基于单片机的制冷系统及智能控制

1、1 引言温度是与人类的生活和工作关系最密切的物理量，也是各门学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测定的物理量。从工业炉温、环境气温到人体温度；从空间、海洋到家用电器等各个技术领域都离不开测温和控温。因此，测温、控温技术发展最快，范围最广。1.1 本课题的意义在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务，对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对

2、是否能掌握温度控制有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度是一个系统经常需要测量、控制和保持的量，而温度是一个模拟量，不能直接与单片机交换信息，采用适当的技术将模拟的温度量转化为数字量在原理上虽然不困难但成本较高，还会遇到其它方面的问题。 随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉，热处理炉，生化温室中温度进行监测和控制。温度监控系统广泛应用于社会生活的各个领域 ,如家电、汽车、材料、电力电子等，和人们的日常生活息息相关，例如微波炉，冰箱，热水器等都需要对温度进行控制，而开发一个智能的温度控制系系统显着尤为重要，而如今

3、随着科技的进步，已经开发出很多不同用途的智能温度控制系统，大大方便了人们的日常生活，为经济的发战做出了贡献。温度测量和控制在工业控制领域也有着广泛的应用，温度控制充当了一个很重要的角色，所以说温度控制在整个国民经济的发展中都有着重要的意义。1.2 国内外发展状况目前，国内的大型冷库大多采用仪表控温.人工手动的定值方式。对于大型多种类型库房的冷库，这种控制方式往往无法满足冷库温度控制的要求。为此，我们在设计大型冷库温度控制系统时。采用AT89C52单片机为核心设计系统的控制器。通过对各库房内多点测温点的检测。分析库内温度场的分布情况，然后根据对库温的各种具体要求，控制制冷系统的运行。我国冷库自建

4、国以来经历了从小到大、从少到多、从单一到综合、从一般到先进的发展历程。冷库的发展离不开对制冷技术的依托，而制冷技术的发展又离不开自动控制的应用。自动控制在我国冷库制冷装置及其系统的应用始于六十年代，从自控元件仪表自主开发研制和试点工程，到大量工程应用和发展;整个装置系统的引进和应用，直至电子技术的广泛应用，经历了从无到有、从初级到高级的不断开发、拓展的历程。当今我国冷库制冷装置及其系统的自动控制技术己日趋成熟并得以广泛应用和发展;可以这样说，当今制冷技术的发展已越来越离不开自动控制的支撑;当今电子技术、PLC和CPU的应用已越来越深入于冷库自动控制的内容;当今自动控制的实施在安全、经济和节能等

5、领域亦越来越体现其无可替代的重要地位。由于计算机技术的应用，使制冷系统的自动控制上升了一个很大的台阶，做到了常规控制难以做到的控制内容。例如库房温度排序、氨压缩机列队、当前负荷和制冷量计算、蒸发温度设定、库房温度设定、系统最佳运行、冷凝水泵动态调节、事故处理、数据采集打印和随机查询等功能的实现，就是计算机技术应用的成果。自行设计的冷库自动控制与以往相比，最大的不同是可以选用的自控元件仪表品种多了、质量也高了，其结果就是克服了长期以来“头脑灵活而手脚不灵”的尴尬局面，使冷库自动控制成了十分必要而且实用的技术。吴径冷库1000吨高温库的项目，以通用PLC为核心，采用相关元件和仪表，编制控制中国制冷

6、学会第十七次团体会员大会暨第五届全国食品冷藏链大会论文集程序，取得了可编程序控制器在制冷系统应用的成功，还获得了上海市科技成果应用的证书。新加坡在中国投资的深圳清溪和山东龙口冷库，用国产制冷设备和进口自控元件实现了高温库和高、低温两用库的自动控制。广州600()吨山力冷库是民营企业，在该工程中选用了进口螺杆制冷压缩机、国产辅机和进口制冷自控元件，实现了采用顶墙排管低温库(包括制冰和冰库)的自动控制。在这些冷库的自动控制中，螺杆式制冷压缩机的机电一体化是一个很大的特点，采用微电脑或PLC组成的主机控制屏不但提高了对本机自控的程度，还有专用通讯接口，可以与系统建立联络和纳入整个系统的控制;通过该控

7、制屏的人机界面不但能了解当时运行工况和相关参数，还能根据运行要求对这些参数进行设定，满足实际控制需要。国外引进冷库的自控特点 一些企业从国外引进的冷库、制冷设备和制冷系统，其特点之一就是技术先进自动化程度高。这些工程基本上都采用带微电脑控制的螺杆制冷压缩机和各种自控元件，结合制冷对象的特点，实现制冷设备及其系统的自动控制。该时期的深圳坪山冷库、上海外高桥冷库、二十一世纪冷库和福乐冰琪淋食品公司等项目的自动控制都各具特点。1)螺杆压缩机不但能根据实际负荷的变化作相应的能量调节，还能根据运行工况变化作相应的内容积比调节。2)在高、低温多蒸发温度的制冷系统中，实现了中冷带负荷系统的配置和自动调节，使

