1、論文分類號：密 級：無揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）基于單片機(jī)的水箱恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系別：汽車與電氣工程系專業(yè)： 電氣自動化 班 級：08電氣（2）姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：完成時間：年 月 日目錄目錄I摘要IIIAbstractIV第1章緒論11.1 課題研究介紹11.2 國內(nèi)外發(fā)展及趨勢1國外恒溫控制系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢1國內(nèi)恒溫控制系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢21.3課題設(shè)計(jì)任務(wù)2設(shè)計(jì)目的2系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)3系統(tǒng)的功能3第2章恒溫控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)42.1設(shè)計(jì)方案42.1.1 利用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制42.1.2 利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制42.2方案論證52.3恒溫水箱控制系統(tǒng)工作原理5第3章恒溫水箱控制系硬件

2、設(shè)計(jì)73.1主電源模塊73.2 CPU主控模塊83.2.1 AT89C51單片機(jī)簡介83.2.2 AT89C51單片機(jī)各引腳功能說明83.2.3 AT89C51單片機(jī)主要性能指標(biāo)93.2.4 晶振電路與復(fù)位電路的設(shè)計(jì)103.3溫度采集模塊103.3.1 DS18B20的特點(diǎn)113.3.2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)113.3.3 DS18B20的內(nèi)存結(jié)構(gòu)113.3.4 DS18B20的測溫原理123.3.5 DS18B20的指令集133.3.6 DS18B20與單片機(jī)的接口電路143.4 按鍵輸入143.5繼電器模塊153.5.1 固態(tài)繼電器SSR工作原理153.5.2 固態(tài)繼電器SSR的特點(diǎn)16

3、3.5.3 繼電器控制電路圖163.6顯示模塊17限流電阻計(jì)算18第4章恒溫控制系用軟件設(shè)計(jì)194.1工作流程194.2程序模塊19主程序19溫度傳感器驅(qū)動子程序20鍵盤掃描處理子程序21溫度檢測與控制子程序22溫度顯示子程序23第5章抗干擾的設(shè)計(jì)255.1 電源抗干擾措施25采用濾波和屏蔽的供電電源25采用串聯(lián)開關(guān)式穩(wěn)壓電源26采用高抗干擾電壓電源和干擾抑制器265.2輸入輸出通道的抗干擾措施265.3軟件抗干擾措施26設(shè)置軟件陷阱26增加程序監(jiān)視系統(tǒng)27軟件冗余措施27參考文獻(xiàn)28致謝29附錄1 單片機(jī)源程序30附錄2 電路原理圖36摘 要本設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C51為核心部件，采用單總線

4、型數(shù)字式的溫度傳感器DS18B20作為溫度采集，以固態(tài)繼電器作為加熱控制的開關(guān)器件，設(shè)計(jì)制作了帶鍵盤輸入控制，動態(tài)顯示的功能的恒溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以對當(dāng)前溫度進(jìn)行實(shí)時顯示，又可以對設(shè)定溫度進(jìn)行控制，并使其恒定在某一溫度范圍?？刂奇I盤設(shè)計(jì)使設(shè)置溫度簡單快捷，兩位整數(shù)一位小數(shù)的顯示方式具有更高的顯示精度。建立在增量控制理論上的控制算法，使控制精度完全能滿足一般的電子產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。通過對系統(tǒng)軟件和硬件的合理規(guī)劃，發(fā)揮單片機(jī)自身集成多系統(tǒng)功能單元的優(yōu)勢，在不減少功能的前提下有效降低了成本，系統(tǒng)操作簡便。關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)；DS18B20傳感器；恒溫控制AbstractThis desi

5、gn with single-chip microcomputer AT89C51 as the core component withsingle bus-control digital temperature sensor DS18B20 as temperature gathering to solid-state relay as heating control switch device, design and make the belt keyboard input control, dynamic display of the temperature control system

6、. This system not only can real-time display of the current temperature of set temperature, and can control, and its constant in a temperature range. Control the keyboard design makes set temperature simple and quick, two integer a decimal display mode has higher precision of the show. Based on incr

7、emental control theory of control algorithm, make the control accuracy can be fully met general electronic products production requirements. Through the system software and hardware reasonable planning, play microcontroller itself more system function unit integrated advantage, in not reduce functio

8、nality premise to reduce the cost and system easy operation. Keywords: AT89C51; DS18B20 sensors; Solid-state relay第1章緒論1.1 課題研究介紹溫度是工業(yè)上常見的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品加工、機(jī)械制造等領(lǐng)域，恒溫控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。在一些溫控系統(tǒng)電路中，廣泛采用的是通過熱電偶、熱電阻或PN結(jié)測溫電路經(jīng)過相應(yīng)的信號調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成AD轉(zhuǎn)換器能接收的模擬量，再經(jīng)過采樣保持電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，最終送入單片機(jī)及其相應(yīng)的外圍電路，完成監(jiān)控。但是由

