電冰箱的溫度控制系統(tǒng)設計.docx

電冰箱溫度控制系統(tǒng)設計一、 引言電冰箱是每個家庭現(xiàn)代化廚房必備的家用電器之一，它是利用電能在箱體內形成低溫環(huán)境,用于冷藏冷凍各種食品和其他物品的家用電器設備。它的主要任務就是控制壓縮機、化霜加熱等來保持箱內食品的最佳溫度達到食品保鮮的目的，即保證所儲存的食品在經過冷凍或冷藏之后保持色、味、水分、營養(yǎng)基本不變。從1918年世界上第一臺電機壓縮式電冰箱研制成功，隨著科學技術的飛速發(fā)展電冰箱也在不斷的演變和更新尤其是近年來高新技術的迅猛崛起更使得電冰箱的發(fā)展日新月異。 現(xiàn)代社會每一個家庭都處在快節(jié)奏的生活中人們大多已無閑暇的時間和精力花費在經常性的采購日常生活用品上。因此集中時間大量采購的新型生活方式已為越來越多的人所接受從而決定了大容量電冰箱將是一種國際化的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的機械式直冷式電冰箱的控制原理是根據(jù)蒸發(fā)器的溫度控制制冷壓縮機的啟、停,使電冰箱內的溫度保持在設定溫度范圍內。一般,當蒸發(fā)器溫度升至35時啟動壓縮機制冷;當溫度低于-10 -20時停止制冷,關斷壓縮機。隨著微機技術的飛速發(fā)展,單片機以其體積小、價格低、應用靈活等優(yōu)點在家用電器、儀器儀表等領域中得到了廣泛的應用。采用單片機進行控制,可以使電冰箱的控制更準確、靈活、直觀。本次所設計的就是基于51單片機的電冰箱溫度控制系統(tǒng)，以AT89C51單片機為核心控制壓縮機的啟動和停止，解決了傳統(tǒng)電冰箱控制系統(tǒng)存在的不足，可以使控制更準確、更靈活。本次設計的目的是設計一個溫度控制系統(tǒng)，要求：1. 利用鍵盤分別控制冷藏室、冷凍室溫度（05，-7 -18）；2. 顯示各室的溫度值；3. 制冷壓縮機運行后若突然斷電要有30秒延時；4. 各個門開后超過2分鐘要報警。本次設計的意義是通過此次設計加深對測控系統(tǒng)原理與設計課程的理解，掌握微機化測控系統(tǒng)設計的思路，了解一般設計過程。二、電冰箱溫度控制系統(tǒng)硬件電路設計1. 總體設計方案以AT89S51單片機為核心，來實現(xiàn)各個模塊的功能。溫度傳感器模塊、鍵盤輸入模塊作為系統(tǒng)的輸入模塊，液晶顯示模塊、溫度控制器模塊、報警模塊作為系統(tǒng)的輸出模塊，構成基本電路，原理框圖如圖2-1所示：溫度傳感器（經指導老師建議，使用DS18B20，因其自帶A/D轉換模塊）從設備環(huán)境的不同位置采集溫度，單片機AT89S51獲取采集的溫度值，經處理得到當前環(huán)境中一個比較穩(wěn)定的溫度值，再根據(jù)當前設定的溫度上下限值，通過加熱和降溫對當前溫度進行調整。當采集的溫度經處理后超過設定溫度上限時，單片機通過三極管驅動繼電器開啟降溫設備(壓縮制冷器)，當采集的溫度經處理后低于設定溫度下限時，單片機通過三極管驅動繼電器開啟升溫設備 (加熱器)。PC機MAX232電平轉換芯片LED數(shù)據(jù)顯示復位電路鍵盤電路AT89S51時鐘電路DS18B20 溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸報警電路輸入電源壓縮制冷器繼電器1加熱器繼電器2圖2-1 冰箱控制原理圖當由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導致在一段時間內不能將環(huán)境溫度調整到規(guī)定的溫度限內的時候，單片機通過三極管驅動揚聲器發(fā)出警笛聲。系統(tǒng)中將通過串口通訊連接PC機存儲溫度變化時的歷史數(shù)據(jù)，以便觀察整個溫度的控制過程及監(jiān)控溫度的變化全過程。2. 主控制部分方案AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。2.1 AT89S51主要性能特點1、4k Bytes Flash片內程序存儲器；2、128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；3、32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口；4、2個中斷優(yōu)先級、2層中斷嵌套中斷；5、6個中斷源；6、2個16位可編程定時器/計數(shù)器；7、2個全雙工串行通信口；8、看門狗（WDT）電路；9、片內振蕩器和時鐘電路；10、與MCS-51兼容；11、全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz；12、三級程序存儲器保密鎖定；13、可編程串行通道；14、低功耗的閑置和掉電模式。2.2管腳說明VCC：電源電壓輸入端。