單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì)

1、 單片機(jī)水溫控制電路設(shè)計(jì)序言無(wú)論是工業(yè)控制領(lǐng)域還是消費(fèi)電子領(lǐng)域，溫度控制的應(yīng)用都非常廣泛，如工業(yè)控制中的鍋爐、加熱爐的控制，消費(fèi)電子領(lǐng)域的熱水器、飲水機(jī)的控制，內(nèi)部都涉及到溫度控制1。傳統(tǒng)靠人工控制的溫度、濕度、液位等信號(hào)的測(cè)壓力控系統(tǒng)，外圍電路比較復(fù)雜，測(cè)量精度較低，分辨力不高，需進(jìn)行溫度校準(zhǔn)(非線性校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、傳感器標(biāo)定等)；且它們的體積較大、使用不夠方便。隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及人們生活水平的逐步提高，各種方便于生產(chǎn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入了人們的生活，以單片機(jī)為核心的溫度采集系統(tǒng)就是其中之一2。采用MCS-51單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大

2、幅度提高溫度控制的技術(shù)指標(biāo)。本文正是介紹一個(gè)基于單片機(jī)的水溫控制電路來(lái)控制電爐內(nèi)的水溫。水溫控制在工業(yè)及日常生活中應(yīng)用廣泛,分類較多,不同水溫控制系統(tǒng)的控制方法也不盡相同,其中以PID控制法最為常見(jiàn),但是,常規(guī)調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)的整定一般需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員來(lái)完成,步驟繁瑣復(fù)雜,既耗時(shí)又耗力.而且當(dāng)對(duì)象特征變化時(shí),又要重新整定,并且在現(xiàn)代工業(yè)控制過(guò)程中，許多被控對(duì)象機(jī)理復(fù)雜,這種情況下,采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)器，三個(gè)參數(shù)的整定比較困難，為此本文提出了采用歸一參數(shù)整定法，即只整定一個(gè)參數(shù),這樣減少了許多工作量，提高了工作效率，為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的自整定控制帶來(lái)方便3。 本設(shè)計(jì)單片機(jī)控制部分采用AT89C51

3、單片機(jī)為核心，采用軟件編程，實(shí)現(xiàn)用PID算法來(lái)控制PWM波的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電爐的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。適用于環(huán)境參數(shù)經(jīng)常變化的小型水溫控制電路。設(shè)計(jì)中使用7407同相器作為數(shù)碼管和固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)。 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1功能1.總的工作功能 本設(shè)計(jì)的任務(wù)是：用電爐對(duì)水加熱，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)電爐水加熱控制電路。要求顯示實(shí)際溫度和門(mén)限溫度，并且要求門(mén)限水溫可以由人工通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)設(shè)定。電路可以通過(guò)對(duì)實(shí)際溫度和門(mén)限溫度的差值的處理來(lái)控制繼電器進(jìn)而控制電爐的開(kāi)關(guān)，從而對(duì)水溫進(jìn)行控制，使水溫保持在一定溫度上。2.各部分的功能（1）電爐 接上220V 交流電，由繼電器控制其開(kāi)關(guān)，對(duì)水進(jìn)行加熱。（2）傳感器

4、對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，輸出溫度信號(hào)給單片機(jī)。（3）單片機(jī)基本系統(tǒng) a.要采集溫度傳感器傳過(guò)來(lái)的信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的處理，送往顯示部分；b.接受鍵盤(pán)輸入的信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的處理，送往顯示部分； c.根據(jù)實(shí)測(cè)溫度和設(shè)定溫度的比較，進(jìn)行相應(yīng)的處理，給出控制信號(hào)?？刂评^電器開(kāi)關(guān)，從而控制電爐開(kāi)關(guān)。顯示 由六個(gè)七段數(shù)碼管以及數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路組成，三位數(shù)碼管顯示出測(cè)量結(jié)果，三位數(shù)碼管顯示出限定溫度。按鍵鍵入門(mén)限值。 （6）報(bào)警電路 當(dāng)按鍵輸入的溫度在軟件所限制的范圍之外時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警。繼電器 接受單片機(jī)傳來(lái)的信號(hào)，通過(guò)其驅(qū)動(dòng)，然后作出相應(yīng)的操作來(lái)控制電爐工作與否。相當(dāng)于一個(gè)由單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)。1.2 技術(shù)指標(biāo)

5、1門(mén)限溫度可以在4090之間設(shè)定； 2可以通過(guò)用鍵盤(pán)人工設(shè)定門(mén)限溫度； 3用數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度和實(shí)際溫度。第二章 設(shè)計(jì)思路2.1 總體設(shè)計(jì)此設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的水溫控制電路，需要完成的功能是溫度的設(shè)定、檢測(cè)與顯示以及的溫度的控制和報(bào)警等。當(dāng)溫度小于設(shè)定溫度時(shí)電爐工作，當(dāng)溫度大于設(shè)定溫度時(shí)電爐不工作。（1）軟、硬件功能劃分4 在絕大多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用電路中，電路功能的軟、硬件劃分往往是由應(yīng)用電路對(duì)控制速度的要求決定的，在沒(méi)有速度限制的情況下可以考錄以軟件換取硬件電路的簡(jiǎn)化，以求降低硬件成本。速度估算 在不考慮容器熱容量和環(huán)境溫度影響的情況下，水溫上升1所需的時(shí)間達(dá)到秒，如果考慮容器熱容量和環(huán)境溫度的

6、影響，時(shí)間可能更長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，對(duì)于指令執(zhí)行時(shí)間一般為幾個(gè)微妙的單片機(jī)應(yīng)用電路來(lái)說(shuō)，控制速度幾乎沒(méi)有熱核限制。軟、硬件功能劃分為了簡(jiǎn)化華電路硬、 降低硬件成本、提高電路靈活性和可靠性，有關(guān)PID運(yùn)算，輸入信號(hào)濾波及大部分控制過(guò)程都可由軟件來(lái)完成，硬件的主要功能是溫度信號(hào)的傳感，設(shè)定值的鍵入，數(shù)值的顯示及輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換。2.2 簡(jiǎn)述首先，要選擇一個(gè)CPU控制芯片。由于電路控制方案簡(jiǎn)單，在運(yùn)行過(guò)程中需要存放的中間變量只有給定溫度、實(shí)測(cè)溫度、PI運(yùn)算中間結(jié)果及輸出結(jié)果等十幾個(gè)變量，因此選用AT89C51微控制器作為電路的核心，由于AT89C51的片內(nèi)RAM已能滿足存放要求，可不必再擴(kuò)充外部RAM4。其

