1、引言溫度是工業生產中常見的被控參數之一。從食品生產到化工生產，從燃料生產到鋼鐵生產等等，無不涉及到對溫度的控制，可見，溫度控制在工業生產中占據著非常重要的地位，而且隨著工業生產的現代化，對溫度控制的速度和精度也會越來越高。近年來，溫度控制領域發生了很大的變化，工業生產中對溫度的控制不再局限于近距離或者直接的控制，而是需要進行遠距離的控制，這就產生了遠程溫度控制。 遠程溫度控制的通信方式有多種，如通過網絡，無線電等等。每一種方式都有其優點和缺點。利用無線電通信，方便、靈活，而且經濟。它不需要像網絡控制耗費巨大的通信資源，也不受網絡速度的影響。在溫度控制的方法上，傳統的控制方法(包括經典控制和現代

2、控制)在處理具有非線形或不精確特性的被控對象時十分困難。而溫度系統為大滯后系統，較大的純滯后可引起系統不穩定。在溫度采集方法上，通常是利用熱電偶把熱化為電信號，再通過A/D轉換得到溫度值。這種方法速度慢，而且精度不是很高。綜合上面的考慮以及自己的愛好，設計了基于無線電通信的遠程溫度控制系統。本文詳細的介紹了系統的硬件設計，軟件設計，以及調試等，希望它能給初級電子制作愛好者帶來一些無線電通信和溫度控制的基本常識，以及應該注意的一些事項。1、溫度控制的發展及意義 在人類的生活環境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。自18世紀工業革命以來，工業發

3、展對是否能掌握溫度有著絕對的聯系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫藥等等行業，可以說幾乎%80的工業部門都不得不考慮著溫度的因素。現代工業設計、工程建設及日常生活中常常需要用到溫度控制,早期溫度控制主要應用于工廠中，例如鋼鐵的水溶溫度，不同等級的鋼鐵要通過不同溫度的鐵水來實現，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產品了。在現代社會中，溫度控制不僅應用在工廠生產方面，其作用也體現到了各個方面，隨著人們生活質量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務于社會。2 總體設計與可行性分析2.1 設計任務1、利用所學的知識設計遠程溫度控制系統。電烤箱溫度可在一定范圍

4、內由人工設定，溫度信號檢測方案自行確定，用單片機采用PID控制算法實現溫度實時控制，靜態誤差1度，超調量2.5%，系統溫度調節時間ts4分鐘。控制輸出采用脈沖移相觸發可控硅來調節加熱有效功率。控制溫度范圍室溫-125，用十進制數碼顯示箱內的溫度。2、采用PID控制算法實現溫度實時控制，并顯示溫度實際值。3、了解計算機控制系統的基本原理和組成；4、實現無線發送、接收，編碼、解碼校驗。實現超限報警；5、掌握計算機控制系統的軟、硬件設計與調試，實現滿足指標要求的控制系統。主要技術指標：（1）溫度控制誤差：±0.5；（2）發射頻率：300MHZ（3）發射距離：500m（4）誤碼率：10-62

5、.2 總體設計框圖及概述述圖 2.0 系統總體設計框圖圖 2.1 鍵盤控制面示意圖如圖2.1所示，鍵盤控制面采用2*4式鍵盤，K0，K1的功能分別是左移一位和右移一位；K4，K5的功能分別是加1和減1；K2，K3，K6分別是向從系統00，01，10發送溫度設定值的功能鍵。K7為清楚報警鳴聲且熄滅報警提示紅綠燈。編碼解碼部分采用通用編解芯片PT2262/PT2272。PT2262/PT2272工作電壓低，可進行地址編碼，地址碼多達531441種，數據最多可達6位。發射接收部分采用F05T，J04T模塊，發射接收頻率為433M，工作電壓312V，頻率穩定度為0.00001。溫度傳感器采用“一線總線

6、”數字溫度傳感器DS18B20，DS18B20測量范圍為-55125，測量精度為±0.5。2.3 溫度采集系統的設計采用典型的反饋式溫度控制系統，如圖2.2所示。 圖2.2 溫度采集系統框圖2.4 數字PID控制數字PID控制在生產過程中是一種最普遍采用的控制方法，在冶金、機械、化工等行業中獲得廣泛的應用。下面簡單介紹PID控制的基本原理、數字PID控制算法及其改進和PID的參數整定及其發展。 PID控制原理在模擬控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)。將偏差的比例

