電阻爐溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　1引言</b></p><p>　　1.1 研究意義與背景</p><p>　　溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于化工、機械、冶金、食品等領(lǐng)域。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的過程控制之一，在不少工藝過程中，溫度的控制效果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。所以設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。</

2、p><p>　　溫度控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點， 導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、控制精度低。采用單片機進行溫度控制， 具有電路設(shè)計簡單、精度高、控制效果好等特點，對提高生產(chǎn)效率、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義。隨著單片機技術(shù)的迅速興起與蓬勃發(fā)展，其穩(wěn)定、安全、高效、經(jīng)濟等優(yōu)點十分突出，所以其應(yīng)用也十分廣泛。單片機已經(jīng)無處不在，與我們生活息息相關(guān)，并且滲透到生活的方方面面。

3、</p><p>　　單片機的特點是體積較小，也就是其集成特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是普通計算機系統(tǒng)的簡化，增加一些外圍電路，就能夠組成一個完整的最小系統(tǒng)，單片機具有很強的可擴展性。它具有和普通計算機類似的、強大的數(shù)據(jù)處理功能，通過使用一些科學的算法，可以獲得很強的數(shù)據(jù)處理能力。所以單片機在工業(yè)應(yīng)用中，可以極大地提高工業(yè)設(shè)備的智能化、數(shù)據(jù)處理能力和處理效率，而且單片機無需占用很大的空間。</p><p&

4、gt;　　隨著檢測理論和技術(shù)的不斷更新, 溫度傳感器的種類也越來越多，在微機系統(tǒng)中使用的傳感器，必須是能夠?qū)⒎请娏哭D(zhuǎn)換成電量的傳感器，目前常用的有熱電偶傳感器、熱電阻傳感器和半導(dǎo)體集成傳感器等，每種傳感器根據(jù)其自身特性，都有它自己的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p><b>　　1.2 電阻爐簡介</b></p><p><b>　　電阻爐的簡介</b>

5、</p><p>　　電阻爐是利用電流使爐內(nèi)電熱元件或加熱介質(zhì)發(fā)熱，從而對工件或物料加熱的工業(yè)爐。工業(yè)上用的電阻爐一般由電熱元件、砌體、金屬殼體、爐門、爐用機械和電氣控制系統(tǒng)等組成。電熱元件具有很高的耐熱性和高溫強度，很低的電阻溫度系數(shù)和良好的化學穩(wěn)定性。電熱元件的分布和線路接法，依爐子功率大小和爐溫要求而定。電阻爐的供電電壓一般為220V或380V，必要時配置可調(diào)節(jié)電壓的中間變壓器。一般而言，小型爐(<1

6、0KW)采用單相供電，大型爐采用三相供電。</p><p>　　1.3 溫度檢測的意義與技術(shù)發(fā)展</p><p>　　溫度是一個非常重要的物理量，因為它直接影響燃燒、化學反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學過程。如果溫度失去控制，就可能引起生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量等一系列問題。因此對溫度的檢測的意義就越來越大。溫度采集控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科學研究和人們的生活

7、領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多時候都需要對溫度進行嚴格的監(jiān)控，以使得生產(chǎn)能夠順利的進行，產(chǎn)品的質(zhì)量才能夠得到充分的保證。使用自動溫度控制系統(tǒng)可以對生產(chǎn)環(huán)境的溫度進行自動控制，保證生產(chǎn)的自動化、智能化能夠順利、安全進行，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。</p><p>　　溫度采集控制系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。嵌入式系統(tǒng)雖然起源于微型計算機時代，但是微型計算機的體積、價位、可靠性，都無法滿足廣

8、大對象對嵌入式系統(tǒng)的要求，因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨立發(fā)展道路。這條道路就是芯片化道路。將計算機做在一個芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的單片機時代。</p><p>　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計及方案論證</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計</p><p>　　本章主要論述基于單片機的溫度控制系統(tǒng)以及方案論證。本系統(tǒng)由單片機、加熱模塊、溫度信號采集與A/D轉(zhuǎn)換、人

9、機交互及串口通信、按鍵電路、顯示電路、報警電路、復(fù)位電路、時鐘電路、穩(wěn)壓電源模塊十部分分組成。由于功能模塊具體實現(xiàn)的器件的不同，將直接影響整個系統(tǒng)的性能及成本，為了達到高效、實用的目的，在系統(tǒng)設(shè)計之前的方案論證是十分重要的，系統(tǒng)設(shè)計原理圖如圖 2.1 所示：</p><p>　　圖 2.1 系統(tǒng)設(shè)計原理圖</p><p>　　單片機：該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫

10、度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，同時還要對執(zhí)行單元進行控制。單片機是整個系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心。</p><p>　　溫度信號采集與A/D轉(zhuǎn)換：本部分的主要作用是用傳感器檢測模擬環(huán)境中的溫度信號，溫度傳感器上電流將隨環(huán)境溫度值線性變化。再把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，使用 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能夠進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號，本設(shè)計采用的是數(shù)字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內(nèi)部完成。</p>

11、<p>　　人機交互及串口通信：人機交換的目的是為了提高系統(tǒng)的可用性和實用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機與上位機的通信，便于進行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎(chǔ)工作。</p><p>　　電源系統(tǒng)單元：本單元的主要功能是為單片機提供適當?shù)墓ぷ麟娫?，同時也為其他模塊提供電源。如液晶顯

12、示屏、按鍵電路等。在本設(shè)計當中，電源系統(tǒng)輸出+5 V的電源。</p><p>　　電源執(zhí)行單元：是單片機的輸出控制執(zhí)行部分，根據(jù)單片機數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，驅(qū)動光電耦合器控制雙向可控硅等外部設(shè)備，可以達到超溫報警及升溫或者降溫目的，使水溫始終保持在一個范圍之內(nèi)。</p><p><b>　　2.2 方案論證</b></p><p>　　2.2.1 單