7、次，要選擇一個(gè)溫度敏感元件，它能夠很靈敏的根據(jù)溫度變化輸出一定的信號(hào)。這樣的器件種類很多，本設(shè)計(jì)選用的數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20。這是由于本設(shè)計(jì)中單片機(jī)除了要完成數(shù)據(jù)采集、處理、控制和顯示任務(wù)外，還要完成按鍵值得采集、處理。如果用常規(guī)的數(shù)字加模擬電路實(shí)現(xiàn)就會(huì)相對(duì)困難一些。DS18B20是DALLAS半導(dǎo)體公司（現(xiàn)屬M(fèi)AXIM公司）設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，其測(cè)量溫度范圍為55125，在-10+85時(shí)精度為0.5，這個(gè)精度已可以滿足普通型的環(huán)境溫度控制或測(cè)溫類消費(fèi)產(chǎn)品的要求。這個(gè)傳感器最大的特點(diǎn)就是能夠從一根總線直接輸出二進(jìn)制的溫度信號(hào)，不需要A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大。這樣的選擇使得整

8、個(gè)電路的硬件設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)化，節(jié)省了單片機(jī)的資源 5 。再次，設(shè)計(jì)顯示部分、按鍵部分和報(bào)警。顯示部分的設(shè)計(jì)考慮到在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)際溫度和設(shè)定溫度之間會(huì)有影響，本設(shè)計(jì)采用實(shí)際溫度和門(mén)限溫度單獨(dú)顯示，各用一組I/O口。選用的是兩組共陰極數(shù)碼管，采用一塊同相器74LS07集成塊來(lái)驅(qū)動(dòng)。動(dòng)態(tài)掃描顯示。按鍵部分的設(shè)計(jì)考慮到單片機(jī)I/O資源不足的緣故，本設(shè)計(jì)采用三個(gè)按鍵分別用來(lái)設(shè)定門(mén)限值十位、個(gè)位和一位小數(shù)位。報(bào)警部分就是當(dāng)設(shè)定的門(mén)限溫度在4090之外，就要報(bào)警，用一個(gè)發(fā)光二極管表示。最后，控制部分的設(shè)計(jì)，這一部分主要就是繼電器的選擇。本設(shè)計(jì)選擇的是固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器（Solid state Relay

9、-SSR）是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，容易驅(qū)動(dòng)，其輸出利用晶體管或可控硅驅(qū)動(dòng)，無(wú)觸點(diǎn)。與普通的電磁式繼電器和磁力開(kāi)關(guān)相比，具有無(wú)機(jī)械噪聲、無(wú)抖動(dòng)和回跳、開(kāi)關(guān)速度快、體積小質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、工作可靠等特點(diǎn)，并且耐沖擊、抗潮濕、抗腐蝕，因此在單片機(jī)測(cè)控等領(lǐng)域中6。本設(shè)計(jì)采用同相器74LS07集成塊來(lái)驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器。另外在選擇繼電器時(shí)還要注意它的供電電壓和帶負(fù)載能力。本設(shè)計(jì)中繼電器是由單片機(jī)控制的所以它的供電電壓選擇5V直流電。繼電器所帶的負(fù)載為一個(gè)額定功率300W，接220V交流電的電爐。所以繼電器的要選用交流型（AC-SSR），耐壓在220V以上，電流為1.5A以上。本

10、設(shè)計(jì)選用的是5V供電，2A 250VAC的固態(tài)繼電器。2.3設(shè)計(jì)框圖 1.設(shè)計(jì)過(guò)程框圖如圖2-1軟件各模塊設(shè)計(jì)、修改硬件各部分設(shè)計(jì)、修改軟硬件劃分查資料整體工作電路設(shè)計(jì)結(jié)束軟硬件的聯(lián)調(diào)圖2-1 設(shè)計(jì)過(guò)程框圖2.電路框圖如圖2-2 鍵盤(pán) 報(bào)警電路 顯示電路 單片機(jī)基本系統(tǒng) 繼電器傳感器 電爐圖 2-2 水溫控制電路總體框圖第三章 理論設(shè)計(jì)3.1 控制部分的設(shè)計(jì)3.1.1 AT89C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)7 一.AT89C51結(jié)構(gòu)框圖 AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1內(nèi)部中斷中斷控制 外部中斷 CPU OSC ALE 程序存貯器4K字節(jié) ROM總線控制 P0 P1 P2 P3 數(shù)據(jù)存貯器128字節(jié)

11、RAM 48 I/O口TXD RXD 串行口外部計(jì)數(shù)脈沖定時(shí)器1定時(shí)器0 圖3-1 AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖3-2 AT89C51引腳圖二.引腳功能說(shuō)明 AT89C51是雙列制插封裝形式的器件，其引腳圖如圖3-2所示。 AT89C51的引腳P00P07、P10P17、P20P27、P30P37為四個(gè)8位并行輸入/輸出口，其中P3口、P0口、P2口為雙功能口，可以作為普通輸入/輸出口（第一功能），也可以作為特殊輸入/輸出口。RST為復(fù)位輸入線，ALE、為系統(tǒng)擴(kuò)展控制線，XTAL1和XTAL2為時(shí)鐘電路輸入/輸出線，VCC、VSS為電源輸入線，一般接5V和地。3.1.2 AT89C51單片機(jī)最

12、小系統(tǒng)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)的基本供電、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。一.時(shí)鐘和時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。AT89C51單片允許的時(shí)鐘頻率的典型值12MHZ，也可以是6MHZ。本設(shè)計(jì)采用12MHZ。單片機(jī)時(shí)鐘電路圖如圖3-3 圖3-3 單片機(jī)時(shí)鐘電路 圖3-10中晶振頻率選擇12MHZ。接到晶振兩端的瓷片電容作用是使振蕩器起振和對(duì)f 微調(diào)補(bǔ)償，典型值為30PF，本設(shè)計(jì)中選用20PF瓷片電容。當(dāng)單片機(jī)加電以后延遲約10ms的時(shí)間振蕩器起振產(chǎn)生時(shí)鐘，不受軟件控制（XTAL2輸出幅度為3V左右的正弦波。二.復(fù)位和復(fù)位電路計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其

