水浴電鍋爐的恒溫控制系統(tǒng)的硬件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27607水浴電鍋爐的恒溫控制系統(tǒng)的硬件設計案例 148811.1主控制器-單片機STC89C52 147121.1.1STC89C52引腳功能 177461.1.2STC89C52特點 3251561.1.3STC89C52單片機復位電路和最小系統(tǒng) 440911.2溫度傳感器DS18B20 6185131.2.1DS18B20優(yōu)點 637861.2.2DS18B20特點 643821.2.3DS18B20內(nèi)部結構 7236401.2.4溫度傳感器DS18B20的溫度測量原理 8188731.2.5溫度傳感器DS18B20訪問協(xié)議 98581.2.6溫度傳感器DS18B20接口電路 11175011.3溫度顯示電路 1176951.4加熱控制電路 12182961.5鍵盤及其接口電路 13168201.6報警電路 15250341.7手機APP遠程控制 15本設計的恒溫控制系統(tǒng)硬件上由主控電路、溫度采樣電路、溫度顯示電路、加熱控制電路、鍵盤及其接口電路、報警電路和手機APP遠程控制組成。顯示電路等硬件部分組成。通過在鍋爐外部手動設置恒溫數(shù)值或手機軟件設置恒溫數(shù)值給主控制器發(fā)送信號，主控制器接收信號通過顯示屏顯示數(shù)值，為了準確感受溫度變化，細致到0.1℃，溫度采樣電路需要較高的靈敏度。在反饋回給主控制器進行溫度比對，決定是否需要加熱。1.1主控制器-單片機STC89C521.1.1STC89C52引腳功能STC89C52是STC生產(chǎn)的高性能，低功耗的8位CMOS單片機，具有8K字節(jié)的可編程閃存系統(tǒng)。STC89C52采用經(jīng)典MCS-51內(nèi)核，但對芯片進行了許多改進。芯片STC89C52引腳如圖1.1所示；STC89C52引腳功能如表4.1所示。圖1.1STC89C52引腳圖表1.1STC89C52引腳功能如表名稱功能Vss接地Vcc接電源XTAL1/XTAL2在使用單片機內(nèi)部振蕩電路時，外接石英晶體和微調(diào)電容。在使用外部時鐘時，用來輸入時鐘脈沖。RST復位信號的輸入端。保持兩個機器周期的高電平時，就可以完成復位操作。ALE/PROG地址鎖存允許信號，訪問外部存儲器時，用來鎖存由P0口送出的低8位地址信號。在不訪問外部存儲器時，ALE以振蕩頻率1/6的固定速率輸出脈沖信號。因此可作對外輸出的時鐘。PSEN外部程序存儲器ROM的讀選信號。在執(zhí)行訪問外部ROM指令時，會自動產(chǎn)生PSEN信號；而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器RAM或訪問內(nèi)部ROM時，不產(chǎn)生PSEN信號。EA/VPP訪問外部存儲器的控制信號。P0.0~P0.7雙向I/O口P0。在訪問外部存儲器時，可分時用作低8位地址和8位數(shù)據(jù)線；當P0口作為輸入/輸出時，P0口為8位準雙向口，P0口內(nèi)部無上拉電阻，所以作為I/O口必須外接上拉電阻。P1.0~P1.7：雙向I/O口P1。P1口能驅(qū)動4個LS型TTL負載。在對EPROM編程和程序驗證時，他接收低8位地址。P2.0~P2.7雙向I/O口P2。P2口可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型TTL負載。在訪問外部存儲器時，輸出高8位地址。P1.0~P1.7雙向I/O口P3。P3口能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型TTL負載。P3口第二功能可單獨使用。如表1.1所示為P3口的第二功能：表1.2P3口的第二功能表端口引腳二功能P1.0RXD（串行輸入口）P1.1TXD（串行輸出口）P1.2INT0（外部中斷0輸入）P1.3INT1（外部中斷1輸入）P1.4T0（定時器0外部輸入）P1.5T1（定時器1外部輸入）P1.6WR（外部RAM寫選通）P1.7RD（外部RAM讀選通）1.1.2STC89C52特點STC89C52內(nèi)部結構圖如圖1.2圖1.2STC89C52內(nèi)部結構圖1.1.3STC89C52單片機復位電路和最小系統(tǒng)（1）上電復位電路：（a）上電自動復位：使用外部復位電路的電容充電。