基于單片機(jī)的自動消毒柜控制器

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來，多種傳染性疾病的傳播促使一種全新的便攜式消毒設(shè)備的出現(xiàn)。為了滿足家用和醫(yī)用要求，本文設(shè)計(jì)一種由單片機(jī)89C51控制的便攜式多功能消毒系統(tǒng)。設(shè)計(jì)選用了高溫消毒，紫外消毒，和臭氧消毒的方法，可根據(jù)不同的要求自行設(shè)計(jì)消毒參數(shù)。高溫消毒部分采用了可控加熱和溫度檢測電路。溫度檢測電路選用DS18B20傳感器，它不需要外部電源，因

2、為它可以自身供電（“寄生電源”）。DS18B20只有一根口線（單線制），可以與微處理器直接相連（或接地）即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，在使用中不需要任何外圍元件。測溫范圍是-55℃~125℃。臭氧濃度測量系統(tǒng)采用數(shù)字濾波核技術(shù)去除氣路切換造成的測量粗差，提高和確保了系統(tǒng)測量精度與準(zhǔn)確性，該系統(tǒng)能夠與數(shù)控型臭氧發(fā)生器電源供電系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)臭氧生產(chǎn)的閉環(huán)控制?？刂品矫娌捎昧薖ID調(diào)解，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，操作更方便。</p&g

3、t;<p>　　關(guān)鍵詞：DS18B20 臭氧 紫外吸收 溫度控制</p><p>　　Title: Portable multi-purpose decontamination system</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, a variety of

4、 infectious diseases prompted the emergence of new portable disinfection equipment.To enough the domestic and medical requirements of this, design a portable multifunctional system of disinfection controlled by single ch

5、ip-Microcomputer 89C51. We can choose the method of a high temperature disinfection, ultraviolet disinfection and ozone disinfection and may be based on different requirements design disinfection parameters. The part of

6、high temperature disinfection u</p><p>　　Key words: DS18B20 ozone ultraviolet absorbing temperature control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b>&

7、lt;/p><p>　　1.1 選題背境1</p><p>　　1.2 消毒技術(shù)規(guī)范1</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)3</p><p>　　1.3.1 高溫消毒原理3</p><p>　　1.3.2 臭氧消毒原理3</p><p>　　1.3.3 紫外消毒原理6<

8、;/p><p>　　第二章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.1 單片機(jī)的選擇7</p><p>　　2.2　溫度檢測電路的設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.2.1 溫度檢測電器元件的特性8</p><p>　　2.2.2 溫度檢測電路元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8</p><p>　　2.

9、2.3 溫度檢測元件DS18B20的測溫原理11</p><p>　　2.2.4 溫度檢測電路與89C51的接口設(shè)計(jì)12</p><p>　　2.3 臭氧濃度檢測電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　2.3.1臭氧濃度傳感變換器13</p><p>　　2.3.2 臭氧濃度信號采集與A/D轉(zhuǎn)換14</p><

10、p>　　2.4 光控雙向可控硅控制加熱電路15</p><p>　　2.5 繼電器控制的臭氧發(fā)生電路16</p><p>　　2.6 LED顯示器接口電路和鍵盤電路18</p><p>　　2.6.1 LED顯示器結(jié)構(gòu)18</p><p>　　2.6.2 LED顯示器的工作原理19</p><p&

11、gt;　　2.6.3 LED顯示器與89C51的接口電路20</p><p>　　2.7 電源電路的設(shè)計(jì)21</p><p>　　第三章 總體電路和設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.1 單片機(jī)的最小系統(tǒng)22</p><p>　　3.1.1 時(shí)鐘電路22</p><p>　　3.1.2 復(fù)位電路2

12、3</p><p>　　3.2 總體電路實(shí)現(xiàn)25</p><p>　　第四章 控制算法26</p><p>　　4.1 PID 調(diào)節(jié)的簡介26</p><p>　　4.2 數(shù)字PID的調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法27</p><p>　　4.2.1 采樣周期的確定27</p><p>

13、　　4.2.2 試湊法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)28</p><p>　　第五章 軟件設(shè)計(jì)29</p><p>　　5.1 ROM命令和存儲器命令29</p><p>　　5.2 DS18B20的工作時(shí)序29</p><p>　　5.3 程序設(shè)計(jì)31</p><p><b>　　結(jié) 論40&l

14、t;/b></p><p><b>　　致 謝41</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)42</b></p><p><b>　　附 錄44</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p&

15、gt;<b>　　1.1 選題背境</b></p><p>　　近年來，人類生存的健康問題多次成為世界的焦點(diǎn)問題。歐洲的瘋牛病、中國的非典和之后出現(xiàn)的禽流感，人們的生活日益受到新的細(xì)菌病毒的威脅，而人類原本能夠控制的病毒也在隨著各種藥物的不合理使用變得更加難以對付。人們對生活水平的更高要求，促使一種全新的便攜式消毒設(shè)備的出現(xiàn)。</p><p>　　如今在不少地區(qū)對一

16、些餐飲單位（主要是面館、火鍋店及其他攤點(diǎn)）實(shí)行的是集中式餐具消毒，由集中式餐具消毒公司提供。所謂餐具集中消毒，就是把公共餐具由一家一戶簡陋的作坊式清洗消毒，轉(zhuǎn)為用現(xiàn)代化清洗設(shè)備進(jìn)行專業(yè)清洗消毒。集中消毒需經(jīng)餐具回收、浸泡、粗洗、精洗、風(fēng)干、消毒、獨(dú)立封裝等多道工序，并在380攝氏度高溫下經(jīng)紅外線殺菌，能將餐具上殘留的細(xì)菌殺死。餐館不用購買碗筷、餐巾紙等餐具，而由集中消毒中心提供清潔衛(wèi)生的合格餐具，并提供上門接送服務(wù)。這樣不僅能較好地解決

17、市容環(huán)境、飲食衛(wèi)生安全問題，還會帶來明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。這也對消毒設(shè)備提出多種功能上的要求。</p><p>　　在消毒柜的功能中，臭氧、紫外線臭氧屬于超低溫消毒，消毒溫度一般在60℃以下，適合各類餐具，特別適合于不耐高溫的塑料、玻璃制品。而紅外線高溫、超溫蒸汽、紫外臭氧加高溫屬于熱消毒或多重組合消毒方式，消毒溫度一般在100℃以上，消毒效果好，適合于陶瓷、不銹鋼等耐高溫制品的消毒。</p>