13、它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。單片機(jī)的復(fù)位引腳是RST，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn)2個(gè)周期的高電平，是器件復(fù)位，只要RST保持高電平，單片機(jī)保持復(fù)位狀態(tài)。單片機(jī)復(fù)位方式有二種：上電復(fù)位（如圖3-4）、人工復(fù)位（如圖3-5）。 圖3-4 上電復(fù)位電路 圖3-5 上電復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位注：RST與Vss之間的那個(gè)電阻在NMOS型單片機(jī)種需要接，但是在CMOS型單片機(jī)中不接。其中電容一般為10UF的電解電容。三.AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)連接原理圖 本設(shè)計(jì)的AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖。如圖3-6圖3-6 AT89C51最小系統(tǒng)連接原理圖3.2 顯示部分的設(shè)計(jì) LED顯

14、示器接口原理6 LED（Light Emitting Diode）是發(fā)光二極管的縮寫(xiě)。LED顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的。LED顯示器在單片機(jī)中的應(yīng)用非常普遍。LED顯示器的結(jié)構(gòu)(a) 外形 （b）共陽(yáng)極 （c）共陰極圖3-7 七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu) 常用的LED顯示器為8段（或7段，8段比7段多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)“dip”段）。每一個(gè)段對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管。這種顯示器有共陰極和共陽(yáng)極兩種，如圖3-7所示。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連結(jié)在一起，通常此公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)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(yáng)極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽(yáng)極連結(jié)在一起，通常此公共陽(yáng)極

15、接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示11。為了使LED顯示器顯示不同的符號(hào)或數(shù)字，就要把不同段的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，這樣就要為L(zhǎng)ED顯示器提供代碼，因?yàn)檫@些代碼可使LED相應(yīng)的段發(fā)光，從而顯示不同的字型，因此該代碼稱之為段碼（或字型碼）。7段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段。因此提供給LED顯示器的字型碼正好是一個(gè)字節(jié)。各段與字節(jié)中的各位對(duì)應(yīng)的關(guān)系如表3-1。表3-1 顯示段與代碼位的對(duì)應(yīng)關(guān)系表代碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示段dipgfedcba按照表3-1格式，8段LED顯示器的字型碼如表3-2所示。表3-2 8段LED顯示器部分字型碼顯

16、示字符共陰極段碼共陽(yáng)極段碼顯示字符共陰極段碼共陽(yáng)極段碼03FHC0H67DH82H106HF9H707HF8H25BHA4H87FH80H34FHB0H96FH90H466H99H“滅”00H88H56DH92H注：段碼是相對(duì)的，它由個(gè)字段在字節(jié)中所處的位決定。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定，以上表格用來(lái)參考。二.LED顯示器工作原理 LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式。 1.LED靜態(tài)顯示方式7所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。這種顯示方式的每一個(gè)8段顯示器需要一個(gè)8位輸出口控制。如圖3-8用AT89C51單片機(jī)控制LED靜態(tài)顯示方式接口3.3K排阻

17、AT89C51單片機(jī)圖3-8 用AT89C51單片機(jī)控制LED靜態(tài)顯示方式接口 2.LED動(dòng)態(tài)顯示方式所謂的動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描）。在多位LED顯示時(shí),為簡(jiǎn)化硬件電路,節(jié)省I/O口資源,通常將所有位的段碼線相應(yīng)的并聯(lián)在一起,由一個(gè)8位I/O口控制,而各位的共陽(yáng)極或共陰極分別由相應(yīng)的I/O線控制，形成各位的分時(shí)選通。如圖3-9用AT89C51單片機(jī)控制LED動(dòng)態(tài)顯示方式接口。圖3-9用AT89C51單片機(jī)控制LED動(dòng)態(tài)顯示方式接口圖3-10 集成塊7407的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖其中7407是同相器集成塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-10，它是用來(lái)驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管的。 在使用動(dòng)態(tài)顯示電路的

18、時(shí)候，由于各位的段碼線并聯(lián)，8位I/O口輸出的段碼對(duì)各個(gè)顯示位來(lái)說(shuō)都是相同的。因此，要在同一時(shí)刻，如果各位的位選線都處于選通狀態(tài)的話，那兩位LED將顯示相同的字符。若要各位LED能夠同時(shí)顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用動(dòng)態(tài)顯示方式，即在某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段碼線上輸出相應(yīng)位要顯示的字符的段碼。這樣，在同一時(shí)刻2位LED中只有選通的那一位顯示出字符，而其它的LED則是熄滅的。同樣，在下一時(shí)刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)。也就是說(shuō)在同一時(shí)刻只有選通位才能顯示出相應(yīng)的字符，而其它位是熄滅的。如此循環(huán)下去就可以使各位顯示出將要顯示的

19、字符。雖然這些字符是不在同一時(shí)刻出現(xiàn)的，但由于LED顯示器的余輝和人眼的“視覺(jué)暫留”作用，只要每位顯示間隔足夠短，則可以造成“多位同時(shí)亮”的假象，達(dá)到同時(shí)顯示的效果。這是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。下面我就來(lái)介紹一下LED顯示器動(dòng)態(tài)顯示的軟件子程序清單（以圖3-9共陰極2位LED顯示器為例）：見(jiàn)附錄四（本設(shè)計(jì)就是采用這種方式顯示）。3.3 按鍵部分的設(shè)計(jì)鍵盤(pán)接口技術(shù)8鍵盤(pán)是一組按鍵組合，它是最常用的單片機(jī)輸入設(shè)備。鍵盤(pán)分編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。鍵盤(pán)上閉合鍵的識(shí)別由專用的硬件譯碼器實(shí)現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編碼或鍵值的稱為編碼鍵盤(pán)?？寇浖R(shí)別的稱為非編碼鍵盤(pán)。本設(shè)計(jì)使用非編碼鍵盤(pán)，下面主要介紹非編碼鍵盤(pán)的原理、接口技術(shù)和

20、程序設(shè)計(jì)。一.鍵盤(pán)工作原理鍵盤(pán)中每個(gè)按鍵都是一個(gè)常開(kāi)開(kāi)關(guān)電路，如圖3-11所示。圖3-11 按鍵電路當(dāng)按鍵K未被按下時(shí)，P3.1輸入高線平；當(dāng)K閉合時(shí)，P3.1輸入低電平。通常按鍵所用的開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)端來(lái)、閉合時(shí)，電壓信號(hào)波形如圖3-12所示。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定的接通，在斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)一下子斷開(kāi)。因而在閉合及斷開(kāi)的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，如圖3-12所示。抖動(dòng)的時(shí)間的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為510ms。按鍵穩(wěn)定閉合時(shí)間的長(zhǎng)短則是由操作人員的按鍵動(dòng)作決定的，一般為零點(diǎn)幾秒。按鍵抖動(dòng)會(huì)引起一次按鍵被誤讀多次。為確保CPU對(duì)按鍵的一次閉合

