红外温度计显示及控制电路设计.doc

摘 要为小范围空间内的温度进行测量和控制，本文设计了一种利用红外温度计显示及控制电路，在论文中主要采用了红外温度传感器对控制器部分的温度进行采集 ，将非电量信号转换为电信号，转换后的电信号再进入A/D转换器换成数字量，传输给AT89C51单片机处理，以达到对控制对象的温度控制，由LED显示器来显示温度。当温度超出温度控制的范围报警系统会发出报警信号，提醒工作人员进行操作。设计出来的红外温度测量仪对在温室大棚、客厅温度调节、温度快速检测等各方面有重大意义。关键词：单片机 转换器 显示器ABSTRACTWe designed a kind of using infrared thermometer display and control circuit for small area within the space of temperature measurement and control. In this thesis, we mainly used infrared temperature sensor to gather the section temperature controller. It will convert the signals to electricity signal, and be converted to the digital signals by A/D converter. At last, it will transmit to the AT89C51 microcontroller to get processing. Reach for the temperature control of the object, and to display temperature by the LED display. When the temperature exceeds the scope of temperature control the system will alarm issued a warning signal, remind staffs. The successfully developed of the infrared temperature measuring instrument will have the great significance to greenhouse temperature adjustment, awning, sitting room temperature rapid detection.KEYWORDS：singlechip Converter Monitor目录摘 要1ABSTRACT2目录31.绪论51.1概述51.2温度控制的总体设计和思路61.3系统设计72.温度控制电路的设计92.1 温度传感器的选择92.1.1红外传感器的工作原理92.1.2 P7187热释电红外传感器工作原理102.2传感器放大电路及补偿电路的设计112.3 A/D转换器的选择122.3.1 TLC549参数介绍132.3.2 TLC549工作原理132.4单片机AT89C51的结构和原理152.4.1 单片机型号的选择152.4.2 AT89C51的主要性能包括152.4.3 AT89C51单片机主要特性162.5显示系统及接口电路设计192.5.1数字显示器的选择192.5.2 LED工作原理及选型192.5.3 74LS147译码器的选择203.5.4 LED显示电路212.6报警电路222.7 MOC3061控制电路232.7.1控制通道的器件选择232.7.2 MOC3061的功能与结构232.7.3 MOC3061控制电路242.8键盘和时钟、复位电路252.8.1键盘输入252.8.2键盘和时钟、复位电路263.9 MAX232通信电路273.9.1单片机与PC通信的意义273.9.2 MAX232芯片实现单片机与PC通信283.9.3 MAX232通信电路283.10 电源电路293.软件流程图的设计303.1概述303.1.1软件功能分析303.1.2系统时钟周期的设定303.2主程序功能313.3 T0中断服务程序313.4子程序323.4.1给定值的计算程序323.4.2采样子程序323.4.3数字滤波子程序323.4.4 PID算法程序363.4.5温度标度转换363.4.6 LED显示子程序374. 结论415. 经济分析报告42致 谢44参考文献451. 绪论1.1 概述温度控制技术是一种重要的工业技术，在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。利用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。而现在温度的测量逐渐趋向于智能化和集成化等方向发展，那么我们就可以通过掌握智能化仪表的理论知识，结合智能化仪器仪表的结构特点和工作模式，将测量和控制理论应用于设计，以简洁、可靠的方式，完成智能化温度测控器的设计。通过研究，全面掌握智能化仪表的设计原理、方法以及应用技术，设计更精确，更简单的温度测控器。