【正文】 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖主機(jī)選用INTEL公司的MCS51系列單片機(jī)89C51來實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大的特點(diǎn)，力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。其內(nèi)部具有128字節(jié)RAM，而且內(nèi)部含有4KB的EPROM不需要外擴(kuò)展存儲器，也有數(shù)據(jù)通信接口，通過TXD、RXD與PC機(jī)連接，可以進(jìn)行人機(jī)操作，使得操作更加簡單、方便。：單片機(jī)和時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及電源電路構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，即溫度控制系統(tǒng)的主機(jī)電路。其中單片機(jī)的I/O口，即P0、PP2和P3用來接相應(yīng)的顯示設(shè)備，鍵盤輸入以及繼電器等。（1） 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路主要由數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集水溫的溫度。P3端口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／O，每個(gè)端口都有第二功能，其輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)(吸收或 輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。：溫度傳感器DS18B20與單片機(jī)只有一根線連接即單總線或one_wire總線。 溫度傳感器硬件電路示意圖（2） 溫度控制控制執(zhí)行電路的設(shè)計(jì) 由輸出來控制加熱器或制冷器，加熱器可以近似建立為具有滯后性的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(jìn)行通斷控制，以便使電爐或風(fēng)扇電路導(dǎo)通，此外，當(dāng)實(shí)際溫度不在設(shè)定的范圍內(nèi)，報(bào)警電路將實(shí)時(shí)報(bào)警并作出相相應(yīng)的處理如（報(bào)警信號傳到單片機(jī)或人，單片機(jī)或人就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作），當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定的溫度時(shí)相應(yīng)黃色發(fā)光二極管點(diǎn)亮并且加熱器啟動(dòng)升溫；高于設(shè)定的溫度時(shí)對應(yīng)紅色二極管亮并且制冷器啟動(dòng)降溫。 溫度控制電路圖：報(bào)警電路也是由單片機(jī)的I/O控制，當(dāng)實(shí)際溫度不在設(shè)定的范圍單片機(jī)就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的指令，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，提示溫度超過或低于設(shè)定的溫度，以便及時(shí)作出處理。鍵盤上閉合建的識別是由專用硬件實(shí)現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實(shí)現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。鍵盤還分為矩陣鍵盤和獨(dú)立鍵盤，使用矩陣鍵盤能大量的節(jié)約單片機(jī)的I/O資源，方便快捷。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(fù)位鍵使系統(tǒng)復(fù)位KEY2 KEY3功能切換鍵切換當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度的顯示界面矩陣鍵盤設(shè)定溫度鍵盤設(shè)定溫度的允許范圍：矩陣鍵盤與單片機(jī)的P1口連接，采用軟件查詢的方式，用來設(shè)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(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)對話，鍵盤的輸入值被單片機(jī)讀入并通過中央處理器處理，送到顯示模塊進(jìn)行顯示。 獨(dú)立鍵盤電路圖 顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路采用了LCD_1602和數(shù)碼管的混合顯示，設(shè)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(shí)的溫度范圍是多少，同時(shí)當(dāng)前溫度顯示在液晶上，因此知道被測物體的當(dāng)前值是多少。 ③ 寫操作時(shí)序 通過 RS 確定是寫數(shù)據(jù)還是寫命令。 將數(shù)據(jù)或命令送達(dá)數(shù)據(jù)線上，給 E 一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成寫操作。圖 210 1602 液晶電路顯示電路圖（2） 數(shù)碼管LED簡介單片機(jī)應(yīng)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。結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在這里系統(tǒng)的顯示采用發(fā)光二極管作為顯示器件。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種。一位顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管組成，其中，7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字形“8”的各個(gè)筆劃（段）ag,另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管。為了保護(hù)各段LED不被損壞，需要外加限流電阻.如果要顯示某個(gè)字形，則應(yīng)使此字形的相應(yīng)段點(diǎn)亮，也即送一個(gè)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。表23 數(shù)碼管各段與輸出口各位的對應(yīng)關(guān)系輸出口各位D7D6D5D4D3D2D1D0數(shù)碼管各段dpgfedcba如使用共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應(yīng)字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對應(yīng)字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應(yīng)字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對應(yīng)字段亮。依次類推，可求得數(shù)碼管字型編碼如表24所示。