7、、積分和微分通過線形組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。其控制規律為：u(t)=Kpe(t)+1/Tie(t)dt+Tdde(t)/dt （1）或寫成傳遞函數形式G(S)=U(S)/E(S)=Kp(1+1/TiS+TdS) （2）式中 Kp是比例系數，Ti是積分時間常數，Td是微分時間常數。簡單地說，PID控制器各校正環節的作用如下：（1）比例環節：及時成比例地反映控制系統的偏差信號e(t),偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。（2）積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。（3）微分環節：

8、能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。 數字PID控制算法 在計算機控制系統中，使用的是數字PID控制器，數字PID控制算法通常又分為位置式和增量式控制算法。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，因此模擬式中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。以一系列的采樣時刻點kT代表連續時間t,以和式代替積分，以增量代替微分，作近似變換。采樣周期足夠短，才能保證有足夠的精度。（1）位置式PID控制算法由于計算機輸出的u(k)直接去控制執行機構，u(k)的值和執行

9、機構的位置是一一對應的，所以通常稱u(k)=Kpe(k)+T/Tie(j)+Td/Te(k)-e(k-1) （3）為位置式PID控制算法。這種算法的缺點是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態有關，計算時要對e(k)進行累加，計算機運算工作量大。而且，因為計算機輸出的u(k)對應的是執行機構的時間位置，如計算機出現故障，u(k)大幅度變化，會引起執行機構位置的大幅度變化，這種情況往往是生產實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產事故，因而產生了增量式PID控制的控制算法。（2）增量式PID控制算法 所謂增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量。u(k)=Ae(k)-Be(k

10、-1)+Ce(k-2) （4）式中 A=Kp（1+T/Ti+Td/T） B=Kp（1+2Td/T） C=KpKd/T采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量對應的是本次執行機構位置的增量。對應閥門實際位置的控制量，即控制量的積累需要采用一定的方法來解決，例如用有累積作用的元件來實現；而目前較多的是利用算式通過執行軟件來完成。增量式控制雖然只是算法上作了一點改進，卻帶來了不少優點：由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉。手動/自動切換時沖擊小，便于實現無擾動切換。此外，當計算機發生故障時，由于輸出通道或執行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值。算式中不需要累加。控制

11、增量的確定，僅與最近K次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果。但增量式控制也有其不足之處：積分截斷效應大，有靜態誤差；益出的影響大。因此，在選擇時不可一概而論，一般認為在以晶閘管作為執行器或在控制精度要求高的系統中，可采用位置算法，而在以步進電機或電動閥門作為執行器的系統中，則可采用增量控制算法。2.4.3 改進的數字PID控制算法在計算機控制系統中，PID控制規律是用計算機程序來實現的，因此它的靈活性很大。一些原來在模擬PID控制器中無法實現的問題，在引入計算機以后，就可以得到解決，于是產生了一系列的改進算法：積分分離PID控制算法、遇限削弱積分PID控制算法、不完全微

12、分PID控制算法、微分先行PID控制算法和帶死區的PID控制算法等。（1）積分分離PID控制算法在普通的PID數字控制器中引入積分環節的目的，主要是為了消除靜差、提高精度。但在過程的啟動、結束或大幅度增減的設定值時，短時間內系統輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，致使算得的控制量超過執行機構困難最大的動作范圍對應的極限控制量，最終引起系統較大的超調，甚至引起系統的振蕩，這是某些生產過程中絕對不允許的。引進積分分離PID控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調量，使得控制性能有了較大的改善。其具體實現如下：根據實際情況，人為設定一閥值q>0。當|e(k)|>q時，也即偏差值

13、|e(k)|比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調，又使系統有較快的響應。當|e(k)|<=q時，也即偏差值|e(k)|比較小時，采用PID控制，可保證系統控制精度。（2）遇限削弱積分PID控制算法積分分離PID控制算法在開始時不積分，而遇限削弱積分PID控制算法則正好與之相反，一開始就積分，進入限制范圍后即停止積分。遇限削弱積分PID控制算法的基本思想是：當控制進入飽和區以后，便不再進行積分項的累加，而只執行削弱積分的運算。因而，在計算u(k)時，先判斷u(k-1)是否已超出限制值。若u(k-1)>umax,則只累加負偏差；若u(k-1)<umax,則累加正偏差。遇限削弱

