【正文】 的目的。在早期對(duì)溫度溫控制的要求主要是在化工、冶煉生產(chǎn)上，比如在大棚蔬菜空氣溫度控制就對(duì)大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有不可替代的作用，現(xiàn)在隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，用單片機(jī)和相關(guān)的電子器件構(gòu)成的空氣溫控制系統(tǒng)在控制精度以及各項(xiàng)參數(shù)上有空前的提高，控制的領(lǐng)域也有很大的擴(kuò)展，目前以單片機(jī)為核心的空氣溫控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。在生產(chǎn)中，一些現(xiàn)代化生產(chǎn)車間里，尤其是在化工廠里，某些產(chǎn)品加工需要在一定的溫度下才能進(jìn)行。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本方案 該數(shù)字恒溫加熱器主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)、溫度采集電路、后向通道（溫度控制電路）、鍵盤顯示電路等四部分組成，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖21所示。單片機(jī)控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，配合溫度傳感器，信號(hào)處理電路，顯示電路，輸出控制電路組成，軟件選用C語言編程。功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成，硬件部分主要完成各種傳感器信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換，各種信息的顯示；軟件主要完成信號(hào)的處理及控制功能等。后向通道是系統(tǒng)的溫度控制電路，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)總是要對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制操作，因此，在這樣的系統(tǒng)中，需要有后向通道。系統(tǒng)的后向通道是一個(gè)輸出通道，其特點(diǎn)是弱電控制強(qiáng)電，即小信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)大功率控制。鍵盤功能主要有按鍵識(shí)別、去抖、重鍵處理、發(fā)送掃描碼、自動(dòng)重發(fā)、接收鍵盤命令、處理命令等。根據(jù)題目要求系統(tǒng)模塊可以劃分為：控制器模塊，溫度調(diào)節(jié)裝置模塊，溫度采集模塊，鍵盤與顯示模塊四個(gè)部分，下面我們主要講解前三個(gè)模塊。 STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)采用STC89C52芯片為CPU。STC89C52單片機(jī)適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。掌握STC89C52單片機(jī)，應(yīng)首先了解STC89C52的引腳，熟悉并牢記各引腳的功能。這40條引腳可分為I/O端口線（32條）、控制線（4條）、電源線（2條）、外接晶體線（2條）四部分， STC89C52腳排列如圖22所示。(2) 時(shí)鐘電路引腳XTAL1:外接晶振輸入端； XTAL2:外接晶振輸出端。作入/輸出口時(shí)，必須外接上拉電阻，它可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電路。—: 一組內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門電路。當(dāng)訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，用作高8位地址總線。出于芯片引腳數(shù)的限制，P3端口每個(gè)引腳具有第二功能。當(dāng)RESET端出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。若要訪問外部程序存儲(chǔ)器則EA/Vpp端必須保持低電平。復(fù)位信號(hào)是高電平有效。若時(shí)鐘頻率為6MHz，則復(fù)位信號(hào)至少應(yīng)持續(xù)4微秒以上，才可以使單片機(jī)復(fù)位。電路圖23 按鍵復(fù)位電路如下圖23所示。這樣在RST端就會(huì)建立一個(gè)脈沖電壓，調(diào)節(jié)電容與電阻的大小可對(duì)脈沖持續(xù)的時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于單片機(jī)內(nèi)部是由各種各樣的數(shù)字邏輯器件(如觸發(fā)器寄存器存儲(chǔ)器等)構(gòu)成，這些數(shù)字器件的工作必須按時(shí)間順序完成，這種時(shí)間順序就稱為時(shí)序。