【正文】 1 1 緒論 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，恒溫控制己在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在不同的領(lǐng)域內(nèi)，由于控制環(huán)境、目標(biāo)、成本等因素，需要針對(duì)具體情況來設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，以取得最佳的控制效果。其中，恒溫環(huán)境的自動(dòng)化控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)運(yùn)營(yíng)中是一個(gè)重要研究課題。 溫度是工業(yè)上常見的被控參數(shù)之一， 溫度 控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于加熱爐、熱處 理爐、反應(yīng)爐等。 在一些溫控系統(tǒng)電路中，廣泛采用的是通過熱電偶、熱電阻或 PN 結(jié) 的 測(cè)溫電路經(jīng)過相應(yīng)的信號(hào)調(diào) 節(jié) 電路，轉(zhuǎn)換成 A／ D 轉(zhuǎn)換器能接收的模擬量，再經(jīng)過采樣／保持電路進(jìn)行 A／ D 轉(zhuǎn)換，最終送入單片機(jī)及其相應(yīng)的外圍電路，完成 測(cè)控 。但是由于傳統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、易受干擾、不易控制且精度不高。所以本系統(tǒng)中我采用了數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 進(jìn)行溫度信息采集，既簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)、節(jié)省硬件資源，又減少了電路中的干擾，提高采集信息的精度。 隨著科學(xué)技 術(shù)的快速發(fā)展，超大規(guī)模集成化技術(shù)的發(fā)展，電子信息技術(shù)、微型單片 機(jī) 技術(shù) 的應(yīng)用變得越來越廣泛 ， 微電子技術(shù)也得到了極大地改進(jìn)。目前市場(chǎng)上的電子產(chǎn)品體積越來越小，功能越來越齊全。當(dāng)然其價(jià)格也是越來越高。就與溫度控制系統(tǒng)有關(guān)的產(chǎn)品來說，其控制精度是越來越高，測(cè)量范圍 也 越來越大，但價(jià)格都普遍的高，現(xiàn)在人們的生活中很多地方都需要用到溫度控制裝置，然而又不要求多高的控制精度和功能，選擇現(xiàn)在市場(chǎng)上的產(chǎn)品吧，雖然功能挺多，但是實(shí)際上根本不需要，在資源和金錢上造成不必要的浪費(fèi)。 基于此種現(xiàn)象，我設(shè)計(jì)了本系統(tǒng) —基于單片機(jī)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。 2 總體設(shè)計(jì)方案 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 在 能夠?qū)崿F(xiàn)本系統(tǒng)功能的前提下，考慮到設(shè)計(jì)的成本，我選擇了 AT89C51 單片機(jī)芯片作為本系統(tǒng)的核心部分。目前，由于 AT89C51 芯片的廣泛應(yīng)用和大批量生產(chǎn)，其價(jià)格 較其它芯片 低，而且 AT89C51 的功能 更齊全。因此，將 AT89C51 作為接口芯片使用，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。 關(guān)于溫度的測(cè)量，我選擇了數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20。 CPU 可以直接讀取轉(zhuǎn)換后的溫度值，而不需要另外接 A/D 轉(zhuǎn)換器。又因?yàn)?DS18B20 與單片機(jī)連接只需要一根線進(jìn)行信息傳 2 輸， 節(jié)省總線接口。其物理性能穩(wěn)定，線性較好，在 0—90℃ 之間，最大線性偏差小于 1℃ 。本系統(tǒng)采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 是順應(yīng)了電路集成化、避免外界干擾和提高測(cè)量精度的發(fā)展趨勢(shì)。由于我設(shè)計(jì)的這個(gè)溫度控制系統(tǒng)主要是應(yīng)用于較小空間（像恒溫箱、育嬰箱等），所以只 采 用了一個(gè) DS18B20 傳感器進(jìn)行溫度采集。 在溫度控制系統(tǒng)中，當(dāng)溫度低于用戶設(shè)定的溫度值時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)則會(huì)通過一個(gè)低電平的脈沖 電流直接送給雙向晶閘管觸發(fā)電路，啟動(dòng) 由此 雙向晶閘管 控制 的加熱裝置進(jìn)行加熱升溫。如果采集到的溫度值高于用戶設(shè)定的溫度值時(shí)，單片機(jī)會(huì)通過另外一個(gè)端口發(fā)出一個(gè)低電平的脈沖電流送給 另一個(gè) 雙向晶閘管觸發(fā)電路，啟動(dòng)制 冷裝置，來降低溫度。如果采集到的溫度值與用戶設(shè)定的溫度值相同，則控制系統(tǒng)不反應(yīng)。 