【正文】 22 第 4 章 軟件設計 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 溫度顯示電路 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元， 如下圖 34 所示 采用實時控制的方法，在主機 AT89C51 的 口輸出溫度控制信號，由光電耦合器 MOC3041（光電耦合器）和可控硅 SCR組成。 下圖 33為溫度控制系統(tǒng)的單片機顯示部分。 積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速度和帶寬都非常低，但它們的精度可以做得很高，并且抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾 (如 50 Hz 或 60 Hz)的能力，使其對于嘈雜的工業(yè)環(huán)境以及不要求高轉(zhuǎn)換速率的應用非常有效。時間到達后將計數(shù)器復位并將積分器輸入連接到反極性 (負 )參考電壓。雙斜率轉(zhuǎn)換器由 1個帶有輸人切換開關(guān)的模擬積分器、 1個比較器和 1 個計數(shù)單元構(gòu)成。 20 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，是應用最為廣泛的轉(zhuǎn)換器類型。 4．編碼是將量化后的信號編碼成二進制代碼輸出。 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。通常采樣脈沖的寬 度 tw是很短的，故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。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原始信號 x(t)。 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù) 本次設計還涉及到數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，而模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)包括采樣、保持、量化和編碼四個過程。與之相應的是，作為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)之間橋梁的模數(shù)轉(zhuǎn)換的應用日趨廣泛。 圖 32 溫度采樣單元 模數(shù)轉(zhuǎn)換是將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為 N位二進制數(shù)字輸出信號的技術(shù)。 6．價格適宜，適合于批量生產(chǎn)。 4．有較強的耐機械、化學及熱作用等的特點。 2．對溫度的變化有較好的一一對應關(guān)系，即對除溫度外其他物理量的變化不敏感。例如，我們平常使用的各種材料、元件，其性質(zhì)或多或少地都會隨其所處的環(huán)境溫度變化而變化，因而它們幾乎都能作為溫度傳感器使用。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 能夠處理的二進制數(shù)字信號。人為地設定溫度門限值，使電路在人為設定的某一溫度值相對穩(wěn)定的工作。 18 第 3 章電路設計 本設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 AT89C51 進行處理并將實際溫度值和設定溫度值分別顯示在共陽極數(shù)碼顯示管 LED上。 7． DS18S20 具有負載特性，當電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但是不能正常的工作。 17 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。 176。 C 至 +85176。 C 至 +125176。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)。 3． DS18S20 通過 1Wire174。 DS18S20 數(shù)字溫度計的主要特性： 1． DS18S20 的適應電壓范圍更寬，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。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力較強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效的方案。 DS18S20 在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離的溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補償問題、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)。 LED 數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)材料不同正向壓降一般為 ～2V，額定電流為 10MA，最大電流為 40MA。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，相應的段被顯示。共陰極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮，控制不同組 合的二極管導通，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。 LED 數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。 LED 數(shù)碼顯示管 LED 引腳 如 上 圖 27所示： LED 顯示器是單片機應用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機的應用上也是被廣泛運用的。每擴展一片 164 就可增加一位顯示。 74LS164 移位寄存器 74LS164 的引腳 如 下 圖 26 所示： 16 圖 26移位寄存器 74LS164 引腳圖 圖 27 數(shù)碼顯示管 LED 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。運算放大器 LM324 的引腳 如 上 圖 23所示 ： 由于本次設計中采集電路所采集到的信號值與我們所預期的結(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，須采用放大電路進一步處理。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。 12． CLK：時鐘信號輸入端， 譯碼后可選通 IN0～ IN7 八個通道中的一個進行轉(zhuǎn)換。 10． EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。 8． A、 B、 C：地址輸入端。 6． REF（ ）：參考電壓負端。 4． GND：接地。 2． IN0～ IN7： 8路模擬量輸入引腳。S；片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼器和鎖存器、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器， 256 電阻 T 型網(wǎng)絡和樹狀電子開關(guān)以及逐次逼近寄存器。 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。因此 ,只要在串行口中斷服務程序中安排一段對 SCON中 RI和 TI中斷標志位狀態(tài)的判斷程序 ,便可區(qū)分串行口發(fā)生了接收中斷請求還是發(fā)送中斷請求。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。定時器 T0/T1 在定時脈沖作用下從全“ 1”變成全“ 0”時可以自動向 CPU 提出溢出中斷請求 ,以表明定時器 T0或 T1 的定時時間已到。 （ 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。若 AT89C51 設定為電平觸發(fā)方式 (IT0=0 或 IT1=0),則 CPU檢測到 INT0、INT1 上低電平時就可認定其上中斷請求有效 。 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)的設定來選取。 簡單介紹一下本次設計所需的單片機芯片 AT89C51 的中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。 