AT89C51基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要近年來隨著計(jì)算機(jī)在社會領(lǐng)域的滲透,單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測和自動控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及具體應(yīng)用對象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。本文從硬件和軟件兩方面來講述水溫自動控制過程,在控制過程中主要應(yīng)用AT89C51、ADC0809、LED顯示器、LM324比較器，而主要是通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機(jī)為核心控制部件，并通過四位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度的一種數(shù)字溫度計(jì)。軟件方面采用匯編語言來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲空間。為了便于擴(kuò)展和更改，軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系更加簡潔明了，使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運(yùn)作。而系統(tǒng)的過程則是：首先,通過設(shè)置按鍵,設(shè)定恒溫運(yùn)行時(shí)的溫度值，并且用數(shù)碼管顯示這個(gè)溫度值.然后,在運(yùn)行過程中將采樣的溫度模擬量送入A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，最后用單片機(jī)來控制加熱器,進(jìn)行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。數(shù)據(jù)采集；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；AbstractInrecentyears,withthecomputerpenetrationinthesocialfield,theapplicationofSCMistokeepatthesametime,traditionalcontroltestingupdateonCrescentbenefits.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolsystemofsingle-chipapplications,oftenasasingle-chipcorecomponenttouseonlysingle-chipisnotenoughknowledge,butalsothespecifichardwarestructureandthespecificfeaturesofapplicationsoftwareobjectscombinetomakeperfect.Inthispaper,bothhardwareandsoftwareforautomaticcontrolofwatertemperatureontheprocess,inthecontrolofthemainapplicationoftheprocessofAT89C51,ADC0809,LEDdisplay,LM324comparator,butmainlythroughthedigitaltemperaturesensorDS18B20collectingambienttemperaturetosingle-chipmicrocomputerasthecorecontrolcomponents,andthroughfourreal-timedigitaldisplayofadigitalthermometertemperature.Softwareusingassemblylanguageforprogramming,sothattheimplementationofDirectivespeed,tosavestoragespace.Inordertofacilitatetheexpansionandchangestothedesignofmodularsoftwarestructure,sothatthelogicoftherelationshipbetweenprogramdesignmoreconcise,Hardwaresoftwareco-operationunderthecontrolofit.Andsystematicprocessis:Firstofall,bysettingthebutton,setthethermostattemperatureatthetimeofoperation,anddigitaldisplayofthetemperature.Then,intherunningtemperatureoftheprocessofsamplinganalogintotheA/Dconverterinthesimulation-digitalconverter,andthenconverteddigitalcontrolwithdigitaldisplay,thelastsingle-chipmicrocomputertocontroltheheaterusedforheatingorstopheatinguntilthetemperatureintheprovisionsundertheconstanttemperatureheating.Keywords：Single-chipmicrocomputersystem；Sensor；DataAcquisition；ADC；Temperature目錄摘要 IAbstract II目錄 i第1章緒論 11.1設(shè)計(jì)的背景及其意義 11.2設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容及要求 11.3設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案 3第2章設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 62.1單片機(jī)的發(fā)展概況 62.2AT89C51系列單片機(jī)介紹 72.2.1AT89C51系列基本組成及特性 72.2.2AT89C51系列引腳功能 82.2.3AT89C51系列單片機(jī)的功能單元 112.3ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器 142.4運(yùn)算放大器LM324 162.5移位寄存器74LS164 182.6數(shù)碼顯示管LED 192.7數(shù)字溫度計(jì)DS18S20 20第3章電路設(shè)計(jì) 213.1單片機(jī)控制單元 213.2溫度采樣部分 213.3模數(shù)轉(zhuǎn)換部分 233.3.1模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù) 233.3.2積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 243.4顯示部分 243.5調(diào)節(jié)執(zhí)行單元 25第4章軟件設(shè)計(jì) 264.1主程序流程圖 264.2中斷子程序流程圖 274.3按鍵流程圖 284.4顯示流程圖 29第5章系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論分析 305.1硬件調(diào)試 305.1.1硬件電路故障及解決方法 305.1.2硬件調(diào)試方法 315.2軟件調(diào)試 315.2.1軟件電路故障及解決方法 315.2.2軟件調(diào)試方法 325.3結(jié)論分析 33參考文獻(xiàn) 34致謝 351．系統(tǒng)總程序清單 362．系統(tǒng)的原理圖 45第1章緒論1.1設(shè)計(jì)的背景及其意義二十一世紀(jì)是科技高速發(fā)展的信息時(shí)代，電子技術(shù)、微型單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用更是空前廣泛，伴隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，需要對各種參數(shù)進(jìn)行溫度測量。因此溫度一詞在生產(chǎn)生活之中出現(xiàn)的頻率日益增多，與之相對應(yīng)的，溫度控制和測量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用的詞語，同時(shí)它們在各行各業(yè)中也發(fā)揮著重要的作用。如在日趨發(fā)達(dá)的工業(yè)之中，利用測量與控制溫度來保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。在農(nóng)業(yè)中，用于保證蔬菜大棚的恒溫保產(chǎn)等。溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度測量則是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)很重要而普遍的參數(shù)。溫度的測量及控制對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位。而且隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，溫度傳感器的種類還是在不斷增加豐富來滿足生產(chǎn)生活中的需要。