GND：電源地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 PDIP封裝的AT89S51管腳圖P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口除了作為普通I/O口，還有第二功能：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（T0定時器的外部計數(shù)輸入）P3.5 T1（T1定時器的外部計數(shù)輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器的寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。I/O口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內容讀入到內部總線，經過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內部總線。89C51的P0、P1、P2、P3口作為輸入時都是準雙向口。除了P1口外P0、P2、P3口都還有其他的功能。 RST：復位輸入端，高電平有效。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：地址鎖存允許/編程脈沖信號端。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號，低電平有效。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP：外部程序存儲器訪問允許。當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：片內振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：片內振蕩器反相放大器的輸出端。2.3下載程序AT89SXX系列單片機實現(xiàn)了ISP下載功能，故而取代了89CXX系列的下載方式，也是因為這樣，ATMEL公司已經停止生產89CXX系列的單片機，現(xiàn)在市面上的AT89CXX多是停產前的庫存產品。1.控制線，共4根。（1）輸入：RST復位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，在RST上作用兩個機器周期以上的高電平，將器件復位。EA/Vpp片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上施加12V的編程電壓。（2）輸入，輸出：ALE/PROG地址鎖存允許信號，輸出。用做片外存儲器訪問時，低字節(jié)地址鎖存。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用做對外輸出的時鐘或用于定時。在EPROM編程期間，作輸入。輸入編程脈沖。ALE可以驅動8個LSTTL負載。（3）輸出：PSEN片外程序存儲器選通信號，低電平有效。在從片外程序存儲器取指期間，在每個機器周期中，當PSEN有效時，程序存儲器的內容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅動8個LSTTL負載。2.I/O口：4個口，32根單片機51系列共有四個8位雙向并行I/O通道口，分別是P0、P1、P2、P3，各具有特殊的電路結構，每位均有自己的鎖存器、輸出驅動器和輸入緩沖器。這種結構，在數(shù)據(jù)輸出時可鎖存，即輸出新的數(shù)據(jù)之前，通道口上原數(shù)據(jù)一直保持不變，但對輸入信息是不鎖存的，因此從外部輸入的信息必須保持到取數(shù)指令執(zhí)行完為止。在這四個8位雙向并行I/O通道口中，我們應該選擇哪一個通道口作為輸入信號和輸出信號的端口呢？下面我們先來了解一下四個通道口的結構。（1）P0口介紹 P0口在訪問外部存儲器時，P0口既是一個真正的雙向數(shù)據(jù)總線口，又是從分時輸出8位地址口。它包括一個輸出鎖存器，兩個三態(tài)緩沖器，一個輸出驅動電路和一個輸出控制電路（2）P1口介紹 P1口是專門為用戶使用的I/O口，是準雙向口，P1口為8位準雙向口，每一位均可單獨定義為輸入或輸出口。在編程校驗期間，用做輸入低位字節(jié)地址。P1口可以驅動4個LSTTL負載。（3）P2口介紹 P2口也是雙向口。它是供系統(tǒng)擴展時輸出高8位地址。如果沒有系統(tǒng)擴展時，也可以作為用戶的I/O口使用。P2口作為外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器的地址總線的高8位輸出口AB8-AB15，P0口由ALE選通作為地址總線的低8位輸出口AB0-AB7。外部的程序存儲器由PSEN信號選通，數(shù)據(jù)存儲器則由WR和RD讀寫信號選通，因為2=64k，所以89S51最大可外接64kB的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器（4）P3口介紹P3口是個雙功能口，第一功能作通用I/O口，第二功能是作變異功能用，為適應引腳的第二功能的需要，增加了第二功能控制邏輯，在真正的應用電路中，第二功能顯得更為重要。由于第二功能信號有輸入輸出兩種情況，我們分別加以說明。