毕业设计-基于单片机的水箱恒温控制系统设计

基于单片机的水箱恒温控制系统设计系别汽车与电气工程系专业电气自动化班级08电气（2）姓名学号指导教师完成时间年月日扬州职业大学毕业论文（设计）论文分类号密级无目录目录I摘要IIIABSTRACTIV第1章绪论111课题研究介绍112国内外发展及趋势1121国外恒温控制系统的发展及趋势1122国内恒温控制系统的发展及趋势213课题设计任务2131设计目的2132系统设计指标3133系统的功能3第2章恒温控制系统总体方案设计421设计方案4211利用PLC实现恒温控制4212利用单片机实现恒温控制422方案论证523恒温水箱控制系统工作原理5第3章恒温水箱控制系硬件设计731主电源模块732CPU主控模块8321AT89C51单片机简介8322AT89C51单片机各引脚功能说明8323AT89C51单片机主要性能指标9324晶振电路与复位电路的设计1033温度采集模块10331DS18B20的特点11332DS18B20内部结构11333DS18B20的内存结构11334DS18B20的测温原理12335DS18B20的指令集13336DS18B20与单片机的接口电路1434按键输入1435继电器模块15351固态继电器SSR工作原理15352固态继电器SSR的特点16353继电器控制电路图1636显示模块17361限流电阻计算18第4章恒温控制系用软件设计1941工作流程1942程序模块19421主程序19422温度传感器驱动子程序20423键盘扫描处理子程序21424温度检测与控制子程序22425温度显示子程序23第5章抗干扰的设计2551电源抗干扰措施25511采用滤波和屏蔽的供电电源25512采用串联开关式稳压电源26513采用高抗干扰电压电源和干扰抑制器2652输入输出通道的抗干扰措施2653软件抗干扰措施26531设置软件陷阱26532增加程序监视系统27533软件冗余措施27参考文献28致谢29附录1单片机源程序30附录2电路原理图36摘要本设计以单片机AT89C51为核心部件，采用单总线型数字式的温度传感器DS18B20作为温度采集，以固态继电器作为加热控制的开关器件，设计制作了带键盘输入控制，动态显示的功能的恒温控制系统。该系统既可以对当前温度进行实时显示，又可以对设定温度进行控制，并使其恒定在某一温度范围。控制键盘设计使设置温度简单快捷，两位整数一位小数的显示方式具有更高的显示精度。建立在增量控制理论上的控制算法，使控制精度完全能满足一般的电子产品的生产要求。通过对系统软件和硬件的合理规划，发挥单片机自身集成多系统功能单元的优势，在不减少功能的前提下有效降低了成本，系统操作简便。关键词AT89C51单片机；DS18B20传感器；恒温控制ABSTRACTTHISDESIGNWITHSINGLECHIPMICROCOMPUTERAT89C51ASTHECORECOMPONENTWITHSINGLEBUSCONTROLDIGITALTEMPERATURESENSORDS18B20ASTEMPERATUREGATHERINGTOSOLIDSTATERELAYASHEATINGCONTROLSWITCHDEVICE,DESIGNANDMAKETHEBELTKEYBOARDINPUTCONTROL,DYNAMICDISPLAYOFTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMTHISSYSTEMNOTONLYCANREALTIMEDISPLAYOFTHECURRENTTEMPERATUREOFSETTEMPERATURE,ANDCANCONTROL,ANDITSCONSTANTINATEMPERATURERANGECONTROLTHEKEYBOARDDESIGNMAKESSETTEMPERATURESIMPLEANDQUICK,TWOINTEGERADECIMALDISPLAYMODEHASHIGHERPRECISIONOFTHESHOWBASEDONINCREMENTALCONTROLTHEORYOFCONTROLALGORITHM,MAKETHECONTROLACCURACYCANBEFULLYMETGENERALELECTRONICPRODUCTSPRODUCTIONREQUIREMENTSTHROUGHTHESYSTEMSOFTWAREANDHARDWAREREASONABLEPLANNING,PLAYMICROCONTROLLERITSELFMORESYSTEMFUNCTIONUNITINTEGRATEDADVANTAGE,INNOTREDUCEFUNCTIONALITYPREMISETOREDUCETHECOSTANDSYSTEMEASYOPERATIONKEYWORDSAT89C51DS18B20SENSORSSOLIDSTATERELAY第1章绪论11课题研究介绍温度是工业上常见的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品加工、机械制造等领域，恒温控制系统被广泛应用于加热炉、热处理炉、反应炉等。在一些温控系统电路中，广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成AD转换器能接收的模拟量，再经过采样保持电路进行AD转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。但是由于传统的信号调理电路实现复杂、易受干扰、不易控制且精度不高。