基于PID算法和51单片机的温度解读

1、本科生毕业设计（论文）中文题目：基于 PID 算法和 51 单片机的温度控制系统英文题目：院 系：机械电子工程学院专 业： 自动化姓 名：学 号：指导教师：完成时间：摘要近年来随着计算机在社会领域的渗透 , 单片机的应用正在不断地走向深 入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机 应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用。本文从硬件和软件两方面来介绍水温自动控制过程 , 在控制过程中主要 应用 AT89C52、LCD1602显示器、光耦 MOC305，1 以单片机为核心控制部件， 通过 DS18B20数字温度传感器采集环境温度， LCD显示实时温度和目标温度。 软

2、件方面采用 c 语言来进行程序设计，使编程简单化。为了便于扩展和更改， 软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件 在软件的控制下协调运作。而系统的过程则是：通过矩阵按键 ,设定恒温运行时的温度值， 用 LCD1602 显示这个温度值 . 在运行过程中将 DS18B20采样到的温度再将转换后的数字量 用 LCD1602进行显示，调用 PID 算法，确定 PWM波的占空比，确定加热的功 率，直到能在规定的温度下恒温加热。关键词：单片机系统；传感器；LCD1602；光耦；温度； PIDIIAbstractIn recent years, with the computer

3、penetration in the social field, the application of SCMis to keep at the samet ime, traditional control testing update on Crescent benefits. In real-time detection and automatic control system of single-chip applications. often as a single-chip core component to use only single-chip is not enough kn

4、owledge, but also the specific hardware structure and the specific features of application software objects combine to make perfect.In this paper, both hardware and software for automatic control of water temperature on the process, in the control of the main application of the process of AT89C52, L

5、CD1602, MOC3051,m icrocomputer as the core control components, through the digital temperature sensor DS18B20 collecting ambient temperature and through Liquid Crystal Display1602 display of a digital thermometer temperature. Software using C language for programming, so that making it easier for th

6、e programming, to save storage space. In order to facilitate the expansion and changes to the design of modular software structure, so that the logic of the relationship between program design more concise,Hardware software co-operation under the control of it.And systematic process is: First of all

7、, by setting the matrix keyboard, set the thermostat temperature at the time of DS18B20, and digital display of the temperature. Then, in the running temperature of the process of sampling analog into the converter in the simulation - digital converter, And the PID algorithm is called, to determine

8、the heating power, to determine the duty ratio of PWM wave, and then converted digital control with digital display, the last single-chip microcomputer to control the heater used for heating or stop heatinguntil the temperature in the provisions under the constant temperature heating.Key words ： Sin

9、gle-chip microcomputer system ； Sensor； LCD1602 ； Opto-coupler ； Temperature；PID目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 目录 3第 1章 绪 论 5 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 概述 5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 温度控制技术的发展与现状 6 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 课

10、题研究的内容及要求 7 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 课题的研究方案 8 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第 2 章设计理论基础 12单片机的发展概况 错误！未定义书签。 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document AT89C51 系列单片机介绍 12 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 通讯芯片 MAX23 2 21 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document

11、显示器 LCD1602 22 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 矩阵键盘 23 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 光耦芯片 MOC305 1 25 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 数字温度计 DS18B2 0 27 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 双向可控硅 29 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document PID 算法 31 HYPERLINK l b

12、ookmark36 o Current Document 第 3 章电路设计 34 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 电源电路 34 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 51 起震和复位电路 35 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 程序下载电路 36 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 报警电路 37 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 显示电路 38

13、HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 键盘输入电路 39 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 传感器电路 39控制电热得快电路 40 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 第 4 章软件设计 41 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 程序构架 41 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 主程序 42 HYPERLINK l bookmark58 o Current

14、 Document 初始化程序 43 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 读取温度传感器 DS18B20数据程序 44 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 按键扫描程序 45温度控制 PID 程序 47 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 中断程序 48 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 第 5 章系统调试及结论分析 49 HYPERLINK l bookmark68 o Current Documen

