【正文】 下限報警功能，實現(xiàn)超限報警蜂鳴器報警提示；（5）當(dāng)實際溫度值低于設(shè)定的溫度下限時，加熱器啟動，開始升溫；（6）當(dāng)實際溫度值高于設(shè)定的溫度上限時，加熱器關(guān)閉，而風(fēng)扇開始啟動，進行降溫。單片機的低電平使三極管導(dǎo)通，從而驅(qū)動蜂鳴器工作產(chǎn)生報警聲。模擬控制電路的各個控制環(huán)節(jié)一般由電壓大小比較器、信號運算放大器、電容電阻等外圍元器件、模擬集成電路組成。本系統(tǒng)的被測量是溫度，溫度是連續(xù)變化的信號，相對變化緩慢的，此外對系統(tǒng)的實時性要求不高，所以模擬電路的優(yōu)勢得不到發(fā)揮。單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)[19]。因此，采用單片機設(shè)計控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。從降低成本，元器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟實用的。數(shù)據(jù)采集部分使用帶有A/D轉(zhuǎn)換模塊的單片機。此方案由于熱電偶工作溫度范圍非常寬，存在輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路噪聲影響以及漂移較高等等缺點，而且測溫電路比較麻煩。系統(tǒng)的特點很多：①測量精度高、分辨率好、寬泛的測量范圍；②抗干擾，穩(wěn)定；③數(shù)字信號方便處理、傳輸以及控制；④能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)多路測量，并且直觀的讀出數(shù)值；⑤安裝維護簡單方便，且具有高可靠性。對比之后，方案2更適合于作為本系統(tǒng)的測溫部分實施方案?！耙痪€總線”功能，使組建傳感器網(wǎng)絡(luò)變得輕松，在構(gòu)建測量系統(tǒng)理論方面引進了全新的概念。DS18B20可以改變出廠設(shè)置程序，設(shè)定9~12位的不同的分辨率，測溫精度達到177。還可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中較好的，性價比也較好。℃；6）DS18B20的分辨率可以通過內(nèi)部程序修改得以改變，9～12位的不同分辨率，℃、℃、℃℃；7），12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快；8）測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼；9）DS18B20不會因為電源極性接反了而導(dǎo)致發(fā)熱繼而燒毀元件，然而DS18B20不會正常運作。DS18B20由64位光刻ROM、溫度報警觸發(fā)器TH和TL、溫度傳感器、配置寄存器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖32所示。2)GND是接地端；3)VDD 是外部電源輸入端（如果采用寄生電源方式，此端口為接地端）。溫度檢測和數(shù)據(jù)處理構(gòu)成了一個完整的工作周期。DS18B20內(nèi)部有64位ROM；RAM數(shù)據(jù)暫存器，掉電后，數(shù)據(jù)容易丟失，DS18B20有9個字節(jié)RAM，每個字節(jié)由8位組成。（6）DS18B20的4個數(shù)據(jù)元件： 1）光刻ROM中的64位序列號在出廠前已被設(shè)置好，可以當(dāng)作DS18B20的地址序列碼。光刻ROM使每一個DS18B20都不相同，這樣就能在一根總線上掛接多個DS18B20。舉例12位分辨率轉(zhuǎn)化，以二進制補碼的16位符號形式展示，如表31所示。例如+85℃的數(shù)字對應(yīng)的十六進制輸出為0550H，+℃的數(shù)字輸出為00A2H，55℃的數(shù)字輸出為FC90H，如表31所示。4）配置寄存器寄存器各位如表32所示。低五位填1。一般情況，DS18B20出廠時，TM設(shè)置為0，不需改動。表33 分辨率設(shè)置表R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時間009位0110位1011位375ms1112位750ms（7）高速暫存寄存器高速暫存寄存器由9個字節(jié)組成，其分配如表34所示。表34 DS18B20暫存寄存器寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位（LS Byte）0寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值高位（MS Byte）1高溫限值（TH）2低溫限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校驗值8單片機通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表35所示。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。表36 ROM指令指令約定代碼功能讀ROM33H讀DS18B20芯片ROM中的編碼。搜索ROM0F0H確定同一總線上，DS18B20的個數(shù)和識別64位ROM地址，為運行各器件作好準(zhǔn)備。警告搜索命令0ECH當(dāng)溫度超限的片子才做出這個響應(yīng)。這樣動作后，DS18B20才能獲得預(yù)定的操作。若主CPU收到這個信號，則代表復(fù)位成功。讀暫存器0BEH讀出RAM中9字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，之后，傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。