本文介绍单片机通过数字温度传感器检测外部温度对水箱进行恒温控制的设计，采用PID算法来控制PWM波形的产生，进而控制电炉的加热来实现恒温控制。因此，本系统采用一种新型的可编程温度传感器（DS18B20），不需复杂的信号处理电路和AD转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，可根据不同需要用于各种场合。在日常生活中，也经常用到电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等需要进行温度检测与控制的家用电器。采用单片机实现温度控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度地提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量，现以恒温水箱控制系统的设计进行介绍。12国内外发展及趋势随着计算机控制技术的发展，恒温控制已在工业生产领域中得到了广泛应用，并取得了巨大的经济和社会效益。在不同的领域内，由于控制环境、目标、成本等因素，需要针对具体情况来设计系统结构和功能，以取得最佳的控制效果。其中，恒温环境的自动化控制技术在工业生产、商业运营中是一个重要研究课题。121国外恒温控制系统的发展及趋势自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外恒温控制系统发展迅速，并在智能化，自适应参数的自整定等方面取得了很大的科技成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。虽然温度控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器及技术来讲，其总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。122国内恒温控制系统的发展及趋势我国目前在恒温控制技术这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变的温度系统控制。在适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表领域内，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。因此，我国在恒温控制等控制仪表行业与国外还有着一定的差距。从过程量的检测角度出发，温度是最常见的过程变量之一，它是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。而恒温控制技术在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。其温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管恒温控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。13课题设计任务131设计目的设计一个恒温水箱自动调节控制系统，水箱内的水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调节，以保持与设定的温度基本不变。利用单片机AT89C51实现水温的智能控制，使水温能够在60左右实现恒定温度调节，利用数字温度传感器读出水温，并在此基础上将水温调节到通过键盘设定的温度（其方式是加热或降温），并通过数码管显示器实现当前温度与设定温度的显示。132系统设计指标设计一个温度反馈通道的控制系统，主要包括主电路和控制电路。控制电路又包括巡回检测、跟踪比较、PID调节、执行输出、加热装置等多个环节。以下为该恒温控制系统的技术指标（1）预置时显示设定温度，达到定温度时显示实时温度，显示精确到1；（2）恒温箱温度可预置，在误差范围内恒温控制，温度控制误差1；（3）恒温水箱由1KW电炉加热；（4）启动后有运行指示，温度低于预置温度5时进行220V全加热；（5）有较强的抗干扰性能，对升降温过程的线性没有要求；（6）具有相应的保护功能。133系统的功能1可以对温度进行自由设定，但必须在0100内，设定时可以实时显示出设定的温度值；2加热由1台1KW电炉来实现，如果温度不在60时，根据设定的温度值与实际检测的温度值之差来采取不同的加热方式；3能够保持实时显示水温，显示位数4位，分别为百位、十位、个位和小数位。（但由于规定小于100度，所以百位也就没有实现，默认的百位是不显示的）。第2章恒温控制系统总体方案设计本章提出了对恒温控制的两种方案，根据恒温水箱控制系统的控制要求及技术指标，结合两种方案的性能特点，最后选定以单片机为主控制器，增量式的PID算法进行调整控制PWM波形产生的方案作为本控制系统的总体方案。21设计方案对于温度控制的方法也有很多如单片机控制、PLC控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。211利用PLC实现恒温控制这种恒温控制，采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断加热的自控式方式，来达到温度的恒定。智能型电偶温度表将置于被测对象中，热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较，生成温差，自适应恒温控制电路根据差值大小控制电路的断开。