【正文】 任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi) 。目前 DS18B20 批量采購價(jià)格僅 10 元左右。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 當(dāng)任何一個(gè)鍵按下時(shí)，與之相 連的輸入數(shù)據(jù)線即被清 0（低電平），而平時(shí)該線為 1（高電平）。 當(dāng)檢測(cè)到按鍵釋放后，也要經(jīng)過5～ 10ms 的延時(shí)，待后沿抖動(dòng)消失后，才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。在鍵閉合穩(wěn)定時(shí)，讀取鍵的狀態(tài)，并且必須判別鍵號(hào)；圖 311 按鍵電路 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 12 頁 當(dāng)鍵釋放穩(wěn)定后，再做處理。抖動(dòng)的時(shí)間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為 5～10ms。 當(dāng)按鍵 K未被按下時(shí)， 輸入高線平；當(dāng) K閉合時(shí)， 輸入低電平。鍵盤上閉合鍵的識(shí)別由專用的硬件譯碼器實(shí)現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編碼或鍵值的稱為編碼鍵盤。 這是用軟件來實(shí)現(xiàn)的。同樣，在下一 時(shí)刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)。 在使用動(dòng)態(tài)顯示電路的時(shí)候，由于各位的段碼線并聯(lián)， 8 位 I/O 口輸出的段碼對(duì)各個(gè)顯示位來說都是相同的 。 如圖 38用 AT89C51 單片機(jī)控制 LED 靜態(tài)顯示方式接口 AT89C51單片機(jī) 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 10 頁 圖 38 用 AT89C51 單片機(jī)控制 LED 靜態(tài)顯示方式接口 動(dòng)態(tài)顯示方式 所謂的動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描）。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定，以上表格用來參考。因此提供給 LED 顯示器的字型碼正好是一個(gè)字節(jié)。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。 一 .LED 顯示器的結(jié)構(gòu) 常用的 LED 顯示器 為 8段（或 7段， 8段比 7 段多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)“ dip” 段）。 三 .AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)連接原理圖 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 8 頁 本設(shè)計(jì)的 AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖。 單片機(jī)的復(fù)位引腳是 RST，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上 出現(xiàn) 2 個(gè)周期的高電平，是器件復(fù)位，只要 RST 保持高電平，單片機(jī)保持復(fù)位狀態(tài)。單片機(jī)時(shí)鐘電路圖如圖 33 圖 33 單片機(jī)時(shí)鐘電路 圖 310 中 晶振頻率選擇 12MHZ。 AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng) 最小系統(tǒng)包括單片機(jī)的基本供電、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)選用的是5V供電， 2A 250VAC 的 固態(tài) 繼電器。另外在選擇繼電器時(shí)還要注意它的供電電壓和帶負(fù)載能力。 本設(shè)計(jì)選擇的是固態(tài)繼電器。動(dòng)態(tài)掃描顯示。這樣的選擇使得整個(gè)電路的硬件設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)化， 節(jié)省了單片機(jī)的資源 [5] 。如果用常規(guī)的數(shù)字加模擬電路實(shí)現(xiàn)就會(huì)相對(duì)困難一些。 由于電路控制方案簡(jiǎn)單，在運(yùn)行過程中需要存放的中間變量只有給定溫度、實(shí)測(cè)溫度、 PI 運(yùn)算中間結(jié)果及輸出結(jié)果等十幾個(gè)變量，因此選用 AT89C51 微控制器作為電路的核心，由于 AT89C51 的片內(nèi)RAM已能滿足存放要求，可不必再擴(kuò)充外部 RAM[4]。 a) 速度估算 在不考慮容器熱容量和環(huán)境溫度影響的情況下，水溫上升 1℃所需的時(shí)間達(dá)到秒，如果考慮容器熱容量和環(huán)境溫度的影響，時(shí)間可能更長。 技術(shù)指標(biāo) 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 3 頁 1．門限溫度可以在 40～ 90℃之間設(shè)定； 2．可以通過用鍵盤人工設(shè)定門限溫度； 3．用數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度和實(shí)際溫度。 （ 5） 按鍵 鍵入門限值。 （ 2）傳感器 對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，輸出溫度信號(hào)給單片機(jī)。 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 2 頁 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù) 功能 本設(shè)計(jì)的任務(wù)是：用電爐對(duì)水 加熱，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)電爐水加熱控制電路。 