18、<p>　　從功能上看，消毒柜主要分為單一功能和復(fù)合功能的兩種：單功能消毒柜通常采用高溫或臭氧或紫外線等單一功能進(jìn)行消毒；復(fù)合功能消毒柜多采用高溫、臭氧、紫外線、蒸汽、納米等不同組合方式來消毒，能夠殺滅多種病毒、細(xì)菌；從結(jié)構(gòu)上看，消毒柜設(shè)有上、下兩個(gè)室，上消毒室為臭氧消毒、低溫烘干餐具，下消毒室為高溫消毒餐具。電子消毒柜由臭氧發(fā)生器、高溫部分和控制部分組成。其中臭氧消毒電路和高溫消毒電路合二為一。</p><

19、;p>　　1.2 消毒技術(shù)規(guī)范</p><p>　　引用中華人民共和國衛(wèi)生部 《消毒技術(shù)規(guī)范》—臭氧(2002年版)</p><p>　　臭氧又名三子氧，分子式為O3，分子量為48.00。</p><p><b>　　一、理化特性：</b></p><p>　　臭氧在常溫下為帶藍(lán)色的爆炸性氣體，有特臭，為已知最強(qiáng)

20、的氧化劑，密度為1.658(空氣=1)。臭氧氣體經(jīng)冷處理后可呈液狀，其液體密度為1.71，沸點(diǎn)為-112.3℃,在水中溶解度比氧高，但因分壓較低，故在平時(shí)使用溫度與壓力下，只能得到每升數(shù)毫克的溶液，含臭氧的溶液，溫?zé)釙r(shí)會爆炸。臭氧的穩(wěn)定性極差，在常溫下可自行分解為氧，在270℃高溫下可立即轉(zhuǎn)化為氧。1%水溶液在常溫大氣中半衰期為16分鐘，所以臭氧不能像其它工業(yè)氣體一樣可以用瓶貯存，一般為現(xiàn)場生產(chǎn)，立即使用。</p><

21、;p><b>　　二、殺菌作用</b></p><p>　　臭氧是一種廣譜殺菌劑，可殺滅細(xì)菌繁殖體和芽孢、病毒、真菌等，并可破壞肉毒桿菌毒素。臭氧在水中殺菌迅速，較氯快。</p><p>　　三、影響殺菌作用的因素</p><p>　?。?）PH：用臭氧水溶液消毒時(shí)，若PH增高，則所需濃度必須增加。</p><p>

22、;　?。?）濕度：用臭氧熏蒸消毒時(shí)，相對濕度高則效果好，低則效果差，對干燥菌體幾乎無殺菌作用。</p><p>　?。?）溫度：溫度降低有利于臭氧的溶解，可增強(qiáng)其消毒作用，甚至在0℃亦能保持較好的殺菌效果，如水溫為4－6℃時(shí)，臭氧殺菌用量為100，水溫10－21℃時(shí)為160，水溫36－38℃時(shí)則為320，有機(jī)物可降低其殺菌作用。</p><p><b>　　四、毒性</b&

23、gt;</p><p>　　空氣中臭氧濃度達(dá)0.01-0.02mg/L時(shí)即可嗅知：濃度達(dá)到1mg/L時(shí)，可引起呼吸加速、變、胸悶等癥狀，在2.5-5mg/L時(shí)，可引起脈搏加速，疲倦、頭痛，停留１小時(shí)可發(fā)生肺氣腫，以至死亡，作業(yè)現(xiàn)場空氣中容許的閥限值為0.2mg/m3。</p><p><b>　　五、腐蝕性</b></p><p>　　臭氧為強(qiáng)

24、氧化劑,可損壞多種物品,濃度越高對物品損害越重,可使銅片出現(xiàn)綠色銹斑,特別是使橡膠老化,色變暗,彈性降低,以致變脆,斷裂,使織物漂白褪色。</p><p><b>　　六、穩(wěn)定性</b></p><p>　　臭氧穩(wěn)定性極差，常溫下即可自行分解為氧，停止發(fā)生后，通風(fēng)30－60分鐘后，其濃度與大氣水平一樣。</p><p><b>　　七

25、、使用范圍</b></p><p>　　在消毒方面，臭氧的用途主要有以下幾種：</p><p>　?。?）液體消毒：飲用水、工業(yè)生活污水和飲料水的凈化消毒。</p><p>　?。?）物體表面消毒，飲食用具、理發(fā)工具、食品加工用具、衣物、錢幣、票券等放密閉箱內(nèi)消毒。</p><p>　?。?）防腐保存：蔬菜、水果、蛋類、魚肉類干鮮

26、土特產(chǎn)，水產(chǎn)品加工，貯存和冷藏等。</p><p><b>　　八、使用方法</b></p><p>　　（1）液體消毒：臭氧消毒飲用水時(shí)，其用量取決于水質(zhì)，應(yīng)由實(shí)驗(yàn)確定精確值，比較清潔的水，一般應(yīng)加臭氧0.5-1mg/L，作用5-10分鐘后，水中保持臭氧濃度為0.1-0.5mg/L；對于污染比較嚴(yán)重的飲用水，臭氧用量可增至3-6mg/L。對污水處理，污水中使用的臭氧

27、濃度為100-200mg/L，作用30分鐘，在多數(shù)情況下可殺滅或破壞其中所有微生物及其毒素，并能改善水質(zhì)。作用時(shí)間越長，效果越好。</p><p>　?。?）消毒空氣：對密空間的空氣用5-10mg/m3濃度的臭氧作用30分鐘。</p><p><b>　　九、注意事項(xiàng)</b></p><p>　　由于臭氧為強(qiáng)氧化劑，對物品損害較大，很少用作熏蒸

28、消毒，規(guī)定大氣中允許0.2mg/m3,故消毒宜在無人條件下進(jìn)行。</p><p><b>　　十、含量測定</b></p><p>　　在500ml錐形帶塞玻璃瓶中，加入350ml蒸餾水和20ml20%KI溶液，在排氣管分流取臭氧氣2L通入錐形瓶，再滴5ml濃度為3mol/L的H2SO4溶液，靜置5分鐘后用0.1000mol/L的Na2S2O3滴定，反應(yīng)至淺黃色時(shí)加１

29、ml0.5%的淀粉指示劑，滴定至無色，計(jì)算消耗的量，每毫升mol/l的Na2S2O3溶液相當(dāng)于48.00mg的O3。O3濃度（毫克/升）=M×V×48×1000/2×2×100=12MV式中：M=克分子濃度，應(yīng)標(biāo)定小數(shù)點(diǎn)后四位；V=消耗毫升數(shù)當(dāng)O3濃度較高時(shí)，可以取1升臭氧化氣，則計(jì)算公式為O3濃度（毫克/升）=24M</p><p><b>　　1.3