P3口的輸入輸出及P3口鎖存器、中斷、定時/計數(shù)器、串行口和特殊功能寄存器有關，P3口的第一功能和P1口一樣可作為輸入輸出端口，同樣具有字節(jié)操作和位操作兩種方式，在位操作模式下，每一位均可定義為輸入或輸出。表2-1 P3口的第二功能端口引腳功能特征P3.0串行輸入口（RXD）P3.1串行輸出口(TXD)P3.2外中斷0(INT0)P3.3外中斷1(INT1)P3.4定時/計數(shù)器0的外部輸入口(T0)P3.5定時/計數(shù)器1的外部輸入口(T1)P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通(WR)P3.7外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通(RD)現(xiàn)在我們已經對四個8位雙向并行I/O口有了初步的了解。根據(jù)以上的介紹我們知道只有P1口是標準的I/O口，所以我們選用P0口作為數(shù)據(jù)端口，P0口可逐位分別定義各口線為輸入或輸出線。2.4 AT89S51單片機的中斷系統(tǒng)本次設計的報警器是利用外部中斷觸發(fā)單片機中斷處理程序，以實現(xiàn)報警的功能。所以，以下內容是對89S51單片機的中斷系統(tǒng)的介紹。1.中斷：程序執(zhí)行過程中，允許外部或內部事件通過硬件打斷程序的執(zhí)行，使其轉向為處理內部事件的中斷服務程序中去；完成中斷服務的程序后，CPU繼續(xù)原來被打斷的程序，這樣的過程稱為中斷過程。2.中斷源：能產生中斷的外部和內部事件。89S51有5個中斷源：(1) INT0：外部中斷0請求，低電平有效。通過P3.2引腳輸入。(2)INT1：外部中斷1請求，低電平有效。通過P3.3引腳輸入。(3)T0：定時器/計數(shù)器0溢出中斷請求。(4)TI：定時器/計數(shù)器1溢出中斷請求。(5)TXD/RXD：串行口中斷請求。當串行口完成一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收時，便請求中斷。每一個中斷源都對應一個中斷請求標志位，它們設置在特殊功能寄存器TCON和SCON中。當這些中斷源請求中斷時，相應的標志分別有TCON和SCON中的相應位來鎖存。3.AT89S51中斷系統(tǒng)有以下4個特殊功能寄存器：（1）定時器控制寄存器TCON（用6位）；（2）串行口控制寄存器SCON（用2位）；（3）中斷允許寄存器IE；（4）中斷優(yōu)先級寄存器IP。其中，TCON和SCON只有一部分用于中斷控制。通過對以上各特殊功能寄存器的各位進行置位或復位等操作，可實現(xiàn)各種中斷控制功能。4.中斷的響應過程及中斷矢量地址 中斷處理過程可分為3個階段：中斷響應、中斷處理和中斷返回。89C51的CPU在每個機器周期的S5P2期間順序采樣每個中斷源，CPU在下一個機器周期S6期間按優(yōu)先級順序查詢中斷標志。如查詢到某個中斷標志為1，則將在接下來的機器周期S1期間按優(yōu)先級進行中斷處理。中斷系統(tǒng)通過硬件自動將相應的中斷矢量地址裝入PC，以便進入相應的中斷服務程序。表2既是各個中斷源對應的中斷矢量地址。由于89S51系列單片機的兩個相鄰的中斷源中斷服務程序入口地址相距只有八個單元，一般的中斷服務程序是容納不下的，通常是在相應的中斷服務程序入口地址中放一條常跳轉指令LJMP，這樣就可以轉到64KB任何可用區(qū)域了。表2-2 中斷源及其對應的矢量地址中斷源中斷矢量地址外部中斷0（）0003H定時器/計數(shù)器0（T0）000BH外部中斷1（）0013H定時器/計數(shù)器1（T1）001BH串行口中斷（RI、TI）0023H中斷服務程序從矢量地址開始執(zhí)行，一直到返回指令RETI為止。RETI指令的操作一方面告訴中斷系統(tǒng)該中斷服務程序已執(zhí)行完畢，另一方面把原來壓入堆棧保護斷點地址從棧頂彈出，裝入程序寄存器PC，使程序返回到被中斷的程序斷點處繼續(xù)執(zhí)行。5.在編寫中斷服務程序時應注意：（1）在中斷矢量地址單元處存放一條無條件轉移指令（如LJMP H），使中斷程序可靈活的安排在64KB程序存儲器的任何空間。（2）在中斷服務程序中，用戶應注意用軟件保護現(xiàn)場，以免中斷返回后丟失原寄存器、累加器中的信息。（3）若要在執(zhí)行當前中斷程序時禁止更高優(yōu)先級中斷，則可先用軟件關閉CPU中斷或禁止某中斷源中斷，在中斷返回前在開放中斷。2.5 AT89S51單片機的優(yōu)勢1.性能強大AT89S51具有完整的輸入輸出、控制端口、以及內部程序存儲空間。與我們通常意義上的微機原理類似，可以通過外接A/D，D/A轉換電路及運放芯片實現(xiàn)對傳感器傳送信息的采集，且能夠提供以點陣或LCD液晶及外接按鍵實現(xiàn)人機交互，能對內部眾多I/O端口連接步進電機對外圍設備進行精確操控，具有強大的工控能力。2.易于學習AT89S51系列單片機編寫程序的基本流程。其語法結構與我們常用的計算機C語言基本相同，不同之處在于增加了控制具體引腳工作的語句和命令，相對于計算機C語言，單片機C語言更簡練和明確.