【正文】 1 1 緒論 隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，恒溫控制己在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛應用，并取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。在不同的領(lǐng)域內(nèi)，由于控制環(huán)境、目標、成本等因素，需要針對具體情況來設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，以取得最佳的控制效果。其中，恒溫環(huán)境的自動化控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)運營中是一個重要研究課題。 溫度是工業(yè)上常見的被控參數(shù)之一， 溫度 控制系統(tǒng)被廣泛應用于加熱爐、熱處 理爐、反應爐等。 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 測溫電路經(jīng)過相應的信號調(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／保持電路進行 A／ D 轉(zhuǎn)換，最終送入單片機及其相應的外圍電路，完成 測控 。但是由于傳統(tǒng)的信號調(diào)理電路實現(xiàn)復雜、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 進行溫度信息采集，既簡化了電路結(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 技術(shù) 的應用變得越來越廣泛 ， 微電子技術(shù)也得到了極大地改進。目前市場上的電子產(chǎn)品體積越來越小，功能越來越齊全。當然其價格也是越來越高。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，測量范圍 也 越來越大，但價格都普遍的高，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)在市場上的產(chǎn)品吧，雖然功能挺多，但是實際上根本不需要，在資源和金錢上造成不必要的浪費。 基于此種現(xiàn)象，我設(shè)計了本系統(tǒng) —基于單片機的溫度自動控制系統(tǒng)。 2 總體設(shè)計方案 溫度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計思路 在 能夠?qū)崿F(xiàn)本系統(tǒng)功能的前提下，考慮到設(shè)計的成本，我選擇了 AT89C51 單片機芯片作為本系統(tǒng)的核心部分。目前，由于 AT89C51 芯片的廣泛應用和大批量生產(chǎn)，其價格 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)濟又實用。 關(guān)于溫度的測量，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。又因為 DS18B20 與單片機連接只需要一根線進行信息傳 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 是順應了電路集成化、避免外界干擾和提高測量精度的發(fā)展趨勢。由于我設(shè)計的這個溫度控制系統(tǒng)主要是應用于較小空間（像恒溫箱、育嬰箱等），所以只 采 用了一個 DS18B20 傳感器進行溫度采集。 在溫度控制系統(tǒng)中，當溫度低于用戶設(shè)定的溫度值時，單片機系統(tǒng)則會通過一個低電平的脈沖 電流直接送給雙向晶閘管觸發(fā)電路，啟動 由此 雙向晶閘管 控制 的加熱裝置進行加熱升溫。如果采集到的溫度值高于用戶設(shè)定的溫度值時，單片機會通過另外一個端口發(fā)出一個低電平的脈沖電流送給 另一個 雙向晶閘管觸發(fā)電路，啟動制 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。 在整個調(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量的溫度值和 用戶 設(shè)置的溫度值。 溫度自動控制系統(tǒng)的工作原理 基于單片機的溫度自動控制系統(tǒng)以單片機為核心，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時溫度值，經(jīng)過溫度控制系統(tǒng)進行溫度的調(diào)控。溫度自動控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 21 所示。 A T 8 9 C 5 1時 鐘 電 路復 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 溫度自動控制系統(tǒng)的原理框圖 3 3 基于單片機的溫度自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 基于單片機的溫度自動控制系統(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。下面將對各個硬件電路模塊的設(shè)計做詳細地說明。 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 采集的溫度信號與用戶設(shè)定的溫度值進行比較， 通過單片機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理并發(fā)出信號 ，控制光電耦合器的通斷進行加熱或降溫處理。 