单片硬件系统应用及编程毕业论文.doc

本科毕业设计单片硬件系统应用及编程毕业论文目 录1 引言 -12 概述 -32.1 单片机的应用 -32.2 单片机的结构 -42.3 单片机的发展趋势 -52.4 温度传感器的分类 -73 总体设计 -9 3.1 单片机系统核心部分的设计-93.2 数据的转换 -103.3 阻值和频率对照-103.4 研制过程-103.5 其他说明-104 硬件设计 -11 4.1 传感器模块及放大模块设计 -114.2 V/F转换模块 -124.3 直流稳压电源模块的设计 -154.4 按键的设计 -154.5 液晶显示模块的设计 -164.6 加热模块的设计 -174.7 MCU部分的设计 -185 软件设计 -20 5.1 显示器LCD1602的编程 -205.2 温度显示和控制 -205.3 程序的软件调试和烧录 -226 硬件制作与调试 -24 6.1 硬件电路的布线与焊接 -246.2 硬件电路的调试 -267 结论 -27致谢 -28参考文献 -29附录 -301 引言电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。从第一代电子产品以电子管为核心到现在的大规模集成电路，在短短五十多年的发展历史中，为人类便利的生活和生产提供了不可或缺和不可磨灭的作用。如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。在现代工业生产中，精确的温度控制是相当重要的，工业自动化过程的实时控制和数据处理，冶金机械食品化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉热处理炉反应炉，对工件的处理，低温冷藏等都离不开单片机实现的自动化控制，单片机对改造落后设备的寿命，自动化都具有很大的贡献。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；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和单片机的发展，单片机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用单片机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。本设计即用单片机对温度进行实时检测与控制。用单片机对温度进行实时检测和控制，以解决工业及日常生活中对温度的及时自动控制问题。用十进制液晶显示实际温度值，方便人工监视。用键盘输人温度控制范围值，便于在不同应用场所设置不同温度范围值。当实际温度值不在该范围时，系统能自动调节温度，以保持设定的温度基本不变，达到自动控制的目的。系统的温度最小区分度为1摄式度。本电路的设计包括温度传感器模块、放大电路、V/f转换模块、键盘控制模块、LCD显示模块、电源模块、MCU(MicroControllerUnit)模块。由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生厂家相继推出了各种类型的单片机。在单片机家族的众多成员中，MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前可用于MCS-51系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便的利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。我所采用的控制芯片为AT89S52，此芯片功能强大，对51单片机兼容，能够满足设计要求。通过对电路的设计，对芯片的外围扩展，来达到对水温的显示和控制功能。本电路实现的功能包括两部分：1对当前水温的显示，PT100是应用相当广泛和成熟的水温传感器，通过PT100传感器对水温变化而引起电阻和电压的变化，并将该变化转化为频率，最后转化成数字而在LCD1602（2*16点阵式）上显示。2对水温的控制，键盘用于对预设值的设置，当温度到达预设值的时候和高于预设值的时候加热棒停止加热，当低于预设值的时候加热棒开始加热。2 概述2.1 单片机的应用 1.在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中。结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如，精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。2.在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如，工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。3.在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4.在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。5.单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如，医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。可以说目前单片机渗透到我们生活的各个领域，工商，金融，科研、教育，国防航空航天等，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。而下面就是单片机的典型应用温度显示及自动控制。单片机显示系统的工作原理是采用单片机读取LM331的数据，加以处理并在液晶显示器LCD1602上显示出来。