21、僅做一次處理，必須去除鍵抖動(dòng)。在鍵閉合穩(wěn)定時(shí)，讀取鍵的狀態(tài)，并且必須判別鍵號(hào)；當(dāng)鍵釋放穩(wěn)定后，再做處理。按鍵的抖動(dòng)，可用硬件或軟件兩種方法消除。本設(shè)計(jì)使用的是軟件。圖3-12 鍵按下和釋放時(shí)的電壓波形如果按鍵較多，常用軟件方法去抖動(dòng)，及檢測(cè)出鍵閉合后執(zhí)行一個(gè)延時(shí)程序，產(chǎn)生510ms的延時(shí)；讓前沿抖動(dòng)消失后，再一次檢測(cè)按鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平則確定真正有鍵按下。當(dāng)檢測(cè)到按鍵釋放后，也要經(jīng)過(guò)510ms的延時(shí)，待后沿抖動(dòng)消失后，才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。二.獨(dú)立式按鍵圖3-13 獨(dú)立式鍵盤(pán)鍵盤(pán)可分為獨(dú)立連接式和行列式（矩陣式）兩類，本設(shè)計(jì)使用的是獨(dú)立連接式，所以這里只介紹獨(dú)立連接式。獨(dú)立式按

22、鍵是指各按鍵相互獨(dú)立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線，如圖3-13所示。這是最簡(jiǎn)單的鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，該電路為查詢方式電路。當(dāng)任何一個(gè)鍵按下時(shí)，與之相連的輸入數(shù)據(jù)線即被清0（低電平），而平時(shí)該線為1（高電平）。要判別是否有鍵按下，用單片機(jī)的位處理指令十分方便。下面列出以圖3-13為例的按鍵子程序：見(jiàn)附錄五。3.4前向通道的設(shè)計(jì)3.4.1 數(shù)字溫度傳感器DS18B20的發(fā)展 美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820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-B0ARD）專利技術(shù)。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)。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕

23、松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。現(xiàn)在，新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。使你可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點(diǎn)。目前DS18B20批量采購(gòu)價(jià)格僅10元左右。3.4.2 DS18B20的主要特性9（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。（2）獨(dú)特的單線接口方式，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DS18B20的雙向通訊。（3）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。（4）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

24、只三極管的集成電路內(nèi)。（5）溫度范圍55125，在-10+85時(shí)精度為0.5。（6）可編程的分辨率為912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。（7）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，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。（8）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校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。（9）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。 3.4.3 DS18B20的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳定義一.DS18B20的外形及管腳排列。如圖3-1

25、4所示圖3-14 DS18B20的外形及管腳排列 二.DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖3-15所示圖3-15 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖三.DS18B20引腳定義： （1）DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端； （2）GND為電源地線； （3）VDD為外界供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。3.4.4 DS18B20工作原理DS18B20的讀寫(xiě)時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。 DS18B20測(cè)溫原理如圖3-16所示。 計(jì)數(shù)器1加1低溫系數(shù)晶振振 停止0 計(jì)數(shù)器2高溫系數(shù)晶振溫度寄存器0LSB置位/清除斜率累加器

26、 預(yù)置比較 預(yù)置 圖3-16 DS18B20測(cè)溫原理 圖3-16中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖3-3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中

27、的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值9。一.DS18B20有4個(gè)主要的數(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,他可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64為光刻ROM的排列是：開(kāi)始八位（28H）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，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。 （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/LS

28、B形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。DS18B20溫度值格式表如表3-3所示表3-3：DS18B20溫度值格式表LS Bytebit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0232221202-12-22-32-4BS Bytebit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8SSSSS262524 這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在DS18B20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5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得

29、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。如實(shí)際溫度值十進(jìn)制與傳感器輸出二進(jìn)制、十六進(jìn)制對(duì)應(yīng)表3-4所示表3-4 實(shí)際溫度值十進(jìn)制與傳感器輸出二進(jìn)制、十六進(jìn)制對(duì)應(yīng)表TemperatureDigital Output（Binary）Digital Output (Hex)1250000 0111 1101 000007D0H850000 0101 0101 00000550H25.06250000 0001 1001 00010191H10.1250000 0000 1010 0

30、01000A2H0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H0.5 1111 1111 1111 1000FFF8H10.125 1111 1111 0101 1110FF5EH25.06251111 1110 0110 1111FF6FH55 1111 1100 1001 0000FC90H注：The power-on reset value of the temperature register is 85（3）DS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的E

31、EPRAM,后者存放高溫度和第溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。（4）配置寄存器該字節(jié)各位的意義如表3-5所示：表3-5 ：配置寄存器結(jié)構(gòu)TMR1R011111低5位一直都是1，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)。R1和R0用來(lái)設(shè)置分辨率，如表3-6所示：（DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位）表3-6:溫度分辨率設(shè)置表R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms二. 高速暫存存儲(chǔ)器 高速暫存存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成，其分配如表3-7所示。當(dāng)溫度

32、轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第0和第1個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表1所示。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。表3-4是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。表3-7：DS18B20暫存寄存器分布寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位（LS Byte）0溫度值高位（BS Byte）1高溫限值（TH）2低溫限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校驗(yàn)值8 根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制DS18B20完成溫度

33、轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)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(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號(hào)后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。如表3-8 ROM指令表（a）、RAM指令表(b)表3-8：（a） ROM指令表指令約定代碼功能讀ROM33H讀DS18B20溫度傳感器ROM中的編碼（即64位地址）。符合ROM55H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問(wèn)但總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的DS18B20使之作出