在單片機(jī)溫度測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵是測量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度測量是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一。因此，單片機(jī)溫度測量則是對溫度進(jìn)行有效的測量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電力工程、化工生產(chǎn)、機(jī)械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔(dān)負(fù)著重要的測量任務(wù)。在日常生活中，也可廣泛實(shí)用于地?zé)?、空調(diào)器、電加熱器等各種家庭室溫測量及工業(yè)設(shè)備溫度測量場合。但溫度是一個(gè)模擬量，如果采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量雖不困難，但電路較復(fù)雜，成本較高。1.2設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容及要求我本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是單片機(jī)水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它是多種技術(shù)知識的結(jié)合，不僅涉及到軟件的設(shè)計(jì)，而且還將應(yīng)用電子技術(shù)與單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)有機(jī)結(jié)合，使其具有精度高、測量誤差小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。電路板的設(shè)計(jì)技術(shù)和機(jī)械加工工藝的巧妙結(jié)合，使其具備了顯示直觀、體積做工精細(xì)等特點(diǎn)，能為它在其它領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。因?yàn)榻?jīng)過我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)許多應(yīng)用場合原來就有測溫控溫儀器，只是隨著對生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)需要的要求在不斷地提高，以往的那些測溫控溫的儀器根本不能滿足現(xiàn)在的要求。其中，有部分應(yīng)用場合對精度提高的幅度要求也不是特別高。因此，為了提高性價(jià)比，我所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提出在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些簡單的改良，以此為出發(fā)點(diǎn)，主要闡述的是水溫自動控制系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方法。1．設(shè)計(jì)的主要研究的內(nèi)容本文所要研究的課題是基于單片機(jī)控制的水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是介紹了對水箱溫度的顯示、控制及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)顯示及控制。水箱水溫控制部分，提出了用DS18S20、AT89C51單片機(jī)及LED的硬件電路完成對水溫的實(shí)時(shí)檢測及顯示，利用DS18S20與單片機(jī)連接由軟件與硬件電路配合來實(shí)現(xiàn)對加熱電阻絲的實(shí)時(shí)控制及超出設(shè)定的上下限溫度的報(bào)警系統(tǒng)。而爐內(nèi)溫度控制部分，采用一套PID閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，由DS18S20檢測爐內(nèi)溫度，用中值濾波的方法取一個(gè)值存入程序存取器內(nèi)部一個(gè)單元作為最后檢測信號，并在LED中顯示?？刂破魇怯?9C51單片機(jī)，用PID算法對檢測信號和設(shè)定值的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出控制信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，從而控制爐內(nèi)溫度。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于構(gòu)成多點(diǎn)的溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機(jī)處理，而且每片DS18S20都有唯一的產(chǎn)品號，可以一并存入其ROM中，以便在構(gòu)成大型溫度測控系統(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源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的DS18S20供電，而且不需要額外電源。同時(shí)DS18S20能提供九位溫度讀數(shù)，它無需任何外圍硬件即可方便地構(gòu)成溫度檢測系統(tǒng)。而且利用本次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)溫度測試，溫度顯示，溫度門限設(shè)定，超過設(shè)定的門限值時(shí)自動啟動加熱裝置等功能。而且還要以單片機(jī)為主機(jī)，使溫度傳感器通過一根口線與單片機(jī)相連接，再加上溫度控制部分和人機(jī)對話部分來共同實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)測與控制。2．用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其具體控制功能如下：（1）能夠連續(xù)測量水的溫度值，用十進(jìn)制數(shù)碼管來顯示水的實(shí)際溫度。（2）能夠設(shè)定水的溫度值，設(shè)定范圍是30℃～90℃。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)水溫的自動控制，如果設(shè)定水溫為85℃，則能使水溫保持恒定在85℃的溫度下運(yùn)行。（4）用單片機(jī)AT89C51控制，通過按鍵來控制水溫的設(shè)定值，數(shù)值采用數(shù)碼管顯示。1.3設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，當(dāng)今計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫度控制系統(tǒng)達(dá)到自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。溫度是一個(gè)非線性的對象，具有大慣性的特點(diǎn)，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。對于這種溫控對象，一般認(rèn)為其具有以下的傳遞函數(shù)形式：（1-1）方案一（見圖1-1）圖1-1方案一的圖此方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，決定加熱或不加熱。其特點(diǎn)是電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設(shè)定。方案二（見圖1-2）圖1-2方案二的圖此方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同，但由于采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對鍵盤進(jìn)行設(shè)定。方案三（見圖1-3）圖1-3方案三的圖此方案采用89C51單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機(jī)系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來顯示水溫的實(shí)際值，能用鍵盤輸入設(shè)定值。本方案選用了AT89C51芯片，不需要外擴(kuò)展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單。結(jié)論：前兩種方案是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。而方案三是采用以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可達(dá)到模擬控制所達(dá)不到的效果，并且實(shí)現(xiàn)顯示和鍵盤設(shè)定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。也使得系統(tǒng)所測得結(jié)果的精度大大提高。所以，經(jīng)過對三種方案的比較，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用了方案三。第2章設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本組成單元包括：主機(jī)、溫度采樣單元、單片機(jī)控制單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元四部分，本章將逐一進(jìn)行介紹。2.1單片機(jī)的發(fā)展概況1970年微型計(jì)算機(jī)研制成功之后，隨之即出現(xiàn)了單片機(jī)（即單片微型計(jì)算機(jī)）—美國Intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片機(jī)4004和1972年生產(chǎn)的雛形8位單片機(jī)8008，這也算是單片機(jī)的第一次公眾亮相。