基于單片機STC89C52溫度控制系統的設計 畢業(yè)設計說明書.doc

目 錄摘要 11 前言 12 室溫控制系統的概述 13 室溫控制系統方案的選擇 1 3.1 單片機的選擇 1 3.2 溫度傳感器的選擇 1 3.3 顯示器的選擇 2 3.4 通信協議的選擇 24 室溫控制系統硬件電路的設計 2 4.1 采集終端電路設計 3 4.1.1 單片機最小系統電路 3 4.1.2 溫度傳感器電路 4 4.1.3 顯示電路 4 4.1.4 按鍵接口電路電路 4 4.1.5 溫度控制電路 4 4.1.6 串口通信電路 4 4.2 控制終端電路設計 4 4.2.1 單片機最小系統電路 3 4.2.2 顯示電路 4 4.2.3 按鍵接口電路電路 4 4.2.4 串口通信電路 45 室溫控制系統軟件的設計 5 5.1 采集終端軟件設計 3 5.1.1 溫度檢測程序 3 5.1.2 溫度預設程序 4 5.1.3 溫度顯示程序 4 5.1.4 溫度控制程序 4 5.1.5 串口通信程序 4 5.2 控制終端軟件設計 3 5.2.1 溫度顯示程序 3 5.2.2 溫度預設程序 4 5.2.3 溫度查詢程序 4 5.2.4 串口通信程序 4結論 6總結與體會 6致謝詞 6參考文獻 6附錄a 使用說明書 6附錄b 系統原理圖 6附錄c 系統仿真圖 6附錄d 系統相關程序 6摘 要本設計以at89s51單片機為核心的溫度控制系統的工作原理和設計方法。溫度信號由溫度芯片ds18b20采集，并以數字信號的方式傳送給單片機。文中介紹了該控制系統的硬件部分，包括：溫度檢測電路、溫度控制電路、pc機與單片機串口通訊電路和一些接口電路 。單片機通過對信號進行相應處理，從而實現溫度控制的目的。文中還著重介紹了軟件設計部分，在這里采用模塊化結構，主要模塊有：數碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、繼電器控制程序、超溫報警程序。【關鍵詞】at89s51單片機 ds18b20溫度芯片 溫度控制 串口通訊abstractthis design take at89s51 monolithic integrated circuit as core temperature control systems principle of work and design method. the temperature signal by the temperature chip ds18b20 gathering, and transmits by digital signals way for the monolithic integrated circuit. in the article introduced this control systems hardware part, including: temperature examination electric circuit, temperature-control circuit, pc machine and monolithic integrated circuit serial port communication channel and some interface circuit. the monolithic integrated circuit through carries on corresponding processing to the signal, thus realizes the temperature control goal. in the article also emphatically introduced the software design part, uses the modular structure in here, the main module includes: nixietube display sequence, keyboard scanning and pressed key disposal procedure, temperature signal processing procedure, black-white control procedure, excess temperature warning procedure.【key words】at89s51 monolithic integrated circuit ；ds18b20 temperature chip；temperature control；serial port communication1前言工業(yè)控制是計算機的一個重要應用領域，計算機控制系統正是為了適應這一領域的需要而發(fā)展起來的一門專業(yè)技術，它主要研究如何將計算機技術、通過信息技術和自動控制理論應用于工業(yè)生產過程，并設計出所需要的計算機控制系統。隨著微機測量和控制技術的迅速發(fā)展與廣泛應用，以單片機為核心的溫度采集與控制系統的研發(fā)與應用在很大程度上提高了生產生活中對溫度的控制水平。本設計就是基于單片機stc89c52溫度控制系統的設計，通過本次課程實踐，我們更加的明確了單片機的廣泛用途和使用方法，以及其工作的原理。2室溫控制系統的概述 室溫控制系統廣泛應用于社會生活的各個領域 ,如家電、汽車、材料、電力電子等 ,常用的控制電路根據應用場合和所要求的性能指標有所不同 , 在工業(yè)企業(yè)中,如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現場技術人員努力解決的問題。