对现实中的生产、生活有极大的帮助。红外测温技术在生产过程中、产品质量控制和监测、设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。比起接触式测温方法，红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。在不同规格的各种型号测温仪中，正确选择红外测温仪型号对用户来说是十分重要的。采用红外成像检测技术可以对正在运行的设备进行非接触检测，拍摄其温度场的分布、测量任何部位的温度值，据此对各种外部及内部故障进行诊断，具有实时、遥测、直观和定量测温等优点，用来检测发电厂、变电所和输电线路的运转设备和带电设备非常方便、有效。利用热像仪检测在线电气设备的方法是红外温度记录法。红外温度记录法是工业上用来无损探测，检测设备性能和掌握其运行状态的一项新技术。与传统的测温方式(如热电偶、不同熔点的蜡片等放置在被测物表面或体内)相比，热像仪可在一定距离内实时、定量、在线检测发热点的温度，通过扫描，还可以绘出设备在运行中的温度梯度热像图，而且灵敏度高，不受电磁场干扰，便于现场使用。它可以在-202000的宽量程内以0.05的高分辨率检测电气设备的热致故障，揭示出如导线接头或线夹发热，以及电气设备中的局部过热点等等。带电设备的红外诊断技术是一门新兴的学科。它是利用带电设备的致热效应，采用专用设备获取从设备表面发出的红外辐射信息，进而判断设备状况和缺陷性质的一门综合技术。1.2温度控制的总体设计和思路本温度控制系统主要是以AT89C51单片机作为控制的核心，通过红外传感器获得温度数据，通过放大电路与补偿电路送入A/D转换器。单片机通过LED显示器将温度显示出来，同时通过控制电路对外界温度进行控制。原理方框图见图1-1所示。图1-1 控制电路原理方框图工作原理：当采样周期达到时，由红外传感器检测外界实际温度，经过放大电路将温度转换为电压信号，在右A/D转换芯片TLC549将电压值转换成数字量，经单片机采集后与设定温度进行比较，根据偏差信号进行PID控制运算，得出相应控制输出量，将控制输出量输出到执行机构进行加热，控制外界温度，使外界实际温度向着给定温度变化并最终达到给定温度，同时将采集的信号显示到LED上。系统时刻检测外界温度，出现异常时出现声光报警。1.3系统设计温度控制系统的硬件设计是系统设计的基础，具有重要意义，主要设计内容包括测量，A/D转换，单片机系统，键盘操作系统，温度显示电路，报警显示。本系统的硬件设计主要包括单片机电路、温度采集电路、A/D转换器、LED显示电路接口、键盘接口及控制电路等。图1-1中饭AT89C51为主控制器件，AT89C51是AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）。本系统采用74LS147芯片来扩展LED显示器，采用MAX232芯片来扩展PC机。以下是部分电路功能简介：（1） 信号采集电路 通过P7187热释电红外传感器采集数据，数据输出后经放大、选频滤波后，与室温测量元件输出进行相加和修正，最后得到与被测物体温度成正比的输出电压，达到数据采集的目标。（2） 单片机电路 AT89C51是整个设计的核心部分，单片机首先将采集后与设定温度进行比较，根据偏差信号进行PID控制运算，得出相应控制输出量，将控制输出量输出到执行机构进行加热，控制外界温度，使外界实际温度向着给定温度变化并最终达到给定温度，从而实现温度控制。同时AT89C51还负责按键的处理、液晶显示以及与上位机进行通信等工作。（3） 声光报警当温度传感器或红外传感器所探测的温度低于或高于所设置的温度上下限（0-100），扬声器就会发出连续的报警声。同时在LED显示器显示“FFFF”，通知操作者进行相应的处理或者在软件上作相应的处理。（4） 按键处理、LED显示键盘主要起中断触发、移位、加一、减一、确定用；显示电路采用LED显示器，把温度控制结果显示在LED显示器上。2.温度控制电路的设计2.1 温度传感器的选择在现实的温度测量电路设计中有很多种传感器可以使用如：热电偶传感器、热电阻传感器、集成温度传感器、红外温度传感器等各种不同类型的温度传感器。依据我们毕业设计的制作要求，选用热释电红外传感器作为传感器作为温度传感器，考虑到测量温度范围在0-100以内，选择的热释电红外传感器为P7187热释电红外传感器。2.1.1红外传感器的工作原理当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电性不能表现出来。某些晶体的表面接受了红外线的辐射能量，其表面产生温度变化，随着温度的上升或下降，这些物质表面上就会产生电荷的变化。图2-1为热释电晶体表面电荷随温度变化的移动情况。图 2-1 热释电效应图可见，当红外线照射热释电元件时，其内部极化作用发生很大的变化，其变化部分作为电荷释放出，从外部取出该电荷就变成传感器的输出电压。由此可见，热释电传感器只有在温度变化时才有输出电压。2.1.2 P7187热释电红外传感器工作原理热释电红外传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱电压V。