基于單片機的溫度控制器的設計與實現(xiàn)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 端，當R＝0時，移位寄存器各復位為0，只有當R＝1時，時鐘脈沖才起作用。Q1－Q8（第3－6和10－13引腳）并行輸出端分別接LED顯示器的dp、g、f、e、d、c、b、a各段對應的引腳上。所謂時鐘脈沖端，其實就是需要高、低、高、低的脈沖，在74LS164獲得時鐘脈沖的瞬間，如果數(shù)據(jù)輸入端（第2腳）是高電平，則就會有一個1進入到74LS164的內(nèi)部。如果數(shù)據(jù)輸入端是低電平，則就有一個0進入其內(nèi)部。在給出了8個脈沖后，最先進入74LS164的第一個數(shù)據(jù)就到達了最高位，然后再來一個脈沖，從單片機RXD端輸出的數(shù)據(jù)就 進入到第一片74LS164中，當?shù)诙€8個脈沖到來后，第一個數(shù)據(jù)就進入第二片74LS164，而新的第二個數(shù)據(jù)就進入到了第一片74LS164中，這樣依次類推。方案二：8255解決方案8255內(nèi)部有三個并行數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，有兩個工作方式控制電路，一個讀寫控制邏輯電路，一個8位數(shù)據(jù)總線緩沖器。8255有3種基本工作方式。方式0（基本I/O方式）：輸出具有鎖存功能，輸入沒有鎖存功能。方式0適用于無條件傳輸數(shù)據(jù)的設備，如讀一組開關狀態(tài)、控制一組顯示燈，不需要應答信號，CPU可以隨時讀出開關狀態(tài)，隨時可以把一組數(shù)據(jù)送指示燈顯示。方式1（應答I/O方式）：PA口、PB口定義為方式1時，PC口的某些位為狀態(tài)控制線，其余的線做I/O線。方式1適用于打印機等具有握手信號的輸入/輸出設備。方式2（雙向選通I/O方式）：方式2是方式1輸入和方式1輸出的結合。方式2僅對PA口有意義。方式2使PA口成為8位雙向三態(tài)數(shù)據(jù)總線口，既可發(fā)送數(shù)據(jù)又可接收數(shù)據(jù)。PA口為方式2工作時，PB口仍可作方式0和方式1I/O口，PC口高5位作狀態(tài)控制線。 設計中，8255只用來接三個數(shù)碼管作為顯示電路。擴展8255作顯示電路時。由于C口只有在方式0時才用作輸入或者輸出，故采用方式0這種最基本的輸入輸出工作方式。在這種方式下，3個端口都可以有程序設定為輸入或者輸出。程序中只要將相應的字形數(shù)據(jù)寫入8255的PA，PB，PC口，顯示器就顯示出3位字符。 三位靜態(tài)顯示器接口方案三：獨立鍵盤與LCD1602顯示獨立鍵盤也就是把鍵盤直接的接入到I/O口上。原理圖如圖27。圖27 獨立鍵盤原理圖液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要如果需要顯示字符，那么需要先輸入顯示符的地址，既告訴模塊在什么地方顯示字符， 1602LCD內(nèi)部顯示地址 在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預。圖29 字符的代碼和字符的圖形對應關系圖方案四：HD7279鍵盤顯示電路此方案采用HD7279A，它共有28個引腳。它是一片具有串行接口的，可同時驅動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立）的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。 HD7279內(nèi)部含有譯碼器，可直接接收BCD碼或16進制碼，,還具有多種控制指令 ,如消隱,閃爍,左移,右移,，其典型值為R=,C=15pF。復位端是RESET，其可以保持25ms到復位結束并且是有低變到高，通常接+5V電壓就行了。DIG0～DIG7為8個LED管的位選擇端。SA～SG為LED數(shù)碼管a～g段的輸出端,DP為小數(shù)點的驅動端。DIG0～DIG7和SA～SG也分別是64鍵盤的列線和行線端口，完成鍵盤掃描、譯碼和鍵碼識別。HD7279與微處理器僅需4條接口線，其中CS為片選信號；DATA為串行數(shù)據(jù)端，當向HD7279A發(fā)送數(shù)據(jù)時，DATA為輸入端；當HD7279A輸出鍵盤代碼時，DATA為輸出端；CLK為串行傳送的時鐘輸入端，其上升沿表示數(shù)據(jù)有；KEY為按鍵信號輸出端，無鍵按下時為高電平；有鍵按下時變?yōu)榈碗娖讲⒁恢北３值芥I釋放為止。