這類控制對象慣性大,滯后現象嚴重,存在很多不確定的因素,難以建立精確的數學模型,從而導致控制系統性能不佳,甚至出現控制不穩(wěn)定、失控現象。傳統的繼電器調溫電路簡單實用 ,但由于繼電器動作頻繁 ,可能會因觸點不良而影響正常工作。控制領域還大量采用傳統的pid控制方式,但pid控制對象的模型難以建立,并且當擾動因素不明確時,參數調整不便仍是普遍存在的問題。而采用數字溫度傳感器ds18b20，因其內部集成了a/d轉換器，使得電路結構更加簡單，而且減少了溫度測量轉換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。數字溫度傳感器ds18b20只用一個引腳即可與單片機進行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。由于ds18b20芯片的小型化，更加可以通過單跳數據線就可以和主電路連接，故可以把數字溫度傳感器ds18b20做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性。更能串接多個數字溫度傳感器ds18b20進行范圍的溫度檢測。3室溫控制系統方案的選擇3.1 控制器的選擇 在本次將要設計的控制系統中，微機控制器無疑使最核心的部分，它的性能將直接關系到是整個控制系統控制功能的實現，運行處理的速度，能力以及控制的精度等問題。因此，選擇一款恰當的控制器對于設計者來說是非常重要及必要的。 方案一：采用arm內核的單片機，這類微處理器的特點是：功耗低，體積小，性能高。它處理能力和控制精度方面都有很高成就，執(zhí)行速度快，執(zhí)行效率高，如今的智能手機和平板電腦大多都有此類芯片的參與。因此，該類芯片適用于對控制精度和處理問題能力有著高要求的場合。 方案二:采用stc51系列單片機，該系列單片機是深圳宏晶科技在國內推廣的新型51內核單片機，其性能相對于傳統51單片機有了很大的提升，同時保留了51單片機編程簡單易學的特點。它的主要特點是：低功耗，高性能，編程簡單控制，在生活中使用非常廣泛。 對以上兩種方案進行比較，結合室溫控制系統的控制要求，選擇方案二，使用stc89c52單片機。它擁有8k的系統可編程flash存儲器，32個通用i/o口，簡單易操作等特點，以及其響應速度和控制精度等方面的要求都符合本次控制系統的設計要求。3.2 溫度傳感器的選擇 由于是室溫控制器，因此，溫度傳感器也是該系統中不可或缺的元件之一。溫度的采集和傳輸室這個系統控制的系統，牽制整個控制系統后續(xù)動作。方案一：采用熱敏電阻式溫度傳感器。其特點是自身的電阻值隨溫度變化而變化。適用于-100-300間的溫度檢測。但其測量不精準，并且要將所測信號經放大及a/d轉換才能傳給單片機。方案二：采用熱電偶溫度傳感器。熱電偶的測溫范圍，測溫精度都很高，并且其已經實現系列化。標準化，因此在測溫領域運用廣泛。在工程測溫中，需要對其冷端進行溫度補償。方案三：采用ds18b20數字傳感器。ds16b20是allas公司生產的一款單總線數字溫度傳感器。其因接口電路簡單，測溫以及工作溫度范圍廣等優(yōu)點，而得到廣泛的運用。 由于熱敏電阻溫度傳感器和熱電偶溫度傳感器都需要將所測信息進行放大處理，然后在通過a/d轉換后在傳給單片機，過程較為復雜，加上三種溫度傳感器的優(yōu)缺點進行比較后，選擇操作較簡單的ds18b20作為此次溫度控制系統的測溫元件，即選擇方案三。3.3 顯示器的選擇 顯示是溫度控制系統中的另一個重要的環(huán)節(jié)。它作為人機交流的一個平臺，可以讓用戶更好的了解所測溫度情況，以及根據自身要求對控制系統進行更恰當的命令。 方案一：采用四位一體的共陽極數碼管。它的顯示亮度高，響應的速度快，接線簡單。但是只能顯示數字和相應的字母。不過其性價比高，是非常常用顯示器件。 方案二：采用lcm1602液晶顯示器。lcm是將lcd、驅動以及控制電路組合成的模塊?？梢燥@示兩行數據，數據類型為字符，即可以顯示數字，也可以顯示字母。用于對顯示要求較高的場合。 對以上的兩種顯示方案的比較。因為本此設計的系統分為數據采集終端和控制終端，對兩個模塊的顯示要求不同，因此采用不同的顯示方案。在數據采集終端，只需要顯示溫度值即可，數碼管就能滿足，故數據采集終端采用方案一。而控制終端需要顯示多個數據采集終端回饋的情況，因此lcm1602符合這一要求，所以控制終端選擇方案二。3.4 通信協議的選擇 因為這次要設計的溫度控制系統有多個數據采集終端，所以用串行通信更合適，在此選擇rs485串行通信方式。這種通信方式可以實現多點通信，是半雙工的雙線通信協議，抗干擾能力非常高。4室溫控制系統硬件電路的設計室溫控制系統由多個數據采集終端及控制終端組成，控制終端與數據采集終端利用rs485總線通信，進行信息的交流。室溫控制系統的總設計構想是，控制終端與數據采集終端之間采用主從式多機通信方式，即控制終端為主機，數據采集終端為從機，控制終端能發(fā)送信息給每一個采集終端或指定的數據采集終端，各數據終端發(fā)送的信息只能被控制終端接收，而數據采集終端之間不能互相通信。主從式室溫控制系統連接框圖如圖8.1所示。 txd rxd 89c52 控制終端 8txd rxd 89c52n# 數據終端txd rxd 89c522# 數據終端 txd rxd 89c521# 數據終端 圖4.1系統控制框圖 4.1 采集終端電路設計 設計的室溫控制系統中，數據采集終端使用stc89c52單片機作為微處理機，溫度傳感器選擇的是ds18b20，溫度值是通過4位一體的共陽極數碼管來完成顯示，加熱和制冷設備的運行是運用繼電器的開斷加以控制，而與控制終端的信息交流則是利用rs485總線方式實現。