水箱恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 水箱恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要 恒溫控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中舉足輕重，溫度的控制直接影響著工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量。本設(shè)計(jì)是基于STC89C521單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，其中硬件包括：溫度傳感器、顯示、控制和報(bào)警的設(shè)計(jì)；軟件包括：鍵盤管理程序設(shè)計(jì)、顯示程序設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)和溫度報(bào)警程序設(shè)計(jì)。編寫程序結(jié)合硬件進(jìn)行調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置和調(diào)節(jié)初始溫度值，進(jìn)行數(shù)碼管顯示，當(dāng)加熱到設(shè)定值后立刻報(bào)警。另外，本系統(tǒng)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵誤差、加熱過(guò)沖的調(diào)整，以提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)選取了體積小、精度相對(duì)高的數(shù)字式溫度傳感元件DS18B20作為溫度采集器，單片機(jī)ST

2、C89C52作為主控芯片，數(shù)碼管作為顯示輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量與恒定控制。The Design of Refrigerator Door Shell Shaping Control System Abstract: The system makes use of the single chip STC89C52 as the temperature controlling center, uses numeral thermometer DS18B20 which transmits as 1-wire way as the temperature sensor, through the

3、 pressed key, the numerical code demonstrated composite of the man-machine interactive connection ,to realize set and adjust the initial temperature value. After the system works, the digital tube will demonstrate the temperature value, when temperature arriving to the setting value, the buzzer will

4、 be work immediately. In addition, the system through the software adjusting to the pressed key error, and the excessively hutting. All of these are in order to enhance the systems security, reliability and stability.第一章緒論 1.1 課題研究的背景溫度是工業(yè)上常見的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品加工、機(jī)械制造等領(lǐng)域，恒溫控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐

5、等。在一些溫控系統(tǒng)電路中，廣泛采用的是通過(guò)熱電偶、熱電阻或PN結(jié)測(cè)溫電路經(jīng)過(guò)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成AD轉(zhuǎn)換器能接收的模擬量，再經(jīng)過(guò)采樣保持電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，最終送入單片機(jī)及其相應(yīng)的外圍電路，完成監(jiān)控。但是由于傳統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、易受干擾、不易控制且精度不高。本文介紹單片機(jī)通過(guò)數(shù)字溫度傳感器檢測(cè)外部溫度對(duì)水箱進(jìn)行恒溫控制的設(shè)計(jì)，通過(guò)控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制電爐的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫控制。因此，本系統(tǒng)采用一種新型的可編程溫度傳感器（DS18B20），不需復(fù)雜的信號(hào)處理電路和AD轉(zhuǎn)換電路就能直接與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)方便、精度高，可根據(jù)不同需要用于各種場(chǎng)合。在日常生活中，也經(jīng)常用到

6、電烤箱、微波爐、電熱水器、烘干箱等需要進(jìn)行溫度檢測(cè)與控制的家用電器。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度地提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，現(xiàn)以恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。 1.2 國(guó)內(nèi)外恒溫控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 1、國(guó)外恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)自70年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外恒溫控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)參數(shù)的自整定等方面取得了很大的科技成果。在這方面以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器

7、及儀器儀表。目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。雖然溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器及技術(shù)來(lái)講，其總體發(fā)展水平仍然不高，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。2、國(guó)內(nèi)恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)我國(guó)目前在恒溫控制技術(shù)這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變的溫度系統(tǒng)控制。在適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表領(lǐng)域內(nèi)，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。因此，我國(guó)在恒

8、溫控制等控制儀表行業(yè)與國(guó)外還有著一定的差距。從過(guò)程量的檢測(cè)角度出發(fā)，溫度是最常見的過(guò)程變量之一，它是一個(gè)非常重要的過(guò)程變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵?、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過(guò)程。而恒溫控制技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn),它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求較高。其溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問(wèn)題。盡管恒溫控制很重要，但是要控制好溫度常常會(huì)遇到意想不到的困難。隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展及其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來(lái)越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以