15、t 参考文献 51致 谢 53附录 55概述温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自 然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温 度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能 源等重大技术指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中 均受到了相当程度的重视。在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界 的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量 的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量 交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的 目的，例如可以让

16、目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热 力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与 目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。另外， 在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。因此，对温度的控制精度 要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控 制的目标温度。特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很 快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。 同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标 温度，对控制效果的影响也是很大的。鉴于上述这些特点，高精度温度控制的难度

17、比较大，而且不同的应用环 境也需要不同的控制策略。下面就简要的讨论一下温度测控技术的发展与现 状。温度控制技术的发展与现状近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中， 如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温 度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测 量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是简单、可靠、低廉、 测量精度较高，一般能够测得真实温度但由于检测元件热惯性的影响，响应 时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对 腐蚀性介质测温，不能用于超高

18、温测量，难于测量运动物体的温度。另外的 非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点 是不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度， 还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表 指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因 此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在 满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类动态温度跟踪与恒值温度 控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的 曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制

19、目标，如在发酵过 程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制 等恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求 其波动幅度即稳态误差不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度 控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控 制进行讨论。从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：定值 开关温控法、 PID 线性温控法、智能温控法。其中 PID 这种控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理，控制 是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等 优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确

20、数学模型的确定性 控制系统。由于调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个 因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以 采用模拟电路或计算机软件方法来实现调节功能。前者称为模拟控制器，后 者称为数字控制器。其中数字控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此 具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控 制器，其控制品质的好坏主要取决于三个参数比例值、积分值、微分值。只 要 PID 参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较 令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三 个控制参数也必须相应地跟着改变，

21、否则其控制品质就难以得到保证。课题研究的内容及要求课题的主要研究的内容本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是 介绍了对水箱温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。水 箱水温控制部分，提出了用 DS18B20、AT89C52单片机及 LCD1602的硬件电路 完成对水温的实时检测及显示，利用 DS18B20与单片机连接由软件与硬件电 路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系 统。而水温度控制部分，采用一套 PID 闭环负反馈控制系统，由 DS18B20检 测水的温度，并在 LCD1602中显示。控制器是用 89C52单片机，用 PID

22、算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构， 去调节 PWM 波的占空比从而控制热得快的加热功率， 从而控制水的温度。它具有微型化、 低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多 点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每 片 DS18B20都有唯一的产品号，可以一并存入其 ROM中，以便在构成大型温 度测控系统时在单线上挂接任意多个 DS18B20芯片。从 DS18B20读出或写入 DS18B20信息仅需要一根口线， 其读写及其温度变换功率来源于数据总线， 该 总线本身也可以向所挂接的DS18B20 供电，而且不需要额外电源。同

23、时DS18B20能提供十二位温度读数， 它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检 测系统。而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定， 超过设定的门限值时按 PID 算法得出的功率启动加热装置等功能。而且还要 以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度 控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。用单片机实现其具体控制功能（1）能够连续测量水的温度值，用 LCD1602显示水的实际温度。（2）能够设定水的温度值，设定范围是 30 90。（3）能够实现水温的自动控制，如果设定水温为 85，则能使水温保持 恒定在 85的温度下运行。（4）用 DS18B2

24、0做温度传感器，用单片机 AT89C52和 PID 算法控制电加 热器，通过矩阵键盘的输入来控制水温的设定值，数值采用 LCD1602显示。课题的研究方案温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程 中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控 制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行 PID 调节的控制 效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。1方案一（见图 1-1 ）图 1-1 方案一的图此方案是传统的一位式模拟控制方案， 选用模拟电路，用电位器设定值， 反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易 于实现，但是系

25、统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静态差大、 不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码管显示， 不能用键盘设定。2方案二（见图 1-2 ）图 1-2 方案二的图此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由 于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。这种方法还是模拟控制方 式，因此也不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码 管显示，对键盘进行设定。3方案三（见图 1-3 ）图 1-3 方案三的图此方案采用 89C52单片机系统来实现。 单片机软件编程灵活、自由度大， 可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可以用数码管来显