212利用单片机实现恒温控制此方案采用单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到核心的控制作用，并且可方便实现数码显示、键盘设定及利用PID算法来控制PWM波形的产生，进而控制电炉的加热来实现恒温控制，其所测结果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法来控制PWM波形的产生，是有效的控制数字脉冲的输出宽度，使固态继电器得到有效和有序的逻辑控制，不会使固态继电器产生误动作。因此利用PWM技术进行脉宽调制的优点是（1）从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换器；（2）让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小，并且噪声只有在强到足以将逻辑“1”改变为逻辑“0”或将逻辑“0”改变为逻辑“1”时，才能对数字信号产生影响；（3）对噪声抵抗能力的增强也是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因；（4）PWM经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。再加上单片机的软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。它可以通过用数字温度传感器采集到的实际水温温度直接进行数码管显示，还能用键盘输入设定值，并且内部含有4KB的EEPROM,不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单，其方案的框图如图21所示。22方案论证采用的PLC实现恒温控制，由于其PLC成本高，且PLC外围系统配置复杂，不利于我们的设计。由于数字调节和运算量大，相反对于AT89C52单片机只要选择合适的参数对于温度的控制精度往往能达到比较好的效果。采用单片机为控制核心的控制系统，利用PID控制原理和PWM技术实现对水箱内水温的控制。基于这样的控制原理和PWM技术的优越性，在对温度控制的系统中，它可达到采用其他控制系统所达不到的控制效果，并且可方便实现数码实时显示、键盘设定、直接可以驱动固态继电器，其测量结果的准确性和精度是非常高的综合各方面的意见，本设计采用单片机来实现温度的控制。23恒温水箱控制系统工作原理根据恒温水箱控制系统的设计任务和要求，确定了系统总体方案之后，现对该方案的具体原理进行详细介绍，它是采用闭环控制结构进行控制的，其具体控制图如图22所示。本系统是采用闭环负反馈的控制方式进行控制的，它通过数字温度传感器检测水箱内的水温温度，把采集到的数据直接送到单片机进行处理，由于数字式温度传感器能在极短时间内把采集到的模拟量转换成数字量，这样被它处理的数据直接送到数字PID模块进行调整和控制PWM波形的产生。然后，把检测到的数据与预先设定的温度值进行比较，根据不同的差值去控制固态继电器的通断，以采取不同的加热方式进行加热升温。另外，还设置了温度实时显示的装置，可以同时显示预先设定的温度值和实际检测到的温度值。第3章恒温水箱控制系硬件设计恒温水箱控制系统主要由六部分组成主电源模块、CPU主控制模块、键盘处理模块、温度采集模块、继电器控制模块及LED显示模块。本章对各模块的硬件电路设计作了详细说明。31主电源模块为防止电源之间的相互干扰，需对电路进行独立供电，本系统采用双电源输出，一个正常之用，一个应急备用。因此电源电路设计输出两路为5V的稳压电源，同时主电路的开关元件为固态继电器，其直流侧的供电电源可选择为5V。由于固态继电器内部带有光耦，其直流侧与交流侧相互隔离，因此其直流侧的供电电源可与数字电路的5V电源共用，另外DS18B20也用5V的稳压电源供电，另外一个5V的稳压电源用来备用，当遇到系统断电时可以把那个备用的稳压电源来应急，这样可以给系统增加了一道应急保险。本装置的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件进行设计，并且所有的集成稳压芯片均装有充分裕量的散热片。系统的供电电源电路如图31所示。图31主电源电路32CPU主控模块CPU主控制模块采用AT89C51芯片，把数字温度传感器采集到的温度信号与原预先设定值进行比较，然后根据其差值通过PID调节整定，控制继电器的通断进行不同加热方式，能用键盘进行输入数据的处理以及温度信号的实时显示。321AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案2。322AT89C51单片机各引脚功能说明（1）VCC供电电压；（2）VDD接地；（3）P0口8位双向I/O口。在访问外部存储器时，P0口用于分时传送低8位地址（地址总线）和8位数据信号（数据总线）。P0口能驱动8个LSTTL门；（4）P1口P1口是一个内部提供拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个LSTTL门电流；5P2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LSTTL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；（6）P3口8位准双向I/O。