/O口

53、來使用，各端口地址如下：控制口地址：7E00H PA端口地址：7E01HPB端口地址：7E02H PC端口地址：7E03H2）通過鍵盤設(shè)定的溫度上限放在：46H，下限放在：47H3）ADC0809通道0為溫度轉(zhuǎn)換口，其地址為：7FF8H 4）ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在：40H。 轉(zhuǎn)換的數(shù)字量再經(jīng)過處理得到溫度值所對(duì)應(yīng)的BCD碼，最終結(jié)果存放在：42H。再將個(gè)位和十位依次分離，放要顯示的結(jié)果到內(nèi)存單元。溫度十位放在：30H，個(gè)位存放在：31H4.3 主程序模塊系統(tǒng)的主程序系統(tǒng)初始化，中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)定以及判斷調(diào)用各模塊程序的先后順序，即要實(shí)現(xiàn)個(gè)模塊程序之間的鏈接。在本設(shè)計(jì)中，溫度上、下限的設(shè)定值

54、可以通過鍵盤設(shè)置，也可以通過PC機(jī)設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫(kù)的遠(yuǎn)程控制11。因此，在系統(tǒng)初始化完成后，根據(jù)條件選擇所需要的過程即可。如圖4.1所示。PC機(jī)遠(yuǎn)程控制調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制程序調(diào)顯示子程序調(diào)溫度轉(zhuǎn)換子程序調(diào)中斷子程序調(diào)A/D轉(zhuǎn)換子程序需重新設(shè)定嗎？調(diào)溫度設(shè)定子程序調(diào)鍵盤輸入子程序?qū)懭氤跏蓟绦蜷_始NY調(diào)報(bào)警子程序圖4.1 主程序框圖4.4 初始化子程序模塊程序的初始化模塊在任何硬件系統(tǒng)中都是必不可少的一部分。程序初始化是對(duì)系統(tǒng)中所使用到的模塊進(jìn)行初始設(shè)置，其目的就是為了讓硬件模塊符合在控制軟件中的使用要求。對(duì)硬件所使用到的內(nèi)部資源和外部資源，必須一一進(jìn)行初始化設(shè)置，同時(shí)還需要對(duì)單片機(jī)的一些外圍電

55、路進(jìn)行初始化設(shè)置。在此系統(tǒng)中，用到了兩次中斷。一次是在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后采用了一次中斷，用來讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果和啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換，還有就是PC上位機(jī)遠(yuǎn)程控制用到了另一個(gè)中斷12。8155的初始化的流程框圖如下4.2所示。開始結(jié)束將控制字送8155的控口寫控制字并送累加器A圖4.2 8155的初始化4.5 鍵盤輸入子程序模塊在本設(shè)計(jì)中，鍵盤采用掃描法得到鍵碼值，與前面相對(duì)應(yīng)的鍵盤鍵碼值如下：（從左向右，從上向下）：01111110 10111110 11011110 11101110 01111101 10111101 11011101 11101101 01111011 10111011 1101101

56、1 11101011 01110111 10110111 11010111 11100111另外，在鍵盤程序中編寫了延時(shí)去抖子程序，因此硬件中就不用再考慮，簡(jiǎn)化了硬件圖。N開始鍵盤初始化抗干擾子程序有按鍵碼？去抖動(dòng)調(diào)用被按鍵的功能子程序返回Y圖4.3 鍵盤子程序流程框圖4.6顯示電路子程序模塊顯示選用2位動(dòng)態(tài)顯示，2位顯示溫度，均不用顯示小數(shù)點(diǎn)。由于位信號(hào)開始為1110，即數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的位信號(hào)是低電平時(shí)表示該位選通并顯示出來。因此，在依次顯示4位數(shù)碼管時(shí)，只需要將R2中的位選通信號(hào)依次左移，直到R2左移為0000，說明此時(shí)4位數(shù)碼管均已顯示，然后返回主程序即可。如圖4.4所示。開始取出要顯示值的