可以控制每個引腳的輸入輸出狀態(tài)。其主要語句集中在例如：“ifelse”、“while”、“for”等循環(huán)與判斷語句上，相比計算機C語言更簡單。有過計算機C語言學習經歷經過一段時間的熟悉就能夠熟練進行編程.使用AT89S51系列單片機編程，可以在沒有實物單片機的情況下在普通電腦上進行程序編寫甚至是調試工作。一般工作中使用Keil公司開發(fā)的51單片機編程軟件進行編程，它采用目前流行的開友環(huán)境，集編輯，編譯和仿真于一體。在該軟件上用戶可以編寫匯編語言或C語言源程序，并利用該軟件生成單片機能運行的程序。3.價格低廉AT89S51芯片價格便宜，適合對大批量的計量儀器進行規(guī)模化改造，其單片售價不超過5元。3.測溫模塊的選擇方案3.1 DS18B20簡介DS18B20是一種單端通信的數(shù)字式溫度傳感器，這就大大減小了溫度測量電路的復雜程度。我們把單片機的一條I/O分配給溫度傳感器，即可完成溫度采集。單片機通過對溫度傳感器的初始化，發(fā)出溫度轉換命令，寫入和讀出數(shù)據(jù)的命令來實現(xiàn)溫度的測量。本系統(tǒng)在溫度采集中使用的DS18B20測溫原理圖如圖3-1所示：圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號，送給減法計數(shù)器1；高溫度系數(shù)晶振振蕩頻率隨著溫度變化，變化明顯，所產生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入。圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數(shù)，進而完成溫度測量，計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定。每次測量前，首先將-55所對應的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1、溫度寄存器中。圖3-1 DS18B20測溫原理圖DS18B20是一種使用方便的溫度傳感器，其性能特點如下： （1）具有獨特的單線接口方式，只要求一個端口即可實現(xiàn)通信； （2）內含64位經過激光修正的只讀存儲器ROM；（3）在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號； （4）實際應用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫； （5）測量溫度范圍在55到125之間，測量分辨率為0.0625； （6）數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇； （7）內部有溫度上、下限告警設置，用戶可分別設定各路溫度的上、下限；（8）支持多接點； （9）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.05.5V； （10）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。 系統(tǒng)所選的是3腳的PR-35封裝DS18B20數(shù)字溫度傳感器，引腳功能如表3所示。表3-1 DS18B20詳細引腳功能描述DS18B20的內部有一個高速暫存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。高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如表3.2所示。當溫度轉換命令發(fā)布后，經轉換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第1和第2個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，對應的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉換為十進制；當S=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進制值。第3和第4字節(jié)是TH 和TL的拷貝，是易失性的，每次上電復位時被刷新，第5字節(jié)為配置寄存器，它主要用來確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率。6、7、8字節(jié)保留未用，為全邏輯1，第9字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。 根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過3個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預訂的操作。