30、 設(shè)計(jì)特點(diǎn)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用多種消毒方式，對不同的消毒對象可采用相應(yīng)的消毒方法，從而取得最完美的消毒結(jié)果。例如：對于少量的紙張，文件，衣物等生活用品可采用紫外消毒；對于醫(yī)用的一些金屬器件，如手術(shù)用具可采用高溫消毒；對于一些要求較高但不耐高溫的材料就可以采用臭氧消毒。要求更高的消毒對象或者以上三種給定消毒方法不可行時(shí)，可采用自定義消毒。不同消毒方法的原理及特點(diǎn)如下：</p&

31、gt;<p>　　1.3.1 高溫消毒原理</p><p>　　高溫消毒主要是通過加熱細(xì)菌病毒使其體內(nèi)的蛋白質(zhì)變性，破壞其組成導(dǎo)致其死亡達(dá)到消毒目的。原有的100℃高溫消毒在一般情況下還能夠滿足要求；新的消毒標(biāo)準(zhǔn)溫度125℃，持續(xù)時(shí)間不少于15分鐘，基本能滿足目前所有的消毒要求。方法簡單方便可行，是當(dāng)前最普遍也是人們很易接受的消毒方法。</p><p>　　1.3.2 臭

32、氧消毒原理</p><p>　　臭氧（化學(xué)分子式為O3）又名活氧、三子氧、超氧，廣泛存在于地球表面20公里以外的臭氧層，因其能吸收太陽輻射中的絕大部分紫外線，保護(hù)地球生物免受傷害，而廣為世人關(guān)注。</p><p>　　空氣中也存在微量臭氧（含量為0.01～0.04ppm），瀑布區(qū)、海邊、森林區(qū)含量最多，空氣中這些微量臭氧有效抑制了自然界中細(xì)菌、霉菌的異常繁殖而保持生態(tài)平衡。</p&g

33、t;<p>　　1785年，德國人在使用電機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在電機(jī)放電時(shí)產(chǎn)生一種異味。1840年德國科學(xué)家舒貝因（Schonbein）將此異味確定為O3，而命名為OZONE（臭氧）。自此以后，歐洲的科學(xué)家率先開始研究臭氧的特性和功用，發(fā)現(xiàn)廣譜的滅菌效果后，開始工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，其中瑞典一家牛肉公司用于臭氧對牛肉存儲的保鮮，自1870年開始，一直沿用至今。</p><p>　　在19世紀(jì)，人們就認(rèn)識到了臭氧的強(qiáng)氧

34、化作用，發(fā)現(xiàn)臭氧對木材、稻草、淀粉、植物色素、天然橡膠、脂肪、動植物油與酒精等物質(zhì)都有氧化作用。1868年，德·格貝斯（de·Gebeth）獲得了臭氧應(yīng)用技術(shù)的第一項(xiàng)專利，用臭氧將煤焦油混合物氧化為適于涂料、油漆使用的產(chǎn)品。1873年，歐洲將臭氧在食糖精制和亞麻漂白方面投入使用。一百多年來臭氧應(yīng)用已深入到多個(gè)領(lǐng)域，對人類的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。臭氧應(yīng)用按用途分為水質(zhì)處理、化學(xué)氧化、食品加工保鮮和醫(yī)療四個(gè)領(lǐng)域，各

35、個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究與設(shè)備開發(fā)都已達(dá)到相當(dāng)高的水平。世界已經(jīng)形成了獨(dú)立的臭氧技術(shù)產(chǎn)業(yè)和部門，1973年建立的國際臭氧協(xié)會（IOA）設(shè)在加拿大。該協(xié)會每兩年一次舉辦國際會議交流各國發(fā)展臭氧技術(shù)的論文、報(bào)告，發(fā)達(dá)國家都普遍建立了IOA地區(qū)性組織，進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。</p><p>　　二戰(zhàn)以后，國際上臭氧應(yīng)用技術(shù)獲到了長足發(fā)展。首先，1902年，德國帕德博恩建立了第一座用臭氧處理水質(zhì)的大規(guī)模水廠，開創(chuàng)了臭氧水處理的先河，現(xiàn)在

36、世界上已有數(shù)千座臭氧水廠。歐美、日本、加拿大等國家的自來水廠應(yīng)用臭氧已達(dá)到普及程度，使用臭氧取代氯消毒凈化的自來水，可供直接生飲。礦泉水、純凈水廠家?guī)缀醵佳b備了臭氧設(shè)備。美國七十年代初開始利用臭氧處理生活污水，主要是為了滅菌消毒、去除污染物、脫色等達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。日本則在缺水地區(qū)將污水用臭氧處理后作為中水使用。美、日、德、法等國家近年來都建立了大規(guī)模的臭氧污水處理廠。其次，工業(yè)應(yīng)用臭氧也已非常普遍，主要用于化工、石油、造紙、紡織和制藥、香

37、料工業(yè)。食品行業(yè)的應(yīng)用更為普及，1904年歐洲就利用臭氧對保存牛奶、肉制品、奶酪、蛋白等食品進(jìn)行保鮮處理，三十年代末，美國80%的冷藏蛋庫都安裝了臭氧發(fā)生器。二戰(zhàn)后，歐美、日在食品果品、蔬菜保鮮中將臭氧運(yùn)用到儲存、制造、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)。在醫(yī)療方面，二戰(zhàn)時(shí)日本就利用臭氧進(jìn)行人體理療，俄羅斯則用強(qiáng)氣（臭氧化空氣）強(qiáng)化體育運(yùn)動員體質(zhì)。目前，國際上在醫(yī)療方面已有多種用途：如病房、手術(shù)室的空氣消毒，利用臭氧水進(jìn)行醫(yī)用器械消毒</p>

38、<p>　　科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，臭氧分子極不穩(wěn)定，能分解產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的單原子氧（O）和羥基（OH），迅速破壞細(xì)菌、病毒等微生物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對各種致病微生物有極強(qiáng)的殺滅作用！臭氧殺菌效果比氯好得多，殺菌速度比氯快200～3000倍以上，能自分解成氧氣，不會殘留有害物而造成二次污染。</p><p>　　臭氧在我國運(yùn)用得比較慢，主要是礦泉水、純凈水等直飲水生產(chǎn)企業(yè)、及一些高檔住宅小區(qū)分質(zhì)供水優(yōu)先采用臭氧發(fā)生