9、于傳統(tǒng)的信號調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、易受干擾、不易控制且精度不高。本文介紹單片機(jī)通過數(shù)字溫度傳感器檢測外部溫度對水箱進(jìn)行恒溫控制的設(shè)計(jì)，采用PID算法來控制PWM波形的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電爐的加熱來實(shí)現(xiàn)恒溫控制。因此，本系統(tǒng)采用一種新型的可編程溫度傳感器（DS18B20），不需復(fù)雜的信號處理電路和AD轉(zhuǎn)換電路就能直接與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)方便、精度高，可根據(jù)不同需要用于各種場合。在日常生活中，也經(jīng)常用到電烤箱、微波爐、電熱水器、烘干箱等需要進(jìn)行溫度檢測與控制的家用電器。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制不僅具有控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度地提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，現(xiàn)以

10、恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。1.2 國內(nèi)外發(fā)展及趨勢隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，恒溫控制已在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在不同的領(lǐng)域內(nèi)，由于控制環(huán)境、目標(biāo)、成本等因素，需要針對具體情況來設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，以取得最佳的控制效果。其中，恒溫環(huán)境的自動化控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)運(yùn)營中是一個重要研究課題。國外恒溫控制系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及自動控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動下，國外恒溫控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)參數(shù)的自整定等方面取得了很大的科技成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典

11、等國技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。雖然溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器及技術(shù)來講，其總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有著較大的差距。國內(nèi)恒溫控制系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢我國目前在恒溫控制技術(shù)這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時變的溫度系統(tǒng)控制。在適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表領(lǐng)域內(nèi)，國內(nèi)技術(shù)還不十分

12、成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。因此，我國在恒溫控制等控制儀表行業(yè)與國外還有著一定的差距。從過程量的檢測角度出發(fā)，溫度是最常見的過程變量之一，它是一個非常重要的過程變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵?、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學(xué)過程。而恒溫控制技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn),它對控制調(diào)節(jié)器要求較高。其溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。盡管恒溫控制很重要，但是要控制好溫度常常會遇到意想不到的困難。隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展及其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對電子產(chǎn)品

13、的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低、可靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢，在各個領(lǐng)域、各個行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。1.3課題設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)一個恒溫水箱自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，水箱內(nèi)的水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，以保持與設(shè)定的溫度基本不變。利用單片機(jī)AT89C51實(shí)現(xiàn)水溫的智能控制，使水溫能夠在60左右實(shí)現(xiàn)恒定溫度調(diào)節(jié)，利用數(shù)字溫度傳感器讀出水溫，并在此基礎(chǔ)上將水溫調(diào)節(jié)到通過鍵盤設(shè)定的溫度（其方式是加熱或降溫），并通過數(shù)碼管顯示器實(shí)現(xiàn)當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度的顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個溫度反饋通道的控制系統(tǒng)，主要包括

14、主電路和控制電路?？刂齐娐酚职ㄑ不貦z測、跟蹤比較、PID調(diào)節(jié)、執(zhí)行輸出、加熱裝置等多個環(huán)節(jié)。以下為該恒溫控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：（1）預(yù)置時顯示設(shè)定溫度，達(dá)到定溫度時顯示實(shí)時溫度，顯示精確到1；（2）恒溫箱溫度可預(yù)置，在誤差范圍內(nèi)恒溫控制，溫度控制誤差1；（3）恒溫水箱由1KW電爐加熱；（4）啟動后有運(yùn)行指示，溫度低于預(yù)置溫度5時進(jìn)行220V全加熱；（5）有較強(qiáng)的抗干擾性能，對升降溫過程的線性沒有要求；（6）具有相應(yīng)的保護(hù)功能。系統(tǒng)的功能(1)可以對溫度進(jìn)行自由設(shè)定，但必須在0100內(nèi)，設(shè)定時可以實(shí)時顯示出設(shè)定的溫度值；(2)加熱由1臺1KW電爐來實(shí)現(xiàn)，如果溫度不在60時，根據(jù)設(shè)定的溫度值與實(shí)際

15、檢測的溫度值之差來采取不同的加熱方式；(3) 能夠保持實(shí)時顯示水溫，顯示位數(shù)4位，分別為百位、十位、個位和小數(shù)位。（但由于規(guī)定小于100度，所以百位也就沒有實(shí)現(xiàn)，默認(rèn)的百位是不顯示的）。第2章 恒溫控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本章提出了對恒溫控制的兩種方案，根據(jù)恒溫水箱控制系統(tǒng)的控制要求及技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合兩種方案的性能特點(diǎn)，最后選定以單片機(jī)為主控制器，增量式的PID算法進(jìn)行調(diào)整控制PWM波形產(chǎn)生的方案作為本控制系統(tǒng)的總體方案。2.1設(shè)計(jì)方案對于溫度控制的方法也有很多：如單片機(jī)控制、PLC控制、模擬PID調(diào)節(jié)器和數(shù)字PID調(diào)節(jié)器等等。利用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制這種恒溫控制，采用PLC控制實(shí)現(xiàn)電熱絲加熱全通、間

