毕业设计--传感器测温.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 41 页 共 41 页1 引言 温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。温度的测量和控制在激光器、光纤光栅的设计以及其他的工农业生产和科学研究中应用广泛。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同。在工业领域，如电机的轴温，胶带滚筒的表面温度，工业冷却循环水温，加热设备的炉温，啤酒的麦芽发酵温度，各种化工原料在化学反应时控制的温度等等。在民用领域，超市的食品架内温度，人们生活空间环境的温度，空调的控制温度，人体的体温测量，冰箱、冰柜的温度测量，太阳能热水器的温度控制等等。11 本课题研究的背景及意义 众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池）。因而尚未被人们大规模的使用。在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。太阳能热水器是以太阳能光热转换，利用温室效应和虹吸原理使水加热的装置，此装置分为两个不同的概念：（1） 太阳能热水工程系统，这种系统由太阳能集热器、储水箱管线、补水箱组成不同形式的热水系统，包括自然循环式、定温放水式等等，可构成提供热水10吨到100吨的装置，大多提供集体单位使用。（2） 太阳能热水器是指将上述各种部件组装成一个小系统，提供家庭或需要产热水1吨以下的单位使用，此种装置算为太阳能热水器。太阳能热水器（或系统）均以其采光面积作为计量单位，一般1平方米光面积可产热水100升，采光面积每种型号不同，一般在1.52.0平方米。我国从“六五”计划期间开始推广太阳能热水器，到目前全国已有250万平方米采光面积的太阳能热水器，厂家又几家发展到全国约有180家左右，是目前世界上推广最大的国家之一，而且形成了规模，形成了中国特色的太阳能企业，有中国太阳能协会为中心的学术中心，以中国农村能源企业协会太阳能热利用专业委员会为中心，制定了产品标准、测试条件、产品合格证颁发等一系列措施。世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。例如：澳大利亚政府规定，在北部地区新建房一定要设置太阳能热水器，澳大利亚已有25%的新住宅安装了太阳能热水器。日本现在每年安装太阳能热水器近50万台，现在有20%的家庭安装了太阳能热水器，计划今后普及率达到25%，按照日本的“阳光计划”还将为公寓，办公楼安装6500套太阳能热水系统，为工厂安装1900套工业用太阳能热水系统。以色列的法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器，目前普及率已超过60%。英、法、德、意、希腊五国到2000年底推广热水器600万平方米，比1990年增长2倍多。国内外太阳能热水器使用量增长如此之快，其根本原因是：能源问题、环保问题是当今世界各国面临的主要问题之一。太阳能热水器是节能、环保产品，故受到广泛重视，发展极快，预计今后每年将以15%20%的速度发展。太阳能热水器与电热水器、燃气热水器相比，还具有绝对安全，最为卫生的特点，在电费，液化气、煤气价格较高的地区，用户13年即收回投资，在这以后提供的热水是免费的。太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计安装使用总量已达300万平方米以上。所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可靠、精度高等特为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。但是由于一些客观原因，如冬天的气温普遍偏低，太阳能热水器对水的加热达不到人们的需要；又或者在阴雨天，太阳不能直射地表，太阳能热水器很难正常工作。 降水和日照以江苏省为例： （1） 降水方面，冬季 （2007年12月2008年2月） 与常年同期相比，淮北部分地区偏少1成以下，其它地区偏多0.38成。全省平均降水量124.2毫米，较常年偏多3成。南京与常年同期相比偏多6成；春季 （35月）与常年同期相比，沭阳、赣榆偏多1倍以上，淮北大部地区偏多19成，其它地区偏少15成。南京与常年同期相比偏少2.1成；夏季 （68月）与常年同期相比，江淮之间北部、淮北和苏南南部偏多16成，其它地区偏少12成。南京与常年同期持平。秋季 （911月）与常年同期相比，苏州、无锡和南通大部地区偏多13成，其它地区偏少17成。南京与常年同期相比偏少4.2成。