26、 示水温的实际值，能用键盘输入设定值。本方案选用了 AT89C52芯片，不需 要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。结论：前两种方案是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复 杂的控制规律，控制方案的修改也较为繁琐。而方案三是采用以单片机为控 制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并 且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。也使得系统所测得 结果的精度大大提高。所以，经过对三种方案的比较，本次毕业设计采用了10方案三11第 2 章 设计理论基础第 2 章 设计理论基础本设计系统的基本组成单元包括：主机、温度采样单元、单片机控制单 元、调节执行单元四部

27、分，本章将逐一进行介绍。AT89C51 系列单片机介绍AT89C51 系列基本组成及特性AT89C51是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 (FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory )的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。而在众多的 51 系列单片机中，要算 ATMEL 公司 的 AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和 8051 指令、管脚 完全兼容，而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASH工艺的，这种工艺的存储器， 用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备

28、的要求 很低，开发时间也大大缩短。AT89C51基本功能描述如下： AT89C51是一种低损耗、 高性能、 CMOS八位 微处理器，而且在其片种还有 4k 字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器， 能重复写入 / 擦除 1000次，数据保存时间为十年。它与 MCS-51系列单片机在 指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替 MCS-51系列单片机，而且能使 系统具有许多 MCS-51系列产品没有的功能。 AT89C51可构成真正的单片机最 小应用系统，缩小系统体积 , 增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程 序长度小于 4k, 四个 I/O 口全部提供给用户。 可用 5V电压编程， 而且写入

29、时 间仅 10 毫秒 , 仅为 8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与 8751/87C51 的 12V 电压擦写相比 , 不易损坏器件 , 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯 片，适合许多嵌入式控制领域。 AT89C51 芯片提供三级程序存储器锁定加密，12第 2 章 设计理论基础提供了方便灵活而可靠的硬加密手段 , 能完全保证程序或系统不被仿制。另 外,AT89C51 还具有 MCS-51系列单片机的所有优点。 1288 位内部 RAM, 32 位双向输入输出线 , 两个十六位定时器 / 计时器, 5 个中断源 , 两级中断优先 级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。 AT89

30、C51有间歇、掉电两种工作 模式。间歇模式是由软件来设置的 , 当外围器件仍然处于工作状态时 , CPU 可根据工作情况适时地进入睡眠状态 , 内部 RAM和所有特殊的寄存器值将保 持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。 掉电模式是 VCC 电压低于电源下限 , 当振荡器停止振动时 , CPU 停止执行指令。 该芯片内 RAM 和特殊功能寄存器值保持不变 , 一直到掉电模式被终止。只有 VCC电压恢复 到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终 止。AT89C51 系列引脚功能AT89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。其与 80C51引脚结构基本相

31、同， 其逻辑引脚图如图 2-1 。13第 2 章 设计理论基础图 2-1 AT89C51 逻辑引脚图各引脚功能叙述如下：1电源和晶振VCC运行和程序校验时加 +5VGND接地XTAL1输入到振荡器的反向放大器XTAL2反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器（当使用外部振荡器时， XTAL1接地， XTAL2接收振荡器信号）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/PRO：G 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14第 2 章 设计理论基础时， ALE端以不变的频

32、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 MOV，XMOVC指令是 ALE才起作用。另外， 该引脚被略微拉高。2I/O（4 个口，32根）P0口 8位、漏极开路的双向 I/O 口。当使用片外存储器（ ROM、RAM） 时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上 拉电路）。P0口（作为总线时）能驱动 8个 LSTTL负载。P1口 8位、准双向 I/O 口。在编程 /校