13、片機的選擇</p><p>　　單片機在多數(shù)電子設(shè)計當中基于性價比的考慮，8位單片機仍是首選。目前，8位單片機在國內(nèi)外仍占有重要地位。在8位單片機中又以MCS－51系列單片機及其兼容機所占的份額最大。MCS－51的硬件結(jié)構(gòu)決定了其指令系統(tǒng)不會發(fā)生變化，設(shè)計人員可以很容易的對不同公司的單片機產(chǎn)品進行選型，他們只需將重點放在芯片內(nèi)部資源的比較上。</p><p>　　在以前的電子設(shè)計中，應(yīng)用比

14、較廣泛的單片機是AT89C51單片機了，但是該單片機最致命的缺陷在于不支持ISP（互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商）功能。ATMEL公司目前已經(jīng)停止了AT89C51生產(chǎn)，51單片機必須加上ISP 功能才能更好延續(xù)MCS-51的傳奇，AT89S51 就是在這樣的背景下誕生的。目前AT89S51已經(jīng)成為了實際應(yīng)用市場上的新寵兒，AT89S51在工藝上進行了改進，不但降低了成本,而且增加了功能，提升了單片機性能，提高了市場競力。</p><

15、;p>　　AT89S51新增了許多功能,性能也有了較大的提升,但是價格仍舊與 AT89C51的價格一致。新增的功能之中最具有影響力的就是ISP在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢在于，改寫單片機Flash存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。</p><p>　　顯然，AT89S51在性能上比AT89C51要優(yōu)良得多，因為它不但在AT89C51的基礎(chǔ)上增加了許多功能，而且價格基本沒有提高，所以在器件選擇的時候

16、首先排除AT89C51，對于市場上的另外一種比較流行的單片機C8051F，盡管它在性能、功能上都要比AT89S51優(yōu)良很多，但是它的價格是AT89S51的數(shù)倍，本系統(tǒng)使用AT89S51已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的功能，基于成本的考慮，放棄C8051F，選擇AT89S51作為本系統(tǒng)的主控單元。</p><p>　　2.2.2 溫度傳感器的選擇</p><p>　　本部分主要是論證溫度傳感器的選型

17、。傳感器的選擇受到很多因素的影響，首先是各種溫度傳感器自身的優(yōu)缺點，其次是各種不同的環(huán)境因素，還有就是系統(tǒng)所要求實現(xiàn)的精度以及測溫范圍，所以在不同的設(shè)計當中溫度傳感器的選擇也將不同。</p><p>　　方案一：熱電偶傳感器</p><p>　　熱電偶傳感的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化。它是利用兩種不同材料的金屬連接在一起，構(gòu)成的具有熱電效應(yīng)原理的一種感溫元件。其優(yōu)點為精確度高、測量范圍

18、廣、 構(gòu)造簡單、使用方便、型號種類比較多且技術(shù)成熟等。目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用產(chǎn)品中。熱電偶傳感器的種類很多，在選擇時必須考慮其靈敏度、精確度、可靠性、穩(wěn)定性等條件。</p><p>　　方案二：熱電阻傳感器</p><p>　　熱電阻傳感器的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。熱電阻傳感器是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點是：測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高

19、的，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制作成標準的基準儀。從熱電阻的測溫原理可以知道，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來表現(xiàn)的。因此，熱電阻的引出線的電阻的變化會給測溫帶來影響。為消除引線電阻的影響，一般采用三線制或四線制。熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線、顯示儀表組成。</p><p>　　方案三：半導(dǎo)體集成模擬溫度傳感器</p><p>　　半導(dǎo)體IC溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN

20、結(jié)的電流、電壓與溫度變換關(guān)系來測溫的一種感溫元件。這種傳感器輸出線性好、精度高，而且可以把傳感器驅(qū)動電路、信號處理電路等，與溫度傳感器部分集成在同一硅片上，體積小，使用方便，應(yīng)用比較廣泛的有AD590等。IC溫度傳感器在微型計算機控制系統(tǒng)中，通常用于室溫或環(huán)境溫度的檢測，以便微型計算機對溫度測量值進行補償。</p><p>　　方案四：半導(dǎo)體集成數(shù)字溫度傳感器</p><p>　　隨著科學

21、技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，新型溫度傳感器的種類繁多，應(yīng)用逐漸廣泛，并且開始由模擬式向著數(shù)字式、單總線式、雙總線式、多總線式發(fā)展。數(shù)字溫度傳感器，更因適合與各種微處理器的I/O接口相連接，組成自動溫度控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)克服了模擬傳感器與微處理器接口時需要信號調(diào)理電路和A/D 轉(zhuǎn)換器的弊端，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電子測溫、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中比較有代表性的有DS18B20 等。</p><p>

22、　　電子設(shè)計中常用的幾種溫度傳感器的性能、價格等的對比，如表 2.1 所示：</p><p>　　表 2.1 傳感器對比</p><p>　　Pt100與AD590 都不能與單片機的I/O口直接相連,需要設(shè)計信號調(diào)理電路，A/D 轉(zhuǎn)換電路。而DS18B20是數(shù)字溫度傳感器并且采用單總線技術(shù)，使該傳感器不但可以直接與單片機I/O口相連，并且只需要一個I/O就可以連接多個溫度傳感器，實現(xiàn)多點溫

23、度測量與控制。所以使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20不但可以節(jié)約單片機I/O口還能使系統(tǒng)設(shè)計成本降低。</p><p>　　2.2.3 人機交互與串口通信</p><p>　　按鍵是現(xiàn)階段電子設(shè)計中最常用、最實用的輸入設(shè)備。按鍵能夠成為最普遍的輸入設(shè)備，主要是其具備了以下幾個優(yōu)點：工作原理、硬件電路連接簡單、操作實用性強、價格便宜，程序編寫簡單。缺點：機械抖動比較嚴重、外型不夠美觀。本系統(tǒng)