在VCC和RST之間加入一只22微法電容，在RST和VSS之間添加阻值為1000歐姆的電阻，就可以實現(xiàn)上電自動復位。如圖1.3所示。圖1.3上電自動復位電路（b）上電手動復位：這種接線方式不僅可以使用上電自動復位功能，按下按鈕后，電容通過R1放電，VCC電源由R1和R2分壓。由于R2的阻值遠高于R1的阻值，大部分電壓在R2，因此RST變?yōu)楦唠娖?，單片機復位完成。如圖1.4所示。圖1.4按鍵手動復位電路（c）復位后，單片機內(nèi)給寄存器狀態(tài)如表1.2所示:PC0000HTMOD00HACC00HTL000HPSW00HTH0000HSP07HTL1OOHDPTR0000HTH100HP0~P3FFHSCON00HIPX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0X0000B表1.3寄存器狀態(tài)2最小系統(tǒng)：單片機最小系統(tǒng)是保證單片機正常工作所需的最小電路。當沒有外圍電路時，單片機正常工作的最小配置在單片機系統(tǒng)中是不可或缺的。圖1.5單片機最小系統(tǒng)1.2溫度傳感器DS18B201.2.1DS18B20優(yōu)點DS18B20是我們常用的溫度傳感器之一。它包含兩個不同的溫度敏感振蕩器。其中，低溫敏感振蕩器等效于尺，高溫敏感振蕩器等效于測溫元件，兩個溫敏振蕩器的周期性比率是振蕩頻率之間的關系。由于它的輸出形式為數(shù)字信號，剛好符合我們選用的單片機只接受數(shù)字信號的特點，免去了其他溫度傳感器需要信號轉(zhuǎn)換的麻煩，提高了溫度測量精度，是最適合搭配STC89C52單片機使用的溫度傳感器。傳統(tǒng)溫度傳感器檢測大都使用熱敏電阻，但是熱敏電阻準確性低，無法精確到1度，而且需要進行專用的接口進行信號轉(zhuǎn)換，才能發(fā)送信號到單片機進行處理。綜上理由考慮，在此選用DS18B20溫度傳感器進行設計。1.2.2DS18B20特點DS18B20數(shù)字溫度傳感器由美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，附加功能優(yōu)秀，操作方便，適用于各種微小空間的設備使用。（1）DS18B20的優(yōu)點之一就是體積小，使用輕便。DS18B20引腳圖如圖1.5所示。圖1.6DS18B20引腳圖（a）GND—地;（b）DQ—數(shù)據(jù)I/O;（c）VDD—外接供電電源輸入端;（d）NC—空腳;（2）DS18B20單線技術。DS18B20采用單線接口模式。當與微處理器連接時，只需一條端口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20之間的雙向通信。通過這條線，可以傳輸時鐘和數(shù)據(jù)，且都可進行雙向通訊，故而這種單線技術簡單，低成本，便于擴展的優(yōu)點廣受應用。單線技術通迅信號類型有：復位脈沖、答應脈沖、寫0、讀0、寫1和讀1時序。除答應脈沖之外，所有單總線均由上述信號組成，均為主機發(fā)送的同步信號，命令和數(shù)據(jù)均為低位字節(jié)在前。由于只有一根通信線，所以主機在訪問每個器件時必須嚴格遵守初始化器件、識別器件和數(shù)據(jù)傳輸和處理的步驟運行。1.2.3DS18B20內(nèi)部結構因為DS18B20將溫度檢測與數(shù)據(jù)輸出集成在一個芯片上，所以抗干擾能力很強。DS18B20結構圖如1.7所示。圖1.7溫度傳感器DS18B20結構框圖其中DS18B20主要由以下部分構成如下：（1）64位光刻ROM；（2）溫度傳感器；（3）溫度報警觸發(fā)器TH和TL。1.2.4溫度傳感器DS18B20的溫度測量原理DS18B20中有兩個溫敏振蕩器：高低溫敏振蕩器。低溫敏感振蕩器的振蕩頻率受溫度影響較小。固定頻率產(chǎn)生的脈沖信號傳送到減法計數(shù)器，高溫敏感振蕩器受溫度變化的影響，頻率明顯變化，減法計數(shù)器接收產(chǎn)生的脈沖信號。當計數(shù)門打開時，DS18B20為低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖，計數(shù)，完成溫度測量。