基于單片機的水溫控制系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、 目 錄 1 引言111 研究背景及意義11.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢213 研究內(nèi)容及要求22 系統(tǒng)總體設計32.1 系統(tǒng)功能設計32.2 系統(tǒng)設計原則32.2.1 可靠性32.2.2 操作維護方便32.2.3 性價比32.3 系統(tǒng)的組成和工作原理42.3.1 系統(tǒng)的組成42.3.2 系統(tǒng)的工作原理43 硬件系統(tǒng)設計53.1 單片機系統(tǒng)設計53.1.1 at89c51單片機53.1.2 復位電路63.2 溫度傳感器部分的設計73.2.1 傳感器的基本特性73.2.2 ad590溫度傳感器73.2.3 adc0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器93.3 顯示部分的設計123.31 led七段數(shù)碼管介紹及應

2、用123.32 顯示部分驅(qū)動芯片7047介紹143.41 鍵盤的設計153.42 單片機接口的擴展19第 i 頁 共 ii 頁3.5 溫度控制部分的設計243.51 電壓跟隨電路和比例放大電路243.52 繼電器控制電阻絲部分253.6 電源的設計263.61 78系列介紹263.62 ltc3260介紹284 軟件設計324.1 主程序的流程圖324.2 顯示程序流程圖324.3 鍵盤掃描子程序流程圖335 結(jié)論34附錄 源代碼、總原理圖、pcb圖35參 考 文 獻42致 謝44第 ii 頁 共 ii 頁1 引言11 研究背景及意義在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著及其重要的角色。自18世紀工業(yè)

3、革命以來，工業(yè)發(fā)展與是否能掌握溫度控制有著密切的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都得考慮著溫度的因素1。溫度控制是無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用，如電熱水器、自動飲水機等，都要用到水溫控制系統(tǒng)。高校的發(fā)展同樣要求用現(xiàn)代化手段提升現(xiàn)有的實驗設備，為學生提供更多更好更現(xiàn)代化的實驗條件。因此我們應該應用電子專業(yè)知識，實現(xiàn)溫度控制的自動化，提高工業(yè)企業(yè)自動化水平。目前的水溫控制系統(tǒng)大多采用由模擬溫度傳感器、多路模擬開關、a/d轉(zhuǎn)換器及單片機組成的傳輸系統(tǒng)2。這種系統(tǒng)需要布置大量的測溫電纜，才能把現(xiàn)場傳感器的信號送到采集卡上，安裝

4、和拆卸復雜，成本也高。同時線路上傳送的是模擬信號，易受干擾和損耗，測量誤差也比較大，不利于控制者根據(jù)溫度變化及時做出決定。在這樣的形式下，開發(fā)一種實時性高、精度高，能夠綜合處理多點溫度信息的系統(tǒng)就很有必要。近年來，單片機以其功能強、體積小、使用方便、性能價格比較高等優(yōu)點,在實時控制、自動測試、智能儀表、計算機終端、遙測通訊、家用電器等許多方面得到了廣泛的應用3。用單片機對溫度進行實時檢測和控制來解決工業(yè)及日常生活中對溫度的及時自動控制，是現(xiàn)代溫控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢4。人們對電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術之一的單片機以其體積小、價格低、可靠性高、適用范圍大、本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)

5、勢，在各個領域、各個行業(yè)都得到了廣泛應用。該課題的研究適應了社會對于水溫控制的發(fā)展趨勢,將單片機應用于水溫控制系統(tǒng)中，將單片機控制方式成功地引入了水溫控制領域,豐富了水溫控制技術, 該系統(tǒng)可用作工廠、學校等場所的溫度檢測設施，由人工設定溫度，有很好的實用價值，控制系統(tǒng)不僅可用于控制水溫，還可應用到對溫度有一定要求的其它領域5。也為今后水溫控制技術的發(fā)展探索了一條行之有效的道路,具有廣闊的發(fā)展空間。水溫控制在生產(chǎn)中及生活中都發(fā)揮著重要的作用，如一些現(xiàn)代化車間里，生產(chǎn)特殊要求產(chǎn)品加工需要在一定的溫度下才能進行，水產(chǎn)養(yǎng)殖中，也要對水的溫度進行嚴格的控制，才能確保達到最好的效果，在家居生活中，我們同樣

6、離不開水溫的控制，如電熱水器，自動飲水機等，都要用到水溫控制系統(tǒng)。實現(xiàn)水溫控制的方法有很多種方法，如單片機控制，plc控制，模糊控制等，而其中用單片機實現(xiàn)的水溫控制系統(tǒng)，具有可靠性高，價格低廉，簡單易實現(xiàn)等眾多優(yōu)點6。1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢目前國內(nèi)外的溫濕度檢測使用的溫濕度檢測元件種類繁多、應用范圍也較廣泛加之單片機和大規(guī)模集成電路技術的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7?；趩螜C片的溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)的設計研究較少。隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，人們對自己的生活環(huán)境越來越嚴格。在溫室大棚中、在家里，對溫濕度也有了一定要求?；趩纹瑱C的溫濕度監(jiān)測控制統(tǒng)設計，將對環(huán)境的