1976年Intel公司首先推出能稱為單片機(jī)的MCS-48系列單片微型計(jì)算機(jī)。它以體積小、功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，贏得了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)一些與單片機(jī)有關(guān)公司都爭相推出各自的單片機(jī)。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列單片機(jī)，Zilog公司相繼推出Z8單片機(jī)系列。1980年Intel公司在MCS-48系列基礎(chǔ)上又推出高性能的MCS-51系列單片機(jī)。這類單片機(jī)均帶有串行I/O口，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為16位，片內(nèi)存儲容量（RAM，ROM）都相應(yīng)增大，并有優(yōu)先級中斷處理功能，單片機(jī)的功能、尋址范圍都比早期的擴(kuò)大了，它們是當(dāng)時(shí)單片機(jī)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位單片機(jī)MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分別在原有8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上推出了16位單片機(jī)HPC16040和μPD783××系列。1987年Intel公司又宣布了性能比8096高兩倍的CMOS型80C196，1988年推出帶EPROM的87C196單片機(jī)。由于16位單片機(jī)推出的時(shí)間較遲、價(jià)格昂貴、開發(fā)設(shè)備有限等多種原因，至今還未得到廣泛應(yīng)用。而8位單片機(jī)已能滿足大部分應(yīng)用的需要，因此，在推出16位單片機(jī)的同時(shí)，高性能的新型8位單片機(jī)也不斷問世?？v觀這短短的20年，經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機(jī)正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴(kuò)大存儲容量和加強(qiáng)I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。新一代的80C51系列單片機(jī)除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)微控制器（microcontroller）完善的控制功能為己任。這一系列單片機(jī)為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置打下了良好的基礎(chǔ)。由于80C51系列單片機(jī)所具有的一系列優(yōu)越的特點(diǎn)，獲得廣泛使用指日可待。下面我們就來重點(diǎn)介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的AT89C51系列單片機(jī)。2.2AT89C51系列單片機(jī)介紹2.2.1AT89C51系列基本組成及特性AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。而在眾多的51系列單片機(jī)中，要算ATMEL公司的AT89C51更實(shí)用，也是一種高效微控制器，因?yàn)樗坏?051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達(dá)到瞬間擦除、改寫。而這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，而且在其片種還有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程序存儲器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與MCS-51系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積,增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4k,四個(gè)I/O口全部提供給用戶?？捎?V電壓編程，而且寫入時(shí)間僅10毫秒,僅為8751/87C51的擦除時(shí)間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比,不易損壞器件,沒有兩種電源的要求，改寫時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。AT89C51芯片提供三級程序存儲器鎖定加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段,能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外,AT89C51還具有MCS-51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)。128×8位內(nèi)部RAM,32位雙向輸入輸出線,兩個(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器,5個(gè)中斷源,兩級中斷優(yōu)先級,一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)鐘發(fā)生器等。AT89C51有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設(shè)置的,當(dāng)外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時(shí),CPU可根據(jù)工作情況適時(shí)地進(jìn)入睡眠狀態(tài),內(nèi)部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個(gè)中斷所終止或通過硬件復(fù)位。掉電模式是VCC電壓低于電源下限,當(dāng)振蕩器停止振動時(shí),CPU停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器值保持不變,一直到掉電模式被終止。只有VCC電壓恢復(fù)到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復(fù)位、掉電模式可被終止。2.2.2AT89C51系列引腳功能AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式。其與80C51引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其邏輯引腳圖如圖2-1。圖2-1AT89C51邏輯引腳圖各引腳功能敘述如下：1．電源和晶振VCC——運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加+5VGND——接地XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器XTAL2——反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器（當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，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(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，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。2．I/O（4個(gè)口，32根）P0口——8位、漏極開路的雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲器（ROM、RAM）時(shí)，作地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用。在程序校驗(yàn)期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。P0口（作為總線時(shí)）能驅(qū)動8個(gè)LSTTL負(fù)載。P1口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在編程/校驗(yàn)期間，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅(qū)動4個(gè)LSTTL負(fù)載。對于80C51，P1.0——T2，是定時(shí)器的計(jì)數(shù)端且位輸入；P1.1——T2EX，是定時(shí)器的外部輸入端。這時(shí)，讀兩個(gè)特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P2口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲器（ROM及RAM）時(shí)，輸出高8位地址。在編程/校驗(yàn)期間，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅(qū)動4個(gè)LSTTL負(fù)載。P3口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。P3口提供各種替代功能。