基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)

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安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng) THE TEMPRETURE CONTROL SYSTEM BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER 學(xué)院（部）： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2013 年 05 月 25 日 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng) 摘要 本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。溫度信號(hào)由溫度芯片DS18B20采集，并以數(shù)字信號(hào)的方式傳送給單片機(jī)。文中介紹了該控制系統(tǒng)的硬件部分，包括：溫度檢測(cè)電路、溫度控制電路、PC機(jī)與單片機(jī)串口通訊電路和一些接口電路 。單片機(jī)通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制的目的。文中還著重介紹了軟件設(shè)計(jì)部分，在這里采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要模塊有：數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號(hào)處理程序、繼電器控制程序、超溫報(bào)警程。該控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)并記錄當(dāng)前的時(shí)間。系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，計(jì)算溫度子程序、按鍵處理程序、LCD顯示程序以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等。 關(guān)鍵詞：AT89C51，單片機(jī) ，DS18B20溫度芯片，溫度控制 46 THE TEMPRETURE CONTROL SYSTEM BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER ABSTRACT The at89c51 monolithic integrated circuit is take as core temperature control systems principle of work and design method. The temperature signal by the temperature chip DS18B20 gathering, and transmits by digital signals way for the monolithic integrated circuit. The control systems hardware part is introduced.Including:Temperature,examination,electric,circuit,temperature-control circuit, PC machine and monolithic integrated circuit serial port communication channel and some interface circuit. The monolithic integrated circuit through carries on corresponding processing to the signal, thus realizes the temperature control goal. In the article also emphatically introduced the software design part, uses the modular structure in here, the main module includes: Nixietube display sequence, keyboard scanning and pressed key disposal procedure, temperature signal processing procedure, black-white control procedure, excess temperature warning procedure. KEYWORDS：AT89C51 monolithic integrated circuit，DS1820 temperature chip，temperature control，serial port communication I i 目錄 摘要（中文） I 摘要（英文） II 1緒論 1 1.1 中外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 1 1.1.1 國(guó)外溫度測(cè)控系統(tǒng)研究 1 1.1.2 國(guó)內(nèi)溫度測(cè)控系統(tǒng)研究 1 1.2 溫度控制系統(tǒng)研究意義 1 1.3 溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法 4 2方案設(shè)計(jì) 6 2.1 系統(tǒng)工作原理 6 2.2 各模塊設(shè)計(jì) 6 2.2.1 溫度傳感器電路 6 2.2.2 通用鍵盤顯示電路設(shè)計(jì) 8 2.2.3 溫度控制及超溫報(bào)警電路 9 2.2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) 11 2.2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊 12 3硬件介紹 14 3.1 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 14 3.1.1 主要特性 14 3.1.2 管腳說明 15 3.1.3 振蕩器特性 16 3.1.4 芯片擦除 16 3.2 8279芯片簡(jiǎn)介 17 3.2.1 引腳介紹 17 3.2.2 8279的編程方法 19 3.2.3 8279的操作 21 3.2.4 8279 編程舉例 23 3.3 62256芯片簡(jiǎn)介 25 3.3.1 62256 引腳功能 25 3.3.2 62256引腳圖 26 3.4 74LS373簡(jiǎn)介 27 3.5 DS1820簡(jiǎn)介 27 I i 3.5.1 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 28 3.5.2 DS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器 28 3.5.3 DS1820使用中注意事項(xiàng) 29 4軟件設(shè)計(jì) 31 4.1 程序結(jié)構(gòu)分析 31 4.2 子程序設(shè)計(jì) 34 4.2.1 讀出溫度子程序 34 4.2.2　LED數(shù)碼顯示管程序 35 4.2.3 鍵盤掃描及按鍵處理子程序 36 5結(jié)束語 37 參考文獻(xiàn) 39 致謝 40 ii 1緒論 1.1 中外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 1.1.1 國(guó)外溫度測(cè)控系統(tǒng)研究 國(guó)外對(duì)溫度控制技術(shù)研究較早，始于20世紀(jì)70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場(chǎng)信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國(guó)的溫度測(cè)控技術(shù)發(fā)展很快，一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。 