數據采集終端的系統框圖如圖4.2所示。 顯示模塊 數碼管 測溫模塊 ds18b20 8 9 c 5 2 鍵盤模塊 通信模塊 rs485 繼電器 控制終端 加熱制冷 設備 圖4.2數據采集終端系統框圖4.1.1 單片機最小系統電路 目前，51系列單片機在工業(yè)檢測領域中得到了廣泛的應用，因此我們可以在許多單片機應用領域中，配接各種類型的語音接口，構成具有合成語音輸出能力的綜合應用系統，以增強人機對話的功能。stc89c52單片機是深圳宏晶科技有限公司生產的一種單片機，在一小塊芯片上集成了一個微型計算機的各個組成部分。每一個單片機包括：一個8位的微型處理器cpu；一個512k的片內數據存儲器ram；4k片內程序存儲器；四個8位并行的i/o接口p0-p3，每個接口既可以輸入，也可以輸出；兩個定時器/記數器；五個中斷源的中斷控制系統；一個全雙工uart的串行i/o口；片內振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。最高允許振蕩頻率是12mhz。以上各個部分通過內部總線相連接。2.stc89c52單片機時序 stc89c52單片機的一個執(zhí)器周期由6個狀態(tài)(s1s6)組成，每個狀態(tài)又持續(xù)2個震蕩周期，分為p1和p2兩個節(jié)拍。這樣，一個機器周期由12個振蕩周期組成。若采用12mhz的晶體振蕩器，則每個機器周期為1us，每個狀態(tài)周期為16us；在一數情況下，算術和邏輯操作發(fā)生在n期間，而內部寄存器到寄存器的傳輸發(fā)生在p2期間。對于單周期指令，當指令操作碼讀人指令寄存器時，使從s1p2開始執(zhí)行指令。如果是雙字節(jié)指令，則在同一機器周期的s4讀人第二字節(jié)。若為單字節(jié)指令，則在51期間仍進行讀，但所讀入的字節(jié)操作碼被忽略，且程序計數據也不加1。在加結束時完成指令操作。多數stc89c52指令周期為12個機器周期，只有乘法和除法指令需要兩個以上機器周期的指令，它們需4個機器周期。 對于雙字節(jié)單機器指令，通常是在一個機器周期內從程序存儲器中讀人兩個字節(jié)，但movx指令例外，movx指令是訪問外部數據存儲器的單字節(jié)雙機器周期指令，在執(zhí)行movx指令期間，外部數據存儲器被訪問且被選通時跳過兩次取指操作。3.stc89c52單片機引腳介紹stc89c52單片機的40個引腳中有2個專用于主電源引腳，2個外接晶振的引腳，4個控制或與其它電源復用的引腳，以及32條輸入輸出i/o引腳。下面按引腳功能分為4個部分敘述個引腳的功能。（1）電源引腳vcc和vssvcc（40腳）：接+5v電源正端；vss（20腳）：接+5v電源正端。（2）外接晶振引腳xtal1和xtal2xtal1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成采用外部時鐘時，對于hmos單片機，該引腳接地；對于choms單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。xtal2（18腳）：接外部晶體的另一端。在單片機內部，接至片內振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時，對于hmos單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。對于chmos芯片，該引腳懸空不接。（3）控制信號或與其它電源復用引腳 控制信號或與其它電源復用引腳有rst/vpd、ale/p、psen和ea/vpp等4種形式。（a）rst/vpd（9腳）：rst即為reset，vpd為備用電源，所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現復位操作，使單片機復位到初始狀態(tài)。當vcc發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時，該引腳可接上備用電源vpd（+5v）為內部ram供電，以保證ram中的數據不丟失。（b）ale/ p （30腳）：當訪問外部存儲器時，ale（允許地址鎖存信號）以每機器周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現在p0口的低（c）psen(29腳):片外程序存儲器讀選通輸出端,低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或常數期間，每個機器周期pesn兩次有效，以通過數據總線口讀回指令或常數。當訪問外部數據存儲器期間，pesn信號將不出現。（d）ea/vpp（31腳）：ea為訪問外部程序儲器控制信號，低電平有效。當ea端保持高電平時，單片機訪問片內程序存儲器4kb（ms52子系列為8kb）。若超出該范圍時，自動轉去執(zhí)行外部程序存儲器的程序。當ea端保持低電平時，無論片內有無程序存儲器，均只訪問外部程序存儲器。對于片內含有eprom的單片機，在eprom編程期間，該引腳用于接21v的編程電源vpp。 （4）輸入/輸出（i/o）引腳p0口、p1口、p2口及p3口(a).p0口（39腳22腳）：p0.0p0.7統稱為p0口。當不接外部存儲器與不擴展i/o接口時，它可作為準雙向8位輸入/輸出接口。