在提供這些功能時(shí)，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個(gè)LSTTL負(fù)載。3．串行口P3.0——RXD（串行輸入口），輸入。P3.1——TXD（串行輸出口），輸出。4．中斷P3.2——INT0外部中斷0，輸入。P3.3——INT1外部中斷1，輸入。5．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器P3.4——T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入，輸入。P3.5——T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入，輸入。6．?dāng)?shù)據(jù)存儲器選通P3.6——WR低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。P3.7——RD低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。7．控制線(共4根)輸入：RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。EA/Vpp——片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時(shí)，其上施加21V的編程電壓。注意：在加密方式1時(shí)，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)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）。輸入、輸出：ALE/PROG——地址鎖存允許信號，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對外輸出的時(shí)鐘或用于定時(shí)。在EPROM編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅(qū)動8個(gè)LSTTL負(fù)載。當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，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(shí)，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(shí)目的。注意：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，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。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址期間，在每個(gè)機(jī)器周期中，當(dāng)PSEN有效時(shí)，程序存儲器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅(qū)動8個(gè)LSTTL負(fù)載。2.2.3AT89C51系列單片機(jī)的功能單元1．并行I/O接口：單片機(jī)芯片內(nèi)有一項(xiàng)主要功能就是并行I/O口。51系列共有4個(gè)8位的并行I/O口，分別記作P0、P1、P2、P3每個(gè)口都包含一個(gè)鎖存器，一個(gè)輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。實(shí)際上，它們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴(kuò)展存儲器時(shí)，低八位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時(shí)傳送，高八位地址由P2口傳送。2．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（timer/counter）是單片機(jī)中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕CPU的負(fù)擔(dān)和簡化外圍電路都大有好處。C51系列包含有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器分別稱為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1；在C51部分產(chǎn)品中，還包含有一個(gè)用做看門狗的8位定時(shí)器。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的核心是一個(gè)加1計(jì)數(shù)引腳上施加器，其基本功能是加1功能。在單片機(jī)的定時(shí)器T0或T1中，有一個(gè)定時(shí)器發(fā)生由0到1的跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器增1，即為計(jì)數(shù)功能；在單片機(jī)內(nèi)部對機(jī)器周期或其分頻進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到定時(shí)，這就是定時(shí)功能。在單片機(jī)中，定時(shí)功能和計(jì)數(shù)功能的設(shè)定和控制都是通過軟件來進(jìn)行的。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時(shí)器0、定時(shí)器1、定時(shí)器方式寄存器TMOD和定時(shí)器控制寄存器TCON組成。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)置為定時(shí)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)器對內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)，每過一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器加1，直至計(jì)滿溢出。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因?yàn)镃51系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩脈沖組成，所以，計(jì)數(shù)頻率fc=fosc/12。如果單片機(jī)系統(tǒng)采用12MHz晶振，則計(jì)數(shù)周期為:(2-1)這是最短的定時(shí)周期，適當(dāng)選擇定時(shí)器的初值可獲取各種定時(shí)時(shí)間。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)置為計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)器對來自輸入引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信號計(jì)數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計(jì)數(shù)。在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平，若前一個(gè)機(jī)器周期采樣值為1，后一個(gè)機(jī)器周期采樣值為0，則計(jì)數(shù)器加1。新的計(jì)數(shù)值是在檢測到輸入引腳電平發(fā)生1到0的負(fù)跳變后，于下一個(gè)機(jī)器周期的S3P1期間裝入計(jì)數(shù)器中的，可見，檢測一個(gè)由1到0的負(fù)跳變需要兩個(gè)機(jī)器周期，所以最高檢測頻率為振蕩頻率的1/24。計(jì)數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有特別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時(shí)間在一個(gè)機(jī)器周期以上。3．振蕩器XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。當(dāng)輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號時(shí)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，而對外部時(shí)鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4．芯片擦除整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、5．中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)是單片機(jī)的重要組成部分。實(shí)時(shí)控制、故障自動處理、單片機(jī)與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。C51系統(tǒng)有關(guān)中斷的寄存器有4個(gè)，分別為中斷源寄存器TCON和SCON、中斷允許控制寄存器IE和中斷優(yōu)先級控制寄存器IP；中斷源有5個(gè)，分別為外部中斷0請求INT0、外部中斷1請求INT1、定時(shí)器0溢出中斷請求TF0、定時(shí)器1溢出中斷請求TF1和串行中斷請求R1或T1。5個(gè)中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器IP和順序查詢邏輯電路共同決定，5個(gè)中斷源分別對應(yīng)5個(gè)固定的中斷入口地址。中斷的特點(diǎn)是分時(shí)操作，實(shí)時(shí)處理和故障處理。