【文章內(nèi)容簡介】 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，哪些被外部信號拉低的引腳會輸出一個(gè)電流。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（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)訪問期間不會改變。在對 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。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（吸收或輸出電流方式）4個(gè) TTL 輸入。對端口寫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，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個(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，采樣得到被測量。另一種溫度測量方法是使用熱電偶，其測量精度較高，但測試過程復(fù)雜，測量時(shí)間長，而且采用電橋測量的系統(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。 溫度檢測的方法根據(jù)敏感元件和被測介質(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)的膨脹式溫度檢測儀表；基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測儀表。非接觸式檢測方法是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，對物體的溫度進(jìn)行檢測，主要有亮度法、全輻射法和比色法等。接觸式測溫是使測溫敏感元件與被測介質(zhì)接觸，當(dāng)被測介質(zhì)與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí)，感溫元件與被測介質(zhì)的溫度相等。這類傳感器結(jié)構(gòu)簡單、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溫法，選用相關(guān)類型的傳感器。由單片機(jī)組成的溫度測控系統(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)對溫度控制對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、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警及記錄,對各個(gè)參數(shù)以一定的周期進(jìn)行檢查和測量,檢測的結(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)是某型號氣相色譜儀的溫度控制子系統(tǒng)，其目的是對兩個(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)溫度的自動控制；能夠?qū)崿F(xiàn)對溫控箱溫度的測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)電路就會做出反應(yīng)，從而對溫控箱實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)。模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡單，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)相對緩慢的過程，對溫控系統(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)存取存儲器、只讀存儲器、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)簡化。從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結(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。第 2 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)展外部存儲器構(gòu)成主控模塊。被測對象的溫度由 DS18B20 溫度傳感器檢測外界溫度并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖此數(shù)字信號送給單片機(jī)處理，一方面將被測對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?。?，進(jìn)而達(dá)到對被測物體溫度進(jìn)行控制的目的。如果實(shí)際測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，使被測物體在正常的溫度范圍下工作。 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。完成對被測物體的溫度控制。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，使得操作更加簡單、方便。具有五個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級，兩個(gè)外部中斷、兩個(gè)定時(shí)中斷還用一個(gè)通信中斷，可以對溫度檢測進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分時(shí)操作，這樣就可以對被測物體溫度監(jiān)測更加準(zhǔn)確、延時(shí)性更小，同時(shí)也可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單實(shí)用。如圖 所示：單片機(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、PP2 和 P3 用來接相應(yīng)的顯示設(shè)備，鍵盤輸入以及繼電器等。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， 是單片機(jī)的高位地址線。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，其輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或 輸出電流)4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對該端口寫“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拉低時(shí)會輸出一個(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，防止數(shù)據(jù)、時(shí)鐘高阻懸掛，就會得不到準(zhǔn)確的溫度數(shù)字信號。 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，使輸出信號要對繼電器進(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)警信號傳到單片機(jī)或人，單片機(jī)或人就會執(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)亮并且加熱器啟動升溫；高于設(shè)定的溫度時(shí)對應(yīng)紅色二極管亮并且制冷器啟動降溫。：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，來控制被測物體的溫度。 溫度控制電路圖：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。 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)簡單的人機(jī)對話。鍵盤上閉合建的識別是由專用硬件實(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：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)簡單的人機(jī)對話，鍵盤的輸入值被單片機(jī)讀入并通過中央處理器處理，送到顯示模塊進(jìn)行顯示。 鍵盤電路圖如圖 所示按鍵 KEYKEY11 分別與 （INTO） 、（INT1）相連，采用外部中斷方式，對溫度設(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 型液晶接口信號說明 1602 型液晶接口信號說明如表 22 所示 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù)口2 VDD 電源正極 10 D2 數(shù)據(jù)口2 V0 液晶顯示器對比度調(diào)解端 11 D4 數(shù)據(jù)口4 RS 數(shù)據(jù)命令選擇端 12 D5 數(shù)據(jù)口5 R/W 讀寫選擇端（H/L） 12 D6 數(shù)據(jù)口6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù)口7 D0 數(shù)據(jù)口 15 BLA 背光電源正極8 D1 數(shù)據(jù)口 16 BKL 背光電源負(fù)極②、 基本操作時(shí)序 讀狀態(tài) 輸入：RS=L, R/W=H,E=H 輸出：D0~D7=狀態(tài)字讀數(shù)據(jù) 輸入：RS=H, R/W=H,E=H 輸出：無寫指令 輸入：RS=L, R/W=L,D0~D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：D0~D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù) 輸入：RS=H, R/W=L, ,D0~D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖 輸出：無。 ③、寫操作時(shí)序 通過 RS 確定是寫數(shù)據(jù)還是寫命令。讀/寫控制端設(shè)置為寫模式，即低電平。 將數(shù)據(jù)或命令送達(dá)數(shù)據(jù)線上，給 E 一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成寫操作。寫操作時(shí)序如下圖所示：圖 29 1602 液晶寫操作時(shí)序圖（2）液晶的電路設(shè)計(jì) 如圖 210 所示：液晶的數(shù)據(jù)線接 P0 口，而 RS、RW、E 分別接單片機(jī)的、 口，通過單片機(jī)的控制顯示設(shè)定的溫度值或