當接有外部程序存儲器或擴展i/o口時，p0口為地址/數據分時復用口。它分時提供8位雙向數據總線。對于片內含有eprom的單片機，當eprom編程時，從p0口輸入指令字節(jié)，而當檢驗程序時，則輸出指令字節(jié)。(b).p1口（1腳8腳）：p1.0p1.7統稱為p1口，可作為準雙向i/o接口使用。對于mcs52子系列單片機，p1.0和p1.1還有第2功能：p1.0口用作定時器/計數器2的計數脈沖輸入端t2；p1.1用作定時器/計數器2的外部控制端t2ex。對于eprom編程和進行程序校驗時，p0口接收輸入的低8位地址。(c).p2口（21腳28腳）：p2.0p2.7統稱為p2口，一般可作為準雙向i/o接口。當接有外部程序存儲器或擴展i/o接口且尋址范圍超過256個字節(jié)時，p2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對于eprom編程和進行程序校驗時，p2口接收輸入的8位地址。(d).p3口（10腳17腳）：p3.0p3.7統稱為p3口。它為雙功能口，可以作為一般的準雙向i/o接口，也可以將每1位用于第2功能，而且p3口的每一條引腳均可獨立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。p3口的第2功能見下表 表1 單片機p3.0管腳含義引腳第2功能p3.0rxd（串行口輸入端0）p3.1txd（串行口輸出端）p3.2int0（部中斷0請求輸入端，低電平有效）p3.3int1（中斷1請求輸入端，低電平有效）p3.4t0（時器/計數器0計數脈沖端）p3.5t1（時器/計數器1數脈沖端）p3.6wr（部數據存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效）p3.7rd（部數據存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效）綜上所述，mcs51系列單片機的引腳作用可歸納為以下兩點：1).單片機功能多，引腳數少，因而許多引腳具有第2功能；2).單片機對外呈3總線形式，由p2、p0口組成16位地址總線；由p0口分時復用作為數據總線。在課題設計的溫度控制系統設計中，控制核心是stc89c52單片機，該單片機為51系列增強型8位單片機，它有32個i/o口，片內含4k flash工藝的程序存儲器，便于用電的方式瞬間擦除和改寫，而且價格便宜，其外部晶振為11.0592mhz，一個指令周期為1s。使用該單片機完全可以完成設計任務，其最小系統主要包括：復位電路和震蕩電路電路。復位操作完成單片機片內電路的初始化，是單片機從一種確定的狀態(tài)開始工作。將單片機的復位引腳rst保持兩個機械周期的高電平能使單片機復位。復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和按鈕復位。這兩種形式在本系統中都有采用，以方便系統的操作。手動按鈕復位需要人為在復位輸入端rst上加入高電平（圖1）。一般采用的辦法是在rst端和正電源vcc之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則vcc的+5v電平就會直接加到rst端。手動按鈕復位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數十毫秒，所以，完全能夠滿足復位的時間要求。這是一個上電復位電路，原理是突然給電后，vcc對電容充電，充電的過程中，復位信號電壓隨著充電時間而逐漸變低，直到電容充滿時，復位信號電壓完全降到0v，而電阻r2決定了電容充電的時間，r2越大則充電時間長，復位信號從vcc回落到0v的時間也長，而復位引腳在給2.5v以上時處于復位狀態(tài)，而在2.5v以下則才正常工作，89s51的典型復位時間需要1ms，可長不可短，所以r2的值是由已知條件1ms，和電容22uf決定，t=rc/2，r=2t/c，可以負責的告訴你，你不需要仔細計算這里的復位時間，因為可長不可短，典型電路是c=10uf，r2=10k，電容可以大于這個值，電阻也可以大于這個值，但是不能再小，會不保險。另外r1的電阻起的作用是，當你按下強制復位按鈕后，電容通過r1放電，為了讓按鍵按下后有一段延時才能復位，為了讓按鍵跟可靠。 單片機的時鐘信號由內部震蕩電路得到，即引腳xtal1和xtal2外接晶振體振蕩器，構成內部振蕩電路。電容c1，c2起穩(wěn)定振蕩頻率，快速起振的作用，電容值一般在5pf-30pf。由于本系統要采用串口通信，晶振使用11.0592mhz。晶振電路中如何選擇電容c1，c2?(1):因為每一種晶振都有各自的特性，所以最好按制造廠商所提供的數值選擇外部元器件。(2):在許可范圍內，c1，c2值越低越好。c值偏大雖有利于振蕩器的穩(wěn)定，但將會增加起振時間。(3):應使c2值大于c1值，這樣可使上電時，加快晶振起振。4.1.2 溫度傳感器電路 采用一線制數字溫度傳感器ds18b20來作為本課題的溫度傳感器。傳感器輸出信號進4.7k的上拉電阻直接接到單片機的p1.0引腳上。ds18b20溫度傳感器是美國達拉斯(dallas)半導體公司推出的應用單總線技術的數字溫度傳感器。該器件將半導體溫敏器件、a/d轉換器、存儲器等做在一個很小的集成電路芯片上。本設計中溫度傳感器之所以選擇單線數字器件ds18b20，是在經過多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因：（1）系統的特性：測溫范圍為-55+125 ，測溫精度為士0.5；溫度轉換精度912位可變，能夠直接將溫度轉換值以16位二進制數碼的方式串行輸出；12位精度轉換的最大時間為750ms；可以通過數據線供電，具有超低功耗工作方式。