热释电红外传感器的结构及内部电路见图2-2所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号。P7187热释电红外探测器是由热释电红外传感器、菲涅耳透镜及电子电路组成的一种光电检测装置。他能无接触地检测物体辐射出的红外线并转换成电信号输出。P7187对720m范围波长比较灵敏，他采用了2个热释电元件PZT板，PZT板表面吸收红外线，并在受光面的内外各自安装取出电荷的一对电极，能敏感的捕捉到被测物体或光源，具有很高的灵敏度。这2个受光电极反向串联，可有效地防止背景波动以及干扰光照射时的误动作(一是环境变化引起的误动作，二是使用光调制器时的误动作)对传感器的影响，当2个受光电极同时受到红外线照射时，输出电压相互抵消而无输出。图2-2为组成结构图和P7187等效电路图。图2-2 为P7187热释电红外传感器结构图与等效电路图2.2传感器放大电路及补偿电路的设计测量系统基本电路如图2-3所示。传感器输出信号经放大、选频滤波后，与室温测量元件输出进行相加和修正，最后得到与被测物体温度成正比的输出电压。图2-3 信号放大电路与温度补偿电路传感器输出的信号经C12电容耦合到同相放大器A1，A1的闭环增益为2324之间。同时A1还兼做高通滤波器，A2是一个低通滤波器。A1，A2分别把低于0.3 Hz和高于7 Hz的信号滤掉，使输出的信号仅是经过调制器调制的1 Hz红外辐射信号。由温敏二极管和运算放大器A4组成温度补偿部分，他检测调制器的温度Ta，利用温敏二极管的非线性作温度补偿。根据斯忒藩一波耳兹曼定律，当调制器装置温度为T0，被测温体的温度为T0时，红外线传感器的输出电压为：Vs=K(T04-Ta4) （式2-1）由上式可知，要获得正比于待测物体的绝对温度的电压V，应将 V(Ta)=KTa4 （式2-2） 信号加到上式中进行补偿。V(Ta)由温度补偿电路提供，温度补偿曲线可近似地看成是四次方曲线，这个过程将在加法器A3中完成。A3的作用是将信号电压与温度校正部分的输出进行加法计算。2.3 A/D转换器的选择本系统采用的A/D转换器是选用TLC549，主要结构和特征如下： TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s，TLC549允许的最高转换速率为45 500次/s，TLC549为40 000次/s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。图2-4 TLC549的内部框图和引脚名称2.3.1 TLC549参数介绍极限参数TLC549的极限参数如下：电源电压：6.5V；输入电压范围：0.3VVCC0.3V；输出电压范围：0.3VVCC0.3V；峰值输入电流(任一输入端)：10mA；总峰值输入电流(所有输入端)：30mA；工作温度：TLC549C：070TLC549I：4085 TLC549M：551252.3.2 TLC549工作原理TLC549带有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK是独立工作的，无需特殊速度和相位匹配。当CS为高时，数据DATA OUT端处于高阻态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用TLC549时，共用I/O CLOCK，以减少A/D使用时的I/O控制端口。TLC549的内部框图和引脚名称如图2-5。图2-5 TLC549内部框图TLC549均有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC548、TLC549时，共用I/O CLOCK，以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口。一组通常的控制时序为： (1)将CS置低。内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA OUT端上。 (2) 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3)，片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入。(3)接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位， (4)最后，片上采样保持电路在第8个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后，CS必须为高，或I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步；若CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。