（2） 日照方面：2008年全省各站日照时数为1602.6（高淳）2263.4（丰县）小时，与常年同期相比，除常州、镇江、高邮、宜兴、溧阳等站点较常年偏多0.11成外，其它大部分台站日照时数较常年偏少0.12.5成。气温以辽宁省为例：冬季（2007年12月2008年2月）全省各地月平均气温为-13.9-1.7，其中铁岭大部、抚顺以及朝阳西北部地区在-10以下，西丰地区最低为-13.9，大连南部地区在-4以上，其余地区在-9.5-4.3之间，与常年同期相比，阜新西部和沈阳南部偏低1，其余地区偏高1或持平1。所以需要在太阳能热水器中加入辅助加热电路使得太阳能热水器可以在不同的环境条件下达到我们所需的水温要求。本文将介绍一种基于AT89C51单片机的太阳能热水器辅助加热系统。12 课题研究内容和要求本课题以AT89C51单片机为温度采集和控制核心，采用DS18B20数字化温度传感器对温度进行采集，然后由单片机对采集的温度信号进行处理、显示并根据设定温度值驱动加热器件实现对水温的控制。具体要求如下： （1） 温度设定范围为5070后，最小区分度为1； （2） 控制外部加热器件工作； （3） 温度实时显示，并可通过键盘设定。13 本论文章节安排第1章 引言，介绍了本课题的背景及要实现的目标； 第二章方案论证，具体包括辅助加热系统的可行性分析，温度传感器的选择，以及太阳能热水器辅助加热系统的总体设计思想；第三章硬件部分，太阳能热水器辅助加热系统的硬件设计，硬件模块包括DS18B20温度采集模块，AT89C51控制模块，键盘、显示及警报电路，温度控制模块，水位控制模块，电源电路设计； 第四章软件部分，采用模块化程序设计思想，编写相应的软件程序，并进行调试和运行。软件包括温度采集模块，LED动态显示模块，键盘扫描模块，水位控制模块； 第五章系统调试，对太阳能热水器辅助加热系统进行调试，并对电路进行仿真和数据分析。2 方案论证温度控制电路有各种各样的，在不同的要求和条件下有着各自的优势，对于本设计来说要选用最符合技术要求的，性价比最高的电路设计。而对于温度控制系统来说，温度的采集系统的选择才是重中之重。21 常见的温度采集系统在当今信息化时代发展过程中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件传感器或智能传感器，已经成为各个应用领域中不可缺少的重要技术工具。传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以生存和发展的物质与技术基础。传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应和机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此，传感器的组成的细节有较大差异，但是，总的说来，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）与检出被测对象的待测信息（非电量）的部分。转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）除的信息直接转换成电信号的部分。一般传感器的组成部分如图2.1所示。被测信息敏感元件转换元件信号调节电路辅助电路输出信息 图2.1 传感器结构框图2.1.1 电阻温度探测器热敏电阻传感器使用一个电阻值随着温度信号变化的传感元件。一个铂电阻温度探测器由一个缠绕在卷线筒上的铂金属线卷组成。传感器电阻-温度特性曲线接近于线性函数，如图2.2所示。电阻温度探测器的电阻曲线是稍低的那条，为了便于比较，另一条直线也被画出。虽然在坐标范围的两端的温度呈现非线性，不过这个问题是可以通过一些方法解决的。温度（）电阻（）图2.2 电阻温度探测器的电阻-温度曲线对于非线性的更正可以通过一个线性化电路实现或者将标准电阻值数字化后用查找表格方法实现。因为电阻温度探测器的电阻温度曲线可以在一个宽温度范围内（大概-250到+750）正常工作，以及铂金属的稳定性，你会在许多精确传感应用上发现它的身影。 电阻温度探测器信号处理电路的复杂性由实际应用的要求决定。通常，一个已知的、精确的电流经过传感器，在传感器两端转换出的电压是规则的。传感器的几个组成部分必然产生自身误差。如果传感器的导线是长四线接头就可以消除导线电阻带来的影响，但这也可能增加放大器的复杂度。电阻温度探测器在一些应用中也有缺点。例如一个铂金属丝缠绕的电阻温度探测器的成本相对要高，而薄膜电阻温度探测器或者由其他金属制成的传感器可以只花费差不多几块钱。另一方面，这些装置会发生自发热现象，如果提供传感器电压的电源导致了温度升高，就会影响测量的精确度。驱动传感器的电路中几毫安的电流就可以产生好几度的自发热误差。