【正文】 在這四年的求學(xué) 生涯中師長、親友給與了我大力支持，在這個翠綠的季節(jié)我將邁開腳步走向遠(yuǎn)方，懷念，思索，長長的問號一個個在求學(xué)的路途中被知識的舉手擊碎，而人生的思考才剛剛開始。學(xué)習(xí)并使用單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計，將為我們電子工作者打開一扇通往電子設(shè)計新出路的大門。而由于競爭越來越激烈，現(xiàn)在企業(yè)發(fā)展的趨勢是如何最有效的提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。特別是沿海地區(qū)的玩 具廠等生產(chǎn)產(chǎn)品多數(shù)用 到單片機(jī)，并不斷地輻射向內(nèi)地。以前沒有單 片機(jī)時，這些東西也能做，但是只能使用復(fù)雜的模擬電路，然而這樣做出來的產(chǎn)品不僅體積大，而且成本高，并且由于長期使用， 元器件不斷老化，控制的精度自然也會達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。無論從專業(yè) 知識、動手能力，還是毅志品質(zhì)，都使我受益非淺。而本次設(shè)計主要是完成兩方面工作，軟件程序設(shè)計和硬件電路板設(shè)計。軟件算法采用設(shè)定值和測量值相比較的算法。 結(jié)論分析 通過對系統(tǒng)硬件的調(diào)試，進(jìn)一步理解了水溫控制系統(tǒng)的原理，同時也發(fā)現(xiàn)了問題，原設(shè)計電路缺乏對水溫的實時控制，因此后加入 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元，采用實時控制 的方法，在主機(jī) AT89C51 的 口輸出溫度控制信號，由光電耦合器 MOC3041 和可控硅 SCR 組成。 3．綜合調(diào)試 在完成了各個模塊程序（或各個任務(wù)程序）的 調(diào)試工作以后，便可進(jìn)行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。計算程序的修改視錯誤性質(zhì)而定。 軟件調(diào)試方法 軟件調(diào)試所使用的方法有：計算程序的調(diào)試方法、 I/O 處理程序的調(diào)試法、綜合調(diào)試法等。 解決方法：修改中斷控制寄存器（ IE， IP）的初值設(shè)置。在采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)時，錯誤可能在操作系統(tǒng)中，沒有完成正確的任務(wù)調(diào)度操作，也可能在高優(yōu)先級任務(wù)程序中，該任務(wù)不釋放處理器，使 CPU 在該任務(wù)中死循環(huán)。 2．聯(lián)仿真器在線調(diào)試 測試 RAM 存儲器：用仿真器寫命令將一批數(shù)據(jù)寫入樣機(jī)中擴(kuò)展的 RAM，然后用讀命令讀出其內(nèi)容，若對任意單元讀出和寫入內(nèi)容一致，則擴(kuò)展 RAM和單片機(jī)的連接沒有邏輯錯誤。 1．靜態(tài)測試 在樣機(jī)加電之前，首先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電器原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查樣機(jī)線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。電源的故障包括：電壓值不符和設(shè)計要求，電源引出線和插座不對應(yīng)，各檔電源之間的短路，變壓器功率不足，內(nèi)阻大，負(fù)載能力差等。 解決方法：在畫原理圖時仔細(xì)檢查、校正即可解決。 圖 44 顯示流程圖 本章節(jié)主要講的是單片機(jī)溫度系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分的主要的流程圖，這也是系統(tǒng)程序設(shè)計的基本設(shè)計思路，通過依照四部分的流程圖進(jìn)行設(shè)計，已達(dá)到對系統(tǒng)完整的運(yùn)行，對溫度的顯示、監(jiān)控和控制。主要是通過人為的對外部按鍵的控制來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對溫度的手動和自動控制。 圖 34 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元 第 4章 軟件設(shè)計 26 第 4 章 軟件設(shè)計 主程序流程圖 系統(tǒng)的軟件部分由主程序流程圖、中斷子程序流程圖、按鍵流程圖和顯示流程圖四部分組成。圖 33則為溫度控制系統(tǒng)的單片機(jī)顯示部分。時間到達(dá)后將計數(shù)器復(fù)位并將積分器輸入連接到反極性 (負(fù) )參考電壓。 第 3章電路設(shè)計 24 積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器稱雙斜率或多斜率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，是應(yīng)用最為廣泛的轉(zhuǎn)換器類型。 3．量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn) 換成離散時間、離散幅度的數(shù)字信號，量化的主要問題就是量化誤差。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，對于采樣信號 x(t)，如果采樣頻率 fs 大于或等于 2fmax(fmax 為 x(t)最高頻率成分 )，則可以無失真地重建恢復(fù)原始信號 x(t)。與之相應(yīng)的是，作為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)之間橋梁的模數(shù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用日趨廣泛。 6．價格適宜，適合于批量生產(chǎn)。 2．對溫度的變化有較好的一一對應(yīng)關(guān)系，即對除溫度外其他物理量的變化不敏感。