AT89C51 單片機 （ 1） AT89C51 的簡介 AT89C51 是一種帶有 4K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，即單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。 AT89C51單片機采用了 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造而成，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出引腳相兼容。 （ 2） AT89C51 的基本結(jié)構(gòu) ① 適于控制應用的 8 位 CPU，由運算器和控制器組成； ② 一個片內(nèi) 振 蕩器及時鐘電路，最高工作頻率可達 24MHz； ③ 4KB Flash 程序存儲器； ④ 可尋址 64KB 外部數(shù) 據(jù)存儲器空間及 64KB 程序存儲器 空間 ； ⑤ 32 根 雙向可按位尋址的 I/O 口線； ⑥ 1 個全雙工串行口； ⑦ 2 個 16 位定時 /計數(shù)器； ⑧ 5 個中斷源，具有兩個優(yōu)先級。 （ 3） AT89C51 單片機的引腳與封裝 AT89C51 單片機的封裝有 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 單片機引腳圖 AT89C51 共 40 個引腳，可分為 4 類： ① 電源引腳 Vcc：電源端， +5V。 Vss：接地端（ GND）。 ② 時鐘電路引腳 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)總線復用口。作輸入 /輸出口用時，用作地址 /數(shù)據(jù)分時復用口線。 ～ ：一組內(nèi)部帶上拉電阻的 8 位準雙向 I/O 口，可驅(qū)動 4 個 TTL 門電路。 ～ ：一組內(nèi)部帶上拉電阻的 8 位準雙向 I/O 口，可驅(qū)動 4 個 TTL門電路。當訪問片外存儲器時，用作高 8 位地址總線。 ～ ：一組內(nèi)部帶上拉電阻的 8 位準雙向 I/O 口。出于芯片引腳數(shù)的限制， P3 口每個引腳具有第二功能，如表 21 所示。 ④ 控制線引腳 RESET/VPD：復位端 /備用電源輸入端。當 RESET 端出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期以上的高電 5 平時，可實現(xiàn)復位操作。 VPD 端可外接備用電源，以便在 Vcc 掉電時向其供電。 /EA/VPP：片外程序存儲器選擇端 /Flash 存儲器編程電源。若要訪問外部程序存儲器則 /EA端必須保持低電平。 Vpp 端用于 Flash 存儲器編程時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。當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，/ALE 輸出脈沖用于鎖存 P0 口分時送出的低 8 位地址（下降沿有效）。不訪問外部存儲器時，該端以 時鐘頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，可用作外部時鐘。 在 內(nèi)部 Flash 存儲器編程期間，該引腳用于輸入編程脈沖。 /PSEN：讀片外程序存儲器選通信號輸出端。當 AT89C51 從外部程序存儲器取指令時，該引腳有效（上升沿）。每個機器周期 /PSEN 均產(chǎn)生兩次有效輸出信號。 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 計時器 0 外部輸入 T1 計 時器 1 外部輸入 /WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 /RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 時鐘電路 由于單片機內(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間順序完成，這種時間順序就是時序。時鐘電路就是提供單片機內(nèi)部各種操作的時間基準的電路，沒有時鐘電路單片機就無法工作。 時鐘電路的產(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。 時鐘電路產(chǎn)生的最小時序單位稱為時鐘周期，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 時鐘電路 將石英晶體振蕩器的振蕩頻率進行二分頻，就構(gòu)成了狀態(tài)周期，一個狀態(tài)周期等于兩個時鐘周期。 6 個狀態(tài)周期就構(gòu)成了 1 個機器周期，機器周期是單片機是單片機執(zhí)行一次基本操作所需要的時間單位，單片機執(zhí)行一條指令所需要的時間稱為指令周期，通常由 1～ 4 個機器周期組成。它是由不同指令決定時間長短的。 例如： 石英晶體振蕩器的頻率為 MHZfOSC 12? ，則 時鐘周期 usM H Zf OS C 0 8 3 ??? 指令周期 =（ 1～ 4）機器周期 =（ 1～ 4） 12時鐘周期 =1～ 4μs 復位電路 單片機的復位就是對單片機進行初始化操作，使單片機內(nèi)部各寄存器處于一個確定的初始化狀態(tài)，以便進行下一步操作。 要實現(xiàn)復位操作，只需在 AT89C51 單片機的 RESET 引腳上施加 5ms 以上的高電平信號就可以了。單片機的復位電路有兩種形式：上電復位和按鈕復位。本系統(tǒng)采用上電且按鈕復位形式，如圖 33 所示。上電后，由于電容充電，使 RST 持續(xù)一段高電平時間。當單片機已在運行時，按復位鍵，也能使 R