重調(diào)EEPROM0B8H將E2PROM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM 中的第4字節(jié)。本次測溫系統(tǒng)，考慮到針對室溫、水溫等等常見的環(huán)境，采用了防水型DS18B20溫度探頭如圖33所示。 溫度采集模塊接口電路DS18B20測溫系統(tǒng)測溫簡單、測溫精度高、連接方便、占用端口少等優(yōu)點。 DS18B20最佳的工作方式是外部電源供電方式，穩(wěn)定可靠，抗干擾，電路簡單，還可以開發(fā)多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)外接電源方式時，將DS18B20電源電壓范圍寬的優(yōu)點充分發(fā)揮。如果采用外部電源供電，由VDD引腳接入DS18B20所需的工作電源，這種供電方式使I/O線可以不接強上拉電阻，電源的電流不足問題就得以解決，并且轉(zhuǎn)換精度能夠得以保證，理論上，任意多個DS18B20傳感器可以同時掛接在單總線上，從而實現(xiàn)測溫系統(tǒng)多點測溫。如圖34所示。當(dāng)采用寄生工作時，將1端口（VDD）與數(shù)據(jù)線（DQ）端口并聯(lián)，除此之外，寄生工作方式針對程序也會對數(shù)據(jù)線提出一些特殊的要求，所以比較之下，外部電源供電方式是比較合適。目前市場上流行的芯片主要是C51系列，STC89C52單片機比傳統(tǒng)的51系列8位單片機具有更加豐富的資源，而且數(shù)據(jù)處理速度快，具備單片機最小系統(tǒng)電路外還包括電源電路、復(fù)位電路，體積小，可靠性高。 芯片介紹STC89C52是宏晶公司生產(chǎn)的一種功耗低、性能優(yōu)良的CMOS 8位微型控制器。而且還有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：看門狗定時器，8K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，內(nèi)置4KB EEPROM，32位I/O口線， MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)，4個外部中斷，全雙工串行口。當(dāng)空閑模式時，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口中斷連續(xù)工作。（1）主要特性如下：1）8051 單片機分為6 時鐘/機器周期和12 時鐘/機器周期兩種，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；2) 工作電壓：～（5V 單片機）/～（3V 單片機）；3) 工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051單片機的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz；4) 應(yīng)用程序為8K 字節(jié)空間；5) 片上集成512 字節(jié)RAM；6） 通用I/O 口（32 個），復(fù)位后為：P0/P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻；7）ISP/IAP，無需專用編程器、專用仿真器，可通過串口直接下載已經(jīng)編譯好的程序；8）具有EEPROM 功能；9）還附加看門狗功能；10）3個16 位定時器/計數(shù)器；11）外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)，Power Down 模式可經(jīng)過低電平外部中斷觸發(fā)，喚醒單片機；12）通用異步串行口（UART），多個UART也可以由定時器軟件；（2）STC89C52RC單片機的工作模式：掉電模式：一般功耗，外部中斷可以喚醒單片機；空閑模式：一般功耗2mA；正常工作模式：一般功耗4mA～7mA。圖35 STC89C52引腳功能圖（4）STC89C52引腳功能：P0：8位、漏極開路的雙向I/O口。在程序校驗時期，輸出指令字節(jié)，驗證需加外部上拉電阻。P1：8位、準(zhǔn)雙向I/O口。P1口可以驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。這時，讀兩個特殊引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。當(dāng)使用片外存儲器（ROM及RAM）時，輸出高8位地址。P2口可以驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。P3替代功能強大。串行口：：RXD表示串行輸入口。中斷：：INT0 外部中斷0輸入。定時器/計數(shù)器：：T0 定時器/計數(shù)器的外部輸入端口。：WR 低電平有效，輸出端口，片外數(shù)據(jù)存儲器或I/O端口寫選通。RST：復(fù)位信號，高電平輸入有效。EA/VPP：片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。ALE/PROG：地址鎖存允許信號，輸出。液晶屏顯示器主要原理就是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面并配合背部風(fēng)管構(gòu)成畫面。所以一般的液晶屏可以滿足我們的需求。有字符型液晶顯示器，只能顯示ASCII碼，如數(shù)字，大小寫字母等。本系統(tǒng)實現(xiàn)功能簡單，僅僅顯示數(shù)字即可，所以采用的是字符型顯示器。 （3）寫操作時序：通過 RS 確定是寫數(shù)據(jù)還是寫命令。 將數(shù)據(jù)或命令送達數(shù)據(jù)線上，給 EN 一個高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成寫操作。 