【文章內(nèi)容簡介】 1單片機構(gòu)成的數(shù)字控制器按最小拍進行運算，計算出所需要的控制量。數(shù)字控制器的輸出經(jīng)標度變換后送給8051內(nèi)部定時計數(shù)器轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗娖降牟煌掷m(xù)時間，送至繼電器及其驅(qū)動電路，觸發(fā)晶閘管并改變其導(dǎo)通角大小，從而控制電加熱器的加熱電壓，起到控溫的作用。系統(tǒng)基本硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2—1—1所示。其功能和原理如下：（1）8051：負責(zé)中心運算和控制，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個模塊的工作。（2）溫度溫度傳感器DS18B20：負責(zé)溫度與數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。其精度可精確到小數(shù)點后四位。（3）功率模塊：采用隨機型固態(tài)繼電器控制加熱設(shè)備的方式。隨機型固態(tài)繼電器采用低電壓輸入方式，一般為DC3～10V，用可控硅做輸出器件。這樣控制部分與大功率部分實現(xiàn)隔離，可抑制干擾。圖2—1—1系統(tǒng)基本硬件結(jié)構(gòu)框圖（4）人機交互模塊：用4X1鍵盤和液晶顯示器構(gòu)成友善的人機交互界面。（5）抗干擾模塊：使用看門狗芯片X25045，其看門狗功能將對系統(tǒng)起到有效的監(jiān)視作用，內(nèi)含512B串行E2PROM，具有掉電非易失特性，在本系統(tǒng)中做數(shù)據(jù)備份用。（6）紅、藍色LED，蜂鳴器：負責(zé)系統(tǒng)的報警功能。當溫度超過用戶設(shè)定的上、下限值時系統(tǒng)將報警。LED燈在單片機的控制下點亮，同時蜂鳴器發(fā)出報警聲，通知用戶采取相應(yīng)的措施。 溫度采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在設(shè)計此類系統(tǒng)時，傳統(tǒng)的方法是通過熱敏電阻或模擬集成溫度傳感器采集溫度的模擬量，再用A/D器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送給單片機，這些方案的主要缺點是精度差，（℃）并且因為采用了A/D轉(zhuǎn)換器使電路過于復(fù)雜?；诤喕娐?，提高性價比的考慮，本設(shè)計采用集成化智能型溫度傳感器DS18B20完成現(xiàn)場溫度的采集。系統(tǒng)電路圖如圖2—2—1所示圖2—2—1溫度轉(zhuǎn)換采集系統(tǒng)電路圖DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)單線智能溫度傳感器，其采用DALLAS公司獨特的“單線（1—Wire）總線”專有技術(shù)，通過串行通信接口（I/O）直接輸出被測溫度值（9～12位二進制數(shù)據(jù)，含符號位）。其工作在在12位模式下時，℃。溫度/。根據(jù)定義，單線總線只有一根線，這意味著總線上每個器件只能分時驅(qū)動單線總線，并要求每個器件必須有漏極開路輸出或三態(tài)輸出的特性。 DS18B20的單線接口I/O就屬于漏極開路輸出。在單線總線上必須接上拉電阻，其電阻值約為5KΩ（ KΩ）。當單線總線上掛有多個從屬器件時，也稱之為多點總線。單線總線雜空閑狀態(tài)下呈高電平。操作單線總線時，必須從空閑狀態(tài)開始。單線總線加低電平的轉(zhuǎn)換時間超過480us時，總線上所有的器件均被復(fù)位。在主CPU發(fā)出復(fù)位脈沖后，從屬器件就發(fā)出應(yīng)答脈沖（PRESENCE PULSE），來通知主CPU它已經(jīng)作好了接收數(shù)據(jù)和命令的準備工作。DS18B20與微處理器的電路接法如圖2—2—2所示：寄生電源接法外部電源接法圖2—2—2 DS18B20與微處理器連接圖而傳統(tǒng)溫度采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)則通過溫度傳感器集成芯片將溫度變化量轉(zhuǎn)換成電流值變化量，輸入放大電路轉(zhuǎn)換為電流變化量，再輸入ADC0809將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。利用單片機采集并存儲采集到的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)電路圖如下圖2—2—3所示。圖2—2—3傳統(tǒng)溫度采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電路圖 升降溫控制系統(tǒng)本系統(tǒng)使用DDC控制技術(shù)。DDC控制是當現(xiàn)場溫度在用戶設(shè)定的上、下限溫度范圍內(nèi)時，加熱器或降溫器的工作隨著溫度接近臨界值而相應(yīng)調(diào)整的一種控制方式，通常所說的DDC段一般定為177。