16、斷導(dǎo)通和全斷加熱的自控式方式，來達(dá)到溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測對象中，熱電偶的傳感器信號與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較，生成溫差，自適應(yīng)恒溫控制電路根據(jù)差值大小控制電路的斷開。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制此方案采用單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，它可達(dá)到核心的控制作用，并且可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示、鍵盤設(shè)定及利用PID算法來控制PWM波形的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電爐的加熱來實(shí)現(xiàn)恒溫控制，其所測結(jié)果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法來控制PWM波形的產(chǎn)生，是有效的控制數(shù)字脈沖的輸出寬度，使固態(tài)繼電器得到有效和有序的邏輯控制，不會使固態(tài)繼電器產(chǎn)生誤動作。因此利用PWM技術(shù)進(jìn)行脈寬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)

17、是：（1）從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換器；（2）讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小，并且噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯“1”改變?yōu)檫壿嫛?”或?qū)⑦壿嫛?”改變?yōu)檫壿嫛?”時，才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響；（3）對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)也是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因；（4）PWM經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。再加上單片機(jī)的軟件編程靈活、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。它可以通過用數(shù)字溫度傳感器采集到的實(shí)際水溫溫度直接進(jìn)行數(shù)碼管顯示，還能用鍵盤輸入設(shè)定值，并且

18、內(nèi)部含有4KB的EEPROM,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，其方案的框圖如圖2.1所示。2.2方案論證采用的PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制，由于其PLC成本高，且PLC外圍系統(tǒng)配置復(fù)雜，不利于我們的設(shè)計(jì)。由于數(shù)字調(diào)節(jié)和運(yùn)算量大，相反對于AT89C52單片機(jī)只要選擇合適的參數(shù)對于溫度的控制精度往往能達(dá)到比較好的效果。采用單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，利用PID控制原理和PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對水箱內(nèi)水溫的控制?；谶@樣的控制原理和PWM技術(shù)的優(yōu)越性，在對溫度控制的系統(tǒng)中，它可達(dá)到采用其他控制系統(tǒng)所達(dá)不到的控制效果，并且可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)碼實(shí)時顯示、鍵盤設(shè)定、直接可以驅(qū)動固態(tài)繼電器，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度是

19、非常高的綜合各方面的意見，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)溫度的控制。2.3恒溫水箱控制系統(tǒng)工作原理根據(jù)恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，確定了系統(tǒng)總體方案之后，現(xiàn)對該方案的具體原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，它是采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的，其具體控制圖如圖2.2所示。本系統(tǒng)是采用閉環(huán)負(fù)反饋的控制方式進(jìn)行控制的，它通過數(shù)字溫度傳感器檢測水箱內(nèi)的水溫溫度，把采集到的數(shù)據(jù)直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，由于數(shù)字式溫度傳感器能在極短時間內(nèi)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這樣被它處理的數(shù)據(jù)直接送到數(shù)字PID模塊進(jìn)行調(diào)整和控制PWM波形的產(chǎn)生。然后，把檢測到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)不同的差值去控制固態(tài)繼電器的通斷，以采取不

20、同的加熱方式進(jìn)行加熱升溫。另外，還設(shè)置了溫度實(shí)時顯示的裝置，可以同時顯示預(yù)先設(shè)定的溫度值和實(shí)際檢測到的溫度值。第3章恒溫水箱控制系硬件設(shè)計(jì)恒溫水箱控制系統(tǒng)主要由六部分組成：主電源模塊、CPU主控制模塊、鍵盤處理模塊、溫度采集模塊、繼電器控制模塊及LED顯示模塊。本章對各模塊的硬件電路設(shè)計(jì)作了詳細(xì)說明。3.1主電源模塊為防止電源之間的相互干擾，需對電路進(jìn)行獨(dú)立供電，本系統(tǒng)采用雙電源輸出，一個正常之用，一個應(yīng)急備用。因此電源電路設(shè)計(jì)輸出兩路為+5V的穩(wěn)壓電源，同時主電路的開關(guān)元件為固態(tài)繼電器，其直流側(cè)的供電電源可選擇為+5V。由于固態(tài)繼電器內(nèi)部帶有光耦，其直流側(cè)與交流側(cè)相互隔離，因此其直流側(cè)的供電

21、電源可與數(shù)字電路的+5V電源共用，另外DS18B20也用+5V的穩(wěn)壓電源供電，另外一個+5V的穩(wěn)壓電源用來備用，當(dāng)遇到系統(tǒng)斷電時可以把那個備用的穩(wěn)壓電源來應(yīng)急，這樣可以給系統(tǒng)增加了一道應(yīng)急保險(xiǎn)。本裝置的直流穩(wěn)壓電源采用通常的橋式全波整流、電容濾波、三端固定輸出的集成穩(wěn)壓器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且所有的集成穩(wěn)壓芯片均裝有充分裕量的散熱片。系統(tǒng)的供電電源電路如圖3.1所示。圖3.1主電源電路3.2CPU主控模塊CPU主控制模塊采用AT89C51芯片，把數(shù)字溫度傳感器采集到的溫度信號與原預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)其差值通過PID調(diào)節(jié)整定，控制繼電器的通斷進(jìn)行不同加熱方式，能用鍵盤進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的處理以及溫度

22、信號的實(shí)時顯示。3.2.1AT89C51單片機(jī)簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51單片機(jī)為