39、器進(jìn)行水處理消毒殺菌等！隨著人們對臭氧知識了解的不斷深入，臭氧發(fā)生器高效率低成本的廣譜殺菌消毒功能已經(jīng)開始逐漸得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在我國部分食品工業(yè)、制藥廠家已經(jīng)開始使用臭氧機(jī)對生產(chǎn)線及產(chǎn)品進(jìn)行高效快速消毒殺菌保鮮處理，同時(shí)對生產(chǎn)車間進(jìn)行嚴(yán)格的空氣消毒；醫(yī)療部門也開始將臭氧引用到人體某些疾病的預(yù)防和治療；醫(yī)院開始采用臭氧機(jī)對排污水進(jìn)行消毒處理后再排放；城市污水處理系統(tǒng)工程也已經(jīng)開始使用大型臭氧發(fā)生器進(jìn)行殺菌消毒除味脫色處理；水果蔬菜殘余農(nóng)藥

40、的分解消毒及保鮮處理等等。</p><p>　　臭氧消毒原理可以認(rèn)為是一種氧化反應(yīng)。（1）臭氧對細(xì)菌滅活的機(jī)理：臭氧對細(xì)菌的滅活反應(yīng)總是進(jìn)行的很迅速。與其它殺菌劑不同的是：臭氧能與細(xì)菌細(xì)胞壁脂類雙鍵反應(yīng), 穿入菌體內(nèi)部，作用于蛋白和脂多糖，改變細(xì)胞的通透性，從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。臭氧還作用于細(xì)胞內(nèi)的核物質(zhì)，如核酸中的嘌呤和嘧啶破壞DNA。（2）臭氧對病毒的滅活機(jī)理：臭氧對病毒的作用首先是病毒的衣體殼蛋白的四條多肽鏈，

41、并使RNA受到損傷，特別是形成它的蛋白質(zhì)。噬菌體被臭氧氧化后，電鏡觀察可見其表皮被破碎成許多碎片，從中釋放出許多核糖核酸，干擾其吸附到寄存體上。臭氧殺菌的徹底性是不用懷疑的。</p><p>　　臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自來水處理，以及除臭、去色與消毒等領(lǐng)域，不會產(chǎn)生與環(huán)境有害的殘留物質(zhì)，但在臭氧產(chǎn)生和應(yīng)用中，任何泄漏都有可能對操作人員或周圍設(shè)備造成損害，就大氣環(huán)境而言，當(dāng)臭氧濃度達(dá)到0.1ppm時(shí)就

42、會使人的呼吸道發(fā)炎；若達(dá)到1ppm，人們僅可在這樣的環(huán)境是活動1~2小時(shí)；如果臭氧濃度增加到5ppm時(shí)，人的健康就會受到損害；就臭氧產(chǎn)生設(shè)備而言，目前國內(nèi)外還少有能夠在線測量和顯示臭氧濃度的裝置，更不用說實(shí)現(xiàn)臭氧產(chǎn)生的閉環(huán)控制，國此，有必要對不同場所的臭氧濃度進(jìn)行連續(xù)、精確地測定。</p><p>　　1.3.3 紫外消毒原理</p><p>　　紫外消毒主要是通過紫外線對微生物(細(xì)菌、

43、病毒、芽孢等病原體)的輻射損傷和破壞核酸的功能使微生物致死,從而達(dá)到消毒的目的。紫外線對核酸的作用可導(dǎo)致鍵和鏈的斷裂、股間交聯(lián)和形成光化產(chǎn)物等,從而改變了DNA的生物活性,使微生物自身不能復(fù)制,這種紫外線損傷也是致死性損傷。紫外消毒法具有不投加化學(xué)藥劑、不產(chǎn)生有毒有害的副產(chǎn)物、消毒速度快、效率高、設(shè)備操作簡單、便于運(yùn)行管理和實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn),近20年來逐漸得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　綜合上述，設(shè)計(jì)一個(gè)便攜

44、式多功能消毒系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)升溫消毒、紫外線消毒、臭氧消毒等功能。其主要技術(shù)參數(shù)如下：具有溫度檢測、控制功能，溫度控制范圍：常溫0-100°C，誤差在±0.5°C。</p><p>　?。?）要實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)檢測與顯示，用數(shù)碼管顯示。</p><p>　?。?）具有電源模塊，系統(tǒng)具有便攜特性。具有紫外/臭氧濃度控制功能。</p><p>

45、　　第二章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 單片機(jī)的選擇</p><p>　　單片機(jī)又稱微控制器(Microcontroller)，是在一塊芯片上同時(shí)集成了CPU、ROM、RAM以及各種功能I/O接口的超大規(guī)模集成電路。單片機(jī)具有體積小、價(jià)格低、功能強(qiáng)、可靠性高以及使用方便靈活的特點(diǎn)，通過它能夠很容易地將計(jì)算技術(shù)與測量控制技術(shù)相結(jié)合，組成新一代的所謂“智能化測量控制儀表”。近

46、年來，單片機(jī)技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，許多半導(dǎo)體廠商爭相推出各具特色的單片機(jī)芯片，使單片機(jī)用戶具有更多選擇余地。存儲器技術(shù)的發(fā)展在很大程度上推動了單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。簡單的說就是：單片機(jī)的最明顯的優(yōu)勢，就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中。單片機(jī)的可靠性技術(shù)以及以單片機(jī)為核心的嵌入系統(tǒng)隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)，能夠獨(dú)立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。</p><p>　　本課題選

47、用的單片機(jī)為89C51，它是一個(gè)40引腳的體積小、價(jià)格便宜的Flash ROM 型單片機(jī)。提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：一個(gè)8位CPU、2KB的內(nèi)爍存儲器、128字節(jié)RAM、30根I/O線、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)全雙工串行口、5個(gè)中斷源，還有片內(nèi)振蕩電路和時(shí)鐘電路及一個(gè)精密模擬比較器。具有與MCS-51完全兼容的指令系統(tǒng)，因而系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡單，軟件設(shè)計(jì)也十分方便。</p><p>　　2.2　溫度檢測電路的設(shè)計(jì)</p&

48、gt;<p>　　傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件，熱敏電阻成本低，但需要后續(xù)信號處理電路，而且熱敏電阻的可靠性相對較差，測量溫度的準(zhǔn)確度低，檢測系統(tǒng)的精度差。我選用了美國DALLAS公司最新推出的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。DS18B20是DS1820的更新產(chǎn)品。智能溫度傳感元件DS18B20將傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、寄存器、接口電路集成在一個(gè)芯片中?？蓪?shí)現(xiàn)直接數(shù)字化輸出、測試及控制功能強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力

