【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 XV 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 MOVX@DPTR 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 MOVX@RI 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），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。 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。 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)是某型號(hào)氣相色譜儀的溫度控制子系 XVI 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。 系統(tǒng)性能要求 系統(tǒng)性能要求： 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； 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； 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) 。 模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡(jiǎn)單，維修方便 。 系統(tǒng)可靠性高，不易出故障 。 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。 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，片上系統(tǒng)得到了十足的 XVII 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)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。 XVIII 第二章 硬件設(shè)計(jì) 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 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)。 圖 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，最后通過控制繼電器（即控制溫控箱加熱平均功率的大?。M(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。 XIX 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 所示： 圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 主機(jī)電路的設(shè)計(jì) 主機(jī)選用 INTEL公司的 MCS51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 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、 P 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 。 XX 圖 主機(jī)電路示意圖 I/O 通道的硬件電路的設(shè)計(jì) 就本系統(tǒng)來說，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 (1Wire)與單片機(jī)的 I／ O連接， 。 P3 端口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O，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，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 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)上拉電阻， XXI 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 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） ets 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 ：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 溫度控制電路圖 XXII 如圖 ：報(bào)警電路也是由單片機(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 報(bào)警電路圖 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。其按鍵的功能如下表所示： 表 21 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 ：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 XXIII 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。 圖 鍵盤電路圖 如圖 KEY KEY11分別與 （ INTO）、 （ 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 獨(dú)立鍵盤電路圖 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 ①、 1602 型液晶接口信號(hào)說明 XXIV 1602 型液晶接口信號(hào)說明如表 22 所示 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù)口 2 VDD 電源正極