7、溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)做詳細的設計與實現(xiàn)。采用高性能的控制芯片，高精度數(shù)字溫濕度傳感器am2301。向模塊化、高速化、智能化的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)靠近。將此系統(tǒng)應用到溫室大棚中、家里無疑為人們的生活提供了更加適宜的環(huán)境,符合現(xiàn)代人越來越高的要求，具有良好的發(fā)展前景8。13 研究內(nèi)容及要求 本文所要研究的課題是基于單片機控制的水溫控制系統(tǒng)的設計，主要是介紹了對水溫的顯示、控制，實現(xiàn)了溫度的實時顯示及控制。水溫控制部分，提出了用ad590溫度傳感器、adc0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、at89c51單片機及l(fā)ed的硬件電路完成對水溫的實時檢測及顯示，利用運算放大電路、繼電器與單片機連接由軟件與硬件電路配合來實現(xiàn)對

8、加熱電阻絲的實時控制。2 系統(tǒng)總體設計2.1 系統(tǒng)功能設計 系統(tǒng)要完成的設計功能是：1 實現(xiàn)對水杯里水溫、室內(nèi)濕度參數(shù)的實時采集，測量溫度和濕度，由單片機對采集的溫濕度值進行循環(huán)檢測、數(shù)據(jù)處理、顯示，實現(xiàn)溫濕度的智能檢測。2 實現(xiàn)對水溫的實時控制。4 利用鍵盤輸入期望的溫度值。5 現(xiàn)場檢測設備應具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力。要求達到的技術指標： 測溫范圍： 45。c -90。c 測溫精度：+5。c 測濕精度：+5rh2.2 系統(tǒng)設計原則要求單片機系統(tǒng)應具有可靠性高、操作維護方便、性價比高等特點。2.2.1 可靠性高可靠性是單片機系統(tǒng)應用的前提，在系統(tǒng)設計的每一個環(huán)節(jié)，都應該將可靠性作為

9、首要的設計準則9。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個方面考慮：使用可靠性高的元器件；設計電路板時布線和接地要合理；對供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診判斷功能等10。2.2.2 操作維護方便在系統(tǒng)的軟硬件設計時，應從操作者的角度考慮操作和維護方便，盡量減少對操作人員專用知識的要求，以利于系統(tǒng)的推廣11。因此在設計時，要盡可能減少人機交換接口，多采用操作內(nèi)置或簡化的方法。同時系統(tǒng)應配有現(xiàn)場故障自動診斷程序，一旦發(fā)生故障能保證有效地對故障進行定位，以便進行維修。2.2.3 性價比單片機除體積小、功耗低等特點外，最大的優(yōu)勢在于高性能價格比。一個單片機應用系統(tǒng)能否被廣

10、泛使用，性價比是其中一個關鍵因素12。因此，再設計時，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能使用軟件功能取代硬件功能等13。2.3 系統(tǒng)的組成和工作原理2.3.1 系統(tǒng)的組成以單片機為控制核心，采用溫濕度測量，數(shù)模轉(zhuǎn)換，控制技術等技術，以溫濕度傳感器作為測量元件，構(gòu)成智能溫濕度測量控制系統(tǒng)?？煞譃闇囟?、濕度測量電路，顯示電路，聲光報警電路，溫濕度控制電路，見圖2.1選用的主要器件有：at89c52，溫度傳感器ad590，led顯示模塊，升溫裝置加熱器等。 圖2.1 系統(tǒng)工作原理框圖2.3.2 系統(tǒng)的工作原理本系統(tǒng)以單片機89c51為核心，鍵盤輸

11、入、數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示要通過單片機。數(shù)據(jù)采集通過溫度傳感器ad590完成；通過單片機把采集的數(shù)據(jù)顯示在led上；當采集的數(shù)據(jù)超出給定范圍時，進行相應的控制處理。單片機采用c語言編程。 溫度控制系統(tǒng)是以89c51單片機作為中央控制裝置，加熱設備 89c51作為中央控制裝置，負責中心運算和控制，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個模塊的工作。 加熱設備：負責系統(tǒng)的加熱工作。3 硬件系統(tǒng)設計3.1 單片機系統(tǒng)設計經(jīng)過上面的總體方案和實施措施的討論后可以開始著手硬件系統(tǒng)的設計，硬件系統(tǒng)是應用系統(tǒng)的基礎、軟件系統(tǒng)設計的依據(jù)根據(jù)總體功能和性價比及其運行速度等因素的考慮，選用mcs-51系列的89c51為主機，滿足上面的要求而且