9、其體積小、價(jià)格低、可靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。 1.3 課題目的及意義隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，以及測(cè)溫儀器在各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用，智能化已經(jīng)成為現(xiàn)在溫度測(cè)量的主流發(fā)展方向。溫度是科學(xué)技術(shù)中最近本的物理量之一，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都離不開溫度的測(cè)量。在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，溫度常常是表征對(duì)象和過(guò)程的重要參數(shù)之一。例如，某些化學(xué)反應(yīng)要在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行一定的時(shí)間才能出現(xiàn)反應(yīng)現(xiàn)象；分餾的操作也是要有苛刻的溫度環(huán)境才能正常進(jìn)行以免產(chǎn)生雜質(zhì)；生物工程中的培養(yǎng)基的培養(yǎng)等。此課題的恒溫水箱主要是用于實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)溫度的環(huán)境要求比較苛刻，對(duì)溫度

10、控制的先決條件是必須能夠精確地掌握實(shí)時(shí)溫度。通過(guò)對(duì)恒溫水箱的設(shè)計(jì)，不僅能夠滿足實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)需求，同時(shí)也是讓自己對(duì)protel等專業(yè)軟件在電路設(shè)計(jì)及仿真、51單片機(jī)的開發(fā)編程又一個(gè)深入的學(xué)習(xí)。同時(shí)也讓自己對(duì)開發(fā)一個(gè)完整的系統(tǒng)有了一個(gè)更加深入的認(rèn)識(shí)。 1.4 技術(shù)要求 1.4.1 本設(shè)計(jì)的主要功能（1）可以對(duì)溫度進(jìn)行自由設(shè)定，但必須在0100內(nèi)，設(shè)定時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示出設(shè)定的溫度值。（2）根據(jù)設(shè)定的溫度值與實(shí)際檢測(cè)的溫度值之差來(lái)采取不同的加熱制冷方式。 （3）能夠保持實(shí)時(shí)顯示水溫，顯示位數(shù)4位，分別為百位、十位、個(gè)位和小數(shù)位（但由于規(guī)定不超過(guò)70度，所以百位也就沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，默認(rèn)的百位是不顯示的）。 1.

11、4.2 本設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)（1）可以對(duì)溫度進(jìn)行自由設(shè)定，并能用液晶顯示，顯示最小區(qū)分度為0.1C。（2）可以測(cè)量并顯示水的溫度測(cè)量誤差在0.5C內(nèi)。（3）水溫控制系統(tǒng)應(yīng)具有全量程（10C-70C）內(nèi)的升溫、降溫功能。 第2章 系統(tǒng)方案選擇和工作原理 2.1 系統(tǒng)綜述 本文所要研究的課題是基于單片機(jī)控制的水箱恒溫控制系統(tǒng)主要是介紹了對(duì)水箱溫度的測(cè)控，實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)顯示及控制。用DS18B20、STC89C52單片機(jī)及LCD的硬件電路完成對(duì)水溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示，由DS18B20檢測(cè)爐內(nèi)溫度并在LCD1602中顯示?？刂破魇怯肧TC89C52單片機(jī)，根據(jù)設(shè)定的算法計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量通過(guò)控制固態(tài)

12、繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。DS18B20可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。而且每片DS18B20都有唯一的產(chǎn)品號(hào)，可以一并存入其ROM中，以便在構(gòu)成大型溫度測(cè)控系統(tǒng)時(shí)在單線上掛接任意多個(gè)DS18S20芯片。從DS18S20讀出或?qū)懭隓S18S20信息僅需要一根口線其讀寫及其溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，故不需要額外電源。同時(shí)DS18B20能提供九位溫度讀數(shù)，它無(wú)需任何外圍硬件即可方便地構(gòu)成溫度檢測(cè)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)控，溫度顯示，溫度門限設(shè)定，超過(guò)設(shè)定的門限值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的功能。 2.2各模塊電路

13、的方案選擇及論證根據(jù)題目的基本要求，設(shè)計(jì)任務(wù)主要設(shè)計(jì)一個(gè)水溫測(cè)控系統(tǒng)，控制水箱中水的溫度，選擇合適的控制規(guī)律，使水箱中水的溫度按預(yù)定規(guī)律變化，并且能夠進(jìn)行越限報(bào)警?？赏ㄟ^(guò)鍵盤，顯示電路設(shè)定目標(biāo)溫度、控制參數(shù)、運(yùn)行等。2.2.1 系統(tǒng)硬件、軟件總框圖圖2-2-1 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方框圖圖2-2-2 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方框圖2.3 方案論證2.3.1 溫度傳感器的選擇方案一：采用熱敏電阻，可滿足4090的測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性都比較差，其測(cè)量溫度范圍相對(duì)較小，穩(wěn)定性較差，不能滿足本系統(tǒng)溫度控制的范圍要求。方案二：采用溫度傳感器鉑電阻 Pt1000。鉑熱電阻的物理化學(xué)性能在高