23、很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案2。3.2.2AT89C51單片機(jī)各引腳功能說明（1）VCC：供電電壓；（2）Vdd：接地；（3）P0口：8位雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，P0口用于分時傳送低8位地址（地址總線）和8位數(shù)據(jù)信號（數(shù)據(jù)總線）。P0口能驅(qū)動8個LSTTL門；（4）P1口：P1口是一個內(nèi)部提供拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4個LSTTL門電流；(5)P2口：P2口為一個內(nèi)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LSTTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入；（6）P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O?？勺鲆话憧谟?/p>

24、，同時P3口每一引腳還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）；（7）RST：復(fù)位輸入；（8）ALE/PROG：當(dāng)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低8位字節(jié)；（9）/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(jī)器周期/PSEN兩次有效輸出；(10)/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間只訪問外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器；當(dāng)/EA端保持高電平時，從內(nèi)部程序存儲器開始讀取；（11）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。圖3.2 40

25、引腳雙列直插封裝圖3.2.3AT89C51單片機(jī)主要性能指標(biāo)(1)與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；(2)4K字節(jié)可重復(fù)擦寫Flash閃速存儲器；(3)1000次擦寫周期；(4)全靜態(tài)操作：0Hz24MHz； (5)三級加密程序存儲器；(6)1288字節(jié)內(nèi)部RAM；（7）32個可編程I/O接口；（8）2個16位定時/計(jì)數(shù)器；（9）6個中斷源；（10）可編程串行UART通道；（11）低功耗空閑和掉電模式。3.2.4晶振電路與復(fù)位電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)內(nèi)部帶有時鐘電路，只需要在片外通過XTAL1、XTAL2引腳接入定時控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩器的工作頻率一般在1.2

26、12MHz之間，當(dāng)然在一般情況下頻率越快越好，可以保證程序運(yùn)行速度即保證了控制的實(shí)時性。一般采用石英晶振作定時控制元件，在不需要高精度參考時鐘時，也可以用電感代替晶振，有時也可以引入外部時鐘脈沖信號。接在晶振上的電容雖然沒有嚴(yán)格要求，但電容的大小會影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。因此，通常選擇在1030pF左右，在此次設(shè)計(jì)時鐘電路時，晶振頻率選用（12MHz），電容選用（20pF），并且它們應(yīng)盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位，它通過復(fù)位端經(jīng)電阻與+5V電源實(shí)現(xiàn)，只要能保證復(fù)位信號高電平持續(xù)時間大于2個機(jī)器周期就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，其時鐘電路和復(fù)位電路如

27、圖3.3所示。圖3.3 時鐘電路和復(fù)位電路3.3溫度采集模塊由于在傳統(tǒng)的模擬信號遠(yuǎn)距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問題、多點(diǎn)測量切換誤差問題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問題等技術(shù)問題，才能夠達(dá)到較高的測量精度。而且一般監(jiān)控現(xiàn)場的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號較強(qiáng)，模擬溫度信號容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在本設(shè)計(jì)中的溫度測量系統(tǒng)中，采用美國Dallas半導(dǎo)體公司的DS18B20溫度芯片對水箱內(nèi)的水溫進(jìn)行采集溫度數(shù)據(jù)，并且由于它抗干擾能力強(qiáng)，是解決這些問題的最有效方案。另外數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)

28、，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測溫效果和廣泛的應(yīng)用4。 DS18B20的特點(diǎn)（1）獨(dú)特的單線接口方式：與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊；（2）在使用中不需要任何外圍元件；（3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0+5.5 V；（4）測溫范圍：-55 +125。固有測溫分辨率為0.5；（5）通過編程可實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字讀數(shù)方式；（6）用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值；（7）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫；（8）負(fù)壓特性，電源極性接反時，溫度計(jì)不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成:64位光刻R0M、溫度傳感器

29、、非易失性的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器，DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示。圖3.4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20的內(nèi)存結(jié)構(gòu)DSI8B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPROM，后者存放高溫和低溫觸發(fā)器TH，TL和結(jié)構(gòu)寄存器。高速暫存RAM包含了9個連續(xù)字節(jié)（08），前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，字節(jié)0的內(nèi)容是溫度的低8位，字節(jié)1是溫度的高8位，字節(jié)2是TH（溫度上限報(bào)警），字節(jié)3是TL（溫度下限報(bào)警），字節(jié)4是配置寄存器，用于確定輸出分辨率9到12位。第5、6、7個字節(jié)是預(yù)留寄存器，用于內(nèi)部計(jì)算。字節(jié)8是冗余檢驗(yàn)字節(jié)，校驗(yàn)

30、前面所有8個字節(jié)的CRC碼，可用來保證通信正確。DS18B20中的溫度傳感器對溫度的測量結(jié)果用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號位（見圖3.5）。 LSB LSB 22222222LSB LSB SSSSS222圖3.5溫度傳感器12位數(shù)據(jù)在RAM中的存儲這是12位轉(zhuǎn)化后得到的16位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中。二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；

31、如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。DS18B20的測溫原理DS18B20的測溫原理用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量。計(jì)數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定,每次測量前,首先將-55所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中,減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55 所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù),當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1

