【文章內(nèi)容簡介】 下無效。 K. PSEN: 外部程序存儲器選通信號（ PSEN）是外部程序存儲器選通信號。 當 AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時， PSEN在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， PSEN將不被激活。 L. EA/VPP: 訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從 0000H到 FFFFH的外部程序存儲器讀取指令， EA必須接 GND。 基于單片機的電加熱恒溫控制器的設計 8 為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA應該接 VCC。 在 flash編程期間， EA也接收 12伏 VPP電壓。 M. XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 N. XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。 總體電路設計 本著簡單實用的原則，最后選擇以下方案： A. 測溫電路選用 DS18B20集成數(shù)字測溫電路。 B. 功率控制電路選用繼電器控制。 C. 控制芯片選用常見的 AT89S52。 D. 顯示方式選用數(shù)碼管顯示。 E. 鍵盤采用 4 3的掃描鍵盤。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 (2021) 9 3．硬件電路的設計 電路總體原理框圖 溫度測量及加熱系統(tǒng)控制的總體結構如圖 31所示。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場溫度采集、實時溫度顯示、加熱控制參數(shù)設置、加熱電路控制輸出、與報警裝置和系統(tǒng)核心 AT89S52單片機作為微處理器。 D S 1 8 B 2 0鍵 盤超 越 報 警L E D 顯 示固 態(tài) 繼 電 器S S R 4 0 D A加 熱 器 A T 8 9 S 5 2 圖 31 系統(tǒng)總體原理框圖 溫度采集電路以數(shù)字量形式將現(xiàn)場溫度傳至單片機。單片機結合現(xiàn)場溫度與用戶設定的目標溫度，按照已經(jīng)編程固化的模糊控制 算法計算出實時控制量。以此控制量控制固態(tài)繼電器開通和關斷，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使水溫逐步穩(wěn)定于用戶設定的目標值。在水溫到達設定的目標溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時，單片機通過采樣回的溫度與設置的目標溫度比較， 做 出相應的控制，開啟加熱器。當用戶需要比實時溫度低的溫度時，此電路可以利用風扇降溫。系統(tǒng)運行過程中的各種狀態(tài)參量均可由數(shù)碼管實時顯示。 系統(tǒng)各功能模塊電路設計 最小系統(tǒng) AT89S52單片機為 40引腳雙列直插芯片 ,有四個 I/O口（ P0、 P P P3）， AT89S52單片 機共有 4個 8位的 I/O口（ P0、 P P P3），每一條 I/O線都能獨立地作為輸出或輸入。 單片機的最小系統(tǒng) 電路原理圖 如圖 32所示， 18引腳和 19引腳接時鐘電路，XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入，基于單片機的電加熱恒溫控制器的設計 10 XTAL2接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出。第9引腳為復位輸入端，接上電容，電阻及開關后能夠形成上電復位電路。 圖 32 最小系統(tǒng) 電路原理圖 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 (2021) 11 溫度采集電路的設計 溫度采集電路模塊如圖 33所 示。 DS18B20內(nèi)部結構主要由 四部分組成： 64位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL、配置寄存器。其中 DQ為數(shù)字信號輸入 /輸出端； GND為電源地； VDD為外接供電電源輸入端。 圖 33 溫度采集電路 原理圖 DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12位轉化為例 :用 16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB形式表達，其中 S為符號位。 這是 12位轉化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲在 DS18B20的兩個 8比特的 RAM中，二進制中的前面 5位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測到 的數(shù)值乘于 ；如果溫度小于 0，這 5位為 1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于 。 鍵盤和顯示的設計 鍵盤采用行列式和外部中斷相結合的方法，圖 34中各按鍵的功能定義如下表 1。其中設置鍵與單片機的 INT0腳相連 ,S0 S YES、 NO用四行三列接單片機 P0 口，REST鍵為硬件復位鍵，與 R、 C構成復位電路。 