57、BCD碼給顯示緩沖區(qū)地址賦值位選通信號(hào)放入R2中查表得出被顯示碼對(duì)應(yīng)的代碼段送出要顯示的代碼段和位信號(hào)緩沖區(qū)地址加1左移R2一位并調(diào)用延時(shí)是否顯示完畢？返回NY圖4.4 顯示子程序流程框圖4.7 溫度轉(zhuǎn)換為顯示碼子程序模塊從溫度傳感器AD590采集過來的實(shí)際溫度值經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換后13，只是得到了與此溫度相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，因此，根據(jù)實(shí)際溫度與數(shù)字量之間的線性關(guān)系可以得到實(shí)際溫度值。然后先需要將此溫度轉(zhuǎn)換為BCD碼存入單片機(jī)，再將此碼分離得到要顯示溫度的十位和個(gè)位放入指定的內(nèi)存單元即可，如圖4.5所示。開始讀40H單元送到A用A除以5得到實(shí)際溫度送42H42H中的內(nèi)容除以10的商A為溫度的十

58、位，余數(shù)B為個(gè)位將A送30H，B送31H返回圖4.5 溫度轉(zhuǎn)換為顯示碼子程序流程框圖4.8繼電器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出子程序模塊溫度參數(shù)采集過來后經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換后存入單片機(jī)，與由鍵盤設(shè)定的溫度上、下限比較。單片機(jī)可以根據(jù)比較的結(jié)果對(duì)電流繼電器線圈發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)（從單片機(jī)出來的電流很小，必須經(jīng)過三極管放大才能取驅(qū)動(dòng)電流繼電器線圈），并通過電流繼電器銜鐵的吸合去控制相應(yīng)的電流繼電器進(jìn)行動(dòng)作。銜鐵是否吸合可以通過單片機(jī)I/O口的高低電平去控制，然后通過繼電器去控制諸如降溫泵、加熱器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)去操作，以此來調(diào)節(jié)培養(yǎng)容器溫度的狀態(tài)，使其控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。由于培養(yǎng)容器溫度變化不是特別快，系統(tǒng)要求的精度也不是

59、特別高，可以不用控制算法去精確計(jì)算，只用高低電平來控制即可14。其流程框圖如圖4.6所示。 N開始有越限嗎？執(zhí)行機(jī)構(gòu)越限處理返回響應(yīng)的繼電器銜鐵吸合Y 圖4.6 繼電器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出子程序流程框圖4.9 PC上位機(jī)串行通訊子程序模塊在實(shí)際應(yīng)用的PC機(jī)系統(tǒng)中，經(jīng)常用到異步通訊適配器的核心芯片IN8250。其可編程能力非常強(qiáng)，它的可編程能力主要體現(xiàn)在：1）傳輸速率可以在509600波特范圍內(nèi)編程選擇。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式可以選擇5、6、7或8位字符，奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)位， 1、1.5、或2位停止位。2）具有控制MODEM功能和完整的狀態(tài)報(bào)告功能。3）具有線路隔離、故障模擬等內(nèi)部診斷功能。4）具有獨(dú)

60、立的中斷優(yōu)先控制能力。IN8250主要是和調(diào)制解調(diào)器相配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊。利用8250進(jìn)行通訊，首先要對(duì)其初始化，即設(shè)定波特率、通訊采用的數(shù)據(jù)格式、是否使用中斷、是否自測(cè)試操作等。在此系統(tǒng)中，PC機(jī)鍵盤輸入的字符發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到PC機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，回送同一數(shù)據(jù)給PC機(jī)，并在其屏幕上顯示出來。雙方約定：波特率：2400波特信息格式：8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)停止位傳送方式：PC機(jī)采用查詢方式接收數(shù)據(jù)，單片機(jī)采用中斷方式接收信息15。下面分別編寫這兩部分的軟件流程。4.9.1 IBM-PC機(jī)通訊軟件通訊軟件采用8088匯編語言編寫，程序流程圖如下圖4.7所示。8250初始化在屏幕上顯示字符清空接受