【文章內容簡介】 電路，電路設計較為復雜， 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 進行溫度測量。 復位電路 時鐘電路 RST Vcc GND XTAL1 XTAL2 AT89C51 電源電路 德州學院 機電工程系 2020 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） 4 DS18B20 傳感器 （ 1） DS18B20 的測溫原理 DS18B20 測溫原理 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，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(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，所產生的信號作為減法計數(shù)器 2 的脈沖輸入。圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數(shù)，進而完成溫度測量，計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55℃所對應的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 溫度寄存器中。 圖 7 DS18B20 測溫原理圖 （ 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 名稱 引腳功能描述 1 GND 接地信號 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地，也可以向器件提供電源 德州學院 機電工程系 2020 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） 5 （ 3） 分辨率 R1 和 R0 決定溫度轉換的精度位數(shù)，用來設置分辨率如表 3 所示，默認為 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)是冗余檢驗字節(jié)。 表 3 配置存儲器與分辨率關系 R0 R1 溫度計分辨率 /bit 最大轉換時間 /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 SSSSS=11111b， D=1。當 SSSSS=00000b， D=1； (2)當 D=1 時，溫度值 T=[(高字節(jié) 256+低字節(jié) ) ； (3)當 D=1 時，溫度值 T=[(256高字節(jié) ) 256低字節(jié) ] 。 （ 4） DS18B20 的工作時序 DS18B20 的工作時序主要包括：初始化時序、寫時序、讀時序。 初始化時序見圖 9 主機總線在 t0 時刻發(fā)送一個最短為 480μ s 的低電平復位脈沖信號，接著在 t1 時刻釋放總線并進入接收狀態(tài)， DSl8B20 在檢測到總線的上升沿之后，等待 15μ s～ 60μ s，接著在 t2 時刻發(fā)出低脈沖 (60μ s～ 240μ s)，如圖中虛線所示， 18B20 響應之后又恢復為 高電平， t2～ t4 稱為 18B20 的響應時間，最少為 480μ s。 圖 9 初始化時序 當主機總線 t0 時刻從高拉至低電平時，就產生寫時序，見圖 10，從 t0 時刻開始 15μ s 之內應將所需寫的位送到總線上， DSl8B20 在 t0 后 15μ s～ 60μ s 間對總線采樣。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 位間的時序應大于 1μ s。 德州學院 機電工程系 2020 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） 6 圖 10 寫時序 見圖 11 主機總線 t0 時刻從高拉至低電平時總線只須保持低電平 1μ s 之后在 t1 時刻將總線拉高，產生讀時序，讀時序在 t1 時刻后 t2 時刻前有效。 t2 距 t0 為 15μ s，也就是說，t2 時刻前主機必須完成讀位，并在 t0 后的 60μ s～ 120μ s 內釋放總線。 圖 11 讀時序 （ 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 溫度轉換命令 DS18B20 初始化 結束 發(fā)跳過 ROM命令 發(fā)讀取溫度命令 德州學院 機電工程系 2020 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） 7 水溫檢測電路 根據(jù) DS18B20 的特性，本設計中測溫應用電路如下： 圖 13 水溫檢測電路 水位檢測 鍋爐的水位也是控制器控制的重點，尤其是當鍋爐缺水時，若不及時切斷電源，會損壞加熱器甚至發(fā)生事故。 本系統(tǒng)選用浮球式開關作為水位檢測，檢測電路 如下： 圖 14 水位檢測電路 當鍋爐內水位高于水位上限或低于水位下限時， 檢測電路動作，將信號傳給單片機處理。 經單片機處理后控制水泵的開啟或關閉。 鍵盤 電路 鍵盤的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時掃描方式）、中斷掃描方式。獨立式按鍵接口就是各按鍵相互獨立，每個按鍵單獨占用一根 I/O 口線，每根 I/O 口線的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他 I/O 口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容德州學院 機電工程系 2020 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） 8 易判斷哪個按鍵被按下了。優(yōu)點 就是 電路配置靈活，軟件結構簡單 ；缺點就是每 個按鍵需占用一根 I/O 口線，在按鍵數(shù)量較 多時， I/O 口浪費大，電路結構顯得復雜。因此，此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場合。 本設計中由于所用鍵盤不多，所以采用獨立式鍵盤就能夠滿足設計要求。本設計采用了軟件去抖動的方法。 設計中設置了水溫調整，能夠通過按鍵實現(xiàn)溫度的設定。連接方法如下，減溫鍵、加溫鍵、顯示設定溫度鍵分別接單片機 、 、 。 當按下 S3 時，進入溫度設定，便可進行溫度值的設定。 圖 15 鍵盤控制電路 水溫顯示 LED 數(shù)碼管 單片機應用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡稱 LED；液晶顯 示器，簡稱 LCD。前者價廉，配置靈活，與單片機接口方便；后者可進行圖形顯示，但接口復雜，成本較高。