24、因為按鍵只有三個，故采用獨立按鍵的方式。</p><p>　　與單片機接口的常用顯示器件分為LED和LCD兩大類。LED大屏幕顯示方式分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，一般使用動態(tài)顯示。LCD的按控制方式可以分為含控制器式(內(nèi)置式)和不含控制器式，內(nèi)置式LCD只需通過控制器接口外接數(shù)字信號或模擬信號即可；不含控制器的LCD還需另外選配相應(yīng)的控制器和驅(qū)動器才能工作。LCD顯示的驅(qū)動方式有靜態(tài)驅(qū)動方式、動態(tài)驅(qū)動方式和雙頻驅(qū)動方

25、式。單片機與字符型LCD顯示模塊的連接方法分為直接訪問和間接訪問，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问椒譃?位和4位。各類液晶顯示控制器的結(jié)構(gòu)各異，指令系統(tǒng)也不同，但其控制過程基本相同。</p><p>　　本系統(tǒng)中，考慮到顯示的信息不多，故選用液晶顯示器LCD1602。這款液晶顯示器與單片機接口簡單，可顯示兩行，每行16個字符，能滿足本系統(tǒng)的要求。</p><p>　　串行通信的主要功能是實現(xiàn)單片機與PC 機

26、的數(shù)據(jù)交換，當需要進行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析的時候，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，使用上位機進行數(shù)據(jù)處理，并且將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果又發(fā)送給單片機。這樣可以大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，還可以方便的對單片機進行控制。計算機與外界的數(shù)據(jù)傳送大部分都是串行的，其傳距離可以從幾米到幾千米。</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計</b></p><p>　　本部分詳細介紹基于AT8

27、9S51單片機的嵌入式溫度采集控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。硬件系統(tǒng)所需要完成的功能是將溫度傳感器DS18B20采集到的溫度信號，輸送到AT89S51單片機的I/O口，然后把單片機數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果，送至LCD1602進行顯示，把鍵盤設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)送到單片機I/O口，把單片機控制信號送到執(zhí)行單元。本系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括溫度傳感器電路、LCD電路、按鍵電路、電源系統(tǒng)電路、串口通信電路、加熱執(zhí)行電路的設(shè)計。</p><p>　　

28、3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　本系統(tǒng)中以DS18B20傳感器作為溫度信號采集與轉(zhuǎn)換單元；AT89S51單片機作為數(shù)據(jù)處理和控制單元；LCD1602作為數(shù)據(jù)輸出顯示單元；按鍵作為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置單元；RS232作為串口通信單元；雙向可控硅作為控制執(zhí)行單元；蜂鳴器作為超溫報警單元。硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖3.1所示：</p><p>　　圖 3.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖</p>&l

29、t;p>　　3.2 單片機主控單元</p><p>　　AT89S51單片機：AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 8051指令系統(tǒng)及引腳。4 K字節(jié)可系統(tǒng)編程的Flash程序存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，看門狗(WDT)，兩個數(shù)據(jù)指針，兩個6位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個

30、全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式，空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM、定時/計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止其它所有部件工作，直到下一個硬件復(fù)位。AT89S51引腳結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 AT89S51引腳結(jié)構(gòu)圖</p>

31、<p>　　AT89S51的引腳的主要功能如下：</p><p><b>　　電源引腳和</b></p><p>　?。?0腳）：接+5V電源</p><p><b>　?。?0腳）：接地端</b></p><p>　　時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2</p><p&

32、gt;　　XTAL1（19腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。在片內(nèi)，它是振蕩電路反相放大器的輸入端。當采用外接晶體振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。</p><p>　　XTAL2（18腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是振蕩電路反相放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。要檢查AT89S51的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈

33、沖信號輸出。</p><p><b>　　3. 控制信號引腳</b></p><p>　　RST/VPD（9腳）：RST是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當振蕩器運行時，在此引腳上加上兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。復(fù)位后，應(yīng)使此引腳電平為0.5V的低電平，以保證單片機正常工作。</p><p>　　掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保

34、持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（50.5V）時，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。</p><p>　　ALE（30腳）：地址鎖存允許信號端。CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。即使不訪問外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時在兩個機器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個ALE

35、脈沖。ALE端可以驅(qū)動8個TTL負載。</p><p>　?。?9腳）：此輸出為單片機內(nèi)訪問外部程序存貯器的讀選通信號。在從外部程序存貯器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動8個TTL負載。</p><p>　　/（31腳）：當端保持高電平時，單片機訪問的是內(nèi)部程序存貯器，但當PC值超過某值時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)

36、行外部程序存貯器內(nèi)的程序。當端保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問外部程序存貯器。</p><p><b>　　輸入/輸出引腳</b></p><p>　　輸入/輸出（I/O）口引腳包括4個并口，即P0口、P1口、P2口和P3口。</p><p>　　P0口是一個8位雙向I/O端口，端口置1時作高阻抗輸入端，作為輸出口時能驅(qū)動8個T

37、TL電平。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收指令字節(jié)；校驗程序時輸出指令字節(jié)，需要接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時，P 0口是分時轉(zhuǎn)換的地址（低8位)/數(shù)據(jù)總線，訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。</p><p>　　P1口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/0端口。輸出時可驅(qū)動4個 TT L電平。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收低 8 位地址

38、信息。</p><p>　　P2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/0端口。輸出時可驅(qū)動4個TTL電平。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收高8 位地址和控制信息。在訪問外部程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址。而在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。</p><p>　　P3口是一個帶有內(nèi)部上

39、拉電阻的8位準雙向I/0端口。輸出時可驅(qū)動4個TTL電平。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接控制信息。除此之外P3端口還有第二功能。P3 口引腳的第二功能如表3.1所示：</p><p>　　表3.1 P3口引腳第二功能</p><p>　　3.2 時鐘及復(fù)位電路</p><p>　　3.2.1 時鐘電路</

40、p><p>　　時鐘電路：時鐘電路提供單片機的時鐘控制信號，單片機時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。最常用的是內(nèi)部時鐘方式是采用外接晶振（感性元件）和電容組成的并聯(lián)諧振回路。瓷片電容的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路的起振速度都有一定的影響。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在 1MHz~33 MHz 內(nèi)選擇。電容取30pF左右。XTAL