12、設計方便，不需要再存儲擴展。3.1.1 at89c51單片機mcs-51系列單片機主要包括基本型產(chǎn)品8031/8051/8751(對應的低功耗型80c31/80c51/87c51和增強型產(chǎn)品8032/8052/8752。雖然他們是8位的單片機，但是具有品種全、兼容性強性能價格比高等特點且軟硬件應用設計資料豐富齊全，已為我國廣大工程技術人員所熟悉和掌握。在20世紀80年代和90年代，mcs-51系列單片機是在我國應用最為廣泛的單片機機型之一14。中央微處理器 at89c51： at89c51是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes isp(in-system progra

13、mmable)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(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，功能強大的微型計算機的at89c51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。at89c51具有如下特點：40個引腳，4k bytes flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時鐘振

14、蕩器15。此外，at89c51設計和配置了振蕩頻率，并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下，cpu暫停工作，而ram定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式。at89s51單片機綜合了微型處理器的基本功能。按照實際需要，同時也考慮到設計成本與整個系統(tǒng)的精巧性，所以在本系統(tǒng)中就選用價格較低、工作穩(wěn)定的at89c51單片機作為整個系統(tǒng)的控制器。 圖3.1 單片機實物圖及其接口圖 圖3.2 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.1.2 復位電路復位是單片機的初始化操作，只需給at8

15、9c51的復位引腳rst加上2個機器周期（即24個時鐘震蕩周期）的高電平就可使at89c51復位。復位電路通常采用上自動復位和按鈕復位兩種方式。上電復位是通過外部復位電路給電容c充電加至rst引腳一個短的高電平信號，次信號隨著vcc對電容c的充電過程而逐漸回落，即rst引腳上的高電平持續(xù)時間取決于電容c的充電時間。因此為保證系統(tǒng)能可靠地復位，est引腳上的高電平必須維持足夠長的時間。按鍵手動復位有電平和脈沖兩種形式。 圖3.3 復位電路圖3.2 溫度傳感器部分的設計3.2.1 傳感器的基本特性傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。不含時間變量的代數(shù)方程

16、，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述17。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等18。傳感器的動態(tài)特性： 所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示19。3.2.2 ad590溫度傳感器 ad590工作原理及特性：

17、1 其輸出電流是以絕對溫度零度(-273)為基準,每增加1,它會增加1a輸出電流,因此在室溫25時,其輸出電流io=(273+25)=298a。2 可測量范圍-55至150。3供電電壓范圍+4v至+30v。精度高。4 ad590 共有i、j、k、l、m 五檔，其中m 檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為0.3。本次選用ad590jh，其非線形度+-1.5度測量范圍-55+15。5 ad590封裝及典型電路 圖3.4 ad590封裝及典型電路圖由于ad590輸出為電流量單片機不能直接讀取，因此需要通過串聯(lián)電阻將電流量轉(zhuǎn)換為電壓量，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adc0809將電壓量轉(zhuǎn)換為其對應的數(shù)

18、字量，然后通過軟件將采集到的電壓量轉(zhuǎn)化為溫度進行顯示。利用ad590將電流轉(zhuǎn)換為電壓的各部分定性及定量說明。電路原理圖如下： 圖3.5 溫度測量及轉(zhuǎn)換部分電路圖電路分析 ad590的輸出電流i=(273+t)a(t為攝氏溫度),因此量測的電壓v=(273+t)a 10k= (2.73+t/100)v。為了將電壓量測出來又需使輸出電流i不分流出來,我們使用電壓追隨器其輸出電壓v2等于輸入電壓v。 利用可變電阻分壓,其輸出電壓v1需調(diào)整至2.73v。 接下來我們使用差動放大器其輸出vo為(100k/20k)(v2-v1)=t/20v。如果現(xiàn)在為攝氏56度,輸出電壓為2.8v。3.2.3 adc08

19、09模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc0809是帶有8位a/d轉(zhuǎn)換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的cmos組件。它是逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。 1 adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 由下圖可知，adc0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個a/d轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用a/d轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存a/d轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當oe端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 圖3.6 adc0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2 adc0809引腳結(jié)構(gòu) adc0809各腳功能如下：d7-d0：8位數(shù)字量輸出

20、引腳。in0-in7：8位模擬量輸入引腳。vcc：+5v工作電壓。gnd：地。ref（+）：參考電壓正端。ref（-）：參考電壓負端。start：a/d轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。ale：地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩種信號用于啟動a/d轉(zhuǎn)換）.eoc：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。oe：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。clk：時鐘信號輸入端（一般為500khz）。a/b/c:地址輸入線 圖3.7 adc0809實物圖及接口圖adc0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05v，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若