，圖中有三個數(shù)碼管和九個鍵盤，三位數(shù)碼管用來顯示溫度值。 7279鍵盤顯示電路方案比較：結合本次設計需用到的鍵盤數(shù)量與顯示內(nèi)容分析,方案一需占用單片機口資源較少，但軟件相對復雜一些，而方案一與方案二都顯得太過繁瑣了，用8255也不太經(jīng)濟了。而方案三I/O少，元件電路簡潔，同時有能滿足本設計的需要顯示的內(nèi)容也需要控制的按鍵所以選擇方案三。溫度采集電路的核心是溫度傳感器，而當前溫度傳感器的種類繁多，有集成溫度傳感器，有熱電阻傳感器，數(shù)字化溫度傳感器等等。溫度傳感器選取的不同就會有不同的采樣轉換電路,以下介紹了三種不同的方案: 方案一：以集成溫度傳感器AD590作為環(huán)境溫度變化的敏感元件它將溫度的變化轉換為電流的變化，經(jīng)過轉換電路將電流信號變換、放大成0 ～ 5V的電壓信號后，經(jīng)A/D轉換器轉換成8位數(shù)字信號送入單片機系統(tǒng)。AD590的工作原理是利用電路能產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比的電流輸出，而作為絕對溫度與電流的轉換器件。電路制造中利用激光修正技術對芯片內(nèi)部電阻進行調(diào)整，在25℃（）時。由于AD590輸出的電模擬量很小，需進行放大，運算放大器采用斬波自穩(wěn)零集成運算放大器ICL7650。其電路原理圖如圖210。圖210 AD590采溫電路在本電路中，177。5V通過R1，R2，Rw1加在AD590上，當溫度變化時，通過AD590的電流發(fā)生變化，則R1，Rw1上的壓降變化，從而使運放反相輸入端的電壓隨溫度變化。這個電壓被運放放大由⑩腳輸出，再經(jīng)R6，C4濾除干擾信號后由輸出端輸出V0。可見V0是隨被測物體的溫度而變化的。Rw1是調(diào)零電位器，Rw3用于調(diào)節(jié)放大器的輸入失調(diào)，Rw2為滿度調(diào)節(jié)電位器。該電路測溫范圍為：0～100℃，輸出電壓為0～5V。方案二：采用含溫度傳感器PT100的電橋電路為主的采集電路此電路中采用接觸式溫度傳感器PT100。PT100是國產(chǎn)的一種軟襯底薄膜熱敏電阻，是表面測溫的一種良好器件。其主要指標如下：（1）0176。C電阻R。=100Ω；（2）允許最大電流Imax≤1Ma；（3）時間常數(shù)τ≤1s；（4）%；（5）‰（6）測溫范圍100300176。C. 該熱敏元件的特點是體積小，重量輕，薄而柔軟，可完全和曲面相貼合，適用于平面，狹縫的溫度測量。其測溫電路的工作原理：溫度傳感器PT100作為電橋電路的一個橋臂，電橋在某一溫度時呈現(xiàn)平衡狀態(tài)，其輸出是為零；當溫度發(fā)生變化時，PT100的阻值也跟著發(fā)生變化，電橋的平衡被打破，電橋將輸出一個電壓值，這樣就實現(xiàn)了溫度信號到電壓信號的轉變。由于電橋輸出的電壓信號很小(毫伏級)，所以應經(jīng)過一個高精度而且放大倍數(shù)也很匹配的運放將該信號進行放大。電壓量到數(shù)字量的轉變方法是將放大后的電壓信號輸入A/D轉換器，A/D轉換器將電壓信號轉換成數(shù)字量信號，這樣就完成了溫度采集的過程。應當注意的是：使用運放時，要考慮到該運放的放大倍數(shù)是否能達到系統(tǒng)的要求，要能夠實現(xiàn)對其放大倍數(shù)進行調(diào)節(jié)。其電路原理圖如圖211。圖211 PT100溫度采集電路方案三：用數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行溫度的采集本次設計采用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測量元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。其主要性能特點如下:獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； 多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； 無須外部器件； 可以通過數(shù)據(jù)線供電，； 零待機功耗； 溫度以9或12位數(shù)字量讀出； 負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒掉，但不能正常工作。