8、制冷压缩机的配置数量最少、投入运行的效率最高、对制冷对象变化的适应最灵活。3)实现了重力供液系统的自动控制，还同样做到了中冷带负荷的控制，使较为传统的重力供液系统焕发了新春，在省去液泵的同时，减少了制冷装置的功率消耗和日常维修。通过这些工程的设计、安装和调试，还拓展了视野、丰富了经验、加快了与国际接轨的步伐从以往冷库自控的发展，可以明显地看到，自控元件仪表的制造、制冷系统的控制是和电子技术的发展互为依托、相互促进的。从最早的继电器回路、到由分立原件组成的程序控制器、再到集成电路的可变程序控制器。1.3 温度监控系统常用的两种装置1.3.1 PLC控制系统由温度传感器、PLC系统(含键盘和液晶显

9、示) 、加热设备几部分组成。利用PLC把传感器采集的有关参数(如温度)转换为数字信号,并把这些数据暂存起来,与给定值进行比较,经控制算法后,给出相应的控制信号进行控制。系统还可以经过串行通信接口将数据送至上位机,从而完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析等更为强大的功能,并可以对数据进行显示、编辑、存储及打印输出。传感器把与环境有关的参量转换为电压信号,经运算放大器组成的信号处理电路变换成压频转换器(V /F)需要的电压信号。其中温度传感器的输出电流与绝对温度成正比,且具有温度响应快、线性度好及高阻抗电流输出等特点,适于长距离传输,可把- 555 的温度转换成14 V的电压;测湿调理电路是将

10、湿度传感器测试到的10 %90 %的相对湿度转换成420 mA的电流输出信号。监控系统的执行机构包括遮阴帘、电磁阀等设备。系统工作时, PLC通过温度传感器来测量温室内的温度并与设定值相比较,如果温室内的温度超出了设定范围的上下限值, PLC就输出指令,控制接通相应的设备;当温室的温度和湿度都在范围内时, PLC就输出指令,切断设备的电源。1.3.2 单片机控制温度监控系统采用单片机进行控制，由温度检测电路、显示电路、A/D 转换电路、执行机构、控制电路和单片微处理器等组成。用单片机作为控制器, 可对执行机构发出指令，实现温度参数调节,具有上下位机直接设置温度范围, 温度实时显示等功能。系统下

11、位机由传感器检测模块, 键盘显示模块和执行机构模块三大部分构成。 2系统框图和数学模型2.1 控制要求1）冷库的温度要保证在适于放置冷藏物品的温度内，这主要在控制程序设计中考虑。温度控制范围为-15 -25，升温、降温阶段的温度控制精度要求为0.5，保温阶段温度控制精度为 0.5 ，温度控制曲线见图2.1。1图2.1温度控制曲线2）微机自动调节 正常情况下，系统投入自动。3）模拟手动操作 当系统发生异常，投入手动操作。4）微机监控功能 显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出。2.2 受控对象的数学模型控制的温度是影响冷库性能的重要因素。本系统要求长时间监视冷库的温度，并对当前的温度进行控

12、制。本控制对象为冷库，采用继电器进行控制。AT89C52加热控制电路高阻抗加热丝降温控制电路半导体降温片冷库温度传感器A/D转换电路显示电路上位机键盘报警电路图2.2 温度控制系统整体结构框图2.2.1 系统整体结构框图冷库温度检测控制系统主要由AT89C52为核心，结构框图如图2.2所示。2.2.2 系统整体工作过程本系统的一大特点是用户可以通过下位机中的键盘输入温度的上、下限值，也可以通过上位机对温度的上、下限值进行输入，从而实现上位机对培养容器温度检测控制的远程操作。系统下位机设在冷库里，下位机中的温度传感器可以将环境中的温度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至下位机中的

13、单片机，单片机读取数据后将数据送到缓冲区内，通过LED数码管进行实时显示，同时与原来内部设定的上、下限值进行比较，单片机可以根据比较的结果对温度控制电路内的继电器发出相应的通断信号，并通过继电器的吸合状态去控制相应的设备进行操作，调节冷库内的温度状态。用户直接通过键盘对温度的上、下限值进行设置后，如果环境的实时参数超越上、下限值，系统自动启动执行机构调节冷库内温度状态，直到温度状态处于上下限值范围内为止。下位机LED显示部分可以直接实现温度值的实时显示。上位机可通过通信接口模块接收下位机传送过来的温度值，可以直接设置温度值并通过单片机去控制执行机构对冷库进行相关操作。由于通常的PC机都配有RS

