【正文】 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 17 軟件的功能模塊組成 17 17 18 19 19。在不同的領(lǐng)域內(nèi)，由于控制環(huán)境、目標、成本等因素，需要針對具體情況來設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，以取得最佳的控制效果。溫度是工業(yè)上常見的被控參數(shù)之一，溫度控制系統(tǒng)被廣泛應用于加熱爐、熱處理爐、反應爐等。但是由于傳統(tǒng)的信號調(diào)理電路實現(xiàn)復雜、易受干擾、不易控制且精度不高。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，超大規(guī)模集成化技術(shù)的發(fā)展，電子信息技術(shù)、微型單片機技術(shù)的應用變得越來越廣泛，微電子技術(shù)也得到了極大地改進。當然其價格也是越來越高。 目前，國內(nèi)在溫室自動控制方面的研究已經(jīng)實現(xiàn)了在一定面積內(nèi)對各種環(huán)境因子的綜合控制。 當前，國內(nèi)外利用單片機的溫室控制系統(tǒng)軟硬件實施方式主要有三種類型。這種類型的自動控制系統(tǒng)一般以單片機為核心，包括輸入模塊、控制模塊、輸出模塊等。軟件設(shè)計一般采用中斷技術(shù)定時采集環(huán)境因子參數(shù)，然后經(jīng)過相關(guān)的標度轉(zhuǎn)換得到環(huán)境因子的參數(shù)化值，再通過一定的控制算法與設(shè)定值進行比較從而對外設(shè)進行控制，一般常用的控制算法是數(shù)字PID 控制算法，這種算法經(jīng)過改進可以實現(xiàn)較為穩(wěn)定和精確的控制。 畢業(yè)設(shè)計的主要任務(wù)和目標本篇論文針對溫度類控制使用成本比較高，以AT89C51單片機為核心實現(xiàn)溫度自動控制，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20采集溫度信息，這樣不僅節(jié)省端口資源，而且還簡化了電路結(jié)構(gòu)。為了簡化鍵盤的硬件結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用了手撥按鈕。2 總體設(shè)計方案在能夠?qū)崿F(xiàn)本系統(tǒng)功能的前提下，考慮到設(shè)計的成本，我選擇了AT89C51單片機芯片作為本系統(tǒng)的核心部分。因此，將AT89C51作為接口芯片使用，既經(jīng)濟又實用。CPU可以直接讀取轉(zhuǎn)換后的溫度值，而不需要另外接A/D轉(zhuǎn)換器。其物理性能穩(wěn)定，線性較好，在0—90℃之間，最大線性偏差小于1℃。由于我設(shè)計的這個溫度控制系統(tǒng)主要是應用于較小空間（像恒溫箱、育嬰箱等），所以只采用了一個DS18B20傳感器進行溫度采集。如果采集到的溫度值高于用戶設(shè)定的溫度值時，單片機會通過另外一個端口發(fā)出一個低電平的脈沖電流送給另一個雙向晶閘管觸發(fā)電路，啟動制冷裝置，來降低溫度。在整個調(diào)節(jié)過程中，用戶通過鍵盤輸入想要的溫度值，LED數(shù)碼顯示器用來顯示傳感器測量的溫度值和用戶設(shè)置的溫度值。溫度自動控制系統(tǒng)的原理框圖如圖21所示。這種類型的自動控制系統(tǒng)一般以單片機為核心，包括輸入模塊、控制模塊、輸出模塊等。軟件設(shè)計一般采用中斷技術(shù)定時采集環(huán)境因子參數(shù)，然后經(jīng)過相關(guān)的標度轉(zhuǎn)換得到環(huán)境因子的參數(shù)化值，再通過一定的控制算法與設(shè)定值進行比較從而對外設(shè)進行控制，一般常用的控制算法是數(shù)字PID 控制算法，這種算法經(jīng)過改進可以實現(xiàn)較為穩(wěn)定和精確的控制。 具體的功能分析 本系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心實現(xiàn)溫度自動控制，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20采集溫度信息，這樣不僅節(jié)省端口資源，而且還簡化了電路結(jié)構(gòu)。為了簡化鍵盤的硬件結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用了手撥按鈕。 具體的信息要求 本系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心實現(xiàn)溫度自動控制，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20采集溫度信息，這樣不僅節(jié)省端口資源，而且還簡化了電路結(jié)構(gòu)。 實現(xiàn)方案方案一直接使用單片機以及其他一些外圍芯片作為數(shù)據(jù)采集和控制的裝置，不使用上位PC 機做數(shù)據(jù)處理。硬件電路一般由溫度傳感器及模擬信號處理電路、A/D 轉(zhuǎn)換器、單片機、D/A 轉(zhuǎn)換器、LED（或LCD）顯示器及微打印機、簡易鍵盤、指示報警裝置等組成，即為一個單片機的最小應用系統(tǒng)，實現(xiàn)基本的輸入輸出功能和簡單的控制功能。方案二是我選用的方案，本系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心實現(xiàn)溫度自動控制，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20采集溫度信息，這樣不僅節(jié)省端口資源，而且還簡化了電路結(jié)構(gòu)。為了簡化鍵盤的硬件結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用了手撥按鈕。本次設(shè)計基于單片機這個平臺完成設(shè)計。下面將對各個硬件電路模塊的設(shè)計做詳細地說明。 AT89C51單片機（1）AT89C51的簡介AT89C51是一種帶有4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，即單片機。AT89C51單片機采用了ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造而成，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出引腳相兼容。