（2）系統成本：由于計算機技術和微電子技術的發(fā)展，新型大規(guī)模集成電路功能越來越強大，體積越來越小，而價格也越來越低。一支ds18b20的體積與普通三極管相差無幾，價格只有十元人民幣左右。（3）系統復雜度：由于ds18b20是單總線器件，微處理器與其接口時僅需占用1個i/o端口且一條總線上可以掛接幾十個ds18b20，測溫時無需任何外部元件，因此，與模擬傳感器相比，可以大大減少接線的數量，降低系統的復雜度，減少工程的施工量。（4）系統的調試和維護：由于引線的減少，使得系統接口大為簡化，給系統的調試帶來方便。同時因為ds18b20是全數字元器件，故障率很低，抗干擾性強，因此，減少了系統的日常維護工作。ds18b20溫度傳感器只有三根外引線：單線數據傳輸總線端口dq ，外供電源線vdd，共用地線gnd。ds18b20有兩種供電方式：一種為數據線供電方式，此時vdd接地，它是通過內部電容在空閑時從數據線獲取能量，來完成溫度轉換，相應的完成溫度轉換的時間較長。這種情況下，用單片機的一個i/o口來完成對ds18b20總線的上拉。另一種是外部供電方式(vdd接+5v)，相應的完成溫度測量的時間較短。 ds18b20的工作電流約為1ma，vcc一般為5v，則電阻r=5v/1ma=5k，目前用的電阻一般不是可調電阻，只是固定阻值，市場上有的就那么幾個型號，跟5v接近的有4.7k、5.1k的，所以就選4.7k，或者相近的電阻。 在本設計中采用外部供電方式實現ds18b20傳感器與單片機的連接，其接口電路如圖4所示。4.1.3 顯示電路 led數碼管（led segment displays）由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。數碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構成的，加上小數點就是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2個8數碼管字樣了。如：顯示一個“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。led數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)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碼管。常用led數碼管顯示的數字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、a、b、c、d、e、f。透過分時輪流控制各個led數碼管的com端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。每位元數碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，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口，而且功耗更低。led數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數字，因此根據led數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示靜態(tài)驅動也稱直流驅動。靜態(tài)驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的i/o端口進行驅動，或者使用如bcd碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用i/o端口多，如驅動5個數碼管靜態(tài)顯示則需要58=40根i/o端口來驅動，要知道一個89s51單片機可用的i/o端口才32個呢：），實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。動態(tài)顯示led數碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極com增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的i/o線控制，當單片機輸出字形碼時，單片機對位選通com端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的com端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數據，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端口，而且功耗更低。本系統利用動態(tài)顯示溫度值，其原理接線圖如下圖所示。4.1.4 鍵盤接口電路電路 鍵盤接口電路是單片機系統設計非常重要的一環(huán)，作為人機交互界面里最常用的輸入設備。我們可以通過鍵盤輸入數據或命令來實現簡單的人機通信。在設計鍵盤電路與程序前，我們需要了解鍵盤和組成鍵盤的按鍵的一些知識。是觸點式開關按鍵，如機械式開關、導電橡膠式開關等；另一類是無觸點式開關按鍵，如電氣式按鍵，磁感應按鍵等。前者造價低，后者壽命長。目前，微機系統中最常見的是觸點式開關按鍵（如本學習板上所采用按鍵）。