1.1.2 國(guó)內(nèi)溫度測(cè)控系統(tǒng)研究 我國(guó)對(duì)于溫度測(cè)控技術(shù)的研究較晚，始于20世紀(jì)80年代。我國(guó)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家溫度測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了溫度室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于對(duì)溫度的單項(xiàng)環(huán)境因子的控制。我國(guó)溫度測(cè)控設(shè)施計(jì)算機(jī)應(yīng)用，在總體上正從消化吸收、簡(jiǎn)單應(yīng)用階段向?qū)嵱没⒕C合性應(yīng)用階段過渡和發(fā)展。在技術(shù)上，以單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在較大差距。我國(guó)溫度測(cè)量控制現(xiàn)狀還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到工廠化的程度，生產(chǎn)實(shí)際中仍然有許多問題困擾著我們，存在著裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化程度低，環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點(diǎn)。 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。成熟的溫控產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它們只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，而用于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及加入WTO，我國(guó)政府及企業(yè)對(duì)此都非常重視，對(duì)相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國(guó)家、企業(yè)的研發(fā)中心，開展創(chuàng)新性研究，使我國(guó)儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。 1.2 溫度控制系統(tǒng)研究意義 二十一世紀(jì)是科技高速發(fā)展的信息時(shí)代，電子技術(shù)、微型單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用更是空前廣泛，伴隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行溫度測(cè)量。因此溫度一詞在生產(chǎn)生活之中出現(xiàn)的頻率日益增多，與之相對(duì)應(yīng)的，溫度控制和測(cè)量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用的詞語，同時(shí)它們?cè)诟餍懈鳂I(yè)中也發(fā)揮著重要的作用。如在日趨發(fā)達(dá)的工業(yè)之中，利用測(cè)量與控制溫度來保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。在農(nóng)業(yè)中，用于保證蔬菜大棚的恒溫保產(chǎn)等。 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度測(cè)量則是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)很重要 2 i 而普遍的參數(shù)。溫度的測(cè)量及控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測(cè)量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位。而且隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，溫度傳感器的種類還是在不斷增加豐富來滿足生產(chǎn)生活中的需要。 在單片機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵是測(cè)量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度測(cè)量是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。因此，單片機(jī)溫度測(cè)量則是對(duì)溫度進(jìn)行有效的測(cè)量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電力工程、化工生產(chǎn)、機(jī)械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔(dān)負(fù)著重要的測(cè)量任務(wù)。在日常生活中，也可廣泛實(shí)用于地?zé)?、空調(diào)器、電加熱器等各種家庭室溫測(cè)量及工業(yè)設(shè)備溫度測(cè)量場(chǎng)合。但溫度是一個(gè)模擬量，如果采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量雖不困難，但電路較復(fù)雜，成本較高。 現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)，工程建設(shè)及日常生活中溫度控制都起著重要的作用，早期的溫度控制主要用于工廠時(shí)間生產(chǎn)中，能起到實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量之用。隨著人們生活質(zhì)量的提高，現(xiàn)代社會(huì)中的溫度控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面也應(yīng)用于酒店，廠房以及家庭生活中，在有些應(yīng)用中，如高精度的生產(chǎn)廠房，對(duì)溫度的要求極其嚴(yán)格，溫度的變化極有可能對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品造成極大的影響。