32、的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1,減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入,減法計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù),如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時,停止溫度寄存器值的累加,此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度,由于它內(nèi)部的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值,只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程,直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值1，其內(nèi)部測溫電路圖3.6所示。斜率累加器預(yù)置減法計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)比較器預(yù)置減到零溫度寄存器減到零減法計(jì)數(shù)器2高溫度系數(shù)振蕩器低溫度系數(shù)振蕩器設(shè)置/清除最低有效位增加停止圖3.6 內(nèi)部測溫電路圖 DS18B20的指令集操作R

33、OM的指令共有5條，均為單字節(jié)指令，表3.1是其16進(jìn)制指令表： 表3.1 ROM操作16進(jìn)制指令指令代碼 指令說明55 指定匹配芯片指令CC 跳過ROM匹配指令F0 搜索芯片指令EC 報(bào)警芯片搜索33 讀ROM指令，器件收到這個指令后就把64位ID碼傳送給主機(jī)操作芯片的RAM、E2PROM指令共有6條，均為單字節(jié)指令，表3.2是其16進(jìn)制指令表： 表3.2 RAM、E2PROM操作16進(jìn)制指令指令代碼 指令說明44 溫度轉(zhuǎn)換指令，并把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放在RAM的B1、B2的兩個字節(jié)里BE 讀取溫度指令，器件收到這個指令后把B1、B2兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)4E 改寫RAM的B3、B4、B5的數(shù)

34、據(jù)，主機(jī)發(fā)這個指令后再分別發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)48 器件收到這個指令后就將B3、B4、B5的數(shù)據(jù)寫到E2PROMB8 器件收到這個指令后就把EEPROM的高H、低L溫度報(bào)警值寫到進(jìn)B3、B4B4 器件收到這個指令后就返回0或者1給主機(jī)，0為寄生電源，1為外部電源 DS18B20與單片機(jī)的接口電路DS18B20的引腳圖及與AT89C51的接口電路如圖3.7所示，其中DS18B20工作在外部電源供電方式，AT89C51單片機(jī)采用P3.0和DS18B20通信。圖3.7 DS18B20與AT89C51單片機(jī)的接口電路3.4 按鍵輸入在按鍵模塊電路中有4個按鍵，K1是復(fù)位按鈕，K2是溫度上調(diào)按鈕, K3是溫度

35、下調(diào)按鈕, K4是輸入數(shù)據(jù)確認(rèn)按鈕,當(dāng)數(shù)據(jù)輸入完畢后按該按鈕進(jìn)行確認(rèn)。其硬件電路圖如圖3.8所示。圖圖3.8 按鍵與單片機(jī)的硬件連接3.5繼電器模塊固態(tài)繼電器SSR工作原理本系統(tǒng)采用固態(tài)繼電器進(jìn)行控制,它的控制原理是：固態(tài)繼電器只有兩個輸入端(“+”和“-”)及兩個輸出端，是一種四端器件。工作時只要在“+”、“-”上加上一定的控制信號，就可以控制輸出兩端之間的“通”和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為“+”、“-”端輸入的控制信號提供一個輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系，以防止輸出端對輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它

36、動作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使固態(tài)繼電器的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號，驅(qū)動開關(guān)電路工作，但由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過零控制電路”5。所謂“過零”是指，當(dāng)加入控制信號，交流電壓過零時，固態(tài)繼電器即為通態(tài)；而當(dāng)斷開控制信號后，固態(tài)繼電器要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時，固態(tài)繼電器才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對電網(wǎng)的污染。吸收電路是

37、為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌(電壓)對開關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動作)而設(shè)計(jì)的，一般是用“R-C”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。下圖為一種典型的交流型SSR的電路原理圖3，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.9所示。圖3.9 繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖固態(tài)繼電器SSR的特點(diǎn)（1）SSR成功地實(shí)現(xiàn)了弱信號(Vsr)對強(qiáng)電(輸出端負(fù)載電壓)的控制。由于光耦合器的應(yīng)用，使控制信號所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作電平與TTL、HTL、CMOS等常用集成電路兼容，可以實(shí)現(xiàn)直接聯(lián)接；（2）SSR由于是全固態(tài)電子元件組成，與MER相比，它沒有任何可動的機(jī)械部件，工作中也沒有任何

38、機(jī)械動作；SSR由電路的工作狀態(tài)變換實(shí)現(xiàn)“通”和“斷”的開關(guān)功能，沒有電接觸點(diǎn)，所以它有一系列MER不具備的優(yōu)點(diǎn)，即工作高可靠、長壽命(有資料表明SSR的開關(guān)次數(shù)可達(dá)108-109次，比一般的MER器件高幾百倍)，無動作噪聲；耐振耐機(jī)械沖擊，安裝位置無限制，很容易用絕緣防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳；（3）交流型SSR由于采用過零觸發(fā)技術(shù)，因而可以使SSR安全地用在計(jì)算機(jī)輸出接口上，不必為在接口上采用MER而產(chǎn)生的一系列對計(jì)算機(jī)的干擾而煩惱；（4）SSR能承受在數(shù)值上可達(dá)額定電流十倍左右的浪涌電流的特點(diǎn)。繼電器控制電路圖下圖是一