41、1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2 則是輸出端。使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2 懸空。AT89S51的時鐘電路如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 AT89S51時鐘電路</p><p>　　3.2.2 復(fù)位電路</p><p>　　在單片機的實際應(yīng)用系統(tǒng)中，除單片機本身需要復(fù)位外，外部擴展的I/O接口電路也要復(fù)

42、位，因此需要一個系統(tǒng)的同步復(fù)位信號，即單片機復(fù)位后，CPU開始工作時，外部的電路一定也要復(fù)位好，以保證CPU有效的對外部電路進行初始化編程。</p><p>　　復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的；按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與電源接通而實現(xiàn)的。本系統(tǒng)使用

43、按鍵電平復(fù)位，其電路圖如圖3.3所示：</p><p>　　圖3.3 AT89S51 復(fù)位電路</p><p>　　3.3 溫度信號采集單元</p><p>　　本部分主要介紹了數(shù)字溫度傳感器DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及其外部驅(qū)動電路的設(shè)計。DS18B20是 DALLAS公司的最新單總線數(shù)字溫度傳感器，支持單總線接口，測量溫度范圍為-55℃~+125 ℃，

44、在 -10℃~+85 ℃范圍內(nèi)，精度為±0.5 ℃?，F(xiàn)場溫度直接以單總線數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20 適合用于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，與前一代產(chǎn)品不同，DS18B20傳感器支持3V~5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。而且DS18B20傳感器比前一代產(chǎn)品更便，體積更小。溫度傳感器模塊采用DS18B20，主要功能是實時將水溫溫度數(shù)據(jù)返回單片機，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，便于數(shù)據(jù)處理與決策，由于此

45、模塊直接決定整個系統(tǒng)能否正常運行，所以是系統(tǒng)的核心模塊。</p><p>　　3.3.1 DS18B20產(chǎn)品的特點</p><p>　?。?）只要求一個端口即可實現(xiàn)通信；（2）在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號；（3）實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫；（4）測量溫度范圍在－55℃到＋125℃之間；（5）數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇；（6）

46、內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。</p><p>　　3.3.2 DS18B20的引腳介紹</p><p>　　TO－92封裝的DS18B20的引腳排列如圖3.4所示：</p><p><b>　　圖3.4底視圖</b></p><p>　　DS18B20的引腳功能描述如表3.2所示：</p><p>

47、;　　表3.2 DS18B20詳細引腳功能描述</p><p>　　3.3.3 DSB18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND 為電源地；VDD 為外接供電的電源輸入端，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示：</p><p>　　圖3

48、.4 DSB18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20 的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標號，接著的48 位是該DS18B20 自身的序列號，最后8 位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。</p><p>　?。?）DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫

49、度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB 形式表達，其中S為符號位，溫度格式如表3.3所示：</p><p>　　表3.3 DS18B20溫度值格式表</p><p>　　這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12 位數(shù)據(jù)，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM 中，二進制中的前面5 位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5 位為0，只要將測到的數(shù)值

50、乘于0.0625 即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5 位為1，測到的數(shù)值需要取反加1 再乘于0.0625 即可得到實際溫度。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，-55℃的數(shù)字輸出為FC90H。DS18B20溫度部分溫度數(shù)據(jù)如表3.4所示：</p><p>　　表3.4 部分溫度對應(yīng)值表</p><p>

51、;　?。?）DS18B20 溫度傳感器的存儲器</p><p>　　DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL 和結(jié)構(gòu)寄存器。</p><p><b>　?。?）配置寄存器</b></p><p>　　該字節(jié)各位的意義如表3.5所示：</p&g

52、t;<p>　　表3.5 配置寄存器結(jié)構(gòu)</p><p>　　低五位一直都是1，TM 是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20 在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如表3.6所示：</p><p>　　表3.6 溫度值分辨率設(shè)置表</p><p>　　由表3.6可見，設(shè)定的分辨率越高，所

53、需要的溫度轉(zhuǎn)換時間就越長。因此，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮，視設(shè)備的實際需要來選擇分辨率。</p><p>　　高速暫存存儲器包含了8個連續(xù)字節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個字節(jié)是溫度的高八位。第三個和第四個字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計算。第九個字節(jié)是冗余

54、檢驗字節(jié)。DS18B20暫存寄存器各字節(jié)意義如表 3.7所示 ：</p><p>　　表 3.7 DS18B20 暫存寄存器分布</p><p>　　3.3.4溫度采集模塊電路圖</p><p>　　本設(shè)計采用數(shù)字傳感器DS18B20，DS18B20是一種可組網(wǎng)的單線數(shù)字溫度傳感器，它采用單線總線結(jié)構(gòu)，集溫度測量和A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字量，用一根I/O線就可

55、以傳送數(shù)據(jù)與命令，其溫度測量范圍為-55℃~+125℃，精度為+/-0.5℃，使用中無需外部器件，可利用數(shù)據(jù)線或外部電源提供電能，供電電壓范圍為3.3~5.5V，通過編程實現(xiàn)9~12位分辨率讀出溫度數(shù)據(jù)。</p><p>　　使用時，將DS18B20的數(shù)據(jù)DQ與單片機的一位具有三態(tài)功能的雙向口連接就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，為保證在有效的時鐘周期內(nèi)提供足夠電流，采用外部電源單獨供電，在數(shù)據(jù)線上加一個10KΩ的上拉電阻。&

56、lt;/p><p>　　具體接線如圖3.5所示：</p><p>　　圖3.5 溫度采集模塊電路圖</p><p>　　3.4 鍵盤輸入與液晶輸出顯示</p><p>　　人機交互的主要功能是輔助控制、方便調(diào)試。在當今的各種實時自動控制和智能化儀器儀表中，人機交互是不可缺少的一部分。一般而言，人機交互是由系統(tǒng)配置的外部設(shè)備來完成 其實現(xiàn)方式有兩