此次設(shè)計(jì)中，我們采用由內(nèi)部方式產(chǎn)生時(shí)鐘的方法形成時(shí)鐘電路，具體如圖24所示。時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻，即若石英頻率fosc＝12MHZ，則時(shí)鐘頻率＝6MHZ，因此時(shí)鐘是一個(gè)雙相信號(hào)，由P1相和P2相構(gòu)成。小電容可以取30PF左右。當(dāng)設(shè)置溫度大于實(shí)際溫度5度時(shí)，換取1v電壓加熱，當(dāng)設(shè)置溫度小于實(shí)際溫度5度時(shí)，當(dāng)設(shè)置溫度等于空氣溫度，關(guān)閉加熱，換取0v電壓加熱。因此對(duì)加熱裝置模塊可以選擇以下方案。繼電器無需外加光耦，自身即可實(shí)現(xiàn)電氣隔離。圖25 加熱和降溫控制電路 控制加熱和降溫電路由圖25可以知道本設(shè)計(jì)是由四個(gè)繼電器來控制恒溫的，而且都采用的是型號(hào)是HRS1H型號(hào)的5V繼電器，加熱是由左邊3個(gè)繼電器來控制的，降溫是由最右邊的一個(gè)繼電器來控制的，而各個(gè)繼電器的導(dǎo)通與否是由單片機(jī)控制，而由于單片機(jī)的輸出電流小的原因，需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)控制繼電器的導(dǎo)通，由于采用NPN電路需要加上拉電阻切存在上位5V的原因容易造成三極管燒壞，我采用PNP8085的三極管作為繼電器的驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)集成運(yùn)算放大電路分析可知圖29電路是由恒流電子負(fù)載，一個(gè)電壓跟隨器，和同比例放大電路構(gòu)成，下面我們分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行分析。如果R3 上的電壓大于VREF時(shí)，IN 大于+IN，OP07 減小輸出，也就降了R3 上的電流，這樣電路最終維持在恒定的給值上，也就實(shí)現(xiàn)了恒流工作。如采用DAC 輸入可實(shí)現(xiàn)數(shù)控恒流電子負(fù)載。現(xiàn)在越來越多的電子電路都在使用場(chǎng)效應(yīng)管，特別是在音響領(lǐng)域更是如此，場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管不同，它是一種電壓控制器件(晶體管是電流控制器件)，其特性更象電子管，它具有很高的輸入阻抗，較大的功率增益，由于是電壓控制器件所以噪聲小， 場(chǎng)效應(yīng)管是一種單極型晶體管，它只有一個(gè)PN結(jié)，在零偏壓的狀態(tài)下，它是導(dǎo)通的，如果在其柵極(G)和源極(S)之間加上一個(gè)反向偏壓(稱柵極偏壓)在反向電場(chǎng)作用下PN變厚(稱耗盡區(qū))溝道變窄，其漏極電流將變小，(反向偏壓達(dá)到一定時(shí)，耗盡區(qū)將完全溝道夾斷，此時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)的反向偏壓我們稱之為夾斷電壓，用VPO表示，它與柵極電壓VGS和漏極電壓VDS之間可近以表示為VPO=VPS+|VGS|，這里|VGS|是VGS的絕對(duì)值. 在制造場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，如果在柵極材料加入之前，在溝道上先加上一層很薄的絕緣層的話，則將會(huì)大大地減小柵極電流，也大大地增加其輸入阻抗，由于這一絕緣層的存在，場(chǎng)效應(yīng)管可工作在正的偏置狀態(tài)，我們稱這種場(chǎng)效應(yīng)管為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，又稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管，所以場(chǎng)效應(yīng)管有兩種類型，一種是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，它可工作在反向偏置，零偏置和正向偏置狀態(tài)，一種是結(jié)型柵型效應(yīng)管，我們稱在正常情況下導(dǎo)通的為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管。(二) OP07的簡(jiǎn)介在整個(gè)電路中都設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器OP07的運(yùn)用，下面我們先介紹下OP07的特點(diǎn)和功能，OP07的管腳示意圖如27。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。2) 低輸入偏置電流： 。4) 超穩(wěn)定，時(shí)間： 2μV/month最大5) 高電源電壓范圍： 177。22VOP07功能介紹：1) 低的輸入噪聲電壓幅度— ( ～ 10HZ)；2) 極低的輸入失調(diào)電壓—10μV；3) ℃；4) 具有長期的穩(wěn)定性—；5) 低的輸入偏置電流—177。14V；8) 寬的電源電壓范圍—177。 