簡單介紹一下本次設(shè)計(jì)所需的單片機(jī)芯片AT89C51的中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。（1）外部中斷源AT89C51有INT0和INT1兩條外部中斷請求輸入線,用于輸入兩個(gè)外部中斷源的中斷請求信號,并允許外部中斷源以低電平或負(fù)邊沿兩種中斷觸發(fā)方式來輸入中斷請求信號。AT89C51究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式,可由用戶對定時(shí)器控制寄存器TCON中IT0和IT1位狀態(tài)的設(shè)定來選取。AT89C51在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2時(shí)對INT0、線上中斷請求信號進(jìn)行一次檢測,檢測方式和中斷觸發(fā)方式的選取有關(guān)。若AT89C51設(shè)定為電平觸發(fā)方式(IT0=0或IT1=0),則CPU檢測到INT0、INT1上低電平時(shí)就可認(rèn)定其上中斷請求有效;若設(shè)定為邊沿觸發(fā)方式(IT0=1或IT1=1),則CPU需要兩次檢測INT0、INT1線上電平方能確定其上中斷請求是否有效,即前一次檢測為高電平和后一次檢測為低電平時(shí)中斷請求才有效。（2）定時(shí)器溢出中斷源定時(shí)器溢出中斷由AT89C51內(nèi)部定時(shí)器分的中斷源產(chǎn)生,故它們屬于內(nèi)部中斷。AT89C51內(nèi)部有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,受內(nèi)部定時(shí)脈沖(主脈沖經(jīng)12分頻后)或T0/T1引腳上輸入的外部定時(shí)脈沖計(jì)數(shù)。定時(shí)器T0/T1在定時(shí)脈沖作用下從全“1”變成全“0”時(shí)可以自動向CPU提出溢出中斷請求,以表明定時(shí)器T0或T1的定時(shí)時(shí)間已到。（3）串行口中斷源串行口中斷由AT89C51內(nèi)部串行口的中斷源產(chǎn)生,也是一種內(nèi)部中斷。串行口中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種。在串行口進(jìn)行發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時(shí),每當(dāng)串行口發(fā)送/接收完一組串行數(shù)據(jù)時(shí)串行口電路自動使串行口控制寄存器SCON中的RI或TI中斷標(biāo)志位置位，并自動向CPU發(fā)出串行口中斷請求,CPU響應(yīng)串行口中斷后便立即轉(zhuǎn)入串行口中斷服務(wù)程序執(zhí)行。因此,只要在串行口中斷服務(wù)程序中安排一段對SCON中RI和TI中斷標(biāo)志位狀態(tài)的判斷程序,便可區(qū)分串行口發(fā)生了接收中斷請求還是發(fā)送中斷請求。（4）中斷標(biāo)志AT89C51在S5P2時(shí)檢測(或接收)外部(內(nèi)部)中斷源發(fā)來的中斷請求信號后先使相應(yīng)中斷標(biāo)志位置位,然后便在下個(gè)機(jī)器周期檢測這些中斷標(biāo)志位狀態(tài),以決定是否響應(yīng)該中斷。2.3ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809是位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的。ADC0809由單+5V電源供電；片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對8路0～5V的輸入模擬電壓分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需100μS；片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼器和鎖存器、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256電阻T型網(wǎng)絡(luò)和樹狀電子開關(guān)以及逐次逼近寄存器。ADC0809是引腳雙列直插式封裝，引腳及其功能（圖2-2）：1．D7～D0：8位數(shù)字量輸出引腳。2．IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入引腳。3．VCC：+5V工作電壓。4．GND：接地。5．REF（+）：參考電壓正端。6．REF（-）：參考電壓負(fù)端。7．START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。8．A、B、C：地址輸入端。9．ALE：地址鎖存允許信號輸入端。10．EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。11．OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。12．CLK：時(shí)鐘信號輸入端，譯碼后可選通IN0～I(xiàn)N7八個(gè)通道中的一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。表2-1A、B、C的輸入與被選通道的通道關(guān)系被選中的通道CBAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7000011110011001101010101圖2-2ADC0809的管腳圖2.4運(yùn)算放大器LM324本次設(shè)計(jì)所用的運(yùn)算放大器是LM324，而LM324的系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特點(diǎn)是短跑保護(hù)輸出、真差動輸入級、底偏置電流為最大100mA、每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器、具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ?、共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列、輸入端具有靜電保護(hù)功能。運(yùn)算放大器LM324的引腳圖如圖2-3：圖2-3運(yùn)算放大器LM324的引腳圖由于本次設(shè)計(jì)中采集電路所采集到的信號值與我們所預(yù)期的結(jié)果有時(shí)會有很大的差距，因此信號值要被真實(shí)地反映出來，須采用放大電路進(jìn)一步處理。按比例將信號放大的電路，稱為比例運(yùn)算放大電路，簡稱比例電路。對于比例電路，在實(shí)際應(yīng)用中可分為以下幾種，下面也做一些簡單的介紹。1．反相比例放大器如圖2-4所示，集成運(yùn)放的同相輸入端通過電阻R接地，電阻與信號源串聯(lián)，另一端接到運(yùn)放的反相輸入端，運(yùn)放的輸出端與反相輸入端之間接有電阻，為保證集成運(yùn)放輸入級兩邊對稱，（2-2）比例電路輸出電壓與輸入電壓之間的函數(shù)關(guān)系為：（2-3）（2-4）圖2-4反向比例電路注意：反相比例電路的特點(diǎn)是深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。因此，集成運(yùn)放的反相輸入端為“虛地”點(diǎn)，它的共模輸入電壓可視為零，對運(yùn)放的共模抑制要求低；比例電路的輸入電阻小，可視為，因此對輸入電流有一定要求；輸出電阻視為零，在適應(yīng)不同大小負(fù)載的能力較強(qiáng)。2．同相比例放大器如圖2-5所示，為同相比例電路，為保證電路輸入對稱仍要求：（2-5）輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系為：（2-6）（2-7）圖2-5同相比例電路注意：同相比例電路的特點(diǎn)是深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。電路的輸入電阻很大，可達(dá)100M以上；輸出電阻很小可視為零，因此有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。由于，集成運(yùn)放的共模抑制比要求較高，這是缺點(diǎn)。2.5移位寄存器74LS164移位寄存器74LS164的引腳如圖2-6所示：圖2-6移位寄存器74LS164引腳圖74LS164為串行輸入、并行輸出移位寄存器，其引腳功能如下：A、B——串行輸入端；Q0～Q7——并行輸出端；——清除端，低電平有效；CLK——時(shí)鐘脈沖輸入端，上升沿有效。多片74LS164串聯(lián)，能實(shí)現(xiàn)多位LED靜態(tài)顯示。每擴(kuò)展一片164就可增加一位顯示。MR接+5V，不清除。2.6數(shù)碼顯示管LED圖2-7數(shù)碼顯示管LED引腳圖LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機(jī)的應(yīng)用上也是被廣泛運(yùn)用的。如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機(jī)接口簡單易行。LED數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符，常用的LED數(shù)碼管有7段和“米”字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。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，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極接在一起，通常此共陽極接正電壓，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。