33、验期间，用于输入低位字节地 址。 P1口可驱动 4个 LSTTL负载。对于 80C51，P1.0 T2，是定时器的计 数端且位输入； P1.1 T2EX，是定时器的外部输入端。这时，读两个特殊 输入引脚的输出锁存器应由程序置 1。P2口 8位、准双向 I/O 口。当使用片外存储器（ ROM及 RAM）时，输 出高 8位地址。在编程 /校验期间，接收高位字节地址。 P2口可以驱动 4 个 LSTTL负载。P3口 8位、准双向 I/O 口，具有内部上拉电路。 P3口提供各种替代 功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置 1。P3口可以输入 /输出 4个 LSTTL负载。3串行口P3.0 RX

34、D（串行输入口），输入。P3.1 TXD（串行输出口），输出。15第 2 章 设计理论基础4中断P3.2 INT0 外部中断 0，输入。P3.3 INT1外部中断 1，输入。5定时器 / 计数器P3.4 T0定时器/ 计数器 0 的外部输入，输入。P3.5 T1定时器/ 计数器 1 的外部输入，输入。6数据存储器选通P3.6 WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。P3.7 RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。7控制线 （共 4根）输入：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。EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其 上施加

35、 21V 的编程电压。注意：在加密方式 1 时，EA将内部锁定为 RESE；T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）。输入、输出：ALE/PROG 地址锁存允许信号， 输出。ALE以 1/6 的振荡频率稳定速率16第 2 章 设计理论基础 输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在 EPROM编程期间，作输入，输 入编程脉冲（ PRO）G。ALE可以驱动 8 个 LSTTL负载。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

36、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。注意：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 MOV，X 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。输出：PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器 取址期间， 在每个机器周期中， 当 PSEN有效时， 程序存储器的内容被送上 P0 口（数据总线）。PSEN可以驱动 8 个 LSTTL负载。AT89C51 系列单片机的

37、功能单元1并行 I/O 接口：单片机芯片内有一项主要功能就是并行 I/O 口。51系列共有 4个 8位的 并行 I/O 口，分别记作 P0、P1、P2、P3 每个口都包含一个锁存器，一个输出 驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字 节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低八位地址和数据由P0 口分时传送，高八位地址由 P2口传送。2定时器 / 计数器17第 2 章 设计理论基础定时器 / 计数器（ timer/counter ）是单片机中的重要部件，其工作方式 灵活、编程简单，使用它对减轻 CPU的负担和简化外围电路都大有好处。C51系列包含有两个 16 位的

38、可编程定时器 /计数器分别称为定时器 / 计数 器 T0和定时器 /计数器 T1；在 C51部分产品中，还包含有一个用做看门狗的 8 位定时器。定时器 / 计数器的核心是一个加 1 计数引脚上施加器，其基本功 能是加 1 功能。在单片机的定时器 T0或 T1中，有一个定时器发生由 0 到 1 的跳变时，计数器增 1，即为计数功能； 在单片机内部对机器周期或其分频进 行计数，从而得到定时，这就是定时功能。在单片机中，定时功能和计数功 能的设定和控制都是通过软件来进行的。定时器 /计数器内部结构及其原理：由定时器 0、定时器 1、定时器方式 寄存器 TMOD和定时器控制寄存器 TCON组成。当定时

39、器 / 计数器设置为定时工 作方式时，计数器对内部机器周期计数，每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出。定时器的定时时间与系统的振荡频率紧密相关，因为 C51 系列 单片机的一个机器周期由 12 个振荡脉冲组成，所以，计数频率 fc=fosc/12 。 如果单片机系统采用 12MHz晶振，这是最短的定时周期，适当选择定时器的 初值可获取各种定时时间。当定时器 / 计数器设置为计数工作方式时，计数器对来自输入引脚 T0 （P3.4 ）和 T1（ P3.5）的外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。在 每个机器周期的 S5P2期间采样引脚输入电平， 若前一个机器周期采样值为 1， 后一个机器