该系统一般包括直流稳压电源部分、温度实时采集部分、温度等数据处理和显示部分。温度控制部分还包括键盘对预设值的设置，利用三极管的开关控制加热棒的通断，从而实现对水温的控制。其系统组成框图如2-1图所示。自制的直流电源单片机(AT89S52)PT100测水温V/F变换晶振及复位LCD1602液晶显示按键控制加热棒 图2-1 单片机温度显示及控制系统2.2 单片机的结构单片机已具有计算机系统的属性，中央处理器（CPU），内存（RAM），程序存储器（ROM）输入、输出设备（串行并行口）集成到一块芯片上，应用于控制领域。2.2.1 中央处理器中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算和控制操作。按其功能，中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。运算器以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路，在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算，专门负责数据运算。控制器是整个处理器CPU的指挥控制中心，有指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）和操作控制器OC（Operation Controller）对协调整个CPU有序地工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中。通过指令译码确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按照确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。CPU通过单片机的内总线和外部的存储器与外围设备进行数据交换。2.2.2 存储器存储器主要分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM），二者又分别称为程序和数据存储器。ROM主要存放程序代码，且容量很大。常用的ROM有：1.掩膜ROM。利用掩膜工艺制造，程序一经写入就不能修改。适合大批量生产，成本很低。2.可编程ROM（简称PROM）。一次性写入程序，类似掩膜ROM。3.可擦除PROM（简称EPROM）。这种存储器可由用户按规定的方法多次编程，如果想修改程序，可用专用紫外线擦除器照射擦除。4.电可擦除PROM（简称E2PROM）。以字节为单位擦写，而不需取下芯片插入编程器编程。5.FLASH（又称闪存）。顾名思义，可以进行快速地擦写；同时存储容量大。RAM为数据存储器，有的单片机有片内RAM和片外RAM之分（如51系列），区别在于CPU访问数据的速度不同。RAM主要用于存放用户设置的变量以及程序运行过程中的中间变量等，可以随机读写，其容量不大，一般只有几百个字节。2.2.3 I/O端口在单片机中，并行I/O端口是一个集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多功能与一体的I/O电路，是单片机与外界进行数据交换的最基本的通道。2.3 单片机的发展趋势2.3.1单片机最新技术1.单片机的FLASH化FLASH ROM：闪速存储器，本质上属于EEPROM电可擦除只读存储器。现在的单片机都自带有FALSH ROM 小则几K，大则100多K。这些自带的FLASH存储器大都可以反复擦写几万次，FLASH程序存储器大大方便了开发人员的开发和调试。它使得外围的芯片数量大大减少，也提高了单片机的端口的利用率。2.单片机的ISP（在线系统可编程）和IAP（在线应用可编程）技术单片机自带FLASH确实给开发人员带来了不少的方便，但是，对FLASH编程需要用到专用的编程器来给FLASH编程。但是，现在的IAP和ISP技术使的开发人员摆脱了这一限制，对这些单片机的编程很简单。只要把这个单片机连到计算机的串口上，利用计算机里的编程程序就可以将程序下载到单片机里的FLASH中，程序下载完毕，单片机就运行内部的FALSH中的程序了。IAP技术则更强，它允许用户在程序中运行可以修改FLASH中代码的程序，这样用户直接可以用程序来对FLASH中的数据进行修改。这个技术的最典型的用法是在单片机的内部放一段监控程序，用这段监控程序实现单片机的仿真功能。用这个功能实现的单片机仿真在功能比较强，它的缺点在于自己要占用一定的资源。3.单片机的JTAG（边界扫描测试技术）技术采用JTAG技术的单片机其本身就是一台仿真器，它直接嵌入到单片机内部，仿真时不需要占用单片机本身的内部资源，仿真的速度很快。而且JTAG技术本身也能完成程序的下载任务。AVR单片机和MSP430系列的单片机都采用了这个技术。2.3.2单片机的发展趋势1制作工艺CMOS化(全盘CMOS化)出于对低功耗的普遍要求，目前各大厂商推出的各类单片机产品都采用了CHMOS工艺。80C51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺,即高密度短沟道MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS的高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。例如，8051的功耗为630mw，而80C51的功耗只有120mw。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上低功耗是非常有意义的。因此，在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。