写成一段，不分1、2、3、4在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤(1)(4)，可重新启动一次新的A/D转换，与此同时，正在进行的转换终止，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，应使第8个I/O CLOCK时钟的下降沿与该时刻对应，因为芯片虽在第4个I/O CLOCK时钟下降沿开始采样，却在第8个I/O CLOCK的下降沿开始保存。2.4单片机AT89C51的结构和原理2.4.1 单片机型号的选择MCS-51系列单片机是8位增强型，其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线和具有多级识别功能的串行通讯接口（UART），规范了功能单元的SFR控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统。由于单片机具有较高的性能比，国内尤以MCS-51系列单片机应用最广，易于开发、使用灵活、而且体积小、易于开发、抗干扰能力强，可以工作于各种恶劣的条件下，工作稳定等特点。本设计本着应用性，因此选择MCS-51系列的AT89C51单片机作为中央处理器，AT89C51引脚图如图2-6所示。2.4.2 AT89C51的主要性能包括 与MCS51微控制器产品系列兼容。 片内有4KB可在线重复变成的快闪擦写存储器（Flash Memory）。 存储器可循环写入/擦除1000次。 存储数据保存时间为10年。 宽工作电压范围：Vcc可为2.7V6V。 全静态工作：可从0Hz至16MHz。 程序存储器具有3级加密保护。 1288位内部RAM。 32条可编程I/O线。 两个16位定时器/计数器。 中断结构具有5个中断源和2个优先级。 可编程全双工串行通道。 空闲状态维持低功耗和掉电保存存储器内容。图 2-6 AT89C51引脚图2.4.3 AT89C51单片机主要特性AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。 AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。 AT89C51将具有多种功能的8位CPU与EPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性价比远远高于8751。由于片内带EPROM的87C51价格偏高，而片内带FPEROM的89C51价格低而且与Intel80C51兼容，这就显示出了89C51的优越性。 VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 2.5显示系统及接口电路设计2.5.1数字显示器的选择显示器常作为单片机系统中最简单的输出设备，用以显示单片机系统的运行结果与运行状态等。常用的显示器重要有LED数码显示器和LCD液晶显示器。本系统只是需要显示温度信号，信息量很少，LED即可满足要求，而且其亮度高、价格便宜的特点更加适合本系统。所以本系统采用了LED数码管显示器作为显示输出结果。本系统测控精度为不小于1。所以选取四位LED比较合适，选择的LED型号为DM163型。2.5.2 LED工作原理及选型本系统主要使用于低温环境中的温度控制，如：温室大棚，酒店大厅、房间客厅等低温环境下进行温度控制；所以测量的温度范围主要是0100。C以内。LED显示器是由发光二极管显示字段的显示器件，也称数码管。单片机系统中通常使用8段LED数码显示器。如图2-7所示，它由8个发光二极管组成。其中7个长条形的发光二极管列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，通过不同的组合可用来显示各种数字，包括AF在内的部分英文字母和小数点等字样。LED显示器由两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称为共阴极LED显示器。共阴极和共阳极结构的LED显示器各笔画段名和安排位置是相同的，当二极管导通时，相应的笔画段发亮，由发亮的笔画段组合从而显示各种字符。8各笔画段dpgfedcba对应1B（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。图 2-7 LED引脚结构图LED显示器的显示方法由静态显示和动态显示两种。静态显示：所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个8 位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口太多，造成了资源的浪费。动态显示：所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了I/O口，降低了能耗。本系统采用动态显示的显示方式。2.5.3 74LS147译码器的选择为了节省I/O口和方便编程，LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，有些译码器不但要完成译码功能，还带有驱动电路，以驱动数码管工作。