表1.4溫度/數(shù)字對應表溫度輸出的二進制碼輸出的十六進制碼+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100010191H+10.125000000001010001000A2H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-10.1251111111101101110FF5EH-25.06251111111001101111FF6FH-551111110010010000FC90H1.2.5溫度傳感器DS18B20訪問協(xié)議（1）初始化（2）ROM操作指令其中單總線控制器有5個ROM操作命令。（a）ReadROM[33h]該命令允許總線控制器從DS18B20中讀取ROM序列，并且僅適用于單線只有一個DS18B20的情況，否則會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。（b）MatchROM[55h]匹配ROM命令，后跟64位ROM序列，這樣主控制器就可以在總線上找到它想使用的任何DS18B20。匹配ROM序列后，即可操作應答存儲器。即可操作響應存儲器。剩下的無響應的則是不匹配從機，等待復位即可。（c）SkipROM[CCh]該指令的總線控制器不提供64位ROM編碼，可以節(jié)省大量單線類型的時間。若是多點總線多個從機同時發(fā)送信號則會造成數(shù)據(jù)混亂。（d）SearchROM[F0h]系統(tǒng)初次啟動，總控制器無法接收總線上所存在的器件數(shù)量和對應的64位編碼，而該命令允許總控制器準確查到所有線上的器件和對應的編碼。（e）AlarmSearch[ECh]此命令與SearchROM[F0h]相同，但只有滿足初始報警條件的DS18B20溫度測量才會響應。報警條件定義僅為溫度高于設定上限和溫度低于設定下限。只要DS18B20不掉電，報警狀態(tài)就會持續(xù)相應，直到測溫值在設定范圍內(nèi)，停止報警。（3）DS18B20功能指令該指令允許主控制器讀寫DS18B20暫存器，開啟溫度轉(zhuǎn)換和識別電源模式。表1.5RAM指令表指令約定代碼功能溫度變換44H啟動DS1820進行溫度轉(zhuǎn)換，12位轉(zhuǎn)換時最長為750ms（9位為91.75ms）。結果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM中。讀暫存器0BEH讀內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容器寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的3、4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。復制暫存器48H將RAM中第3、4字節(jié)的內(nèi)容復制存器到EEPROM中。重調(diào)EEPROM0B8H將EEPROM中內(nèi)容恢復到RAM中的EEPRO第3、4字節(jié)。讀供電方式0B4H讀DS1820的供電模式。寄生供電方式時DS1820發(fā)送"0"，外接電源供電DS1820發(fā)送"1"。（4）時序在初始化序列中，主控制器將總線拉低，每480us繼續(xù)發(fā)送一個復位脈沖，釋放總線后進入接收狀態(tài)，單總線被上拉電阻拉高。DS18B20檢測到I/O引腳的上升沿后，等待15-60us，并以60-240us方式向總線發(fā)送存在脈沖，初始化序列完成。圖1.8初始化時序1.2.6溫度傳感器DS18B20接口電路（1）DS18B20溫度傳感器的寄生電源供電方式特點如下：（a）不需要通過電源供電；（b）很大程度解決功耗問題；（c）僅需一條I/O口；（d）供電不足是，溫度轉(zhuǎn)換會收到影響。該方式適用于單一溫度傳感器使用，電源必須保持在5V。為了提高DS18B20溫度傳感器的精度，I/O口接線必須在溫度轉(zhuǎn)換過程中提供足夠的功率。當DS18B20轉(zhuǎn)換溫度時，工作電流將達到1mA。當多個溫度傳感器同時工作在同一條I/O線上時，4.7K的上拉電阻就不能滿足要求，也就無法進行溫度轉(zhuǎn)換或結果存在極大誤差。（2）DS18B20溫度傳感器的外部電源供電方式外部供電方式是最適合DS18B20的工作方式。