39、個控制電阻絲加熱的電路圖，單片機(jī)通過P3.1口的輸出控制繼電器的開合并進(jìn)行通訊,當(dāng)繼電器的開關(guān)閉合時，晶閘管的門極觸發(fā)電路導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通，220V的交流電壓直接加在加熱裝置上進(jìn)行全加熱，其電路圖如圖3.10所示。圖3.10繼電器控制模塊及加熱裝置3.6顯示模塊用單片機(jī)驅(qū)動LED數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)（掃描）顯示，按譯碼方式可分硬件譯碼和軟件譯碼之分。靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，使用的硬件較多。動態(tài)顯示需要CPU時刻對顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時間多。這兩種顯示方式各有利弊：靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時間，但每個顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)

40、動電路，動態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。使用單片機(jī)系統(tǒng)串行輸出，利用其串/并轉(zhuǎn)換功能，送入數(shù)碼管顯示。基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是有7個條狀發(fā)光二極芯片排列而成的，也稱為七段數(shù)碼顯示器，可實(shí)現(xiàn)09、AF以及H、P的顯示。從各發(fā)光電極連接方式分為共陽極和共陰極兩種。共陽極是指筆畫顯示器各段發(fā)光管的陽極（即P區(qū)）是公共的，而陰極互相隔離。共陰極型是筆畫顯示器各段發(fā)光管的陰極（即N區(qū)）是公共的，而陽極是互相隔離的，共陰極LED數(shù)碼管的ag及小數(shù)點(diǎn)位dp八個發(fā)光二極管加陽極加高電平（“1”）發(fā)亮，加低電平（“0”）發(fā)暗，而共陽極的LED的數(shù)碼管的ag及小數(shù)點(diǎn)位dp八

41、個發(fā)光二極管正好相反，其共陽極的數(shù)碼管電路圖如圖3.11所示。圖3.11 數(shù)碼管的共陽極電路圖本電路采用共陽極數(shù)碼管LG5641A進(jìn)行動態(tài)顯示，LG5641A具有四位數(shù)碼管，這四個數(shù)碼管的段選a、b、c、d、e、f、g分別接在一起，每一個都擁有一個共陽的位選端，通過動態(tài)顯示可輪流顯示設(shè)置溫度與測量溫度，這有利于節(jié)省I/O口。用P0.0P0.7口作為位選控制，P2.0P2.7口傳輸要顯示的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)線和位選線直接接AT89C51單片機(jī)的I/O口即可，因?yàn)镮/O口輸出電流很小并且加上了上拉電阻,這樣可以對LED進(jìn)行驅(qū)動，它的電壓值足以驅(qū)動LED。本設(shè)計(jì)就是采用動態(tài)顯示電路，其電路圖如圖3.12所示

42、。圖3.12 動態(tài)顯示電路限流電阻計(jì)算R12到19的計(jì)算公式: (5-0.3-2)/R270W,所以取R12到R19為300W。R4到R11的計(jì)算公式:R=(5-0.7)/(20/b)三極管電阻用4.7k電阻，R=(5-0.7)1=4.3K,220電阻的計(jì)算10MA（5-0.3-2）R 20mA135 R270所以R取220第4章恒溫控制系用軟件設(shè)計(jì)對單片機(jī)控制的軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，本章在建立系統(tǒng)各部分軟件流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了各部分的軟件控制流程。由于系統(tǒng)的操作過程和工作過程在程序設(shè)計(jì)的過程中起著很重要的指導(dǎo)作用，因此在軟件設(shè)計(jì)之前應(yīng)分析加熱爐的工作流程。4.1工作流程

43、此次設(shè)計(jì)的恒溫水箱主要用于醫(yī)療衛(wèi)生、科研、大專院校、實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域，它可用于蒸餾、干燥、濃縮及恒溫加熱化學(xué)藥品、生物制品檢查血漬和生物實(shí)驗(yàn)恒溫培養(yǎng)進(jìn)行消毒之用。因此，系統(tǒng)默認(rèn)預(yù)定溫度為60，設(shè)置這個溫度值既可以起到殺菌消毒的作用又可以有效減少能源的消耗，達(dá)到最優(yōu)的溫度控制效果，同時它也可以用設(shè)定鍵來改變其預(yù)設(shè)溫度值。當(dāng)上電復(fù)位后電阻絲先處于停止加熱狀態(tài)，但也可以直接啟動運(yùn)行。運(yùn)行過程中，系統(tǒng)不斷檢測當(dāng)前溫度，并送往顯示器顯示，達(dá)到預(yù)定值后停止加熱；當(dāng)溫度下降到下限（比預(yù)定值低5）時再啟動加熱。這樣不斷地重復(fù)上述過程，使溫度保持在預(yù)定溫度范圍之內(nèi)。運(yùn)行過程中也可以隨時改變設(shè)定溫度，溫度設(shè)定好后隨即