可做一般口用，同时P3口每一引脚还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）；（7）RST复位输入；（8）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低8位字节；（9）/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/PSEN两次有效输出；10/EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间只访问外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器；当/EA端保持高电平时，从内部程序存储器开始读取；（11）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。图3240引脚双列直插封装图323AT89C51单片机主要性能指标1与MCS51产品指令系统完全兼容；24K字节可重复擦写FLASH闪速存储器；31000次擦写周期；4全静态操作0HZ24MHZ；5三级加密程序存储器；61288字节内部RAM；（7）32个可编程I/O接口；（8）2个16位定时/计数器；（9）6个中断源；（10）可编程串行UART通道；（11）低功耗空闲和掉电模式。324晶振电路与复位电路的设计单片机内部带有时钟电路，只需要在片外通过XTAL1、XTAL2引脚接入定时控制单元（晶体振荡和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。振荡器的工作频率一般在1212MHZ之间，当然在一般情况下频率越快越好，可以保证程序运行速度即保证了控制的实时性。一般采用石英晶振作定时控制元件，在不需要高精度参考时钟时，也可以用电感代替晶振，有时也可以引入外部时钟脉冲信号。接在晶振上的电容虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器的稳定性和起振的快速性。因此，通常选择在1030PF左右，在此次设计时钟电路时，晶振频率选用（12MHZ），电容选用（20PF），并且它们应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。复位电路采用按键电平复位，它通过复位端经电阻与5V电源实现，只要能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期就可实现复位，其时钟电路和复位电路如图33所示。图33时钟电路和复位电路33温度采集模块由于在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。而且一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在本设计中的温度测量系统中，采用美国DALLAS半导体公司的DS18B20温度芯片对水箱内的水温进行采集温度数据，并且由于它抗干扰能力强，是解决这些问题的最有效方案。另外数字温度传感器（DS18B20）具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果和广泛的应用4。331DS18B20的特点（1）独特的单线接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯；（2）在使用中不需要任何外围元件；（3）可用数据线供电，电压范围3055V；（4）测温范围55125。固有测温分辨率为05；（5）通过编程可实现912位的数字读数方式；（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值；（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温；（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。332DS18B20内部结构主要由4部分组成64位光刻R0M、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器，DS18B20的内部结构图如图34所示。图34DS18B20内部结构图333DS18B20的内存结构DSI8B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPROM，后者存放高温和低温触发器TH，TL和结构寄存器。高速暂存RAM包含了9个连续字节（08），前两个字节是测得的温度信息，字节0的内容是温度的低8位，字节1是温度的高8位，字节2是TH（温度上限报警），字节3是TL（温度下限报警），字节4是配置寄存器，用于确定输出分辨率9到12位。第5、6、7个字节是预留寄存器，用于内部计算。字节8是冗余检验字节，校验前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。DS18B20中的温度传感器对温度的测量结果用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以00625/LSB形式表达，其中S为符号位（见图35）。LSBLSB2322202122324LSBLSBSSSSS262524图35温度传感器12位数据在RAM中的存储这是12位转化后得到的16位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中。