49、強(qiáng)、微型化、微功耗、易于配微控制器（MCU）或微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及溫度控制。在很多智能化的溫度傳感器中，大多使用同步串行總線技術(shù)，如（Philips）、SMBus(intel)、SPI（Motorola）Micro-wire/Plus(NSC)等串行總線協(xié)議，而DS18B20采用的是1-wire總線協(xié)議。1-wire是DALLAS公司的一項(xiàng)專有技術(shù)，它采用一根信號線實(shí)現(xiàn)信號的雙向傳輸，具有接口簡單，節(jié)省I/O線，便于擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)

50、。在單點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)中：主要應(yīng)用1-wire集成數(shù)字溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)檢測溫度，并根據(jù)按鍵設(shè)定溫度值，實(shí)現(xiàn)溫度控制輸出。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，</p><p>　　2.2.1 溫度檢測電器元件的特性</p><p>　　DS18B20采用3腳PR-35封裝的引腳，測溫范圍為-55℃——+125℃，在-10℃——+85℃范圍內(nèi)，可確保測量誤差不超過±0.5°C

51、；并且轉(zhuǎn)換精度可編程控制。芯片出廠時(shí)默認(rèn)12位轉(zhuǎn)換精度。DS18B20工作在9位、10位、11位和12位模式時(shí)的溫度分辨力依次為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始轉(zhuǎn)換完成后的溫度以16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式，存儲在scratchpad RAM中的第0，1字節(jié)。在執(zhí)行讀scratchpad RAM命令后，可將這兩字節(jié)的溫度值通過單總線傳給主CPU，高字節(jié)的符號位代表溫度值為

52、正還是為負(fù)。單總線要求外接一個(gè)約5K的上拉電阻；這樣不管什么原因，如果傳輸過程中需要暫掛起，且要求傳輸過程還能繼續(xù)的話，則總線在恢復(fù)時(shí)間處于空閑狀態(tài)（高電平）[15]。DS18B20的特性如下：</p><p>　　一、獨(dú)特的單互接口方式：DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。</p><p>　　二、在使用中不需要任何外圍元件。</

53、p><p>　　三、可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0~+5.5v。</p><p>　　四、測量范圍：-55~+125℃。固有測溫分辨率為0.5℃。</p><p>　　五、通過編程可實(shí)現(xiàn)9-12位的數(shù)字讀數(shù)方式。</p><p>　　六、用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。</p><p>　　七、支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多

54、個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。</p><p>　　八、負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。</p><p>　　2.2.2 溫度檢測電路元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝如圖2.1所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。</p><p>

55、;　　圖2.1 DS18B20的管腳排列</p><p>　　圖2.2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　一、64b閃速ROM的結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　MSB LSB MSB LSB MSB LSB</p><p>　　開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是

56、每個(gè)器件的惟一序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。</p><p>　　二、非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和和TL，可通過軟件寫入用戶報(bào)警上下限。</p><p><b>　　三、高速暫存存儲器</b></p><p>　　DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個(gè)高速暫存RAM

57、和一個(gè)非易失性的可電擦除的EEPRAM。后者用于存儲TH，TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM，經(jīng)校驗(yàn)后再傳給EEPRAM。而配置寄存器中的第5個(gè)字節(jié)，他的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，DS18B20工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如下：</p><p>　　低5位一直都是1，TM是測試位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試、模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶

58、不要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，即是來設(shè)置分辨率，如表2.1所示（DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位）。</p><p>　　表2.1 R1和R0模式表</p><p>　　由表2.1可見，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮[15]。</p><p>　　高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還

59、有其他8個(gè)字節(jié)組成，其分配如下所示。其中溫度信息（第1，2字節(jié)）、TH和TL值第3，4字節(jié)、第6~8字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1；第9字節(jié)讀出的是前面所有8個(gè)字節(jié)的CRC，可用來保證通信正確。</p><p>　　LSB MSB</p><p>　　當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形

60、式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃/LSB形式表示[15]。溫度值格式如下：</p><p>　　MSB LSB</p><p>　　MSB

61、 LSB</p><p>　　對應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號位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。表2.2是對應(yīng)的一部分溫度值</p><p>　　表2.2 部分溫度值</p><p>　　DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與TH，TL作比較，若T﹥TH或T﹤TL

62、，則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令做出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時(shí)測量溫度并進(jìn)行告警搜索。</p><p><b>　　四、CRC的產(chǎn)生</b></p><p>　　在64bROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）。主機(jī)根據(jù)ROM的前56位來計(jì)算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù)據(jù)是否正

63、確。</p><p>　　2.2.3 溫度檢測元件DS18B20的測溫原理</p><p>　　DS18B20的測溫原理如圖2.3所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈

64、沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0

65、時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度[15]。圖2.3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。</p><p><b>　　增加</b></p><p><b>　　停止</b>&l

66、t;/p><p>　　圖2.3 DS18B20的內(nèi)部測溫電路框圖</p><p>　　2.2.4 溫度檢測電路與89C51的接口設(shè)計(jì)</p><p>　　圖2.4中DS18B20采用外接電源方式，其VDD端用3V~5.5V電源供電，并在數(shù)據(jù)線上加一個(gè)上拉電阻4.7K?。</p><p><b>　　+5V</b><

67、/p><p><b>　　4.7K</b></p><p><b>　　GND</b></p><p><b>　　+5V </b></p><p><b>　　DAT</b></p><p>　　圖2.4 DS18B20與89C51

68、的接口電路</p><p>　　2.3 臭氧濃度檢測電路設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)采用國際上通用的紫外吸收法測量臭氧濃度研究和設(shè)計(jì)了基于89C51單片機(jī)的臭氧濃度在線測量系統(tǒng)，紫外吸收法的基本原理是臭氧對波長為253.7nm紫外光具有最大吸收值的特性，按朗伯-比爾定律：</p><p>　　C= bg* (Iο / I) / ( K* L)

69、 (2-1)</p><p>　　分別測量相同紫外光束透射樣氣（臭氧）和零氣（空氣）后的光強(qiáng)值I和Iο，利用朗伯-比爾定律公式可計(jì)算得出臭氧濃度，其中K、L分別代表臭氧對紫外光的吸收系數(shù)和吸收室的長度，該法可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，且受其他氧化劑干擾小，穩(wěn)定性好[30]。</p><p>　　臭氧濃度在線測量由主控制器89C51單片機(jī)、三通電磁閥、吸收室、紫外光源、光電

