【正文】 通過本次畢。對于 基于單片機的溫度 控制系統(tǒng)，有著很多獨特的優(yōu)越性：它 投資少、易維護、編程簡單、節(jié)約電能、可 靠性高，完全可以替代傳統(tǒng)成本高、效率低的控制器件， 正是這些優(yōu)越性為我們更好的研究、更好的創(chuàng)造提供了強大的動力 。 XLI 結(jié) 論 畢業(yè)設計是?？茖W習階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會，通過這次比較全面的基于 51系列單片機的溫度 控制系統(tǒng)的設計，我擺脫了以往單純的理論知識學習狀態(tài)，鍛煉了自己運用專業(yè)基礎知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了自己查閱文獻資料、設計手冊以及運用電腦進行輔助設計等各方面的能力。復位要求主 CPU將數(shù)據(jù)線下拉 500 微秒，然后釋放， DS18B20 收到 信號后等待 16～ 60微秒左右，后發(fā)出 60～ 240 微秒的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號表示復位成功。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。 在本系統(tǒng)設計中，采用了數(shù)字濾波的軟件抗干擾措施，所采用的數(shù)字濾波算法是去極值平均濾波法。附錄中給出了延時程序的源程序，同時延時程序還作為通用功能模塊被其他模塊調(diào)用 。另一種是用軟件延時的方法來解決，即利用軟件的延時避開按鍵的按下與抬起時都有的抖動期，從而避免檢測到干擾信號。其特點之一就是它的抖動性，這是由按鍵的機械特性所決定的，抖動的時間一般約為 10ms 一20ms。 軟件抗干擾措施 本系統(tǒng)中，在軟件方面的抗干擾措施主要從以下兩個個方面來考慮 （ 1）按鍵的軟件消抖措施 按鍵是一個機械開關(guān)，當鍵按下時，開關(guān)閉合 。鑒 于系統(tǒng) 要求， 程序?qū)崿F(xiàn)為加 1到 90時再加則為 40；減 1到 40時再減則為 90。 鍵盤中斷子程序 作為優(yōu)先級最高的功能控制鍵， 系統(tǒng)要實時響應該中斷。 XXXIX 中斷子程序 該中斷是單片機內(nèi)部 5s定時中斷，優(yōu)先級設為最低，但卻是最重要的子程序。 圖 中斷處理子程序 功能實現(xiàn)模塊主要由 A／ D轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程圖如圖 。在附錄中 XXXVII 給出了系統(tǒng)初始化源程序。然后等待溫度設定，若溫度已經(jīng)設定好了，判斷系統(tǒng)運行鍵是否按下，若系統(tǒng)運行，則依次調(diào)用各個相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運行。下面就介紹本系統(tǒng)幾個主要的程序模塊。系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制算法模塊等組成。 圖 前后臺系統(tǒng) 軟件組成 由于整個系統(tǒng)軟件相對比較龐大，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設計。時間相關(guān)性很強的關(guān)鍵操作叩一定是 XXXVI 靠中斷服務來保證的。后臺也可以叫做任務級。其中，應用程序是一個無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應的函數(shù)完成相應的操作，這部分可以看成是后臺行為。 系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序 模塊、功能實現(xiàn)模塊和運算控制模塊。近年來，由于硬件的集成度與運算速度的提高 ，配合相應的軟件，實時性比較容易滿足設計要求； （ 3） 、準確性 準確性 準確性 準確性對整個系統(tǒng)具有重要意義，尤其是測量系統(tǒng)，系統(tǒng)要進行一定量的運算，算法的正確性和準確性對結(jié)果有著直接的影響，因此在算法的選擇、計算的精度等方面都要符合設計的要求； （ 4） 可靠性 可靠性是系統(tǒng)軟件最重要的指標之一，作為能夠穩(wěn)定運行的系統(tǒng)，抗干擾技術(shù)的應用是必不可少的，最起碼的要求是在軟件受到干擾出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)還能恢復正常工作。硬件是系統(tǒng)的軀體，軟件則是靈魂，當系統(tǒng)的硬件電路設計好之后，系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來實現(xiàn)，而且軟件的設計在很大程度上決定了測控系統(tǒng)的性能。無源濾波器是一個簡單的、有效的低通濾波器，它只讓電網(wǎng)中基波通過，而對高次諧波有急劇的衰減作用，對串模干擾和共模干擾信號具有很強的雙向抑制作用。合理布置地線 使電流局限在盡可能小的范圍內(nèi)，并根據(jù)地電流的大小和頻率設計相應寬度的印刷電路和接地方式。在輸入、輸出通道采用光電藕合器將控制系統(tǒng)與外圍接口隔離； 接地應遵循的基本原則是數(shù)字地、模擬地、屏蔽地應該合理接地，不能混用。 