水溫控制在工業(yè)及日常生活中應(yīng)用廣泛 ,分類較多 ,不同水溫控制系統(tǒng)的控制方法也不盡相同 ,其中以 PID 控制法最為常見 ,但是 ,常規(guī)調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)的整定一般需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員來完成 ,步驟繁瑣復(fù)雜 ,既耗時(shí)又耗力 .而且當(dāng)對(duì)象特征變化時(shí) ,又要重新整定 ,并且在現(xiàn)代工業(yè)控制過程中 ， 許多被控對(duì)象機(jī)理復(fù)雜 ,這種情況下 ,采用常規(guī) PID調(diào)節(jié)器 ， 三個(gè)參數(shù)的整定比較困難 ， 為此本文提出了采用 歸一參數(shù)整定法 ， 即只整定一個(gè)參數(shù) ,這樣減少了許多工作量 ， 提高了工作效率 ， 為實(shí)現(xiàn) 簡(jiǎn)易 的自整定控制帶來方便 [3]。 傳統(tǒng)靠人工控制的溫度、濕度、液位等信號(hào)的測(cè)壓﹑力控系統(tǒng)，外圍電路比較復(fù)雜，測(cè)量精度較低，分辨力不高，需進(jìn)行溫度校準(zhǔn) (非線性校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、傳感器標(biāo)定等 )；且它們的體積較大、使用不夠方便。隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及人們生活水平的逐步提高，各種方便于生產(chǎn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)開始進(jìn)入了人們的生活，以單片機(jī)為核心的溫度采集 系統(tǒng)就是其中之一 [2]。 本設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制部分采用 AT89C51 單片機(jī)為核心，采用軟件編程，實(shí)現(xiàn)用PID算法來控制 PWM 波的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電爐的加熱來實(shí)現(xiàn)溫度控制。要求顯示實(shí)際溫度和門限溫度，并且要求門限水溫可以由人工通過鍵盤來設(shè)定。 （ 3） 單片機(jī)基本系統(tǒng) ，進(jìn)行相應(yīng)的處理，送往顯示部分； 的信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的處理，送往顯示部分； ，進(jìn)行相應(yīng)的處理，給出控制信號(hào)。 （ 6）報(bào)警電路 當(dāng)按鍵輸入的溫度在軟件所限制的范圍之外時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警。 第二章 設(shè)計(jì)思路 總體設(shè)計(jì) 此 設(shè)計(jì) 一個(gè)基于單片機(jī)的水溫控制電路，需要完成的功能 是溫度的設(shè)定、檢測(cè)與顯示以及的溫度的控制和報(bào)警等。由此可見，對(duì)于指令執(zhí)行時(shí)間一般為幾個(gè)微妙的單片機(jī)應(yīng)用電路來說，控制速度幾乎沒有熱核限制。 其次， 要 選擇一個(gè)溫度敏感元件，它能夠很靈敏的根據(jù)溫度變化輸出一定的單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 4 頁 信號(hào)。DS18B20 是 DALLAS 半導(dǎo)體公司（現(xiàn)屬 MAXIM 公司）設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，其測(cè)量溫度范圍為 － 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 時(shí)精度為 177。 再 次， 設(shè)計(jì) 顯示部分 、 按鍵部分 和報(bào)警 。 按鍵部分的設(shè)計(jì)考慮到單片機(jī) I/O 資源不足的緣故，本設(shè)計(jì)采用三個(gè)按鍵分別用來設(shè)定門限值十位、個(gè)位和一位小數(shù)位。固態(tài)繼電器（ Solid state RelaySSR） 是近幾年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，容易驅(qū)動(dòng)，其輸出利用晶體管或可控硅驅(qū)動(dòng)，無觸點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中繼電器是由單片機(jī)控制的所以它的供電電壓選擇 5V直流電 。 設(shè)計(jì)框圖 21 查資料 整體工作電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 5 頁 圖 21 設(shè)計(jì)過程框圖 22 圖 22 水溫控制電路總體框圖 第三章 理論 設(shè)計(jì) 控制部分的設(shè)計(jì) AT89C51 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) [7] 鍵盤 報(bào)警電路 顯示電路 單片機(jī)基本系統(tǒng) 繼電器 傳感器 電爐 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 6 頁 一 .AT89C51 結(jié)構(gòu)框圖 AT89C51 內(nèi)部 結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 圖 31 AT89C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 二 .引腳功能說明 AT89C51 是雙列制插封裝形式的器件，其引腳圖如圖32所示。 一 .時(shí)鐘和時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。 接到晶振兩端的瓷片電容作用是使振蕩器起振和對(duì) f 微調(diào)補(bǔ)償，典型值為 30PF，本設(shè)計(jì)中選用 20PF 瓷片電容 。單片機(jī)復(fù)位方式有二種：上電復(fù)位（如圖 34）、人工復(fù)位（如圖 35）。如圖 36 圖 36 AT89C51 最小系統(tǒng)連接原理圖 顯示 部分 的設(shè)計(jì) LED 顯示器 接口原理 [6] LED（ Light Emitting Diode） 是發(fā)光二極管的縮寫。每一個(gè)段對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管。