14、積分PID控制算法可以避免控制量長時間停留在飽和區。（3）不完全微分PID控制算法微分環節的引入，改善了系統的動態特性，但對于干擾特別敏感。在誤差擾動突變時微分項有不足之處。即微分項僅在第一個周期有輸出，且幅值為KD=KP×TD/T,以后均為零。該輸出的特點為：微分項的輸出僅在第一個周期起激勵作用，對于時間常數較大的系統，其調節作用很小，不能達到超前控制誤差的目的。幅值一般比較大，容易造成計算機中數據溢出。克服上述缺點的方法之一是，在PID算法中加一個一階慣性環節（低通濾波器），既可構成不完全微分PID控制。可以將低通濾波器直接加在微分環節上，也可將低通濾波器加在整個PID控制器之后

15、。引入不完全微分后，微分輸出在第一個采用周期內的脈沖高度下降，之后又逐漸衰減。所以不完全微分具有較理想的控制特性。盡管不完全微分PID控制算法比普通PID控制算法要復雜些，但由于其良好的控制特性，近些年來越來越得到廣泛的應用。（4）微分先行PID控制算法微分先行PID控制的特點是只對輸出量c(t)進行微分，而對給定值r(t)不作微分。這樣在改變給定值時，輸出不會改變，而被控量的變化，通常總是比較緩和的。這種輸出量先行微分控制適用于給定值r(t)頻繁升降的場合，可以避免給定值升降時所引起的系統振蕩，明顯地改善了系統的動態特性。（5）帶死區的PID控制算法 在計算機控制系統中，某些系統為了避免控制

16、作用過于頻繁，消除由于頻繁動作所引起的振蕩，可采用帶死區的PID控制。設死區為e0，當|e(k)|e0時，令e'(k)=0;當|e(k)|>e0時，令e'(k)=e(k)。式中，死區是一個可調的參數，其具體數值可根據實際控制對象由實驗確定。若e0值太小，使控制動作過于頻繁，達不到穩定被控對象的目的；若e0太大，則系統將產生較大的滯后。此控制系統實際上是一個非線性系統。 PID參數整定在數字控制系統中，PID參數是影響調節品質的重要參數，閉環系統正式使用前，必須對PID參數進行整定，整定點通常設定在目標值。整定PID參數的原則:（1）要使控制系統的過程過渡時間盡量短（2）最

17、大偏差和超調量要小（3）擾動作用后減幅振蕩的次數盡量少（4）恒溫曲線要求盡可能平直;靜差要小整定PID參數的方法主要有：（1）理論整定法：所謂理論整定法是從PID調節規律的概念出發，根據對象的特性和控制準確度的要求從理論上得出各參數的整定數據。從PID的理論概念分析可知:要使過渡過程盡可能短,應選較小的P,較短的Ti和適量的Td要使超調量盡量小，使系統減幅振蕩，應選較大的P,較長的Ti和盡可能短Td整定時既要滿足前者，又不可忽視后者，從優選法的觀點出發考慮到PID參數的折中選取，故將P和I整定到中間值,而D參數的整定應該根據爐體的具體使用情況而定。若在系統的調節過程中不會有過大的階躍擾動出現,

18、D應盡可能小,甚至不用（2）經驗法：實際上是一種試湊法。PID參數預先放在哪里以及反復試湊的程序是經驗法的核心,整定參數預先放置的位置要根據對象特性及參考儀表的量程而定。對于一般熱處理爐的溫度調節系統，可按下列參考數據進行：為20%70%或更小;Ti為(310)min；Td為（0.53）min。試湊程序可先用P,再加I,最后再D。爐溫控制的準確度，不但取決于儀表本身的準確度和性能，也取決于它所控制對象的特性，要使儀表使用合理，并達到最佳控制，必須使儀表和爐體很好地配合，正確地調整。2.5 可行性分析 可行性分析與總體設計對于實現一個設計方案來說是必不可少的，而在對一個方案進行總體設計之前必須對