70、傳感器和顯示電路構(gòu)成基本電路，系統(tǒng)框圖如圖2.5所示[30]。其中89C51單片機(jī)、三通電磁閥和吸收構(gòu)成臭氧濃度傳感變換器；紫外光源、光電傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換和89C51單片機(jī)構(gòu)成信號采集與A/D轉(zhuǎn)換模塊；89C51單片機(jī)調(diào)節(jié)三通電磁閥的換向，使被檢測的樣氣和不含臭氧的零氣分時(shí)進(jìn)入吸收室，控制A/D轉(zhuǎn)換器采集透過樣氣和零氣的紫外光強(qiáng)值I和Iο按朗伯——比爾定律計(jì)算臭氧濃度，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)89C51單片機(jī)和數(shù)控型臭氧發(fā)生器電源供

71、電系統(tǒng)通訊，主要模塊工作原理分述如下：</p><p>　　圖2.5 臭氧濃度在線檢測系統(tǒng)框圖</p><p>　　2.3.1臭氧濃度傳感變換器</p><p>　　臭氧濃度傳感變換器結(jié)構(gòu)框圖如圖2.6所示，含臭氧氣體進(jìn)入變換器后分為兩路，一路經(jīng)催化轉(zhuǎn)化器變化為不含臭氧的零氣，單片機(jī)經(jīng)驅(qū)動電路控制三通電磁閥導(dǎo)通零氣作為被測氣體進(jìn)入吸收室，連續(xù)十八次測量相應(yīng)的紫外光

72、強(qiáng)值Iо；然后，單片機(jī)控制三通電磁閥切換，導(dǎo)通樣氣進(jìn)入吸收室，連續(xù)18次測量相應(yīng)的紫外光強(qiáng)值I。對I和Iо的18個(gè)采樣值在分別除去其中的極大和極小值后取平均值I和Iо，然后把平均值帶入朗伯——比爾定律中計(jì)算濃度值，這里采用了去極值平均濾波技術(shù)，可消除由于氣路切換造成的測量粗差，提高了系統(tǒng)測量精度和準(zhǔn)確性。</p><p>　　圖2.6 臭氧濃度傳感變換器結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　在鎖

73、路切換后和信號采集前，必須讓前一次被測氣體完全排空，下一次被測氣體充滿整個(gè)吸收室，因此信號采集是在等待時(shí)間后開始的，可按下式進(jìn)行計(jì)算：</p><p>　　tw=L*S/Q + t0 (2-2)</p><p>　　其中L、S、Q和t0分別代表吸收室的長度和截面面積、氣體流量和預(yù)留時(shí)間。排氣泵在整個(gè)過程中一直進(jìn)行排氣動作

74、，起到排氣和抽氣的雙重作用。按上述過程可周而復(fù)始地在線測量臭氧濃度[30]。</p><p>　　2.3.2 臭氧濃度信號采集與A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　光電傳感器采用HAMAMATSU公司的R7154型光電倍增管，檢測系統(tǒng)采用R7154（日本）光電倍增管，信噪比高、性能更加穩(wěn)定。性能優(yōu)于R166光電倍增管。其輸出為小信號，必須通過前置放大器、去混淆低通濾波器，將R7154輸出的電

75、壓信號幅值放大成適合A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍。A/D轉(zhuǎn)換采用3位半雙積分5G14433芯片，單片機(jī)采用中斷方式獲得對應(yīng)數(shù)字信號。電路原理如下圖2.7所示。其中前置放大器為OPA404型高性能場效應(yīng)輸入單片運(yùn)算放大器，運(yùn)放的負(fù)輸入端接一個(gè)1000MΩ反饋電阻和一個(gè)1pF電容的并聯(lián)電路，其作用是防峰值干擾；運(yùn)放的正輸入端接一個(gè)0.01µF電容和1000MΩ電阻的并聯(lián)電路，其作用是防止高頻干擾；±15V電源線接0.01

76、1;F去耦電容，作用是防止電源突變對運(yùn)放的影響；5G14433的輸入端Vx接兩個(gè)穩(wěn)壓二極管，保證信號電壓不高于5G14433的最高輸入電壓+2V；5G14433的轉(zhuǎn)換結(jié)果以BCD碼形式按千、百、十、個(gè)位由Q0~Q3到89C51的P0.0~P0.3端，相應(yīng)的選通信號由DS1~DS4提供。</p><p>　　圖2.7 臭氧檢測電路原理圖</p><p>　　2.4 光控雙向可控硅控制加熱

77、電路</p><p>　　89C51的I/O口的驅(qū)動能力是很有限，由于控制對象是大電流大功率負(fù)載，因而采用了晶閘管來控制輸出功率。雙向晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體器件，它與普通單向晶閘管的不同之處在于它能保證電流在兩個(gè)方向流通，它的特點(diǎn)是：</p><p>　?。?）控制極G上無信號時(shí)，晶閘管兩端呈高阻抗，管子截止。</p><p>　?。?）管子兩端電壓超過1．5V時(shí)

78、，無論極性如何，便可利用G觸發(fā)其導(dǎo)通。</p><p>　?。?）工作與交流時(shí)，當(dāng)每一半周期交替時(shí)，純阻負(fù)載能恢復(fù)截止。</p><p>　　所以必須加如驅(qū)動電路，本設(shè)計(jì)中選擇了光耦合雙向可控硅驅(qū)動器來驅(qū)動雙向可控硅，它是單片機(jī)輸出與雙向可控硅之間的接口器件，它由輸入和輸出兩部分組成，輸入部分是砷化鉀發(fā)光二極管，該二極管在5~15mA正相電流作用下發(fā)出足夠強(qiáng)度的紅外光，觸發(fā)輸出部分[10]

79、。輸出部分是一個(gè)光敏雙向可控硅，在紅外線的作用下可雙向?qū)āOC3061的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列見圖2.8，它采用雙列直插6腳封裝。主要性能參數(shù)：可靠觸發(fā)電流5~15mA；峰值夾斷電壓600V；重復(fù)沖擊電流峰值1A。MOC3061的管腳排列如下：1、2腳為輸入端；4、6為輸出端；3、5腳懸空，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2.8所示：由于控制對象是大電流大功率負(fù)載因而采用了晶閘管來控制輸出功率。雙向晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體器件，它與普通單向晶閘管的不同之