其中，將溫度轉(zhuǎn)化為電量的溫度電壓轉(zhuǎn)換由溫度傳感器 熱敏電阻實現(xiàn)，小信號放大由橋式放大電路實 第 3章電路設(shè)計 22 現(xiàn)， A/D 轉(zhuǎn)換選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809，將采集到的溫度模擬信號轉(zhuǎn)換為AT89C51 能夠處理的二進(jìn)制數(shù)字信號。 第 3章電路設(shè)計 21 第 3 章 電 路設(shè)計 本設(shè)計采用按鍵作為輸入控制，通過溫度多采樣單元采集溫度信息，經(jīng)過 LM324 放大器放大及 ADC0809 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換，由主機(jī) AT89C51 進(jìn)行處理并 將實際溫度值和設(shè)定溫度值分別顯示在共陽極數(shù)碼顯示管 LED 上。 5．每片 DS18S20 具有唯一的 64 位序列碼，這些碼允許多片 DS18S20 在同一條 1Wire 總線上工作，因而，可方便地使用單個微處理器控制分布在大范圍內(nèi)的多片 DS18S20 器件。C 至 +85176。同時，在使用過程中，它不需要任何的外圍的元件，全部的傳感元件和轉(zhuǎn)換電路集成在形狀如一只三極管的集成電路內(nèi)。 DS18S20 數(shù)字溫度計的主要特性： 1． DS18S20 的適應(yīng)電壓范圍 更寬，其范圍為： ，而且它能夠直接由數(shù)據(jù)線獲取電源 (寄生電源 )，無需外部工作電源。 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 20 數(shù)字溫度計 DS18S20 在傳統(tǒng)的模擬信號遠(yuǎn)距離的溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問題、多點切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術(shù)。同樣，共陽極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽極接在一起，通常此共陽極接正電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應(yīng)的段被顯示。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)亮，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符，常用的 LED 數(shù)碼管有 7 段和 “米 ”字段之分。 數(shù)碼顯示管 LED 圖 27 數(shù)碼顯示管 LED 引腳圖 LED 顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機(jī)的應(yīng)用上也是被廣泛運(yùn)用的。 移位寄存器 74LS164 移位寄存器 74LS164 的引腳如圖 26 所示： 圖 26 移位寄存器 74LS164 引腳圖 74LS164 為串行輸入、并行輸出移位寄存器，其引腳功能如下： A、 B —— 串行輸入端； Q0～ Q7 —— 并行輸出端； MR —— 清除端，低電平有效； CLK —— 時鐘脈沖輸入端，上升沿有效。因此，集成運(yùn)放的反相輸入端為 “虛地 ”點，它的共模輸入電壓可視為零，對運(yùn)放的共模抑制要求低；比例電路的輸入電阻小，可視為 llrR? ，因此對輸入電流有 一定要求；輸出電阻 0r 視為零，在適應(yīng)不同大小負(fù)載的能力較強(qiáng)。 運(yùn)算放大器 LM324 的引腳圖如圖 23： 圖 23 運(yùn)算放大器 LM324 的引腳圖 由于本次設(shè)計中采集電路所采集到的信號值與我們所預(yù)期的結(jié)果有時會有很大的差距，因此信號值要被真實地反映出來，須采用放大電路進(jìn)一步處理。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它 們有一些顯著優(yōu)點。 10． EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。 6． REF（ ）：參考電壓負(fù)端。 2． IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入引腳。 ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 是位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成 A/D 轉(zhuǎn)換的。串行口中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種。 （ 2） 定時器溢出中斷源 定時器溢出中斷由 AT89C51 內(nèi)部定時器分的中斷源產(chǎn)生 ,故它們屬于內(nèi)部中斷。 AT89C51 究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式 ,可由用戶對定時器控制寄存器 TCON 中 IT0 和 IT1 位狀態(tài)的設(shè)定來選取。 5 個中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器 IP 和順序查詢邏輯電路共同決定， 5 個中斷源分別對應(yīng) 5 個固定的中斷入口地址。 5．中斷系統(tǒng) 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 13 中斷系統(tǒng)是單片機(jī)的重要組成部分。AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯 ，支持兩種軟件可選的掉電模式。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。計數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有特別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時間在一個機(jī)器周期以上。如果單片機(jī)系統(tǒng)采用 12MHz 晶振，則計數(shù)周期為 : sT ?112/1*10*12 16 ?? (21) 這是最短的定時周期，適當(dāng)選擇定時器的初值可獲取各種定時時間。