22V；9) 可替代72108A、74AD510 等放大器。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。 在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級(jí)及隔離級(jí)。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來從中進(jìn)行緩沖。應(yīng)用電壓跟隨器的另外一個(gè)好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。但是由于引入了大環(huán)路負(fù)反饋電路，揚(yáng)聲器的反電動(dòng)勢(shì)就會(huì)通過反饋電路，與輸入信號(hào)疊加。但是，由于放大器的末級(jí)的工作電流變化很大，其失真度很難保證。圖28 同比例放大電路我們?cè)谶@里設(shè)的R5=20k，R3=20k，R4=20k，R2=20k，由同比例放大電路的公式，可知=20k，=R5=20k， =R5=20k，=2，所以閉環(huán)電壓增益系數(shù) =2。整個(gè)電子負(fù)載加熱的原理圖如下圖29所示該溫度采集模塊可以選擇以下方案：采用DS18B20為數(shù)字式溫度傳感器，無需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量。DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，并且直接從DS18B20讀出的信息或?qū)懭?。它在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面帶來了令人滿意的效果。同時(shí)多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 DS18B20結(jié)構(gòu)及引腳功能說明DS18B20的引腳圖210 溫度傳感器DS18B20引腳圖序號(hào)名稱引腳功能描述1GND地信號(hào)2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，當(dāng)被用在寄生電源下，也可以向器件提供電源。表21 DS18B20引腳功能表其測(cè)溫電路的實(shí)現(xiàn)是依靠單片機(jī)軟件的編程上。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的0、1字節(jié)。溫度值格式如表21所示，其中“S”為標(biāo)志位，對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。 DS18B20 初始化和讀/寫時(shí)序由于DS18B20采用的是1－Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)AT89C51單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對(duì)DS18B20芯片的訪問。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。對(duì)于DS18B20的讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。（2）寫流程時(shí)序?qū)τ贒S18B20的寫時(shí)序仍然分為寫0時(shí)序和寫1時(shí)序兩個(gè)過程。 溫度轉(zhuǎn)換算法及分析表22 DS18B20溫度值格式表LS ByteMS ByteSSSSS算法核心：首先程序判斷溫度是否是零下，如果是，則DS18B20保存的是溫度的補(bǔ)碼值，需要對(duì)其低8位（LS Byte）取反加一變成原碼。由于小數(shù)位沒有用，默認(rèn)情況是置為0，在顯示屏上沒有任何顯示。表23 ROM操作命令表指令代碼Read ROM (讀ROM)33HMatch ROM (匹配ROM)55HSkip ROM (跳過ROM)CCHSearch ROM (搜索ROM)F0HAlarm search (告警搜索)ECH （3）RAM操作命令 （如表24）表24 RAM操作命令表指令約定代碼溫度變換44H讀存儲(chǔ)器0BEH寫存儲(chǔ)器4EH復(fù)制存儲(chǔ)器48H重調(diào)EEPROM0B8H讀供電方式0B4H DS18B20 溫度采集電路圖在本設(shè)計(jì)中，由DS18B20組建溫度采集系統(tǒng)。詳細(xì)的采集電路如圖211所示。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會(huì)更加深刻。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。本次設(shè)計(jì)中，主要使用Keil軟件對(duì)高精度溫度計(jì)的源程序（C語言）進(jìn)行編輯和檢驗(yàn)。該軟件功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，易學(xué)易用，仍然是大中院校電學(xué)專業(yè)必學(xué)課程，同時(shí)也是業(yè)界人士首選的電路板