14、溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測(cè)溫元件，且此元件線性較好。在 0100 攝氏度時(shí)，最大非線性偏差小于 0.5 攝氏度。鉑熱電阻與溫度關(guān)系是，Rt = R0(1+At+Bt*t) ;其中 Rt 是溫度為 t 攝氏度時(shí)的電阻；R0 是溫度為 0 攝氏度時(shí)的電阻；t 為任意溫度值，A,B 為溫度系數(shù)。方案三：采用模擬溫度傳感器AD590K，AD590K具有較高精度和重復(fù)性（重復(fù)性優(yōu)于0.1），其良好的非線性可以保證優(yōu)于0.1的測(cè)量精度。但其測(cè)量的值需要經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換再傳給單片機(jī)，硬件電路較復(fù)雜，調(diào)試也會(huì)相對(duì)困難，所以本系統(tǒng)不宜采用此法。方案四：采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18

15、B20提供九位溫度讀數(shù)，測(cè)量范圍-55125，采用獨(dú)特1-WIRE 總線協(xié)議，只需一根口線即實(shí)現(xiàn)與MCU 的雙向通訊，具有連接簡(jiǎn)單，高精度，高可靠性等特點(diǎn)。并且,DS18B20支持一主多從,若想實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫,可方便擴(kuò)展。綜合以上四種方案，本設(shè)計(jì)采用第四種方案，利用數(shù)字溫度計(jì)DS18B20作為溫度傳感器。 2.3.2 顯示器件的選擇 方案一采用三個(gè)LED八段數(shù)碼管分別顯示溫度的十位、個(gè)位和小數(shù)位。數(shù)碼管具有亮度高、壽命長(zhǎng)、耐老化、對(duì)外界環(huán)境要求低。但LED八度數(shù)碼管引腳排列不規(guī)則，顯示時(shí)要加驅(qū)動(dòng)電路，硬件電路復(fù)雜。 方案二采用帶有字庫(kù)的12864液晶顯示屏。12864液晶顯示屏（LCD）具有功耗

16、低、輕薄短小無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面顯示及影像穩(wěn)定，不閃爍，可視面積大，畫面效果好，能顯示文字和圖像，抗干擾能力強(qiáng)。但是12864價(jià)格昂貴。 方案三1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)57或者511等點(diǎn)陣字符位組成每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒茱@示圖形但是價(jià)格便宜編程簡(jiǎn)單。 比較以上方案方案三是首選，采用方案三作為顯示模塊。2.3.3 單片機(jī)的選擇所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主要用于控制電熱絲和制冷片的工作與否、對(duì)溫度測(cè)量信號(hào)的接收和處理、控制顯示電路對(duì)設(shè)定溫度

17、值、系統(tǒng)實(shí)際溫度值和溫度曲線的實(shí)時(shí)顯示以及控制鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值的設(shè)定等。由于單片機(jī)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此采用STC89C52作為系統(tǒng)控制器。2.3.4 加熱降溫裝置的選擇要實(shí)現(xiàn)任意設(shè)定點(diǎn)溫度的控制，就必須能控制電加熱器/制冷片的工作與否，因此要利用所選定的單片機(jī)控制加熱器/制冷片電源的通斷。因?yàn)榧訜崞?制冷片的工作電壓是220V和12V對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)都是 “強(qiáng)電”因此要用弱電實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)電的控制。由于可控硅在電路中能夠?qū)崿F(xiàn)交流電的無(wú)觸點(diǎn)控制，適合在高電壓、大電流下工作。以小電流控制大電流，并且不像

18、繼電器那樣控制時(shí)有火花產(chǎn)生，而且動(dòng)作快、壽命長(zhǎng)、可靠性好。在調(diào)速、調(diào)光、調(diào)壓、調(diào)溫以及其他各種控制電路中都有它的身影。由于單片制冷片電流在8-10A電流較大，因此本文采用可控硅實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器/制冷控制模塊設(shè)計(jì)。 根據(jù)以上分析，結(jié)合器件和設(shè)備等因素確定如下方案 采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，分別對(duì)溫度采集、LCD顯示、溫度設(shè)定、加熱裝置進(jìn)行控制。 溫度測(cè)量模塊采用DS18B20，此器件的使用可以省去A/D，模數(shù)轉(zhuǎn)換部分。 可控硅實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器/制冷控制模塊可以滿足設(shè)計(jì)要求。 顯示用LCD1602顯示屏顯示溫度值和時(shí)間用數(shù)字鍵和功能設(shè)置鍵實(shí)現(xiàn)溫度、時(shí)間的設(shè)置。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 STC