电阻温度曲线的非线性在一些应用中是一个缺点，不过像上文中提到的，那是完全可以通过一些措施解决的问题2。2.1.2 AD590构成的温度采集电路AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。实际上，中国也开发出了同类型的产品SG590。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在515V之间变化，其电流只是在1A以下作微小变化。 （1） AD590的功能及特性：AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡AD590，的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L， AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图6 所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V+；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如下图所示。图2.3 AD590的外形电路图和集成温度传感器电路符号 （2） AD590的主特性参数如下：工作电压：430V；工作温度：55150保存温度：65175；正向电压：44V；反向电压：20V；焊接温度：（10S）；300；灵敏度：1A/K （3） AD590组成的测温电路图2.4 温度传感器的接口电路 AD590构成的温度采集电路可以满足本设计的要求，但是相对于DS18B20来说，它需要进行A/D转换，在步骤上就比本设计提出的方案复杂了3。2.1.3 热电偶 热电偶是由两种不同金属做成的金属丝连接起来组成的。例如：一种J型热电偶由铁和一种铜镍合金制成，如图2.5所示，交叉1点在要被测量的温度上，交叉点2和3被保持在一个不同的已知的温度。输出的电压大约和交叉点1和交叉点2和3之间温度的差值成比例。图2.5 一种热电偶的结构因为一个热电偶灵敏度（即塞贝克系数）有点小，属于大概每一摄氏度数变化十微伏那种，我们需要将信号通过一个低增益放大器来产生一个适合的输出电压。热电偶的温度-电压转移函数的非线性性（图2.6）在坐标范围上的两端部分表现比较明显，因此热电偶和电阻温度探测器一样，通常需要补偿电路或者查表线性化问题。因为热电偶的低发热量和宽工作温度范围（普通型工作温度上沿可以到大概输入电压（mV）温度（）Error()温度（）图2.6 型热电偶温度一电压转移函数1700 ），所以尽管存在这些缺点，热电偶仍是十分常用的。表2.1展现了一些类型的热电偶的塞贝克系数和工作温度范围。表2.1 一些热电偶类型的塞贝克系数和工作温度范围类型塞贝克系数 v/温度范围（）E58.5000 to 1700 J50.2000 to 750K39.400-200 to 1250R11.5000 to 1450 热电偶的主要缺点：热电偶构成的温度采集系统最大的缺点就是灵敏度不够。热电偶测温范围很大而且测温是按函数变化的从而导致了其精度的降低。另外热电偶的端点是由贵重金属构成，这将会使得设计的成本大大的提高4。22 本设计采用的方案结合上面几个传感器的优缺点，本课题将选用DS18B20数字温度传感器构成基于AT89C51单片机的太阳能热水器辅助加热系统。DS18B20温度传感器的最大优点是利用了单总线的技术，使得它在编程过程中更方便。DS18B20片内ROM中有唯一的64位序列号，所以可以在一根总线上挂接任意多个DS18B20，这样就可以很方便地构成单线多点温度测量系统。DS18B20的工作电压为+5V，可以通过DS18B20的电源引脚进行供电，也可以通过DS18B20的数据线进行寄生供电。DS18B20的测温范围从-55到125，测量精度可以达到0.0625，DS18B20的温度转换结果的位数可以由软件编程确定，可以直接输出9至12位的数字信号，默认值为12位。另外它的温度采集灵敏度和温度采集区间都能够达到设计所需的要求。因此使用DS18B20温度传感器可以使得整个设计更简单，性价比更高。基于AT89C51单片机的太阳能热水器辅助加热系统的总体框图如图2.7。从图中可知，整个电路分成三个部分：信号采集部分、显示控制部分和数据处理部分。图2.7 系统总体框图 信号采集部分：通过DS18B20温度传感器将水温进行采集，然后通过数据线传送到AT89C51单片机；水位采集部分将水位数据传递给单片机。 显示控制部分：通过LED数码管将采集到的温度实时的显示出来。通过键盘输入调节所要控制的温度范围，使得设计更加人性化。加入蜂鸣器构成警报系统，对温度过高过低进行警报。加入继电器控制加热电路和电磁阀分别对水温和水位进行调节。 