【文章內(nèi)容簡介】 是一個 8位漏極開路型雙向 I/O 接口，作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動 8個 TTL 輸入，在對端口寫 1時，又可作高阻抗輸入端用。 在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址（低 8位） /數(shù)據(jù)總線 ，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在 FLASH 編程時， P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。 P1端口： P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 端口。 P2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4個輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，哪些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在對 FLASH 編程和程序校驗時， P1接收低 8位地址。 P2端口： P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 端口。 P2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4個 TTL 輸入。對端口寫 1時，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，因為有內(nèi)部的上拉電阻，哪些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 XV 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， 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，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），在整個訪問期間不會改變。 在對 FLASH 編程和程序檢驗期間， P2也接受高位地址和一些控制信號。 P3端口： P3是一個帶內(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 TTL 輸入。對端口寫 1時，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，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。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)與感溫元件達到熱平衡時，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。 由單片機組成的溫度測控系統(tǒng) ,通過在單片機外部添加各種接口電路，可構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，用以實現(xiàn)對溫度控制對象的溫度的顯示和控制。同時也能根據(jù)實際情況實現(xiàn)多路巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、報警及記錄 ,對各個參數(shù)以一定的周期進行檢查和測量 ,檢測的結(jié)果經(jīng)計算機處理后再進行顯示、打印和報警 ,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)計方案 本論文所討論的基于單片機的溫度控制系統(tǒng)是某型號氣相色譜儀的溫度控制子系 XVI 統(tǒng)，其目的是對兩個溫控箱的溫度進行恒值溫度控制。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時的顯示出來； 具有加熱保護功能的安全性要求。如果實際測得的溫控箱溫度值超過了系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護電路就會做出反應(yīng)，從而對溫控箱實現(xiàn)超溫保護 。 模塊化設(shè)計，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兩種形式。模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運算放大器、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)點是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制。根據(jù)計算機控制理論可知，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相對緩慢的過程，對溫控系統(tǒng)的實時性要求不是很高，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)系來實現(xiàn)控制算法，很難實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。 單片機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計算機。它是把中央處理單元、隨機存取存儲器、只讀存儲器、定時計數(shù)器以及輸入輸出接口電路等主要計算機部件都集成在一塊集成電路芯片 上的微型計算機，它的特點是功能強大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。由此可見，采用單片機設(shè)計控制系統(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 XVII 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)用到先進的控制儀表中。芯片通常含有一個微處理器核，同時，它還含有多個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，而且還使整個系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡化。 從實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，是實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場上的價格還比較昂貴，并且的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實驗電路板的搭建。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟實用的。 XVIII 第二章 硬件設(shè)計 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部分： 單片機主控模塊、 輸入通道、輸出通道、保護電路、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)以單片機為核心，并擴展外部存儲器構(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)定的溫度值進行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用控制算法進行運算，最后通過控制繼電器（即控 制溫控箱加熱平均功率的大?。?，進而達到對被測物體溫度進行控制的目的。如果實際測得的溫度值超過或低于系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護電路會做出反應(yīng)同時報警電路報警提示，從而保護被測物體。 單片機快速、準(zhǔn)確的進行溫度采集、數(shù)據(jù)處理、顯示和控制主要是時鐘電路提供的時鐘頻率，使單片機正常的協(xié)調(diào)處理各項任務(wù)。各個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行設(shè)定，使被測物體在正常的溫度范圍下工作。 XIX 硬件電路設(shè)計設(shè)計 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電路。各個模塊電路通過主機電路控制，協(xié)調(diào)一致的進行工作。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 主機電路的設(shè)計 主機選用 INTEL 公司的 MCS51 系列單片機 89C51 來實現(xiàn)，利用單片機軟件編程靈活、自由度大的特點，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芯片時時 鐘可達 12MHZ，運算速度快，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 不需要外擴展存儲器，也有數(shù)據(jù)通信接口，通過 TXD、 RXD 與PC 機連接，可以進行人機操作，使得操作更加簡單、方便。 具有五個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級，兩個外部中斷、兩個定時中斷還用一個通信中斷，可以對溫度檢測進行實時處理和分時操作，這樣就可以對被測物體溫度監(jiān)測更加準(zhǔn)確、延時性更小，同時也可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單實用。 如圖 所示：單片機和時鐘電路、復(fù)位電路以及電源電路構(gòu)成了單片機的最小系統(tǒng)，即溫度控制系統(tǒng)的主 機電路。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。其中單片機的 I/O 口，即 P0、 P P2 和 P3 用來接相應(yīng)的顯示設(shè)備，鍵盤輸入以及繼電器等。 XX 圖 主機電路示意圖 I/O 通道的硬件電路的設(shè)計 就本系統(tǒng)來說，需要實時溫度傳感器 DS18B20采集水溫數(shù)據(jù)，送入單片機中的特定單元，然后一部分送去顯示；另一部分與設(shè)定值進行比較，通過 PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機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 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)與單片機的 I／ O 連接， 是單片機的高位地址線。 P3端口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O，每個端口都有第二功能，其輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或 輸出電流 )4 個 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，此時可作為輸入口使用，這是因為內(nèi)部存在上拉電阻，某一引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 如圖 所示：溫度傳感器 DS18B20 與單片機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)時鐘線接單片機的 I/O,數(shù)據(jù)時鐘線必須接一個上拉電阻， XXI 防止數(shù)據(jù)、時鐘高阻懸掛，就會得不到準(zhǔn)確的溫度數(shù)字信號。 圖 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 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)實現(xiàn)對水溫的控制。為了實現(xiàn)強電和弱電的隔離，要選擇光電耦合器，使 輸出信號要對繼電器進行通斷控制，以便使電爐或風(fēng)扇電路導(dǎo)通，此外，當(dāng)實際溫度不在設(shè)定的范圍內(nèi)，報警電路將實時報警并作出相相應(yīng)的處理如（報警信號傳到單片機或人，單片機或人就會執(zhí)行相應(yīng)的操作），當(dāng)實際溫度低于設(shè)定的溫度時相應(yīng)黃色發(fā)光二極管點亮并且加熱器啟動升溫；高于設(shè)定的溫度時對應(yīng)紅色二極管亮并且制冷器啟動降溫。 如圖 ：繼電器的通斷通過單片機的 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。 圖 溫度控制電路圖 XXII 如圖 ：報警電路也是由單片機的 I/O控制，當(dāng)實 際溫度不在設(shè)定的范圍單片機就會執(zhí)行相應(yīng)的指令，進行實時報警，提示溫度超過或低于設(shè)定的溫度，以便及時作出處理。 圖 報警電路圖 鍵盤設(shè)計 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關(guān)矩陣，它具有最簡單的單片機輸入設(shè)備， 通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人機對話。鍵盤上閉合建的識別是由專 用硬件實現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實現(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，低電平有效。鍵盤還分為矩陣鍵盤和獨立鍵盤，使用矩陣鍵盤能大量的節(jié)約單片機的 I/O資源，方便快捷。獨立鍵盤雖然占 用了 I/O資源，但是運用靈活，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 如圖 ：矩陣鍵盤與單片機的 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，實現(xiàn)簡單的人機對話，鍵盤的 XXIII 輸入值被單片機讀入并通過中央處理器處理，送到顯示模塊進行顯示 。 圖 鍵盤電路圖 如圖 所示按鍵 KEY KEY11 分別與 （ INTO）、 （ INT1）相連，采用外部中斷方式，對溫度設(shè)定實時處理。 圖 獨立鍵盤電路圖 顯示電路設(shè)計 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