BCD码七段译码驱动器，此类译码器有共阳和共阴两类。型号有74LS147（共阳）、74LS148（共阴）、CC4511（共阴）等。本系统采用74LS147，其引脚图如图2-8所示。图 2-8 74LS147引脚图74LS147是由“与非”门、输入缓冲器和7各“与或非”门组成的BCD7段译码器/驱动器。通常是低电平有效，高的灌入电流的输出可直接驱动显示器。7个“与非”门和1个驱动器成对连接，以产生可用的BCD数据及其补码至7个“与或非”译码门。剩下的“与非”门和3个输入缓冲器作为“试灯输入”LT端、灭灯输出BI/RBO端及动态灭灯输入RBI端。该电路接受4位二进制编码十进制数（BCD）输入并借助于辅助输入端状态将输入数据译码后去驱动一个7段显示器。LS47的输出结构设计称能够承受7段显示所需要的相当高的电压。驱动显示器割断所需要高达24mA的电流可以由其高性能的输出晶体管来直接提供。BCD输入计数9以上的显示图案试鉴定输入条件的唯一符号。74LS147有自动前后沿灭零控制（RBI和RBO）。试灯（LT）可在BI/RBO端除于高电平的任何时刻去进行，该电路还含有一个灭灯输入（BI），它用来控制灯的亮度或禁止输出。74LS147这种七段译码器在应用中可以驱动共阳极的发光二极管或者直接驱动白炽灯指示器。3.5.4 LED显示电路LED显示电路如图2-9所示：P0.0P0.3为BCD码的四线输入，经过74LS147译码后，从915脚输出信号给LED的abcdefg显示段，从而能够显示输入为BCD的数字。小数点接在P2.7，由单片机另外控制其通断，从而确定显示精度。P0.4P0.7为片选信号，通过四个三极管C1815接通LED的四个片选端。C1815的作用是电流放大，以驱动LED显示，没有这四个三极管的话，LED的显示亮度将大为减弱。LED显示器显示的范围主要在0-100以内。图2-9 LED显示电路2.6报警电路如图2-10 发声器由P3.7口输出，当温度传感器或红外传感器所探测的温度低于或高于所设置的温度上下限（0-100），扬声器就会发出连续的报警声。同时在LED显示器显示“FFFF”，通知操作者进行相应的处理或者在软件上作相应的处理。图2-10 报警电路2.7 MOC3061控制电路2.7.1控制通道的器件选择在单片机控制系统中，单片机总要对被控对象实现控制操作，因此，在这样的系统中，需要有后向通道。后向通道是计算机实现控制运算处理后，对被控对象的输出通道接口。系统的后向通道是一个输出通道，其特点是弱电控制强电，即小信号输出实现大功率控制。常见的被控对象有电机、电磁开关等。 单片机实现控制是以数字信号或者模拟信号的形式通过I/O口送给被控对象的。其中，数字信号形态的开关量、二进制数字量和频率量可直接用于开关量、数字量系统以及频率控制系统的控制；但是对于一些模拟量控制系统，则应通过D/A 转换器变换成模拟量控制信号以后才能实现控制。D/A转换的原理有电阻解码网络和T型解码网络两种，常用的是T型解码网络。本系统采用晶闸管过零触发调功方式来控制温度。这种触发方式的优点是：晶闸管输出为正弦波，波形无畸变、电磁干扰少、无噪声等。但是常见的晶闸管过零触发装置由同步电路（对三相电源）、检零电路、隔离电路等部分组成，结构复杂。本系统采用了摩托罗拉公司生产的MOC3061光电耦合器件构成的晶闸管过零触发调功电路，这个电路应用于单相、三相大功率电阻炉的调功空文，具有结构简单、成本低、触发可靠等特点。另外，负载上得到的电压电流是完整的正弦波，基本不存在电网波形的畸变和高频干扰。2.7.2 MOC3061的功能与结构MOC3061光电双向可控硅驱动器是美国摩托罗拉公司生产的。其特点是大大加强了静态dv/dt能力，保证了电感负载稳定的开关性能。由于输入与输出采用光电隔离，绝缘电压可达7500V。MOC3061可以用来驱动工作电压为220V（240V）的交流双向可控硅。当交流负载电流较小时，如200mA以下，也可以直接用它带负载。MOC3061系列产品适用于电磁阀以及电磁铁控制、电极驱动、温度控制等，也可以用于固态继电器，交流电源开关等场合。由于采用了光电隔离，并且能用TTL电平驱动，它很容易与微机接口，进行各种自动控制设备的实时控制。如图2-11所示，MOC3061内部由输入输出两部分组成。1、2脚为输入端，输入级是个砷化镓红外发光二极管（LED），该二极管在515mA正向电流作用下，发出足够的红外光，触发输出部分。3、5脚为空脚。4、6脚为输出端，输出级为具有过零检测的光控双向可控硅。当红外发光二极管发射红外光线时，光控双向可控硅触发导通。图 2-11 MOC3061内部结构图2.7.3 MOC3061控制电路MOC3061控制电路图如图2-12所示：在温度控制过程中单片机总要对被控对象实现控制操作，因此，在这样的系统中，需要有后向通道。后向通道是单片机实现控制运算处理后，对被控对象的输出通道接口。系统的后向通道是一个输出通道，其特点是弱电控制强电，即小信号输出实现大功率控制。 R6是门极电阻，当可控硅灵敏度较高时，门极阻抗也很高，并上R6可提高抗干扰能力。R7是触发功率双向可控硅的限流电阻，其值由交流电网电压峰值以及触发器输出端允许重复冲击电流峰值决定。