80、處在于它能保證電流在兩個(gè)方向流通。</p><p>　　圖2.8 MOC3061內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　MOC3061的資料如下：</p><p>　　峰值夾斷電壓最小值：400V</p><p>　　觸發(fā)電流值：5mA ~15mA</p><p>　　正向電壓降典型值：1．2V</p><

81、;p>　　光耦合雙向可控硅驅(qū)動器(MOC3061)和可控硅的連接圖如圖2.9所示：</p><p>　　圖2.9 光耦合雙向可控硅驅(qū)動器和可控硅的連接圖</p><p>　　在使用晶閘管控制的電路中，經(jīng)常要求晶閘管在電源電壓為零或剛過零時(shí)觸發(fā)晶閘管，來減少晶閘管再導(dǎo)通時(shí)對電源的影響，這種觸發(fā)方式稱為過零觸發(fā)。過零觸發(fā)需要過零檢測電路，MOC3061就是帶有過零檢測的雙向可控硅驅(qū)動器

82、，在控制溫度的時(shí)候，單片機(jī)只要輸出能控制可控硅通斷時(shí)間的脈沖信號就可以了，即通過程序?qū)崿F(xiàn)輸出脈沖來控制雙向可控硅的導(dǎo)通百分比。</p><p>　　2.5 繼電器控制的臭氧發(fā)生電路</p><p>　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要斷開或接通開關(guān)量輸入/輸出通道。當(dāng)開關(guān)接高壓電路時(shí)，還需將控制電路和被控對象加以隔離，以保護(hù)主控電路和人身安全。繼電器是電氣控制中最常用的控制元件之一。它能同時(shí)實(shí)現(xiàn)接

83、通和隔離這兩項(xiàng)任務(wù)；因此，它在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。繼電器由控制線圈和觸頭組成。線圈由低壓直流（5V或12V或24V）控制。繼電器的公共觸頭a可與+5V電源</p><p>　　連接，也可與市電連接。</p><p>　　直流電磁式繼電器，一般用功率接口集成電路或晶體管驅(qū)動。常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，也稱為直流繼電器。繼電器的動作由單片機(jī)89C51的P1.0端控制。P1

84、.0端輸出低電平時(shí)，繼電器K吸合；P1.0端輸出高電平時(shí)，繼電器K釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位或單片機(jī)受控復(fù)位時(shí)不再吸合。紫外線管和臭氧管連接繼電器的常開觸頭，如圖2.10所示。</p><p>　　繼電器K由晶體管9013驅(qū)動，9013可以提供300mA的驅(qū)動電流，適用于繼電器線圈工作電流小于300mA的場合。Vcc的電壓范圍是6~30V。光電耦合器使用TIL117。TIL117有較高的電流傳輸

85、比，最小值為50％。晶體管9013的電流放大倍數(shù)大于50。當(dāng)繼電器線圈工作電流為300mA時(shí)，光電耦合器耦合器需要輸出大于6.8mA的電流，其中9013基極對地的電阻分流約0.8mA。</p><p>　　圖2.10 繼電器控制的臭氧發(fā)生電路</p><p>　　輸入光電耦合器的電流必須大于13.6mA，才能保證向繼電器提供300mA的電流。光電耦合器的輸入電流由7407提供，電流約為2

86、0mA。7407 TTL 集電極開路六正相高壓驅(qū)動器。二極管D的作用是保護(hù)晶體管T。當(dāng)繼電器K吸合時(shí)，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線圈存在電感，這時(shí)晶體管T已經(jīng)截止，所以會在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。這個(gè)感應(yīng)電壓的極性是上負(fù)下正，正端接在T的集電極上，當(dāng)感應(yīng)電壓與Vcc之和大于晶體管T的集電結(jié)反向耐壓時(shí)，晶體管T就有可能損壞。加入二極管D后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流由二極管D流過，因此不會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓

87、，晶體管T得到了保護(hù)。</p><p>　　2.6 LED顯示器接口電路和鍵盤電路</p><p>　　LED（Light Emitting Diode）是發(fā)光二極管的縮寫。LED顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，所以在顯示器前面冠以“LED”。LED顯示器在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用非常普遍。</p><p>　　2.6.1 LED顯示器結(jié)構(gòu)</p><p

88、>　　常用的LED顯示器是7段（或8段，8段比7段多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)：“dp”段）顯示器。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。如圖2.11所示。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常引公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。</p>

89、<p>　　圖2.11 7段（8段）LED結(jié)構(gòu)</p><p>　　使用LED顯示時(shí)，為了顯示數(shù)字或符號，要為LED顯示器提供代碼，因?yàn)檫@些代碼是通過各段的亮與滅來顯示不同字型的，因此稱之為段碼。</p><p>　　7段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段。因此提供給LED顯示器的段碼正好一個(gè)字節(jié)。各段與字節(jié)中各位的對應(yīng)關(guān)系如下：</p><p&g

90、t;　　7段LED的段碼如表2.3所示：</p><p>　　表2.3 段LED的段碼表</p><p>　　2.6.2 LED顯示器的工作原理</p><p>　　由N個(gè)LED顯示塊可拼接成N位LED顯示器。圖2.12是4位LED顯示器的結(jié)構(gòu)原理圖，N個(gè)LED顯示塊有N根位選和8*N根段選[1]。根據(jù)顯示方式的不同，位選線和段選線的連接方法也各不相同。段選線

91、控制顯示字符的字型，而位選線為各個(gè)LED顯示塊的公共端，它控制該LED顯示位的亮、暗。</p><p>　　當(dāng)LED顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時(shí)，各位的共陰極（或共陽極）連接在一起并接地（或+5V）：每位的段選線（a~dp）分別與一個(gè)8位的鎖存器輸出相連，所以稱為靜態(tài)顯示。各個(gè)LED的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，直到顯示另一個(gè)字符為止。也正因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯示器的亮度都較高。該電路各位可獨(dú)立顯示，只

92、在該位的段選線上保持段碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。由于各位分別由一個(gè)8位輸出口控制段碼電平，故在同一時(shí)間里，每一位顯的字符可以各不相同。這種顯示方式接口編程容易，付出的代價(jià)是占用口線較多。</p><p>　　圖2.12 4位靜態(tài)LED顯示電路</p><p>　　2.6.3 LED顯示器與89C51的接口電路</p><p>　　LED顯示器與89C5