19、其進行可行性分析。盲目行動很有可能導致失敗，從而造成不必要的經濟損失和資源的浪費。而進行可行性分析與明確所要完成的任務的目標和所選的器件是分不開的。本次遠程溫度控制的設計要達到如下目標：（1）主系統采用鍵盤輸入方式設定溫度值并顯示；（2）利用無線電進行通信；（3）一對多點通信，對各通信點進行編址；（4）對溫度進行控制；（5）溫度信號采集。綜合考慮上面描述的功能并結合自己的具體情況，選用如下的器件來實現： 選用常用的89S51單片機作為控制器； 選用帶地址編碼的編碼芯片PT2262以及與之配套的解碼芯片PT2272。 選用發射模塊F05T和接收模塊J04T進行無線電通信。 選用數字溫度傳感器DS

20、18B20進行溫度采集。3 硬件設計 3.1 溫度采集電路設計    DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO92小體積封裝形式；溫度測量范圍為55125,可編程為9位12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個DS18B20可以并聯到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，可節省大量的引線和邏輯電路。 DS18B20的內部結構    

21、 DS18B20內部結構如圖3.1所示。圖3.1 DS18B20的內部結構從圖中可以看出，DS18B20主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖3.2所示，DQ為數字信號輸入輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。 ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不相同。64位ROM的排的循環冗余校驗碼（CRC=X8X5X41）。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目

22、的。3.2 DS18B20的管腳排列DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量，用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0.0625/LSB形式表達，其中S為符號位。例如125的數字輸出為07D0H，25.0625的數字輸出為0191H，25.0625的數字輸出為FF6FH，55的數字輸出為FC90H。 232221202-12-22-32-4溫度值低字節 MSBLSB SSSSS222524溫度值高字節高低溫報警觸發器TH和TL、配置寄存器均由一個字節的EEPROM組成，使用一個存儲器功能命令可對TH、TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下： 0R1R011111MSBLSB

23、R1、R0決定溫度轉換的精度位數：R1R0=“00”，9位精度，最大轉換時間為93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，最大轉換時間為187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大轉換時間為375ms；R1R0=“11”，12位精度，最大轉換時間為750ms；未編程時默認為12位精度。高速暫存器是一個9字節的存儲器。開始兩個字節包含被測溫度的數字量信息；第3、4、5字節分別是TH、TL、配置寄存器的臨時拷貝，每一次上電復位時被刷新；第6、7、8字節未用，表現為全邏輯1；第9字節讀出的是前面所有8個字節的CRC碼，可用來保證通信正確。 DS18B20的工作時序DS18B20的一線工作

24、協議流程是：初始化ROM操作指令存儲器操作指令數據傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序，如圖3.3（a）（b）（c）所示。（a）初始化時序（b）寫時序（c）讀時序圖3.3 DS18B20的工作時序圖 DS18B20與單片機的典型接口設計    圖3.4以MCS51系列單片機為例，畫出了DS18B20與微處理器的典型連接。圖3.4（a）中DS18B20采用寄生電源方式，其VDD和GND端均接地，圖3.4（b）中DS18B20采用外接電源方式，其VDD端用3V5.5V電源供電。3.4（a）寄生電源工作方式3.4（b）外接電源工作方式 圖3.4 (c) DS1

25、8B20與微處理器的典型連接圖單片機系統所用的晶振頻率為11.0592MHz，根據DS18B20的初始化時序、寫時序和讀時序，編寫了如下的DS18B20驅動程序：/*= 功能：實現對DS18B20的讀取 原理：單總線協議 注意：單總線協議對延時要求比較嚴格，此程序中采用的是11.0592M的晶振，=*/#include"reg51.h"sbit DQ =P14; /定義通信端口/延時函數/*void delay(unsigned int i) while(i-);*/初始化函數Init_DS18B20(void) unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ

26、復位 delay(8); /稍做延時 DQ = 0; /單片機將DQ拉低 delay(80); /精確延時 大于 480us DQ = 1; /拉高總線 delay(14); x=DQ; /稍做延時后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗 delay(20);/讀一個字節ReadOneChar(void)unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i>0;i-) DQ = 0; / 給脈沖信號 dat>>=1; DQ = 1; / 給脈沖信號 if(DQ) dat|=0x80; delay(4); return(da

27、t);/寫一個字節WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; delay(5); DQ = 1; dat>>=1; /delay(4);/讀取溫度ReadTemperature(void)unsigned char a=0;unsigned char b=0;unsigned int t=0;float tt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳過讀序號列號的操作WriteOneCha