19、89C52構(gòu)成的最小系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)即單片機(jī)是因工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)數(shù)字化，智能化的迫切需求而發(fā)展起來(lái)的。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能8k字節(jié)Flash 512字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件

20、可選擇節(jié)電模式。空閑模式下CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35Mhz。 3.1.1 STC89C52單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。 單片機(jī)總控制電路

21、如下圖 圖3.1.1 STC89C52單片機(jī)控制電路 3.1.2 晶振回路晶振回路主要任務(wù)是為STC89C52單片機(jī)正常工作需要的時(shí)鐘電路提供一個(gè)穩(wěn)定的工作頻率。根據(jù)STC89C52單片機(jī)時(shí)鐘周期的要求，回路需要選用頻率為11.0592MHz的晶振。晶振回路由電容和陶瓷諧振器晶振組成。作為單片機(jī)的時(shí)鐘源。STC89C52內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入和輸出端分別是引腳XTAL0和XTAL1,在XTAL0和XTAL1端口接上時(shí)鐘電源即可構(gòu)成時(shí)鐘電路。本設(shè)計(jì)中采用內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生方式。在XTAL0和XTAL1兩端跨接晶振，與內(nèi)部的反相器構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。其發(fā)出的時(shí)鐘脈沖

22、直接送入單片機(jī)內(nèi)定時(shí)控制部件。電容C1和C2對(duì)頻率有微調(diào)作用。電容C1和C2應(yīng)盡可能的安裝在單片機(jī)芯片附近，以減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作。晶振電路如圖所示 圖3.1.2晶振電路3.1.3 復(fù)位電路 為確保溫控系統(tǒng)電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分。復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。電路正常工作需要供電電源為5V5%即4.755.25V。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在電源上電時(shí)，只有當(dāng)VCC超過(guò)4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才被撤除，微機(jī)電路開始正常工作。復(fù)位電路第二功能是手動(dòng)復(fù)位。手動(dòng)復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高

23、電平，一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則Vcc的+5V電平就會(huì)直接加到RST端。復(fù)位電路如圖所示 圖3.1.3復(fù)位電路3.2 按鍵電路的設(shè)計(jì)3.2.1矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)與工作原理在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口如P1口就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵9鍵。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣

24、法來(lái)做鍵盤是合理的。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些。列線通過(guò)電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸入端都是高電平，代表無(wú)鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低。這樣，通過(guò)讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 3.2.2矩陣鍵盤兩種掃描方式行掃描法 行掃描法又稱為逐行或列掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識(shí)別方法，介紹過(guò)程如下 （1)判斷鍵盤中有無(wú)鍵按下。將全部行線置低電平，然后檢測(cè)列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根

25、行線相交叉的4個(gè)按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無(wú)鍵按下。 判斷閉合鍵所在的位置。在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過(guò)程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時(shí)，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后再逐行檢測(cè)各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。 高低電平翻轉(zhuǎn)法，首先讓P1口高四位為1，低四位為0，若有按鍵按下，則高四位中會(huì)有一個(gè)1翻轉(zhuǎn)為0，低四位不會(huì)變，此時(shí)即可確定被按下的鍵的行位置。 然后讓P1口高四位為0，低四位為1。若有按鍵按下，則低四位中會(huì)有一個(gè)1翻轉(zhuǎn)為0，高四位不會(huì)變，此時(shí)即可確定被按下的鍵的列

26、位置。最后將上述兩者進(jìn)行或運(yùn)算即可確定被按下的鍵的位置。 方法程序更簡(jiǎn)潔這里使用第二種方法“高低電平翻轉(zhuǎn)法”。硬件連接圖如圖所示 圖3.2.2 矩陣鍵盤電路3.3 溫度采集模塊的硬件設(shè)計(jì)3.3.1溫度傳感器DS18B20概述溫度傳感器是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置型號(hào)有很多數(shù)字式溫度傳感器常用的有DS18B20、DS1820等。此設(shè)計(jì)采用的是DS18B20。 DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器是世界上第一片支持“ 一線總線”接口的溫度傳感器, 在其內(nèi)部使用了在板(ON-BOARD)專利技術(shù)。具有3引腳TO92小體積封裝形式溫度測(cè)量范圍為55-125,可編程為9位到12位