另外电阻R48和电容C10组成浪涌吸收电路，防止浪涌电压损坏双向可控硅。7407为六路高压输出缓冲/驱动器，这里只取其一路，用以驱动MOC3061。图2-12 MOC3061控制电路2.8键盘和时钟、复位电路2.8.1键盘输入在本系统中，设定所要控制的温度值，可以由两个地方设定，一是通过PC设定后传送给单片机，二是通过单片机上的键盘输入设定值。键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备。由于机械触点的弹性作用，一个按钮开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在断开与闭合的瞬间均伴随有一连串的抖动，如图2-13所示。抖动的时间长短由按钮的机械特性决定，一般为510ms。按钮的稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作所决定的，一般为零点几秒至数秒。图 2-13按键抖动情况图键抖动会引起一次键误读多次，为了确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动，在键闭合稳定时取键状态，并且必须判别到键释放稳定后再作处理。按钮的抖动，可用硬件或软件两种方法消除。通常在键数较少时，可用硬件方法消除抖动，如图3-14所示的RS触发器为常用的硬件去抖电路。图3-14用两个与非门构成一个RS触发器。当按钮按下时，输出为“1”；当按钮未按下时，输出为“0” ，此时即使用按钮的机械特性，使按钮因弹性抖动而产生瞬间断开（抖动跳开），只要按钮不返回按下状态，双稳态电路的状态不改变，输出保持为“0”，不会产生抖动的波形。也就是说即使断开或按下按钮时的电压波形是抖动的，但经双稳态电路之后，其输出为正规的矩形波，从而起到了消抖的作用。但是因为本系统采用单片机作为核心控制系统，结合实际情况，采用了软件消抖的方法，这样可以简化电路，节省资源。采用软件消抖的方法是：在第一次检测到有键按下时，执行一段延时20ms的子程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键被按下，从而消除了抖动的影响。 本系统的键盘输入设置了5个按键：一个为中断口，此键按下后系统进入中断，开始设定输入温度值并调用设定显示。一个为移位键，按此键实现移位，以分别对小数位、个位到千位的设定。两个位加减减，实现对设定数值的加一和减一。一个确定键，按下此键表示温度已经设定好，从而跳出中断并保存设定值。图 2-14 RS触发器键盘消抖电路图2.8.2键盘和时钟、复位电路键盘和时钟、复位电路如图2-15所示：键盘设置5个按键：中断触发、移位、加一、减一、确定键。硬件不做消除抖动的电路，由软件消除抖动。89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别石89C51的19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体以及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容器C1和C2通常取30pF左右，对震荡频率有微调作用。本系统选取的晶振为6MHz。复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，是单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或者操作错误使系统处于死锁状态的时候，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动。RST引脚使复位信号的输入端。复位信号使高电平有效，其有效时间应持续24个震荡周期以上。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位使通过外部复位电路的电容充电来实现的。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过复位端经过电阻与Vcc电源接通而实现的。而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。本系统采用的是按键脉冲复位方式。图3-12中的两个电阻和电容作用是保证复位信号高电平持续时间大于两个机器周期。图2-15 键盘和时钟、复位电路3.9 MAX232通信电路3.9.1单片机与PC通信的意义PC机具有强大的监控和管理功能，而单片机则具有快速及灵活的控制特点，电路中单片机与PC机连接的主要作用是利用AT89C51单片机既可以进行数据采集、处理和各种控制任务，又可以将数据传送给PC机，PC机将这些数据进行加工处理或显示、打印，同时将各种控制命令送给各个从机，工作人员可以通过PC机的显示更加直观的了解被测物体的温度变化情况，及时的调整温度控制方案实现被控物体的最优化控制。PC机可以通过三种不同的方法存取串行口，即DOS功能调用、BIOS功能调用和直接驱动硬件。