数据处理部分：利用AT89C51单片机对采集到的数据进行处理，同时对各个工作部件进行系统化的中枢控制。 电路工作过程： DS18B20温度采集模块能够采集到水温，然后通过数据线传输到AT89C51单片机，通过与键盘预设值的比较，如果水温低于设定值50，则单片机给出信号，通过驱动继电器，让加热电路工作；反之加热电路不工作或停止工作。 水位采集模块通过水位信号对单片机的反馈，做出电磁阀开关的调整。达到高水位时，电磁阀停止，当水位降到低水位以下时，电磁阀开始工作。3 系统硬件设计与实现 硬件部分主要是对整个电路的设计，可以通过各个模块的设计来构成一个功能完整的电路。硬件电路分为六部分：DS18B20温度采集模块，AT89C51控制模块，键盘、显示及警报电路，温度控制模块，水位控制模块，电源电路设计。31 温度采集模块 本设计采用数字温度传感器DS18B20作为温度采集的主要元件。3.1.1 DS18B20的描述DS18B20是美国DALLAS公司生产的新型单总线数字温度传感器，单总线顾名思义只有一根数据线，它可以将测量到的温度结果以串行数字信号输出，易与微控制器连接。DS18B20进行一次温度采集至多需要大约1秒钟的时间，在本设计中能够满足需要。DS18B20内部存储器包括一个暂存ROM和一个非易失性电可擦除EZRAM。其中暂存存储器作用是在单总线通信时确保数据整性，它包括8个字节，头两个字节为转换的温度读数。 （1） DS1820的特性： 单线接口：仅需一根口线与MCU连接； 无需外围元件； 由总线提供电源； 测温范围为-55+125，精度为0.5； 九位温度读数； A/D变换时间为200ms； 用户自设定温度报警上下限，其值是非易失性的； 报警搜索命令可识别哪片DS1820超温度限。 （2） 管脚图及管脚说明： DS18B20的管脚图如图3.1所示。图3.1 DS18B20的管脚图 DS18B20的管脚定义如表3.1所示。表3.1 DS18B20的管脚定义TSOC封装SOIC封装TO-92封装名称功能151GND接地242DQ输入/输出333VDD电源（3） DS18B20的温度计算 DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。DS18B20的数据格式如表3.2所示。表3.2 DS18B20的数据格式Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0LS Byte232221202-12-22-32-4Bit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8MS ByteSSSSS262524这是转化后得到的12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以0.0625，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再乘以0.0625，即可得到实际温度。3.1.2 DS18B20与单片机的接口电路 DS18B20有两种常用的供电方式，第一种方式在DS18B20内部稳定转换时，为DQ线上提供很强的上拉，采用电力MOSFET直接给DS18B20供电，采用这种供电方式时，DS18B20的VCC管脚必须接地。第二种供电方式使用得比较普遍，具体接法如下所示。将外部电源直接接到DS18B20的VCC上，这种方式下单片机的一个I/O口线上可以接多片DS18B20芯片。本设计采用第二种供电方式，连接电路图如图3.2所示5。图3.2 DS18B20与单片机的连接电路32 AT89C51控制模块 单片机控制系统包括AT89C51单片机以及它的外围电路（晶振电路和复位电路）。3.2.1 单片机系统发展随着计算机技术的发展，单片机技术已成为计算机技术中的一个独立的分支，单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。从应用领域看，单片机主要用于控制，所以也称它为微控制器。目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片化发展。自1975年美国德克萨斯仪器公司第一块单片机芯片TMS-1000问世以来，在短短的20余年间，单片机技术已发展成为计算机技术中一个非常有活力的分支，它有自己的技术特征、规范、发展道路和应用环境。按单片机的生产技术和应用对象，单片机先后经历了4位机、8位机、16位机、32位机几个有代表性的发展阶段。