二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于00625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于00625即可得到实际温度。334DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将55所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度,由于它内部的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值1，其内部测温电路图36所示。335DS18B20的指令集操作ROM的指令共有5条，均为单字节指令，表31是其16进制指令表表31ROM操作16进制指令指令代码指令说明55指定匹配芯片指令CC跳过ROM匹配指令F0搜索芯片指令EC报警芯片搜索33读ROM指令，器件收到这个指令后就把64位ID码传送给主机操作芯片的RAM、E2PROM指令共有6条，均为单字节指令，表32是其16进制指斜率累加器预置减法计数器1计数比较器预置减到零温度寄存器减到零减法计数器2高温度系数振荡器低温度系数振荡器设置/清除最低有效位增加停止图36内部测温电路图令表表32RAM、E2PROM操作16进制指令指令代码指令说明44温度转换指令，并把转换后的数据存放在RAM的B1、B2的两个字节里BE读取温度指令，器件收到这个指令后把B1、B2两个字节的数据传送给主机4E改写RAM的B3、B4、B5的数据，主机发这个指令后再分别发送相应的数据48器件收到这个指令后就将B3、B4、B5的数据写到E2PROMB8器件收到这个指令后就把EEPROM的高H、低L温度报警值写到进B3、B4B4器件收到这个指令后就返回0或者1给主机，0为寄生电源，1为外部电源336DS18B20与单片机的接口电路DS18B20的引脚图及与AT89C51的接口电路如图37所示，其中DS18B20工作在外部电源供电方式，AT89C51单片机采用P30和DS18B20通信。图37DS18B20与AT89C51单片机的接口电路34按键输入在按键模块电路中有4个按键，K1是复位按钮，K2是温度上调按钮,K3是温度下调按钮,K4是输入数据确认按钮,当数据输入完毕后按该按钮进行确认。其硬件电路图如图38所示。图图38按键与单片机的硬件连接35继电器模块351固态继电器SSR工作原理本系统采用固态继电器进行控制,它的控制原理是固态继电器只有两个输入端“”和“”及两个输出端，是一种四端器件。工作时只要在“”、“”上加上一定的控制信号，就可以控制输出两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，其中耦合电路的功能是为“”、“”端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的电联系，以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘耐压等级高；由于输入端的负载是发光二极管，这使固态继电器的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”5。所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，固态继电器即为通态；而当断开控制信号后，固态继电器要等待交流电的正半周与负半周的交界点零电位时，固态继电器才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌电压对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰甚至误动作而设计的，一般是用“RC”串联吸收电路或非线性电阻压敏电阻器。下图为一种典型的交流型SSR的电路原理图3，其内部结构图如图39所示。图39继电器内部结构图352固态继电器SSR的特点（1）SSR成功地实现了弱信号VSR对强电输出端负载电压的控制。由于光耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低约十余毫瓦就可正常工作，而且VSR所需的工作电平与TTL、HTL、CMOS等常用集成电路兼容，可以实现直接联接；（2）SSR由于是全固态电子元件组成，与MER相比，它没有任何可动的机械部件，工作中也没有任何机械动作；SSR由电路的工作状态变换实现“通”和“断”的开关功能，没有电接触点，所以它有一系列MER不具备的优点，即工作高可靠、长寿命有资料表明SSR的开关次数可达108109次，比一般的MER器件高几百倍，无动作噪声；耐振耐机械冲击，安装位置无限制，很容易用绝缘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极佳；（3）交流型SSR由于采用过零触发技术，因而可以使SSR安全地用在计算机输出接口上，不必为在接口上采用MER而产生的一系列对计算机的干扰而烦恼；（4）SSR能承受在数值上可达额定电流十倍左右的浪涌电流的特点。353继电器控制电路图下图是一个控制电阻丝加热的电路图，单片机通过P31口的输出控制继电器的开合并进行通讯,当继电器的开关闭合时，晶闸管的门极触发电路导通，即晶闸管导通，220V的交流电压直接加在加热装置上进行全加热，其电路图如图310所示。