21、模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條 ale為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ale線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將a，b，c三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進入轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。a，b和c為地址輸入線，用于選通in0in7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。 表3.1 adc0809的通道選擇方式 數(shù)字量輸出及控制線：11條 ，st為轉(zhuǎn)換啟動信號。當st上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行a/d轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，st應保持低電平。eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當eoc為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行a/d轉(zhuǎn)換。o

22、e為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。oe1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；oe0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。d7d0為數(shù)字量輸出線。clk為時鐘輸入信號線。因adc0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500khz。vref（），vref（）為參考電壓輸入。 利用adc0809將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的電路原理圖如下： 圖3.8 溫度測量部分電路圖3.3 顯示部分的設計3.31 led七段數(shù)碼管介紹及應用 led 數(shù)碼管在電子儀器中常用來顯示數(shù)字，符號，顯示清晰，亮度高，價格便宜，廣泛低應用在各種控制系統(tǒng)中。 1 led 數(shù)碼管結(jié)構(gòu) led數(shù)碼

23、管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個數(shù)字“2”字，那么應當是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。顯示一個字母a 字，a,b,c,e,f,g 段亮，d，dp不亮。 圖3.9 七段碼led接口圖 led數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個或多個發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個發(fā)光二極管的管壓降為1.8v左右，電流不超過30ma。發(fā)

24、光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負極的稱為共陰數(shù)碼管。常用led數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、a、b、c、d、e、f。2 驅(qū)動方式（1） 靜態(tài)顯示驅(qū)動： 靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的i/o腳進行驅(qū)動，或者使用如bcd碼二-十進位*器*進行驅(qū)動20。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用i/o腳多，如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要58=40根i/o腳來驅(qū)動，故實際應用時必須增加驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬體電路的復雜性。 （2） 動態(tài)顯示驅(qū)動： 數(shù)碼管動態(tài)

25、顯示介面是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極com增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的i/o線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位元選通com端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮21。 透過分時輪流控制各個led數(shù)碼管的com端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視

26、覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的i/o埠，而且功耗更低。3 數(shù)碼管與單片機動態(tài)掃描顯示接口圖 圖3.10 顯示部分電路圖4 限流電阻的選擇led 數(shù)碼管的工作電流為310ma，當超過30ma 時會將數(shù)碼管燒毀。因此需要在數(shù)碼管的每一段串入一個電阻進行限流。電阻的選擇范圍為470歐到1k。 如電源電壓5v，1k限流電阻，一個二極管的結(jié)壓降為1.8v，電流為5v-1.8v/1k=3.2ma。采用1k限流電阻時流過數(shù)碼管每段的電流為3.2ma。3

27、.32 顯示部分驅(qū)動芯片7047介紹由于單片機的驅(qū)動能力有限，這里需要另加驅(qū)動芯片來增強驅(qū)動能力以驅(qū)動四個七段led數(shù)碼管，這里選用7047。5 4/7407 為集電極開路輸出的六組驅(qū)動器。邏輯圖如下 圖3.11 7407邏輯圖3.4 輸入部分的設計3.41 鍵盤的設計 在單片機應用中，人機交互對話最通用的方法就是通過鍵盤進行的。操作者通過鍵盤向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要的數(shù)據(jù)信息。因此鍵盤模塊設計的好壞，直接關系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。目前少見專門針對單片機按鍵設計的文檔資料，因此本文結(jié)合工作 實際，系統(tǒng)地介紹了單片機應用中比較有價值的按鍵設計方法。1 常用按鍵接口常用的按鍵接口一般分為“獨

28、立式 按鍵接口設計”、專用芯片式設計”和“矩陣式接口設計”幾種。具體采用哪種方式 ,應該根據(jù)所設計系統(tǒng)的實際情況而定。下面分別介紹不同接口方式的優(yōu)缺點及適用場合。（1） 獨立式按鍵接口設計獨立式按鍵接口設計優(yōu)點是電路配置靈活 ,軟件實現(xiàn)簡單,但缺點也很明顯,每個按鍵需要占用一根口線,若按鍵數(shù)量較多,資源浪費將比較嚴重,電路結(jié)構(gòu)也變得復雜。因此本方法主要用于按鍵較少或?qū)Σ僮魉俣纫筝^高的合。軟件實現(xiàn)時 ,可以采用中斷方式,也可以采用查詢方式,示意圖如圖所示。 圖3.12 查詢方式及中斷方式鍵盤設計圖（2） 專用芯片式設計 專用鍵盤處理芯片一般功能比較完善,芯片本身能完成對按鍵的編碼、掃描、消抖和

