【正文】 節(jié)省 I/O 口資源 ,通常將所有位的段碼 線 相應(yīng)的并聯(lián)在一起 ,由一個(gè) 8 位 I/O 口控制 ,而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的 I/O 線控制 ，形成各位的分時(shí)選通。這種顯示方式的每一個(gè) 8 段 顯示器需要一個(gè) 8位輸出口控制。 二 .LED 顯示器工作原理 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式。 表 32 8 段 LED 顯示器部分字型碼 顯示字符 共陰極段碼 共陽極段碼 顯示字符 共陰極段碼 共陽極段碼 0 3FH C0H 6 7DH 82H 1 06H F9H 7 07H F8H 2 5BH A4H 8 7FH 80H 3 4FH B0H 9 6FH 90H 4 66H 99H “滅” 00H 88H 5 6DH 92H ? ? ? 注：段碼是相對(duì)的，它由個(gè)字段在字節(jié)中所處的位決定。各段與 字節(jié)中的各位對(duì)應(yīng)的關(guān)系如表 31。 7段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì) 8段。同樣，共陽極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽極連結(jié)在一起，通常此公共陽極接正電壓，(a) 外形 （ b）共陽極 （ c）共陰極 圖 37 七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu) 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 9 頁 當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為 低 電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段 被 顯示 [11]。共陰極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陰極連結(jié)在一起，通常此公共陰極接地。每一個(gè)段對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管。 LED 顯示器在單片機(jī)中的應(yīng)用非常普遍。如圖 36 圖 36 AT89C51 最小系統(tǒng)連接原理圖 顯示 部分 的設(shè)計(jì) LED 顯示器 接口原理 [6] LED（ Light Emitting Diode） 是發(fā)光二極管的縮寫。 其中電容一般為 10UF 的電解電容。單片機(jī)復(fù)位方式有二種：上電復(fù)位（如圖 34）、人工復(fù)位（如圖 35）。 二 .復(fù)位和復(fù)位電路 計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器 CPU 和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。 接到晶振兩端的瓷片電容作用是使振蕩器起振和對(duì) f 微調(diào)補(bǔ)償，典型值為 30PF，本設(shè)計(jì)中選用 20PF 瓷片電容 。本設(shè)計(jì)采用 12MHZ。 一 .時(shí)鐘和時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。 RST 為復(fù)位輸入線， ALE、 P——S——E——N——、 E——A——為系統(tǒng)擴(kuò)展控制線， XTAL1 和XTAL2 為時(shí)鐘電路輸入 /輸出線， VCC、 VSS為電源輸入線，一般接＋ 5V 和地。 設(shè)計(jì)框圖 21 查資料 整體工作電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 5 頁 圖 21 設(shè)計(jì)過程框圖 22 圖 22 水溫控制電路總體框圖 第三章 理論 設(shè)計(jì) 控制部分的設(shè)計(jì) AT89C51 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) [7] 鍵盤 報(bào)警電路 顯示電路 單片機(jī)基本系統(tǒng) 繼電器 傳感器 電爐 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 6 頁 一 .AT89C51 結(jié)構(gòu)框圖 AT89C51 內(nèi)部 結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 圖 31 AT89C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 二 .引腳功能說明 AT89C51 是雙列制插封裝形式的器件，其引腳圖如圖32所示。所以繼電器的要選用交流型（ ACSSR），耐壓在 220V 以上，電流為 以上。本設(shè)計(jì)中繼電器是由單片機(jī)控制的所以它的供電電壓選擇 5V直流電 。本設(shè)計(jì)采用同相器 74LS07 集成塊來驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器（ Solid state RelaySSR） 是近幾年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，容易驅(qū)動(dòng)，其輸出利用晶體管或可控硅驅(qū)動(dòng)，無觸點(diǎn)。 最后，控制部分的設(shè)計(jì)，這一部分主要就是繼電器的選擇。 按鍵部分的設(shè)計(jì)考慮到單片機(jī) I/O 資源不足的緣故，本設(shè)計(jì)采用三個(gè)按鍵分別用來設(shè)定門限值十位、個(gè)位和一位小數(shù)位。選用的是 兩組 共陰極數(shù)碼管， 采用一塊同相器 74LS07集成塊來驅(qū)動(dòng)。 再 次， 設(shè)計(jì) 顯示部分 、 按鍵部分 和報(bào)警 。 這個(gè)傳感器 最大的 特點(diǎn)就是 能夠 從一根總線 直接輸出二進(jìn)制的溫度信號(hào) ，不需要 A/D 轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大。DS18B20 是 DALLAS 半導(dǎo)體公司（現(xiàn)屬 MAXIM 公司）設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，其測量溫度范圍為 － 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 時(shí)精度為 177。 這是 由于本設(shè)計(jì)中單片機(jī)除了要完成數(shù)據(jù)采集、處理、控制和顯示任務(wù)外，還 要完成按鍵值得采集、處理。 其次， 要 選擇一個(gè)溫度敏感元件，它能夠很靈敏的根據(jù)溫度變化輸出一定的單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 4 頁 信號(hào)。 簡述 首先， 要選擇一個(gè) CPU 控制芯片 。由此可見，對(duì)于指令執(zhí)行時(shí)間一般為幾個(gè)微妙的單片機(jī)應(yīng)用電路來說，控制速度幾乎沒有熱核限制。 （ 1）軟、硬件功能劃分 [4] 在絕大多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用電路中，電路功能的軟、硬件劃分往往是由應(yīng)用電路對(duì)控制速度的要求 決定的，在沒有速度限制的情況下可以考錄以軟件換取硬件電路的簡化，以求降低硬件成本。 第二章 設(shè)計(jì)思路 總體設(shè)計(jì) 此 設(shè)計(jì) 一個(gè)基于單片機(jī)的水溫控制電路，需要完成的功能 是溫度的設(shè)定、檢測與顯示以及的溫度的控制和報(bào)警等。 相當(dāng)于一個(gè) 由單片機(jī)控制的開關(guān)。 （ 6）報(bào)警電路 當(dāng)按鍵輸入的溫度在軟件所限制的范圍之外時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警。 （ 4） 顯示 由 六個(gè)七段數(shù)碼管以及數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路組成，三位數(shù)碼管顯示出測量結(jié)果，三位數(shù)碼管顯示出限定溫度。 （ 3） 單片機(jī)基本系統(tǒng) ，進(jìn)行相應(yīng)的處理，送往顯示部分； 的信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的處理，送往顯示部分； ，進(jìn)行相應(yīng)的處理，給出控制信號(hào)。 （ 1） 電爐 接上 220V 交流電，由繼電器控制其開關(guān)，對(duì)水進(jìn)行加熱。要求顯示實(shí)際溫度和門限溫度，并且要求門限水溫可以由人工通過鍵盤來設(shè)定。 設(shè)計(jì)中使用 7407 同相器作為數(shù)碼管和固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)。 本設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制部分采用 AT89C51 單片機(jī)為核心，采用軟件編程，實(shí)現(xiàn)用PID算法來控制 PWM 波的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電爐的加熱來實(shí)現(xiàn)溫度控制。本文正是介紹一個(gè)基于單片機(jī)的水溫控制電路來控制電爐內(nèi)的水溫。隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及人們生活水平的逐步提高，各種方便于生產(chǎn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)開始進(jìn)入了人們的生活，以單片機(jī)為核心的溫度采集 系統(tǒng)就是其中之一 [2]。單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 1 頁 單片機(jī) 水 溫 控制電路設(shè)計(jì) 序言 無論是工業(yè)控制領(lǐng)域還是消費(fèi)電子領(lǐng)域，溫度控制的應(yīng)用都非常廣泛， 如工業(yè)控制中的鍋爐、加熱爐的控制，消費(fèi)電子領(lǐng)域的熱水器、飲水機(jī)的控制，內(nèi)部都涉及到溫度控制 [1]。 傳統(tǒng)靠人工控制的溫度、濕度、液位等信號(hào)的測壓﹑力控系統(tǒng)，外圍電路比較復(fù)雜，測量精度較低，分辨力不高，需進(jìn)行溫度校準(zhǔn) (非線性校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、傳感器標(biāo)定等 )；且它們的體積較大、使用不夠方便。 采用 MCS51 單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、簡單和靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高溫度控制的技術(shù)指標(biāo)。 水溫控制在工業(yè)及日常生活中應(yīng)用廣泛 ,分類較多 ,不同水溫控制系統(tǒng)的控制方法也不盡相同 ,其中以 PID 控制法最為常見 ,但是 ,常規(guī)調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)的整定一般需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員來完成 ,步驟繁瑣復(fù)雜 ,既耗時(shí)又耗力 .而且當(dāng)對(duì)象特征變化時(shí) ,又要重新整定 ,并且在現(xiàn)代工業(yè)控制過程中 ， 許多被控對(duì)象機(jī)理復(fù)雜 ,這種情況下 ,采用常規(guī) PID調(diào)節(jié)器 ， 三個(gè)參數(shù)的整定比較困難 ， 為此本文提出了采用 歸一參數(shù)整定法 ， 即只整定一個(gè)參數(shù) ,這樣減少了許多工作量 ， 提高了工作效率 ， 為實(shí)現(xiàn) 簡易 的自整定控制帶來方便 [3]。 適用于環(huán)境參數(shù)經(jīng)常變化的小型水溫控制 電路 。 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 2 頁 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù) 功能 本設(shè)計(jì)的任務(wù)是：用電爐對(duì)水 加熱，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)電爐水加熱控制電路。電路可以通過對(duì)實(shí)際溫度和門限溫度的差值的處理來控制繼電器進(jìn)而控制電爐的開關(guān)，從而對(duì)水溫進(jìn)行控制，使水溫保持在一定溫度上。 （ 2）傳感器 對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，輸出溫度信號(hào)給單片機(jī)?？刂评^電器開關(guān)，從而控制電爐開關(guān)。 （ 5） 按鍵 鍵入門限值。 （ 7） 繼電器 接受單片機(jī)傳來的信號(hào)， 通過其驅(qū)動(dòng)， 然后作出相應(yīng)的操作來控制電爐工作與否。 技術(shù)指標(biāo) 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 3 頁 1．門限溫度可以在 40～ 90℃之間設(shè)定； 2．可以通過用鍵盤人工設(shè)定門限溫度； 3．用數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度和實(shí)際溫度。 當(dāng)溫度小于設(shè)定溫度時(shí)電爐工作，當(dāng)溫度大于設(shè)定溫度時(shí)電爐不工作。 a) 速度估算 在不考慮容器熱容量和環(huán)境溫度影響的情況下，水溫上升 1℃所需的時(shí)間達(dá)到秒，如果考慮容器熱容量和環(huán)境溫度的影響，時(shí)間可能更長。 