本次設(shè)計(jì)所用的LED數(shù)碼管顯示器為共陽極。LED數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)材料不同正向壓降一般為1.5～2V，額定電流為10MA，最大電流為40MA。靜態(tài)顯示時(shí)取10MA為宜，動態(tài)掃描顯示可加大脈沖電流，但一般不超過40MA。2.7數(shù)字溫度計(jì)DS18S20在傳統(tǒng)的模擬信號遠(yuǎn)距離的溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問題、多點(diǎn)切換誤差問題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問題等技術(shù)。另外考慮到一般的測量現(xiàn)場的電磁環(huán)境非常的惡劣，各種干擾信號較強(qiáng)，模擬信號很容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力較強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效的方案。在實(shí)際的溫度測量過程中被廣泛應(yīng)用，同時(shí)也取得了良好的測量效果。DS18S20數(shù)字溫度計(jì)的主要特性：1．DS18S20的適應(yīng)電壓范圍更寬，其范圍為：3.0-5.5V，而且它能夠直接由數(shù)據(jù)線獲取電源(寄生電源)，無需外部工作電源。2．DS18S20提供了9位攝氏溫度測量，具有非易失性、上下觸發(fā)門限用戶可編程的報(bào)警功能。3．DS18S20通過1-Wire?總線與中央微處理器通信，僅需要單根數(shù)據(jù)線(或地線)。同時(shí)，在使用過程中，它不需要任何的外圍的元件，全部的傳感元件和轉(zhuǎn)換電路集成在形狀如一只三極管的集成電路內(nèi)。4．DS18S20具有-55°C至+125°C的工作溫度范圍，在-10°C至+85°C溫度范圍內(nèi)精度為±0.5°C。5．每片DS18S20具有唯一的64位序列碼，這些碼允許多片DS18S20在同一條1-Wire總線上工作，因而，可方便地使用單個(gè)微處理器控制分布在大范圍內(nèi)的多片DS18S20器件。6．DS18S20的測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)還可以傳送給CRC校驗(yàn)碼，它具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)的能力。7．DS18S20具有負(fù)載特性，當(dāng)電源極性接反時(shí)，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但是不能正常的工作。根據(jù)以上這些特性而從中受益的應(yīng)用包括：HVAC環(huán)境控制、室內(nèi)，設(shè)備或者機(jī)器內(nèi)部的溫度監(jiān)測系統(tǒng)、過程監(jiān)控和控制系統(tǒng)。第3章電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用按鍵作為輸入控制，通過溫度多采樣單元采集溫度信息，經(jīng)過LM324放大器放大及ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換，由主機(jī)AT89C51進(jìn)行處理并將實(shí)際溫度值和設(shè)定溫度值分別顯示在共陽極數(shù)碼顯示管LED上。3.1單片機(jī)控制單元單片機(jī)控制單元，如圖3-1所示，包括按鍵控制電路，其中按鍵控制電路這一模塊設(shè)置了：“設(shè)置”、“加1”、“右移”、“確定”四個(gè)按鍵，來實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。人為地設(shè)定溫度門限值，使電路在人為設(shè)定的某一溫度值相對穩(wěn)定的工作。圖3-1按鍵控制電路3.2溫度采樣部分溫度采樣單元，如3-2所示，用于采集被控對象的溫度參數(shù)，它由溫度電壓轉(zhuǎn)換、小信號放大及A/D轉(zhuǎn)換三部分組成。其中，將溫度轉(zhuǎn)化為電量的溫度電壓轉(zhuǎn)換由溫度傳感器-熱敏電阻實(shí)現(xiàn)，小信號放大由橋式放大電路實(shí)現(xiàn)，A/D轉(zhuǎn)換選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，將采集到的溫度模擬信號轉(zhuǎn)換為AT89C51能夠處理的二進(jìn)制數(shù)字信號。圖3-2溫度采樣單元溫度傳感器：廣義來講，一切隨溫度變化而物體性質(zhì)亦發(fā)生變化的物質(zhì)均可作為溫度傳感器。例如，我們平常使用的各種材料、元件，其性質(zhì)或多或少地都會隨其所處的環(huán)境溫度變化而變化，因而它們幾乎都能作為溫度傳感器使用。但是，一般真正能作為實(shí)際中可使用的溫度傳感器的物體一般需要具備下述條件：1．物體的特性隨溫度的變化有較大的變化，且該變化量易于測量。2．對溫度的變化有較好的一一對應(yīng)關(guān)系，即對除溫度外其他物理量的變化不敏感。3．性能誤差及老化小、重復(fù)性好，尺寸小。4．有較強(qiáng)的耐機(jī)械、化學(xué)及熱作用等的特點(diǎn)。5．與被檢測的溫度范圍和精度相適應(yīng)。6．價(jià)格適宜，適合于批量生產(chǎn)。符合上述條件的常用溫度傳感器有熱電偶、熱電阻、光輻射溫度計(jì)、玻璃溫度計(jì)、半導(dǎo)體集成溫度傳感器等。3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換部分模數(shù)轉(zhuǎn)換是將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為N位二進(jìn)制數(shù)字輸出信號的技術(shù)。采用數(shù)字信號處理能夠方便地實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的自適應(yīng)算法，完成模擬電路無法實(shí)現(xiàn)的功能，因此，越來越多的模擬信號處理正在被數(shù)字技術(shù)所取代。與之相應(yīng)的是，作為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)之間橋梁的模數(shù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用日趨廣泛。為了滿足市場的需求，各芯片制造公司不斷推出性能更加先進(jìn)的新產(chǎn)品、新技術(shù)，令人目不暇接。3.3.1模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)本次設(shè)計(jì)還涉及到數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，而模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)包括采樣、保持、量化和編碼四個(gè)過程。1．采樣就是將一個(gè)連續(xù)變化的模擬信號x(t)轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的采樣信號x(n)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，對于采樣信號x(t)，如果采樣頻率fs大于或等于2fmax(fmax為x(t)最高頻率成分)，則可以無失真地重建恢復(fù)原始信號x(t)。實(shí)際上，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器器件的非線性失真、量化噪聲及接收機(jī)噪聲等因素的影響采樣速率一般取fs=2.5fmax。通常采樣脈沖的寬度tw是很短的，故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。2．要把一個(gè)采樣輸出信號數(shù)字化，需要將采樣輸出所得的瞬時(shí)模擬信號保持一段時(shí)間，這就是保持過程。3．量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號，量化的主要問題就是量化誤差。假設(shè)噪聲信號在量化電平中是均勻分布的，則量化噪聲均方值與量化間隔和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗值有關(guān)。4．編碼是將量化后的信號編碼成二進(jìn)制代碼輸出。這些過程有些是合并進(jìn)行的，例如，采樣和保持就利用一個(gè)電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，且所用時(shí)間又是保持時(shí)間的一部分。3.3.2積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器稱雙斜率或多斜率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，是應(yīng)用最為廣泛的轉(zhuǎn)換器類型。雙斜率轉(zhuǎn)換器包括兩個(gè)主要部分：一部分電路采樣并量化輸人電壓，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)域間隔或脈沖序列，再由一個(gè)計(jì)數(shù)器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。雙斜率轉(zhuǎn)換器由1個(gè)帶有輸人切換開關(guān)的模擬積分器、1個(gè)比較器和1個(gè)計(jì)數(shù)單元構(gòu)成。