34、響應(yīng)，為下一步對(duì)該DS18B20的讀寫(xiě)作準(zhǔn)備。搜索ROM0F0H用于確定掛接在同一總線上DS18B20的個(gè)數(shù)和識(shí)別64位ROM地址。為操作個(gè)器件做好準(zhǔn)備。跳過(guò)ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20發(fā)溫度變換指令命令。適用于單片機(jī)工作。告警搜索命令0ECH執(zhí)行后只有溫度超過(guò)設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)。表3-8：(b) RAM指令表指令約定代碼功能溫度變換33H啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，12位抓換時(shí)間最長(zhǎng)為750ms（9位為93.75 ms）。結(jié)果存入9字節(jié)RAM中。 讀暫存器55H讀內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容。寫(xiě)暫存器0F0H發(fā)出向內(nèi)部RAM的3、4字節(jié)寫(xiě)上、下限溫度

35、數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。復(fù)制暫存器0CCH將RAM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3、4字節(jié)。重調(diào)EEPROM0ECH將EEPROM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3、4字節(jié)。讀供電方式0B4H讀DS18B20的供電模式。寄生供電時(shí)DS18B20發(fā)送“0”，外界電源供電DS18B20發(fā)送“1”。三.DS18B20的應(yīng)用電路 DS18B20測(cè)溫系統(tǒng)具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、廉潔方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。下面就是DS18B20幾個(gè)不同應(yīng)用方式下的測(cè)溫電路圖：1.DS18B20寄生電源供電方式電路圖 如下圖3-17所示，在寄生電源供電方式下，DS18B20從單總線信號(hào)線上汲取能量：在信號(hào)線D

36、Q處于高電平器件把能量?jī)?chǔ)存到內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來(lái)再給節(jié)省電源（電容）充電。 獨(dú)特的寄生電源方式有三個(gè)好處：進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)溫時(shí)，無(wú)須本地電源；可以在沒(méi)有常規(guī)電源的條件下讀取ROM；電路更加簡(jiǎn)潔，僅適用一個(gè)I/O口實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。 要想使DS18B20進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個(gè)DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1mA，當(dāng)幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，只靠4.7K上拉電阻就無(wú)法提供足夠的能量，會(huì)造成無(wú)法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。因此，圖3-4電路只適應(yīng)于單一溫度傳感器測(cè)溫情況下使用，不是

37、一待用電池供電系統(tǒng)中。并且工作電源VCC必須保證在5V，當(dāng)電源電壓下降時(shí)，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會(huì)使溫度誤差變大。 注：此電路當(dāng)VCC低于4.5V時(shí)，測(cè)出的溫度值比實(shí)際的溫度高，誤差較大。當(dāng)電源電壓降為4V時(shí)，溫度誤差有3之多，應(yīng)該是因?yàn)榧纳娫醇橙∧芰坎粔蛟斐傻模ㄗh在開(kāi)發(fā)測(cè)溫系統(tǒng)是不要使用此電路。圖3-17 DS18B20寄生電源供電方式電路圖 2.DS18B20寄生電源強(qiáng)上拉供電方式電路圖 改進(jìn)的寄生電源供電方式如下面圖3-18所示，為了使DS18B20在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到E2存儲(chǔ)器操作時(shí)，用MOSFET把I/O線直接拉到VCC就可提供足夠的

38、電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到E2存儲(chǔ)器或啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最多10S內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉狀態(tài)。在強(qiáng)上拉方式下可以解決電流供應(yīng)不走的問(wèn)題，因此也適合于多點(diǎn)測(cè)溫應(yīng)用，缺點(diǎn)就是要多占用一根I/O口線進(jìn)行強(qiáng)上拉切換。圖3-18 DS18B20寄生電源強(qiáng)上拉供電方式電路圖 注意：在圖3-17和圖3-18寄生電源供電方式中，DS18B20的VDD引腳必須接地。3.DS18B20的外部電源供電方式外部電源供電方式如下圖3-19所示，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問(wèn)題，也是本設(shè)計(jì)選用的一種DS18B20工作方式，此方式可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)

39、在總線上理論可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器如下圖3-20所示，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。圖3-19 DS18B20的外部電源供電方式注意：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85。圖3-20：外部供電方式的多點(diǎn)測(cè)溫電路圖 外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡(jiǎn)單，可以開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。站長(zhǎng)推薦大家在開(kāi)發(fā)中使用外部電源供電方式，畢竟比寄生電源方式只多接一根VCC引線。在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮DS18B20寬電源電壓范圍的優(yōu)點(diǎn)，即使電源電壓VCC降到3V時(shí)，依然能夠保證溫度

40、量精度。四.本設(shè)計(jì)中DS1820使用中注意事項(xiàng)14DS18B20雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意一些問(wèn)題，下面列出本設(shè)計(jì)中使用DS18B20應(yīng)注意的問(wèn)題：連接DS18B20的總線電纜是由長(zhǎng)度限制的。當(dāng)采用普通型號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過(guò)50m時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。這種情況主要是由總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻?。因此，在用DS18B20進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。在DS18B2

41、0測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS1820接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時(shí)，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。測(cè)溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對(duì)線接地線與信號(hào)線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。由于本設(shè)計(jì)要求不高，所以只采用了簡(jiǎn)單的電源線。DS18B20溫度檢測(cè)子程序:見(jiàn)附錄六3.5 后向通道的設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)水溫的PID控制，電路的輸出不能是一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量，輸入電爐的功率必須連續(xù)可調(diào)。一般來(lái)說(shuō)改變輸入電爐的電壓平均值就可以改變電爐的輸出功

42、率，而較簡(jiǎn)單的調(diào)壓方法有相位控制調(diào)壓和通斷控制調(diào)壓法。本設(shè)計(jì)采用的脈寬調(diào)制輸出控制電爐與電源的接通和斷開(kāi)的比例，以通斷控制調(diào)壓法控制電爐的輸入功率。這種方法不僅十輸出通道省去了D/A轉(zhuǎn)換器和移向觸發(fā)電路，大大簡(jiǎn)化了硬件系統(tǒng)4。在后向通道的控制中，一般采用繼電器、可控硅等開(kāi)關(guān)器件。繼電器又有電磁繼電器和固態(tài)繼電器之分。一些常用的小型電磁繼電器，由于受電流大小的限制，只能控制功率較小的負(fù)載。在實(shí)際的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，由于繼電器控制的負(fù)載多為感性或容性負(fù)載（比如本設(shè)計(jì)中的電爐就是感性負(fù)載），如果電磁隔離不好，這些負(fù)載所產(chǎn)生的高次諧波信號(hào)便會(huì)串進(jìn)單片機(jī)控制電路產(chǎn)生各種干擾。這種干擾信號(hào)往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的可