14、-232C的串行通讯接口，有效通讯距离较短。为了实现长距离通讯，不得不将RS-232C接口转化成RS-485接口。因此上下位机之间通过符合串行总线RS-485标准的通信通道以事先约定的协议进行通信。2.2.3 温度控制系统的组成框图采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见图2.3。其中数字控制器的功能由单片机实现。冷库温度的传递函数为，其中1为电阻加热的时间常数，为电阻加热的纯滞后时间，为采样周期。A/D转换器可划归为零阶保持器内，所以广义对象的传递函数为 （2.1） 图2.3 温度控制系统的组成框图广义对象的Z传递函数为 （2.2）所以系统的闭环Z传递函数为 (2.3)系统的数字控制器为=

15、（2.4）写成差分方程即为 （2.5） 令 ,得 （2.6）式中 第次采样时的偏差；第次采样时的偏差；第次采样时的偏差。3 系统硬件设计考虑到尽量降低成本和避免复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。主控器采用单片机AT89C52；温度传感器采用AD590；采用控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用 NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动；单片机所需要的+5V工作电源是通过220V交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。实时控制的显示器、键盘通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。下面对硬件电路作具体的设计。3.1 单片机AT89C52单片机介绍AT89C52是

16、美国ATMEL公司生产的低压，高性能CMOS8位单片机，期间采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，因此，功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂的控制应用场合。AT89C52提供以下标准功能：8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通讯口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至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，串行通讯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他所有部

17、件工作直到下一个硬件复位。AT89C52的引脚如图3.1所示。1图3.1 AT89C52引脚结构图3.1.1单片机的引脚功能描述下面对AT89C52各引脚的功能进行较为详细的介绍：1)电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端为+5V Vss(20脚)：接地端。 2)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端。在单片机内部它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时针电路时，该引脚输入外时钟脉冲。要检查89C52的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。XTAL1(19脚)：接外部晶体和

18、微调电容的另一端。在片内，它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。 3)控制信号脚 RST ALE PSEN 和EA。 RST(9脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。在此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。ALE/PROG（30引脚）：地址锁存允许信号端。当AT89C52上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号。此频率为振荡器频率fosc的1/6，当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。在CPU访问片外数据存储时，每取值一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。平时不访问片外存储时，ALE端

19、也以1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果你想看一下AT89C52芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有脉冲信号输出，则AT89C52基本上是好的。ALE的负载驱动能力为8个LS型TTL（低功耗高速TTL）。PSEN（29脚）；程序存储允许输出信号引脚，在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引脚接ERROM的OE端。PSEN端有效，即允许读出ERROM/ROM中的指令码。CPU在从外部ERROM/ROM取指令期间，每个周期PSEN两次有效。不过，在访问片外RAM时，要少产生两次PSEN负脉冲信号。

20、要检查一个AT89C52小系统上电后CPU能否正常到ERROM/ROM中读取指令码，也可用于示波器看PSEN端有无脉冲输出。如有，说明基本上工作正常。EA/VPP（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内ERROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令。但在PC（程序计数器）的值超过OFFFH（对8751/8051为4k）时，将自动转向执行片外存储器的程序。当出入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部ERROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无芯片内的ROM的8031或8032，须外扩ERR

21、OM，此时必须将EA引脚接地。如果使用有片内ROM的AT89C52，外扩ERROM也是可以的，但也要使EA接地。4)I/O（输入/输出端口，P0，P1，P2，P3）P0口：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。P1口：8位准双向I/O端口。P2口：即可以做地址总线输出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此时为准双向口）。P3口：双功能口，即可以做普通I/O口用（此时为准向口，也可以按每位定义实现第二功能操作）。见表3.1。表3.1 P3口的第二功能表引脚第二功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4

22、T0（定时器0外部中断）P3.5T1（定时器1外部中断）P3.6WR（外部存储器写选通）P3.7RD（外部存储器读写通）3.12 时钟电路 AT89C52的时钟方式有两种，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。本设计从简化电路方面考虑，采用内部时钟方式。AT89C52单片机内有一个高增益的反相放大器，其输人端（XTAL1）和输出端（XTAL2）用于外接石英晶体和微调电容构成振荡器，对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器工作的稳定性，起振的难易程度及温度稳定性，一般电容值在20pF40pF时，振荡器有较高的稳定性。本设计用于交流电参数的测量，数据计算又软

23、件实现，需要稳定的振荡时钟来保证测量与计算的精度，所以选择电容值为33pF，晶振频率为12MHz。电路如图3.12所示。图3.12 时钟电路3.13 复位电路复位电路常采用上电复位和按钮复位两种方式，其工作原理为：上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效地复位。当时钟频率选用12MHz时，C取22F， R约为10K。除了上电复位外，有时还需要人工按钮复位。考虑到系统在实际运行中可能会出现死机的情况，自动复位不能实现，于是就采用了上电复位与按钮复位兼有的复位电路，确保系统安全运行。如图3.13所示。 图3.13 复位电路3.2