2尽量实现单片化尽管我们常说，单片机是将中央处理器CPU、存储器和I/O接口电路等主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，但由于工艺和其它方面的原因，很多功能部件并未集成在单片机芯片内部。于是，用户通常的做法是根据系统设计的需要在外围扩展功能芯片。随着集成电路技术的快速发展和“以人为本”思想在单片机设计上的体现，很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求，将一些常用的功能部件，如A/D(模/数转换器)、D/A(数/模转换器)、PWM(脉冲产生器)以及LCD(液晶)驱动器等集成到芯片内部，尽量做到单片化；同时，用户还可以提出要求，由厂家量身定做(SOC设计)或自行设计。3共性与个性共存如今的市场上为我们提供了丰富多彩的单片机产品。总的来说有RISC和CISC两大类型；从微观上说，有Intel、Motorola、Philips、Microchip、EMC、NEC等公司的相关产品。在未来相当长的时间内，都将维持这种群雄并起、共性与个性共存的局面。究其原因，主要有以下两点。首先，以80C51为代表的单片机的基础地位不会动摇。这是因为80C51的架构和指令系统为后来的单片机提供了参考基准和强大支持，凡是学过80C51单片机的人再去学用其它类型的单片机易如反掌，借梯子爬坡何乐而不为呢？有关这方面的教材建设在出版界也得到了共识，取得了斐然的成果；这足以解释为制么在课堂上大家都以80C51的教材来进行教与学了。其次，个性化的产品如专用单片机等在满足用户需求方面得到了大家的认可，在应用领域大有后来赶上的架势；它们由于先天的优势，在80C51的基础上扬长避短，以用户需要为根本，在市场上受到丁欢迎。总之，80C51作为共性的代表会与个性化的产品相互依存，共同发展，将会给用户带来更大的实惠与方便。2.4 温度传感器的分类温度传感器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广，发展最快。众所周知，日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化，在此介绍一下最常用的热电阻和热电偶两类产品。 1.热电偶的工作原理 当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端(也称参考端)或冷端，则回路中就有电流产生即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时，此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向)，称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向)，称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB(T，T0)是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势，热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势差V，其极性和大小与回路中的热电势一致。并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。实验表明，当V很小时，V与T成正比关系。定义V对T的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。 2.热电偶的种类 目前，国际电工委员会（IEC）推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。1）热电阻 热电阻材料的特性 导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200500温度范围内的温度测量。 纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性： 电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。 电阻率高，热容量小，反应速度快。 材料的复现性和工艺性好，价格低。 在测温范围内化学物理特性稳定。 目前，在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准测温热电阻。 2）铂电阻 铂电阻与温度之间的关系接近于线性，在0630.74范围内可用下式表示： RtR0(1+At+Bt2) (2-1)在-1900范围内为：RtR0(1+At+Bt2十Ct3) (2-2)式中，RO、Rt为温度0及t时铂电阻的电阻值，t为任意温度，A、B、C为温度系数，由实验确定，A3.968410-3/，B-5.84710-72，C-4.2210-l2/3。由式(2-1)和式(2-2)看出，当R0值不同时，在同样温度下，其Rt值也不同。 3）铜电阻 在测温精度要求不高，且测温范围比较小的情况下，可采用铜电阻做成热电阻材料代替铂电阻。在-50150的温度范围内，铜电阻与温度成线性关系，其电阻与温度关系的表达式为：RtR0(1+At) (2-3)式中，A4.2510-34.2810-3为铜电阻的温度系数。3 总体设计3.1 单片机系统核心部分的总体设计本电路的设计包括温度传感器模块、放大电路、V/f转换模块、键盘控制模块、LCD显示模块、电源模块、MCU模块，又传感器采集数据，由减法器、放大器、V/F转化器对采集的信号进行处理输送给单片机进行处理并在LCD上显示同时控制加热系统。系统总体结构框图如图3-1所示。