表3-2 DS18B20暫存寄存器分布表3-3 ROM指令表3-4 RAM指令主CPU將數(shù)據(jù)下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號等待16到60微秒，然后發(fā)出60到240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。ROM指令如表3-3所示，RAM指令如表3-4所示。DS18B20的溫度采集過程：如圖3-2所示。3.2 DS18B20的工作時序DS18B20的工作時序主要包括初始化時序、寫時序、讀時序。 初始化時序下： （1）先將數(shù)據(jù)線置高電平； （2）延時2ms； （3）數(shù)據(jù)線拉到低電平； （4）延時750us（從480us到960us）； （5）數(shù)據(jù)線拉到高電平； （6）延時等待。如果初始化成功，在15到60us時間之內產生一個由DS18B20返回的低電平，據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應注意不能無限的進行等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時判斷；（7）若CPU讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平后，還要做延時，其延時的時間從發(fā)出的高電平算起（第五步的時間算起）最少要480us； （8）將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平1后結束。 DS18B20寫數(shù)據(jù)時序如下： （1）數(shù)據(jù)線先置低電平； （2）延時時間為15us； （3）按從低位到高位的順序發(fā)送數(shù)據(jù)（一次只發(fā)送一位）； （4）延時時間為45us； （5）將數(shù)據(jù)線拉到高電平； （6）重復上述步驟，直到發(fā)送完整個字節(jié)； （7）最后將數(shù)據(jù)線拉高。 從DS18B20讀數(shù)據(jù)時序如下： （1）將數(shù)據(jù)線拉高； （2）延時2us； （3）將數(shù)據(jù)線拉低； （4）延時6us； （5）將數(shù)據(jù)線拉高； （6）延時4us； （7）讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個狀態(tài)位，并且進行數(shù)據(jù)處理； （8）延時30us； （9）重復上述步驟，直到讀取完一個字節(jié)。3.3 DS18B20的連接電路DS18B20 的常用連接電路圖如圖3-3所示。圖3-3 DS18B20連接電路4.各單元的設計4.1單片機時鐘電路及復位電路（1）時鐘電路時鐘電路對于單片機系統(tǒng)而言是必須的，因為單片機內部是由各種各樣的數(shù)字邏輯器件構成，而這些器件又必須按時間順序完成。所以在管腳的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體和倆個諧振電容，電容采用2個30u電容，采用12M的石英晶體。這樣就可以構成單片機的基本時鐘電路，時鐘頻率為12M。電路圖如圖4-1所示：圖4-1 單片機時鐘電路（2）復位電路復位電路是對單片機進行初始化操作，使單片機處于一個確定的初始狀態(tài)。而要AT89S51復位得在RESET引腳上加5V的高電平信號就可以了。復位電路參數(shù)為30U的電解電容和10k的電阻。如圖4-2為單片機的復位電路。 圖4-2復位電路復位電路的作用是使單片機實行位操作，復位主要操作是把PC初始化為0000H，使單片機從程序存儲器的0000H單元開始執(zhí)行程序。程序存儲器的0003H單元即MCS-51單片機的外部中斷0的中斷處理程序的入口地址留出的0000H00002H三個單元地址，僅能夠放置一條轉移指令，因此，單片機的主程序的第一條指令通常情況下是一條無條件轉移指令。除PC之外，復位還對其他一些特殊功能的寄存器也有影響，它們的復位狀態(tài)如下表所示。利用它們的復位狀態(tài)，可以減少應用程序中的初始化編程，如表4-1所示，SP=07H，P0-P4的鎖存器均為FFH外，其他所有的寄存器均為0.單片機的復位狀態(tài)不影響片內RAM的狀態(tài)。表4-1 寄存器復位狀態(tài)寄存器復位狀態(tài)寄存器復位狀態(tài)PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HPSW00HTL000HSP07HTH000HDPTR0000HTL100HP0P3FFHTH100HIP 0xx00000BSCON00HIE0xx00000BPCON0xx00000B（3）單片機最小系統(tǒng)根據(jù)AT89S51的引腳定義，單片機、時鐘電路、復位電路構成了單片機最小系統(tǒng)，如圖4-3所示：圖4-3 單片機的最小系統(tǒng)4.2 鍵盤單片機應用系統(tǒng)中除了復位按鍵有專門的復位電路,以及專一的復位功能外,其它的按鍵或鍵盤都是以開關狀態(tài)來設置控制功能或輸入數(shù)據(jù)。 