24、 8155芯片的简介8155是带RAM和定时器/计数器的可编程并行接口芯片。用8155可作LED显示接口。如图3.2所示：图3.2 8155引脚图1）8155各引脚功能说明如下：RST：复位信号输入端，高电平有效。复位后，3个I/O口均为输入方式。AD0AD7：三态的地址/数据总线。与单片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。：读选通信号，控制对8155的读操作，低电平有效。：写选通信号，控制对8155的写操作，低电平有效。：片选信号线，低电平有效。IO/：8155的RAM存储器或I/O口选择线。当IO/0时，则选择8

25、155的片内RAM，AD0AD7上地址为8155中RAM单元的地址（00HFFH）；当IO/1时，选择 8155的I/O口，AD0AD7上的地址为8155 I/O口的地址。ALE：地址锁存信号。8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及，IO/的状态都锁存到8155内部锁存器。因此，P0口输出的低8位地址信号不需外接锁存器。 PA0PA7：8位通用I/O口，其输入、输出的流向可由程序控制。 PB0PB7：8位通用I/O口，功能同A口。PC0PC5：有两个作用，既可作为通用的I/O口，也可作为PA口和PB口的控制信号线，这些可通过程序控制。TIMER IN：

26、定时/计数器脉冲输入端。TIMER OUT：定时/计数器输出端。VCC：5V电源。2）用8155作显示接口芯片的连接电路：其中C口为输出口（位控口），以PC5-PC0输出位控线。由于位控线的驱动电流较大，8段全亮时约40-60mA，因此PC口输出加74LS06进行反相和提高驱动能力，然后再接各LED显示器的位控端。B口也为输出口（段控口），以输出8位字型代码（段控线）。段控线的负载电流约为8mA，为提高显示亮度，通常加74LS244进行段控输出驱动。3.3 温度传感器检测电路设计集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流、电压特性与温度的关系，把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上，构成一个

27、小型化、一体化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、价格低等优点。AD590是集成温度传感器中常用的芯片。它是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。由于该器件具有良好的线性特性和互换性,因此测量精度高,并具有消除电源波动的特性。AD590传感器有三个引脚，在使用时“+”极引脚接电源，“-”极接一电阻到地， “NC”悬空即可。它可接的工作电压为4V30V，可检测的温度范围为-55+150，有非常好的线性输出性能。温度每降低1,电流就增加1uA。AD590温度与电流的关系如表3.1所示2。AD590检测电路接线图如图3.3所示。使用时，运算放大器OPA

28、1为电压跟随器，主要为了稳定信号的输入，调节变阻器使0时运放OPA2的输入为：2.73 - 2.73 = 0V，而-25时，OPA2的输入为2.732.98 = -0.25V（反相），这一步称为零位调整。运放OPA2为放大倍数为10的反相比例运算放大器。这样，-25时的-2.5V经反相大10倍后为2.5V。 图3.3 温度检测放大电路设计表3.2 AD590温度与电流的关系温度AD590电流经10K电压0273.2 uA2.732V-10283.2 uA2.832V-20293.2 uA2.932V-25298.2 uA2.982V-30303.2 uA3.032V-40313.2 uA3.1

29、32V-50323.2 uA3.232V-60333.2 uA3.332V-100373.2 uA3.732V通过两个运放后，电路所送出的电压值的大小就能反映相应的温度值了。为了换算方便，本设计中采用的参考电压为5.1V，即8位模数转换器ADC0809模拟量输入为+5.1V时，ADC0809的数字量为0FFH，即255。温度显示范围设定为-510，则系统采样分辨率为51255 = 0.2/LSB。各温度与2个运放及ADC0809输入输出间的关系如表3.3所示。在软件设计中，只要将输出的数字量乘以0.2/LSB就能换算成实际的温度值3。再将个位与十位分别存入单片机的两个内存单元等待显示即可。表3

30、.3 各温度与2个运放及ADC0809输入输出间的关系温度值经OPA1后经10K后零位调整后经OPA2后ADC输入ADC输出0273.2 uA2.732V0V0V0V0-10283.2 uA2.832V01V1V1V50-20293.2 uA2.932V02V2V2V100-30303.2 uA3.032V03V3V3V150-40313.2 uA3.132V04V4V4V200-50323.2 uA3.232V05V5V5V2503.4 ADC0809的简单介绍及其与单片机和传感器的连接3.4.1 ADC0809的简单介绍ADC0809是8位A/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D转

31、换的。ADC0809由单一的+5V电压供电；片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路05V的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换大约需要100S；片内带有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256R电阻T型网络和树形电子开关以及逐次逼近寄存器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可以直接接到单片机数据总线上。它是28脚双列直插式封装，其引脚图如图3.4所示，各引脚的功能如下：D7D0 ：8位数字量输出引脚。IN0IN7 ：8位模拟量输入引脚。REF（+） ：参考电压正端。REF（-） ：参考电压负端。ALE ：地址锁存允许信号输入端。START ：A/D转换启动信号