DS18B20的管腳排列如下: DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端； GND為電源地； VDD為外接供電電源輸入端；圖212 DS18B20外形及引腳排列圖 DS18B20的測溫原理如圖213所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，高溫系數(shù)振蕩器來覺得計數(shù)門的開啟時間，每次開始測量之前，要先把最低溫度值范圍值既55℃所對應的基數(shù)分別放置到溫度寄存器和減法計數(shù)器1中，同時溫度寄存器和減法計數(shù)器1預置在最低溫度范圍所對應的一個基數(shù)值。低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號是由減法計數(shù)器1進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(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。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。停止斜率累加器減法計數(shù)器1減到0計數(shù)比較器預置溫度寄存器高溫度系數(shù)振蕩器減法計數(shù)器2減到0低溫度系數(shù)振蕩器預置 圖213 DS18B20測溫原理框圖DS18B20內(nèi)部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器（如圖214所示）。 圖214 DS18B20內(nèi)部結構圖另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，其有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。DS18B20它與單片機的硬件接口非常簡單，如圖215所示，只需占用一個單片機雙向I/O口。而在DS18B20的3腳應加一個限流電阻，同時也能防止干擾的影響。 圖215 DS18B20與單片機連接圖方案比較：方案一AD590其精度雖高，但采樣電路略顯麻煩：為了控制在輸出0 ～ 5V的電壓，要求有多級運放組成采樣轉換電路。方案二使用的PT100非常適合對常溫的測量，但其電路也稍顯復雜，難以保證測量精度。方案三使用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其硬件簡單，測溫精度高。綜上本次設計采用了方案三。方案一：利用蜂鳴器實現(xiàn) 峰鳴音的報警接口電路的設計只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過MCS51的1根口線經(jīng)驅動器驅動蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅動電流，可以使用TTL系列集成電路7404或7407低電平驅動，也可以用一個晶體三極管驅動。在圖中?！?”時，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫；“1”時，蜂鳴器停止發(fā)聲。如下圖216報警電路。圖216 報警電路 方案二：利用LED燈實現(xiàn)本方案是利用LED燈來實現(xiàn)溫度報警的功能，每一路都有兩種顏色的LED燈，則共有8個LED燈，當超過上限的時一種顏色的LED燈發(fā)亮，超過下限的時候則另一種顏色的LED發(fā)亮，此方案在遇到上述的問題時，則不會分不清楚是哪路超過上限還是下限，例如當?shù)谝宦泛偷诙返臏囟榷汲^下限設定的溫度時候，則第一路和第二路設定下限的LED燈會亮起，并且4路上下限的LED燈和每一路上下限的是通過并聯(lián)聯(lián)起來的，不會造成分不清，故，采用此方案。 當測出的溫度與設定的溫度范圍不符時，低于設定溫度，將由加熱控制電路（即溫度控制電路）進行調(diào)整，溫度控制電路由以下兩種方案：方案一：可控硅調(diào)功方法溫度的控制電路可以采用可控硅調(diào)整功的方法來實現(xiàn)。雙向可控硅它就相當于兩個反相而且并聯(lián)的普通的可控硅，具有正反相都能控制導通的特性，可用作調(diào)溫器。 圖217可控硅調(diào)功器輸出功率與通斷電T關系對于這樣的執(zhí)行機構，單片機只要輸出能控制可控硅通斷時間的脈沖作為信號就可以了，這可用一條功線通過程序輸出控制脈沖。為了達到過零觸發(fā)的目的，需要交流電過零檢測電路，此電路輸出對應于50HZ交流電壓過零時刻的脈沖作為觸發(fā)雙向可控硅的同步脈沖，是可控硅在交流電壓過零時刻觸發(fā)導通，電路如