（3）AT89C51單片機的引腳與封裝AT89C51單片機的封裝有PDIP、PLCC及PQFP共3種形式，常用PDIP封裝方式。圖31 AT89C51單片機引腳圖AT89C51共40個引腳，可分為4類：1　 電源引腳Vcc：電源端，+5V。2　 時鐘電路引腳XTAL1：外接晶振輸入端。3　 I/O引腳～：一組8位漏極開路型雙向I/O口，也是地址/數(shù)據(jù)總線復用口。～：一組內(nèi)部帶上拉電阻的8位準雙向I/O口，可驅(qū)動4個TTL門電路。當訪問片外存儲器時，用作高8位地址總線。出于芯片引腳數(shù)的限制，P3口每個引腳具有第二功能，如表21所示。當RESET端出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期以上的高電平時，可實現(xiàn)復位操作。/EA/VPP：片外程序存儲器選擇端/Flash存儲器編程電源。Vpp端用于Flash存儲器編程時的編程允許電源輸入端。當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，/ALE輸出脈沖用于鎖存P0口分時送出的低8位地址（下降沿有效）。在內(nèi)部Flash存儲器編程期間，該引腳用于輸入編程脈沖。當AT89C51從外部程序存儲器取指令時，該引腳有效（上升沿）。管腳名字備用功能RXD串行輸入口TXD串行輸出口/INT0外部中斷0/INT1外部中斷1T0計時器0外部輸入T1計時器1外部輸入/WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通/RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通表31 P3口第二功能表 時鐘電路由于單片機內(nèi)部是由各種各樣的數(shù)字邏輯器件構(gòu)成，這些數(shù)字器件的工作必須按時間順序完成，這種時間順序就是時序。時鐘電路的產(chǎn)生方式為：在XTAL1和XTAL2引腳之間外接石英晶體振蕩器及量諧振電容，如圖32所示。圖32 時鐘電路將石英晶體振蕩器的振蕩頻率進行二分頻，就構(gòu)成了狀態(tài)周期，一個狀態(tài)周期等于兩個時鐘周期。它是由不同指令決定時間長短的。要實現(xiàn)復位操作，只需在AT89C51單片機的RESET引腳上施加5ms以上的高電平信號就可以了。本系統(tǒng)采用上電且按鈕復位形式，如圖33所示。當單片機已在運行時，按復位鍵，也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且按鈕復位的操作。圖33 復位電路圖 信息采集模塊—數(shù)字式溫度傳感器DS18B20DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配處理器等優(yōu)點，特別適用于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號（提供9位二進制數(shù)字）給單片機處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統(tǒng)。2　 無需外部轉(zhuǎn)換元件；3　 可編程分辨率9～12位，℃、℃、℃；4　 12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，靈敏度大為提高；5　 負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；（2）DS18B20的引腳及說明如圖34所示。64位ROM單線接口溫度靈敏元件8位CRC生成器高速緩存存儲器存儲器和控制器電源檢測高溫觸發(fā)器TH配置寄存器低溫觸發(fā)器TL圖35 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（4）DS18B20的溫度計算每個DS18B20有唯一的64位序號，該序號存放在各自的ROM中。當檢測到正溫度時S為0，當檢測到負溫度時S為1。DS18B20的分辨率為。（5）DS18B20與AT89C51單片機的連接電路如圖36所示。用于控制是否設(shè)置溫度，我選用手撥開關(guān)。當用戶想要設(shè)置溫度值時，就按手撥開關(guān)的ON端，用戶設(shè)置好了溫度值后，再按手撥開關(guān)的OFF端，即可完成設(shè)置溫度。如圖37所示。當用戶想要在系統(tǒng)默認的溫度值的基礎(chǔ)上調(diào)整溫度的話，先按下手撥開關(guān)的ON端，再按上調(diào)按鈕，這樣就可以實現(xiàn)增加溫度設(shè)定值；如果按下調(diào)按鈕，則實現(xiàn)減小溫度設(shè)定值。如圖37所示。所以我選擇2個LED數(shù)碼管顯示器，用按鍵控制顯示的溫度是實時溫度值還是設(shè)置的溫度值，這樣不僅使程序簡單化，也降低了成本。圖37 鍵盤模塊電路圖系統(tǒng)啟動后，默認顯示的是實時溫度值，如果用戶想要看設(shè)定的溫度值的話，按下按鈕顯示器就會顯示出來設(shè)置的溫度值。使用鍵盤時，如果有抖動現(xiàn)象的話，輕微的抖動會對輸入的信號產(chǎn)生干擾。消除抖動的方法通常有兩種，硬件消除抖動和軟件消除抖動。軟件消除抖動就是在檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時子程序，然后確認鍵電平是否仍然保持鍵按下的狀態(tài)電平，如果是，則認為有鍵按下。軟件消除抖動節(jié)省了硬件，并且處理靈活，但是占用CPU時間較長。 顯示模塊本設(shè)計的目的主要是應用于像育嬰室、花店的鮮花儲存室之類的小空間、并且對溫度精度要求不是很高的地方。因此我只選擇了2個LED數(shù)碼管顯示。當某些段的發(fā)光二極管導通時，顯示對應的字符。LED數(shù)碼管顯示器的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖38所示。若采樣共陰極接法，輸入高電平時發(fā)光二極管點亮；若采用共陽極接法，輸入低電平時發(fā)光二極管點亮。 （a）數(shù)碼管引腳圖 （b）共陰極 （c）共陽極 圖38 二極管結(jié)構(gòu)圖7段覆蓋二極管各字型碼的對應關(guān)系如表32所示。表33 LED顯示器顯示的十六進制數(shù)的共陰極字型碼顯示字符012345678共陰極碼3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH顯示字符9ABCDEF