32、输入端。CLK ：时钟信号输入端。EOC ：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，转换结束时为高电平。OE ：输出允许控制端，用于打开三态数据输出锁存器。图3.4 ADC0809引脚图A、B、C：地址输入线，经译码后可以选通IN0IN7八通道中的一个通道进行转换。3.4.2 ADC0809与单片机的连接 ADC0809与AT89C52的接线图如下图3.5所示。由于ADC0809片内无时钟，可以利用AT89C52提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE脚的频率是AT89C52单片机时钟频率的1/6。此系统中单片机时钟频率采用6MHz，则ALE脚的输出频率为1MHz，再经过二

33、分频后为500KHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚可以直接与数据总线相连。地址译码引脚A、B、C分别与地址总线的低三位A0、A1、A2相连，以选通IN0IN7中的一个通路。将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此，ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2.7脚经过一个或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器，因此，P2.7应该设置为低电平。ADC0809与AT8

34、9C52的中断方式接口电路只需要将0809中的EOC脚经过一个非门连接到AT89C52的INT0脚即可。采用中断方式可以大大节省CPU的时间，当转换结束时，EOC图3.5 ADC0809与单片机AT89C52的接线图发出一个脉冲向单片机提出中断申请，单片机响应中断请求，由外部中断的服务子程序读取A/D转换的结果，并启动下一个转换。外部中断采用边沿触发方式。3.5 键盘输入电路的设计一般情况下，键盘是由一组规则排列的按键组成，一个按键实际上是一个开关元件。其主要功能是把机械上的通断转换为电气上的逻辑关系（0和1）。常见的种类有：独立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘的特点是每个按键单独占用一根I/O

35、口线，每个按键工作不会影响其他I/O口线的状态，多用于所需按键不多的场合。在本系统中，所需按键较多，应采用矩阵式键盘。44键盘结构如下图3.6所示。图中所示的列线通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线断开，列线呈高电平。当键盘上某个键闭合，该键所对应的行和列线短路4。例如，当6号键闭合时，行线PA.1与对应的列线PA.6短路，此时PA.6的电平由PA.1电平决定，如果把列线接到微机的输入口，行线接到微机的输出口，则在微机的控制下，使行线PA.0的输出为低电平，其余三根PA.1、PA.2、PA.3都为高电平然后微机通过输入口读列线的状态，如果PA.4、PA.5、PA.6、PA.7

36、都为高电平，则PA.0这一行上没有闭合键，如果读出的行线状态不全为高电平，侧为低电平的列线和PA.0的相交的键处于闭合状态；图3.6 44键盘结构图9 44矩阵键盘结构如果PA.0的这一行上没有键闭合，接着使行线PA.1为低电平，其余行线为高电平。用同样的方法检查PA.1这一行上有没有闭合键，以此类推，最后使PA.3为低电平，其余行线为高电平，检查PA.3这一行上有无键闭合。这种逐行逐列地检查键盘状态的的过程称为对键盘的一次扫描。这是识别键盘最常用的方法，其控制方法即：先判断是否有键按下。如有，再判断哪一个键按下，并得到键码值，然后根据键码值转向不同的功能程序。3.6电源电路电源电路可分为三大

37、块：变压部分、整流滤波部分、稳压部分。电源电路如图3.7所示。图3.7电源电路1）电源变压器：变压器作用是将220V的交流电压变换成我们所需的电压9V。然后再送去整流和滤波。2）整流滤波电路：电路将交流电压变成单相脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路。一般的整流有全波整流、单相半流整流、桥式整流、及变压整流。3）稳压电路：这的稳压电路中我使用的是“三端固定输出集成稳压器”，稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。集成稳压器、使用方便、性能稳定、更重要的是考虑到

38、它的价格低廉。 3.7显示电路的设计前面介绍了单片机系统人机交流输入设备键盘输入的电路设计，解决了用户进行状态和参数输入的问题。现在将介绍单片机的输出设备LED显示器，满足用户观察结果的要求。下面先了解LED显示的结构和原理5。LED数码管主要用于显示单片机的输出数据和状态。其中七段LED显示器是发光器件最常用的一种数码管，内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。按内部发光二极管的接线形式可以分为共阴极和共阳极两种。每段发光二极管需要510mA的驱动电流才能正常发光，一般需要加限流电阻控制电流的大小。用单片机驱动LED数码管显示有很多方法，按显示方式可以分

39、为静态显示和动态显示两种。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或是截止，例如7段显示器a、b、c、d、e、f导通，g截止，显示0。这种显示方式每一位都需要一个8位输出口控制。静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度而且字符不闪烁，可以用8155H的输出口直接驱动。在单片机串行口方式0应用中，也是采用静态显示方法。当显示位数较少时，采用静态显示的方法是适合的。当位数较多时，用静态显示所需要的I/O口太多，一般采用动态显示方法。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必