鍵開關狀態(tài)的可靠輸入 ：為了去抖動我采用軟件方法，它是在檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一個10ms的延時程序后，再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正鍵按下狀態(tài)，從而消除了抖動影響在這種行列式矩陣鍵盤非編碼鍵盤的單片機系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行等待按鍵并確認有無按鍵按下的程序段。當確認有按鍵按下后，下一步就要識別哪一個按鍵按下。對鍵的識別通常有兩種方法：一種是常用的逐行掃描查詢法；另一種是速度較快的線反轉法。對照圖示的4*4鍵盤，說明線反轉法工作原理。首先辨別鍵盤中有無鍵按下，有單片機I/O口向鍵盤送全掃描字，然后讀入行線狀態(tài)來判斷。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部列線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入累加器A中。如果有按鍵按下，總會有一根行線電平被拉至低電平從而使行線不全為1。判斷鍵盤中哪一個鍵被按下是通過將列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來實現(xiàn)的。方法是：依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態(tài)，如果全為1，則所按下的鍵不在此列；如果不全為1，則所按下的鍵必在此列，而且是在與零電平行線相交的交點上的那個鍵。鍵盤共有16個按鍵，用于方便設定溫度。09 ：數(shù)字按鍵，輸入數(shù)字0-9；確認 ， ：設置的確認，修改設置溫度時進行確認；清除 ：設置的清除，修改設置溫度時進行刪除；開啟 ： 開啟電源關閉 ：關閉電源F1：顯示及設置轉換到溫度點1，按此按鍵后，顯示預設置溫度的數(shù)碼管閃爍；F2：顯示及設置轉換到溫度點2，按此按鍵后，顯示預設置溫度的數(shù)碼管閃爍；表4-1鍵盤的按鍵分布P2.00123P2.14567P2.289F1F2P2.3清除開啟關閉確定P2.4P2.5P2.6P2.74.3溫度控制及超溫和超溫警報單元當采集的溫度經處理后超過規(guī)定溫度上限時，單片機通過 P1.4 輸出控制信號驅動三極管 D1 ，使繼電器 K1 開啟降溫設備 ( 壓縮制冷設備 ) ：當采集的溫度經處理后低于設定溫度下限時，單片機通過 P1.5 輸出控制信號驅動三極管 D2 ，使繼電器 K2 開啟升溫設備 ( 加熱器1) 。當由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導致在一段時間內不能將環(huán)境溫度調整到規(guī)定的溫度限內的時候，單片機通過三極管驅動揚聲器發(fā)出警笛聲。具體電路連接如圖 4-1 所示。圖4-1具體電路連接圖4.4數(shù)碼管的顯示電路(1)LED顯示器LED顯示器是由若干個發(fā)光二極管組成的顯示字段的顯示器件，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)光，控制不同組合的二極管導通就能顯示不同字符。LED顯示器有多種形狀，如：米字型顯示器、點陣顯示器和七段數(shù)碼顯示器等，在單片機系統(tǒng)中使用最多的是七段數(shù)碼管顯示器。 七段LED數(shù)碼顯示器是由a、b、c、d、e、f、g、h這8段發(fā)光二極管組成的“8”字型顯示器件。根據(jù)內部發(fā)光二極管的連接形式不同，LED有共陰極和共陽極兩種。所有發(fā)光二極管的陽極連在一起稱共陽極LED；陰極連在一起稱共陰極LED。LED的結構及連接圖如圖4-2所示 圖4-2 LED結構及連接圖（2）LED的工作原理當選用共陰極的LED顯示器時，所有發(fā)光二極管的陰極連在一起接地，當某個發(fā)光二極管的陽極接高電平時，對應的二極管點亮。因此要顯示某字型的相應段的二極管點亮，實際上就是送一個用不同電平組合代表的數(shù)據(jù)字來控制LED的顯示，此數(shù)據(jù)稱為字符的段碼或字形碼。字形碼與LED顯示器各段的關系如表4-2所示： 表4-2 字形碼與LED顯示器各段的關系D7D6D5D4D3D2D1D0dpgfedcba（3）LED的接口電路LED數(shù)碼顯示接口電路分靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。所謂靜態(tài)顯示，就是每個顯示器都要占用獨立的具有鎖存功能的I/O接口，顯示的字型碼送到接口電路。在字位數(shù)較多時，電路比較復雜，需要的接口芯片較多，成本也較高。因此在實際應用中常常應用動態(tài)顯示器接口電路如圖4-9所示。它是把所有顯示器的同名字段互相連接在一起，并把它們連到字形口上。每個數(shù)碼管的公共端受單片機的I/O口控制。CPU送出字段碼，只有公共端符合條件的數(shù)碼管才顯示。根據(jù)這個原理，采用分時導通的辦法，利用人眼的滯留性，達到動態(tài)掃描的目的。