鍵盤 模塊電路如圖 34所示。 表 31：按鍵功能 按鍵 鍵名 功能 REST 復位鍵 使系統(tǒng)復位 RET 設置鍵 使系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，進入設 置狀態(tài) S0—— S9 數(shù)字鍵 設置用戶需要的溫度 YES 確認鍵 用戶設定目標溫度后進行確認 NO 清除鍵 用戶設定溫度錯誤或按了 YES 鍵后使用 基于單片機的電加熱恒溫控制器的設計 12 圖 34 鍵盤接口電路 原理圖 顯示采用 4位共陽 LED顯示方式 ,顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個位及小數(shù)點后 兩位。用 P2口作為段控碼輸出，并用 74ALS244作驅(qū)動。 — 輸出，用 PNP型三極管做驅(qū)動。模塊電路如圖 35所示。 圖 35 顯示接口電路 原理圖 加熱控制電路的設計 用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施 控制，被控對象為電熱杯， 其功率為400W， 采用對加在電熱杯兩端的電壓進行通斷的方法進行控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而達到對水溫控制的目的。對電爐絲通斷的控制采用 SSR40DA固態(tài)繼電器。它的使用非常簡單，只要在控制端 TTL電平，即可實現(xiàn)對繼電器的開關，使用時完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動。當單片機的 點平時，三極管驅(qū)動固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當單片機的 固態(tài)繼電器關斷，加熱器不工作?？刂齐娐穲D如圖 36所示。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 (2021) 13 圖 36 加熱控制電路 原理圖 報警及指示燈電路的設計 當設定的目標溫度達到時需用聲音的形式提醒用戶，此時蜂鳴器為三聲斷續(xù)的滴答滴答的叫聲。系統(tǒng)中我們設計了越限報警，當溫度低于設置的目標溫度 10度或高于 10度時蜂鳴器為連續(xù)不斷的滴答滴答叫聲。當單片機 ，三極管導通，蜂鳴器工作發(fā)出報警聲。 ，蜂鳴器不工作。 D1為電熱杯加熱指示燈， ； D0為檢測到 DS18B20的指示，高電平有效； D10為降溫指示燈，低電平有效。報警及指示燈電路如圖 37所示。 圖 37 報警 及 指示 燈 電路 原理圖 基于單片機的電加熱恒溫控制器的設計 14 時鐘電路 及外部復位電路 單片機內(nèi)部有一個高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳 ，輸出端為引腳 。而在芯片外部 和 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快，但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的工藝要求也高，所以，這里使用震蕩頻率為 12MHz的石英晶體。震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接是使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)的時鐘信號。在設計電路板時，振蕩器和電容應盡量靠 近單片機，以避免干擾。需要注意的是：電路板時，振蕩器和電容應盡量安裝得與單片機靠近，以減小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作電路圖如圖 38所示 。 圖 38 時鐘電路 原理圖 單片機的復位電路分上電復位和按鍵復位兩種方式。 A. 上電復位： 在加電之后通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。當 Vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖。RST上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長時間，滿足復位操作的要求。 B. 按鍵復位： 程序運行出 錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需按復位鍵以重新啟動。 RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效。按鍵復位又分按鍵脈沖復位（圖 39）和按鍵電平復位。電平復位將復位端通過電阻與 Vcc相連，按鍵脈沖復位是利用 RC分電路產(chǎn)生正脈沖來達到復位的。 C. 注意： 因為按鍵脈沖復位是利用 RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來達到復位的。所以電平復位要將復位端通過電阻與 Vcc相連 .如復位電路中 R、 C的值選擇不當，使復位時間過長，單片機將處于循環(huán)復位狀態(tài)。故本設計采用按鍵復位。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 (2021) 15 圖 39 外部復位電路 原理 圖 電源電路 控制系統(tǒng)主控制部分電源需要用 5V直流電源供電，其電路如圖 310所示，把頻率為 50Hz、有效值為 220V的單相交流電壓轉換為幅值穩(wěn)定的 5V直流電壓。