43、靠性降低，具體表現(xiàn)有系統(tǒng)死機(jī)、CPU反復(fù)復(fù)位、控制失靈等，也就是常說(shuō)的“程序的跑飛”。因此對(duì)于大功率負(fù)載的控制，信號(hào)的隔離是電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。我們可以采用光耦對(duì)電路進(jìn)行隔離。由于電磁繼電器啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生電磁火花干擾，所以在實(shí)際應(yīng)用中如本設(shè)計(jì)類似的控制一般都選用固態(tài)繼電器SSR10。下面我就重點(diǎn)介紹一下固態(tài)繼電器。 固態(tài)繼電器6固態(tài)繼電器（Solid state Relay-SSR）是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，用TTL、HTL、CMOS等集成電路或加簡(jiǎn)單的輔助電路就可直接驅(qū)動(dòng)，因此適宜于單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件；其輸出利用晶體管或可控硅驅(qū)動(dòng)

44、，無(wú)觸點(diǎn)。與普通的電磁式繼電器和磁力開(kāi)關(guān)相比，具有無(wú)機(jī)械噪聲、無(wú)抖動(dòng)和回跳、開(kāi)關(guān)速度快、體積小質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、工作可靠等特點(diǎn)，并且耐沖擊、抗潮濕、抗腐蝕，因此在單片機(jī)測(cè)控等領(lǐng)域中，已逐漸取代傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開(kāi)關(guān)作為開(kāi)關(guān)量輸出控制元件。一.固態(tài)繼電器的主要特性（1） 功率小：由于其輸入采用的是光電耦合器，其驅(qū)動(dòng)電流僅需幾毫安便能可靠地控制，所以可以直接用TTL、HTL、CMOS等集成驅(qū)動(dòng)電路控制。（2） 高可靠性：由于其結(jié)構(gòu)上無(wú)可動(dòng)接觸不見(jiàn)，且采用全塑密閉式封裝，所以SSR開(kāi)關(guān)時(shí)無(wú)抖動(dòng)和回跳現(xiàn)象，無(wú)機(jī)械噪聲，同時(shí)能耐潮、耐振、耐腐蝕；由于無(wú)觸點(diǎn)火花，可用在有依然易爆介質(zhì)的場(chǎng)合。（3） 低

45、電磁噪聲：交流型SSR在采用了過(guò)零觸發(fā)技術(shù)后，電路具有零電壓開(kāi)啟、零電流關(guān)斷的特性，可使對(duì)外界和本系統(tǒng)的射頻干擾減低到最低程度。（4） 能承受的浪涌電流大：其數(shù)值可為SSR額定值的610倍。（5） 對(duì)縣原電壓適應(yīng)能力強(qiáng)：交流型SSR的負(fù)載電源電壓可以在30220V范圍內(nèi)任選。（6） 抗干擾能力強(qiáng)：由于輸入與輸出之間采用了光電隔離，割斷了兩者的電氣聯(lián)系，避免了輸出功率負(fù)載電路對(duì)輸入電路的影響。另外，又在輸出端附加了干擾抑制網(wǎng)絡(luò)，有效地抑制了線路中的dv/di和di/dt的影響。二.固態(tài)繼電器的分類 固態(tài)繼電器是一種四端器件，兩端輸入，兩端輸出。他們之間用光電耦合器隔離。（1） 以負(fù)載電源類型分類

46、：可分為直流型（DC-SSR）和交流型（AC-SSR）兩種。直流型是用功率晶體管做開(kāi)關(guān)器件；交流型則用雙向晶閘管做開(kāi)關(guān)器件，分別用來(lái)接通和斷開(kāi)直流或交流負(fù)載電源。（2） 以開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)形式分類：可分為長(zhǎng)開(kāi)式和常閉式。目前市場(chǎng)上以常開(kāi)式為多。圖3-21 觸點(diǎn)控制（3） 以控制觸發(fā)信號(hào)的形式分類：可分為過(guò)零型。他們的區(qū)別在于負(fù)載交流電流導(dǎo)通的條件。非過(guò)零型在輸入信號(hào)時(shí)，不管負(fù)載電源電壓相位如何，負(fù)載端立即導(dǎo)通。而過(guò)零型必須在負(fù)載電源電壓接近零且控制信號(hào)有效時(shí)，輸出端負(fù)載電源才導(dǎo)通。其關(guān)斷向晶閘管的負(fù)載電流為零時(shí)，SSR關(guān)斷。三.固態(tài)繼電器的典型應(yīng)用 1.輸入端的驅(qū)動(dòng) (1)觸點(diǎn)控制最基本的驅(qū)動(dòng)觸點(diǎn)控制

47、，見(jiàn)圖3-21。 （2）TTL驅(qū)動(dòng)SSR，見(jiàn)圖3-22。 （3）CMOS驅(qū)動(dòng)SSR，見(jiàn)圖3-23。圖3-23 CMOS驅(qū)動(dòng)SSR圖3-22 TTL驅(qū)動(dòng)SSR2.輸出端驅(qū)動(dòng)負(fù)載（1）DCSSR驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載，見(jiàn)圖3-24。（2）DCSSR驅(qū)動(dòng)大功率高壓負(fù)載，見(jiàn)圖3-25。圖3-25 DCSSR驅(qū)動(dòng)大功率高壓負(fù)載圖3-24 DCSSR驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載 本設(shè)計(jì)固態(tài)繼電器的選擇與應(yīng)用10圖3-26 固態(tài)繼電器控制電路由于固態(tài)繼電器的輸出采用的光電耦合器對(duì)信號(hào)進(jìn)行了隔離，本設(shè)計(jì)無(wú)需再接光電耦合器了。接口驅(qū)動(dòng)本設(shè)計(jì)使用的是集成塊7407（在3.1處略有介紹）。具體連接如圖3-26所示。本設(shè)計(jì)中繼電器是由單片

48、機(jī)控制的所以它的供電電壓選擇5V直流電。繼電器所帶的負(fù)載為一個(gè)額定功率300W，接220V交流電的電爐。所以繼電器的要選用交流型（AC-SSR），耐壓在220V以上，電流為1.5A以上。本設(shè)計(jì)選用的是5V供電，2A 250VAC的固態(tài)繼電器。 后向通道中單片機(jī)對(duì)繼電器的控制方案的確定4 由于水溫控制電路的控制對(duì)象具有熱貯存能力大，慣性也較大的特點(diǎn)，水在容器內(nèi)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，熱過(guò)程大多具有較大的滯后，他對(duì)熱核信號(hào)的響應(yīng)都回推遲一些時(shí)間使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對(duì)于這樣一些存在大的滯后特性的過(guò)渡過(guò)程控制，一般可采用以下幾種控制方案