40、周期采样值为 0，则计数器加 1。新的计数值是在检测到输入引脚 电平发生 1到 0的负跳变后，于下一个机器周期的 S3P1期间装入计数器中的， 可见，检测一个由 1 到 0 的负跳变需要两个机器周期，所以最高检测频率为 振荡频率的 1/24 。计数器对外部输入信号的占空比没有特别的限制，但必须 保证输入信号的高电平与低电平的持续时间在一个机器周期以上。18第 2 章 设计理论基础3振荡器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。当输入至内部时钟信号时要通过一个二分频触发

41、器， 而对外部 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。4芯片擦除整个 PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并 保持 ALE管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦除操作中， 代码阵列全被写 “1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的 掉电模式。在闲置模式下， CPU停止工作。但 RAM、定时器、计数器、串口和 中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM的内容并且冻结振荡器，禁止 所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。5中断系统中断系统是单片机

42、的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、单片机 与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断系统大大提高了系统的效 率。C51系统有关中断的寄存器有 4 个，分别为中断源寄存器 TCON和 SCON、 中断允许控制寄存器 IE 和中断优先级控制寄存器 IP；中断源有 5 个，分别为 外部中断 0请求 INT0、外部中断 1请求 INT1、定时器 0溢出中断请求 TF0、 定时器 1溢出中断请求 TF1和串行中断请求 R1或 T1。5个中断源的排列顺序 由中断优先级控制寄存器 IP 和顺序查询逻辑电路共同决定， 5 个中断源分别 对应 5 个固定的中断入口地址。中断的特点是分时操作，实时处理和故

43、障处19第 2 章 设计理论基础简单介绍一下本次设计所需的单片机芯片 AT89C51的中断系统中要用到 的中断类型。（1） 定时器溢出中断源定时器溢出中断由 AT89C51内部定时器分的中断源产生 , 故它们属于内部 中断。 AT89C51内部有两个 16 位定时器 / 计数器, 受内部定时脉冲 （主脉冲经 12分频后）或T0/T1引脚上输入的外部定时脉冲计数。 定时器 T0/T1在定时脉 冲作用下从全“ 1”变成全“ 0”时可以自动向 CPU提出溢出中断请求 , 以表明 定时器 T0 或 T1的定时时间已到。（2） 中断标志AT89C51在 S5P2时检测（ 或接收 ）外部（ 内部） 中断源

44、发来的中断请求信号 后先使相应中断标志位置位 , 然后便在下个机器周期检测这些中断标志位状 态 , 以决定是否响应该中断。20第 2 章 设计理论基础通讯芯片 MAX232图 2-2 MAX232 引脚图引脚介绍第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6脚和 4 只电容构成。功能 是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、 14 脚构成两 个数据通道。其中 13脚（R1IN）、12 脚（R1OU）T、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT） 为第一数据通道。 8 脚（R2IN）、9 脚（R2O

45、U）T 、10 脚（T2IN）、7 脚（T2OUT） 为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从 11 引脚（ T1IN）、 10 引脚（ T2IN）输入21第 2 章 设计理论基础转换成 RS-232数据从 14脚（ T1OUT）、7 脚（T2OUT）送到电脑 DB9插头；DB9 插头的 RS-232数据从 13引脚（R1IN）、8 引脚（R2IN）输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 12引脚（ R1OU）T 、9 引脚（ R2OU）T 输出。第三部分是供电。 15脚GND、16脚 VCC（+5v）。主要特点1、符合所有的 RS-232C技术标准。 2、只需要单一 +5V 电源供电。 3、

46、片 载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生 +10V和-10V电压 V+、V-。 4、功耗低，典型供电电流 5mA。5、内部集成 2个 RS-232C驱动器。 6、高集 成度，片外最低只需 4 个电容即可工作。显示器 LCD1602LCD1602 简介1602液晶也叫 1602字符型液晶， 它是一种专门用来显示字母、 数字、符 号等的点阵型液晶模块。它由若干个 5X7或者 5X11 等点阵字符位组成，每个 点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也 有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显 示图形（用自定义 CGRA，M显示效果也不好）