这里不采用DOS调用的方法，因为它不提供任何有关串行口状态的反馈信息，而只是在串行口上“盲写”或“盲读”；也不采用直接驱动硬件的方法，因为它过于繁琐；而是采用BIOS调用，因为它所提供的功能和速度足以编写出令人满意的采用查询方式进行串行通信的程序来，同时也使程序简介明了。PC机中提供了一个有关串行口的BIOS软中断，中断号是14H。这时，采用Turbo C来编写源程序十分简便、有效，因为Turbo C的库函数中提供了专门调用BIOS串行口软中断的函数bioscom。3.9.2 MAX232芯片实现单片机与PC通信MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包括两路接收器和驱动器的IC芯片，适合于各种EIA232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的5V电源电压变换称为RS232C输出电平所需的10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的5V电源就可以了。对于没有12V电源的场合，其适应性更强。加之其价格适中，硬件接口简单，所以被广泛采用。3.9.3 MAX232通信电路MAX232通信电路如图2-16所示：四个电容C1、C2、C3、C4取同样数值的钽电解电容1.0uF/16V，用以提高抗干扰能力，在连接的时候必须尽量靠近MAX232。而且最好要采用钽电解电容，独石电容效果不好。在实际应用中，器件对电源噪声很敏感，因此，Vcc必须要对地加去耦电容C5，其值为0.1uF。RXD、TXD、GND三条线通过DB9串口线接口与PC机相连。图2-16 MAX232通信电路3.10 电源电路根据系统设计要求，可以设计出电源电路的电路图。如图2-17图所示：图2-17 电源电路3.软件流程图的设计3.1概述3.1.1软件功能分析整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件电路设计完成后，则可以根据控制要求进行软件设计,使系统的控制过程达到操作人员的要求。软件主程序主要进行初始化，分配单元设置定时器参数，以便为系统正常工作创造条件。本系统需要实时采集温度数据，然后经过A/D转换为数字信号，存入AT89C51的内部数据存储器，送LED显示，并与设定值进行比较(如：客厅温度控制可以将温度设定在27)，进过微分先行PID算法得到控制量并由单片机输出去控制被控对象。3.1.2系统时钟周期的设定本系统控制程序采用中断嵌套方式来设计，本系统的采样周期在T0中断服务程序启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波，上下限报警处理，PID计算，然后输出控制脉冲信号，脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定，在等待T1中断时，将本次采样数值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序，并继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。MCS-51对内部定时器/计数器的初始化：初始化步骤如下：a 根据题目要求先给定时器方式寄存器TMOD送一个方式控制字，以设定定时器/计数器的相应工作方式。b根据实际需要给定时器/计数器选送定时器初值或计数器初值，以确定需要定时的时间和需要计数的初值。c根据需要给中断允许寄存器IE选送中断控制字和中断优先级寄存器IP选送中断优先级字，以开放相应中断和设定中断优先级。d 给定时器控制寄存器送命令字，以启动或禁止定时器/计数器的运行。3.2主程序功能主程序包括89C51的初始化，有关标志暂存单元和显示缓冲区清零、T0初始化、开CPU中断和温度显示。主程序就是不断地循环显示子程序，等待三个中断到来而进入中断服务程序，使系统不停地对传感器收集的数据进行分析，及时快速的显示出当前实际温度，对设定的目标温度进行修正使控制达到最优化。三个中断服务程序是T0中断、键盘外部中断、串行口中断。T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、PID计算和输出可控硅的同步脉冲等。键盘外部中断是通过电路中的按钮来控制电路的中断触发、移位、加一、减一、确定步骤，来控制对外界温度的调节。串行口中断主要是通过控制单片机的数据传输口的数据传输来控制其他芯片的工作状态。程序流程图如图3-1示。图 3-1 主程序流程图3.3 T0中断服务程序T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、PID计算和输出可控硅的同步脉冲等。流程图如图3-2所示。T1计数器的溢出中断是用来控制89C51的P1.3引脚上输出可控硅的同步触发脉冲，89C51在等待T1溢出中断空隙时间（形成P1.3输出脉冲宽顶）完成把本次采样值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序。T1中断程序框图如图3-3，其中D5H（清零或置位）是用来作为等