一般來說，按鍵按照結構原理可分為兩類，一類是觸點式開關按鍵，如機械式開關、導電橡膠式開關等；另一類是無觸點式開關按鍵，如電氣式按鍵，磁感應按鍵等。前者造價低，后者壽命長。目前，微機系統中最常見的是觸點式開關按鍵（如本學習板上所采用按鍵）。按鍵按照接口原理又可分為編碼鍵盤與非編碼鍵盤兩類，這兩類鍵盤的主要區(qū)別是識別鍵符及給出相應鍵碼的方法。編碼鍵盤主要是用硬件來實現對鍵的識別，非編碼鍵盤主要是由軟件來實現鍵盤的識別。全編碼鍵盤由專門的芯片實現識鍵及輸出相應的編碼，一般還具有去抖動和多鍵、竄鍵等保護電路，這種鍵盤使用方便，硬件開銷大，一般的小型嵌入式應用系統較少采用。非編碼鍵盤按連接方式可分為獨立式和矩陣式兩種，其它工作都主要由軟件完成。由于其經濟實用，較多地應用于單片機系統中（本學習板也采用非編碼鍵盤）。 在單片機應用系統中，通常使用機械觸點式按鍵開關，其主要功能是把機械上的通斷轉換成為電氣上的邏輯關系。也就是說，它能提供標準的ttl邏輯電平，以便與通用數字系統的邏輯電平相容。此外，除了復位按鍵有專門的復位電路及專一的復位功能外，其它按鍵都是以開關狀態(tài)來設置控制功能或輸入數據。當所設置的功能鍵或數字鍵按下時，計算機應用系統應完成該按鍵所設定的功能。因此，鍵信息輸入是與軟件結構密切相關的過程。對于一組鍵或一個鍵盤，通過接口電路與單片機相連。單片機可以采用查詢或中斷方式了解有無按鍵輸入并檢查是哪一個按鍵按下，若有鍵按下則跳至相應的鍵盤處理程序處去執(zhí)行，若無鍵按下則繼續(xù)執(zhí)行其他程序機械式按鍵再按下或釋放時，由于機械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時間的觸點機械抖動，然后其觸點才穩(wěn)定下來。其抖動過程如圖1(a)所示，抖動時間的長短與開關的機械特性有關，一般為510ms。從圖中可以看出，在觸點抖動期間檢測按鍵的通與斷狀態(tài)，可能導致判斷出錯。即按鍵一次按下或釋放被錯誤地認為是多次操作，這種情況是不允許出現的。為了克服按鍵觸點機械抖動所致的檢測誤判，必須采取去抖動措施，可從硬件、軟件兩方面予以考慮。一般來說，在鍵數較/o口線浪費較大。對于比較復雜的系統或按鍵比較多的場合，可以用到矩陣鍵盤，圖2(b)中所示的為44的矩陣式鍵盤，其他矩陣式鍵盤的設計方法類似。44的矩陣式鍵盤由4根行線和4根列線交叉構成，按鍵位于行列的交叉點上，這樣就構成了16個按鍵。其中交叉點的行列線是不連接的，當按鍵按下的時候，此交叉點處的行線和列線導通。圖2(b)行線通過上拉電阻接到vcc上。當無鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)；當有鍵按下時，行、列線在交點導通，此時，行線電平將由與此行線相連的列線電平決定。這是識別按鍵是否按下的關鍵。然而，矩陣鍵盤中的每條行線與4條列線相交，交點的按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平，各按鍵間將相互影響，鍵分析時必須將行線、列線信號配合起來作適當處理，才能確定閉合鍵的位置。值得注意的是本文介紹的矩陣鍵盤，在傳統的矩陣鍵盤的輸出端加了一個四輸入與門芯片74hc21。當四路輸入有一個為低電平的時候，輸出為低電平。將74hc21的輸出端接到單片機的外部中斷0（p32管腳）上，這樣在實時性要求較高的情況下，設p00p03為全低等待按鍵觸發(fā)，當任何一個按鍵按下的情況下，系統都會進入中斷服務程序，提高了鍵盤響應時間，在系統實時性要求較高的情況下非常實用。原理圖如下圖所示：4.1.5 溫度控制電路 一般要校核轉向輪本設計是用單片機控制繼電器達到以弱控強的電路，下面再來介紹一下單片機和強電之間的橋梁-電磁繼電器。電磁繼電器是有觸點電繼電器的一種。它是利用電磁效應實現電路開、關控制作用的元件，廣泛應用在電子設備、儀器儀表及自動化設備中。在各種自動控制設備中，都要求用一個低壓電路提控制一個高壓的電氣電路。這樣不僅可以為電子線路和電氣電路提供良好的電隔離，還可以保護電子電路和人員安全。首先看看繼電器的驅動這是典型的繼電器驅動電路圖，這樣的圖在網絡上隨處可以搜到，并且標準教科書上一般也是這樣的電路圖。單片機是一個弱電器件，一般情況下它們大都工作在5v甚至更低。驅動電流在ma級以下。而要把它用于一些大功率場合，比如控制電動機，顯然是不行的。所以，就要有一個環(huán)節(jié)來銜接，這個環(huán)節(jié)就是所謂的“功率驅動”。繼電器驅動就是一個典型的、簡單的功率驅動環(huán)節(jié)。在這里，繼電器驅動含有兩個意思:一是對繼電器進行驅動，因為繼電器本身對于單片機來說就是一個功率器件：還有就是繼電器去驅動其他負載，比如繼電器可以驅動中間繼電器，可以直接驅動接觸器，所以，繼電器驅動就是單片機與其他大功率負載接口。這個很重要，因為，一直讓我們的電氣工程師(我指的是那些沒有學習過相應的電子技術的)感到迷惑不解的是:一個小小的芯片，怎么會有如此強大的威力來控制像電動機這樣強大的東西？怎么樣理解這個電路圖？要理解這個電路，其實也比較容易。那么請您按照我的思路來，應該沒有問題:首先的，里面的三極管很重要。三極管是電子電路里很重要的一個元件。怎么樣理解三極管呢？簡單的來說三極管有兩個作用一個是放大作用，一個是開關作用。(嚴格來講開關作用是放大作用的極限情況，不過沒關系，把兩者分開，更便于理解它的工作原理)。在這里，我們只了解它跟本電路有關的開關作用首先把三極管想成一個水龍頭上面的vcc就是水池，繼電器是一個水輪機，下面的gnd是比水池低的任何一點。