v/f转换器放大器减法器PT100传感器LCD1602AT89S52加热棒 图3-1 系统总体结构框图本课题设计温度显示及控制可以完成如下功能： 使用2*16点阵式LCD显示器来显示现在水的温度。显示格式为“XX ”。 具有4个小按键操作来设置预置的温度。当水温度未达到设置的温度时加热棒加热，达到设置的温度后停止加热。单片机系统的电路是在印制电路板上实现的。当然，如果有条件的话，可以将设计完成的单片机系统做成专用的芯片。出于技术和成本的考虑，一般单片机系统都是通过PCB（Printed Circuit Board）印制电路板连接，PCB在各种电子设备中有如下功能和特点。 1.提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑。 2.实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接（信号传输）或电绝缘。提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。 3.为自动装配提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。采用PCB印制电路板方式实现单片机核心系统有如下的优点：1）结构完整单片机和外围器件焊接在电路板上，器件间通过电路板上的导线连接，整个系统和外设之间通过接口和插件实现连接，从而形成一个完整稳定的单片机系统。 2）信号稳定器件之间的数据和信号的传输是通过电路板上的导线实现的，从而避免了导线之间的串扰和短路等问题。只要在PCB设计版图时注意到导线的布局，信号和数据的传输将会非常可靠。3）携带方便单片机系统往往是便携式系统的组成部分，因为器件和导线全部固结在电路板上，所以能非常方便地移动和携带整个单片机系统。只要是电子设备和仪器，都能看到PCB板的身影，随着电子技术的发展，以前的单层板已经不能满足工程师们的设计要求，于是就出现了双层板，多层板（4、6、8、10、12层），但是多层板的价格很贵，每多两层价格就贵很多，本次设计电路比较简单，元气件不是很多，走线基本上不会出现交叉。所以，本次设计采用单层板就可以了。3.2 数据的转换本次设计使用温度传感器为 PT100,这是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在 -200 至 650 的范围。本电路选择其工作在18 至 30 范围。PT100是应变电阻，通过水温的变化来改变PT100的电阻值，单片机无法对电阻值进行处理，于是，先将电阻值转换为电压值，通过减法器得到差值，再通过电路放大，用相应的V/F转换电路转换为单片机能处理的频率值，由电阻的变化引起频率的变化。3.3 阻值和频率对照由PT100/3850标准的对照表和电路的计算公式可以算出不同的阻值而得到的相应的频率为：V=12R/(R+102.5)-6*10 R为PT100的阻值，V为输入LM331的电压。f=V*1000000/101.8 f即为频率1812.816KHZ 1913.759KHZ 2014.827KHZ2115.890KHZ 2216.950KHZ 2318.006KHZ2419.057KHZ 2520.079KHZ 2621.123KHZ2722.163KHZ 2823.200KHZ 2924.206KHZ3025.236KHZ3.4研制过程1.系统设计通过查阅资料和书籍，结合自身的电路知识来设计。2.画电路原理图利用protel99se将设计的原理图画出，为制作PCB提供依据。3.PCB的设计和制作利用网表生成PCB版图，并根据该图加工成PCB板。4.单片机程序的编写了解AT89S52的内部资源，利用C语言进行编程。5.程序的调试和烧录取得印制电路板后，把器件按图正确的焊接在PCB板上，然后将程序烧录进AT89S52并进行系统电路的调试。3.5其他说明 系统分为硬件部分和软件部分。本论文主要设计制作硬件部分以及单片机的控制加热棒和LCD1602的显示温度的程序。4 硬件设计4.1 传感器模块及放大模块设计桥式电路较普通的分压电路有较高的灵敏度，传感器采用桥式电路搭建，输出电压通过减法器可以得到电压的差值，从差值的变化来得出温度的变化，由于差值的数量级是毫伏级的，于是需要加一个放大电路来放大信号，放大倍数10倍，也就是在110V之间就能满足后面设计的要求了，由于放大的倍数不大，单级运放足以，无须用到多级放大器。4.1.1 传感器模块（PT100）Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。阻值和温度对照表如表4-1所示。表4-1 PT100阻值和温度对照表电压差值输出电路如图4-1所示。由电路叠加原理求得：V0=(Vi2-Vi1)R22/R21,此式说明该电路实现减法比例运算。当R21=R21=R22=R23时，则V0=(Vi2-Vi1)，实现了减法运算。常用于将差分输入转换成单端输出，广泛地用来放大具有强烈共模干扰的微弱信号。另外，要实现精确的减法运算，必须严格选取电阻R20、R21、R22、R23,并进行调零。 图4-1 电压差值输出电路uA741是常用集成电路元件之一，应用相当广泛，可以在很多的集成电路中看到，uA741是单运放，它的封装形式是塑封8引脚双列直插式的。uA741的工作电压为正负15V，最大共模输入电压为正负13V，最大差模输入电压为正负30V，差模输入电阻为2M，最大输出电压为14V，最大输出电阻为75。该装置的短路保护以及内部频率补偿确保稳定,无需外部元件。其内部结构如图4-2所示。 图4-2 Ua741内部结构图4.1.2放大器模块运算放大器(简称“运放”)的作用是调节和放大模拟信号，主要的特点是差分输入/单端输出/直流耦合/输入输出工作点都在 0V等特点，除了功率运放外一般不要求输出大的功率。