57、種：一種是由MCU的I/O 口驅(qū)動專用芯片實現(xiàn) 如鍵盤顯示控制芯片，串行數(shù)據(jù)傳輸數(shù)碼顯示驅(qū)動芯片等，來實現(xiàn)人機交互功能。另一種就是MCU本身具有驅(qū)動功能，它通過數(shù)據(jù)總線與控制信號直接采用存儲器訪問形式或I/O設(shè)備的訪問形式 控制鍵盤和LCD 實現(xiàn)人機交互。</p><p>　　3.4.1 鍵盤輸入</p><p>　　按鍵部分實現(xiàn)的主要原理是單片機讀取與按鍵相連接的I/O口狀態(tài)來判定按鍵是

58、否按下，達到系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的目的。鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、命令輸入，是人工干預(yù)的主要手段。鍵盤分兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為：獨立式按鍵結(jié)構(gòu)、矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)兩種。</p><p>　　獨立式按鍵結(jié)構(gòu)，獨立式按鍵就是按鍵相互獨立，每個按鍵單獨占用一根 I/ O口線，每根I/O口線的按鍵的工作狀態(tài)，不會影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。 各按鍵開關(guān)均需要采用了上拉電阻，是為了保證在按

59、鍵斷開時，各I/O有確定的高電平。當輸入口線內(nèi)部已有上拉電阻，外電路的上拉電阻可省去。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。其優(yōu)點是：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。缺點：每個按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O 口浪費大電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。因此，此鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。</p><p>　　矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)適用于按鍵數(shù)量較多的場合，由行線和列線組成，按鍵位于行列

60、的交叉點上。矩陣鍵盤工作原理：行線通過上拉電阻接到+5V上。無按鍵，行線處于高電平狀態(tài)，有鍵按下，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平為低，則行線電平為低，列線電平為高，則行線電平為高。矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)的優(yōu)點就是節(jié)約單片機I/O口，適用于按鍵比較多的場合。</p><p>　　在本設(shè)計當中，由于只需要三個按鍵，所以采用獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)，當按鍵被按下時，I/O 口電平為低 ；松開時， I/O 口電平為高

61、。電路連接圖如圖 3.6所示：</p><p>　　圖3.6 獨立式鍵盤</p><p>　　3.4.2 液晶輸出顯示</p><p>　　液晶顯示屏具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等諸多優(yōu)點。在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中，LCD得到越來越廣泛的應(yīng)用字符型液晶顯示 屏，是一種用5 * 7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為 1 行 16

62、個字、2行16個字、2 行20個字等，本設(shè)計以常用的2行16個字的LCD1602液晶模塊作為數(shù)據(jù)顯示模塊。LCD1602采用標準的16腳接口，其引腳功能如表3.8所示：</p><p>　　表3.8 LCD1602接口引腳及其功能</p><p><b>　　1. 主要管腳介紹</b></p><p>　　VO：液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源

63、時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。</p><p>　　RS：寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器；低電平時選擇指令寄存器。</p><p>　　R/W：讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址；當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。</p&g

64、t;<p>　　E：使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。</p><p>　　LCD1602與AT89S51 的I/O口電路連接如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 LCD1602硬件連接圖</p><p><b>　　3.5 報警電路</b></p><p>　　一個良好的

65、系統(tǒng)是需要報警的，否則可能會造成安全事故。本設(shè)計的聲光報警電路圖如圖3.8所示：</p><p>　　圖 3.8 聲光報警電路</p><p>　　若出現(xiàn)安全故障或超溫情況，則輸入P1.0由低電平變?yōu)楦唠娖?，紅色指示燈D6亮，同時揚聲器發(fā)出聲音。</p><p>　　3.6 串行通信接口</p><p>　　在微機系統(tǒng)中，CPU與外部設(shè)備的基

66、本通信方式有兩種：并行通信和串行通信。并行通信是一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在多條線上同時被傳輸。其優(yōu)點是：傳輸速度快，信息率高；適合于外部設(shè)備與微機之間進行大量和快速的信息交換。其缺點是：傳輸?shù)某杀颈容^高，抗干擾能力差。串行通信是指使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度。其只需要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別使用于計算機與計算機、計算機與外設(shè)之間的遠距離通信。串行通信的優(yōu)點是節(jié)省傳輸線，特別是在遠距離

67、通信中，缺點是數(shù)據(jù)傳送效率低。</p><p>　　RS-232C為最常用的串行接口標準，它能很方便地把各種計算機、外部設(shè)備和測量儀器有機連接起來，構(gòu)成一個測量、控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。串行接口可靠傳輸時的最大通信速度和傳送距離指標之間具有相關(guān)性，適當降低通信速度，可以提高通信距離，反之亦然。采用RS-232C標準進行單向傳輸時，最大傳輸速率為20K bit/s最大傳送距離為15米。</p><

68、;p>　　由于PC機輸出的是標準的RS-232C 電平，而單片機輸出的是TTL電平，故須采用MAX232芯片將TTL電平與RS-232C電平進行轉(zhuǎn)換。MAX232為線路驅(qū)動器接收器，使用單SV電源供電，配接4個1uF電解電容，可完成RS-232C電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢的串口信號TXD, RXD直接和AT89S51的串行口連接，硬件連接如圖3.8所示：</p><p>　　圖3.8 RS232串

69、口通信電路圖</p><p>　　3.7 電源模塊設(shè)計</p><p>　　因為單片機的工作電源為+5V且底層電路功耗很小。所以在單片機電源設(shè)計中常使用輸出電壓固定的集成穩(wěn)壓器，作為穩(wěn)壓器件。這種集成穩(wěn)壓器只有輸入、輸出和公共引出端三個端口，故稱為三端穩(wěn)壓器。采用三端穩(wěn)壓7805即可制作輸出為+5V 的電源，為單片機提供正常工作電源，也可以為其它模塊提供電源。本設(shè)計中所采用的直流穩(wěn)壓電路如