剛才說過，三極管就是水龍頭，它的把手就是那個帶有電阻的引腳。現在，單片機的某一個需要控制這個繼電器電路的輸出引腳就是一只“手”，當單片機的這個引腳輸出低電平的時候，就像“手”在打開三極管“水龍頭”，水就從上往下流，繼電器“水輪機”就開始轉起來了。反之，如果是輸出高電平，手”就開始關“水龍頭”，繼電器”水輪機”因為沒有水流下來，就會停止。這就是三極管的開關作用簡單的理解和記憶就是：三極管是一個開關器件，其實你真的可以將它看成是一個開關，只不過它不是用手來控制，而是用電壓(電流)來控制的，因此，三極管有些時候也被稱做電子開關(與機械開關相區(qū)別)。圖上還有一個東西，是保護二極管，如果不需要深入理解的話，你大可不必追就為什么有它存在，原理圖如下圖所示：4.1.6 串口通信電路 一般要校核轉向輪智能儀表是隨著80年代初單片機技術的成熟而發(fā)展起來的，現在世界儀表市場基本被智能儀表所壟斷。究其原因就是企業(yè)信息化的需要，企業(yè)在儀表選型時其中的一個必要條件就是要具有聯網通信接口。最初是數據模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口是rs232接口，這種接口可以實現點對點的通信方式，但這種方式不能實現聯網功能。隨后出現的rs485解決了這個問題。1. rs-485的電氣特性：采用差分信號負邏輯，邏輯0”以兩線間的電壓差為+(26)v表示；邏輯1以兩線間的電壓差為-(26)v表示。接口信號電平比rs-232-c降低了，就不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與ttl電平兼容，可方便與ttl電路連接。2. rs-485的數據最高傳輸速率為10mbps。3. rs-485接口是采用平衡驅動器和差分,接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。4. rs-485最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10mbps，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100kpbs的傳輸速率下，才可以達到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。rs-485總線一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。rs485接口組成的半雙工網絡，一般是兩線制（以前有四線制接法，只能實現點對點的通信方式，現很少采用），多采用屏蔽雙絞線傳輸。這種接線方式為總線式拓撲結構在同一總線上最多可以掛接32個結點。在rs485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接rs-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“a”、“b”端連接起來。rs485接口連接器采用db-9的9芯插頭座，與智能終端rs485接口采用db-9（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口rs485采用db-9（針）。另有一個問題是信號地，上述連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個原因：(1)共模干擾問題： rs-485接口采用差分方式傳輸信號，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，rs-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7+12v，只有滿足上述條件，整個網絡才能正常工作。當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。(2)emi(電磁兼容性)問題：發(fā)送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），信號中的共模部分就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。由于pc機默認的只帶有rs232接口，有兩種方法可以得到pc上位機的rs485電路：（1）通過rs232/rs485轉換電路將pc機串口rs232信號轉換成rs485信號，對于情況比較復雜的工業(yè)環(huán)境最好是選用防浪涌帶隔離柵的產品。（2）通過pci多串口卡，可以直接選用輸出信號為rs485類型的擴展卡。在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用rs-485 串行總線標準。rs-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mv的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。 市場上一般rs-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。rs-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用rs-485 可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。