47、。1602LCD是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行 16 个字符液晶 模块（显示字符和数字） 。市面上字符液晶大多数是基于 HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相 同的，因此基于 HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的 字符型液晶。22第 2 章 设计理论基础LCD1602 管脚功能1602采用标准的 16脚接口，其中：第 1 脚：VSS为电源地。第 2脚：VCC 接 5V电源正极。第 3脚：V0为液晶显示器对比度调整端， 接正电源时对比度 最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以 通过一个 10K的电位器调整对比度） 。第 4

48、 脚： RS为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、 低电平 0时选择指令寄存器。 第 5脚：RW为读写信号线， 高电平（1） 时进行读操作， 低电平（0） 时进行写操作。 第 6脚：E（或 EN）端为使 能（enable） 端,高电平（ 1）时读取信息，负跳变时执行指令。第 714 脚： D0D7为 8 位双向数据端。第 1516脚：空脚或背灯电源。 15脚背光正极， 16 脚背光负极。矩阵键盘矩阵键盘结构和工作原理在键盘中按键数量较多时，为了减少 I/O 口的占用，通常将按键排列成 矩阵形式，如图 2-3 所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处 不直接连通，而是通过一个按键加

49、以连接。这样，一个端口（如P1 口）就可以构成 4*4=16 个按键， 比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越 多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成 20 键的键盘，而直接用端口 线则只能多出一键。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键 盘是合理的。本设计是为了输入方便故选择矩阵键盘。23图 2-3 矩阵键盘矩阵式键盘的按键识别方法1、确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法” 。行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按 键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。首先判断键盘中有无键按下 将全部行线 Y0-Y3置低电平， 然后检测列线 的状态

50、。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键 位于低电平线与 4根行线相交叉的 4 个按键之中。若所有列线均为高电平， 则键盘中无键按下。然后判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进 入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根 行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐 行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉24第 2 章 设计理论基础处的按键就是闭合的按键。2、确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“高低电平翻转法” 。首先让 P1口高四位为 1，低四位为 0, 。若有按键按下，则高四位中会有 一个

51、 1 翻转为 0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。然后让 P1口高四位为 0，低四位为 1, 。若有按键按下，则低四位中会有一个 1 翻 转为 0，高四位不会变， 此时即可确定被按下的键的列位置。 最后将上述两者 进行或运算即可确定被按下的键的位置。光耦芯片 MOC3051工作原理及其优点耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作 用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途 最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及 信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（ LED），使之发出一定波长的光， 被光探测器接收而产生光

52、电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电 光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出 间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和 抗干扰能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信 噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大 提高计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电 气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使 用寿命长，传输效率高。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦25第 2 章 设计理论基础反馈电路，通过调节控制端电流来改变占

53、空比，达到精密稳压目的。主要特性一、输入特性 1 光耦合器的输入特性实际也就是其内部发光二极管的特 性。常见的参数有：1. 正向工作电压 Vf (Forward Voltage ) Vf 是指在给定的工作电流下， LED本身的压降。常见的小功率 LED通常以 If=20mA 来测试正向工作电压， 当 然不同的 LED，测试条件和测试结果也会不一样。 2. 反向电压 Vr (Reverse Voltage )是指 LED所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损 坏 LED。在使用交流脉冲驱动 LED时，要特别注意不要超过反向电压。 3. 反 向电流 Ir ( Reverse Curren

54、t )通常指在最大反向电压情况下，流过 LED的反 向电流。 4. 允许功耗 Pd( Maximum Power Dissipation )LED 所能承受的最 大功耗值。超过此功耗，可能会损坏LED。 5. 正向工作电流 If ( ForwardCurrent )If 是指 LED正常发光时所流过的正向电流值。不同的 LED，其允许 流过的最大电流也会不一样。 6. 正向脉冲工作电流 Ifp (Peak Forward Current )Ifp 是指流过 LED的正向脉冲电流值。为保证寿命，通常会采用脉 冲形式来驱动 LED，通常 LED规格书中给中的 Ifp 是以 0.1ms 脉冲宽度 ,