在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，用戶通過鍵盤輸入想要的溫度值， LED 數(shù)碼 顯示器用來顯示傳感器測(cè)量的溫度值和 用戶 設(shè)置的溫度值。 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理 基于單片機(jī)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過鍵盤設(shè)定用戶希望的溫度值，由溫度傳感器采集溫度信息，通過 LED 顯示器顯示采集到的實(shí)時(shí)溫度值，經(jīng)過溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度的調(diào)控。溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 21 所示。 A T 8 9 C 5 1時(shí) 鐘 電 路復(fù) 位 電 路信 息 采 集溫 度 控 制L E D 顯 示設(shè) 置 溫 度 鍵 盤切 換 顯 示 溫 度 鍵 盤 圖 21 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理框圖 3 3 基于單片機(jī)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件部分主要有六部分組成： CPU 主控模塊、溫度采集模塊、鍵盤處理模塊、 LED 顯示模塊、溫度控制模塊和 電源模塊。下面將對(duì)各個(gè)硬件電路模塊的設(shè)計(jì)做詳細(xì)地說明。 CPU 主控模塊 CPU 主控模塊采用 AT89C51 芯片，將數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 采集的溫度信號(hào)與用戶設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較， 通過單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理并發(fā)出信號(hào) ，控制光電耦合器的通斷進(jìn)行加熱或降溫處理。 AT89C51 單片機(jī) （ 1） AT89C51 的簡(jiǎn)介 AT89C51 是一種帶有 4K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，即單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。 AT89C51單片機(jī)采用了 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造而成，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出引腳相兼容。 （ 2） AT89C51 的基本結(jié)構(gòu) ① 適于控制應(yīng)用的 8 位 CPU，由運(yùn)算器和控制器組成； ② 一個(gè)片內(nèi) 振 蕩器及時(shí)鐘電路，最高工作頻率可達(dá) 24MHz； ③ 4KB Flash 程序存儲(chǔ)器； ④ 可尋址 64KB 外部數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器空間及 64KB 程序存儲(chǔ)器 空間 ； ⑤ 32 根 雙向可按位尋址的 I/O 口線； ⑥ 1 個(gè)全雙工串行口； ⑦ 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； ⑧ 5 個(gè)中斷源，具有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。 （ 3） AT89C51 單片機(jī)的引腳與封裝 AT89C51 單片機(jī)的封裝有 PDIP、 PLCC 及 PQFP 共 3 種形式，常用 PDIP 封裝方式。其引腳如圖 31 所示。 4 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427 圖 31 AT89C51 單片機(jī)引腳圖 AT89C51 共 40 個(gè)引腳，可分為 4 類： ① 電源引腳 Vcc：電源端， +5V。 Vss：接地端（ GND）。 ② 時(shí)鐘電路引腳 XTAL1：外接晶振輸入端。 XTAL2： 外接晶振輸出端。 ③ I/O 引腳 ～ ：一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也是地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作輸入 /輸出口用時(shí)，用作地址 /數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口線。 ～ ：一組內(nèi)部帶上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 門電路。 ～ ：一組內(nèi)部帶上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL門電路。當(dāng)訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，用作高 8 位地址總線。 ～ ：一組內(nèi)部帶上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口。出于芯片引腳數(shù)的限制， P3 口每個(gè)引腳具有第二功能，如表 21 所示。 ④ 控制線引腳 RESET/VPD：復(fù)位端 /備用電源輸入端。當(dāng) RESET 端出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電 5 平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。 VPD 端可外接備用電源，以便在 Vcc 掉電時(shí)向其供電。 /EA/VPP：片外程序存儲(chǔ)器選擇端 /Flash 存儲(chǔ)器編程電源。若要訪問外部程序存儲(chǔ)器則 /EA端必須保持低電平。 Vpp 端用于 Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)的編程允許電源輸入端。 /ALE/PROG：地址鎖存允許端 /編程脈沖輸入端。當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，/ALE 輸出脈沖用于鎖存 P0 口分時(shí)送出的低 8 位地址（下降沿有效）。不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端以 時(shí)鐘頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，可用作外部時(shí)鐘。 在 內(nèi)部 Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳用于輸入編程脈沖。 /PSEN：讀片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)輸出端。當(dāng) AT89C51 從外部程序存儲(chǔ)器取指令時(shí)，該引腳有效（上升沿）。每個(gè)機(jī)器周期 /PSEN 均產(chǎn)生兩次有效輸出信號(hào)。 表 31 P3 口第二功能表 管腳 名字 備用功能 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 /INT0 外部中斷 0 /INT1 外部中斷 1 T0 計(jì)時(shí)器 0 外部輸入 T1 計(jì) 時(shí)器 1 外部輸入 /WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 /RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 時(shí)鐘電路 由于單片機(jī)內(nèi)部是 由 各種各樣的數(shù)字邏輯器件構(gòu)成，這些數(shù)字器件的工作必須按時(shí)間順序完成，這種時(shí)間順序就是時(shí)序。時(shí)鐘電路就是提供單片機(jī)內(nèi)部各種操作的時(shí)間基準(zhǔn)的電路，沒有時(shí)鐘電路單片機(jī)就無法工作。 時(shí)鐘電路的產(chǎn)生方式為：在 XTAL1 和 XTAL2 引腳之間外接石英晶體振蕩器及量諧振電容，如圖 32 所示。 時(shí)鐘電路產(chǎn)生的最小時(shí)序單位稱為時(shí)鐘周期，它是由石英晶體振蕩器的振蕩頻率決定的，又稱振蕩周期 。 6 X11 2 M H zC13 0 p FC23 0 p FX T A L 1X T A L 2 圖 32 時(shí)鐘電路 將石英晶體振蕩器的振蕩頻率進(jìn)行二分頻，就構(gòu)成了狀態(tài)周期，一個(gè)狀態(tài)周期等于兩個(gè)時(shí)鐘周期。 6 個(gè)狀態(tài)周期就構(gòu)成了 1 個(gè)機(jī)器周期，機(jī)器周期是單片機(jī)是單片機(jī)執(zhí)行一次基本操作所需要的時(shí)間單位，單片機(jī)執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間稱為指令周期，通常由 1～ 4 個(gè)機(jī)器周期組成。它是由不同指令決定時(shí)間長(zhǎng)短的。 例如： 石英晶體振蕩器的頻率為 MHZfOSC 12? ，則 時(shí)鐘周期 usM H Zf OS C 0 8 3 ??? 指令周期 =（ 1～ 4）機(jī)器周期 =（ 1～ 4） 12時(shí)鐘周期 =1～ 4μs 復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位就是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，使單片機(jī)內(nèi)部各寄存器處于一個(gè)確定的初始化狀態(tài)，以便進(jìn)行下一步操作。 要實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，只需在 AT89C51 單片機(jī)的 RESET 引腳上施加 5ms 以上的高電平信號(hào)就可以了。單片機(jī)的復(fù)位電路有兩種形式：上電復(fù)位和按鈕復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電且按鈕復(fù)位形式，如圖 33 所示。上電后，由于電容充電，使 RST 持續(xù)一段高電平時(shí)間。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行時(shí)，按復(fù)位鍵，也能使 R