5℃，當溫度變化超出這個范圍時，加熱器或降溫器被控制為DDC控制，一般有下面二種控制方式：時間DDC型、電流DDC型，DDC控制能消除開關(guān)型控制產(chǎn)生的鋸齒波形，減少對電網(wǎng)的沖擊，如圖2—3—1的DDC控制一般不用在負載變化范圍較大而控制精度又較高的場合。圖2—3—1 DDC控制下的現(xiàn)場溫度曲線此系統(tǒng)由繼電器及其驅(qū)動電路，直流電機風(fēng)扇，散熱片及電加熱器組成，完成溫度的升降。利用繼電器及其驅(qū)動電路，直流電機風(fēng)扇相組合可實現(xiàn)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制，驅(qū)動電路實際上是一個復(fù)雜的放大電路，如圖2—3—2所示： 圖2—3—2繼電器及其驅(qū)動電路電路圖連接到直流電機風(fēng)扇后，轉(zhuǎn)動方向是由電壓來控制的，電壓為正則正轉(zhuǎn)，電壓為負則反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速大小則是由輸出脈沖的占空比來決定的，正向占空比越大則轉(zhuǎn)速越快，反向轉(zhuǎn)則占空比越小轉(zhuǎn)速越快。見下面圖2—3—3:圖2—3—3直流電機風(fēng)扇控制脈沖圖?！?”時，輸出12V；“0”時，輸出0V。用輸出脈沖后的延時時間來決定輸出電壓值，具體的情況將在第三章中說明。 鍵盤顯示系統(tǒng)本系統(tǒng)的用戶界面利用人機工程學(xué)原理，運用系統(tǒng)科學(xué)理論和系統(tǒng)科學(xué)方法進行設(shè)計，使其能夠適合操作者的應(yīng)用需求。LCD的應(yīng)用使操作者能夠用容易理解的方式顯示控制系統(tǒng)的當前狀態(tài)和操作者關(guān)心的信息，例如當前時間、當前溫度、上限溫度、下限溫度。系統(tǒng)給操作者提供容易理解和充分的信息提示，以方便操作者的正確使用。同時，還考慮了用戶操作界面有較好的容錯能力，提高了系統(tǒng)的整體綜合能力。系統(tǒng)的連接圖如圖2—4—1所示。圖2—4—1鍵盤顯示系統(tǒng)電路圖本設(shè)計由74HC00芯片控制的4鍵鍵盤和液晶顯示器組成，以實現(xiàn)用戶的輸入與數(shù)據(jù)輸出。第一個鍵的作用是配合第三個鍵（加1）和第四個鍵（減1）對進行時間設(shè)定，第二個鍵的作用是配合第三個鍵（加1）和第四個鍵（減1）對上、下限溫度進行設(shè)定。 報警系統(tǒng)報警系統(tǒng)由聲報警和光報警組成。音效模塊是一個帶有揚聲器的放大電路。其電路圖如圖2—5—1所示。圖2—5—1報警系統(tǒng)（聲報警）電路圖光報警由1個紅色發(fā)光二極管和1個藍色發(fā)光二極管組成，一共需要2根數(shù)據(jù)線，使用單片機直接控制。要實現(xiàn)的功能是在第一種工作模式下時，當現(xiàn)場溫度高于用戶設(shè)定的上限溫度時，紅色發(fā)光二極管點亮；當現(xiàn)場溫度低于用戶設(shè)定的下限溫度時，藍色發(fā)光二極管點亮。在第二種工作模式下，保持恒久熄滅狀態(tài)。其電路圖如圖2—5—2所示。圖2—5—2報警系統(tǒng)（光報警）電路圖 電源系統(tǒng)電源的濾波、保護電路對電源有重要的意義，系統(tǒng)能否安全使用，很大程度上取決于電源的穩(wěn)定和保護。本設(shè)計使用4個二極管構(gòu)成的橋式整流電路為其整流電路，如圖2—6—1所示。濾波電路選用電容濾波，穩(wěn)壓選用三穩(wěn)壓塊7805和7812，此電路簡單適用。繼電器和直流電機風(fēng)扇用到12V電源，單片機等使用+5V電源。本電源系統(tǒng)由U1（7805）、U2（7812）和發(fā)光二極管LED及相關(guān)阻容元件構(gòu)成，其中U1輸出穩(wěn)定的5V電壓，U1輸出穩(wěn)定的12V電壓。發(fā)光二極管在這里作為電源指示，R3為LED的限流電阻。C8，C9，C10，C11為電源濾波電容。 圖2—6—1電源系統(tǒng)電路圖 硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)硬件配置采用總線型結(jié)構(gòu)的設(shè)計。由P0口作數(shù)據(jù)線，P0口和P2口共同作地址線。 主要元件簡介1. 8051單片機8051是Intel公司于80年代初推出的8位嵌入式微控制器（內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為8位，外部數(shù)據(jù)總線為8位），它與MCS－96系統(tǒng)中的其它芯片相比，具有性能高、功能全、售價低廉、使用方便（48PINDIP）等優(yōu)點。8051在工業(yè)應(yīng)用方面有許多明顯的特點，它具有靈活方便的8位總線外圍支援器擴展功能，而在數(shù)據(jù)處理方面又有8位微機的快速功能。