70、圖3.9所示：</p><p>　　圖3.9 穩(wěn)壓電源圖</p><p>　　圖3.9中7805起到電壓變化作用，和用于濾波。 另外，還可以接一個的電阻和一個發(fā)光二極管， 目的是為了檢測電路是否通電。</p><p>　　3.8 溫度控制執(zhí)行單元設(shè)計</p><p>　　3.8.1 雙向可控硅BTA12</p><p>

71、;　　BTA12是一種以硅單晶為基本材料的P1、N1、P2、N2四層三端器件。由于可控硅最初應(yīng)用于可控整流方面所以又稱為硅可控整流元件，簡稱為可控硅SCR?？煽毓璧膬?yōu)點很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達幾十萬倍；反應(yīng)極快，在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點運行、無火花、無噪音；效率高，成本低等等?？煽毓璧娜觞c：靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差；容易受干擾而誤導(dǎo)通?？煽毓鑿耐庑紊戏诸愔饕校郝菟ㄐ巍⑵桨逍魏推降仔?。</p>

72、<p>　　由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件如表3.9所示：</p><p>　　表3.9 可控硅開關(guān)特性表</p><p>　　目前，采用可控硅進行功率調(diào)節(jié)的觸發(fā)方式有兩種：過零觸發(fā)和移相觸發(fā)。移相觸發(fā)方式調(diào)功實際上是控制可控硅的導(dǎo)通角，達到調(diào)節(jié)功率的目的，此方式易造成電磁干擾而且電路復(fù)雜。采用移相觸發(fā)的可控硅交流

73、調(diào)功裝置，往往在可控硅導(dǎo)通的瞬間使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變，當控制角為90°時，產(chǎn)生的二次諧波電流為基波電流的50%，五次諧波也可達到基波的1/6。這些諧波分量引起電網(wǎng)電壓波形畸變，功率因數(shù)下降，給其它用電設(shè)備和通訊系統(tǒng)的工作帶來不良影響。為此，人們研究了各種避免電壓瞬間大幅度下降和抑制高次諧波的方法，過零觸發(fā)方式很好地解決了此類問題，它可把可控硅導(dǎo)通的起始點限制在電源電壓過零點，從而大大降低了諧波分量，然而，傳統(tǒng)的可控硅過零觸發(fā)調(diào)功

74、器由同步脈沖產(chǎn)生電路、檢零電路、隔離電路組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件的離散性和溫漂嚴重影響調(diào)功器控制精度及使用壽命。MOTOROLA公司生產(chǎn)的MOC3021-3081器件可以很好地解決這些問題。</p><p>　　3.8.2 光電耦合器MOC3041 </p><p>　　光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。

75、把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等。</p><p>　　MOC3041具有價格低廉、觸發(fā)電路簡單可靠的特點。本系統(tǒng)采用MOC3041作為可控硅的驅(qū)動器，控制可控硅的導(dǎo)通與

76、關(guān)斷，改變平均電壓的大小值，形成最佳加熱方式，從而控制溫度的超調(diào)。其基本工作特點如下：</p><p>　?。?）共模抑制比很高 </p><p>　　在光電耦合器內(nèi)部，由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很?。?pF以內(nèi)）所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。 </p><p><b>　　（2）輸出特性</b>

77、;</p><p>　　光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當IF=0時，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當IF>0時，在一定的IF作用下，所對應(yīng)的IC基本上與VCE無關(guān)。IC與IF之間的變化成線性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。</p><

78、;p>　　3.8.3溫度控制模塊電路</p><p>　　此部分電路主要由光電耦合器和可控硅組成，光電耦合器與單片機端口相連，可以根據(jù)端口信號的變化迅速做出反應(yīng)，延時時間短。由于單片機的端口電壓不足以驅(qū)動光電耦合器，故令其低電平觸發(fā)，外加上拉電阻。與外部電阻爐相連的部分是可控硅，與光電耦合器配合輸出，以弱點控制強電，控制電阻爐的開斷頻率，以達到加熱目的。溫度控制模塊電路圖如圖3.10所示：</p>

79、;<p>　　圖 3.10 溫度控制模塊電路圖</p><p>　　的作用是限制流過MOC3041的輸出端的電流不超過允許的最大重復(fù)浪涌電流。R11的值可大致如下估算：</p><p>　　= / （3.1）

80、 </p><p>　　其中:為工作電壓的峰值,也就是220V,為MOC3041輸出端允許的最大重復(fù)浪涌電流（1A)。計算結(jié)果=，這里取=。</p><p>　　由于的串入，使觸發(fā)電路產(chǎn)生一個最小觸發(fā)電壓場，低于時，雙向可控硅BTA12不能導(dǎo)通。</p><p>　　=++ (3.

81、2)</p><p>　　其中：表示可控硅BTA12的最小觸發(fā)電流。</p><p>　　表示可控硅BTA12的最小觸發(fā)電壓。</p><p>　　為MOC3041輸出端的輸出壓降，其最大值為3V.</p><p>　　在阻斷狀態(tài)下,晶閘管的PN結(jié)相當于一個電容，如果突然受到正向電壓，充電電流通過門極PN結(jié)時，起了觸發(fā)電流的作用。當/較大時，

82、將導(dǎo)致MOC3041的輸出晶閘管誤導(dǎo)通。由于電加熱絲是一個感性負載，其/比較大，因此，采用和組成的RC回路來降低MOC3041的輸出晶閘管的/。在極端情況下，MOC3041允許的/為。</p><p>　　由于： /= (3.3)</p><p>　　+=

83、 (3.4） </p><p>　　由此可以估算出和的值。</p><p>　　在實際使用中，太大的電壓上升率對外部的BTA12可控硅是不允許的，特別是負載為感性或功率較大時，必須加保護回路?？梢圆捎肦C吸收回路、金屬氧化物壓敏電阻、雪崩二極管，硒堆與轉(zhuǎn)折二極管等非線性元器件來限制或吸收過電壓，其中RC吸收電路和金屬氧化物壓敏電阻是常見的措施。金屬氧化物電阻