44、生效，系統(tǒng)按新的設(shè)定溫度運(yùn)行。4.2程序模塊系統(tǒng)軟件由主程序、鍵盤輸入子程序、設(shè)定溫度子程序、溫度檢測子程序、溫度控制子程序和顯示子程序組成。4.2.1主程序主程序完成系統(tǒng)的初始化，調(diào)用溫度模塊程序,對其預(yù)置值及其合法性進(jìn)行檢查，預(yù)置溫度的顯示,調(diào)用鍵盤掃描模塊等。若正常執(zhí)行完三個子程序，則返回初始化進(jìn)入到其它的狀態(tài)，主程序的流程圖見圖4.4所示。開 中 斷調(diào)用溫度傳感器數(shù)據(jù)采集子程序調(diào)用鍵盤掃描處理子程序調(diào)用顯示子程序關(guān) 中 斷開 始初 始 化圖4.4 主程序流程圖4.2.2溫度傳感器驅(qū)動子程序根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每次讀寫之前都

45、要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后再發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求單片機(jī)將數(shù)據(jù)線下拉500us，然后釋放，DS18B20收到信號后等待1660us左右，再發(fā)出60240us的存在低脈沖，CPU收到此信號表示復(fù)位成功。本系統(tǒng)對DS18B20的操作分為3個步驟：初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。單片機(jī)要與DS18B20通信，首先必須完成初始化：單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位信號，DS18B20返回響應(yīng)脈沖。ROM命令完成單片機(jī)與總線上的某一DS18B20建立聯(lián)系，有搜尋ROM、讀ROM、匹配ROM、忽略ROM、報(bào)警查找等命令。這里，單片機(jī)只連

46、接1個DS18B20，因此只使用讀ROM命令來讀取DS18B20的48位ID號。DS18B20功能命令在該步驟中完成溫度轉(zhuǎn)換、寫暫存寄存器、讀暫存寄存器、拷貝暫存寄存器、裝載暫存器寄存器、讀供電模式命令6。本系統(tǒng)不用溫度報(bào)警功能，因此在本步驟中只需完成溫度轉(zhuǎn)換，然后通過讀暫存寄存器命令完成溫度轉(zhuǎn)化的結(jié)果。所以，本系統(tǒng)對DS18B20進(jìn)行的操作主要包括兩個子過程：（1）讀取DS18B20的序列號。主機(jī)首先發(fā)一復(fù)位脈沖，等收到返回的存在脈沖后，發(fā)出搜索器件的序列號命令，讀取DS18B20的序列號；（2）啟動DS18B20作溫度轉(zhuǎn)換并讀取溫度值。主機(jī)在收到返回的存在脈沖后，發(fā)出跳過器件的序列號命令，

47、跟著發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令，再次復(fù)位并收到返回的存在脈沖后，發(fā)送DS18B20的序列號，讀出數(shù)據(jù)（如圖4.5所示）。發(fā)送讀暫存器命令讀取溫度值讀取48位ID號啟動溫度轉(zhuǎn)換開 始返 回初 始 化圖4.5溫度傳感器驅(qū)動子程序流程圖4.2.3鍵盤掃描處理子程序鍵盤模塊的處理是通過對 K2，K3，K4進(jìn)行操作的。K2是溫度上調(diào)按鈕, K3是溫度下調(diào)按鈕, K4是輸入數(shù)據(jù)確認(rèn)按鈕。首先對K4數(shù)據(jù)輸入確認(rèn)鍵進(jìn)行掃描判斷是否被按下,并且對K4鍵設(shè)置了一個標(biāo)志位,當(dāng)其標(biāo)志位為1時，表示K4被按下,否則K4沒有被按下，具體流程圖4.6所示。4.2.4溫度檢測與控制子程序讀取18B20的實(shí)時數(shù)據(jù)與設(shè)定值的比較，開始進(jìn)行

48、加熱，在加熱的過程中需要進(jìn)行每2秒一次的跟蹤檢測，并把檢測到的實(shí)時數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行不同方式的加熱，其具體流程如圖4.7所示。4.2.5溫度顯示子程序該模塊首先判斷系統(tǒng)是否處于設(shè)定狀態(tài)，如果處于設(shè)定狀態(tài)則顯示設(shè)定溫度，否則顯示當(dāng)前實(shí)際溫度。顯示子程序的功能是將顯示緩沖區(qū)內(nèi)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的BCD碼，分別存入十位和個位顯示區(qū)，然后通過串行通信口送出顯示。顯示模塊程序的流程見圖4.8。第5章 抗干擾的設(shè)計(jì)影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素，常會導(dǎo)致單片機(jī)系

49、統(tǒng)運(yùn)行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。形成干擾的基本要素有三個： （1）干擾源指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號，如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時鐘等都可能成為干擾源；（2）傳播路徑指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介，典型的干擾傳播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射；（3）敏感器件指容易被干擾的對象，如：A/D、 D/A變換器、單片機(jī)、數(shù)字IC、弱信號放大器等。5.1 電源抗干擾措施控制設(shè)備中很多干擾都來自電源系統(tǒng)，現(xiàn)在的單片機(jī)系統(tǒng)，大都使用市電（220V，50Hz）。在工業(yè)現(xiàn)場中，由于生產(chǎn)負(fù)荷的變化，如大電機(jī)的啟、停，強(qiáng)電繼電器的通、斷等，往往造成電源電壓