由于大的高度集成化已把許多常駐用的輸入檢測輸出控制通道都制作在同一塊硅片上，大大地靈活了外部連線，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且速度快（時鐘12MHz），非常適合于工業(yè)環(huán)境下安裝使用。因此本系統(tǒng)CPU選用8051芯片。8051單片機引腳采用40雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)。其引腳圖如圖2—7—1所示。8051CPU中的主要元件有：高速寄存器陣列、特殊功能寄存器（SFR）、寄存器控制器和算術(shù)邏輯單元（RALU）。它與外部通訊是通過特殊功能寄存器SFR或存儲器控制器進行的。8051CPU的主要特色是體積小，重量輕，抗干擾能力強，售價低，使用方便。此外，通過SFR還可以直接控制I/O、A/D、PWM、串行口等部件的有效運行。CPU內(nèi)部的一個控制單元和兩條總線寄存器陣列和EALU連接起來。這兩條總線是：16位地址總線（ABUS）和8位數(shù)據(jù)總線（DBUS）。數(shù)據(jù)總線僅在RALU與寄存器陣列或SFR之間傳送數(shù)據(jù)，地址總線用作上述數(shù)據(jù)傳送的地址總線或用作與寄存器控制器連接的多路復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線。CPU對片內(nèi)RAM訪問是直接訪問和通過寄存器R0，R1間接訪問的。8051工作時所需的時鐘可通過其XTALL輸入引腳由外部輸入，也可采用芯片內(nèi)部的振蕩器。8051的工作頻率為6～12MHz。圖2—7—1 8051單片機引腳圖8051每次上電時必須復(fù)位。所謂復(fù)位，就是讓單片機應(yīng)用系統(tǒng)在正式工作之前處于一種特定狀態(tài)，即正式工作前的起點，這個任務(wù)就是由復(fù)位電路來完成。8051單片機在引腳RESET/Vpp出現(xiàn)高電平時實現(xiàn)復(fù)位和初始化。RESET由高電平變低電平后，單片機從0000h地址開始執(zhí)行程序，其初始復(fù)位不影響內(nèi)部RAM的狀態(tài)，包括工作寄存器R7～R0。在正常運行的情況下，要實現(xiàn)復(fù)位操作，必須使RESET引腳至少保持兩個機器周期的高電平。CPU在第二個機器周期內(nèi)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位操作，以后每一個機器周期重復(fù)一次，直至RESET端電平變低。復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE及PSEN信號。8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2—7—2所示。圖2—7—2 8051單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2. 1602液晶顯示器液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計使用的字符型液晶模塊是一種用5x7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，容量為1行2行16個字。 1602采用標準的16腳接口，其中VSS為地電源，VDD接5V正電源，V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，可通過一10KΩ的電位器調(diào)整對比度。RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)存儲了160個點陣字符圖形，如圖271所示，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表2—7—1所示:指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清顯示0000000001光標返回000000001*置輸入模式00000001I/DS顯示開/關(guān)控制0000001DCB光標或字符移位000001S/CR/L**置功能00001DLNF**置字符發(fā)生存儲器地址0001字符發(fā)生存儲器地址（ACG）置數(shù)據(jù)存儲器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲器地址（ADD）讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址（AC）寫數(shù)到CGRAM或DDRRAM10要寫的數(shù)據(jù)從CGRAM或DDRRAM11讀出的數(shù)據(jù)表2—7—1 1602液晶模塊指令表1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都可以通過指令編程來實現(xiàn)。