84、是近年來應(yīng)用廣泛的浪涌吸收器件，可抑制持續(xù)時間較長的偶發(fā)性浪涌電壓，具有正反向都很陡的穩(wěn)壓特性。正常工作時，壓敏電阻不擊穿，漏電流較小，損耗很小，當遇到尖峰過壓時，可以通過數(shù)千安培的放電電流，抑制過壓的能力很強。并具有反應(yīng)快，體積小，價格便宜等優(yōu)點。實際應(yīng)用中BTA12一般只承受換相過電壓，開關(guān)時沒有較大的/,因此一般采用RC吸收電路即可。和組成的RC回路能降低可控硅的/,防止可控硅在上電和斷電時擊穿。其中電容用來吸收尖峰過電壓，電阻主

85、要用來限制晶閘管開通損耗和電流上升率，并阻尼LC振蕩。和的大小根據(jù)負載電流和電感大小決定，在一般場合下，當工作電流小于時，可以取,因為MOC3041在輸出關(guān)斷的狀態(tài)下，也有小于或等于500的漏電流，加入可以消除這個電流對可控硅BTA12的影響,防止BTA12的誤觸發(fā)。</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計</b></p><p>　　本部分詳細介紹了基于AT89S

86、51單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計分為若干個子程序進行設(shè)計，如溫度采集子程序，數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序、執(zhí)行子程序。采用匯編語言來進行系統(tǒng)軟件的設(shè)計。本章從設(shè)計思路、軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)，先介紹整體的思路后，再逐一分析各模塊程序算法的實現(xiàn)，最終編寫出滿足任務(wù)需求的程序。</p><p>　　4.1 總體設(shè)計思路</p><p>　　本系統(tǒng)要完成溫度信號的采

87、集與控制，需要實現(xiàn)溫度信號的采集與A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ堋墓δ苌峡蓪⑵浞譃闇囟刃盘柌杉?及A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、人機交互、執(zhí)行四大部分進行設(shè)計，軟件系統(tǒng)框圖如圖 4.1所示：</p><p>　　圖 4.1 軟件系統(tǒng)框圖</p><p>　　溫度信號采集子程序，主要完成溫度信號采集與A/D功能，由于數(shù)字溫度傳感器DS18B20是采用單總線結(jié)構(gòu)，所以軟件設(shè)計需

88、要根據(jù)單總線協(xié)議來完成數(shù)據(jù)采集、A/D 轉(zhuǎn)換和傳輸。溫度信號采集子程序主要包括傳感器初始化、單片機給傳感器寫命令、單片機給傳感器寫數(shù)據(jù)、單片機從傳感器讀數(shù)據(jù)等部分。</p><p>　　數(shù)據(jù)處理子程序，當單片機收到溫度傳感器發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理子程序?qū)υ摂?shù)據(jù)進行處理，主要是把采集到的二進制的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制溫度數(shù)據(jù)。</p><p>　　人機交互子程序，包括按鍵子程序、LCD 顯

89、示子程序。按鍵子程序是完成按鍵識別功能，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。按鍵子程序又包括設(shè)置子程序、加一子程序、 減一子程序等。LCD 顯示子程序的功能是，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)處理后的十進制溫度數(shù)據(jù)，使用LCD 顯示出來。而LCD 顯示子程序又包括LCD 初始化子程序、寫命令子程序、寫數(shù)據(jù)子程序等。</p><p>　　執(zhí)行子程序，該子程序所實現(xiàn)的功能，是把按鍵子程序設(shè)置的系統(tǒng)溫度限定值與數(shù)據(jù)處理子程序處理后的當前溫度值進行比較，根據(jù)

90、比較的結(jié)果，執(zhí)行單片機的I/O 口輸出的狀態(tài)。I/O口的高低電平控制繼電器閉合達到控制大功率設(shè)備的目的。主程序流程圖如圖 4.2 所示：</p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p>　　圖4.2 主程序流程圖</p><p>　　4.2 溫度采集子

91、程序</p><p>　　1-wire單總線是Maxim全資子公司Dallas的一項專有技術(shù)與目前多數(shù)標準串行數(shù)據(jù)通信方式不同，它采用單根信號線，既傳輸時鐘又傳輸數(shù)據(jù)。而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。它具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省I/O口資源、成本低廉、便于總線擴展和維護等諸多優(yōu)點，1-wire 單總線適用于單個主機系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機設(shè)備，當只有一個從機位于總線上時，系統(tǒng)可按照單節(jié)點系統(tǒng)操作，而當多個從機位于總線上時，系統(tǒng)

92、則按照多節(jié)點系統(tǒng)進行操作。而較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償，由于DS18 B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此， 在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。軟件系統(tǒng)可分為命令序列、信號方式、信號類型和時序。</p><p>　　4.2.1 命令序列</p><p>　　根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)

93、過三個步驟：每一次讀寫之前，都要對DS18B20進行復(fù)位即初始化，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM 指令即ROM 操作，最后發(fā)送 RAM 指令即功能命令，這樣才能對 DS18B20 進行預(yù)定的操作。</p><p>　　初始化：基于單總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，初始化過程由主機發(fā)出的復(fù)位脈沖和從機響應(yīng)的應(yīng)答脈沖組成，應(yīng)答脈沖使主機知道總線上有從機設(shè)備且準備就緒。復(fù)位要求主機將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，

94、DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右后，發(fā)出60～240微秒的低脈沖，主 機收到此信號表示復(fù)位成功。</p><p>　　ROM命令：主機檢測到應(yīng)答脈沖后，發(fā)出ROM 命令，這些命令與一個從機設(shè)備的唯一64位ROM代碼相關(guān)，允許主機在單總線上連接多個從機設(shè)備， 指定操作一個從機設(shè)備。這些命令還使主機能夠檢測到總線上有多少個從機設(shè)備以及類型和有沒有設(shè)備處于報警狀態(tài)。從機設(shè)備可以支持5 種ROM命令。每種命