3.2.2 单片机AT89C51简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能COMS八位单片机，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（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机适用于高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域。 （1） AT89C51的主要性能参数和功能特性AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 （2） AT89C51的引脚及引脚图的描述AT89C51的引脚图如图3.3所示。图3.3 AT89C51的引脚图AT89C51的各个引脚的功能如下：VCC：电源电压GND：接地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2 口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容，在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并作为输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.3所示。表3.3 单片机P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2 （外部中断0）P3.3 （外部中断1）P3.4T0 （定时/计数器0）P3.5T1 （定时/计数器1）P3.6 （外部数据存储器写选通）P3.7 （外部数据存储器读选通）P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。XTAL1：振荡器反相放大器的输出端及时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端及时钟发生器的输入端。 （3） AT89C51的工作方式 AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷振荡器一起构成自激振荡器。振荡电路如图3.8所示（左）。外接石英晶体（或陶瓷振荡器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，则电容使用30pF10pF，而如果使用陶瓷振荡器，则需要选择40pF10pF。在使用AT89C51时还可采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图3.4所示（右）。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。 （a） 内部振荡电路 （b） 外部振荡电路图3.4 单片机的振荡电路由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源控制寄存器）中的PD（PCON.1）和IDL（PCON.0）位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲工作等待方式，当IDL=1，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，只种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位。复位后将重新定义全部特殊功能寄存器，但不改变RAM中的内容。在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启并稳定工作。63.2.3 复位电路设计 复位电路主要使用MAX813L芯片，芯片特点：加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200ms；独立的看门狗输出，如果看门狗输入在1.6s内未被触发，其输出将变为高电平；1.25V门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或+5V以外的电源监控；低电平有效的手动复位输入；8引脚DIP封装。MAX813L的芯片引脚排列如图3.5。图3.5 MAX813L 芯片引脚排列图MAX813L的部分引脚说明如表3.4所示。表3.4 MAX813L引脚的功能描述端口引脚管脚功能1手动复位输入端：当该端输入低电平保持140ms以上，MAX813L就输出复位信号。该输入端的最小输入脉宽要求可以有效的消除开关的抖动。与TTL/CMOS兼容。VCC2工作电源端：接+5V电源。GND3电源接地端。PFI4电源故障输入端：当该端输入电压低于1.25V时，5号引脚输出端的信号由高电平变为低电平。