主要用于過程通道的隔離。其總的原則是抑制或消除干擾源，切斷干擾對系統(tǒng)的藕合通道，降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。觸電輸出部分可以直接與市電連接。如在噪聲很強的環(huán)境下工作，不能選用通、斷電壓值相差小的產(chǎn)品，必需選用通、斷點壓值相差大的產(chǎn)品， (如選接通電壓為 8 V或 12 V的產(chǎn)品 )這樣不會因噪聲干擾而造成控制失靈 。根據(jù)輸入電壓參數(shù)值大小，可確定工作電壓大小。一般線圈可用直流低電壓控制（ +5V， +8V， +15V）。當線圈通電時，由于磁場作用，使開關(guān)觸電閉合。固態(tài)繼電器和 MCS51系列單片機組成的控制系統(tǒng) , 具有抗干擾性強、編程簡單、系統(tǒng)兼容性好等特點 ,具有非常廣闊的應用前景。故在電路中起自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。 本設計采用繼電器作為控制電路的主要器件，繼電器具有一定的隔離作用，在繼電器前面加一個三極管用以放大輸出信號就可以驅(qū)動繼電器的閉合和斷開，從而實現(xiàn)弱電控制強電的效果。另一方面，許多外部設備在開關(guān)過程中會產(chǎn)生 很強的電磁干擾信號，如果不隔離會使系統(tǒng)進行錯誤的處理。所謂的開關(guān)量控制就是通過控制設備的“開”或“關(guān)”狀態(tài)的時間來達到控制的目的?？刂频姆绞街饕心M量控制和開關(guān)量控制。采用軟件延時的方法來避開抖動階段，這一延時過程一般大于 5ms。本次設計采用了軟件去抖動的方法。鍵盤接口與鍵盤程序的根本任務就是要檢測有沒有鍵按下？按下的是那個位置的鍵？鍵值是多少？在本次設計中采用了軟件掃描的方法。因此，此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場合 [8]。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。鍵盤的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時掃描方式）、中斷掃描方式。考慮儀表系統(tǒng)中 CPU 任務的份量，來確定鍵盤的工作方式。 單片機應用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是 CPU 的工作內(nèi)容之一。本設計采用的是非編碼獨立連接式的鍵盤。非編碼鍵盤：只簡單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作如鍵的識別，決定按鍵的讀數(shù)等都靠軟件完成，故硬件較為簡單，但占用 CPU較多時間。每按一次鍵，鍵盤自動提供被按鍵的讀數(shù)，同時產(chǎn)生一個選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時按鍵保護功能。鍵盤分兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。在使用外部時鐘時，外部時鐘必須從 XTAL1 輸入，而XTAL2懸空。本設計采用的晶振頻率為 12MHZ。 AT89C51 內(nèi)部有一個反相振蕩放大器，XTAL1 和 XTAL2 分別是該反向振蕩放大器的輸入端和輸出端。 圖 217 復位電路 XXXII （ 7）時鐘電路 時鐘電路是單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。為了便于本設計運行調(diào)試，復位電路采用按鍵復位方式。外部復位有上電復位和按鍵電平復位。內(nèi)部復位電路在每一個機器周期的 S5P2 期間采樣斯密特觸發(fā)器的輸出端，該觸發(fā)器可抑制 RST 引腳的噪聲干擾，并在復位期間不產(chǎn)生 ALE 信號，內(nèi)部 RAM 處于不斷電狀態(tài)。 圖 輸出 +8V 和 8V 直流電源電路圖 XXXI 圖 輸出 +5V 和 5V 的直流電源 (6)復位電路 復位使單片機處于起始狀態(tài)，并從該起始狀態(tài)開始運行。由于電解電容器在高頻下工作存在電感特性，對于來自電源側(cè)的高頻干擾不能抑制，因此在整流電路后加入高頻電容改善紋波。 LM780 LM7808 和 LM790 LM7908 的連接方法都一樣。 圖 214 串口通信電路 （ 5）電源電路 系統(tǒng)所用直流電源由三端集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源提供。為雙列直插 16腳封裝。只需巧電源供電，其內(nèi)部的電源變化成士電源用于通信。 由于電平和一犯電平不匹配，因此要實現(xiàn)單片機和機之間的通信，必須在它們之間加接電平轉(zhuǎn)換器。來自的是普通的并行數(shù)據(jù)，接口電路應具有實現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化的任務。其中一是美國電子工業(yè)協(xié)會正式公布的串口總線標準，也是目前最為常用的串行接口標準，用來實現(xiàn)計算機與計算機之間，計算機與外設之間的數(shù)據(jù)通訊。這個反向電勢一般很高，容易造成三極管的擊穿，加入續(xù)流二極管后，為反向電勢提供了放電回路，從而保護三極管不會被擊穿。