29、重鍵等問題的處理，甚至象8279還集成了顯示接口功能。專用鍵盤處理芯片的優(yōu)點很明顯,可靠性高，接口簡單，使用方便，適合處理按鍵較多的情況。但在很多應用場合,考慮成本因素,可能并不是最佳選擇。（3） 矩陣式接口設計 矩陣式按鍵設計適應于按鍵數(shù)量較多,又不想使用專用鍵盤芯片的場合這種方式 的按鍵接口由行線和列線組成 ,按鍵位于行、列的交叉點上。這種方式的優(yōu)點就 是相對于獨立接口方式可以節(jié)省很多i/ o資源，相對于專用芯片式可以節(jié)省成本,且更為靈活。缺點就是需要用軟件處理消抖、重鍵等問題。接口示意圖如圖所示。矩陣式按鍵接口根據(jù)采用的按鍵識別方法不同基本有兩種接法 :線反轉(zhuǎn)法和掃描法。其中掃描法的列線

30、始終為輸入,行線始終為輸出；線反轉(zhuǎn)法則需要改變列線和行線的方向。 圖3.13 掃描及反轉(zhuǎn)法原理圖2 按鍵編碼方式 按鍵接口方式確定后,需要對按鍵進行編碼。按鍵編碼沒有特殊約定,只要有利按鍵處理即可,同時應根據(jù)情況確定是否對按鍵進行緩沖。但對于矩陣式按鍵接口一般是先獲得按鍵的掃描碼，然后將其轉(zhuǎn)換為事先約定的按鍵編碼。3 按鍵識別方法不同的按鍵接口方式對應不同的按鍵識別方法,但無論哪種接口方式,按鍵的閉合與否都反映在電壓的高低上,因此系統(tǒng)可以通過檢測不同的電平狀態(tài)來識別按鍵是否按下。實際設計時可以根據(jù)需要設定鍵閉合或斷開的電平狀態(tài)。例如,我們利用低電平表示鍵按下,高電平表示鍵釋放。對應上述三種按鍵

31、接口方法,獨立式按鍵識別方法很簡單,只需要檢測相應口線的電平即可,沒有鍵按下時為高電平,有鍵按下時為低電平;而專用芯片則直接完成了該項工作,因此下面主要講述矩陣式按鍵接口方式對應的按鍵識別方法。（1） 按鍵識別原理 如圖2 所示,按鍵設置在行、列的交點上,行列線分別連接到按鍵開關的兩端 ,行線或列線通過上拉電阻接到+ 5v上。平時無按鍵動作時,處于高電平狀態(tài),而當有鍵按下時,電平狀態(tài)將發(fā)生改變。這一點是按鍵識別的關鍵所在。由于矩陣鍵盤中行線和線為多鍵共用,各按鍵均影響該鍵所在的行和列的電平,即各鍵相互間有影響,必須協(xié)調(diào)處理。（2） 掃描法識別按鍵掃描法識別按鍵分兩步進行:第一步,識別有無按鍵按

32、下；第二步,若有鍵按下,識別出該鍵。具體方法如下：識別鍵盤有無按鍵按下方法:讓所有列線均為0電平,檢查各行線是否有變化,如果有變化,則說明有鍵被按下,如果沒有變化,則說明無鍵被按下。識別具體按鍵的方法:逐列置零電平,其余各列置為高電平,檢查各行線電平的變化,如果 某行電平由高電平變?yōu)榈碗娖?則可確定此行此列交叉點處的按鍵被按下。（3） 線反轉(zhuǎn)法識別按鍵掃描法要逐列掃描查詢,若被按下的鍵處于最后一列時,要經(jīng)過多次掃描才能最后按鍵的行列值。而線反轉(zhuǎn)法則很簡練,無論被按鍵處于第一列或是最后一列,均只需兩步便能獲得按鍵的行列值。 第一步 :將行線編程為輸入線,列線編程為輸出線,并使輸出線輸出為全零電平

33、,則行線中電平由高到低所在行為按鍵所在行。 第二步 :同第一步相反,將行線編程為輸出線,列線編程為輸入線,并使輸出線輸全零電平,則列線中電平由高到低所在行為按鍵所在列。 綜合一、二兩步的結(jié)果 ,可確定按鍵所在行和列,從而識別所按的鍵。該方法的優(yōu)點是:非常簡單適用。 該系統(tǒng)中鍵盤的原理圖如下： 圖3.14 本系統(tǒng)鍵盤設計圖3.42 單片機接口的擴展 由于單片機接口有限，而鍵盤的設計又占用了不少接口，應該考慮到擴展此系統(tǒng)的i/o接口。8255a是一種可編程的i/o接口芯片，通過鎖存器74ls373可以與mcs-51系統(tǒng)單片機以及外設直接相連，廣泛用作外部并行i/o擴展接口。1 8255a的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