49、4：輸出開(kāi)關(guān)量控制 對(duì)于慣性較大的過(guò)程可簡(jiǎn)單地采用輸出開(kāi)關(guān)量控制的方法，這種方法通過(guò)比較給定值與被控參數(shù)的偏差來(lái)控制輸出的狀態(tài)：開(kāi)通或關(guān)斷，因此控制過(guò)程十分簡(jiǎn)單也容易實(shí)現(xiàn)。但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個(gè)方向上變化的速率均為最大，因此容易引起反饋回路產(chǎn)生振蕩，對(duì)自動(dòng)控制會(huì)產(chǎn)生十分不利的影響，甚至?xí)驗(yàn)檩敵鲩_(kāi)關(guān)的頻繁動(dòng)作而不能滿足系統(tǒng)對(duì)控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對(duì)控制精度和動(dòng)態(tài)特性要求不高的情況下采用。比例控制(P控制) 比例控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短,但過(guò)程終了存在余差

50、。因此它適應(yīng)于控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。應(yīng)用時(shí)還應(yīng)注意經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后需要將累計(jì)誤差消除。比例積分控制（PI控制） 由于比例積分控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差的積分比例，積分的作用使過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)無(wú)余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可使穩(wěn)定性提高，但又使過(guò)渡過(guò)程時(shí)間家常。因此，適用于之后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)，它是工程上使用最多、應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。比例積分加微分控制（PID控制） 比例積分加微分控制的特點(diǎn)是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對(duì)克服對(duì)象的容量之后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使

51、穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此，PID控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求有很高的控制系統(tǒng)。 綜合本設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，我選用最常用的比例積分控制（PI控制），由于是集于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，采用這種方法不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本。而且采用PI控制在滿足電路要求的基礎(chǔ)上，在軟件編寫(xiě)方面也比PID控制簡(jiǎn)單很多。3.6硬件的整合與軟件設(shè)計(jì) 硬件的整合11水溫控制電路的原理圖見(jiàn)附錄二 根據(jù)原理圖，實(shí)際水溫顯示的字型碼是由P0口送出，十位、個(gè)位和小數(shù)位分別由P1.0、P1.1、P1.2選通；設(shè)定溫度顯示的字型碼是由P2口送出，十位、個(gè)位和小數(shù)位分別由P1.3、P1.4、P1.5選通。按

52、鍵接在P3.1、P3.2、P3.3，分別控制設(shè)定溫度的十位、個(gè)位和小數(shù)位。溫度傳感器輸入到P3.1口，單片機(jī)的輸出控制信號(hào)由P3.5輸出。 軟件的設(shè)計(jì)1.主程序流程圖12如圖3-27所示圖3-27 水溫控制電路的主流程圖2.按鍵處理子程序流程圖2如圖3-28所示圖3-28 按鍵處理子程序3.預(yù)置溫度非法報(bào)警程序流程圖2如圖3-29顯示40Y調(diào)顯示子程序顯示90報(bào)警Y按鍵預(yù)置溫度40？N按鍵預(yù)置溫度90？N報(bào)警圖3-29 預(yù)置溫度非法報(bào)警程序流程圖4.輸出可采用PWM波，加在電爐上的平均電壓與脈寬成正比7、13。PWM流程圖（定時(shí)中斷1子程序1ms定時(shí)）如圖3-30。否是P-1=0？100？P初

53、值UK置P3.5高（上升沿）T送初值100返回置P3.5低（下降沿）P初值UK圖3-30 PWM流程圖5.控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型14、15溫度控制系統(tǒng)可采用比例積分調(diào)節(jié)器來(lái)校正，按一定采樣周期采集r(k)和F(k),其偏差值為 e（k）= r（k）-F（k） （）根據(jù)偏差值來(lái)計(jì)算輸出u(k)，其對(duì)應(yīng)差分方程為：u(k)= u(k-1)+ a0e(k)- a1e(k-1) （）其中： a0=Kp(1+T/T1) （） a1= Kp （）e（k）= r（k）-F（k） （）u(k)為輸出 比例積分調(diào)節(jié)流程圖如圖3-31所示取溫度F（k）取給定溫度r（k）e（k）= r（k）F（k），存放在EK單元計(jì)算

54、a0e(k)結(jié)果存在A0Ek單元Ek1Ek返回Uk1Uk從EK1取出e(k-1)計(jì)算a1e(k-1)結(jié)果存在A1Ek單元計(jì)算uk1+ a0e(k)- a1e(k-1)結(jié)果存在Uk將Uk送入PWM單元圖3-31 比例積分調(diào)節(jié)流程圖第四章 電路安裝和調(diào)試4.1 安裝和調(diào)試工具一.安裝工具 1.電烙鐵 2.焊錫絲 3.錫槍 4.鉗子等二.調(diào)試工具 1.電腦2.仿真機(jī)3.電源 4.MF47型萬(wàn)用表 5.焊接工具一套4.2 設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題 在設(shè)計(jì)按鍵電路的時(shí)候我最初的想法是用矩陣鍵盤(pán)，我用到了AT89C51芯片的P3.6、P3.7。經(jīng)過(guò)多次修改程序發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)口都沒(méi)有反應(yīng)，后來(lái)經(jīng)過(guò)查資料發(fā)現(xiàn)，如果將0

55、寫(xiě)入P3.6、P3.7，則CPU不能對(duì)外部RAM/IO進(jìn)行讀/寫(xiě)。由于I/O口資源較少所以后來(lái)改用獨(dú)立式鍵盤(pán)電路，并且沒(méi)有使用P3.6、P3.7口。 在軟件程序中加上測(cè)溫子程序時(shí)，原來(lái)很穩(wěn)定的顯示變得很閃爍，多次修改掃描時(shí)間，不能達(dá)到好的效果。經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析發(fā)現(xiàn)這與測(cè)溫子程序有關(guān)，檢測(cè)溫度的頻率和延時(shí)會(huì)影響整個(gè)電路的穩(wěn)定性，這與機(jī)器周期有關(guān)系，一開(kāi)始我用的是6MHZ的晶振（機(jī)器周期為2um），后來(lái)?yè)Q了一個(gè)12MHZ的晶振（機(jī)器周期為1um），顯示穩(wěn)定了許多，然后修改了一下顯示延時(shí)程序，顯示穩(wěn)定。 第五章 本課程設(shè)計(jì)的拓展通常，以微處理器，單片機(jī)為核心的智能儀器工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣，存在著諸如