5电源故障输出端：电源正常时，保持电源变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。WDI6看门狗信号输入端：程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1.6s该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。RST7复位信号输出端：上电时，自动产生200ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。8看门狗信号输出端：正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。 MAX813L的基本工作原理：当电路及程序遇到特殊原因（包括掉电、程序死循环等）而造成中断时，则MAX813L产生复位信号，引导单片机重新进入正常运行。 当电源异常时，激活掉电方式，与非门输出为低电平，时钟发生器停止工作，单片机内部所有运行状态均被停止，只有片内RAM和SFR中的数据被保存起来。在单片机系统中可借助于一定的外部附加电路监测电源电压，并在电源发生故障是及时通知单片机（如通过引发中断来实现）快速保存重要数据，且断开外围设备，使整个应用系统的功耗降到最小。当电源恢复正常时，取消掉电工作方式，通过单片机，使系统重新正常工作。 图3.6给出了MAX813L在单片机系统中应用电路图。此电路可以实现上电、瞬时掉电以及程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以实时地监视电源故障，以便及时地保存数据。图3.6 MAX813L在AT89C51单片机系统中的应用 电路利用MAX813L的手动复位输入端。只要程序一旦“死机”，端电平由高到低，当变低超过140ms，将引起MAX813L产生一个200ms的复位脉冲。同时使看门狗定时器清零和使引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使MAX813L产生复位脉冲，由于为产生复位脉冲端要求低电平至少保持140ms以上，故可以有效地消除开关抖动。该电路可以实时地监视电源故障（掉电、电压降低等）。图中R1的一端接未经稳压的直流电源。电源正常时，确保R2上的电压高于1.26V，即保证MAX813L的PFI输入端电平高于1.26V。当电源发生故障，PFI输入端的电平低于1.26V时，电源故障输出端电平由高变低，引起单片机中断，CPU响应中断，执行相应的中断服务程序，保护数据，断开外部用电电路等7。本设计中单片机各端口的实际使用如表3.5。表3.5 端口实际使用端口号实际使用情况描述P0口LED数码管显示口P1.0，P1.1水位信号采集口P1.2电磁阀控制P1.3水位控制，防出错自动锁定系统P1.5温度警报控制P1.6温度信号采集断口P1.7加热电路控制P2.0电磁阀电源指示灯P2.1加热电路电源指示灯P2.4-P2.7LED显示位扫描P3.0-P3.2，P3.4-P3.7键盘输入端口33 键盘、显示及警报电路设计键盘电路是对温度值进行设置，显示电路是对实时的温度进行显示，警报电路是对温度超出给定范围，进行提示。3.3.1 键盘电路设计 键盘电路的设计为了便于输入，也为了能够尽可能的节省管脚，键盘设计采用了4x3的设计。包括09数字输入，显示切换以及位数切换。显示切换是实现下限温度，上限温度以及实时温度之间的显示切换。位数切换是完成上下限温度设定时个位，十位，百位的切换。具体结构如图3.8。图3.8 键盘电路设计3.3.2 显示及警报电路显示电路由4个LED数码管或4位LED管构成，警报电路用蜂鸣器构成。 （1） 显示电路显示电路采用4位LED数码管或4个LED数码管显示。DS18B20温度测量范围是在-55+125。又因为精度在0.1，所以综合以上要求，选择使用4位数码管。电路图如图3.9。图3.9 数码管显示电路 （2） 警报电路警报电路由蜂鸣器和三极管组成，它的作用是在温度值过高或过低时给出声音警报，提示加热电路开始工作或停止工作。当P1.5口有信号输入时，警报器响起。电路图如图3.108。图3.10 数字显示和警报系统电路设计34 加热电路驱动模块 温度控制模块主要是继电器的驱动，然后通过继电器来控制电热丝的关通电，从而控制水温。 将采集到温度与给定值进行比较，然后通过驱动程序控制继电器的工作。利用继电器来控制辅助加热电路对水温进行调节。工作流程如图3.11。图3.11 继电器工作过程 继电器控制的加热电路如图3.12所示。图3.12 继电器控制的加热电路二极管1N4007的功能是提供保护，当断电时电路中还有电，为了防止元器件烧坏，所以二极管是至关重要的。