40、须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可以实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需要一个I/O口（称为扫描口），控制显示器的各位显示的字符也需要一个8位口（称为段数据口）。本设计中采用4位LED动态显示，8155的C口作为扫描口，经反向驱动器74F04接显示器公共极，B口作为段数据口，接显示器的各个极，如下图3.8所示6。图3.8 显示电路的设计常用的LED显示器有7段和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接

41、地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。LED数码管的ag七个发光二极管，加正电压的发光，加零电压的不能发光，不同亮暗的组合就能形成不同的字符，这种组合称为字型码。共阴极和共阳极的字型码是不同的，如下表3.4所示。表3.4 LED字型显示代码表显示段 符 号十六进制代码dpgfedcba共阴极共阳极0001111113FHC0H10000011006HF9H2010110115BHA4H3010011114FHB0H40

42、110011066H99H5011011016DH92H6011111017DH82H70000011107HF8H8011111117FH80H9011011116FH90H3.8 上位机实现远程控制的电路设计芯片内有一个全双工的串行口，具有四种工作方式，并具有多机通讯的特点，该串行口不仅可以和终端、系统主机等进行通讯，而且也可以作为AT89C系列单片机之间的通讯口。大的串行口和其他标准串行接口芯片一样，输入、输出均为TTL高电平。这种以TTL电平传输数据的方式，抗干扰能力差、传输距离短。为了提高串行通讯的可靠性，增大通讯距离，在实际应用中一般采用标准串行接口，如RS-232C，RS-422

43、A，RS-485等标准串行接口。RS-232C是异步串行通信中应用最广泛的标准总线，它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。其机械指标规定：RS-232C接口通向外部的连接器（插针插座）是一种“D”型25插头。在微机通讯中，通常被使用的RS-232C接口信号只有九根引脚，如上图中RS-232C所示。在这九个引脚中通常只使用三个：TXD（发送数据）、RXD（接收数据）、RTS（请求发送）。在电气特性规定中，RS-232C采用负逻辑，即：逻辑“1”表示 -3V-15V ；逻辑“0”表示 +3V+15V。因此，RS-232C不能直接与TTL电平直接相连，使用时必须加上适当的转换电路才能不使TTL

44、电路烧毁7。虽然RS-232C应用广泛，而且一般的PC机也均有RS-232C的标准接口，但由于其信号传输的最大电缆长度为30米，最高传输速率为20KB/S, 有效传输距离较短, 数据 图3.9 PC上位机RS-232C至RS-485的转换电路及其与单片机AT89C52的连接速低，因此一般情况下不得不将RS-232C接口转换为RS-485接口进行操作。RS-485为半双工的一种多发送器的电路标准，它允许双导线上一个发生器驱动32个负载设备。负载设备可以是发生器、接收器和收发器。RS-485标准没有规定在何时控制发送器发送或者接收器接受数据。其驱动器输出电平在-1.5以下时为逻辑“1”，在+1.5

45、以上时为逻辑“0”；接收器输入电平在-0.2以下时为逻辑“1”，在+0.2以上时为逻辑“0”。RS-485数据传输速率最高为10Mbit/s，最大电缆长度为1200m。利用单片机的串行口，可以实现单片机与PC机之间的点对点串行异步通信。图3.9中所示为RS-232C转换为RS-485的接口电路，同样RS-485也不能直接与AT89C52相连，必须进行电平的转换。在本设计中，利用75176将RS-485的电平转换为TTL电平，这样就可以通过RS-485标准协议实现PC机与AT89C52的通信。3.9 执行机构的控制3.9.1继电器在本设计中，参数温度检测出来后送单片机并与其中存放的通过键盘（上位

46、机）设定好的上、下限相比较，如果检测出来的参数在设定的上、下限范围内，系统则不动作，继续通过传感器检测；如果参数越限，则单片机发出控制信号，通过继电器线圈的吸合去控制相应的执行机构动作。其电路接线图如上图3.10所示。在此系统中，继电器选用过电流继电器。一般的过电流继电器所需要的驱动电流为安级，几十到几百安不等。而从单片机I/O口出来的电流为mA级，大多数为几百毫安左右。因此在单片机发出控制信号后应再经一个三极管放大去驱动继电器的衔铁吸合。三极管的放大倍数选为100即可，这样就可以实现温度的自动控制调节。3.9.2半导体降温片及电阻加热丝半导体制冷器是根据热电效应技术的特点，采用特殊半导体材料

47、热电堆来制冷，能够将电能直接转换为热能，效率较高。其工作原理如图3.10所示。半导体制冷片由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而N P之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，通上电源之后，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高。 本控制系统是对冷库进行温度监控，在本系统中采用的是高阻抗小功率加热电阻丝进行温度的小范围调节。 图3.10 半导体降温片工作原理图 图3.11 执行机构和单片机的连接3.10 报警电路的设计采用模拟声音集成芯片KD29561 报警。它有多种不同的声音(机枪、警