結合本設計的特點，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極兩種，如圖 16 所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。一位顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中， 7 個發(fā)光二極管構成字形“ 8”的各個筆劃（段） ag， 另一個小數(shù)點為 dp 發(fā)光二極管。當在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓是，該段筆劃即點亮；不加電壓則該段二極管不亮。 德州學院 機電工程系 2020 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） 9 圖 16 數(shù)碼管 如果要顯示某個字形，則應使此字形的相應段點亮，也即送一個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表示對應字段暗，數(shù)據(jù)為 1 表示對應字段亮。可求得數(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 編碼 符號 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，器件的輸入是和標準 CMOS 輸出兼容的；加上拉電阻， 能和 LS/ALSTTL 輸出兼容。當鎖存使能端為高時，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說輸出同步）。當鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。 （ 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 德州學院 機電工程系 2020 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） 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， Q 端數(shù)據(jù)隨 D 端數(shù)據(jù)變化，而當 LE 為低電平時， 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：不用關心； Z：高阻抗。 水溫顯示電路連接 本設計中， 選用 3 位數(shù)碼管 顯示溫度。 采用的是數(shù)碼管動態(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的 WE1（ ） 、 WE2（ ） 、 WE3（ ） ，電路圖如下： 德州學院 機電工程系 2020 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） 11 圖 18 水溫顯示電路連接 水位指示 本系統(tǒng)中設計了高水位、低水位和正常水位指示功能。當鍋爐內水位達到水位上限時，高水位 LED 燈亮；當水位達到下限時，低水位 LED 燈亮；當水位處于正常范圍時，正常水位指示 LED 燈亮。 具體連接如下：高水位 LED 接單片機的 ，低水位 LED 接 ，正常水位 LED 接 。 圖 19 水位指示電路 故障報警 本系統(tǒng)中設計了故障報警電路，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，單片機控制蜂鳴器進行報警，指示工作人員進行系統(tǒng)維護。 電路連接如下，蜂鳴器控制端接單片機的 FM（ ） 。 圖 20 故障報警 德州學院 機電工程系 2020 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） 12 水泵 與加熱器 控制 光耦 耦合器亦稱光電隔離器，簡稱光耦，是開關電源電路中常用的器件。 耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。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、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（ LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電 —光 —電的轉換，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，電信號傳輸具有單向性等特點，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，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。 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，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在 電磁力 吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（ 常開觸點 ）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（ 常閉觸點 ）釋放。這樣吸合、 釋放 ，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的 “ 常開、常閉 ” 觸點，可以這樣來區(qū)分： 繼電器線圈 未通電時處于斷開 狀態(tài) 的靜觸點，稱為 “ 常開觸點 ”； 處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為 “ 常閉觸點 ” 。 水泵與加熱器控制電路 在本設計中，用來為鍋爐 供水。 加熱器 的 作用是加熱鍋爐內的水。由于開關量信號易受脈沖干擾，同時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，然后使繼電器動作，由繼電器驅動電磁閥和噴淋泵工作。 具體的控制電路如下，單片機的 控制水泵； 控制加熱器。 德州學院 機電工程系 2020 屆 自動化專業(yè) 畢業(yè)論文（設計） 13 圖 21 水泵驅動電路 圖 22 加熱器驅動電路 3 系統(tǒng)軟件設計 軟件設計方案 系統(tǒng)軟件在程序設計時采用了模塊化設計方法，將控制器所要完成的功能分 別編寫和調試，所有模塊調試成功以后，將各個模塊連接，構成單片機軟件系統(tǒng)。整個系統(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)主程序負責任務調度，子程序實現(xiàn)系統(tǒng)各個子功能 ， 中斷