28、r(0x44); / 啟動溫度轉換Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器等（共可讀9個寄存器） 前兩個就是溫度a=ReadOneChar();b=ReadOneChar();t=b;t<<=8;t=t|a;tt=t*0.0625;/t= tt*10+0.5; /放大10倍輸出并四舍五入-此行沒用return(t);main() unsigned char i=0; while(1) i=ReadTemperature();/讀溫度     &#

29、160;   子程序ReadTemperature讀取的溫度值高位字節送WDMSB單元，低位字節送WDLSB單元，再按照溫度值字節的表示格式及其符號位，經過簡單的變換即可得到實際溫度值。    如果一線上掛接多個DS18B20、采用寄生電源連接方式、需要進行轉換精度配置、高低限報警等，則子程序ReadTemperature的編寫就要復雜一些。3.2 單片機控制電路設計3.2.1 AT89S51單片機AT89S51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器FPEROM的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用

30、ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。 3.2.1.1 主要特性：·與MCS-51 兼容 ·128*8位內部RAM·4K字節可編程閃爍存儲器 ·32可編程I/O線·壽命：1000寫/擦循環 ·兩個16位定時器/計數器·數據保留時間：10年 ·5個中斷源·全靜態工作：0Hz-24Hz ·可編程串行通

31、道·三級程序存儲器鎖定 ·低功耗的閑置和掉電模式·片內振蕩器和時鐘電路3.2.1.2 主要功能介紹     VCC：供電電壓+5V GND：接地 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流

32、。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。

33、P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器

34、頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行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行狀態ALE禁止，置位無效。   /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。   /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFF

35、FH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。3.2.2 鍵盤控制面板鍵盤控制面板由2*4鍵組成，P2口的P2.2，P2.3口作為鍵盤的行控制位，P2.4，P2.5，P2.6，P2.7口作為鍵盤的列控制位。P2.0，P2.1作為主控系統中編碼解碼芯片的地址控制位。在2*4鍵盤面板中，K0，K1的功能分別是左移一位和右移一位；K4，K5的功能分別是加1和減1；K2，K3，K6分別是向從系統00，01，10發送溫度設定值的功能鍵。K7為清楚報警鳴聲且熄滅報

36、警提示紅綠燈。鍵盤、顯示控制板電路如圖3.5所示：圖3.5 鍵盤、顯示系統控制板3.2.3 LED數碼管顯示電路顯示系統是微機控制系統的重要組成都分，主要用于顯示各種參數的值，以便使現場上工作人員能夠及時掌握生產過程。工業控制系統中常用的顯示器件有CRT、LED、LCD等。CRT不僅可以進行字符顯示，而且可以進行畫面顯示，和計算機配合使用，可十分方便地實現生產過程的管理和監視。但由于CRT體積較大、價格昂貴，所以只適用于大型微機控制系統。在中小企業的生產過程控制中，為了使工作人員能夠在現場直接看到生產情況和報警信號，經常選用LCD和LED作為顯示器件。LED具有體積小，功耗低，響應速度快，容易

37、匹配，可靠性高和壽命長等優點。 LED數碼管有共陰極和共陽極兩類，如圖3.6所示。共陰極LED數碼管的發光二極管的陰極接在一起，某個發光二極管的陽極電壓為高電平時，二極管發光：而共陽極LED數碼管是發光二極管的陽極連接在一起，當某個二極管的陰極電壓為低電平時，二極管發光。圖3.6 共陰極與共陽極數碼管在微機控制系統中，一般利用N位LED數碼管組成N位LED顯示器。一般有兩種顯示方法：靜態顯示和動態顯示。靜態顯示的優點是數據顯示很少占用單片機時間，在單片機有大量實時數據需要處理時，最好采用這種方法；其缺點是需要顯示碼鎖存電路，增加了硬件的復雜性。動態顯示方法是把N位數碼管的相同名稱的段碼連在一起