rs232,rs422,rs485是電氣標準，主要區(qū)別就是邏輯如何表示。rs232使用-12v表示邏輯1，12v表示邏輯0，全雙工，最少3條通信線（rx,tx,gnd），因為使用絕對電壓表示邏輯，由于干擾，導線電阻等原因，通訊距離不遠，低速時幾十米也是可以的。rs422，在rs232后推出，使用ttl差動電平表示邏輯，就是兩根的電壓差表示邏輯，rs422定義為全雙工的，所以最少要4根通信線（一般額外地多一根地線），一個驅動器可以驅動最多10個接收器（即接收器為1/10單位負載），通訊距離與通訊速率有關系，一般距離短時可以使用高速率進行通信，速率低時可以進行較遠距離通信，一般可達數百上千米。rs485，在rs422后推出，絕大部分繼承了422，主要的差別是rs485可以是半雙工的，而且一個驅動器的驅動能力至少可以驅動32個接收器（即接收器為1/32單位負載），當使用阻抗更高的接收器時可以驅動更多的接收器。所以現在大多數全雙工485驅動/接收器對都是標：rs422/485的，因為全雙工rs485的驅動/接收器對一定可以用在rs422網絡。（1）485通訊接口一個對通訊接口的硬件描述，它只需要兩根通訊線，既可以在兩個或兩個以上的設備之間進行數據傳輸。這種數據傳輸的連接，是半雙工的通訊方式。在某一個時刻，一個設備只能進行發(fā)送數據或接收數據。（2）硬件通訊接口建立后，在進行數據傳輸的儀表之間需要約定一個數據協議，以使接收端能夠解析收到的數據，這便是“協議”的概念。（3）通訊協議有統一標準的協議格式，如“modbus”協議，標準的協議內容全面，包含的內容很多，但不易理解。由此，可以定義了一種協議，簡單實用，這便是“自定義協議”。（4）包括modbus協議、自定義協議。氣渦輪兼容兩種協議格式。原理圖如下圖所示： 4.2 控制終端電路設計一般要校核轉向輪 4.2.1 單片機最小系統電路 一般要校核轉向輪 4.2.2 顯示電路 lcm（lcdmodule）即lcd顯示模組，是指將液晶顯示器件、連接件、控制與驅動等外圍電路，pcb電路板，背光源，結構件等裝配在一起的組件。lcm提供用戶一個標準的lcd顯示驅動接口，用戶按照接口要求進行操作來控制lcd正確顯示。lcm是一種相對更高集成度的lcd產品，對小尺寸lcd顯示，lcm是一種省電的顯示裝置，lcm可以比較方便地與各種微控制器（比如單片機）連接，作為簡易的人機接口。其中，mcs-51單片機作為lcm1602顯示控制系統的核心部件。它由中央處理器（cpu）、存儲器（rom與ram）、輸入/輸出單元(i/o)三大基本部分構成。單片機具有高性能、低價格；體積小，集成度高，可靠性和抗干擾能力強；較低工作電壓（1.85v），低功耗等優(yōu)點。并且，只要在單片機的外圍適當加一些必要的擴展電路及通道接口，就可以構成各種應用系統，如工業(yè)控制系統、數據采集系統、自動控制系統、自動測試系統、檢測監(jiān)視系統、智能儀表、功能模塊等。因此單片機廣泛應用于便攜式智能產品與家電消費品，以及工業(yè)控制，國防裝備等領域。總之，該lcm1602液晶顯示控制系統具有讀取方便、顯示直觀、功能多樣、電路簡潔、成本低廉等諸多優(yōu)點，符合電子儀器儀表的發(fā)展趨勢。lcm1602是2行16個字符的字符型液晶顯示模塊。它由32個字符點陣塊組成，每個字符點陣塊由57或510個點陣組成，可以顯示ascii碼表中的所有可視的字符。原理圖如下圖所示： 4.2.3 按鍵接口電路電路 原理圖如下圖所示：對于44鍵盤，共有十六個按鍵。如果每個按鍵與單片機的一個引腳相連，就會占用16個引腳，這樣會使的單片機的接口不夠用（即使夠用，也是對單片機端口的極大浪費）。因此我們應該行列式的接法。行列式非編碼鍵盤是一種把所有按鍵排列成行列矩陣的鍵盤。在這種鍵盤中，每根行線和列線的交叉處都接有一個按鍵，每當某個按鍵被按下時，與這個按鍵相連的行線和列線就會接通，否則是斷開狀態(tài)。因此44行列式非編碼鍵盤只需4條行線和4條列線，總共占用8條i/o端口線。大大減少了i/o端口線的利用。若沒有按鍵按下時，單片機從p1口讀得的引腳電平為“1”；若某一按鍵被按下，則該鍵所對應的端口線變?yōu)榈仉娖?。因? xex(x表示任意一個十六進制數)表示44鍵盤的第一行中的某個按鍵被按下，相應的0 xdx、0 xbx、0 x7x(x表示任意一個十六進制數)分別表示鍵盤的第二行、第三行、第四行;0 xxe、0 xxd、0 xxb、0 xx7(x表示任意一個十六進制數)則分別表示鍵盤的第一列、第二列、第三列和第四列。例如0 xd7是鍵盤的第二行第四列的按鍵。 4.2.4 串口通信電路 電路圖如下圖所示：5 室溫控制系統軟件的設計5.1 采集終端軟件設計 流程圖如下圖所示5.1.1 溫度檢測程序 流程圖如下圖所示：5.1.2 溫度預設程序 流程圖如下圖所示：5.1.3 溫度顯示程序 流程圖如下圖所示：5.1.4 溫度控制程序 流程圖如下圖所示：5.1.5 串口通信程序 流程圖如下圖所示：5.2 控制終端軟件設計流程圖如下圖所示：5.2.1 溫度顯示程序 流程圖如下圖所示：5.2.2 溫度預設程序流程圖如下圖所示：5.2.3 溫度查詢程序 流程圖如下圖所示：5.2.4 串口通信程序流程圖如下圖所示：結論本設計是以at89s51為核心，利用軟硬件相結合的自動控制的典型例子。在單片機自動控制已經廣泛的應用于人們的生產和生活的今天，傳統用模擬電路來控制溫度的做法，已經逐漸被淘汰。這個系統的實現，改變了傳統的溫度控制方法，為溫度的控制開辟了一條新的道路。根據我國的科技和工業(yè)水平，這個系統的設計是符合工業(yè)