56、電網(wǎng)波形畸變及各種電磁干擾，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使智能儀器正常工作的程序遭到破壞，發(fā)生人們習(xí)慣稱為的“程序跑飛”。這是智能儀器便失去控制，需迅速采取有效措施恢復(fù)程序的正常運(yùn)行。5.1看門(mén)狗電路的設(shè)計(jì)16 采用屏蔽、隔離、去耦、濾波等措施，雖然可以提高智能儀器的抗干擾能力，但這不僅需要增加儀器的成本、增大儀器的體積和復(fù)雜性，而且不可能從根本上杜絕智能儀器發(fā)生程序跑飛問(wèn)題。所以需要提出一個(gè)充分利用CPU的智能，采用以軟件為主、軟硬件結(jié)合檢測(cè)程序跑飛的方法，使智能儀器在受嚴(yán)重干擾、發(fā)生程序跑飛時(shí)能實(shí)現(xiàn)自診斷和自恢復(fù)運(yùn)行。下面介紹看門(mén)狗電路的具體分析和電路看門(mén)狗電路的原理與設(shè)計(jì)智能儀器一旦接通電源便首先進(jìn)入復(fù)位

57、狀態(tài)。復(fù)位結(jié)束后，儀器的CPU便從程序計(jì)數(shù)器的復(fù)位值開(kāi)始執(zhí)行初始化程序。初始化程序結(jié)束后，系統(tǒng)便進(jìn)入主程序模塊。主程序結(jié)構(gòu)是儀器而定。本設(shè)計(jì)就是不斷從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、外設(shè)輸入信息，按程序規(guī)定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；得出結(jié)果后，一方面輸出顯示；另一方面向控制執(zhí)行的I/O口輸出一定的控制信息。為及時(shí)監(jiān)視某些外設(shè)的變化和定時(shí)地做一些諸如掃描鍵盤(pán)顯示器，有規(guī)律地控制執(zhí)行器等，往往需要設(shè)立一些中斷。CPU在接到中斷申請(qǐng)后，若中斷開(kāi)發(fā)，便中斷主程序執(zhí)行，八主程序中斷，中斷結(jié)束后再返回到主程序執(zhí)行，如此不斷循環(huán)。一程序跑飛的表現(xiàn)當(dāng)儀器遇到某種強(qiáng)的干擾時(shí)，可能會(huì)影響和破壞程序的正常運(yùn)行。通常表現(xiàn)為：CPU突然離開(kāi)監(jiān)

58、控程序規(guī)定的正常順序雜亂無(wú)章地執(zhí)行一些莫名其妙的指令，顯示和輸出出錯(cuò)，儀器與系統(tǒng)完全按失控。這種情況是因干擾使CPU執(zhí)行程序的指揮棒程序計(jì)數(shù)器（PC）值突然出錯(cuò)所至。實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)證明，相對(duì)RAM和其它寄存器而言，程序計(jì)數(shù)器最容易受干擾的影響。RAM區(qū)和寄存器某些參數(shù)和標(biāo)志全部或局部被破壞。造成這種情況最主要的可能是PC值破壞后，跑飛程序訪問(wèn)了RAM區(qū)和使用了有關(guān)寄存器，也可能因干擾非常嚴(yán)重直接破壞了寄存器和RAM區(qū)中的數(shù)據(jù)，通常后一種可能性較少發(fā)生。而一旦出現(xiàn)直接破壞RAM數(shù)據(jù)的強(qiáng)干擾。PC值通常已先遭破壞。全部或某些中斷不響應(yīng)。這種現(xiàn)象通常是CPU在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，智能儀器受干擾后使PC值

59、發(fā)生突變，越過(guò)了開(kāi)放中斷指令和中斷返回指令所致。另外，象鍵盤(pán)無(wú)法輸入，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是偶那個(gè)等一般也是儀器干擾后PC值出錯(cuò)、程序跑飛所造成的。為了防止智能儀器受到某種強(qiáng)干擾時(shí)出現(xiàn)“程序跑飛”的情況，我們可以設(shè)計(jì)響應(yīng)的看門(mén)狗電路，即采用軟、硬件結(jié)合檢測(cè)程序跑飛的方法，使智能儀器在受嚴(yán)重干擾、發(fā)生程序跑飛時(shí)能實(shí)現(xiàn)自診斷和自恢復(fù)運(yùn)行。二看門(mén)狗電路的具體設(shè)計(jì)由于以主動(dòng)方式從電源、信號(hào)傳輸通道、I/O口能產(chǎn)生電磁耦合的任何空間方向檢測(cè)各種干擾將是極端復(fù)雜和困難的；即使能測(cè)出來(lái)也難以計(jì)算它們對(duì)智能一般與系統(tǒng)的實(shí)際影響。因此，我們可以采用被動(dòng)方式即檢測(cè)智能儀器與系統(tǒng)干擾的情況。其原理是，若程序一直正常運(yùn)行，R

60、AM單元未遭破壞，即使儀器受到很大的干擾，也照樣不聞不問(wèn)；但當(dāng)干擾一旦破壞了程序的正常運(yùn)行，通過(guò)軟硬件相結(jié)合的辦法就能立即發(fā)現(xiàn)程序已經(jīng)跑飛。進(jìn)而由CPU作一系列故障檢測(cè)和分析判斷，然后自動(dòng)在合適的地址上迅速恢復(fù)程序的正常運(yùn)行。根據(jù)上面的思路，我們采用一片雙可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多謝震蕩器74LS123、一片四2輸入或門(mén)7432、一片四2輸入或非門(mén)7402及機(jī)制電阻電容來(lái)組成這個(gè)電路。該電路如圖5-1所示。74123的真值表如表5-1所示。該電路的原理圖如下：圖5-1 看門(mén)狗電路U4：B的清零端CLR和正觸發(fā)端B接高電平，因此整個(gè)電路的輸出完全取決于負(fù)觸發(fā)端A輸入狀態(tài)和Cx、Rx的數(shù)值。在CPU上電復(fù)位