溫度顯示模塊接口電路數(shù)據(jù)顯示模塊是人機交互的重要組成部分，對于這部分模塊的設(shè)計的好壞直接影響客戶端的使用效果，其接口電路是系統(tǒng)的關(guān)鍵。其接口電路如圖37所示。 溫度控制及超溫報警模塊當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后超過規(guī)定溫度上限時，單片機通過 輸出控制信號驅(qū)動三極管U14，使繼電器 JDQ1 開啟降溫設(shè)備(風(fēng)扇)，與此同時，單片機通過三極管驅(qū)動揚聲器發(fā)出警笛聲；當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度下限時， ，使繼電器JDQ2開啟升溫設(shè)備(加熱棒)，控制部分具體電路如圖38所示。 具體電路圖如圖39所示。繼電器有輸入和輸出兩個特性參數(shù)，主要的參數(shù)為額定輸入電壓、額定輸出電流、浪涌電流。如果單片機發(fā)出的是TTL或CMOS等邏輯電平時，就應(yīng)該使用負(fù)載能力強的低電平來驅(qū)動控制通路，在設(shè)計電路的過程中，也應(yīng)該盡可能設(shè)置“0” V。因為工業(yè)生產(chǎn)中設(shè)備一般需要大電壓來控制，而單片機系統(tǒng)輸出的為TTL電平，這種電平不能直接驅(qū)動外部設(shè)備。因此，在開關(guān)量的輸出控制過程中要考慮到兩個問題，一要隔離；而二要放大。由于單片機管腳的灌電流比拉電流容量大，因此電路設(shè)計為低電平輸出時蜂鳴器響，高電平關(guān)閉。 溫度設(shè)定模塊對于溫度上下限的設(shè)定，設(shè)置了4個獨立按鍵構(gòu)成按鍵電路，獨立式按鍵接口就是各按鍵相互獨立，每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。這種按鍵接線電路：靈活性好，編寫軟件簡單；缺點：不可避免的會使每個按鍵對應(yīng)一根I/O口線，如果按鍵設(shè)置的比較多時，I/O端口就會被浪費，在繪圖時，也會使電路看起來復(fù)雜。具體電路如圖310所示。電源適配器主要構(gòu)件是電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路，從而把交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。圖311 電源供電模塊 時鐘模塊時鐘電路是單片機重要的一部分，它產(chǎn)生機器周期，使單片機正常工作。在STC89C52內(nèi)部，安裝了反相振蕩放大器，XTAL1端口對應(yīng)振蕩放大器的輸入端，XTAL2端口對應(yīng)振蕩放大器的輸出端。本設(shè)計采用的晶振頻率為12MHz。在使用外部時鐘時，外部時鐘必須從XTAL1輸入，而XTAL2懸空。圖312 時鐘電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 程序結(jié)構(gòu)分析在微機測控系統(tǒng)中，軟件與硬件同樣重要。由于整個系統(tǒng)軟件相對龐大，為了便于編寫、調(diào)試、修改刪減，軟件采取了模塊化設(shè)計方式。系統(tǒng)軟件主要由主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示模塊子程序等組成。然后等待溫度設(shè)定，系統(tǒng)運行后，則依次調(diào)用各個相關(guān)模塊程序，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運行。主程序在整個程序中起著至關(guān)重要的作用，是各個子程序聯(lián)系的樞紐。溫度TH?開始開始液晶顯示、溫度傳感器、中斷等各部分的程序初始化測量水的溫度讀取、顯示溫度蜂鳴器工作溫度TH或TL？按鍵掃描繼電器1啟動加熱棒繼電器2啟動風(fēng)扇是是否否u 圖41 主程序流程圖 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊是將溫度信號采集到，并且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，從而傳送給單片機。這樣，軟件程序也簡化了不少。如圖42所示。在該中斷的響應(yīng)過程中，系統(tǒng)進入穩(wěn)定設(shè)計界面，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)→進入設(shè)置溫度界面→鍵盤掃描→設(shè)置溫度→結(jié)束。開始中斷初始化按鍵按下？進入設(shè)置溫度狀態(tài)設(shè)置溫度鍵值掃描結(jié)束否是按鍵按下？是否圖43 按鍵掃描流程圖 溫度顯示模塊顯示部分采用技術(shù)已經(jīng)成熟且價格便宜的1602液晶顯示器作為輸出顯示。內(nèi)置128個字符的ASCII字符集字庫，只有并行接口，無串行接口。其流程圖：開始→液晶顯示初始化→檢測忙碌信號→寫入顯示RAM地址→寫入顯示的數(shù)據(jù)→顯示在液晶→結(jié)束。開始液晶顯示初始化忙碌信號檢測寫入RAM地址寫入顯示數(shù)據(jù)顯示在液晶上結(jié)束中斷？是否圖44 液晶顯示流程圖 溫度超限蜂鳴模塊本系統(tǒng)設(shè)計的報警電路比較簡單，由一個自我振蕩型蜂鳴器（在蜂鳴器兩端加上5V電壓，蜂鳴器就會發(fā)出聲音）、一個發(fā)光二極管和一個PNP型三極管組成。當(dāng)溫度達到一定的上限或者下限時，報警電路開始工作。流程圖如圖45所示。把傳感器理論與單片機實際應(yīng)用結(jié)合起來，利用溫度傳感器DS18B20測量環(huán)境溫度，以及實現(xiàn)串口通信的過程。 單片機控制外圍電路由LCD1602液晶顯示器顯示傳感器測得的實際溫度，由獨立按鍵設(shè)置溫度上下限，蜂鳴器根據(jù)實際溫度與溫度上下限的比較，發(fā)出報警。 系統(tǒng)原理圖說明系統(tǒng)原理圖如圖51所示。XTALXTAL2引腳接外部晶振，為系統(tǒng)提供工作頻率。四