38、（即，把所有數碼管的a段連在一起引出一條線作為段選，其余類同）由8條線控制，而位選線由其它的I/O口控制。比如，4位動態LED顯示電路只需要12條I/O口線，其中8位用來控制段選碼，另外4位用來控制位選。由于所有位的段選碼用同一個I/O口控制，因此若要位選顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方式。即任何時候位選只選通一個顯示位，同時控制段選的I/O口輸出顯示字符對應的段選碼，使該位顯示相應字符，顯示一段時間后，再選通下一顯示位。如此循環，且每個顯示器件顯示該位應顯示的字符，通過程序控制，不斷循環輸出相應的段選碼和位選碼，由于人的視覺殘留效應，就可以獲得視覺穩定的顯示狀態。本次設計采用封裝在一起的4

39、位共陽極數碼管作為顯示器，外加PNP型三極管作為驅動，采用動態顯示方法，由P0口控制段選，P2口控制位選。其電路如圖3.6中右上部分所示。 在線代碼下載電路Atmel89Sxx芯片都具有在線編程功能（In-System Programming），其串行編程模式更是容易操作，其編程電路如圖3.7所示。在圖3.7中，P1.5是指令串行輸入端，P1.6是數據串行輸出端，P1.7是編程時鐘信號輸入端，注意，編程時鐘信號的頻率應該低于晶振頻率的1/16，即，如果選用的晶振頻率為33MHz，編程時鐘信號的頻率則不能超過2MHz。如果要將其和電腦連接實現在線編程則還需要外加一些電路。通常的做法是用MAX23

40、2芯片實現單片機TTL電平到電腦RS232電平之間的轉換，從而進行通信。這里給出一種更為簡單的連接方式，可以不用MAX232芯片，其電路如圖3.8將DB25插頭接在電腦上，通過電阻分壓，P1.5P1.7和RESET端高電平時電壓在4.8V左右，這時就可以燒寫.Hex文件了（當然需要軟件支持）。本次設計將單片機的燒寫電路直接做在控制板上，用起來十分方便，不用拆芯片，為以后的程序調試提供了很好的支持，加快了程序開發的速度。圖3.7 AT89s51串行編程模式圖3.8 在線代碼下載電路3.2.5 驅動電路設計 電力電子器件的驅動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環節，對整

41、個裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅動電路，可使得電力電子器件工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減少開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。另外，對電力電子器件或整個裝置的一些保護措施也往往就近設在驅動電路中，或者通過驅動電路來實現，這使得驅動電路的設計更為重要。簡單的說，驅動電路的基本任務，就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環節。一般采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光偶合器。光偶合器有發光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內。3.

42、2.5.1 光電偶合器件MOC3021利用光電耦合器構成的交流電控制電路設計。方案一：交流電源降壓后用一個電容交連到單片機，從而在單片機內部形成過零檢測信號。其采用電容充放電方式產生方波，波形不夠理想而且安全可靠性差。對單片機軟件設計要求較高。方案二：交流電源的通斷由單片機通過光電耦合器件控制，避免交流電平干擾，其安全性可靠性高。驅動控制電路與單片機的接口設計電路如圖3.9所示：圖3.9 驅動控制電路與單片機的接口設計 雙向可控硅BTA12（1）雙向可控硅可以認為是一對反并聯聯接的普通晶閘管組成，其電氣圖形符號如圖3.10中右邊部分，它有兩個主電極1和2，一個門極3。門極使器件在主電極的正反兩

43、個方向均可觸發導通雙向雙向晶閘管與一對反并聯晶閘管相比是比較經濟的，而且控制電路比較簡單，所以在交流調壓電路、固態繼電器（Solid State RelaySSR）和交流電動機調速等領域應用較多。（2）雙向可控硅驅動電路：雙向可控硅作為電力控制器件，廣泛應用于控制系統中，即可作固態繼電器進行開關控制，也可用于交流電的移相觸發調節交流電壓。在本課程設計中作為固態繼電器進光電隔離器件選用雙向可控硅輸出型（如MOC3020、MOC3021），R2選用330的電阻。控制端輸入采用低電平有效的方式。電路如圖3.10所示。圖3.10 可控硅控制電路觸發電路使用獨立電源，J1的1腳接+5V電源，2腳接地。J