因此，這就需要一種能夠及時(shí)檢測(cè)溫度變化以及溫度變化的設(shè)備，提供溫度數(shù)據(jù)值，使人們對(duì)溫度的變化做及時(shí)的調(diào)整，多點(diǎn)溫度控制可根據(jù)人們不同的應(yīng)用環(huán)境自行設(shè)置該環(huán)境的溫度值，及時(shí)反映生產(chǎn)，生活中溫度變化使人們能及時(shí)看到溫度變化的第一手資料，提示人們溫度變化情況，協(xié)助人們能及時(shí)的調(diào)整，起到溫度報(bào)警作用，使溫度控制更好的服務(wù)于社會(huì)生產(chǎn)，生活。 電子技術(shù)的飛速發(fā)展，給人類的生活帶來了根本的的變革，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生而出現(xiàn)了微型計(jì)算機(jī)，更是將人類社會(huì)帶入了一個(gè)新的時(shí)代。利用微機(jī)的強(qiáng)大功能。人們可以完成各種各樣的控制。 然而，微機(jī)造價(jià)高，對(duì)于大多數(shù)的工業(yè)控制來說，也并不需要微機(jī)那樣強(qiáng)大的功能，于是單片機(jī)就運(yùn)用而生了。單片機(jī)其實(shí)就是一個(gè)簡(jiǎn)化的微機(jī)，將微機(jī)的CPU，存儲(chǔ)器，I/O接口。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等集成在一片芯片上就是單片機(jī)了，它主要用來完成各種控制功能。相對(duì)微機(jī)來說，單片機(jī)價(jià)格低，非常適合于應(yīng)用在簡(jiǎn)單 的控制場(chǎng)合以降低成本。另外，單片機(jī)是按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，其可靠性很高，可在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)行。單片機(jī)依靠其高的可靠性和極高的性價(jià)比，在工業(yè)控制，數(shù)據(jù)采集，智能化儀表，家用電器等方面得到極為廣泛的應(yīng)用。 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度測(cè)量則是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)很重要而普遍的參數(shù)。溫度的測(cè)量及控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測(cè)量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位。而且隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，溫度傳感器的種類還是在不斷增加豐富來滿足生產(chǎn)生活中的需要。 在 4 i 單片機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵是測(cè)量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度測(cè)量是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。因此，單片機(jī)溫度測(cè)量則是對(duì)溫度進(jìn)行有效的測(cè)量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電力工程、化工生產(chǎn)、機(jī)械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔(dān)負(fù)著重要的測(cè)量任務(wù)。在日常生活中，也可廣泛實(shí)用于地?zé)帷⒖照{(diào)器、電加熱器等各種家庭室溫測(cè)量及工業(yè)設(shè)備溫度測(cè)量場(chǎng)合。但溫度是一個(gè)模擬量，如果采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量雖不困難，但電路較復(fù)雜，成本較高。 溫度、濕度和人類的生產(chǎn)、生活有著密切的關(guān)系，同時(shí)也是工業(yè)生產(chǎn)中最常見最基本的工藝參數(shù)，例如機(jī)械、電子、石油、化工等各類工業(yè)中廣泛需要對(duì)溫度濕度的檢測(cè)與控制。并且隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)自己的生存環(huán)境越來越關(guān)注。而空氣中溫濕度的變化與人體的舒適度和情緒都有直接的影響，所以對(duì)溫度濕度的檢測(cè)及控制就非常有必要了。 隨著科技的飛速發(fā)展和普及，高性能設(shè)備越來越多，各行各業(yè)對(duì)溫濕度的要求也越來越高。傳統(tǒng)的溫濕度檢測(cè)模式是以人為基礎(chǔ)，依靠人工輪流值班，人工巡回查看等方式來測(cè)量和記錄環(huán)境狀況信息。在這種模式下，不僅效率低不利于人才資源的充分利用，而且缺乏科學(xué)性，許多重大事故都是由人為因素造成的，人工維護(hù)缺乏完整的管理系統(tǒng)。而問世監(jiān)控系統(tǒng)就可以解決這樣人才資源浪費(fèi)，管理不及時(shí)的問題，這是由于它的智能化設(shè)計(jì)所決定的。故本次設(shè)計(jì)對(duì)于類似項(xiàng)目還具有普遍意義。 8051單片機(jī)是常用于控制的芯片，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測(cè)控制、機(jī)電一體化等方面取得了令人矚目的成果，用其作為溫濕度控制系統(tǒng)的實(shí)力也很多。使用8051單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度全程的自動(dòng)控制，而且8051單片機(jī)易于學(xué)習(xí)掌握，性價(jià)比高。 使用8051型單片機(jī)設(shè)計(jì)溫濕度控制系統(tǒng)，可以即時(shí)精確的反應(yīng)溫室內(nèi)的溫度以及適度的變化。完成諸如升溫到特定的溫度、降溫到特定的溫度。在溫度上下限范圍內(nèi)保持恒溫等多種控制方式，在濕度控制方面也是如此。將此系統(tǒng)應(yīng)用到溫室當(dāng)中無疑為植被生長(zhǎng)提供了更加適宜的環(huán)境。對(duì)于大棚種植和花圃、花卉栽培，必須在某些特定環(huán)境安裝溫濕度裝置對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。本系統(tǒng)可以及時(shí)、精確的反映室內(nèi)的溫度以及濕度的變化，能夠滿足溫濕度的控制要求。 溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域 ,如家電、汽車、材料、電力電子等 ,常用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和所要求的性能指標(biāo)有所不同 , 在工業(yè)企業(yè)中,如何提高溫度控制對(duì)象的運(yùn)行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員努力解決的問題。