【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電路，電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜， 并且在可靠性和抗干擾能力上都不如數(shù)字式溫度傳感器，所以最終選擇 數(shù)字式傳感器 DS18B20 進(jìn)行溫度測(cè)量。 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 RST Vcc GND XTAL1 XTAL2 AT89C51 電源電路 德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2020 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 DS18B20 傳感器 （ 1） DS18B20 的測(cè)溫原理 DS18B20 測(cè)溫原理 如圖 7 所示：圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量，計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測(cè)量前，首先將 55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 溫度寄存器中。 圖 7 DS18B20 測(cè)溫原理圖 （ 2） DS18B20 的引腳功能 圖 8 底視圖 引腳功能如下表所示： 表 2 DS18B20 的引腳功能描述 序號(hào) 名稱 引腳功能描述 1 GND 接地信號(hào) 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地，也可以向器件提供電源 德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2020 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 （ 3） 分辨率 R1 和 R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，用來設(shè)置分辨率如表 3 所示，默認(rèn)為 12 位，分辨率為 ℃。 6， 7， 8 字節(jié)保留未用，為全邏輯 1，第 9 字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。 表 3 配置存儲(chǔ)器與分辨率關(guān)系 R0 R1 溫度計(jì)分辨率 /bit 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 /ms 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 1 1 12 750 溫度算法 (分辨率為 ℃ )： (1)當(dāng) SSSSS=11111b， D=1。當(dāng) SSSSS=00000b， D=1； (2)當(dāng) D=1 時(shí)，溫度值 T=[(高字節(jié) 256+低字節(jié) ) ； (3)當(dāng) D=1 時(shí)，溫度值 T=[(256高字節(jié) ) 256低字節(jié) ] 。 （ 4） DS18B20 的工作時(shí)序 DS18B20 的工作時(shí)序主要包括：初始化時(shí)序、寫時(shí)序、讀時(shí)序。 初始化時(shí)序見圖 9 主機(jī)總線在 t0 時(shí)刻發(fā)送一個(gè)最短為 480μ s 的低電平復(fù)位脈沖信號(hào)，接著在 t1 時(shí)刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)， DSl8B20 在檢測(cè)到總線的上升沿之后，等待 15μ s～ 60μ s，接著在 t2 時(shí)刻發(fā)出低脈沖 (60μ s～ 240μ s)，如圖中虛線所示， 18B20 響應(yīng)之后又恢復(fù)為 高電平， t2～ t4 稱為 18B20 的響應(yīng)時(shí)間，最少為 480μ s。 圖 9 初始化時(shí)序 當(dāng)主機(jī)總線 t0 時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)，就產(chǎn)生寫時(shí)序，見圖 10，從 t0 時(shí)刻開始 15μ s 之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上， DSl8B20 在 t0 后 15μ s～ 60μ s 間對(duì)總線采樣。若為低電平，寫入的位是 0；若為高電平，寫入的位是 1。連續(xù)寫 2 位間的時(shí)序應(yīng)大于 1μ s。 德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2020 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 圖 10 寫時(shí)序 見圖 11 主機(jī)總線 t0 時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)總線只須保持低電平 1μ s 之后在 t1 時(shí)刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時(shí)序，讀時(shí)序在 t1 時(shí)刻后 t2 時(shí)刻前有效。 t2 距 t0 為 15μ s，也就是說，t2 時(shí)刻前主機(jī)必須完成讀位，并在 t0 后的 60μ s～ 120μ s 內(nèi)釋放總線。 圖 11 讀時(shí)序 （ 5） 溫度采集過程 圖 12 溫度采集過程圖 DS18B20 初始化 發(fā)跳過 ROM命令 發(fā) DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換命令 DS18B20 初始化 結(jié)束 發(fā)跳過 ROM命令 發(fā)讀取溫度命令 德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2020 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 水溫檢測(cè)電路 根據(jù) DS18B20 的特性，本設(shè)計(jì)中測(cè)溫應(yīng)用電路如下： 圖 13 水溫檢測(cè)電路 水位檢測(cè) 鍋爐的水位也是控制器控制的重點(diǎn)，尤其是當(dāng)鍋爐缺水時(shí)，若不及時(shí)切斷電源，會(huì)損壞加熱器甚至發(fā)生事故。 