NE5532 当年的“运放之皇”，顶级音频前放，8腿经典IC封装。工作电压范围 3V20V静态工作电流6mA输入电压失调0.5V输入噪声电压5nV/rt.Hz 最大输出电流38mA输出电压摆幅距离上下限各有2V的死区如图4-3所示运算放大电路，即为10倍放大器电路。 图4-3 运算放大电路（V0-V1）/（R6+RP）=V1/R5 (4-1)V1= V2 (4-2)当R6+RP=18K时由上面两式的V0=10*V2 V2电压放大了10倍。4.2 V/F转换模块（LM331）数据的采集与处理广泛地应用在自动化领域中,由于应用的场合不同,对数据采集与处理所要求的硬件也不相同。在控制过程中,有时要对几个模拟信号进行采集与处理,这些信号的采集与处理对速度要求不太高,一般采用AD574或ADC0809等芯片组成的A/D转换电路来实现信号的采集与模数转换。而AD574和ADC0809等A/D转换器价格较贵，线路复杂,从而提高了产品价格和项目的费用。在本文中,从实际应用出发,给出了一种应用V/F转换器LM331芯片组成的A/D转换电路，V/F转换器LM331芯片能够把电压信号转换为频率信号，而且线性度好。LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。它是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。LM331为双列直插式8引脚芯片，其引脚逻辑框图如图4-4所示。 图4-4 引脚逻辑框图LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。同时，它动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01，工作频率低到0.1Hz 时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12 位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F 或F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。其电压频率变换器工作原理：如图4-5所示。是由LM331组成的电压、Rt、Ct和定时比较器、复零晶体管、RS触发器等构成单稳定时电路图。 图4-5 LM311单稳定时电路图 图4-6 电容充放电波形图当输入端Vi输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使RS 触发器置位，Q 输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时，电流开关打向右边，电流源IR对电容CL 充电。此时，由于复零晶体管截止，电源Vcc也通过电阻Rt 对电容Ct 充电。当电容Ct两端充电电压大于Vcc的2/3 时，定时比较器输出一高电平，使RS触发器复位，Q输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容Ct通过复零晶体管迅速放电；电流开关打向左边，电容Cl对电阻RL放电。当电容CL放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使RS 触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。如图4-6所示为电容Ct、Cl充放电和输出脉冲f0的波形。设电容CL的充电时间为t1，放电时间为t2，则根据电容CL上电荷平衡的原理，我们有：(IRVL/RL)t1=t2VL/RL（ 4-3 ）从上式可得：f0=1/(t1t2)=VL/(RLIRt1)（ 4-4 ）实际上，该电路的VL在很少的范围内(大约10mV)波动，因此，可认为VL=Vt，故上式可以表示为：f0=Vt/(RLIRt1)（ 4-5 ）可见，输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压频率变换。式中IR 由内部基准电压源供给的1.90V 参考电压和外接电阻Rs决定IR=1.90/Rs，改变Rs 的值，可调节电路的转换增益，t1 由定时元件Rt 和Ct 决定，其关系是t1=1.1RtCt，典型值Rt=6.8k，Ct=0.01F，t1=7.5s。由f0=Vi/(RLIRt)可知，电阻Rs、Rl、Rt 和电容Ct 直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电容Cl对转换结果虽然没有直接的影响。但应选择漏电流小的电容器。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。V/F转换电路，由f IN输入频率，由3脚将频率输送给单片机进行处理。如图4-7 所示的V/F转换电路。 图4-7 V/F转换电路4.3 直流稳压电源模块的设计在该设计系统中需要+5V和12V来为芯片，运放，电磁继电器，传感器，按键，提供电源，所以必须设计直流稳压电源模块。7800系列型为系列固定正电压输出，7900系列型为多种固定负电压输出。本次设计需要+5V和12V直流电压，所以，需要7912，7812，和7805。7800系列有字的朝自己，管脚依次是IN、GND、OUT。7900系列有字的朝着自己，管脚依次是GND、IN、OUT。由于市场上买不到将市电转变成18V的变压器，于是，就用9*2W的变压器代替。因为9W是有效值，峰值=9*1.4=12.6V。所以，经过整流桥电压会稍变大，那么经过大电容滤波和0.1uF的高频滤波，最后经过7812和7912就可以得到12V的电压来作为电源了。