這類控制對(duì)象慣性大,滯后現(xiàn)象嚴(yán)重,存在很多不確定的因素,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳,甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡(jiǎn)單實(shí)用 ,但由于繼電器動(dòng)作頻繁 ,可能會(huì)因觸點(diǎn)不良而影響正常工作。控制領(lǐng)域還大量采用傳統(tǒng)的PID控制方式,但PID控制對(duì)象的模型難以建立,并且當(dāng)擾動(dòng)因素不明確時(shí),參數(shù)調(diào)整不便仍是普遍存在的問題。而采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，因其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，而且減少了溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)的精度損失，使得測(cè)量溫度更加精確。數(shù)字溫度傳感器DS18B20只用一個(gè)引腳即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器DS18B20做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實(shí)用性。更能串接多個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行范圍的溫度檢測(cè)。 1.3 溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法 溫度控制電路廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域,如家電、汽車、材料、電力電子等,常用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和所要求的性能指標(biāo)有所不同,傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡(jiǎn)單實(shí)用,但由于繼電器動(dòng)作頻繁,可能會(huì)因觸點(diǎn)不良而影響正常工作。采用主回路無觸點(diǎn)控制,克服繼電器接觸不良的缺點(diǎn),且維修方便,缺點(diǎn)是溫度控制范圍小,精度不高。本文就最近幾年快速發(fā)展的PID溫控,模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在溫度控制中的應(yīng)用做一綜述。 模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個(gè)過程的控制算法,主要嵌入操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺知識(shí)。它適用于控制不易取得精確數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型不確定或經(jīng)常變化的對(duì)象。電力系統(tǒng)的模型通常是不完善的,即使模型已知,也存在參數(shù)變化的問題。PID控制簡(jiǎn)單、方便,但難以解決非線性和參數(shù)的變化,模糊控制不需要裝置的精確模型,僅依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直觀判斷,非常容易應(yīng)用。模糊溫控的實(shí)現(xiàn):(1)將溫控對(duì)象的偏差和偏差變化率以及輸出量劃分為不同的模糊值,建立規(guī)則,例如,IF溫度太高OR溫度正在上升,THEN減少控制輸入,或風(fēng)冷。將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句,形成模糊模型。(2)根據(jù)控制查詢表,形成模糊算法。(3)對(duì)溫度誤差采樣的精確量模糊化,經(jīng)過數(shù)學(xué)處理輸入計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策,求出相應(yīng)的控制量,變成精確量去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),調(diào)整輸入,達(dá)到調(diào)節(jié)溫度,使之穩(wěn)定的目的。同傳統(tǒng)的PID控制比較,模糊控制響應(yīng)快,超調(diào)量小,參數(shù)變化不敏感。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前主要的、也是重要的一種人工智能技術(shù),是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對(duì)信息的記憶和處理而構(gòu)成的信息處理方法。它用大量簡(jiǎn)單的處理單元廣泛連接形成各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法各異,其中誤差反向傳播算法(即BP算法)應(yīng)用最為廣泛。溫度控制系統(tǒng)由于負(fù)載的變化以及外界干擾因素復(fù)雜,而PID控制只能對(duì)電參數(shù)的影響做精確的計(jì)算,對(duì)于外界環(huán)境的變化只能做近似的估算,影響控制精度。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線映射,自組織,自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能,可對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模。該方法響應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng),算法簡(jiǎn)單,且易于用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。訓(xùn)練方法實(shí)際是網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)過程,即根據(jù)事先定義好的學(xué)習(xí)規(guī)則,按照提供的學(xué)習(xí)實(shí)例,調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間相互連接的權(quán)值大小,從而達(dá)到記憶,聯(lián)想,歸納等目的。在溫控系統(tǒng)中,將溫度的影響因素如天氣、氣溫、外加電壓、被加熱物體性質(zhì)以及被加熱物體溫度等作為網(wǎng)絡(luò)的輸入,將其輸出作為PID控制器的參數(shù),以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本,在微機(jī)上反復(fù)迭代,隨實(shí)驗(yàn)與研究的進(jìn)行與深入,自我完善與修正,直至系統(tǒng)收斂,得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,達(dá)到自整定PID控制器參數(shù)的目的。