单片机给予一个信号，则控制电源经继电器和T导通，则继电器工作，无信号时，由于三极管存在电路无法导通，继电器不工作9。35 水位控制模块 水位控制模块主要功能是对蓄水管内的水位检测，并通过继电器驱动的电磁阀对水位进行调节。本设计将采用浮球作为水位传感器。 小型浮球开关通常是在密闭的金属管或塑胶管内，设置一个或多个磁簧开关（干簧管）之后将在管子上贯穿一个或多个磁簧开关（干簧管）之后将在管子上贯穿一个或多个中空且内部有环型磁铁的浮球固定在杆径上，并用环扣固定在磁簧相关位置上，使浮球在一定的范围内上下浮动，利用浮球内的磁铁去吸引磁簧开关的接点，使之产生开与关的动作信号，以次来控制液位。 小型浮球开关的特点： 可做多点控制，控制开关可随液位位置定制；用磁簧开关不需要单独提供电源，磁簧接点寿命一般可达200万次；单只可做多点控制，相对比其它液位开关单价低；可靠性高，配线成本低，安装容易；接线盒的规格齐全，有铝合金，塑胶，不锈钢等材质；成品材质有不锈钢SUS304/316，可用于高温高压场所，另有PP，PVC，PVDF塑胶材质，可用于强酸碱场所；接线盒防护等级IP-65以上；本产品可适用于不同密度、不同酸碱、不同压力温度的液体。技术参数： （1） 接点容量：70W/SPST； （2） 开关电流：0.7A； （3） 开关电压：220VAC/200VDC； （4） 触点阻抗：100mOmega； （5） 电气寿命：1000000万次； （6） 工作温度：-10+200。但是为了能够在Proteus软件上仿真我将浮球构成的水位传感器改为开关，便于理解和实现浮球水位传感器的原理，其中设置了上下水位，A和B，电磁阀持续上水，到达高水位A时电磁阀停止工作；用户用水后，水位会下降，当水位下降到B时，电磁阀再次工作，加水直到A。为了避免电磁阀损坏或要更换等意外的发生，加入了一个开关K3来控制上水，当K3断开时自动停止上水。在R2后接一个LED灯用来检测水位测试系统是否正常工作，当工作不正常时，自动停止上水，并且LED灯亮。水位采集电路如图3.13。继电器驱动的电磁阀，作用是控制水位，达到自动上水的功能，电路如图3.1410。图3.13 水位采集电路图3.14 电磁阀控制电路36 电源电路设计线性电源一般用在小电流或都是压降小的地方。线性电源就像一个电阻和负阻串联一样，线性电源的功耗与负载功耗是正比关系，负载功率越高，电源的功耗也就越高，并且，线性电源两端的压差越大，损耗越高。优点是可调范围大。开关电源是采用开关形式，解决了线性电源的功耗大的缺点，但是可调范围窄。稳压块的电源选择很重要，输入电压的范围，不能大也不能小，大了，如+35V就会烧管子，因为78XX里面也是晶体管做的，有耐压要求；小了，如7805输入6V输出不了5V，因为里面的电路正常工作需要一定的压降。输出电流主要是不能太大。里面的晶体管也就最大输出1A，负载过大，要求的电流超过了这个最大值肯定不行。另外就是功耗的计算。简单算来，功耗计算=（输入电压输出电压）*输出电流。功耗也不能超过指标的要求，大了要加散热器的，并且要留余量的。如果非得要简单点的电路不用dc-dc的话，就选个耐压高的三极管做个线性电源的了；其实，使用小功率的dc-dc模块挺方便的，封装也有很小的，发热小，输入电压范围宽。本设计的电源电路采用的设计方法如下，用220V9V的变压器降压，再用4个1N4007全波整流。 然后并接一个1000uf/25V以上的电解电容滤波。再并接一个0.1uf的小电容然后输入7805的1脚；7805的2脚接地；7805的3脚输出，加一个0.1UF的电容到地。7805输入接+9V直流是不会很热的，热量和你的负载的大小和压降有关，LM7805输入最高可以到18V，可以视负载大小加一定大小的散热器，一般200MA以下的负载不用加散热器就可以。也有的选用+12V直流电源的，本设计选用+9V直流电源是较合适的，发热量不是很大，无须加散热器即可。原理图如图3.15所示11。图3.15 小功率电源电路原理图4 软件设计本设计的软件设计分成以下几部分，软件总体框图，温度采集和显示，键盘扫描，水位控制等几方面组成。目标是实现水温显示控制，水位控制。温度控制：水温控制在5070，当水温低于50时控制加热电路的继电器工作。直至水温加热到70，此时加热电路工作停止。当水温低于50或高于70时警报器响。水位控制：本设计对水位的控制有三个方面：控制高水位，控制低水位和提示。系统开始时，必须先检测水位的档位：其为高水位，则需停止加水。而当水不够，为低水位时，则应进行上水操作。并用LED指示实时水位。 另对于键盘控制和温度采集显示也需要进行程序设计12。41 软件总体框图主程序作用是终端控制，即调节各部分模块使得他们能够正常工做。主要的过程包括温度采集，温度显示，温度设置，水位控制。具体框图如图4.1。图4.1 软件总体框图42 温度采集和显示 DS18B20简单的硬件接口是以相对复杂的接口编程为代价。