27、A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，主要由4部分組成，64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DQ為數(shù)字信號(hào)輸入輸出端，GND為電源地，VCC為外接供電電源。 圖3.3.1 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼

28、，每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)均不相同。64位ROM的排的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，CRC=X8X5X41。ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。 DS18B20中的溫度傳感器完成對(duì)溫度的測(cè)量，用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。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主要特性如下 適應(yīng)電壓范圍更寬,電壓范圍3.0V-5.5V,在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 獨(dú)特的單

29、線接口方式, DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與的雙向通訊。 DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能,多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上,實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。 DS18B20在使用中不需要任何外圍元件,全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 溫度范圍-55+125,在-10-85 時(shí)精度為0.5。 可編程的分辨率為9-12位,對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625,可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。 在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字。 測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào),以“ 一線總線”串行傳送給CPU, 同時(shí)可傳送CRC校

30、驗(yàn)碼,具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。 負(fù)壓特性電源極性接反時(shí),芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀,但不能正常工作。3.3.2 溫度采集模塊的硬件設(shè)計(jì)當(dāng)DS18B20正在執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換或從高速暫存器EPPROM傳送數(shù)據(jù)時(shí)，工作電流可達(dá)1.5mA，這個(gè)電流可能會(huì)引起連接單總線的弱上拉電阻的不可接受的壓降這需要更大的電流，而此時(shí)Cpp寄生電源儲(chǔ)能電容無(wú)法提供，為了保證DS18B20有充足的供電，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝數(shù)據(jù)到EEPROM操作時(shí)，必須給單總線一個(gè)上拉電阻，般為4.7K的上拉電阻，根據(jù)距離遠(yuǎn)近可以適當(dāng)調(diào)節(jié)阻值，距離近時(shí)減小阻值，但不能低于2.1K，否則DS18B20將無(wú)法復(fù)位。其數(shù)據(jù)線DQ端接單片機(jī)P2.2。硬

31、件電路如圖所示。 圖3.3.2 DS18B20接線圖在外部電源供電方式下, DS18B20工作電源由VCC引腳接人, 不存在電源電流不足的問(wèn)題, 可以保證轉(zhuǎn)換精度, 同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器, 組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。注意在外部供電的方式下, DS18B20的GND引腳不能懸空, 否則不能轉(zhuǎn)換溫度, 讀取的溫度總是85C。3.4 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)目前智能化的測(cè)試儀表設(shè)計(jì)都自帶有報(bào)警電路。設(shè)計(jì)報(bào)警電路也是為了更完善系統(tǒng)的功能。本設(shè)計(jì)采用由發(fā)光二極管和壓電式蜂鳴器為核心的聲光報(bào)警電路。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器采用直流電壓供電廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電

32、子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后，1.5-15V直流工作電壓,多諧振蕩器起振,輸出1.52.5kHZ的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。 報(bào)警電路的功能是在STC89C52單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警或解除報(bào)警。當(dāng)STC89C52單片機(jī)檢

33、測(cè)實(shí)時(shí)溫度超過(guò)設(shè)定報(bào)警溫度時(shí)，通過(guò)報(bào)警電路向報(bào)警器發(fā)出有效信號(hào)(低電平有效)，聲音報(bào)警電路接到有效電平后則自動(dòng)發(fā)出預(yù)置的報(bào)警聲，同時(shí)紅色報(bào)警指示燈發(fā)出耀眼的紅色信號(hào)。報(bào)警電路結(jié)構(gòu)如圖所示 圖3.4 報(bào)警電路接線圖3.5 電源電路設(shè)計(jì)溫度測(cè)量系統(tǒng)的電源使用直流電源。電源部分是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這部分的穩(wěn)定工作對(duì)整個(gè)以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)的內(nèi)穩(wěn)定工作起著至關(guān)重要的作用。 STC89C52單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器芯片正常工作電壓范圍都是DC4.55.5V。為了使系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作，還需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電源電路。首先+220V的交流電壓需要經(jīng)過(guò)變壓器降到15V左右。然后經(jīng)過(guò)橋式整流電路把交流電轉(zhuǎn)變成直