图310继电器控制模块及加热装置36显示模块用单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。静态显示数据稳定，使用的硬件较多。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。使用单片机系统串行输出，利用其串/并转换功能，送入数码管显示。基本的半导体数码管是有7个条状发光二极芯片排列而成的，也称为七段数码显示器，可实现09、AF以及H、P的显示。从各发光电极连接方式分为共阳极和共阴极两种。共阳极是指笔画显示器各段发光管的阳极（即P区）是公共的，而阴极互相隔离。共阴极型是笔画显示器各段发光管的阴极（即N区）是公共的，而阳极是互相隔离的，共阴极LED数码管的AG及小数点位DP八个发光二极管加阳极加高电平（“1”）发亮，加低电平（“0”）发暗，而共阳极的LED的数码管的AG及小数点位DP八个发光二极管正好相反，其共阳极的数码管电路图如图311所示。图311数码管的共阳极电路图本电路采用共阳极数码管LG5641A进行动态显示，LG5641A具有四位数码管，这四个数码管的段选A、B、C、D、E、F、G分别接在一起，每一个都拥有一个共阳的位选端，通过动态显示可轮流显示设置温度与测量温度，这有利于节省I/O口。用P00P07口作为位选控制，P20P27口传输要显示的数据，数据线和位选线直接接AT89C51单片机的I/O口即可，因为I/O口输出电流很小并且加上了上拉电阻,这样可以对LED进行驱动，它的电压值足以驱动LED。本设计就是采用动态显示电路，其电路图如图312所示。图312动态显示电路361限流电阻计算R12到19的计算公式5032/R270,所以取R12到R19为300。R4到R11的计算公式R507/20/三极管电阻用47K电阻，R507143K,220电阻的计算10MA（5032）R20MA135R270所以R取220第4章恒温控制系用软件设计对单片机控制的软件设计是系统设计任务中的重点和难点。因此，本章在建立系统各部分软件流程的基础上，设计了各部分的软件控制流程。由于系统的操作过程和工作过程在程序设计的过程中起着很重要的指导作用，因此在软件设计之前应分析加热炉的工作流程。41工作流程此次设计的恒温水箱主要用于医疗卫生、科研、大专院校、实验室等领域，它可用于蒸馏、干燥、浓缩及恒温加热化学药品、生物制品检查血渍和生物实验恒温培养进行消毒之用。因此，系统默认预定温度为60，设置这个温度值既可以起到杀菌消毒的作用又可以有效减少能源的消耗，达到最优的温度控制效果，同时它也可以用设定键来改变其预设温度值。当上电复位后电阻丝先处于停止加热状态，但也可以直接启动运行。运行过程中，系统不断检测当前温度，并送往显示器显示，达到预定值后停止加热；当温度下降到下限（比预定值低5）时再启动加热。这样不断地重复上述过程，使温度保持在预定温度范围之内。运行过程中也可以随时改变设定温度，温度设定好后随即生效，系统按新的设定温度运行。42程序模块系统软件由主程序、键盘输入子程序、设定温度子程序、温度检测子程序、温度控制子程序和显示子程序组成。421主程序主程序完成系统的初始化，调用温度模块程序,对其预置值及其合法性进行检查，预置温度的显示,调用键盘扫描模块等。若正常执行完三个子程序，则返回初始化进入到其它的状态，主程序的流程图见图44所示。开中断调用温度传感器数据采集子程序调用键盘扫描处理子程序调用显示子程序关中断开始初始化图44主程序流程图422温度传感器驱动子程序根据DS18B20的通讯协议，单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤每次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后再发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求单片机将数据线下拉500US，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660US左右，再发出60240US的存在低脉冲，CPU收到此信号表示复位成功。本系统对DS18B20的操作分为3个步骤初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。单片机要与DS18B20通信，首先必须完成初始化单片机产生复位信号，DS18B20返回响应脉冲。ROM命令完成单片机与总线上的某一DS18B20建立联系，有搜寻ROM、读ROM、匹配ROM、忽略ROM、报警查找等命令。这里，单片机只连接1个DS18B20，因此只使用读ROM命令来读取DS18B20的48位ID号。DS18B20功能命令在该步骤中完成温度转换、写暂存寄存器、读暂存寄存器、拷贝暂存寄存器、装载暂存器寄存器、读供电模式命令6。本系统不用温度报警功能，因此在本步骤中只需完成温度转换，然后通过读暂存寄存器命令完成温度转化的结果。所以，本系统对DS18B20进行的操作主要包括两个子过程（1）读取DS18B20的序列号。主机首先发一复位脉冲，等收到返回的存在脉冲后，发出搜索器件的序列号命令，读取DS18B20的序列号；（2）启动DS18B20作温度转换并读取温度值。主机在收到返回的存在脉冲后，发出跳过器件的序列号命令，跟着发出温度转换命令，再次复位并收到返回的存在脉冲后，发送DS18B20的序列号，读出数据（如图45所示）。