電路中增加的達林頓管是一個電流驅(qū)動型器件，能夠提高繼電器的勵磁電流。 (3)保護電路 保護電路的作用是對被測物體進行過溫保護，其電 路如圖 213所示。它使用范圍廣，運用靈活，它的價格便宜，精確度較高，延滯性下，因而靈敏度很高， 而且它的線性很好。數(shù)據(jù)存貯器為 32K(62256),地址為 8000— FFFFH。出廠所配晶振頻率為 ,每個機器周期為 ,用戶更換晶振以提高速度。如 下圖所示： XXVIII 圖 212 數(shù)碼管顯示電路圖 溫度控制系統(tǒng)硬件設計 溫度控制系統(tǒng)硬件包括： 89C51單片機最小系統(tǒng)模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊、信號放大電路、溫控電路以及其它外圍電路。 如圖 211所示：數(shù)碼管的數(shù)據(jù)線利用鎖存器和液晶的數(shù)據(jù)線共用一個 I/O即 P0口；而數(shù)碼管的片選線則利用了 3— 8譯碼器來選通， 38譯碼器的地址線通過單機的 、 。當 LE為低電平時， O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當 OE為高電平時， O0~O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。 74LS373的輸出端 O0~O7可直接與總線相連。 74LS373內(nèi)有 8個相同的 D型 (三態(tài)同相 )鎖存器，由兩個控制端 (11腳 G或 EN； 1腳 OUT、CONT、 OE)控制。依次類推，可求得數(shù)碼管字型編碼如表 24 所示。 表 23 數(shù)碼管各段與輸出口各位的對應關(guān)系 輸出口各位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 數(shù)碼管各段 dp g f e d c b a 如使用共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為 0 表示對應字段亮，數(shù)據(jù)為 1 表示對應字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為 0 表示對應字段暗，數(shù)據(jù)為 1 表示對應字段亮。為了保護各段 LED 不被損壞，需要外加限流電 阻 . 如果要顯示某個字形，則應使此字形的相應段點亮，也即送一個不同的電平組合代表的數(shù)據(jù)來控制 LED 的顯示字形，此數(shù)據(jù)稱為字符的段碼。一位顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中， 7個發(fā)光二極管構(gòu)成字形“ 8”的各個筆劃（段）ag,另一個小數(shù)點為 dp 發(fā)光二極管。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種，如圖 所示。結(jié)合本設計的特點，在這里系統(tǒng)的顯示采用發(fā)光二極管作為顯示器件。 圖 210 1602 液晶電路顯示電路圖 （ 2）數(shù)碼管 LED 簡介 單片機應用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡稱 LED；液晶顯示器，簡稱 LCD。 將數(shù)據(jù)或命令送達數(shù)據(jù)線上，給 E 一個高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成寫操作。 ③、寫操作時序 通過 RS 確定是寫數(shù)據(jù)還是寫命令。 圖 獨立鍵盤電路圖 顯示電路設計 顯示電路采用了 LCD_1602 和數(shù)碼管的混合顯示，設定的溫度值范圍顯示在數(shù)碼管上，一看就是知道被測物體正常時的溫度范圍是多少，同時當前溫度顯示在液晶上，因此知道被測物體的當前值是多少。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 復位鍵 使系統(tǒng)復位 KEY2 KEY3 功能 切換鍵 切換當前溫度和 設定溫度的顯示 界面 矩陣鍵盤 設定溫度鍵盤 設定溫度的允許范圍 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。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。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。 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，當實際溫度不在設定的范圍單片機就會執(zhí)行相應的指令，進行實時報警，提示溫度超過或低于設定的溫度，以便及時作出處理。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，以便使電爐或風扇電路導通，此外，當實際溫度不在設定的范圍內(nèi)，報警電路將實時報警并作出相相應的處理如（報警信號傳到單 片機或人，單片機或人就會執(zhí)行相應的操作），當實際溫度低于設定的溫度時相應黃色發(fā)光二極管點亮并且加熱器啟動升溫；高于設定的溫度時對應紅色二極管亮并且制冷器啟動降溫。