44、2的2腳接PWM端口，當PWM=1時，光電耦合器的輸出端導通，晶體管9013導通，A、B端有觸發脈沖輸出。反之，晶體管截止，觸發脈沖結束。用于觸發雙向可控硅，不需要另外的觸發電源，利用雙向晶閘管的工作電源作為觸發電源。MOC3021是雙向可控硅輸出型的光電耦合器，輸出端的額定電壓為400V，最大輸出電流為1A，最大隔離電壓為7500V，輸入端控制電流小于15mA。J1的1腳輸入高電平時，MOC3021的輸入端有電流流入，輸出端的雙向可控硅導通，觸發外部的雙向可控硅KS導通。反之，MOC3021輸出端的雙向可控硅關斷，外部雙向可控硅KS在外部電壓過零后也關斷。3.2.6 報警電路設計除了顯示電路

45、以外，為了系統運行的安全，設計了如圖3.11所示的報警電路。圖3.11 報警電路如圖3.11所示，溫度失控報警的啟動端接P3.3，.H3.7為上限報警指示紅燈，L3.6為下限報警指示綠燈。當溫度失控超出上限設定值時，P3.3輸出高電平，報警鳴聲，同時點亮紅燈。當溫度失控超出下限設定值時，點亮綠燈。3.3 無線收/發電路設計3.3.1 編碼/解碼電路設計3.3.1.1編碼電路設計PT2262/2272是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路。PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三態地址端管腳(懸空，接高電平，接低電平)，任意組合可提供531441地址碼,PT2262最多

46、可有6位(D0-D5)數據端管腳，設定的地址碼和數據碼從17腳串行輸出，可用于無線遙控發射電路。D0，D1，D2，D3，D4共五位數據位接單片機I/O口，通過單片機將數據輸送到編碼芯片中進行編碼，編碼后數據從17腳輸出，從而實現了數據的并行輸入，串行輸出。因為單片機中每一個字節有8位，而PT2262中的數據口最多只有6位，所以需要把每個字節分為兩半，先發送高4位，后發送低4位。為了區別接收到的是高4位還是低4位，系統中使用了5個數據口D0，D1，D2，D3，D4，其中，D4用來表明接收到的數據是高4位還是低4位，當D4=1時表示接收到的是高4位，D4=0時表示接收到的是低4位。PT2262收到

47、從單片機傳來的數據后，需要同時啟動編碼，否則17腳將不會有數據輸出。PT2262特點： CMOS工藝制造，低功耗 外部元器件少 Rc振蕩電阻工作電壓范圍寬：2.6-15v 數據最多可達6位 地址碼最多達531441種應用范圍：車輛防盜系統 家庭防盜系統 遙 控 玩 具 其他電器遙控PT2262的引腳圖如3.12所示：圖3.12 PT2262的引腳圖PT2262的管腳說明如表3.1。表3.1名稱管腳說明A0-A111-8 10-13地址管腳,用于進行地址編碼,可置為“0”,“1”,“f”(懸空)D0-D57-8 10-13數據輸入端，有一個為“1”即有編碼發出，內部下拉Vcc18電源正端（）Vs

48、s9電源正端（-）Te14編碼啟動端，用于多數據的編碼發射，低電平有效OSC116振蕩電阻輸入端，與OSC2所接電阻決定振蕩頻率OSC215振蕩電阻振蕩器輸出端Dout17編碼輸出端（常低）PT2262輸出波形以及極限參數如圖3.13和表3.2所示.圖3.13 PT2262輸出波形表3.2 PT2262極限參數參數符號參數范圍單位電源電壓VCC-0.316.0V輸入電壓Vi-0.3Vcc+0.3V輸出電壓Vo-0.3Vcc+0.3V最大功耗Pa300mW工作溫度Topr-20+70C貯存溫度Tstg-40+125CPT2262的振蕩脈沖與編碼脈沖如圖3.14所示。OSC為PT2262的振蕩頻率

49、，0、1、f分別為PT2262的三種編碼形式。0表示低電平，1表示高電平，懸空時為f。從波形的形狀可以清楚地看出輸入的是低電平，高電平還是懸空。圖3.14 振蕩脈沖與編碼脈沖在具體的應用中，外接電阻可根據需要進行適當的調節，阻值越大振蕩頻率越慢，編碼的寬度越大,發碼一幀的時間越長.推薦值:2262/4.7M/2272/820K 2262/3.3M/2272/680K，2262/1.2M/2272/200K由于2262/2272目前廠牌較多，外接振蕩電阻也略有不同，下面列出的是PT2262與HS2272及HS2262/HS6672的振蕩電阻數據。PT2262/4.7M配HS2272/2M HS2