74LS373內(nèi)有8個(gè)相同的D型(三態(tài)同相)鎖存器，由兩個(gè)控制端(11腳G或EN；1腳OUT、CONT、OE)控制。74LS373的輸出端O0~O7可直接與總線相連。當(dāng)OE為高電平時(shí)，O0~O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)LE為低電平時(shí)，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。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(gè)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，、。如下圖所示：圖 212 數(shù)碼管顯示電路圖溫度控制系統(tǒng)硬件包括：89C51單片機(jī)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。,用戶更換晶振以提高速度。數(shù)據(jù)存貯器為32K(62256),地址為8000—FFFFH。它使用范圍廣，運(yùn)用靈活，它的價(jià)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。(3) 保護(hù)電路保護(hù)電路的作用是對被測物體進(jìn)行過溫保護(hù)，其電路如圖213所示。電路中增加的達(dá)林頓管是一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)型器件，能夠提高繼電器的勵(lì)磁電流。這個(gè)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(hù)三極管不會(huì)被擊穿。其中一是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)正式公布的串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是目前最為常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通訊。來自的是普通的并行數(shù)據(jù)，接口電路應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化的任務(wù)。 由于電平和一犯電平不匹配，因此要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和機(jī)之間的通信，必須在它們之間加接電平轉(zhuǎn)換器。只需巧電源供電，其內(nèi)部的電源變化成士電源用于通信。為雙列直插16腳封裝。 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。LM780LM7808和LM790LM7908的連接方法都一樣。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。 輸出+8V和8V直流電源電路圖 輸出+5V和5V的直流電源 (6)復(fù)位電路復(fù)位使單片機(jī)處于起始狀態(tài)，并從該起始狀態(tài)開始運(yùn)行。內(nèi)部復(fù)位電路在每一個(gè)機(jī)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(fù)位期間不產(chǎn)生ALE信號，內(nèi)部RAM處于不斷電狀態(tài)。外部復(fù)位有上電復(fù)位和按鍵電平復(fù)位。為了便于本設(shè)計(jì)運(yùn)行調(diào)試，復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位方式。 圖217復(fù)位電路 （7）時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。AT89C51內(nèi)部有一個(gè)反相振蕩放大器，XTAL1該反向放大器可配置為片內(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。51系列單片機(jī)還可使用外部時(shí)鐘。時(shí)鐘電路如下圖所示：圖218時(shí)鐘電路(8)鍵盤接口鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令的功能，是人工干預(yù)的主要手段。編碼鍵盤：由硬件邏輯電路完成必要的鍵識別工作與可靠性措施。這種鍵盤易于使用，但硬件比較復(fù)雜，對于主機(jī)任務(wù)繁重之情況，采用8279可編程鍵盤管理接口芯片構(gòu)成編碼式鍵盤系統(tǒng)是很實(shí)用的方案。非編碼鍵盤有：獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)、矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)。在非編碼鍵盤系統(tǒng)中，鍵閉合和鍵釋放的信息的獲取，鍵抖動(dòng)的消除，鍵值查找及一些保護(hù)措施的實(shí)施等任務(wù)，均由軟件來完成。CPU忙于各項(xiàng)任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式選取的原則是：既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵的操作，又不過多的占用CPU的工作時(shí)間。獨(dú)立式按鍵接口就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)就是電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單；缺點(diǎn)就是每個(gè)按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O口浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。本設(shè)計(jì)中由于所用鍵盤不多，所以采用獨(dú)立連接式的查詢式鍵盤就能夠滿足設(shè)計(jì)要求。本次設(shè)計(jì)采用了軟件去抖動(dòng)的方法。采用軟件延時(shí)的方法來避開抖動(dòng)階段，這一延時(shí)過程一般大于5ms?？刂频姆绞街饕心M量控制和開關(guān)量控制。所謂的開關(guān)量控制就是通過控制設(shè)備的“開”或“關(guān)”狀態(tài)的時(shí)間來達(dá)到控制的目的。另一方面，許多外部設(shè)備在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾信號，如果不隔離會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)行錯(cuò)誤的處理。本設(shè)計(jì)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(gè)三極管用以放大輸出信號就可以驅(qū)動(dòng)繼電器的閉合和斷開，從而實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電的效果。故在電路中起自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。固態(tài)繼電器和MCS51系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng), 具有抗干擾性強(qiáng)、編程簡單、系統(tǒng)兼容性好等特點(diǎn),具有非常廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)線圈通電時(shí)，由于磁場作用，使開關(guān)觸電閉合。