55、 占空 比为 1/10 的脉冲电流来计算的。二、输出特性光耦合器的输入特性实际也就是其内部光敏三极管的特性，与普通的三 极管类似。常见的参数有： 1、集电极电流 Ic ( Collector Current )光敏三 极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。 2、集电极 - 发射极电压 Vceo (C-E Voltage )集电极-发射极所能承受的电压。 3、发射极-集电极电压 Veco (E-C Voltage )发射极 - 集电极所能承受的电压 4、 反向截止电流 Iceo 。5、26第 2 章 设计理论基础C-E饱和电压 Vcd(sat) (C-E Saturation Voltage

56、 )。典型作用由于光耦芯片的作用很多这里就只简单介绍下本设计中用到的作用。一、用作固体继电器采用光电耦合器作固体继电器具有体积小、耦合密切、驱动功率小、动作速 度快、工作温度范围宽等优点。图 3-8 所示是一个光电耦合器用作固体继电 器的实际电路图， 它的左半部分电路可用于将输入的电信号 Vi 变成光电耦合 器内发光二极管发光的光信号；而右半部分电路则通过光电耦合器内的光敏 三极管再将光信号还原成电信号，所以这是一种非常好的电光与光电联合转 换器件。 光电耦合器的电流传输比为 20%，耐压为 150V，驱动电流在 820mA 之间。在实际使用中，由于它没有一般电磁继电器常见的实际接点，因此不

57、存在接触不良和燃弧打火等现象， 也不会因受外力或机械冲击而引起误动作。 所以，它的性能比较可靠，工作十分稳定。二、作为固体开关应用在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般 的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。数字温度计 DS18B20在传统的模拟信号远距离的温度测量系统中，需要很好的解决引线误差 补偿问题、多点切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术。另外考 虑到一般的测量现场的电磁环境非常的恶劣，各种干扰信号较强，模拟信号 很容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中， 采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问

58、题的最有效的方27第 2 章 设计理论基础案。在实际的温度测量过程中被广泛应用，同时也取得了良好的测量效果。DS18B20数字温度计的主要特性：1、DS18B20的适应电压范围更宽，其范围为： 3.0-5.5V ，而且它能够直接由 数据线获取电源 （寄生电源 ） ，无需外部工作电源。2、DS18B20提供了 9 位摄氏温度测量，具有非易失性、上下触发门限用户可 编程的报警功能。3、DS18B20通过 1-Wire 总线与中央微处理器通信，仅需要单根数据线 （ 或地 线） 。同时，在使用过程中，它不需要任何的外围的元件，全部的传感元件和 转换电路集成在形状如一只三极管的集成电路内。4、DS18B

59、20具有- 55C至+125C的工作温度范围， 在-10C至+85C温度 范围内精度为 0.5 C。5、每片 DS18B20具有唯一的 64 位序列码，这些码允许多片 DS18B20在同一 条 1-Wire 总线上工作， 因而，可方便地使用单个微处理器控制分布在大范围 内的多片 DS18B20器件。6、DS18B20的测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给 CPU，同时还可以传送给 CRC校验码，它具有极强的抗干扰纠错的能力。7、DS18B20具有负载特性，当电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但 是不能正常的工作。根据以上这些特性而从中受益的应用包括： HVAC环境控制、室

60、内，设备 或者机器内部的温度监测系统、过程监控和控制系统8、DS18B20的时序很重要。28参考文献双向可控硅元件简介一种以硅单晶为基本材料的 P1N1P2N2四层三端器件，创制于 1957 年， 由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控 硅 T。又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件， 简 称为可控硅 SCR。可控硅的优点很多， 例如：以小功率控制大功率， 功率放大倍数高达几十 万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音； 效率高，成本低等等。可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。工作原理1、可控硅是