【導讀】調(diào)節(jié)，因此需要一種合適的系統(tǒng)對其溫度進行精確控制。由于單片機具有低功耗、高性。自動控制技術(shù)尤其是溫度控制技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。本文將針對一種溫度控制方式進行學習，并設(shè)計一個以AT89S52單片。控制系統(tǒng)，同時還闡述了直接數(shù)字控制控制算法。模塊的設(shè)計思想和流程圖。溫度采集控制系統(tǒng)不但能夠準確地進行溫度數(shù)據(jù)的采樣轉(zhuǎn)。泛使用的液晶顯示器作為輸出設(shè)備，使數(shù)據(jù)讀取更加直觀。現(xiàn)場仿真表明，該系統(tǒng)在測。試過程中工作穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。本設(shè)計采用以8位AT89S52單片機作為系統(tǒng)的CPU。使用電加熱器升溫，配合鍵。盤輸入，液晶顯示器顯示。具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、人機界面友善、管理功能健全、系統(tǒng)可?？啃愿?、記錄數(shù)據(jù)準確、使用維護方便等優(yōu)點。

　　

【正文】 單片機的最小應(yīng)用系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)包括晶振電路和復位電路。最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計是單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。 AT89S52 的復位輸入引腳 RST 為單片機提供了初始化的手段，可以使程序從指定處開始執(zhí)行，在 AT89S52 的時鐘電路工作后，只要 RST 引腳上出現(xiàn)超過兩個機器周期以上的高電平時，即可產(chǎn)生復位的操作，只要 RST 保持高電平，則 AT89S52 循環(huán)復位，只有當 RST 由高電平變成低電平以后， AT89S52 才從 0000H 地址開始執(zhí)行 程序，本系統(tǒng)采用上電加按鍵復位 方式的復位電路。當振蕩頻率選用 12MHZ 時，下圖 31 中的電解電容 C3 取 10181。F， R1 取 左右， R2 取 10K。 圖 31單片機復位與時鐘電路 時鐘電路是用來產(chǎn)生 AT89S52 單片機工作時所必須的時鐘信號， AT89S52 本身就河南理工大學畢業(yè)設(shè)計論文 21 是一個復雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現(xiàn)， AT89S52 在唯一的時鐘信號的控制下嚴格的按時序執(zhí)行指令進行工作，時鐘的頻率影響單片機的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘由于兩種形式：內(nèi)部時鐘和外部時鐘。 我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號。 AT89S52 內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為 XTAL1 和 XTAL2，它們跨接在晶體振蕩器和用于微調(diào)的電容，便構(gòu)成了一個自激勵振蕩器 [18]。 電路中的 C C2 的選擇在 33pF，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率為在 12MHZ，頻率越高單片機的速度就越快，但對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的 NPO 電容， NPO 是一種最常用的具有溫度補償特性的單片陶瓷電容器 。 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，（例如典型的模擬集成溫度傳感器 AD590 的精度僅為 ℃）并且因為采用了 A/D 轉(zhuǎn)換器使電路過于復雜?；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 32 所示 。 圖 32 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，所對應(yīng)的溫度分辨力高達 ℃。溫度 /數(shù)字轉(zhuǎn)換時間的典型值為 。 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計論文 22 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（標稱值可取 KΩ或 KΩ）。當單線總線上掛有多個從屬器件時，也稱之為多點總 線 [19]。 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 480181。s 時，總線上所有的器件均被復位。在主 CPU 發(fā)出復位脈沖后，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。 升溫驅(qū)動控制系統(tǒng) 本系統(tǒng)使用 DDC 控制技術(shù)也就是直接數(shù)字控制系統(tǒng)。 DDC 控制 是 是計算機用于工業(yè)控制最普遍的一種方式。