发送读暂存器命令读取温度值读取48位ID号启动温度转换开始返回初始化图45温度传感器驱动子程序流程图423键盘扫描处理子程序键盘模块的处理是通过对K2，K3，K4进行操作的。K2是温度上调按钮,K3是温度下调按钮,K4是输入数据确认按钮。首先对K4数据输入确认键进行扫描判断是否被按下,并且对K4键设置了一个标志位,当其标志位为1时，表示K4被按下,否则K4没有被按下，具体流程图46所示。424温度检测与控制子程序读取18B20的实时数据与设定值的比较，开始进行加热，在加热的过程中需要进行每2秒一次的跟踪检测，并把检测到的实时数据与设定值比较，根据比较结果进行不同方式的加热，其具体流程如图47所示。425温度显示子程序该模块首先判断系统是否处于设定状态，如果处于设定状态则显示设定温度，否则显示当前实际温度。显示子程序的功能是将显示缓冲区内的二进制数据先转化成对应的BCD码，分别存入十位和个位显示区，然后通过串行通信口送出显示。显示模块程序的流程见图48。第5章抗干扰的设计影响单片机系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰，并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响。这些都构成单片机系统的干扰因素，常会导致单片机系统运行失常，轻则影响产品质量和产量，重则会导致事故，造成重大经济损失。形成干扰的基本要素有三个（1）干扰源指产生干扰的元件、设备或信号，如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源；（2）传播路径指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介，典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射；（3）敏感器件指容易被干扰的对象，如A/D、D/A变换器、单片机、数字IC、弱信号放大器等。51电源抗干扰措施控制设备中很多干扰都来自电源系统，现在的单片机系统，大都使用市电（220V，50HZ）。在工业现场中，由于生产负荷的变化，如大电机的启、停，强电继电器的通、断等，往往造成电源电压的波动，严重时直接影响单片机的正常工作6。因此，必须对交流供电采取一些措施，以抑制由电源引起的干扰。抑制交流电源的干扰，除了与功率大的用电设备分开供电外，还经常采用稳压、隔离、滤波和屏蔽等措施，可根据电网的质量及设备要求，采用适当的措施。511采用滤波和屏蔽的供电电源在交流220V进线处，设置一个低通滤波器，它对50HZ的市电影响很小，而对频率很高的干扰波具有很强的抑制力。滤波器要加屏蔽外壳，使其接地良好；进线端与出线端要严格分开，以防止感应和辐射耦合。电源变压器的初级绕组和次级绕组需分别加屏蔽层，初、次级间再加屏蔽层，且初级的屏蔽层接交流电网的零线，次级屏蔽层和初、次级间的屏蔽层接至直流地端。对于要求较高的系统，可在滤波和屏蔽之前，采取交流稳压及隔离措施，以将交流电网的地与设备地隔离开来。512采用串联开关式稳压电源串联开关式稳压电源是使电路中的串联调整管工作于开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。由于管子饱和导通时的管压降和截止时流经管子的电流都很小，管耗主要发生在状态转换过程中，所以，效率可高达8090。因此，这种电源具有体积小、重量轻、隔离性能好及抗干扰性能强的优点，常被单片机系统采用。另外还有一种开关型电源，它是先把直流电压经过调制和整流，而后再稳压，因而具有很强的抗干扰能力，在智能化仪器和单片机系统中得到了广泛的应用。513采用高抗干扰电压电源和干扰抑制器如应用反激变换器的开关稳压电源，采用频谱均衡法制成的抗干扰抑制器，目前已经有成品出售。对于要求更高的控制系统，如大型单片机系统，可以考虑采用不间断电源（UPS）供电。但UPS电源造价较高，所以在一般中小型系统中不宜采用。52输入输出通道的抗干扰措施对输入输出通道进行电气隔离，为了防止电气干扰信号从输入及输出通道进入单片机系统程序跑飞（俗称“死机”），通常在输入输出通道上采用隔离技术。用于隔离的主要器件有隔离放大器、隔离电压器和光电耦合器等，其中应用的最多的是光电耦合器。光电耦合器由一只发光二极管和一只光电晶体管封装构成。利用光耦合，把两个电路的地环隔开，两电路即拥有各自的地电位基准，它们相互独立而不会造成干扰14。53软件抗干扰措施考虑到控制系统装入生产现场，设备安装就绪后，在改动硬件较困难，我们采用了以下软件可靠性措施，加之和硬件相结合，就可以使许多干扰得到抑制和消除。531设置软件陷阱由于系统干扰可能破坏程序指针PC，PC一旦失控，使程序“乱飞”，可能进入非程序区，造成系统运行的一系列错误。设置软件陷阱，可防止程序“乱飞”。具体的做法是在ROM或RAM中，每隔一些指令，就把连续几个单元设置成空操作。532增加程序监视系统设置陷阱在一定程度上解决了程序“乱飞”，但不能有效的解决死循环问题，采用单片机内部定时器进行监视。具体做法是在程序一开始就启动定时器工作，在主程序中增设定时器赋值指令，使该定时器维持在非溢出工作状态。定时时间要少大于程序一次循环的执行时间。程序正常循环执行一次初值，使其不能溢出。但若程序失控，定时器则记满溢出中断，在中断服务程序中使主程序自动复位又进入初始状态14。533软件冗余措施对于那些多次使用同一功能的软件指令，为了保证指令执行的可靠性，采用了以下措施（1）采用多次读入法，确保开关量输入正确无误。