93、1的接口電路采用74LS164芯片。74LS164串入并出八位移位寄存器。本次設(shè)計(jì)利用89C51的串行口來外擴(kuò)鍵盤/顯示器。在串行口外接移位寄存器74LS164，構(gòu)成鍵盤/顯示器接口，其硬件電路圖如圖2.13所示：</p><p>　　圖2.13 用89C51串行口擴(kuò)展鍵盤/顯示器</p><p>　　圖中的4個(gè)74LS164作為8位LED的段碼輸出口，89C51的P3.3、P3.4作為

94、2行鍵的行狀態(tài)輸入線，P3.2作為P3.1（TXD）引腳同步移位脈沖輸出控制線，P3.2=0時(shí)，與門輸出為0，禁止同步移位脈沖輸出。靜態(tài)顯示方式時(shí)，CPU不必頻繁的為顯示服務(wù)，所以主程序可不必掃描顯示器，軟件設(shè)計(jì)比較簡單，從面使單片機(jī)有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)。</p><p>　　2.7 電源電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　對于電源電路，為了增強(qiáng)消毒箱對環(huán)境的適應(yīng)，設(shè)有常用電源和備用電源

95、，如圖2.14所示。</p><p>　　圖2.14 常用電源電路和備用電源電路</p><p><b>　　一、常用電源</b></p><p>　　由車的后車廂直流+12V電壓經(jīng)過7805產(chǎn)生+5V，供給單片機(jī)使用，其中C4和C2是起到一定的濾波作用，再經(jīng)過IC1和IC2振蕩電路產(chǎn)生振蕩，當(dāng)R3前的IC輸出高電平時(shí)，TR1導(dǎo)通，此時(shí)輸出為

96、低電平，對于TR4和TR3，TRA4導(dǎo)通；而下面的電路R5前為低電平，因而TR2截止，由+12V電源引出的高電平使得TR5導(dǎo)通，可以看出TR5與TR4形成一個(gè)逆時(shí)針的回路。同理，當(dāng)濾波電路產(chǎn)生低電平的時(shí)候，由TR3和TR6組成一順時(shí)針回路，即所謂的交流電壓形成，再經(jīng)過變壓器變壓產(chǎn)生輸出電流的220V電壓。</p><p><b>　　二、備用電源</b></p><p&

97、gt;　　是由220V的電壓經(jīng)過TRAN1轉(zhuǎn)換成9V的電壓，再經(jīng)過整流電路的整流，輸出的電壓由7805再轉(zhuǎn)換生成+5V的電壓提供給單片機(jī)使用。</p><p>　　第三章 總體電路和設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 單片機(jī)的最小系統(tǒng)</p><p>　　3.1.1 時(shí)鐘電路</p><p>　　時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都

98、是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式。本文采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。</p><p>　　MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩和微調(diào)電容，就

99、構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，圖3.1是MCS-51單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘方式的振蕩器電路。</p><p>　　圖3.1 MCS-51內(nèi)部時(shí)鐘方式的電路</p><p>　　除使用晶體振蕩器外，如對時(shí)鐘頻率要求不高，還可以用陶瓷諧振器來代替。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30pF左右。對外接電容的值雖然沒在嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性[6]。

100、晶體的振蕩頻率的范圍通常是在1.2MHz~12MHz之間。晶體的頻率越高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。但反過來運(yùn)行速度快對存儲器的速度要求就高，對印刷電路板的工藝要求也高。即要求線間的寄生電容要小；晶體和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。</p><p>　　MCS-51單片機(jī)常選擇

101、振蕩頻率6MHz或12MHz的石英晶體。隨著集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率也在逐步提高，現(xiàn)在的高速單片機(jī)芯片的時(shí)鐘頻率已達(dá)到40MHz。</p><p>　　3.1.2 復(fù)位電路</p><p>　　復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只要給RESET引腳加上2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平信號，就可使MCS-51單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位的主要功能是把PC初始化為0000H，使MCS-51單片機(jī)從

102、0000H單元開始執(zhí)行程序[9]。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)，也需按復(fù)位鍵重新啟動。</p><p>　　除PC之外，復(fù)位操作還對其它一些寄存器有影響它們的復(fù)位狀態(tài)。如表3.1所示。由表3.1中可以看，復(fù)位時(shí)，SP=07；4個(gè)I/O端口P0~P3的引腳均為高電平，這在職某些控制應(yīng)用中，要考慮到引腳的高電平對外部控制電路的影響。</p>

103、<p>　　表3.1 復(fù)位時(shí)片內(nèi)各寄存器的狀態(tài)</p><p>　　由于單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序運(yùn)行直接受程序計(jì)數(shù)器（PC）指揮。表3.1中各寄存器復(fù)位時(shí)的狀態(tài)決定單片機(jī)內(nèi)有關(guān)功能部件的初始狀態(tài)。</p><p>　　另外，在復(fù)位有效期間（即高電平），MCS-51單片機(jī)的ALE引腳和PSEN引腳均為高電平，且內(nèi)部RAM不受復(fù)位的影響。</p&

104、gt;<p>　　MSC-51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的[7]。MCS-51單片機(jī)內(nèi)復(fù)位結(jié)構(gòu)見圖3.2。復(fù)位引腳RST通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。</p><p><b>　　RET</b&g

105、t;</p><p>　　片內(nèi)復(fù)位電阻 </p><p><b>　　斯密特觸發(fā)器</b></p><p>　　圖3.2 MCS-51的片內(nèi)復(fù)位結(jié)構(gòu)</p><p>　　最簡單的上電自動復(fù)位電路如圖3.3所示。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動上電

106、復(fù)位。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用12MHz時(shí)，C取22μF，R取1K?。</p><p>　　除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的，按鍵手動電平復(fù)位電路見圖3.4所示。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用12MHz時(shí)，C取22μF，R1取200?，R2取1K?。</p><p><b>　　C 22μF</b&

107、gt;</p><p><b>　　+5V</b></p><p><b>　　R</b></p><p><b>　　1K?</b></p><p>　　圖3.3 上電復(fù)位電路</p><p>　　+5V </p&

108、gt;<p>　　RESET C 22μF</p><p><b>　　R 1K?</b></p><p><b>　　R1 200?</b></p><p>　　圖3.4 按鍵電平電路</p><p>　　3.2 總體電路實(shí)現(xiàn)</p><p>

109、　　綜合時(shí)鐘電路（見圖3.1）、復(fù)位電路（見圖3.4）、LED顯示器與89C51的接口電路（見圖2.12）、DS18B20與89C51的接口電路（見圖2.3），.等等，電路總圖見附錄。</p><p><b>　　第四章 控制算法</b></p><p>　　4.1 PID 調(diào)節(jié)的簡介</p><p>　　1. 技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)靈活，可以根據(jù)系