mnn(memory neuron network)在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)增加了記憶神經(jīng)元,在學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)非線性系統(tǒng)時(shí),不須知道實(shí)際系統(tǒng)過多的結(jié)構(gòu),同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)滯后比較大時(shí)不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)龐大難以訓(xùn)練。 PID控制即比例、積分、微分控制。自19世紀(jì)40年代開始以來,廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中,長(zhǎng)期以來,由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、價(jià)格低,在廣泛的過程領(lǐng)域內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)滿意的控制。溫控系統(tǒng)將熱電偶實(shí)時(shí)采集的溫度值與設(shè)定值比較,差值作為PID功能塊的輸入。PID算法根據(jù)比例、積分、微分系數(shù)計(jì)算出合適的輸出控制參數(shù),利用修改控制變量誤差的方法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,使控制過程連續(xù),是很普通的調(diào)節(jié)方法。其缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)PID參數(shù)整定麻煩,被控對(duì)象模型參數(shù)難以確定,外界干擾會(huì)使控制漂離最佳狀態(tài)。提出一種PID參數(shù)自整定的溫度控制算法,采用簡(jiǎn)化臨界比例度整定法,只需整定一個(gè)參數(shù),提高了參數(shù)的整定效率,用編程的方法實(shí)現(xiàn)在線參數(shù)自整定。應(yīng)用這種規(guī)則的系統(tǒng)特點(diǎn)是其瞬態(tài)響應(yīng)超調(diào)量小,抗干擾能力強(qiáng),且振蕩有足夠的阻尼,具有良好的選擇性和靈敏度。效果得到了改善。針對(duì)大功率二極管應(yīng)用中的技術(shù)困難,提出開關(guān)型大電流雙向輸出模型和含PID調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)控制。本文即采用PID算法來實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 7 i 2方案設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)工作原理 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是以AT89C51單片機(jī)為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動(dòng)電路，晶閘管主電路對(duì)電爐爐溫進(jìn)行控制的微機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示，其基本控制原理為: 用鍵盤將溫度的設(shè)定值送入單片機(jī)，并在LED顯示，啟動(dòng)運(yùn)行后，通過信號(hào)采集電路將溫度信號(hào)采集到后，送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行PID 控制運(yùn)算，將控制量輸出，改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的控制電阻爐的加熱。 當(dāng)由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設(shè)備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時(shí)候，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出警笛聲。 數(shù)存擴(kuò)展 8279 AT89C51 溫控電路 數(shù)模轉(zhuǎn)換 傳感器 鍵盤與顯示 電爐 圖2-1 系統(tǒng)原理圖 2.2 各模塊設(shè)計(jì) 2.2.1 溫度傳感器電路 采用一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20來作為本課題的溫度傳感器。傳感器輸出信號(hào)進(jìn)4.7K的上拉電阻直接接到單片機(jī)的P1.0引腳上。 DS18B20溫度傳感器是美國(guó)達(dá)拉斯(DALLAS)半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等做在一個(gè)很小的集成電路芯片上。本設(shè)計(jì)中溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件DS18B20，是在經(jīng)過多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因： （1）系統(tǒng)的特性：測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃ ，測(cè)溫精度為士0.5℃；溫度轉(zhuǎn)換精度9～12位可變，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以16位二進(jìn)制數(shù)碼的方式串行輸出；12位精度轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為750ms；可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式。 （2）系統(tǒng)成本：由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，新型大規(guī)模集成電路功能越來越強(qiáng)大，體積越來越小，而價(jià)格也越來越低。一支DS18B20的體積與普通三極管相差無幾，價(jià)格只有十元人民幣左右。 （3）系統(tǒng)復(fù)雜度：由于DS18B20是單總線器件，微處理器與其接口時(shí)僅需占用1個(gè)I/O端口且一條總線上可以掛接幾十個(gè)DS18B20，測(cè)溫時(shí)無需任何外部元件，因此，與模擬傳感器相比，可以大大減少接線的數(shù)量，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少工程的施工量。 （4）系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)：由于引線的減少，使得系統(tǒng)接口大為簡(jiǎn)化，給系統(tǒng)的調(diào)試帶來方便。同時(shí)因?yàn)镈S18B20是全數(shù)字元器件，故障率很低，抗干擾性強(qiáng)，因此，減少了系統(tǒng)的日常維護(hù)工作。 DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：?jiǎn)尉€數(shù)據(jù)傳輸總線端口DQ ，外供電源線VDD，共用地線GND。