由于DS18B20通过单总线与单片机进行通讯，所以其通讯功能是分时完成的。他与单片机的接口协议是通过严格的时序来实现的，只有在特定的时隙，才能实现DS18B20数据的写入和读出。这里以AT89C51和一个DS18B20通讯为例，列出部分通讯的汇编语言代码。图4.2 温度采集及显示总体框图4.2.1 温度采集模块 温度采集是通过DS18B20采集到温度数据，在经过BCD码转换，将温度数据通过数码管显示出来。 DS18B20的执行序列： （1） 初始化（发一个不少于480us的低电平脉冲）； （2） 执行ROM命令，主要用于寻址； （3） 执行DS18B20的存储控制命令，用于转换和读数据； （4） DS18B20的I/O信号有复位脉冲，应答脉冲，写0，写1和读1等几种，除应答脉冲由DS18B20发出外，其余都由主机发出。 依据上述过程可画出程序框图如图4.3。DS18B20采样并输出到显示部分的具体流程如图4.413。图4.3 单片机采样程序框图图4.4 温度采集转换具体流程图4.2.2 LED动态程序模块设计在采用动态扫描方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率。当扫描频率在50100HZ左右时，能够产生足够的图形和较好的显示效果。一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的现实时间1MS。在单片机中定时功能既可以由硬件（定时/计数器）实现，也可以通过软件定时程序实现。软件延时程序占用CPU的时间，因此，它降低了CPU的使用效率；硬件定时是利用单片机内定时器定时，启动以后定时器可与CPU并行工作，不占用CPU的时间，使CPU有较高的工作效率。在这次的设计中，采用硬件定时和软件定时并用的方式，即用定时器0一处中断功能实现10ms定时，通过软件延时程序实现延时程序的功能。 （1） 上下限温度警报中断程序功能。（a） 从显示缓冲区分别取出4位LED显示器显示数据的位码和段码，送到P1口，依次显示每一位，每一位的现实时间为1MS，显示三位需要3MS的时间。（b） 设置当前上下限温度时，当前调整位应具有闪烁功能，用来提示当前调整位是哪一位。因此，在每一位显示之前都要进行判断，该位是否闪烁位，然后决定进行正常显示还是闪烁显示。（c） LED显示器每一位的显示时间是1MS，延时1MS子程序是典型的软件定时程序。（2） 计数器T0的计数初值的计算设单片机时钟频率为12MHZ，1个机器周期时间为1us。T0定时器产生10MS的定时，可以计算出计算值和计数初值：计数值=定时时间/机器周期时间=10MS/1us=1000计数初值=65536-10000=55536=D8F0H初值寄存器的初值为：TH0=0D8H;TL0=0F0H工作方式寄存器TMOD=XXXX0001B=X1H，T0定时器，工作方式1，定时14。LED动态扫描程序框图如图4.4所示。警报电路流程图如图4.5。图4.4 LED动态扫描程序框图图4.5 警报电路工作流程43 键盘扫描键盘采用4X3的行列式的键盘结构。键盘的工作过程可分两步：第一步是CPU首先检测键盘上是否有键按下；第二步是识别哪一键按下。具体流程如框图4.6。图4.6 键盘扫描程序框图44 水位控制 水位控制主要是工作原理是给定一个水位范围，大于或小于这个范围时，通过继电器给予电磁阀是否工作的指令。具体工作流程图如图4.7所示。图4.7 水位控制系统程序框图5 系统调试系统调试共分为两大部分：一个是软件仿真，另一个是硬件仿真。其中软件仿真通过Keil uVision2实现；本设计中考虑到成本的问题，所以硬件仿真部分选择使用Proteus进行。Keil软件是常见的单片机编程软件，这里就不详细介绍了，主要硬件设计中用到了Proteus软件，下面对它进行详细介绍。51 Proteus 软件介绍 Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。其功能特点如下：Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：（1） 原理布图；（2） PCB自动或人工布线；（3） SPICE电路仿真。革命性的特点：（1） 互动的电路仿真：用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。（2） 仿真处理器及其外围电路：可以仿真51系列、AVR、PIC等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型。上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteu