【正文】 ....... 54 第 1章 緒 論 1 第 1 章 緒 論 課題的背景及其意義 二十一世紀(jì)是科技高速發(fā)展的信息時(shí)代，電子技術(shù)、微型單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用更是空前廣泛， 伴隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，需要對(duì)各種參 數(shù)進(jìn)行溫度測(cè)量。為了便于擴(kuò)展和更改，軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系更加簡(jiǎn)潔明了，使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運(yùn)作。 本文從硬件和軟件兩方面 來 講述水溫 自動(dòng)控制 過程 ,在控制過程中主要應(yīng)用 AT89C5 ADC080 LED 顯示器、 LM324 比較器， 而主要是通過 DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機(jī)為核心控制部件，并通過四位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí) 溫度的一種數(shù)字溫度計(jì)。 中文摘要 I 摘 要 近年來隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)領(lǐng)域的滲透 , 單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。軟件方面采用匯編語言來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲(chǔ)空間。 而系統(tǒng) 的過程 則 是：首先 ,通過設(shè)置按鍵 ,設(shè)定恒溫運(yùn)行時(shí)的溫度值，并且用數(shù)碼管顯示這個(gè)溫度值 .然后 ,在運(yùn)行過程中將采樣的溫度模擬量送入 A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，最后用單片機(jī)來控制加熱器 ,進(jìn)行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。因此溫度一詞在生產(chǎn)生活之中出現(xiàn) 的頻率日益增多，與之相對(duì)應(yīng)的 ，溫度控制和測(cè)量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用的詞語， 同時(shí) 它們?cè)诟餍懈鳂I(yè)中 也 發(fā)揮著重要的作用。 在 農(nóng)業(yè)中，用于保證蔬菜大棚的恒溫保產(chǎn)等。溫度的測(cè)量及控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到非常重要的作用。而且隨著 科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，溫度傳 感器的種類還是在不斷增加豐富來 滿足生產(chǎn)生活中的需要。因此，單片機(jī)溫度測(cè)量則是對(duì)溫度進(jìn)行有效的測(cè)量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電力工程、化工生產(chǎn)、機(jī)械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔(dān)負(fù)著重要的測(cè)量任務(wù)。但溫度是一個(gè)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，但電路較復(fù)雜，成本較高。 它是多種技術(shù)知識(shí)的結(jié)合，不僅涉及到軟件的設(shè)計(jì)，而且 還 將應(yīng)用電子技術(shù)與單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)有機(jī)結(jié)合，使其具有精度高、測(cè)量誤差小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 因?yàn)?經(jīng)過我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)許多應(yīng)用場(chǎng)合原來就有測(cè)溫控溫儀器，只是隨著對(duì)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(cè)溫控溫的 儀器根本不能滿足現(xiàn) 在的要求。 因此，為了提高性價(jià)比，我所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提出在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的改良，以此為出發(fā)點(diǎn)，主要闡述的是水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方法。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(duì)水溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)加熱電阻絲的 實(shí)時(shí)控制及超出設(shè)定的上下限溫度的報(bào)警系統(tǒng)?？刂破魇怯?89C51 單片機(jī)，用 PID 算法對(duì)檢測(cè)信號(hào)和設(shè)定值的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，從而控制爐內(nèi)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。而且利用本次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)試，溫度顯示，溫度門限設(shè)定，超過設(shè)定的門限值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)加熱裝置等功能。 2． 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其具體控制功能如下： （ 1） 能夠連續(xù)測(cè)量水的溫度值，用十進(jìn)制數(shù)碼管來顯示水的實(shí)際溫度。 （ 3） 能夠?qū)崿F(xiàn) 水溫 的自動(dòng)控制，如果設(shè)定水溫為 85℃ ，則能使水溫保持恒定在 85℃ 的溫度下運(yùn)行。 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)。 溫度是一個(gè)非線性的對(duì)象，具有大慣性的特點(diǎn)，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。 2． 方案二（見圖 12） 圖 12 方案二的圖 此方案是傳統(tǒng)的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。 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(shí)現(xiàn)。單片機(jī)系統(tǒng)可 以 用數(shù)碼管 來 顯示水溫的實(shí)際值，能用鍵盤輸入設(shè)定值。 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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。也使得系統(tǒng)所測(cè)得結(jié)果的精度大大提高。 第 2章 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 6 第 2 章 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 本設(shè)計(jì)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。 1976 年 Intel 公司首先推出能稱為單片機(jī)的 MCS48 系列單片微型計(jì)算機(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。 這類單片機(jī)均帶有串行 I/O 口，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器為 16 位，片內(nèi)存儲(chǔ)容量（ RAM， ROM）都相應(yīng)增大，并有優(yōu)先級(jí)中斷處理 功能，單片機(jī)的功能、尋址范圍都比早期的擴(kuò)大了，它們是當(dāng)時(shí)單片機(jī)應(yīng)用的主流產(chǎn)品 。 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)。而 8 位單片機(jī)已能滿足大部分應(yīng)用的需要，因此，在推出 16 位單片機(jī)的同時(shí)，高性能的新型 8 位單片機(jī)也不斷問世。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(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)微控制器（ microcontroller）完善的控制功能為己任。由于 80C51 系列單片 機(jī)所具有的一系列優(yōu)越的特點(diǎn)，獲得廣泛使用指日可待。 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(chǔ)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)。 而 這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。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。只要程序長(zhǎng)度小于 4k, 四個(gè) I/O 口全部提供給用戶。 