34、8255a內(nèi)部由pa、pb、pc三個8位可編程雙向i/o口，a組控制器和b組控制器，數(shù)據(jù)緩沖器及讀寫控制邏輯四部分電路組成。 8255a結(jié)構(gòu)框圖和引腳圖如下： 圖3.15 8255a結(jié)構(gòu)圖及引腳圖2 8255a的引腳功能 數(shù)據(jù)總線（8條）：d0d7，用于傳送cpu和8255a間的數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)字。 控制總線（6條）： reset：復位線，高電平有效。 /cs：片選線，低電平有效。 /rd、/wr：/rd為讀命令線，/wr為寫命令線，皆為低電平有效。 a0、a1：地址輸入線：用于選中pa、pb、pc口和控制寄存器中哪一個工作。 并行i/o總線（24條） ：用于和外設相連，共分三組。 3 825

35、5a控制字和狀態(tài)字方式控制字：方式控制字用于設定8255a三個端口工作于什么方式，是輸入還是輸出方式。8255a有兩個控制字：方式控制字和c口置位/復位控制字。用戶通過程序可以把這兩個控制字送到8255a的控制寄存器，以設定8255a的工作方式和c口各位狀態(tài)。 c口置位/復位控制字：本控制字可以使c口各位單獨置位或復位，以實現(xiàn)某些控制功能。 圖3.16 8255a方式控制字及c口置位/復位字4 74ls373介紹 單片機系統(tǒng)中常用的地址鎖存器芯片74ls373以及coms的74hc373，是帶三態(tài)緩沖輸出的8d觸發(fā)器，其引腳圖與結(jié)構(gòu)原理圖、電路連接圖如下： 圖3.17 鎖存器引腳圖 74ls3

36、73是常用的地址鎖存器芯片，它實質(zhì)是一個是帶三態(tài)緩沖輸出的8d觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中為了擴展外部存儲器，通常需要一塊74ls373芯片，74ls373內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和引腳圖如下： 圖3-18 鎖存器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 1腳是輸出使能(oe),是低電平有效,當1腳是高電平時,不管輸入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11腳(鎖存控制端,g)如何,輸出2(q0)、5(q1)、6(q2)、9(q3)、12(q4)、15(q5)、16(q6)、19(q7)全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài)(或者叫浮空狀態(tài))；當1腳是低電平時,只要11腳(鎖存控制端,g)上出現(xiàn)一個下降沿,輸出2(q0)、5(q1)、6(q2)、9(

37、q3)、12(q4)、15(q5)、16(q6)、19(q7)立即呈現(xiàn)輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的狀態(tài)。 鎖存端le 由高變低時，輸出端8 位信息被鎖存，直到le 端再次有效。當三態(tài)門使能信號oe為低電平時，三態(tài)門導通，允許q0q7輸出，oe為高電平時，輸出懸空。當74ls373用作地址鎖存器時，應使oe為低電平，此時鎖存使能端c為高電平時，輸出q0q7 狀態(tài)與輸入端d1d7狀態(tài)相同；當c發(fā)生負的跳變時，輸入端d0d7 數(shù)據(jù)鎖入q0q7。51單片機的ale信號可以直接與74ls373的c連接。 74ls373與單片機接口： 圖3.19 74ls373接口電路 1d8d為8個輸

38、入端。 1q8q為8個輸出端。g是數(shù)據(jù)鎖存控制端；當g=1時，鎖存器輸出端同輸入端；當g由“1”變?yōu)椤?”時，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。oe為輸出允許端；當oe=“0”時，三態(tài)門打開；當oe=“1”時，三態(tài)門關閉，輸出呈高阻狀態(tài)。3.5 溫度控制部分的設計由于本系統(tǒng)對溫度控制的精度要求不高，所以可以直接用單片機i/o口控制繼電器間接來控制加熱部分，而不必考慮加熱部分的功率控制。由于單片機i/o輸出電壓較低且輸出能力有限，所以考慮加一個電壓跟隨電路和一個電壓放大電路以提高其驅(qū)動能力和輸出電壓以便能確?？刂评^電器。3.51 電壓跟隨電路和比例放大電路 電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，

39、就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。 電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低，所以驅(qū)動能力強。 同相輸入放大電路如圖所示，信號電壓通過電阻rs加到運放的同相輸入端，輸出電壓vo通過電阻r1和rf反饋到運放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負反饋放大電路。根據(jù)虛短、虛斷的概念有vn= vp= vs，i1= if (3-1）于是求得 （3-2）所以該電路實現(xiàn)同相比例運算。 圖3.20 同相放大電路圖此系統(tǒng)中的跟隨和放大電路如下： 圖3.21 系統(tǒng)中驅(qū)動放大電路圖3.52 繼電器控制電阻絲部分 選