在單片機(jī)中，定時功能和計數(shù)功能的設(shè)定和控制都是通過軟件來進(jìn)行的。 2．定時器 /計數(shù)器 定時器 /計數(shù)器（ timer/counter）是單片機(jī)中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)和簡化外圍電路都大有好處。 AT89C51 系列單片機(jī)的功能單元 1．并行 I/O 接口： 單片機(jī)芯片內(nèi)有一項主要功能就是并行 I/O 口。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 11 注意：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。 當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。 輸入、輸出： ALE/PROG——地址鎖存允許信號，輸出。 EA/Vpp——片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。 6． 數(shù)據(jù)存儲器選通 ——WR 低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。 4．中斷 ——INT0 外部中斷 0，輸入。在提供這些功能時，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置 1。在編程 /校驗期間，接收高位字節(jié)地 址。對于 80C51， ——T2，是定時器的計數(shù)端且位輸入； ——T2EX，是定時器的外部輸入端。 P0 口（作為總線時）能驅(qū)動 8 個 LSTTL 負(fù)載。另外，該引腳被略微拉高。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。只有 VCC 電壓恢復(fù)到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復(fù)位、掉電模式可被終止。間歇模式是由軟件來設(shè)置的 , 當(dāng)外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時 , CPU 可根據(jù)工作情況適時地進(jìn)入睡眠狀態(tài) , 內(nèi)部 RAM 和所有特殊的寄存器值將保持不變。 AT89C51 芯片提供三級程序存儲器鎖定加密， 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 8 提供了方便靈活而可靠的硬加密手段 , 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。它與 MCS51 系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒有的功能。 AT89C51 系列單片機(jī)介紹 AT89C51 系列基本組成及特性 AT89C51 是一種帶 4k 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。新一代的 80C51 系列單片機(jī)除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點是向外部接口電路擴(kuò)展，以實現(xiàn)微控制器（ microcontroller）完善的控制功能為己任。 1987 年 Intel 公司又宣布了性能比 8096 高兩倍的 CMOS 型 80C196， 1988年推出帶 EPROM 的 87C196 單片機(jī)。 1978 年下半年 Motorola 公司推出 M6800 系列單片機(jī)， Zilog 公司相繼推出 Z8 單片機(jī)系列。 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 6 第 2 章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 本設(shè)計系統(tǒng)的 基本組成單元包括：主機(jī)、 溫度采樣單元、單片機(jī)控制單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元四部分，本章將逐一進(jìn)行介紹。 結(jié)論：前兩種方案是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。 3． 方案三（見圖 13） 圖 13 方案三的圖 第 1章 緒 論 5 此方案采用 89C51 單片機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)。其特點是電路簡單，易于實現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)差大、不穩(wěn)定 。 課題的研究方案 溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。 2．用單片機(jī)實現(xiàn)其具體控制功能如下： （ 1）能夠連續(xù)測量水的溫度值，用十進(jìn)制數(shù)碼管來顯示水的實際溫度。從 DS18S20 讀出或?qū)懭?DS18S20 信息僅需要一根口線，其讀寫及其溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身 也可以向 第 1章 緒 論 3 所掛接的 DS18S20 供電，而且不需要額外電源。水箱水溫控制部分，提出了用 DS18S AT89C51 單片機(jī)及 LED 的硬件電路完成對水溫的實時檢測及顯示，利用 DS18S20 與單片機(jī)連接由軟件與硬件電路配合來實現(xiàn)對加熱電阻絲的實時控制及超出設(shè)定的上下限溫度的報警系統(tǒng)。 因為 經(jīng)過我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)許多應(yīng)用場合原來就有測溫控溫儀器，只是隨著對生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)需要的要求在不斷地提高，以往的那些測溫控溫的儀器根本不能滿足現(xiàn)在的要求。但溫度是一個模擬量，如果采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量雖不困難，但電路較