計算機通過輸入通道對參數(shù)進行巡回檢測，并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，然后發(fā)出控制信號，通過輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)。 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 34 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 [21]。 T/ ℃ t/s 圖 34 DDC控制下的現(xiàn)場溫度曲線 升溫控制系統(tǒng)使用固態(tài)繼電器來進行控制。固態(tài)繼電器采用低電壓輸 入方式，一般為 DC 3～ 10V。本設(shè)計采用直流 +5V輸入方式。固態(tài)繼電器內(nèi)部有光電隔離，這樣控制部分與大功率部分實現(xiàn)隔離，可抑制干擾。輸出接交流 220V電源，加熱 4000W 的電熱絲。本設(shè)計實現(xiàn)以弱電控強電。 系統(tǒng)可通過鍵盤對溫 度 進行預設(shè)，單片機根據(jù)當前溫度河南理工大學畢業(yè)設(shè)計論文 23 和預設(shè)溫度進行 比較 ，控制 固態(tài)繼電器 的導通和關(guān)斷來調(diào)節(jié)電熱絲的加熱功率，從而使溫 度 迅速達到預設(shè)值并保持恒定不變 。 當 口輸出一個高電平時，固態(tài)繼電器導通工作，進行加熱升溫工作。如圖 35所示。 圖 35 驅(qū)動控制電路圖 在程序設(shè)計中用 控制 送出脈沖 信號 。 為 “1”時，輸出 5V； 為 “0”時，輸出 0V。 鍵盤顯示系統(tǒng) 本系統(tǒng)的用戶界面利用人機工程學原理，運用系統(tǒng)科學理論和系統(tǒng)科學方法進行設(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)啟動時，液晶顯示器的時間顯示為 “ 00—00—00”，當前溫度顯示為當前的環(huán)境溫度值，用戶設(shè)定的上、下限溫度默認為 30℃ 和 10℃ 。表示系統(tǒng)已經(jīng)正常啟動，可以工作。 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 [23]。系統(tǒng)的連接圖如圖 36 和 37 所示。 本設(shè)計由 89S52 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。 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計論文 24 圖 36 鍵盤輸入模塊電路圖 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計論文 25 圖 37 鍵盤顯示系統(tǒng)電路圖 報警系 統(tǒng) 報警系統(tǒng)由聲報警和光報警組成。本次設(shè)計聲報警采用蜂鳴器報警。蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛運用于各種電子產(chǎn)品的一種元器件，它用于提示、報警、音樂等許多運用場合。 蜂鳴器與家用電氣上的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作電流比較大，電路上的 TTL 電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以，即此一個管腳很難驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音 ,所以增加了一個三極管來增加通過蜂鳴器的電流。 用單片機控制 產(chǎn)生一定頻率的方波就可以實現(xiàn)聲報警模塊的發(fā)聲。聲報警電路圖如圖 38 所示。 圖 38 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)的功能是在有溫度上下限工作模式下時，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。在恒溫工作模式下，保持恒久熄滅狀態(tài)。光報警電路圖如圖 39所示 。 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計論文 26 圖 39 光報警電路圖 系統(tǒng)電源模塊 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。 無論是 AT89S52 單片機 的 工作電源 ，還是 二極管 、 數(shù)碼管的 驅(qū)動，都要用到 +5V的直流電源，所以一個穩(wěn)定的、持續(xù)的 +5V直流電源對本系統(tǒng)十分重要。 由于沒有直接的 +5V電壓，而直流電源的輸入電壓為 220V 的電網(wǎng)電壓，在正常情況下，這一電網(wǎng)電壓遠遠高于本設(shè)計所需的電壓值，因而需要先使用變壓器，將 220V的電網(wǎng)電壓降低后，再進行下一階段的處理。變壓器是這一電源電路的起始部分，將 220V的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楸驹O(shè)計所需的較低的電壓，就可以進行下一階段的整流部分。 本設(shè)計運用橋式整流電路， 就是將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為所需直流電壓 ，為各部分電路提供恒定的 +5V直流。 