48、笛、救护车、消防车声) ,用户可以自主选择自己喜爱的声音。图3.12 声光报警电路声光报警电路(如图3.12示) 与AT89C52 的P1.0 口相连接,当温度在设定的温度范围内时, P1.0 为高电平,通过74LS04 转换为低电平,声光报警电路不工作,发光二极管光显为绿色,当温度在设定温度范围外时,则为低电平,通过74LS04 转换为高电平,声光报警电路中的发光二极管发光为红色、鸣叫,发出声光报警信号。总原理图见附图4 系统软件设计系统硬件电路设计完成之后，就要进行软件的设计和调试。如果没有软件来控制硬件电路和外围设备，系统仍然是不完善的。在监控系统中，软件的编制需要符合以下基本要求：1)

49、易理解、易维护。通常是指软件系统容易阅读和理解，容易发现和纠正错误，容易修改和补充。由于检测控制系统的复杂性，设计人员很难在短时间内就对整个系统理解无误，应用软件的设计和调试不可能一次就完成，有些问题是在运行中逐步暴露出来的，这就要求编制的软件容易理解和完善。2)实时性。实时性是监测控制系统的普遍要求，既要求系统及时相应外部事件的发生，并及时给出处理结果。3)可测试性。检测控制系统软件的可测试性具有两方面的含义：其一是指比较容易地制定出测试准则，并根据这些准则对软件进行测定；其二是指软件设计完成后，首先在模拟环境下运行，经过静态分析和动态仿真运行，证明准确无误后才可以投入实际运行。4)准确性。

50、准确性对检测控制系统具有重要意义。系统中要进行大量运算，算法的正确性和准确性对控制结果有直接影响，应次在算法的选择、位数选择方面要适合要求。5)可靠性。可靠性是检测控制软件最重要的指标之一，它要求两方面的意义：一试运行参数环境变化时，软件都能可靠运行并给出正确结果，也就是要求软件具有自适应性；二是工业环境极其恶劣，干扰严重，软件必须保证在严重干扰条件下也能可靠运行，这对检测控制系统尤为重要。4.1 开发语言和开发环境单片机的编程语言常用的有两种，一种是汇编语言，一种是C语言。本设计中采用汇编语言编程，下面了解其基本概念和主要优点。汇编语言是单片机设计的基础语言。它的特点是使开发人员能够充分的对

51、单片机硬件资源进行管理和操作。所谓汇编语言就是用助记符、符号和数字等来表示指令的程序语言，容易理解和记忆，与机器语言是一一对应的。它是为了弥补机器语言不易记忆，不易查错和不易修改而产生的一种低级语言。所谓程序设计就是用计算机能够识别的语言，把需要解决的问题的步骤描述出来单片机不像其他微型计算机有自己的系统软件，所有的单片机程序均需要用户自己设定程序。到目前为止，虽然已经有绝大部分的单片机都能够在一些高级语言环境下编程，但汇编语言也有许多优点是其他高级语言所不具有的。如：程序结构紧凑、占用的内存和CPU资源少；程序简短、执行速度快；与计算机内部硬件结构紧密、能充分发挥硬件的作用；实时性强、适用于

52、实时检测控制系统9。汇编语言的程序设计步骤主要包括：分析问题、确定思路、画流程图、编写程序、程序调试。这些步骤在软件设计中将一一体现。4.2 系统软件资源分配和各芯片端口地址在系统软件设计中，充分考虑了与硬件电路有机结合，利用单片机的优异特性实现对温度检测控制。系统采用模块化设计，在主程序下分成若干彼此独立的功能模块，如温度采集模块，键盘输入模块，显示输出模块，继电器控制执行机构输出模块，串行口通讯模块等10。在各模块设计中，首先应考虑系统资源的分配和各芯片端口地址。由硬件接线图可以得到如下地址：1）8155既可以用来做扩展的I/O口使用，也可以用作RAM使用，在本系统中，8155用作I/O口

53、来使用，各端口地址如下：控制口地址：7E00H PA端口地址：7E01HPB端口地址：7E02H PC端口地址：7E03H2）通过键盘设定的温度上限放在：46H，下限放在：47H3）ADC0809通道0为温度转换口，其地址为：7FF8H 4）ADC0809的转换结果存放在：40H。 转换的数字量再经过处理得到温度值所对应的BCD码，最终结果存放在：42H。再将个位和十位依次分离，放要显示的结果到内存单元。温度十位放在：30H，个位存放在：31H4.3 主程序模块系统的主程序系统初始化，中断优先级设定以及判断调用各模块程序的先后顺序，即要实现个模块程序之间的链接。在本设计中，温度上、下限的设定值