同樣，共陽極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽極連結(jié)在一起，通常此公共陽極接正電壓，(a) 外形 （ b）共陽極 （ c）共陰極 圖 37 七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu) 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 9 頁 當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為 低 電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段 被 顯示 [11]。各段與 字節(jié)中的各位對(duì)應(yīng)的關(guān)系如表 31。 二 .LED 顯示器工作原理 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式。 在多位 LED顯示時(shí) ,為簡(jiǎn)化硬件電路 ,節(jié)省 I/O 口資源 ,通常將所有位的段碼 線 相應(yīng)的并聯(lián)在一起 ,由一個(gè) 8 位 I/O 口控制 ,而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的 I/O 線控制 ，形成各位的分時(shí)選通。因此，要在同一時(shí)刻，如果各位的位選線都處于選通狀態(tài)的話，那兩位 LED 將顯示相同的字符。也就是說在同一時(shí)刻只有選通位才能顯示出相應(yīng)的字符，而其它位是熄滅的。下面我就來介紹一下 LED 顯示器動(dòng)態(tài)顯示的軟件 子程序清單 （以圖 39 共陰極 2 位 LED 顯示器為例） ： 見附 錄 四 （ 本設(shè)計(jì)就是采用這種方式顯示 ）?？寇浖R(shí)別的稱為非編碼鍵盤。通常按鍵所用的開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)端來、閉合時(shí)，電壓信號(hào)波形如 圖 312所示。按鍵穩(wěn)定閉合時(shí)間的長短則是由操作人員的按鍵動(dòng)作決定的，一般為零點(diǎn)幾秒。按鍵的抖動(dòng)，可用硬件或軟件兩種方法消除。 二 .獨(dú)立式按鍵 鍵盤可分為獨(dú)立連接式和行列式（矩陣式）兩類， 本設(shè)計(jì)使用的是獨(dú)立連接式，所以這里只介紹獨(dú)立連接式。要判別是否有鍵按下，用單片機(jī)的位處理指令十分方便。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè) 量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 DS18B20 的主要特性 [9] （ 1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電 。 （ 5）溫 度 范圍－ 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 時(shí)精度為 177。 （ 8）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以 一線總線 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力 。如圖 315 所示 圖 315 DS18B20 的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 三 .DS18B20 引腳定義： （ 1） DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端； （ 2） GND 為電源地線； （ 3） VDD 為外界供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器 2的脈沖輸入。 一 .DS18B20 有 4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件 : （ 1） 光刻 ROM 中 的 64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的 ,他可以看作是該DS18B20 的地址序列碼。 DS18B20 溫度值格式表 如表 33所示 表 33： DS18B20 溫度值格式表 LS Byte bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 23 22 21 20 21 22 23 24 BS Byte bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 S S S S S 26 25 24 這是 12位轉(zhuǎn)化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 DS18B20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 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 即可得到實(shí)際溫度。在 DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動(dòng)。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位 S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1 時(shí)，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒，然后釋放，當(dāng) DS18B20 收到信號(hào)后等待 16～60微秒左右，后發(fā)出 60～ 240 微秒的存在低脈沖，主 CPU 收 到此信號(hào)表示復(fù)位成功。為操作個(gè)器件做好準(zhǔn)備。 表 38： (b) RAM 指令表 指令 約定代碼 功能 溫度變換 33H 啟動(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換， 12 位抓換時(shí)間最長為 750ms（ 9 位為 ms）。 復(fù)制暫存器 0CCH 將 RAM中內(nèi)容恢復(fù)到 RAM 中的第 4 字節(jié)。 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 19 頁 三 .DS18B20 的應(yīng)用電路 DS18B20 測(cè)溫系統(tǒng)具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單 、測(cè)溫精度高、廉潔方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。 因此，圖 34 電路只適應(yīng)于單一溫度傳感器測(cè)溫情況下使