对于按钮和开关状态读入时，配合软件延时，配合软件延时可消除抖动和误动作；（2）不断查询输出状态寄存器，及时纠正输出状态，防止由于干扰引起的输出量变化导致设备误动作；（3）把对控制条件的一次采样、处理控制输出改为循环的采样、处理，这样对于惯性较大的控制部分具有良好的抗干扰作用8。参考文献1李叶紫王喜斌胡辉孙东辉编著MCS_51单片机应用教程清华大学出版社200862陆剑单片机应用技术指导书河南工业职业技术学院2005123汪道辉单片机系统设计与实践电子工业出版社（50页时、分、秒计时器设计，59页键盘及接口技术）4第二版51系列单片机设计实例北京航空航天大学出版社（8189页数码管时钟电路的设计）5辛友顺、胡永生、薛小玲单片机应用系统设计与实现福建科学技术出版社（184186页LED显示接口，190193页键盘接口）6黄庆华、张永格单片机开发与实例电子工业出版社（127162页数字式电子时钟的设计）7闫玉德、俞红MCS51单片机原理与应用（C语言版）机械工业出版社（49104页单片机的C程序设计）8求是科技单片机典型模块设计实例导航人民邮电出版社（8590页单片机数字时钟）9刘守义，王静霞。单片机应用技术西安电子科技大学出版社，2002致谢首先，感谢我的论文指导老师，我的论文在的悉心的指导下完成的，让我懂得了更多，受益匪浅，老师的严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在此期间，让我系统性的认识和全面的掌握了单片机的原理。在刚开始准备做毕业设计的时候，我一头雾水不知道该如何着手，是缪老师教我如何一步一步的完成直至最后的完善。寻找有关的资料和课题并研究设计方案，进行设计的总体规划，理清课程设计思路，但是将这些具体的方案落实到每一个设计环节和步骤中，难免会出现一些错误，这就需要在进行设计的过程中利用所掌握的知识认真排查错误原因，这些都和缪老师的耐心指导是分不开的。同时，我也非常感谢三年里教育我的每一位老师和帮助我的每一位同学，正是有了他们的帮助和支持，我三年的大学时光过的才是如此的充实。在这次设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。为以后的工作积累了经验，增强了信心，既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到问题怎样用理论去解决，它更是自己综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实际能力的重要环节。最后再次真诚感谢给予我热情帮助和关心的所有人附录1单片机源程序FLAG1BITF0DS18B20存在标志位DQBITP30MARKBIT01HMARK1BIT02HSHUCHUBITP27TEMPER_LEQU29HTEMPER_HEQU28H程序起始ORG0000HAJMPMAINORG0003HLJMPZHSFORG000BHLJMPPWMORG0100H主程序开始MAINMOVSP,60HCLRMARKCLRMARK1CLRSHUCHUMOVSCON,50HMOVTMOD,21HMOVPCON,80HMOVTH0,0D8HMOVTL0,0EFHMOVTH1,0F3HMOVTL1,0F3HSETBTR1SETBIT0SETBEX0SETBET0SETBEALCALLINIT_18B20LCALLRE_CONFIGLCALLGET_TEMPERLCALLDELAYZD2JNBMARK1,ZD1SETBTR0AJMPZD3ZD1CLRP32ZD3AJMPZD2ZHSFSETBP32CLRTR0JBMARK,PD3CLRSHUCHUPD3LCALLREADMOVR6,2MOVR0,29HMOVR1,30HZHMOVA,R0ANLA,0FHLCALLASCIIMOVR1,AINCR1MOVA,R0SWAPAANLA,0FHLCALLASCIIMOVR1,ADECR0INCR1DJNZR6,ZHMOVR1,30HCLRTIMOVR6,4TRANMOVA,R1MOVSBUF,AJNBTI,CLRTIINCR1DJNZR6,TRANRECEIVEJNBRI,MOVB,SBUF高位CLRRIJNBRI,MOVA,SBUF低位CLRRICLRMARKLCALLDIGTALMOV35H,AMOVA,BLCALLDIGTALMOVB,16MULABADDA,35HCJNEA,00H,PD1MOVR7,200CLRSHUCHUSJMPENDPPD1CJNEA,0FFH,PD2MOVR7,200SETBSHUCHUSETBMARKSJMPENDPPD2MOVR7,ASETBSHUCHUENDPMOVR6,00HLCALLINIT_18B20LCALLRE_CONFIGLCALLGET_TEMPERMOVTH0,0D8HMOVTL0,0EFHSETBMARK1RETIPWMMOVTH0,0D8HMOVTL0,0EFHINCR6DJNZR7,ENDP1CLRP27MOVA,200CLRCSUBBA,R7MOVR7,AENDP1CJNER6,199,ENDP2CLRMARK1ENDP2RETIDS18B20复位程序INIT_18B20SETBDQNOPCLRDQMOVR0,0FBHTSR1DJNZR0,TSR1延时SETBDQMOVR0,25HTSR2JNBDQ,TSR3DJNZR0,TSR2TSR3SETBFLAG1置标志位，表明DS18B20存在CLRP20二极管指示AJMPTSR5TSR4C