40、用繼電器adg1401，adg1401/adg1402內(nèi)置一個單刀單擲（spst）開關。當邏輯輸入為1時，adg1401開關閉合，adg1402開關則斷開。當接通時，各開關在兩個方向的導電性能相同，輸入信號范圍可擴展至電源電壓范圍，在斷開條件下，等于電源電壓的信號電平被阻止。其功能框圖如下： 圖3.22 繼電器結(jié)構(gòu)圖相關數(shù)據(jù)特點如下： 導通電阻：1 導通電阻平坦度：0.2 連續(xù)電流最高達435 ma 額定電源電壓：+12 v、15 v、5 v 無需vl電源 3 v邏輯兼容輸入 軌到軌工作 8引腳msop和8引腳、3 mm 2 mm lfcsp封裝系統(tǒng)中應用電路圖如下： 圖3.23 繼電器部分電

41、路圖3.6 電源的設計由于此系統(tǒng)中主要用了+/-5v、+12、+15v的電壓，所以做了三個電源，其中由于+15v電壓要給加熱電阻絲供電，功率要求較高，故選用兩個78穩(wěn)壓電源并聯(lián)的方式，另外的選用ltc3260。3.61 78系列介紹 三端固定輸出穩(wěn)壓器是將功率調(diào)整管、誤差放大器、取樣電路、保護電路等元器件做在一塊芯片內(nèi)，構(gòu)成一個由不穩(wěn)定輸入端、穩(wěn)定輸出端和公共接地端的三腳集成電路，由于這種穩(wěn)壓集成電路（以下簡稱穩(wěn)壓ic）只有三個引腳，使用安裝方便，保護功能完善，現(xiàn)市場價格十分低廉，在電子制作、物理實驗、家用電器中，可以代替早期的分立元件穩(wěn)壓電路，制作實用電源和維修替換各類常用的穩(wěn)壓電源，應用相

42、當廣泛23。1 主要參數(shù)：三端固定穩(wěn)壓ic有正輸出和負輸出兩種類型，正輸出穩(wěn)壓ic有w78xx系列，w78mxx系列，w78lxx系列，負輸出穩(wěn)壓ic有w79xx系列、w79mxx系列、w79lxx系列，最常用的是正輸出大電流的w78xx系列。xx表示穩(wěn)壓值，例如：w7806表示穩(wěn)定輸出電壓為6v，w7812表示穩(wěn)定輸出電壓為12v。它們的主要參數(shù)如附表所示。表3.2 78、79系列穩(wěn)壓ic主要參數(shù)參數(shù)類型型號最大輸出電流峰值輸出電流固定輸出電壓最高輸入電壓最低輸入電壓備注78系列正輸出w78xx1.5a3.5a5v.6v8v.9v12v.15v18v.24v35vu0+2v(u015v時)功

43、耗超過1w需加散熱片，隨功耗的增加，散熱片的面積、厚度相應增大w78mxx0.5a1.5aw78lxx0.1a0.2a79系列負輸出w79xx1.5a3.5a5v. 6v8v. 9v12v.15v18v.24v35vu0+（2v）(|u0|15v時)w79mxx0.5a1.5aw79lxx0.1a0.2a2 工作原理： 以78xx系列穩(wěn)壓ic為例（其他穩(wěn)壓ic原理大同小異）簡述其工作原理。它是一種串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓器，它與一般分立元件組成的穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理是十分相似的，不同的是增加了啟動電路，恒流源以及各種保護電路（相同部分本文不再敘述）。下面簡述增加部分的原理、作用。電源接通后，啟動電

44、路工作，為恒流源、基準電壓、比較放大電路建立工作點（當正常工作后啟動電路不起作用）。恒流源的設置，為基準電壓和比較放大電路提供了穩(wěn)定的工作條件，使其不受輸入電壓的影響，保證穩(wěn)壓ic能在較大的電壓變化范圍內(nèi)正常工作。短路、過流保護電路是由ra與內(nèi)電路組成、當輸出電流超過額定值時，流過ra的電流所產(chǎn)生的壓降將超過0.6 v，內(nèi)部相關電路導通工作，使調(diào)整管基極電流減小，從而使輸出電流減小。過熱保護電路是由芯片內(nèi)具有正溫度系數(shù)的擴散電阻和具有負溫度系數(shù)的pn結(jié)構(gòu)成，當溫度較低時不影響調(diào)整管工作，當芯片溫度超過臨界值時，相關電路工作，控制調(diào)整管基極，使輸出電流減小，芯片功耗降低，溫度降低，達到過熱保護之