DS18B20有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時(shí)VDD接地，它是通過內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長(zhǎng)。這種情況下，用單片機(jī)的一個(gè)I/O口來完成對(duì)DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，相應(yīng)的完成溫度測(cè)量的時(shí)間較短。 在本設(shè)計(jì)中采用外部供電方式實(shí)現(xiàn)DS18B20傳感器與單片機(jī)的連接，其接口電路如圖2-2所示。 VCC P1.0 3 2 1 圖2-2溫度傳感器電路 2.2.2 通用鍵盤顯示電路設(shè)計(jì) 如圖2-3所示，ALE信號(hào)作為8279的時(shí)鐘信號(hào)，從而與時(shí)鐘同步。8279的中斷信號(hào)IRQ接到單片機(jī)的P1.1引腳。緩沖器地址A0接到單片機(jī)的P2.5引腳，片選信號(hào)則接到單片機(jī)的P2.6引腳。讀寫信號(hào)分別和單片機(jī)的讀寫信號(hào)相連。8279的數(shù)據(jù)線D0-D7與單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。 8279與AT89C51的許多信號(hào)是兼容的，可直接鏈接，十分方便。8279的8位數(shù)據(jù)線直接連接到AT89C51的P0口。讀寫信號(hào)分別于89C51的讀寫信號(hào)相連接。AT89C51的鎖存信號(hào)ALE接8279的CLK，在內(nèi)部分頻后產(chǎn)生共內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)。8279的終端請(qǐng)求信號(hào)經(jīng)一個(gè)反相器反向后接AT89C51的P1.1.AT89C51的三個(gè)可尋址寄存器只需要兩個(gè)地址，即命令/狀態(tài)寄存器地址和數(shù)據(jù)寄存器地址。8279中與地址有關(guān)的信號(hào)為A0和片選信號(hào)，它們的鏈接情況直接決定著寄存器的地址，一旦硬件電路確定，寄存器的地址也就確定下來了。 LED的發(fā)光效率和顏色取決于制造的材料，一般常用紅色，偶爾也用黃色或綠色。發(fā)光二極管LED是智能化測(cè)量控制儀表中簡(jiǎn)單而常用的輸出設(shè)備，通常用來指示機(jī)器的狀態(tài)或其他信息。它的優(yōu)點(diǎn)是耗電省，配置靈活，接口方便，價(jià)格低，壽命長(zhǎng)，對(duì)電流電壓的要求不高及容易實(shí)現(xiàn)多路等。 LCD是一種被動(dòng)顯示器，它本身并不發(fā)光，只是調(diào)節(jié)光的亮度。目前常用的LCD是根據(jù)液晶的扭曲一向列效應(yīng)原理制成的，可得到黑底白字或白底黑字的顯示形式。對(duì)于采用電池供電的便攜式智能化測(cè)量控制儀表，考慮到低功耗的要求，常常需要采用液晶顯示器，它體積小，重量輕，功耗極低，因此在儀器儀表中的應(yīng)用十分廣泛。但是必須借助外來光顯示。 CRT顯示器可以進(jìn)行圖形顯示，但接口較復(fù)雜，成本也較高。 在多路溫度巡檢儀中只需要顯示4位數(shù)字形式的溫度和路數(shù)，可以不必使用價(jià)格較高的CRT； 4位LED的工作電流為240mA左右，由于使用交流電源供電，足以提供LED顯示器所需要的功率，對(duì)于LED而言，僅有4位，體積也很小，這樣比較LED和 LCD的諸多特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇 LED顯示器。 鍵盤是一組按鍵的組合，它的作用主要是控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)和命令，有編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤兩類。 編碼式鍵盤除了按鍵之外，還包括了產(chǎn)生鍵碼的硬件電路、去抖動(dòng)電路和多鍵、竄鍵保護(hù)電路。每按下一個(gè)鍵，能自動(dòng)產(chǎn)生這個(gè)鍵的鍵碼，與此同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，通知CPU接收。這種鍵盤使用方便，接口程序簡(jiǎn)單，但是需要較多的硬件電路，價(jià)格較貴，一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)較少采用。 非編碼式鍵盤僅由排成行、列矩陣形式的按鍵組成，按鍵的作用只是簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)的接通或斷開，鍵的去抖動(dòng)、鍵的編碼的形成和鍵的識(shí)別等均由軟件來完成。由于它經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛采用。 經(jīng)過以上對(duì)比，可以采用非編碼式鍵盤。 圖2-3 鍵盤與顯示電路 2.2.3 溫度控制及超溫報(bào)警電路 AT89C51對(duì)溫度的控制是通過可控硅調(diào)控器實(shí)現(xiàn)的。可控硅功輸出與通斷時(shí)間關(guān)系草圖如圖所示。雙向可控硅管和加熱絲串聯(lián)接在交流220V，50Hz交流試點(diǎn)回路。在給定的周期T內(nèi)，8031只要改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。圖示出了可控硅管在給定周期T內(nèi)具有不同接通時(shí)間的情況。顯然，可控硅在給定周期T的100%時(shí)間內(nèi)接通的功率最大。 可控硅接通時(shí)間可以通過可控硅控制板上控制脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由單片機(jī)用軟件在P1.2引腳上產(chǎn)生，受過零同步脈沖后經(jīng)光偶管和驅(qū)動(dòng)器輸送到可控硅的控制極上。偏差控制的原理是先求出史冊(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值，然后對(duì)偏差值處理而獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)電阻爐的功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐的爐溫控制。 如圖所示，利用電壓控制信號(hào)進(jìn)行移相控制的觸發(fā)電路。該電路由同步電源，脈沖形成，放大和移相控制等環(huán)節(jié)組成。交流電源經(jīng)同步變壓器T1，D1-D4組成的橋式整流電路，以及由R1，組成的限幅電路，形成梯形電壓，用它作為觸發(fā)電路的同步電源，同時(shí)作為電路中放大器的電源。 脈沖形成電路由單結(jié)晶管和半導(dǎo)體三極管T2等組成。Vi增大，T2的基極電位減小使其集電極電流增加，電容C1充電加快，相當(dāng)于充電電阻減小,于是觸發(fā)脈沖前移?？煽毓鑼?dǎo)通角增大，vi減小，T2的基極電位增加使其集電極電流減小相當(dāng)于充電電阻增加可控硅導(dǎo)通角減小。由此可見，三極管T2起了可變電阻的作用從而達(dá)到改變C1充電時(shí)間常數(shù)的目的。 