積分器對輸入電壓在固定的時(shí)間間隔內(nèi)積分，該時(shí)間間隔通常對應(yīng)于內(nèi)部計(jì)數(shù)單元的最大計(jì)數(shù)。時(shí)間到達(dá)后將計(jì)數(shù)器復(fù)位并將積分器輸入連接到反極性(負(fù))參考電壓。在這個(gè)反極性信號作用下，積分器被“反向積分”直到輸出回到零，并使計(jì)數(shù)器終止，積分器復(fù)位。積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速度和帶寬都非常低，但它們的精度可以做得很高，并且抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾(如50Hz或60Hz)的能力，使其對于嘈雜的工業(yè)環(huán)境以及不要求高轉(zhuǎn)換速率的應(yīng)用非常有效。3.4顯示部分通過74LS164芯片將主機(jī)處理的溫度信息顯示在LED數(shù)碼管上。圖3-3則為溫度控制系統(tǒng)的單片機(jī)顯示部分。而顯示部分在整個(gè)的設(shè)計(jì)過程中的作用也是很大的。圖3-3溫度顯示電路3.5調(diào)節(jié)執(zhí)行單元調(diào)節(jié)執(zhí)行單元，如圖3-4所示，采用實(shí)時(shí)控制的方法，在主機(jī)AT89C51的P1.4口輸出溫度控制信號，由光電耦合器MOC3041（光電耦合器）和可控硅SCR組成。其中光電耦合器MOC3041的作用是將單片機(jī)系統(tǒng)與可控硅SCR電路隔開，避免在高壓過程中的干擾信號影響單片機(jī)的運(yùn)行；可控硅SCR的作用是相當(dāng)于一個(gè)固態(tài)的觸點(diǎn)，使之有能力開啟或關(guān)斷電爐，從而控制電爐通斷，以實(shí)現(xiàn)對水溫的實(shí)時(shí)控制。圖3-4調(diào)節(jié)執(zhí)行單元第4章軟件設(shè)計(jì)4.1主程序流程圖系統(tǒng)的軟件部分由主程序流程圖、中斷子程序流程圖、按鍵流程圖和顯示流程圖四部分組成。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4-1，當(dāng)有信號輸入時(shí)，主程序啟動，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的條件逐步運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。NY初始化處理按鍵、顯示設(shè)定值NY初始化處理按鍵、顯示設(shè)定值啟動A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值處理顯示實(shí)際溫度比較設(shè)定溫度值和實(shí)際溫度值是否大于？加熱開始停止圖4-1主程序流程圖4.2中斷子程序流程圖圖4-2為中斷子程序的流程圖，這個(gè)主要是為了保障整個(gè)軟件程序在運(yùn)行時(shí)可以達(dá)到中斷，從而使系統(tǒng)進(jìn)一步達(dá)到完善。NYYNYNYN關(guān)中斷保護(hù)現(xiàn)象NYYNYNYN關(guān)中斷保護(hù)現(xiàn)象A右移一位讀P1口送至AC=1?C=1?C=1?C=1?右移一位右移一位右移一位中斷返回開中斷恢復(fù)現(xiàn)場MOV35H,#1MOV35H,#2MOV35H,#3MOV35H,#4開始圖4-2中斷子程序4.3按鍵流程圖圖4-3為系統(tǒng)的按鍵流程圖。主要是通過人為的對外部按鍵的控制來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對溫度的手動和自動控制。NNYN中斷P1.4=0?P1.5=0?P1.7=0?P1.6=0?轉(zhuǎn)IR1轉(zhuǎn)IR4轉(zhuǎn)IR2轉(zhuǎn)IR3返回NYNYY圖4-3按鍵流程圖4.4顯示流程圖圖4-4為系統(tǒng)的顯示流程圖。主要是通過對傳輸過來的信號進(jìn)行顯示后，給操作者提供提示。已達(dá)到為本系統(tǒng)提供對溫度的顯示和監(jiān)控的目的。開始開始結(jié)束串行口初始化往緩沖區(qū)送數(shù)查段碼送顯示圖4-4顯示流程圖本章節(jié)主要講的是單片機(jī)溫度系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分的主要的流程圖，這也是系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)思路，通過依照四部分的流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，已達(dá)到對系統(tǒng)完整的運(yùn)行，對溫度的顯示、監(jiān)控和控制。第5章系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論分析單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)樣機(jī)組裝好以后，便可進(jìn)入系統(tǒng)的在線（聯(lián)仿真器）調(diào)試，其主要任務(wù)是排除樣機(jī)硬件故障，并完善其硬件結(jié)構(gòu)，試運(yùn)行所設(shè)計(jì)的程序，排除程序錯(cuò)誤，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)達(dá)到期望的功能，進(jìn)而固化軟件，使其產(chǎn)品化。5.1硬件調(diào)試單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試是交叉進(jìn)行的，但通常是先排除樣機(jī)中明顯的硬件故障，尤其是電源故障，才能安全地和仿真器相連，進(jìn)行綜合調(diào)試。5.1.1硬件電路故障及解決方法1．錯(cuò)線、開路、短路：由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工過程中的工藝性錯(cuò)誤所造成的錯(cuò)線、開路、短路等故障。解決方法：在畫原理圖時(shí)仔細(xì)檢查、校正即可解決。2．元器件損壞：由于對元器件使用要求的不熟悉及制作調(diào)試過程中操作不當(dāng)致使器件損壞。解決方法：在設(shè)計(jì)過程中要明確各元器件的工作條件，嚴(yán)格按照制作要求進(jìn)行操作，損壞的元器件要及時(shí)更換，以免損壞其他元件或影響電路功能的實(shí)現(xiàn)。3．電源故障：設(shè)計(jì)中存在電源故障，即上電后將造成元器件損壞、無法正常供電，電路不能正常工作。電源的故障包括：電壓值不符和設(shè)計(jì)要求，電源引出線和插座不對應(yīng)，各檔電源之間的短路，變壓器功率不足，內(nèi)阻大，負(fù)載能力差等。解決方法：電源必須單獨(dú)調(diào)試好以后才能加到系統(tǒng)的各個(gè)部件中。本設(shè)計(jì)中就出現(xiàn)電源故障經(jīng)過一個(gè)穩(wěn)壓電路才使其正常工作。5.1.2硬件調(diào)試方法本設(shè)計(jì)調(diào)試過程中所用的調(diào)試方法有：靜態(tài)測試、聯(lián)仿真器在線調(diào)試等。1．靜態(tài)測試在樣機(jī)加電之前，首先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電器原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查樣機(jī)線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。應(yīng)特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯(cuò)誤，并重點(diǎn)檢查擴(kuò)展系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互間的短路或與其它信號線的短路。第二步是加電后檢查各個(gè)插件上引腳的電位，仔細(xì)測量各點(diǎn)電位是否正常，尤其應(yīng)注意單片機(jī)插座上的各點(diǎn)電位，若有高壓，聯(lián)機(jī)時(shí)將會損壞仿真器。第三步是在不加電情況下，除單片機(jī)以外，插上所有的元器件，最后用仿真適配器將樣機(jī)的單片機(jī)插座和仿真器的仿真接口相連，為聯(lián)機(jī)調(diào)試做準(zhǔn)備。2．聯(lián)仿真器在線調(diào)試測試RAM存儲器：用仿真器寫命令將一批數(shù)據(jù)寫入樣機(jī)中擴(kuò)展的RAM，然后用讀命令讀出其內(nèi)容，若對任意單元讀出和寫入內(nèi)容一致，則擴(kuò)展RAM和單片機(jī)的連接沒有邏輯錯(cuò)誤。若讀出寫入內(nèi)存不一致，則可能是地址數(shù)據(jù)線短路，試寫入不同的數(shù)據(jù)觀察讀出結(jié)果，或縮小對RAM的讀寫范圍，檢查對RAM中其它區(qū)域的影響，這樣可初步對地址數(shù)據(jù)線短路錯(cuò)誤定位，再用萬用表、示波器等進(jìn)一步確診。5.2軟件調(diào)試5.2.1軟件電路故障及解決方法設(shè)計(jì)軟件部分出現(xiàn)這種錯(cuò)誤的現(xiàn)象：1．當(dāng)以斷點(diǎn)或連續(xù)方式運(yùn)行時(shí)，目標(biāo)系統(tǒng)沒有按規(guī)定的功能進(jìn)行操作或什么結(jié)果也沒有，這是由于程序轉(zhuǎn)移到意外之處或在某處死循環(huán)所造成的。解決方法：這類錯(cuò)誤的原因是程序中轉(zhuǎn)移地址計(jì)算錯(cuò)誤、堆棧溢出、工作寄存器沖突等。在采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)時(shí)，錯(cuò)誤可能在操作系統(tǒng)中，沒有完成正確的任務(wù)調(diào)度操作，也可能在高優(yōu)先級任務(wù)程序中，該任務(wù)不釋放處理器，使CPU在該任務(wù)中死循環(huán)。