本系統(tǒng)選用浮球式開關(guān)作為水位檢測(cè)，檢測(cè)電路 如下： 圖 14 水位檢測(cè)電路 當(dāng)鍋爐內(nèi)水位高于水位上限或低于水位下限時(shí)， 檢測(cè)電路動(dòng)作，將信號(hào)傳給單片機(jī)處理。 經(jīng)單片機(jī)處理后控制水泵的開啟或關(guān)閉。 鍵盤 電路 鍵盤的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時(shí)掃描方式）、中斷掃描方式。獨(dú)立式按鍵接口就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根 I/O 口線，每根 I/O 口線的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他 I/O 口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2020 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 易判斷哪個(gè)按鍵被按下了。優(yōu)點(diǎn) 就是 電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ；缺點(diǎn)就是每 個(gè)按鍵需占用一根 I/O 口線，在按鍵數(shù)量較 多時(shí)， I/O 口浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。因此，此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。 本設(shè)計(jì)中由于所用鍵盤不多，所以采用獨(dú)立式鍵盤就能夠滿足設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)采用了軟件去抖動(dòng)的方法。 設(shè)計(jì)中設(shè)置了水溫調(diào)整，能夠通過按鍵實(shí)現(xiàn)溫度的設(shè)定。連接方法如下，減溫鍵、加溫鍵、顯示設(shè)定溫度鍵分別接單片機(jī) 、 、 。 當(dāng)按下 S3 時(shí)，進(jìn)入溫度設(shè)定，便可進(jìn)行溫度值的設(shè)定。 圖 15 鍵盤控制電路 水溫顯示 LED 數(shù)碼管 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡(jiǎn)稱 LED；液晶顯 示器，簡(jiǎn)稱 LCD。前者價(jià)廉，配置靈活，與單片機(jī)接口方便；后者可進(jìn)行圖形顯示，但接口復(fù)雜，成本較高。結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在這里系統(tǒng)的顯示采用發(fā)光二極管作為顯示器件。 LED 顯示器有共陰極和共陽(yáng)極兩種，如圖 16 所示。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起稱為共陽(yáng)極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。一位顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管組成，其中， 7 個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字形“ 8”的各個(gè)筆劃（段） ag， 另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為 dp 發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓是，該段筆劃即點(diǎn)亮；不加電壓則該段二極管不亮。 德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2020 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 圖 16 數(shù)碼管 如果要顯示某個(gè)字形，則應(yīng)使此字形的相應(yīng)段點(diǎn)亮，也即送一個(gè)不同的電平組合代表的數(shù)據(jù)來控制 LED 的顯示字形，此數(shù)據(jù)稱為字符的段碼。如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為 0表示對(duì)應(yīng)字段暗，數(shù)據(jù)為 1 表示對(duì)應(yīng)字段亮?？汕蟮脭?shù)碼管字型編碼如表 4 所示。 表 4 共陰極數(shù)碼管編碼 符號(hào) 編碼 符號(hào) 編碼 0 3FH 8 7FH 1 06H 9 6FH 2 5BH A 77H 3 4FH B 7CH 4 66H C 39H 5 6DH D 5EH 6 7DH E 79H 7 07H F 71H 74HC573 鎖存器 74HC573 為高性能硅門 CMOS 器，器件的輸入是和標(biāo)準(zhǔn) CMOS 輸出兼容的；加上拉電阻， 能和 LS/ALSTTL 輸出兼容。當(dāng)鎖存使能端為高時(shí)，這些器件的鎖存對(duì)于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說輸出同步）。當(dāng)鎖存使能變低時(shí)，符合建立時(shí)間和保持時(shí)間的數(shù)據(jù)會(huì)被鎖存。 （ 1）主要特性 CMOS， NMOS 和 TTL 接口上 ： ~ ： 器件的高噪聲抵抗特性 （ 2）管腳說明 德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2020 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 圖 17 74HC573 引腳 圖 Vcc：電源正； GND：接地； D0— D7：數(shù)據(jù)輸入； Q0— Q7：數(shù)據(jù)輸出； OE ：輸出使能，低電平有效； LE：鎖存控制端， LE 為高電平時(shí)， Q 端數(shù)據(jù)隨 D 端數(shù)據(jù)變化，而當(dāng) LE 為低電平時(shí)， Q端數(shù)據(jù)將保持 LE 端變化為低電平之前的數(shù)據(jù)狀態(tài)。 （ 3）功能表 表 5 74HC573 功能表 輸入 輸出 OE LE D Q L H H H L H L L L L X 不變 H X X Z 注： X：不用關(guān)心； Z：高阻抗。 水溫顯示電路連接 本設(shè)計(jì)中， 選用 3 位數(shù)碼管 顯示溫度。 采用的是數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的方式，即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼的視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時(shí)顯示。 具體連接方法如下： OE（ OC）使能端直接接地， LE（ C）鎖存控制端接 DULA（ ），數(shù)碼管 LED LED LED3 的位選端分別接單片機(jī)的 WE1（ ） 、 WE2（ ） 、 WE3（ ） ，電路圖如下： 德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2020 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 圖 18 水溫顯示電路連接 水位指示 本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了高水位、低水位和正常水位指示功能。當(dāng)鍋爐內(nèi)水位達(dá)到水位上限時(shí)，高水位 LED 燈亮；當(dāng)水位達(dá)到下限時(shí)，低水位 LED 燈亮；當(dāng)水位處于正常范圍時(shí)，正常水位指示 LED 燈亮。 具體連接如下：高水位 LED 接單片機(jī)的 ，低水位 LED 接 ，正常水位 LED 接 。 圖 19 水位指示電路 故障報(bào)警 本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了故障報(bào)警電路，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，單片機(jī)控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，指示工作人員進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。 電路連接如下，蜂鳴器控制端接單片機(jī)的 FM（ ） 。 圖 20 故障報(bào)警 德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2020 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 水泵 與加熱器 控制 光耦 耦合器亦稱光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦，是開關(guān)電源電路中常用的器件。 耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（ LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電 —光 —電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。 由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。 繼電器 電磁 式繼電器一般由鐵芯、 線圈 、 銜鐵 、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在 電磁力 吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（ 常開觸點(diǎn) ）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（ 常閉觸點(diǎn) ）釋放。這樣吸合、 釋放 ，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的 “ 常開、常閉 ” 觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分： 繼電器線圈 未通電時(shí)處于斷開 狀態(tài) 的靜觸點(diǎn)，稱為 “ 常開觸點(diǎn) ”； 處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為 “ 常閉觸點(diǎn) ” 。 水泵與加熱器控制電路 在本設(shè)計(jì)中，用來為鍋爐 供水。 加熱器 的 作用是加熱鍋爐內(nèi)的水。由于開關(guān)量信號(hào)易受脈沖干擾，同時(shí)考慮到水泵和加熱器的工作電壓是交流 220V，因此采用光電隔離，然后使繼電器動(dòng)作，由繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥和噴淋泵工作。 具體的控制電路如下，單片機(jī)的 控制水泵； 控制加熱器。 德州學(xué)院 機(jī)電工程系 2020 屆 自動(dòng)化專業(yè) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 圖 21 水泵驅(qū)動(dòng)電路 圖 22 加熱器驅(qū)動(dòng)電路 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)軟件在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，將控制器所要完成的功能分 別編寫和調(diào)試，所有模塊調(diào)試成功以后，將各個(gè)模塊連接，構(gòu)成單片機(jī)軟件系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由 3 部分組成 ： 系統(tǒng)主程序、各功能子程序、中斷程序。系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度，子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)子功能 ， 中斷