54、可以通过键盘设置，也可以通过PC机设置，从而实现对冷库的远程控制11。因此，在系统初始化完成后，根据条件选择所需要的过程即可。如图4.1所示。PC机远程控制调执行机构控制程序调显示子程序调温度转换子程序调中断子程序调A/D转换子程序需重新设定吗？调温度设定子程序调键盘输入子程序写入初始化程序开始NY调报警子程序图4.1 主程序框图4.4 初始化子程序模块程序的初始化模块在任何硬件系统中都是必不可少的一部分。程序初始化是对系统中所使用到的模块进行初始设置，其目的就是为了让硬件模块符合在控制软件中的使用要求。对硬件所使用到的内部资源和外部资源，必须一一进行初始化设置，同时还需要对单片机的一些外围电

55、路进行初始化设置。在此系统中，用到了两次中断。一次是在A/D转换结束后采用了一次中断，用来读取转换结果和启动下一次转换，还有就是PC上位机远程控制用到了另一个中断12。8155的初始化的流程框图如下4.2所示。开始结束将控制字送8155的控口写控制字并送累加器A图4.2 8155的初始化4.5 键盘输入子程序模块在本设计中，键盘采用扫描法得到键码值，与前面相对应的键盘键码值如下：（从左向右，从上向下）：01111110 10111110 11011110 11101110 01111101 10111101 11011101 11101101 01111011 10111011 1101101

56、1 11101011 01110111 10110111 11010111 11100111另外，在键盘程序中编写了延时去抖子程序，因此硬件中就不用再考虑，简化了硬件图。N开始键盘初始化抗干扰子程序有按键码？去抖动调用被按键的功能子程序返回Y图4.3 键盘子程序流程框图4.6显示电路子程序模块显示选用2位动态显示，2位显示温度，均不用显示小数点。由于位信号开始为1110，即数码管对应的位信号是低电平时表示该位选通并显示出来。因此，在依次显示4位数码管时，只需要将R2中的位选通信号依次左移，直到R2左移为0000，说明此时4位数码管均已显示，然后返回主程序即可。如图4.4所示。开始取出要显示值的

57、BCD码给显示缓冲区地址赋值位选通信号放入R2中查表得出被显示码对应的代码段送出要显示的代码段和位信号缓冲区地址加1左移R2一位并调用延时是否显示完毕？返回NY图4.4 显示子程序流程框图4.7 温度转换为显示码子程序模块从温度传感器AD590采集过来的实际温度值经过ADC0809转换后13，只是得到了与此温度相对应的数字量，因此，根据实际温度与数字量之间的线性关系可以得到实际温度值。然后先需要将此温度转换为BCD码存入单片机，再将此码分离得到要显示温度的十位和个位放入指定的内存单元即可，如图4.5所示。开始读40H单元送到A用A除以5得到实际温度送42H42H中的内容除以10的商A为温度的十

58、位，余数B为个位将A送30H，B送31H返回图4.5 温度转换为显示码子程序流程框图4.8继电器控制执行机构输出子程序模块温度参数采集过来后经过一系列转换后存入单片机，与由键盘设定的温度上、下限比较。单片机可以根据比较的结果对电流继电器线圈发出相应的信号（从单片机出来的电流很小，必须经过三极管放大才能取驱动电流继电器线圈），并通过电流继电器衔铁的吸合去控制相应的电流继电器进行动作。衔铁是否吸合可以通过单片机I/O口的高低电平去控制，然后通过继电器去控制诸如降温泵、加热器等执行机构去操作，以此来调节培养容器温度的状态，使其控制在设定的范围之内。由于培养容器温度变化不是特别快，系统要求的精度也不是

59、特别高，可以不用控制算法去精确计算，只用高低电平来控制即可14。其流程框图如图4.6所示。 N开始有越限吗？执行机构越限处理返回响应的继电器衔铁吸合Y 图4.6 继电器控制执行机构输出子程序流程框图4.9 PC上位机串行通讯子程序模块在实际应用的PC机系统中，经常用到异步通讯适配器的核心芯片IN8250。其可编程能力非常强，它的可编程能力主要体现在：1）传输速率可以在509600波特范围内编程选择。传输的数据格式可以选择5、6、7或8位字符，奇校验、偶校验或无校验位， 1、1.5、或2位停止位。2）具有控制MODEM功能和完整的状态报告功能。3）具有线路隔离、故障模拟等内部诊断功能。4）具有独

60、立的中断优先控制能力。IN8250主要是和调制解调器相配合实现远距离通讯。利用8250进行通讯，首先要对其初始化，即设定波特率、通讯采用的数据格式、是否使用中断、是否自测试操作等。在此系统中，PC机键盘输入的字符发送给单片机，单片机接收到PC机发来的数据后，回送同一数据给PC机，并在其屏幕上显示出来。双方约定：波特率：2400波特信息格式：8个数据位，一个停止位传送方式：PC机采用查询方式接收数据，单片机采用中断方式接收信息15。下面分别编写这两部分的软件流程。4.9.1 IBM-PC机通讯软件通讯软件采用8088汇编语言编写，程序流程图如下图4.7所示。8250初始化在屏幕上显示字符清空接受