34、流電。整流后的電流經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器LM7805輸出穩(wěn)定的+5V電壓。橋式整流電路是有四個(gè)型號(hào)相同的二極管組成的。VD1和VD3兩個(gè)二極管組成一對(duì)橋臂，VD2和VD4兩個(gè)二極管組成一對(duì)橋臂。由于二極管的啟動(dòng)電壓比較小，所以經(jīng)過(guò)變壓器的電壓可以使VD1和VD3二極管組成的橋臂在正半周期導(dǎo)通，VD2和VD4兩個(gè)二極管組成的橋臂在負(fù)半周期導(dǎo)通。穩(wěn)壓器LM7805是由三個(gè)管腳組成的串聯(lián)型降壓式電源芯片。Vin是輸入端，Vout輸出端。兩個(gè)端口接去耦電容后接地。經(jīng)穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓后，輸出端輸出穩(wěn)定的+5V直流電壓。電源輸出基本不受外輸入變動(dòng)的干擾。穩(wěn)壓器LM7805電源電路設(shè)計(jì)如圖所示 圖3.5 電源電路

35、圖3.6 顯示電路設(shè)計(jì)3.6.1 LCD1602簡(jiǎn)介液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)因此在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件了。本系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示模塊，它可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)比。LCD1602實(shí)物圖如圖所示 圖3.6 LCD1602實(shí)物圖3.6.2 LCD1602管腳功能介紹LCD1602接口引腳及其功能介紹如圖所示 圖3.6.2-1接口引腳及其功能主要管腳介紹， V0液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源

36、時(shí)對(duì)比度最弱接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。 RS寄存器選擇高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器。 R/W讀寫信號(hào)線高電平時(shí)進(jìn)行讀操作低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 E使能端當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 LCD1602控制指令如圖所示 圖3.6.2-2 LCD1602控制指令清屏指令如圖所示 圖3.6.2-3 LCD1602清屏指令 開關(guān)控制指令如表圖所示 圖3.6.2-4 LCD1602開關(guān)控制指令開關(guān)控制指令功能設(shè)

37、置顯示、光標(biāo)及閃爍開、關(guān)。其中D表示顯示開關(guān)D=1為開D=0為關(guān)C表示光標(biāo)開關(guān)C=1為開C=0為關(guān)B表示閃爍開關(guān)B=1為開B=0為關(guān)。 光標(biāo)、畫面位移指令如圖所示 圖3.6.2-5 光標(biāo)、畫面位移指令光標(biāo)、畫面位移指令功能光標(biāo)、畫面移動(dòng)不影響DDRAM。其中 S/C=1畫面平移一個(gè)字符位S/C=0光標(biāo)平移一個(gè)字符位R/L=1右移R/L=0左移。功能設(shè)置指令如圖所示 圖3.6.2-6 功能設(shè)置指令功能設(shè)置指令功能工作方式設(shè)置初始化指令。其中DL=18位數(shù)據(jù)接口DL=0四位數(shù)據(jù)接口N=1兩行顯示N=0一行顯示F=1511點(diǎn)陣字符F=057點(diǎn)陣字符讀寫控制時(shí)序如圖所示 圖3.6.2-7 讀寫控制時(shí)序

38、3.6.3溫度顯示模塊電路圖LCD1602引腳詳解 第1腳GND為電源地 第2腳VCC接5V電源正極 第3腳V0為液晶對(duì)比度調(diào)整端，接正極時(shí)對(duì)比度弱，接負(fù)極時(shí)對(duì)比度高。 第4腳RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選指令寄存器。 第5腳RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 第6腳E或EN端為使能enable端。 第7-14腳D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。此處為P0口輸出，因?yàn)镻0口的電壓過(guò)于微弱，所以添加上拉電阻使其能夠驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示屏。 溫度顯示模塊的電路圖如圖所示 圖3.6.3溫度顯示模塊電路圖 3.7 加熱與制冷部分驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)加熱制冷采用800W