50、262/4.7M配HS2272/1M。振蕩電阻的阻值必須精確，切不可隨意用一個阻值差不多的電阻來代替，因為振蕩電阻的阻值決定著編碼的頻率。 解碼電路設計PT2262/2272是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三態地址端管腳(懸空,接高電平,接低電平)，任意組合可提供531441地址碼,PT2272最多可有6位(D0-D5)數據端輸出管腳，17腳為解碼有效指示輸出，PT2272分為鎖存型輸出或非鎖存型輸出，可用于無線遙控接收電路。系統中的地址位只使用了A0，A1組成00，01，10，11與懸空的A2，A3，A4，A5，A6組成地

51、址碼。副系統中，A0A1=00表示副系統2的解碼端PT2272，A0A1=01表示副系統2的編碼端PT2262，A0A1=10表示副系統1的解碼端PT2272，A0A1=11表示副系統3的解碼端PT2272。這樣，在主控系統端通過改變A0A1的值，就可以向不同的副系統發送溫度設定值。PT2272的引腳如圖3.15所示。圖3.15 PT2272的引腳圖PT2272特點： CMOS工藝制造，低功耗 外部元器件少 Rc振蕩電阻 工作電壓范圍：2.6-15v 數據最多達6位 地址碼最多達531441種應用范圍： 車輛防盜系統 家庭防盜系統 遙 控 玩 具 其他電器遙控PT2272的管腳說明如表3.3。

52、表3.3 PT2272的管腳說明名稱管腳說明A0-A111-8 10-13地址管腳,用于進行地址編碼,可置為“0”,“1”,“f”(懸空)必須與2262一致，否則不解碼D0-D57-8 10-13地址或數據管腳,當做為數據管腳時,只有在地址碼與2262一致,數據管腳才能輸出與2262數據端對應的高電平,否則輸出為低電平,鎖存型只有在接收到下一數據才能轉換Vcc18電源正端（）Vss9電源正端（-）DIN14數據信號輸入端，來自接收模塊輸出端OSC116振蕩電阻輸入端，與OSC2所接電阻決定振蕩頻率OSC215振蕩電阻,振蕩器輸出端VT17解碼有效確認 輸出端（常低）解碼有效變成高電平編碼芯片P

53、T2272的時序如圖3.16所示。圖3.16 編碼芯片PT2272的時序圖這里a=2*時鐘周期，為“f”僅對地址碼有效，同步位的長度是4個AD位的長度，含一個1/8AD位的脈沖，見圖3.17。圖3.17 PT2272 時鐘周期與位寬關系圖地址碼和數據碼都用寬度不同的脈沖來表示，兩個窄脈沖表示“0”；兩個寬脈沖表示“1”；一個窄脈沖和一個寬脈沖表示“F”也就是地址碼的“懸空”。PT2272的極限參數如表3.4所示。PT2272的電氣參數如表3.5所示。表3.4 PT2272極限參數表參數符號參數范圍單位電源電壓VCC-0.316.0V輸入電壓Vi-0.3Vcc+0.3V輸出電壓Vo-0.3Vcc

54、+0.3V最大功耗Pa300mW工作溫度Topr-20+70C貯存溫度Tstg-40+125C表3.5 PT2272的電氣參數表參數符號測試條件最小值 典型值最大值單位電源電壓VCC215V電源電流IccVcc=10振蕩器停振 A0-A11開路0.020.3uA輸出驅動 電流IOHVcc=5V,VOH=3V-3mAVcc=8V,VOH=4V-6mAVcc=10V,VOH=6V-10mA輸出陷電流IOLVcc=5V,VOH=3V2mAVcc=8V,VOH=4V5mAVcc=10V,VOH=6V9mA輸出高電平VIH0.7VccVccV輸出低電平VIL00.3VccV從圖3.18可以明顯看到，圖上半部分是一組一組的字碼，每組字碼之間有同步碼隔開，所以我們如果用單片機軟件解碼時，程序只要判斷出同步碼，然后對后面的字碼進行脈沖寬度識別即可。圖下部分是放大的一組字碼：一個字碼由12位AD碼（地址碼加數據碼，比如8位地址碼加4位數據碼）組成，每個AD位用兩個脈沖來代表：兩個窄脈沖表示“0”；兩個寬脈沖表