當(dāng)由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設(shè)備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時(shí)候，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出警笛聲。具體電路連接如圖所示。 電路中有一個(gè)三極管的保護(hù)電路，即將一個(gè)二極管反向接到三機(jī)管的兩端。 圖2-4可控硅輸出功與通斷時(shí)間關(guān)系 圖2-5 溫度控制電路 蜂鳴器 圖2-6 超溫報(bào)警電路 2.2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) 0832由8位數(shù)據(jù)輸入寄存器，8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換器組成。它是電流輸出型的即將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電流量輸出。但在單片機(jī)系統(tǒng)中，往往需要電壓信號(hào)輸出，為此，將電流輸出再通過運(yùn)算放大器，即可得到輸出電壓。 +5V 0832 AT89C51 P0.7 - P0.0 P2.6 WR D7 ILE - D0 GND CS XFER WR1 WR2 +12V —— 1K —12V 圖2-7 DAC0832接口電路圖 2.2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊 系統(tǒng)板擴(kuò)展了一片32K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256，如圖2-8所示。數(shù)據(jù)線D0-D7直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)地址復(fù)用口P0相連，地址的低8位A0-A7由鎖存器74LS373獲得，地址的高7位則直接與單片機(jī)的P2.0-P2.6相連。片選信號(hào)則由地址線A15（P2.7引腳）獲得，讀寫信號(hào)分別于89C51的讀寫信號(hào)相連，低電平有效。 ALE P2.7 RD WR P0.0 P07 P2.0 P2.4 LE OE D0 Q0 - - D7 Q7 CS A0 OE - WE A7 D0 - D7 A8 - A12 圖2-8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展圖 3硬件介紹 3.1 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 3.1.1 主要特性 與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128*8位內(nèi)部RAM 32可編程I/O線 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 3.1.2 管腳說明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 管腳 備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3.1.3 振蕩器特性 XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 3.1.4 芯片擦除 整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 很多初學(xué)51單片機(jī)的網(wǎng)友會(huì)有這樣的問題：AT89S51是什么書上和網(wǎng)絡(luò)教程上可都是8051，89C51等！沒聽說過有89S51 。 這里，初學(xué)者要澄清單片機(jī)實(shí)際使用方面的一個(gè)產(chǎn)品概念，MCS-51單片機(jī)是美國(guó)INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，典型產(chǎn)品有 8031（內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰）和8751等通用產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在， MCS-51內(nèi)核系列兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品（比如目前流行的89S51、已經(jīng)停產(chǎn)的89C51等），各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與MCS-51單片機(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。 有些文獻(xiàn)甚至也將8051泛指MCS-51系列單片機(jī)，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51單片機(jī)影響極深遠(yuǎn)，許多公司都推出了兼容系列單片機(jī)，就是說MCS-51內(nèi)核實(shí)際上已經(jīng)成為一個(gè)8位單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。 其他的公司的51單片機(jī)產(chǎn)品都是和MCS-51內(nèi)核兼容的產(chǎn)品而以。同樣的一段程序，在各個(gè)單片機(jī)廠家的硬件上運(yùn)行的結(jié)果都是一樣的，如ATMEL的89C51（已經(jīng)停產(chǎn)）、89S51， PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（華邦）等，我們常說的已經(jīng)停產(chǎn)的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51單片機(jī)，同時(shí)是在原基礎(chǔ)上增強(qiáng)了許多特性，如時(shí)鐘，更優(yōu)秀的是由Flash（程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容至少可以改寫1000次）存儲(chǔ)器取帶了原來的ROM（一次性寫入），AT89C51的性能相對(duì)于8051已經(jīng)算是非常優(yōu)越的了。 不過在市場(chǎng)化方面，89C51受到了PIC單片機(jī)陣營(yíng)的挑戰(zhàn)，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在線更新程序）功能，必須加上ISP功能等新功能才能更好延續(xù)MCS-51的傳奇。89S51就是在這樣的背景下取代89C51的，現(xiàn)在，89S51目前已經(jīng)成為了實(shí)際應(yīng)用市場(chǎng)上新的寵兒，作為市場(chǎng)占有率第一的atmel目前公司已經(jīng)停產(chǎn)AT89C51，將用AT89S51代替。89S51在工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，89S51采用0.35新工藝，成本降低,而且將功能提升,增加了競(jìng)爭(zhēng)力。