從接口 J1 輸入的 220V左右的交流電壓，經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為 15V左右的電壓，再經(jīng)全波整流電橋 BR1 整流后，得到一幅值為 0～ 8V 左右的波動直流。這一波動的直流經(jīng) C1 C12 濾波后，得到一較平穩(wěn)的直流，再經(jīng) 三端穩(wěn)壓器 LM7805穩(wěn)壓為 +5V， C10 再次濾波后，得到穩(wěn)定的 +5V 直流電流，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓 ，保證電路的穩(wěn)定性和抗干擾性， 如 圖 310 所示。 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計論文 27 圖 310 電源系統(tǒng)電路圖 本章小結(jié) 本章分別論述介紹了單片機最小系統(tǒng)， DS18B20 溫度采集模塊，升溫控制驅(qū)動模塊，LCD1602 顯示模塊，鍵盤接口電路，聲光報警模 塊及電源系統(tǒng)硬件接口電路的設(shè)計。這樣根據(jù)各個模塊所要完成的功能分別去設(shè)計，使設(shè)計工作更加細化，更加系統(tǒng)。各個模塊聯(lián)接起來，就構(gòu)成了整個硬件設(shè)計。 本章完成了所有硬件的設(shè)計，為以后的硬件和軟件的聯(lián)合仿真作準備。 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計論文 28 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計 軟件總體設(shè)計 軟件設(shè)計是為了滿足系統(tǒng)功能的需要。其總體流程圖如 圖 41所示。 圖 41 軟件總體流程圖 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用了模塊化設(shè)計方法，對每一個功能編寫了一個或幾個功能函數(shù)，表 41說明 了功能所對應(yīng)的函數(shù)。 讀取并顯示溫度值 判斷溫度是否過限 設(shè)定溫度上下限 發(fā)光二極管亮并報警 啟動控制設(shè)備 開始 顯示溫度 系統(tǒng)初始化 Y N 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計論文 29 表 41 本設(shè)計各項功能函數(shù)表 功能 函數(shù) 主函數(shù) void main(void) 聲音警報、提示音 void sound(short) LED 燈報警 void led(void) 用戶數(shù)據(jù)輸入 void in8051(short *p) 延時 void delay(int) 液晶 顯示 void display(short,short) 采樣轉(zhuǎn)換溫度 Short ds18b20(void) 設(shè)定系統(tǒng)工作模式，系統(tǒng)初始化 short getmode(void) A 模式下的溫度控制 void control(short,short) 系統(tǒng)初始化函數(shù) 系統(tǒng)初始化函數(shù)主要完成系統(tǒng)的初始化和設(shè)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。它的工作步驟是： （ 1）系統(tǒng)啟動時，液晶顯示器的時間顯示為 “ 00—00—00”，當前溫度顯示為當前的環(huán)境溫度值，用戶設(shè)定的上、下限溫度默認為 30℃和 10℃。表示系統(tǒng)已經(jīng)正常啟動，可以工作。 （ 2）等待用戶設(shè)定工作模式。用戶可通過第一個鍵選擇設(shè)定時間，然后配合使用第三個鍵（加 1）和第四個鍵（減 1）對進行時間設(shè)定；也可通過第二個鍵選擇設(shè)定上、下限溫度，然后 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。當設(shè)定的上、下限溫度為同一值時進入恒溫工作模式，當設(shè)定的上、下限溫度為不同 值時進入有溫度范圍的工作模式。 系統(tǒng)初始化程序的流程圖如下圖 42 所示。 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計論文 30 圖 42 系統(tǒng)初始化程序流程圖 控制函數(shù) 圖 43 控制程序流程圖 N Y Y Y N N 調(diào)用 顯示 000000 等信息 HL=LT? 進入 1模式 調(diào)用 進入 2模式 調(diào)用顯示 等信息進入 模式調(diào)用進入 模式調(diào)用顯示 等信息進入 模式調(diào)用進入 模式調(diào)用顯示 等信息進入 模式調(diào)用進入 模式調(diào)用 T上限？ T下限？ 停止降溫 調(diào)用 降溫 升溫 調(diào)用上限？升溫河南理工大學畢業(yè)設(shè)計論文 31 控制程序的流程圖如圖 43 所示。 控制函數(shù)是決定系統(tǒng)將要進行什 么工作的。如溫度高于上限時需要降溫，低于下限時需要升溫，溫度過高時啟動報警等等。在系統(tǒng)的有控溫范圍的模式下專有一個控制函數(shù)，名為 void control(short i,short j)。實際上主函數(shù)也算的上一個控制函數(shù)，恒溫模式的控制方式和 control()