39、加熱器，制冷量為78W的制冷片3片。制冷模塊如圖所示 圖3.7-1制冷模塊加熱模塊如下圖所示 圖3.7-2 加熱模塊 第四章 軟件設(shè)計(jì)和工作流程 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化功能，硬件設(shè)計(jì)只是完成了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)部分，整個(gè)功能的智能化實(shí)現(xiàn)還是要靠軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在智能測(cè)控系統(tǒng)中軟件的重要性與硬件同樣重要。硬件是設(shè)計(jì)的軀體，軟件是設(shè)計(jì)的靈魂，當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能還要靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且軟件的設(shè)計(jì)在很大程度上就決定了產(chǎn)品的性能。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時(shí)一般要符合以下基本要求 易理解性、易維護(hù)性。要達(dá)到易理解和易維護(hù)等指標(biāo)，在軟件的設(shè)計(jì)方法中結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是最好的一種設(shè)計(jì)方法，這種

40、設(shè)計(jì)方法時(shí)由整體到局部，然后再由局部到細(xì)節(jié)，先考慮整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能。確定整體目標(biāo)，然后把這個(gè)目標(biāo)分成一個(gè)個(gè)的任務(wù)，任務(wù)中可以分成若干個(gè)子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)。 實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性是電子測(cè)量系統(tǒng)的普遍要求即要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時(shí)給出處理結(jié)果。近年來(lái)，由于硬件的集成度與速度的提高，配合相應(yīng)的軟件，實(shí)時(shí)性比較容易滿足設(shè)計(jì)的要求。 準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義，尤其是測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)要進(jìn)行一定量的運(yùn)算。算法的正確性和準(zhǔn)確性對(duì)結(jié)果有著直接的影響，因此再算法的選擇、計(jì)算的精度等方面都要附和設(shè)計(jì)的要求4.1 系統(tǒng)主程序流程圖 STC89C52單片機(jī)上電復(fù)位后，即進(jìn)入歡迎界面顯

41、示程序，顯示“dian zu lu wen kong zhi xi tong”,按切換鍵可以進(jìn)行溫控1、溫控1時(shí)間、溫控2、溫控2時(shí)間及報(bào)警溫度的設(shè)置，按運(yùn)行鍵啟動(dòng)溫控。主程序的作用是完成溫度的檢測(cè)，并把檢測(cè)結(jié)果通過(guò)LCD1602顯示出來(lái)。主程序首先要做初始化，包括DS18B20測(cè)量開始命令的初始化，LCD1602顯示初始化，串口通信初始化等等。主程序的流程圖如圖4-1所示 圖4-1 系統(tǒng)主流程圖4.2 液晶顯示模塊液晶顯示模塊主要完成人機(jī)交互界面的顯示及系統(tǒng)相關(guān)的操作指示。具體能顯示預(yù)設(shè)溫度值、預(yù)設(shè)溫控時(shí)間、當(dāng)前的溫度值。液晶工作流程如圖4-2 圖4.2 液晶顯示流程 4.3溫度模塊軟件設(shè)計(jì)

42、 圖4-3 DS18B20模塊程序流程圖4.3.1 DS18B20測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的讀取程序設(shè)計(jì)對(duì)水箱內(nèi)溫度的檢測(cè)通過(guò)數(shù)字溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)的，在溫度模塊硬件電路的設(shè)計(jì)中已經(jīng)對(duì)的硬件電路做了設(shè)計(jì)，現(xiàn)在設(shè)計(jì)DS18B20的軟件部分。 .DS18B20的內(nèi)部數(shù)據(jù)部件 1) 光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的, 它可以看作是DS18B20的地址序列碼。64位光刻的ROM排列是:開始8位(24H)是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào), 接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào), 最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同, 這樣就可

43、以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。 2) 2)DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量, 以12位轉(zhuǎn)化為例用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供, 以0.0625/LSB的形式表達(dá), 其中S為符號(hào)。如圖所示 圖4.3.1-1 DS18B20溫度值格式這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù), 存儲(chǔ)在的兩個(gè)8比特的RAM中, 二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位, 如果測(cè)得的溫度大于0, 這位為0, 只要將測(cè)到的數(shù)值乘以0.0625即可得到實(shí)際溫度,如果溫度小于0, 這位為1, 測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625即可得到實(shí)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。 .單總線協(xié)議 單總線協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸, 操作包括數(shù)據(jù)的讀寫和復(fù)位功能。下面對(duì)各個(gè)方面進(jìn)行具體的介紹。 1) 總線復(fù)位,首先必須對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，由單片機(jī)給DS18B20單總線至少480Us的低電平信號(hào)當(dāng)DS18B20接到此復(fù)位信號(hào)后延時(shí)15-60us，通過(guò)大地總線60-240us來(lái)產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。主機(jī)接收到從機(jī)的