45、目的。安全工作區(qū)保護電路是把調(diào)整管的c.e極管壓降設置在7v左右，當輸入電壓高于輸出電壓過多時，相關電路工作從而限制調(diào)整管的工作電流，保證它處于安全工作區(qū)。rb的設置是使穩(wěn)壓ic有合適的靜態(tài)電流，保證各功能電路在輸出空載時也能正常工作24。 圖3.24 78電源模塊 3.62 ltc3260介紹ltc3260是一款低噪聲、雙極性輸出電源，包括一個兼具正和負ldo穩(wěn)壓器的負輸出充電泵。充電泵在一個4.5v至32v的寬輸入范圍內(nèi)運作，并能夠輸送高達100ma的輸出電流。每個ldo穩(wěn)壓器可提供高達50ma的輸出電流。負 ldo后置穩(wěn)壓器采用充電泵輸出來供電。ldo輸出電壓可使用外部電阻分壓器進行調(diào)節(jié)

46、。ltc3260非常適用于用高壓輸入產(chǎn)生的低噪聲雙極性/負輸出電源、工業(yè)/儀表用低噪聲偏置電壓發(fā)生器、便攜式醫(yī)療設備和汽車信息娛樂系統(tǒng)。ltc3260采用扁平3mm4mm，14引腳的dfn封裝和16引腳的msop封裝，兩種封裝均有地面導熱襯墊。工作結(jié)溫為-40至125。 圖3.25 ltc3260內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ltc3260的設計具備提供低噪聲性能的固有特性，該器件的高工作頻率實現(xiàn)了低輸出紋波。如圖所示，ltc3260的ldo進一步抑制了這種紋波，可提供非常低噪聲的輸出，因而極其適合于諸如運算放大器和adc驅(qū)動器等噪聲敏感型應用。 圖3.26 ltc3260輸出電壓ltc3260具有內(nèi)置的短路電流

47、限制和過熱保護功能。在短路情況下，該器件自動將其輸出電流限制在160ma左右。加入結(jié)溫超過約175，則熱停機電路將禁止向輸出提供電流。當結(jié)溫回落至大約165時，將恢復向輸出提供電流。當熱保護電路處于運行狀態(tài)時，表明結(jié)溫超出了規(guī)定的操作范圍。熱保護功能針對的是超出正常操作范圍的短暫過載條件。在高于規(guī)定的最大工作結(jié)溫條件下連續(xù)運作有可能損害期間的可靠性。ltc3260的內(nèi)部充電泵可以可工作于低靜態(tài)電流的突發(fā)模式（burst mode）或低噪聲的恒定頻率模式（效率高達88%）。以突發(fā)模式工作時，充電泵輸出調(diào)節(jié)至-0.94vin。另外，在突發(fā)模式操作中，如果兩個ldo都啟用，那么ltc3260只吸收1

48、00ua。恒定頻率工作可提供低輸入和輸出紋波，在這種模式中，充電泵產(chǎn)生等于-vin的輸出，并以固定的500khz頻率或用一個外部電阻器設定在50khz至500khz的頻率范圍內(nèi)工作。其他的ic特點包括很少的外部組件、采用陶瓷電容器可保持穩(wěn)定、用于在啟動時防止產(chǎn)生過大電流的軟啟動電路、以及短路和過熱保護25。ltc3260的兩個ldo（從vin供電的正ldo穩(wěn)壓器以及從vout供電的負ldo穩(wěn)壓器）都支持50ma負載。每個ldo具有300mv的壓差以及一個50ma輸出和一個調(diào)節(jié)引腳，允許利用一個簡單的電阻分壓器來設定輸出電壓。ldo穩(wěn)壓器可單獨地使能。en-引腳負責時能負輸出充電泵和ldo-。當

49、兩個穩(wěn)壓器均停用時，器件將停機，此時的靜態(tài)電流僅為2ua?？赏ㄟ^在每個旁路引腳上增設一個電容器來對ldo基準進行濾波，以進一步降低ldo穩(wěn)壓器輸出端上的噪聲。電壓從ldo+、ldo-上面輸出，通過改變外接電阻值，能夠調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，應用電路如下： 圖3.27 ltc3260變壓原理圖 （3-3） 同理： （3-4）通過改變外界電阻，得到不同的輸出電壓。由于設計中所用芯片的工作電壓有6v和5v兩種，所以需要兩個電源供電電路，阻值計算如下： （3-5）=5v (3-6)計算可得 =4 (3-7)取 (3-8)則 =316 (3-9) 5v電源模塊的外圍接線圖如下： 圖3-28 ltc3260電源模塊4 軟件設計4.1 主程序的流程圖 圖4.1 主程序流程圖4.2 顯示程序流程圖 圖4.2 顯示子程序流程圖4.3 鍵盤掃描子程序流程圖 圖4.3 鍵盤掃描子程序流程圖5 結(jié)論設計的首要之處是選型。本系統(tǒng)單片機芯片采用at89c51，該芯片可靠性好、性能穩(wěn)定、對于該系統(tǒng)其存儲空間足夠，且易于用c語言編程。溫度傳感器采用ad590，為電