其主要原理是把單相交流電經(jīng) 過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉換成穩(wěn)定的直流 。 由于輸入電壓為電網(wǎng)電壓，一般情況下所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而電源變壓器的作用顯現(xiàn)出來起到降壓作用。降壓后還是交流電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉換成直流電壓。由于經(jīng)整流電路整流后的電壓含有較大的交流分量，會影響到負載電路的 正常工作。需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動和負載電阻變化的影響，從而獲得穩(wěn)定性足夠高的直流電壓。電路使用集成穩(wěn)壓芯片 LM7805解決了電源穩(wěn)壓問題。 基于單片機的電加熱恒溫控制器的設計 16 圖 310 電源部分連線 原理 圖 原理圖 的設計 A. 使用 Protel進行電路板設計原理圖， 步驟如圖 311所示 。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 (2021) 17 開 始添 加 元 件 庫 Add/Remove Library調(diào) 出 元 件 FindPlace元 件 布 局連 線設 置 元 件 屬 性結 束新 建 原 理 圖 NewSCH存 盤 Save 圖 311 protel 設計的流程圖 B. 在完成原理圖的基礎上生成 PCB，其步驟如圖 312所示 。 基于單片機的電加熱恒溫控制器的設計 18 開 始結 束規(guī) 劃 電 路 板添 加 元 件 庫Add/Remove更 新 PCB元 件 布 局走 線設 置 絲 印 字新 建 印 制 板圖 NewPCB存 盤 Save 圖 312 制作 PCB 板的流程 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 (2021) 19 4． 軟件系統(tǒng)的設計 系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、 溫度采集模塊 、 鍵盤模塊 、 顯示 模塊 、 中斷模塊 和運算控制模塊。 . 主程序模塊 主程序主要完成加熱控制系統(tǒng)各部件的初始化和實現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用，以及實際測量中各個功能模塊的協(xié)調(diào)在無外部中斷申請時，單片機通過循環(huán)對外部溫度進行實時顯示。把設置鍵作為外部中斷 0，以便能對數(shù)字按鍵進行相應處理。主程序流程圖如圖 41所示。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化讀 取 溫 度溫 度 顯 示調(diào) 比 較 程 序是 否 有 鍵 按 下 ？ 按 鍵 處 理報 警越 限 ？繼 電 器 控 制YYNN 圖 41 主程序流程圖 . 溫度采集模塊 溫度測量通過 DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量將測得量轉換為數(shù)字量接入AT89S52單片機中。在通過與控制溫度比較對固態(tài)繼電器進行控制。 溫度采集 流程圖如圖 42所示 。 基于單片機的電加熱恒溫控制器的設計 20 開 始DS18B20初 始 化跳 過 ROM溫 度 轉 換 指 令延 時 等 待DS18B20初 始 化匹 配 ROM讀 出 溫 度 指 令讀 出 溫 度 值結 束 圖 42 溫度采集 流程圖 鍵盤模塊 系統(tǒng)設置了 14鍵的鍵盤用于實現(xiàn)人機交換。用戶可以通過鍵盤直接設置和查詢考勤機的相關參數(shù)。 14個按鍵分為 4排，在 P1口高 4位和低 4位的邏輯控制下輪流掃描。對應代表 0～ 9 十個數(shù)字鍵及“ Set”等 4個功能鍵。 鍵盤掃描流程圖如圖 43所示 。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 (2021) 21 開始返回鍵盤掃描建立有效標志計算鍵值建立無效標志掃描鍵盤延時去鍵抖動有鍵閉合？找到閉合鍵？閉合鍵釋放？NYYYNN 圖 43 鍵盤掃描流程圖 顯示模塊 4位 LED數(shù)碼管顯示 ，采用的是動態(tài)掃描，其中不同位顯示時間間隔可以通過調(diào)整延時程序的延時長短來完成。數(shù)碼管顯示的時間間隔也能確定數(shù)碼管顯示時的亮度，若顯示的時間間隔長，顯示時數(shù)碼管的亮度將亮些。若顯示時間間隔過長的話，數(shù)碼管顯示時將產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。所以，在調(diào)顯示時間間隔時要考慮到數(shù)碼管的亮度和不產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象， 其流程圖如圖 44所 示 。 基于單片機的電加熱恒溫控制器的設計 22 開 始置 七 段 碼 首 地 址調(diào) 延 時 1 u s 子 程 序?qū)?七 段 碼 送顯 示 端 口送 位 掃 描 信 號四 個 端 口 的 數(shù) 據(jù)全 送 完 否 ？四 位 掃 描 完 否 ？置 下 一 組 七 段碼 起 始 位 置YNYN 圖