（說明：1為高電平、0為低電平） 指令1：清顯示，指令碼01H,光標復(fù)位到地址00H位置 指令2：光標復(fù)位，光標返回到地址00H 指令3：光標和顯示模式設(shè)置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效 指令4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標的開與關(guān)，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍 指令5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標 指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符 指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置 指令8：DDRAM地址設(shè)置 指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令10：寫數(shù)據(jù) 指令11：讀數(shù)據(jù)1602液晶顯示模塊可以和單片機8051直接連接，電路如圖2—7—3所示。圖2—7—31602液晶模塊與8051單片機連接圖液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，表2—7—2是1602的內(nèi)部顯示地址。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16100 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F240 41 42 43 44 45 46 47 48 49 4A 4B 4C 4D 4E 4F表2—7—2 1602液晶模塊內(nèi)部顯示地址圖比如第二行第一個字符的地址是40H，那么是否直接寫入40H就可以將光標定位在第二行第一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1所以實際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是01000000B（40H)+10000000B(80H)=11000000B(C0H) 以下是在液晶模塊的第二行第一個字符的位置顯示字母“A”的程序：RS EQU RW EQU E EQU ORG 0000HMOV P1,00000001B ；清屏ACALL ENABLEMOV P1,00111000B ；8位2行5x7點陣ACALL ENABLEMOV P1,00001111B ；顯示器開、光標開、閃爍開ACALL ENABLEMOV P1,00000110B ；文字不動，光標自動右移ACALL ENABLEMOV P1,0C0H ；寫入顯示起始地址（第二行第一個位置）ACALL ENABLEMOV P1,＃01000001B ；字母A的代碼SETB RS ；RS=1CLR RW ；RW=0CLR E ；E=0ACALL DELAYSETB E ；E=1AJMP $ENABLE: CLR RS ；寫入控制命令的子程序CLR RWCLR EACALL DELAYSETB ERETDELAY: MOV P1,0FFH ；判斷液晶顯示器是否忙的子程序CLR RSSETB RWCLR ENOPSETB EJB ,DELAY ；RET 程序在開始時對液晶模塊功能進行了初始化設(shè)置，約定了顯示格式。注意顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預(yù)，每次輸入指令都先調(diào)用判斷液晶模塊是否忙的子程序DELAY，然后輸入顯示位置的地址0O0H，最后輸入要顯示的字符A的代碼41H。3. DS18B20數(shù)字溫度傳感器　 DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。一、DS18B20的性能特點（1）DS18B20采用DALLAS公司獨特的“單線（1Wire）總線”專有技術(shù)，通過串行通信接口（I/O）直接輸出被測溫度值（9位二進制數(shù)，含符號位）。（2）測溫范圍是—55～+125℃。℃，但若采用高分辨力模式，℃。溫度/數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間的典型值為200ms，最大值為500 ms。（3）內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM，扣除8位產(chǎn)品系列號和8位循環(huán)冗余校驗碼CRC之后，產(chǎn)品序號占48位。出廠前就作為DS18B20唯一的產(chǎn)品序號，存入其ROM中，在構(gòu)成大型溫控系統(tǒng)時，允許在單線總線上掛接多片DS18B20。（4）適配各種單片機或系統(tǒng)機。（5）用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限并寫入隨機存儲器RAM中。利用報警搜索命令和尋址功能，可迅速識別出發(fā)生了溫度越限報警的器件。（6）內(nèi)含寄生電源。該器件既可以由單線總線供電，也可選用外部+5V