通過對錯(cuò)誤程序的修改使其實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。2．不響應(yīng)中斷CPU不響應(yīng)中斷或不響應(yīng)某一個(gè)中斷這種錯(cuò)誤的現(xiàn)象是連續(xù)運(yùn)行時(shí)不執(zhí)行中斷任務(wù)程序的規(guī)定操作，當(dāng)斷點(diǎn)設(shè)在中斷入口或中斷服務(wù)程序中時(shí)碰不到斷點(diǎn)。錯(cuò)誤的原因有：中斷控制寄存器（IE，IP）的初值設(shè)置不正確，使CPU沒有開放中斷或不許某個(gè)中斷源請求；或者對片內(nèi)的定時(shí)器、串行口等特殊功能寄存器和擴(kuò)展的I/O口編程有錯(cuò)誤，造成中斷沒有被激活；或者某一中斷服務(wù)程序不是以RETI指令作為返回主程序的指令，CPU雖已返回到主程序但內(nèi)部中斷狀態(tài)寄存器沒有被清除，從而不響應(yīng)中斷；或由于外部中斷源的硬件故障使外部中斷請求無效。解決方法：修改中斷控制寄存器（IE，IP）的初值設(shè)置。3．結(jié)果不正確目標(biāo)系統(tǒng)基本上已能正常操作，但控制有誤動作或者輸出的結(jié)果不正確。這類錯(cuò)誤大多是由于計(jì)算程序中的錯(cuò)誤引起的。錯(cuò)誤原因沒有查明，沒有解決。5.2.2軟件調(diào)試方法軟件調(diào)試所使用的方法有：計(jì)算程序的調(diào)試方法、I/O處理程序的調(diào)試法、綜合調(diào)試法等。1．計(jì)算程序的調(diào)試方法計(jì)算程序的錯(cuò)誤是一種靜態(tài)的固定的錯(cuò)誤，因此主要用單拍或斷點(diǎn)運(yùn)行方式來調(diào)試。根據(jù)計(jì)算程序的功能，事先準(zhǔn)備好一組測試數(shù)據(jù)。調(diào)試時(shí)，用防真器的寫命令，將數(shù)據(jù)寫入計(jì)算程序的參數(shù)緩沖單元，然后從計(jì)算程序開始運(yùn)行到結(jié)束，運(yùn)行的結(jié)果和正確數(shù)據(jù)比較，如果對有的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，都沒有發(fā)生錯(cuò)誤，則該計(jì)算程序調(diào)試成功；如果發(fā)現(xiàn)結(jié)果不正確，改用單步運(yùn)行方式，即可檢查出錯(cuò)誤所在。計(jì)算程序的修改視錯(cuò)誤性質(zhì)而定。若是算法錯(cuò)誤，那是根本性錯(cuò)誤，應(yīng)重新設(shè)計(jì)該程序；若是局部的指令有錯(cuò)，修改即可。如果用于測試的數(shù)據(jù)沒有全部覆蓋實(shí)際計(jì)算的原始數(shù)據(jù)的類型，調(diào)試沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤可能在系統(tǒng)運(yùn)行過程中暴露出來。2．I/O處理程序的調(diào)試對于A/D轉(zhuǎn)換一類的I/O處理程序是實(shí)時(shí)處理程序，因此一般用全速斷點(diǎn)運(yùn)行方式或連續(xù)運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)試。3．綜合調(diào)試在完成了各個(gè)模塊程序（或各個(gè)任務(wù)程序）的調(diào)試工作以后，便可進(jìn)行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試一般采用全速斷點(diǎn)運(yùn)行方式，這個(gè)階段的主要工作社排除系統(tǒng)中遺留的錯(cuò)誤以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度。在綜合調(diào)試的最后階段，應(yīng)在目標(biāo)系統(tǒng)的晶振頻率工作，使系統(tǒng)全速運(yùn)行目標(biāo)程序，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能技術(shù)指標(biāo)后，便可將軟件固化，然后在運(yùn)行固化的目標(biāo)程序，成功后目標(biāo)系統(tǒng)便可脫機(jī)運(yùn)行。一般情況下，這樣一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)就算研制成功了。5.3結(jié)論分析通過對系統(tǒng)硬件的調(diào)試，進(jìn)一步理解了水溫控制系統(tǒng)的原理，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了問題，原設(shè)計(jì)電路缺乏對水溫的實(shí)時(shí)控制，因此后加入調(diào)節(jié)執(zhí)行單元，采用實(shí)時(shí)控制的方法，在主機(jī)AT89C51的P1.4口輸出溫度控制信號，由光電耦合器MOC3041和可控硅SCR組成。其中光電耦合器MOC3041的作用是將單片機(jī)系統(tǒng)與可控硅SCR電路隔開，避免在高壓過程中的干擾信號影響單片機(jī)的運(yùn)行；可控硅SCR的作用是相當(dāng)于一個(gè)固態(tài)的觸點(diǎn)，使之有能力開啟或關(guān)斷電爐，從而控制電爐通斷，以實(shí)現(xiàn)對水溫的實(shí)時(shí)控制。參考文獻(xiàn)[1]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].高等教育出版社.2004年1月，第1版：137-156[2]曹巧媛主編.單片機(jī)原理及應(yīng)用(第二版).北京:電子工業(yè)出版社,2002[3]何力民編.單片機(jī)高級教程.北京:北京航空大學(xué)出版社,2000[4]金發(fā)慶等編.傳感器技術(shù)與應(yīng)用.北京機(jī)械工業(yè)出版社,2002[5]王錦標(biāo)，方崇智．過程計(jì)算機(jī)控制．北京：清華大學(xué)出版社，1997；36～40[6]邵惠鶴．工業(yè)過程高級控制．上海：上海交通大學(xué)出版社，1997；58—62，78—101[7]胡壽松．自動控制原理．北京：國防工業(yè)出版社，2000；103—124[8]劉伯春．智能PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用．電子自動化，1995；(3)：20～25[9]KatsuhikoOgata．ModenControlEngineering．Publishinghouseofelectronicsindustry，2000：196—202[10]周潤景，張麗娜．基于PROTEUS的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[M]．北京:航空航天大學(xué)出版社,2006.P321～P326[11]王忠飛，胥芳．MCS-51單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007．P268-273[12]劉國鈞，陳紹業(yè)，王鳳翥.圖書館目錄.第1版.北京：高等教育出版社，1957[13]傅承義，陳運(yùn)泰，祁貴中.地球物理學(xué)基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，1985，447[14]Microchip24C01B/02B8位PIC?單片機(jī)產(chǎn)品手冊[ED/OL]，/publish/data/2007/2/data_14_27926.html.[15]趙娜，趙剛，于珍珠等.基于51單片機(jī)的溫度測量系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，1-2：146-148。致謝在三年的讀書生活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號，而于我的人生卻只是一個(gè)逗號，我將面對又一次征程的開始。在這四年的求學(xué)生涯中師長、親友給與了我大力支持，在這個(gè)翠綠的季節(jié)我將邁開腳步走向遠(yuǎn)方，懷念，思索，長長的問號一個(gè)個(gè)在求學(xué)的路途中被知識的舉手擊碎，而人生的思考才剛剛開始。感謝我教書育人的老師，我不是你們最出色的學(xué)生，而你們卻是我最尊敬的老師。大學(xué)時(shí)代的老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會了對待知識，走向社會的思考方式。在這里尤其要感李兵老師，從論文題目的選定到論文寫作的指導(dǎo),感謝您的悉心的點(diǎn)撥。感謝同學(xué)在我遇到困境時(shí)向我伸出援助之手，同窗之誼我們社會再續(xù)；在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！藍(lán)小明2012年6月于南昌附錄1．系統(tǒng)總程序清單主程序如下：ORG0000HAJMPMAINORG0013HLJMPIN1ORG0030HMAIN：MOVSP，#60HMOVP1，#0FHSETBP1.4SETBEASETBEX1MOV5AH，#0MOV5BH，#2MOV5CH，#5MOV5DH，#0MOV28H，#0MOVTCON，#05HMOV29H，#01HMOV35H，#10MOV37H，#10LOOP：MOVA，35HCJNEA，#1，NEXTLJMPN1NEXT：LCALLADMOVR2，#0MOVR3，40HLCALLQ1MOV3AH，R2MOV3BH，R3LCALLBJLCALLDIRLCALLTIMLJMPLOOPNI：LCALLSDN4：MOVA，35HCJNEA，#2，N2MOVA，R4ADDA，#1MOV52H，ACLRCMOV