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 5 個固定的中斷入口地址。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。 5．中斷系統(tǒng) 中斷系統(tǒng)是單片機的重要組成部分。但 RAM、定時器、計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 AT89C51 設有穩(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。 4．芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平 10ms 來完成。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2應不接。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。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)時間在一個機器周期以上。在每個機器周期的 S5P2 期間采樣引腳輸入電平，若前一個機器周期采樣值為 1，后一個機器周期采樣值為 0，則計數(shù)器加 1。如果單片機系統(tǒng)采 12MHz晶振，則計數(shù)周期為 : T=1/12*106*(1/12)=1μ S ,這是最短的定時周期，適當選擇定時器的初值可獲取各種定時時間。當定時器 /計數(shù)器設置為定時工作方式時，計數(shù)器對內(nèi)部機器周期計數(shù)，每過一個機器周期，計數(shù)器加 1，直至計滿溢出。在單片機中，定時功能和計數(shù)功能的設定和控制都是通過軟件來進行的。定時器 /計數(shù)器的核心是一個加 1 計數(shù)引腳上施加器，其基本功 能是加 1功能。 2．定時器 /計數(shù)器 定時器 /計數(shù)器（ timer/counter）是單片機中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕 CPU 的負擔和簡化外圍電路都大有好處。實際上，它 們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。 AT89C51 系列單片機的功能單元 1．并行 I/O 接口： 單片機芯片內(nèi)有一項主要功能就是并行 I/O 口。在從片外程序存儲器取址期間，在每個機器周期中，當 PSEN 有效時，程序存儲器的內(nèi)容被送上 P0 口（數(shù)據(jù)總線）。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。 注意：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在 EPROM 編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（ PROG）。 12 輸入、輸出： ALE/PROG—— 地址鎖存允許信號，輸出。 注意：在加密方式 1 時， EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。 EA/Vpp—— 片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。 7．控制線 (共 4根 ) 輸入： RST—— 復位輸入。 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。 5．定時器 /計數(shù)器 —— T0 定時器 /計數(shù)器 0 的外部輸入，輸入。 4．中斷 —— INT0 外部中斷 0，輸入。 3．串行口 —— RXD（串行輸入口），輸入。在提供這些功能時，其輸出鎖存器應由程序置 1。 P3 口 —— 8 位、準雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路 。在編程 /校驗期間，接收高位字節(jié)地址。 P2 口 —— 8位、準雙向 I/O 口。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。在編程 /校驗期間，用于輸入低位字節(jié)地址。P0口（作為總線時）能驅(qū)動 8個 LSTTL 負載。當使用片外存儲器（ ROM、 RAM）時，作地址和數(shù)據(jù)分時復用。另外，該引腳被略微拉高。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編 程脈沖。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 AT89C51 系列引腳功能 AT89C51 有 40 引腳雙列直插（ DIP）形式。該芯片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器值保持不變 , 一直到掉電模式被終止。這種狀態(tài)可被任何一個中斷所終止或通過硬件復位。 AT89C51 有間歇、掉電兩種工作模式。 128179。 AT89C51 芯片提供三級程序存儲器鎖定加密， 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。只要程序長度小于4k, 四個 I/O口全部提供給用戶。它與 MCS51 系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒有的功能。而這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。 AT89C51 系列單片機介紹 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。由于 80C51 系列單片機所具有的一系列優(yōu)越的特點，獲得廣泛使用指日可待。新一代的 80C51 系列單片機除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)微控制器（ microcontroller）完善的控制功能為己任。而 8 位單片機已能滿足大部分應用的需要，因此，在推出 16 位單片機 的同時，高性能的新型 8 位單片機也不斷問世。 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。179。這類單片機均帶有串行 I/O 口，定時器 /計數(shù)器為 16 位，片內(nèi)存儲容量（ RAM， ROM）都相應增大，并有優(yōu)先級中斷處理功能，單片機的功能、尋址范圍都比早期的擴大了，它們是當時單片機應 用的主流產(chǎn)品。 1978 年下半年 Motorola 公司推出 M6800 系列單片機， Zilog 公司相繼推出Z8 單片機系列。 1976 年 Intel 公司首先推出 能稱為單片機的 MCS48 系列單片微型計算機。 9 第 2 章 設計理論基礎(chǔ) 本設計系統(tǒng)的基本組成單元包括：主機、溫度采樣單元、單片機控制單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元四部分，本章將逐一進行介紹。也使得系統(tǒng)所測得結(jié)果的精度大大提高。 圖 13 方案三的圖 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)復雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。單片機系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來顯示水溫的實際值，能用鍵盤輸入設定值。 3． 方案三 （ 下圖 13） ： 是 采用 89C51 單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。 圖 11 方案一的圖 圖 12 方案二的圖 2． 方案二 （ 上 圖 12） ： 是 二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同 ，但由于采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高。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。 溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。 溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。 （ 3）能夠?qū)崿F(xiàn)水溫的自動控制，如果設定水溫為 85℃，則能使水溫保持恒定在 85℃的溫度下運行。 2．用單片機實現(xiàn)其具體控制功能如下： （ 1）能夠連續(xù)測量水的溫度值，用十進制數(shù)碼管來顯示水的實際溫度。而且利用本 次的設計主