50、的波動，嚴(yán)重時直接影響單片機(jī)的正常工作6。因此，必須對交流供電采取一些措施，以抑制由電源引起的干擾。抑制交流電源的干擾，除了與功率大的用電設(shè)備分開供電外，還經(jīng)常采用穩(wěn)壓、隔離、濾波和屏蔽等措施，可根據(jù)電網(wǎng)的質(zhì)量及設(shè)備要求，采用適當(dāng)?shù)拇胧?。采用濾波和屏蔽的供電電源在交流220V進(jìn)線處，設(shè)置一個低通濾波器，它對50Hz的市電影響很小，而對頻率很高的干擾波具有很強(qiáng)的抑制力。濾波器要加屏蔽外殼，使其接地良好；進(jìn)線端與出線端要嚴(yán)格分開，以防止感應(yīng)和輻射耦合。電源變壓器的初級繞組和次級繞組需分別加屏蔽層，初、次級間再加屏蔽層，且初級的屏蔽層接交流電網(wǎng)的零線，次級屏蔽層和初、次級間的屏蔽層接至直流地端。對于

51、要求較高的系統(tǒng)，可在濾波和屏蔽之前，采取交流穩(wěn)壓及隔離措施，以將交流電網(wǎng)的地與設(shè)備地隔離開來。采用串聯(lián)開關(guān)式穩(wěn)壓電源串聯(lián)開關(guān)式穩(wěn)壓電源是使電路中的串聯(lián)調(diào)整管工作于開關(guān)狀態(tài)，即調(diào)整管主要工作在飽和導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。由于管子飽和導(dǎo)通時的管壓降和截止時流經(jīng)管子的電流都很小，管耗主要發(fā)生在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，所以，效率可高達(dá)8090。因此，這種電源具有體積小、重量輕、隔離性能好及抗干擾性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，常被單片機(jī)系統(tǒng)采用。另外還有一種開關(guān)型電源，它是先把直流電壓經(jīng)過調(diào)制和整流，而后再穩(wěn)壓，因而具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在智能化儀器和單片機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。采用高抗干擾電壓電源和干擾抑制器如應(yīng)用反激變換器的

52、開關(guān)穩(wěn)壓電源，采用頻譜均衡法制成的抗干擾抑制器，目前已經(jīng)有成品出售。對于要求更高的控制系統(tǒng)，如大型單片機(jī)系統(tǒng)，可以考慮采用不間斷電源（UPS）供電。但UPS電源造價(jià)較高，所以在一般中小型系統(tǒng)中不宜采用。5.2輸入輸出通道的抗干擾措施對輸入輸出通道進(jìn)行電氣隔離，為了防止電氣干擾信號從輸入及輸出通道進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)程序跑飛（俗稱“死機(jī)”），通常在輸入輸出通道上采用隔離技術(shù)。用于隔離的主要器件有隔離放大器、隔離電壓器和光電耦合器等，其中應(yīng)用的最多的是光電耦合器。光電耦合器由一只發(fā)光二極管和一只光電晶體管封裝構(gòu)成。利用光耦合，把兩個電路的地環(huán)隔開，兩電路即擁有各自的地電位基準(zhǔn)，它們相互獨(dú)立而不會造成干擾

53、14。5.3軟件抗干擾措施考慮到控制系統(tǒng)裝入生產(chǎn)現(xiàn)場，設(shè)備安裝就緒后，在改動硬件較困難，我們采用了以下軟件可靠性措施，加之和硬件相結(jié)合，就可以使許多干擾得到抑制和消除。設(shè)置軟件陷阱由于系統(tǒng)干擾可能破壞程序指針PC，PC一旦失控，使程序“亂飛”，可能進(jìn)入非程序區(qū)，造成系統(tǒng)運(yùn)行的一系列錯誤。設(shè)置軟件陷阱，可防止程序“亂飛”。具體的做法是：在ROM或RAM中，每隔一些指令，就把連續(xù)幾個單元設(shè)置成空操作。增加程序監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)置陷阱在一定程度上解決了程序“亂飛”，但不能有效的解決死循環(huán)問題，采用單片機(jī)內(nèi)部定時器進(jìn)行監(jiān)視。具體做法是：在程序一開始就啟動定時器工作，在主程序中增設(shè)定時器賦值指令，使該定時器維持在非溢出工作狀態(tài)。定時時間要少大于程序一次循環(huán)的執(zhí)行時間。程序正常循環(huán)執(zhí)行一次初值，使其不能溢出。但若程序失控，定時器則記滿溢出中斷，在中斷服務(wù)程序中使主程序自動復(fù)位又進(jìn)入初始狀態(tài)14。軟件冗余措施對于那些多次使用同一功能的軟件指令，為了保證指令執(zhí)行的可靠性，采用了以下措施：（1）采用多次讀入法，確保開關(guān)量輸入正確無誤。對于按鈕和開關(guān)狀態(tài)讀入時，配合軟件延時，配合軟件延時可消除抖動和誤動作；（2）不斷查詢輸出狀態(tài)寄存器，及時糾正輸出狀態(tài)，防止由于干擾引起