本次设计的整流桥是又4个二极管搭建的，搭建的时候要注意二极管的限流是多少，本次设计的变压器是9V/5W的，于是只要1个安培的二极管就可以了，三个安培的二极管要比一个安培的价格贵上3倍，在设计的同时也要考虑到成本。同理，也可以利用9V变压器通过7805三端稳压管就可以搭出+5V的电源了。如图4-8所示的直流稳压电源电路。 图4-8 直流稳压电源电路4.4按键的设计键盘输入是单片机读取外部指令输入的重要途径，因此，如何设计键盘的工作原理、读键盘的方法、键盘的抗干扰设计等在单片机设计系统中占有重要地位。常用的按键有三种：机械触点式按键、导电橡胶式和柔性按键（又称触摸式键盘）。 机械触点式按键是利用弹性使键复位，手感明显，连线清晰，工艺简单，适合单件制造。但是，触点处易侵入灰尘而导致接触不良，体积相对较大。 导电橡胶按键是利用橡胶的弹性来复位，通过压制的方法把面板上所有的按键制成一块，体积小，装配方便，适合批量生产。但是时间长了，橡胶老化而使弹力下降，同时易侵入灰尘。 柔性按键是近年来迅速发展的一种新型按键，可以分为凸球型和平面型两种。凸球型动作幅度触感明显，富有立体感，但制造工艺相对复杂；平面型幅度微小，触感较弱，但工艺简单，寿命长。柔性按键最大特点是防尘、防潮、耐蚀，外形美观，装嵌方便。而且外形和面板的布局、色彩、键距可按照整机的要求来设计。但是考虑到成本，机械式键盘已经够用了。设计可以采用4*4键盘，但是由于考虑到PCB板的布线，和设计的成本，使用的简便，和IO口的节省，本次设计采用了4个独立的按键来控制温度的设置，按键与单片机的P2口连接。按键电路如图4-9 所示。 图4-9 按键电路4.5 液晶显示模块的设计LCD1602液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，在单片机应用设计中代替LED成为最常用的信息显示器件了。LCD1602可以显示2行16个字符，5*7点阵，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，工作电流2毫安，并且带有字符对比度调节和背光。可以进行读状态，写指令，读数据，写数据，控制显示器的开关，光标的显示与移动，液晶显示器通过单片机的IO口来获取数据并且显示出来。LCD1602的电路图如图4-10所示。 图4-10 LCD1602显示电路4.6 加热模块的设计继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”，处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。三极管是有源器件，三极管就是一条电流的通道，有一个电极控制这个通道的通和断，这个电极就是基极。加热模块是通过三极管的通断来控制电磁继电器的开关以此来控制加热棒的工作状态。由于继电器内部是线圈，可以等效成电感，有电感的特性可知，在电路从闭合到打开的瞬间，电感的电流是不能马上变化的，电感的两端会出现很高的电压，这时如果没有其他期间保护的话，很容易把三极管击穿，于是要在电感两端加个二极管来保护。加热器件比较难找，热的快功率太大了，暂时使用鱼缸加热器进行替代，如果需要投入生产，可以再与相关生产厂家进行定做。温度控制电路如图4-11所示。图4-11 温度控制电路4.7 MCU(MicroControllerUnit)部分的设计本次设计采用单片机是ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8位微控制器AT89S52，AT89S52是与C51兼容的具有8K字节可编程FLASH存储器，可以对程序进行1000次擦写操作，有32个可编程I/O口线，三个16位定时器/计数器，八个中断源。如图4-12为AT89S52信号引脚图。 图 4-12 AT89S52信号引脚图复位和晶振电路单片机执行程序时总是从地址0000H 开始的，所以在进入系统时必须对CPU 进行复位，也叫初始化；另外由于程序运行中的错误或操作失误使系统处于死锁状态时，为了摆脱这种状态，也需要进行复位，就象电脑死机了要重新启动一样。单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可，这两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮发，振即石英晶体震荡器，由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。如图4-12和图4-13所示是单片机的复位和晶振电路。 4-12 复位电路 4-13 晶振电路AT89S52可以说是所有其他部分的“总控制中心”。所有部分最后都要连接到AT89S52来完成完整的功能。单片机上有复位和晶振专门的接口，按键，LCD，频率输入口都只需要连接到单片机的IO口就可以了，然后通过对单片机的编程来实现单片机对这些部分的控制。以前做出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB 板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。5 软件设计5.1 液晶显示器LCD1602的编程LCD1602显示器内部已经集成了三端控制器，大大简化了单片机编程的难度。显示功能只要单片机给LCD发送一个命令，然后将数据发送给LCD就可以在LCD上显示了。要显示一定信息的话，要包括显示字符的二进制码，在LCD中显示的位置，背光的开关，光标的开关和闪烁，移位等。LCD显示器的命令包括读状态，写指令，读数据，写数据，这些命令都是由LCD的三根控制线来完成。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。写命令的指令的时序为，首先将在将E拉高，然后RS上输入一个低电平表示