AT89C51 芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定加密 ， 第 2章 設(shè)計(jì)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。 1288 位內(nèi)部 RAM, 32 位雙向輸入輸出線 , 兩個(gè)十六位定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器 , 5 個(gè)中斷源 , 兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí) , 一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)鐘發(fā)生器等。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(shí) , CPU 可根據(jù)工作情況適時(shí)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。掉電模式是 VCC電壓低于電源下限 , 當(dāng)振蕩器停 止 振 動(dòng) 時(shí) , CPU 停止執(zhí)行指令。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。其與 80C51 引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其邏輯引腳圖如圖 21。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ ROM、 RAM）時(shí)，作地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用。 P0 口（作為總線時(shí)）能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。在編程 /校驗(yàn)期間，用于輸入低位字節(jié)地址。對(duì)于 80C51， ——T2，是定時(shí)器的計(jì)數(shù)端且位 輸入； ——T2EX，是定時(shí)器的外部輸入端。 P2 口 ——8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口。在編程 /校驗(yàn)期間，接收高位字節(jié)地址。 P3 口 ——8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路。在提供這些功能時(shí)，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置 1。 第 2章 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 10 3． 串行口 ——RXD（串行輸入口），輸入。 4． 中斷 ——INT0 外部中斷 0，輸入。 5． 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ——T0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入，輸入。 6． 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選通 ——WR 低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫選通。 7． 控制線 (共 4 根 ) 輸入： RST——復(fù)位輸入。 EA/Vpp——片外程序存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)，低電平有 效。 注意：在加密方式 1 時(shí)， EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 輸入、輸出： ALE/PROG——地址鎖存允許信號(hào)，輸出。在 EPROM 編程期間，作輸入， 輸入編程脈沖（ PROG）。 當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低 位字節(jié)。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。 第 2章 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 11 注意：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在從片外程序存儲(chǔ)器取址期間，在每個(gè)機(jī)器周期中，當(dāng) PSEN 有效時(shí)，程序存儲(chǔ) 器的內(nèi)容被送上P0 口（數(shù)據(jù)總線）。 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(xiàng)主要功能就是并行 I/O 口。實(shí)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。 2． 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 定時(shí)器 /計(jì)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(jiǎn)單，使用它對(duì)減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)和簡(jiǎn)化外圍電路都大有好處。定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的核心是一個(gè)加 1 計(jì)數(shù)引腳上施加器，其基本功能是加 1 功能。在單片機(jī)中，定時(shí)功能和計(jì) 數(shù)功能的設(shè)定和控制都是通過軟件來進(jìn)行的。當(dāng)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器設(shè)置為定 第 2章 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 12 時(shí)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)器對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)，每過一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器加 1，直至計(jì)滿溢出。如果單片機(jī)系統(tǒng)采用 12MHz 晶振，則計(jì)數(shù)周期為 : sT ?112/1*10*12 16 ?? (21) 這是最短的定時(shí)周期，適當(dāng)選擇定時(shí)器的初值可獲取各種定時(shí)時(shí)間。在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2 期間采樣引腳輸入電平，若前一個(gè)機(jī)器周期采樣值為 1，后一個(gè)機(jī)器周期采樣值為 0，則計(jì)數(shù)器加 1。計(jì)數(shù)器對(duì)外部輸入信號(hào)的占空比沒有特別的限制，但必須保證輸入信號(hào)的高電平與低電平的持續(xù)時(shí)間在一個(gè)機(jī)器周期以上。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。 4． 芯片擦除 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可 通過正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。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。但 RAM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、 串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 5． 中斷系統(tǒng) 第 2章 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 13 中斷系統(tǒng)是單片機(jī)的重要組成部分。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。 5 個(gè)中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器 IP 和順序查詢邏輯電路共同決定， 5 個(gè)中斷源分別對(duì)應(yīng) 5 個(gè)固定的中斷入口地址。 簡(jiǎn)單介紹一下本 次設(shè)計(jì)所需的單片機(jī)芯片 AT89C51 的中斷系統(tǒng)中 要用到的 中斷類型 。 AT89C51 究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式 ,可由用戶對(duì)定時(shí)器控制寄存器 TCON 中 IT0 和 IT1 位狀態(tài)的設(shè)定來選取。 若 AT89C51 設(shè)定為電平觸發(fā)方 式 (IT0=0 或 IT1=0),則 CPU 檢測(cè)到 INT0、 INT1 上低電平時(shí)就可認(rèn)定其上中斷請(qǐng)求有效 。 （ 2） 定時(shí)器溢出中斷源 定時(shí)器溢出中斷由 AT89C51 內(nèi)部定時(shí)器 分的 中斷源產(chǎn)生 ,故它們屬于內(nèi)部中斷。 定時(shí) 器 T0/T1 在定時(shí)脈沖作用下從全 “1”變成全 “0”時(shí)可以自動(dòng)向 CPU提出溢出中斷請(qǐng)求 ,以表明定時(shí)器 T0 或 T1 的定時(shí)時(shí)間已到。 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。 因此 ,只要在串行口 中斷服務(wù)程序中安排一段對(duì) SCON 中 RI 和 TI 中斷標(biāo)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(qǐng)求還是發(fā)送中斷請(qǐng)求。 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