一般線圈可用直流低電壓控制（+5V，+8V，+15V）。根據(jù)輸入電壓參數(shù)值大小，可確定工作電壓大小。如在噪聲很強(qiáng)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(diǎn)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(huì)因噪聲干擾而造成控制失靈 。觸電輸出部分可以直接與市電連接。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。1. 隔離 主要用于過程通道的隔離。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； 2. 接口 接地應(yīng)遵循的基本原則是數(shù)字地、模擬地、屏蔽地應(yīng)該合理接地，不能混用。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(shè)計(jì)相應(yīng)寬度的印刷電路和接地方式。無源濾波器是一個(gè)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(qiáng)的雙向抑制作用。硬件是系統(tǒng)的軀體，軟件則是靈魂，當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)好之后，系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來實(shí)現(xiàn)，而且軟件的設(shè)計(jì)在很大程度上決定了測控系統(tǒng)的性能。近年來，由于硬件的集成度與運(yùn)算速度的提高，配合相應(yīng)的軟件，實(shí)時(shí)性比較容易滿足設(shè)計(jì)要求；（3） 準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性對整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義，尤其是測量系統(tǒng)，系統(tǒng)要進(jìn)行一定量的運(yùn)算，算法的正確性和準(zhǔn)確性對結(jié)果有著直接的影響，因此在算法的選擇、計(jì)算的精度等方面都要符合設(shè)計(jì)的要求；（4） 可靠性可靠性是系統(tǒng)軟件最重要的指標(biāo)之一，作為能夠穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)，抗干擾技術(shù)的應(yīng)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(shí)，系統(tǒng)還能恢復(fù)正常工作。 系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊。其中，應(yīng)用程序是一個(gè)無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成是后臺行為。后臺也可以叫做任務(wù)級。時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作叩一定是靠中斷服務(wù)來保證的。 前后臺系統(tǒng) 由于整個(gè)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(shè)計(jì)。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。下面就介紹本系統(tǒng)幾個(gè)主要的程序模塊。然后等待溫度設(shè)定，若溫度已經(jīng)設(shè)定好了，判斷系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下，若系統(tǒng)運(yùn)行，則依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。主程序在整個(gè)程序中起著至關(guān)重要的作用，是各個(gè)子程序聯(lián)系的樞紐。開 始液晶、溫度采集、中斷等各部分的程序初始化采 集 當(dāng) 前 溫 度 液晶、數(shù)碼管顯示DS_MAXDS_MIN當(dāng)前溫度比 設(shè)定溫度維持狀態(tài)繼電器關(guān)繼電器開NO 中斷？YES設(shè)定—溫度鍵盤掃描 主程序流程圖對于不同的的環(huán)境，我們所設(shè)定的溫度范圍不一樣，所以我們必須能重設(shè)置溫度范圍。 數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是負(fù)責(zé)溫度信號的采集以及將采集到的溫度模擬量信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量信號提供給單片機(jī)。因?yàn)閿?shù)字溫度傳感器DS18B20能將外界的溫度直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，直接送入單片機(jī)處理就行了，就不用在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化器將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，這樣就方便了很多而且抗干擾能力強(qiáng)。中斷系統(tǒng)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中占有非常重要的角色，其中前后臺的應(yīng)用最為實(shí)用，中斷系統(tǒng)能幫助我們及時(shí)處理重要事務(wù)，出現(xiàn)故障能進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，中斷還能夠節(jié)約大量的CPU資源，就比如查詢方式來說中斷查詢方式要比軟件查詢方式要來得方便，可靠且節(jié)約內(nèi)存等，中斷系統(tǒng)對單片機(jī)來說是占有不可或缺的地位，限于篇幅，只介紹中斷處理子程序。在該中斷響應(yīng)中，單片機(jī)要完成數(shù)字濾波、判斷是否越限、判斷是否報(bào)警、鍵盤掃描及溫度采集、繼續(xù)顯示當(dāng)前溫度、與設(shè)定值進(jìn)行比較，調(diào)用PID算法子程序并輸出控制信號等功能。其流程為：開始→T0中斷初始化→中斷時(shí)間到→進(jìn)入中斷→執(zhí)行相應(yīng)程序→結(jié)束。在該中斷的響應(yīng)過程中， 系統(tǒng)進(jìn)入溫度設(shè)子顯示界面，并且不斷掃描鍵盤子程序。其流程為：開始→外部中斷初始化→等待外部中斷響應(yīng)→進(jìn)入設(shè)置溫度界面→鍵盤掃描→設(shè)置溫度→結(jié)束。： 外部中斷INT0中斷程序流程圖 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(gè)個(gè)方面來考慮（1）按鍵的軟件消抖措施 按鍵是一個(gè)機(jī)械開關(guān)，當(dāng)鍵按下時(shí)，開關(guān)閉合。其特點(diǎn)之一就是它的抖動(dòng)性，這是由按鍵的機(jī)械特性所決定的，抖動(dòng)的時(shí)間一般約為10ms一20ms。另一種是用軟件延時(shí)的方法來解決，即利用軟件的延時(shí)避開按鍵的按下與抬起時(shí)都有的抖動(dòng)期，從而避免檢測到干擾信號。附錄中給出了延時(shí)程序的源程序