圖4-3 數(shù)碼管的顯示電路4.5蜂鳴器電路 本次設計采用蜂鳴器電路如圖4-11所示作為報警裝置。圖4-4 蜂鳴器電路4.6接口通訊單元 （1）max232資料簡介：該產品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。由于電腦串口rs232電平是-10v +10v，而一般的單片機應用系統(tǒng)的信號電壓是ttl電平0 +5v,max232就是用來進行電平轉換的,該器件包含2驅動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉換成5-V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉換成TIA/EIA-232-F電平。（2）主要特點 ：1）、單5V電源工作2）、 LinBiCMOSTM工藝技術3）、 兩個驅動器及兩個接收器4）、 30V輸入電平5）、低電源電流：典型值是8mA6）、符合甚至優(yōu)于ANSI標準 EIA/TIA-232-E及ITU推薦標準V.287）、ESD保護大于MIL-STD-883（方 法3015）標準的2000V圖4-5 通訊接口連線圖51單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是RS232電平的，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個電平轉換電路，我采用了專用芯片MAX232進行轉換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。在本設計中采用了三線制連接串口，也就是說和電腦的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。這是最簡單的連接方法，但是對我來說已經足夠使用了，電路如下圖所示，MAX232的第10腳和單片機的11腳連接，第9腳和單片機的10腳連接，第15腳和單片機的20腳連接，串口通訊具體如圖4-5。5.程序設計5.1程序結構分析主程序調用了5個子程序，分別是數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、繼電器控制程序、單片機與PC機串口通訊程序。圖5-1 程序結構圖鍵盤掃描電路及按鍵處理程序：實現(xiàn)鍵盤的輸入按鍵的識別及進入相應的程序。溫度信號處理程序：對溫度芯片送過來的數(shù)據(jù)進行處理，進行判斷和顯示。數(shù)碼管顯示程序：向數(shù)碼的顯示送數(shù)，控制系統(tǒng)的顯示部分。繼電器控制程序：控制繼電器動作串口通訊程序：實現(xiàn)PC機與單片機通訊，將溫度數(shù)據(jù)傳送給PC機。5.2主程序圖5-2 主程序結構圖程序開始的時候先設置初始化，然后就控制數(shù)碼管顯示當前溫度。接著就判斷F1、F2按鍵是否被按下。按下F1進入溫度控制點1的程序、按下F2進入溫度控制點2的程序。程序控制設置溫度的兩個數(shù)碼管閃爍的，此時鍵盤輸入有效。有按鍵按下的時候進入按鍵處理程序。按下“確定”按鍵后，程序進入判斷程序和繼電器控制程序。繼電器動作后，程序回到顯示當前程序，并開始循環(huán)。三、課程設計總結及心得本系統(tǒng)主要以AT89S51單片機為主要核心部件，在工業(yè)生產和日常生活中，對溫度控制系統(tǒng)的要求，主要是保證溫度在一定溫度范圍內變化，穩(wěn)定性好，不振蕩，對系統(tǒng)的快速性要求不高。在本次設計報告中，簡單分析了單片機溫度控制系統(tǒng)設計過程及實現(xiàn)方法。本系統(tǒng)的測溫范圍為-2040，溫度檢測系統(tǒng)根據(jù)用戶設定的溫度范圍完成一定范圍的溫度控制。89S51的時鐘最高可達12M，I/O口可達32個，高的時鐘頻率和豐富的I/O，都為我們實現(xiàn)電路功能提供了非常有利的條件。同時也因為開發(fā)環(huán)境友好，易用，方便，大大加快本系統(tǒng)設計開發(fā)。此次設計中使用了繼電器控制的只是插座電路，因此，該系統(tǒng)的可擴展性很強。隨著插入插座的電器的不同，可以實現(xiàn)許多其它功能的電路。經過此次課程設計，使我更加扎實的掌握了有關測控技術方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經驗不足。實踐出真知，通過親自動手操作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。過而能改，善莫大焉。在課程設計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領悟，不斷獲取。此次設計也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時請教或上網查詢，只要認真鉆研，動腦思考，動手實踐，就沒有弄不懂的知識，收獲頗豐。袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