b) 軟、硬件功能劃分 為了簡化華電路硬、 降低硬件成本、提高電路靈活性和可靠性，有關(guān) PID 運(yùn)算，輸入信號(hào)濾波及大部分控制過程都可由軟件來完成，硬件的主要功能是溫度信號(hào)的傳感，設(shè)定值的鍵入，數(shù)值的顯示及輸 出信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 由于電路控制方案簡單，在運(yùn)行過程中需要存放的中間變量只有給定溫度、實(shí)測溫度、 PI 運(yùn)算中間結(jié)果及輸出結(jié)果等十幾個(gè)變量，因此選用 AT89C51 微控制器作為電路的核心，由于 AT89C51 的片內(nèi)RAM已能滿足存放要求，可不必再擴(kuò)充外部 RAM[4]。這樣的器件種類很多，本設(shè)計(jì)選用的數(shù)字式集成溫度傳感器 DS18B20。如果用常規(guī)的數(shù)字加模擬電路實(shí)現(xiàn)就會(huì)相對(duì)困難一些?！?，這個(gè)精度已可以滿足普通型的環(huán)境溫度控制或測溫類消費(fèi)產(chǎn)品的要求。這樣的選擇使得整個(gè)電路的硬件設(shè)計(jì)更為簡化， 節(jié)省了單片機(jī)的資源 [5] 。顯示部 分的設(shè)計(jì) 考慮到在軟件設(shè)計(jì)過程中實(shí)際溫度和設(shè)定溫度之間會(huì)有影響，本設(shè)計(jì)采用實(shí)際溫度和門限溫度單獨(dú)顯示，各用一組 I/O 口。動(dòng)態(tài)掃描顯示。 報(bào)警部分就是當(dāng)設(shè)定的門限溫度在 40～ 90℃之外，就要報(bào)警，用一個(gè)發(fā)光二極管表示。 本設(shè)計(jì)選擇的是固態(tài)繼電器。與普通的電磁式繼電器和磁力開關(guān)相比，具有無機(jī)械噪聲、無抖動(dòng)和回跳、開關(guān)速度快、體積小質(zhì)量輕、壽命長、工作可 靠等特點(diǎn)，并且耐沖擊、抗潮濕、抗腐蝕，因此在單片機(jī)測控等領(lǐng)域中 [6]。另外在選擇繼電器時(shí)還要注意它的供電電壓和帶負(fù)載能力。繼電器所帶的負(fù)載為一個(gè)額定功率 300W，接 220V 交流電 的電爐。本設(shè)計(jì)選用的是5V供電， 2A 250VAC 的 固態(tài) 繼電器。 AT89C51 的引腳 P00～ P0 P10～ P1 P20～ P2P30～ P37 為四個(gè) 8 位并行輸入 /輸出口，其中 P3 口、 P0口、 P2 口為雙功能口，可以作為普通輸入 /輸出口（第一功能），也可以作為特殊輸入 /輸出口。 AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng) 最小系統(tǒng)包括單片機(jī)的基本供電、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。 AT89C51 單片內(nèi)部 中斷 中斷控制 外部中斷 CPU OSC E——A—— ALE P——S——E——N—— 程序存貯器 4K 字節(jié) ROM 總線 控制 P0 P1 P2 P3 數(shù)據(jù)存貯器 128字節(jié) RAM 4 8 I/O 口 TXD RXD 串行口 外部計(jì) 數(shù)脈沖 定時(shí)器 1 定時(shí)器 0 圖 32 AT89C51引腳 圖 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 7 頁 允許的時(shí)鐘頻率的典型值 12MHZ，也可以是 6MHZ。單片機(jī)時(shí)鐘電路圖如圖 33 圖 33 單片機(jī)時(shí)鐘電路 圖 310 中 晶振頻率選擇 12MHZ。當(dāng)單片機(jī)加電以后延遲約 10ms 的時(shí)間振蕩器起振產(chǎn)生時(shí)鐘，不受軟件控制（ XTAL2 輸出幅度為 3V左右的正弦波。 單片機(jī)的復(fù)位引腳是 RST，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上 出現(xiàn) 2 個(gè)周期的高電平，是器件復(fù)位，只要 RST 保持高電平，單片機(jī)保持復(fù)位狀態(tài)。 圖 34 上電復(fù)位電路 圖 35 上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位 注： RST 與 Vss 之間的那個(gè)電阻在 NMOS 型單片機(jī)種需要接，但是在 CMOS 型單片機(jī)中不接。 三 .AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)連接原理圖 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì) 第 8 頁 本設(shè)計(jì)的 AT89