95、令長度為8位，主機在發(fā)出功能命令之前，必須送出合適的ROM命令。 DS18B20有5個ROM 操作命令，如表 4.1 所示：</p><p>　　表 4.1 DS18B20的ROM指令表</p><p>　　功能命令：在主機發(fā)出ROM命令以訪問某個指定的DS18B20后，接著就可以發(fā)DS18B20支持的某個功能命令，這些命令允許主機寫入或讀出DS18B20 暫存器、啟動溫度轉(zhuǎn)換以及判斷從機

96、的供電方式。DS18B20有6個存儲器功能命令，如表4. 2所示：</p><p>　　表 4.2 DS18B20的RAM指令表</p><p>　　4.2.2 信號方式</p><p>　　所有的單總線器件要求采用嚴格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。所有這些信號，除了應(yīng)答脈沖以外，都由主機

97、發(fā)出同步信號。并且發(fā)送的所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前，這一點與多數(shù)串行通信格式不同。</p><p>　　初始化序列：包括復(fù)位和應(yīng)答脈沖。單總線上的所有通信都是以初始化序列</p><p>　　開始，包括主機發(fā)出的復(fù)位脈沖及從機的應(yīng)答脈沖。當從機發(fā)出響應(yīng)主機的應(yīng)答脈沖時，即向主機表明它處于總線上，且工作準備就緒。在主機初始化過程，主機通過拉低單總線至少48 0微秒，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著

98、主機釋放總線，并進入接收模式，當總線被釋放后，連接+5V電源的上拉電阻將單總線拉高，在單總線器件檢測到上升沿后，延時15 ~ 60 微秒，接著通過拉低總線 60 ~ 240微秒，以產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。初始化時序圖如圖4.3所示：</p><p>　　從機等待15~60 主機接收>480</p><p><b>　　主機復(fù)位>480</b></

99、p><p>　　從機應(yīng)答60~240</p><p>　　圖 4.3 初始化時序圖</p><p>　　讀/寫時隙，在寫時隙期間，主機向單總線器件寫入數(shù)據(jù)；而在讀時隙期間主機讀入來自從機的數(shù)據(jù)，在每一個時隙總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。</p><p>　　寫時隙：寫時隙包括兩種：“寫1”和“寫0”。主機采用寫 時隙向從機寫入1，而采用寫0時隙向從機寫入

100、0。所有寫時隙至少需要60微秒，且在兩次獨立的寫時隙之間至少需要1微秒的恢復(fù)時間，寫時隙，均起始于主機拉低，產(chǎn)生寫1時隙的方式，主機在拉低總線后，接著必須在15微秒之內(nèi)釋放總線，由5 .1 k 上拉電阻將總線拉至高電平；而產(chǎn)生寫0時隙的方式。在主機拉低總線后，只需要在整個時隙期間保持低電平即可。</p><p>　　在寫時隙起始后15 ~ 60微秒期間，單總線器件采樣總線電平狀態(tài)；如果在此期間采樣到高電平，則邏輯

101、1被寫入該器件，如果為0則寫入邏輯0。</p><p>　　讀時隙：單總線器件僅在主機發(fā)出讀時隙時才向主機傳輸數(shù)據(jù)。所以在主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)的命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時隙，以便從機能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時隙至少需要60微秒，且在兩次獨立的讀時隙之間至少需要1微秒的恢復(fù)時間。讀時隙都由主機發(fā)起；至少拉低總線1微秒，在主機發(fā)起讀時隙之后，單總線器件才開始在總線上發(fā)送0或1。若從機發(fā)送 1，則保持總線為高電平。若發(fā)送0，則拉低

102、總線。當發(fā)送0時，從機在該時隙結(jié)束后釋放總線。由上拉電阻將總線拉回至空閑高電平狀態(tài)，從機發(fā)出的數(shù)據(jù)在起始時隙之后，保持有效時間15微秒，因而主機在讀時隙期間必須釋放總線。并且在時隙起始后的15微秒之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。溫度采集子程序流程圖如圖 4.4 所示：</p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p&

103、gt;<p>　　圖4.4 溫度采集子程序流程圖</p><p>　　4.3 數(shù)據(jù)處理子程序</p><p>　　設(shè)置分辨率為12位轉(zhuǎn)化后得到的16位溫度數(shù)據(jù)，其中包括了溫度的符號位。</p><p>　　單片機通過單總線接口讀取該數(shù)據(jù)，在應(yīng)用時要把有效的溫度數(shù)據(jù)提取出來， 并進行相應(yīng)的處理，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)情況進行控制處理。</p><

104、;p>　　DS18B20完成溫度信號的采集與A/D 轉(zhuǎn)換，并把數(shù)據(jù)傳遞給單片機，并保存起來。數(shù)據(jù)處理時把數(shù)據(jù)取出，放在一個整型變量中。首先取出整數(shù)部分進行處理求出數(shù)據(jù)十進制表示時的百位、十位及個位，再求小數(shù)部分數(shù)據(jù)。DS18B20 采集的數(shù)據(jù)有四位小數(shù)，精度可達到0.0625。 在設(shè)計中取四位小數(shù)，溫度測量的精度0.0625，這樣的數(shù)據(jù)比較精確。通過數(shù)據(jù)處理后，把16位的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成帶四個小數(shù)位的十進制數(shù)據(jù)。溫度計算流程圖如圖

105、 4.5 所示：</p><p>　　圖4.5 溫度值程序計算流程圖</p><p>　　整數(shù)部分計算子程序流程圖如圖4.6所示：</p><p>　　圖 4.6 整數(shù)部分計算子程序流程圖</p><p>　　小數(shù)部分計算子程序流程圖如圖4.7所示：</p><p>　　圖4.7 小數(shù)部分計算子程序流程圖</p&

106、gt;<p>　　4.4 人機交互子程序</p><p>　　本部分主要介紹用于人機交互的 LCD 顯示子程序和按鍵子程序設(shè)計。</p><p>　　4.4.1 顯示子程序</p><p>　　LCD1602液晶顯示屏可以和單片機AT89S51接口直接連接，液晶顯示屏是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志是否為低電平， 低電平表