外部供電方式可以充分利用DS18B20的寬電源電壓范圍的優(yōu)點。即使VCC電源電壓下降到3V，測量精度仍然可以得到保證。1.3溫度顯示電路通用數(shù)碼管由7段LED燈條組成。點亮不同的字段，將顯示不同的數(shù)字。另外，大多數(shù)7段數(shù)碼管都有一個LED，小數(shù)點可以作為第八段，適用于8位并行系統(tǒng)。發(fā)光二極管顯示驅(qū)動器的方法有如下兩種：（1）靜態(tài)驅(qū)動法。這意味著無論有多少LED數(shù)碼管，都可以同時顯示。當多位數(shù)碼管工作在靜態(tài)顯示模式下時，共陰極或共陽極連接并接地；每個數(shù)碼管的段線（a~d）分別與由單片機控制的8位I/O鎖存輸出相連接。如果發(fā)送給每個LED數(shù)碼管顯示字符的段碼確定，則相應I/O口的相應黑色鎖存器輸出的段碼將不能用于發(fā)送下一個顯示字符的段。（2）動態(tài)驅(qū)動法。顯示位數(shù)較多時，靜態(tài)顯示會占用大量I/O口，而動態(tài)顯示是將顯示器的段碼線并聯(lián)，用8位I/O口控制，公共端顯示由另一個I/O口主導。這種方法是給LED接通以脈沖電流，為使亮度達到要求，通過LED的脈沖電流需遠大于其額定值。增加顯示的位數(shù)就會澤佳所需部件以及連線接口，成本會大大增加，所以我們采用動態(tài)驅(qū)動方法。1.4加熱控制電路TIP127多用于大功率電路中，比如高負載電源，音頻功率放大，自動控制電路等，而本設計的恒溫控制系統(tǒng)就非常符合TIP127的使用范圍。（1）TIP127元件介紹：TIP127介于疏外延基NPN達林頓功率品體管，采用T0-220塑料封裝，主要用于低頻放大電路。如圖1.11所示。圖1.9TIP127元件圖光耦MOC3022其內(nèi)部構成是發(fā)光二極管和雙向品閘管，通過發(fā)光二極管的光來控制雙向晶閘管的通斷，用于弱電控制強電電路，實現(xiàn)隔離控制。如圖1.12。圖1.10光耦內(nèi)部結構圖單片機通過TIP127控制過零光耦的通斷來控制電加熱器。當溫度未達到設定值時，單片機會發(fā)出低電平信號使三極管飽和導通，光耦導通，電源接通電加熱裝置，設備工作，水溫升高。當水溫升到設定溫度上限時，單片機發(fā)出高電平信號，TIPI27斷電，光耦停止工作，最后電加熱器停止加熱。1.5鍵盤及其接口電路非編碼鍵盤有獨立式和矩陣式兩種。按鈕的輸入原理在單片機應用系統(tǒng)中，一般采用機械接觸式按鈕開關。除復位按鈕有特殊復位電路外，其余按鈕均為開關狀態(tài)下的配置功能或輸入數(shù)據(jù)。當按下按鈕設置功能時，系統(tǒng)應完成按鈕所設置的功能。單片機通過查詢或中斷的方式發(fā)現(xiàn)是否有按鍵啟用，并檢查是否為特定按鍵。如果按下某個鍵，則開始運行相應的鍵盤處理程序，如果沒有按下任何鍵，則運行其他程序圖1.11矩陣式按鍵矩陣式結構的鍵盤識別較為復雜，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。如圖1.13所示。圖1.12獨立式按鍵獨立按鍵使用I/O口線組成單按鍵電路。每個按鈕必須獨占一個I/O口線中斷，但每個I/O口線按鈕的工作狀態(tài)并不互相影響。在按鍵較多時，I/O口的占線數(shù)量會非常浪費，因此不宜采用。如圖1.14。因為本系統(tǒng)只有三按鍵，所以采用獨立式鍵盤，通過直連方式來達到輸入控制，采用三個按鍵，分別為K1、K2、K3，對應的I/O端口為：K1=P1.4K2=P1.5K3=P1.6該設計詳細按鍵功能如下：K3設定溫度范圍；準備設定溫度范圍上限報警值TH；準備設定溫度范圍下線報警值TL；退回；K1加鍵和K2減鍵。K1查看溫度設定值；（1）準備查看溫度設定值上限TH狀態(tài)；（2）準備查看溫度設定值下限TL狀態(tài)；（3）退出查看。1.6報警電路若溫度傳感器DS18B20采集的溫度信號不在溫度設定范圍之內(nèi)，即超出或過低，報警電路發(fā)揮作用使系統(tǒng)顯示報警信息，在此選用蜂鳴器作為傳遞報警信息的媒介。蜂鳴器可以直接通過連接單片機的I/O口來運作并發(fā)出聲音，當此電路運作，就表示系統(tǒng)已發(fā)生故障，無法控制溫度在設定范圍，蜂鳴器就會響應。若出現(xiàn)與DS18B20無法