89SXX可以像下兼容89CXX等51系列芯片。同時(shí)，Atmel不再接受89CXX的定單，大家在市場(chǎng)上見到的89C51實(shí)際都是Atmel前期生產(chǎn)的巨量庫存而以。 3.2 8279芯片簡(jiǎn)介 3.2.1 引腳介紹 8279采用單5V電源供電，40腳封裝。 DB0～DB7:雙向數(shù)據(jù)總線，用來傳送8279與CPU之間的數(shù)據(jù)和命令。 CLK:時(shí)鐘輸入線，用以產(chǎn)生內(nèi)部定時(shí)的時(shí)鐘脈沖。 RESET:復(fù)位輸入線，8279復(fù)位后被置為字符顯示左端輸入，二鍵閉鎖的觸點(diǎn)回彈型式，程序 時(shí)鐘前置分頻器被置為31,RESET信號(hào)為高電平有效。 CS:片選輸入線，低電平有效，單片機(jī)在CS端為低時(shí)可以對(duì)8279讀/寫操作。 A0:緩沖器低位地址，當(dāng)A0為高電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)， 當(dāng)為低電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線上為數(shù)據(jù)。 RD:讀信號(hào)輸入線，低電平有效，將緩沖器讀出，數(shù)據(jù)送往外部總線。 WR:寫信號(hào)輸入線，低電平有效，將緩立器讀出,將數(shù)據(jù)從外部數(shù)據(jù)總線寫入8279的緩沖器。 RL2-- 1 40 --VCC RL3-- 2 39 --RL 1 CLK-- 3 38 --RL 0 IRQ-- 4 37 --CNTL/STB RL4-- 5 36 --SHIFT RL5-- 6 35 --SL 3 RL6-- 7 34 --SL 2 RL7-- 8 33 --SL 1 RESRT-- 9 32 --SL 0 RD-- 10 31 --OUT B0 WR-- 11 30 --OUT B1 DB0-- 12 29 --OUT B2 DB1-- 13 28 --OUT B3 DB2-- 14 27 --OUT A0 DB3-- 15 26 --OUT A1 DB4-- 16 25 --OUT A2 DB5-- 17 24 --OUT A3 DB6-- 18 23 --BD DB7-- 19 22 --CS VSS-- 20 21 --A0 IRQ:中斷請(qǐng)求輸出線，高電平有效，在鍵盤工作方式下，當(dāng)FIFO/傳感器RAM中有數(shù)據(jù)時(shí)，此中斷線變?yōu)楦唠娖?，在FIFO/傳感器RAM每次讀出時(shí)，中斷線就下降為低電平，若在RAM中還有信息，則此線重又變?yōu)楦唠娖?。在傳感器工作方式中?每當(dāng)探測(cè)到傳感器信號(hào)變化時(shí)，中斷線就變?yōu)楦唠娖健? SL0～SL3:掃描線，用來掃描按鍵開關(guān)，傳感器陣列和顯示數(shù)字， 這些可被編程或被譯碼。 RL0～RL7:回送線，經(jīng)過按鍵或傳感器開關(guān)與掃描線聯(lián)接， 這些回送線內(nèi)部設(shè)置有上拉電路，使之保持為高電平，只有當(dāng)一個(gè)按閉合時(shí)，對(duì)應(yīng)的返回線變?yōu)榈碗娖剑粺o按鍵閉合時(shí)，均保持高電平。 SHIFT:換位功能，當(dāng)有開關(guān)閉合時(shí)被拉為低電平，沒有按下SHIFT開關(guān)時(shí)，SHIFT輸入端保持高電平，在鍵盤掃描方式中，按鍵一閉合，按鍵位置和換位輸入狀態(tài)一起被存貯起來。 CNTL/STB:當(dāng)CNTL/STB開關(guān)閉合時(shí)將其拉到低電平，否則始終保持高電平， 對(duì)于鍵盤輸入方式，此線用作控制輸入端，當(dāng)鍵被按下時(shí)，按鍵位置就和控制輸入狀態(tài)一起被存貯起來，在選通輸入方式中，作選通用，把數(shù)據(jù)存入FIFO RAM中。 OUTA3～OUTA0及OUTB3～OUTB0:顯示輸出A口及B口，這兩個(gè)口是164切換的數(shù)字顯示。這兩個(gè)端口可被獨(dú)立控制，也可看成一個(gè)8位端口。 BD:空格顯示,此輸出端信號(hào)用于在數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)將顯示空格或者用顯示空格命令控制其顯示空格字符。 VCC:+5V電源輸入線。 VSS:地線輸入線。 3.2.2 8279的編程方法 1.8279可按其功能分為:鍵盤功能塊;顯示功能塊;控制功能塊;與CPU接口功能塊控制功能塊包括控制和定時(shí)寄存器,定時(shí)和控制,掃描計(jì)數(shù)器三部分,它主要用來控制鍵盤和顯示功能塊工作。 控制和定時(shí)寄存器:用于存貯來自CPU的編程命令,CPU對(duì)8279編程以確定鍵盤與顯示器工作方式和其它工作條件時(shí),先把命令控制數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上,然后使A0=1,WR=0CS=0,并在WR上升沿把命令鍵存在控制和定時(shí)寄存器中,并經(jīng)譯碼,建立適當(dāng)?shù)墓δ堋? 定時(shí)和控制:它含基本的定時(shí)計(jì)數(shù)器,第一個(gè)計(jì)數(shù)器是一個(gè)分頻系數(shù)為2-31的前置定時(shí)器,分頻系數(shù)可由程序預(yù)置,使內(nèi)部頻率為100KHz,從而能給出5.1ms鍵盤掃描時(shí)間和10.3ms反跳時(shí)間,其它計(jì)數(shù)器將此基本頻率分頻后,提供適當(dāng)?shù)陌存I掃描.行掃描.鍵盤陣列掃描.以及顯示器掃描次數(shù)。 掃描計(jì)數(shù)器:掃描計(jì)數(shù)器有兩種工作方式,在編碼工作方式時(shí),計(jì)數(shù)器提供一種二進(jìn)制計(jì)數(shù),通過管腳SL0-SL3輸出后經(jīng)外部譯碼才能提供給鍵盤和顯示器的掃描作用,在譯碼工作方式時(shí),掃描計(jì)數(shù)器對(duì)最低二位進(jìn)行譯碼,SL0-SL3輸出4選1的譯碼信號(hào),作為顯示器和鍵盤的譯碼掃描。 鍵盤功能塊包括:返回緩沖器,鍵盤反跳及控制,8x8 FIFO傳感器RAM,FIFO/傳感器RAM狀態(tài)。 2.返回緩沖器與鍵盤反跳及控制 8條返回線被返回緩沖器緩沖,在鍵盤工作方式中,這幾條線被逐個(gè)檢測(cè),以找出該行鍵中閉合的鍵,如果反跳電路測(cè)知某鍵閉合,則它等待10.3ms,然后重核此鍵是否仍然閉合,如果仍閉合,那么該鍵在矩陣中的行列地址以及SHIFT和CNTL的狀態(tài)一起被送到FIFORAM中,其在FIFO RAM中的數(shù)據(jù)格式如下: D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CNTL SHIFT SCAN RET URN 數(shù)據(jù)格式中,最高位CNTL,次高位為SHIFT狀態(tài),D5-D3來自掃描計(jì)數(shù)器,D2-D0來自返回計(jì)數(shù)器,掃描線計(jì)數(shù)器和回掃線計(jì)數(shù)器的值分別反映出被按下鍵的行.列的值,如果在傳感器陣列中,返回線上的數(shù)據(jù)直接進(jìn)入傳感器RAM中相應(yīng)于陣列中正被掃中的那行,這樣每個(gè)開關(guān)位置就直接反映為一個(gè)傳感器RAM的位置。 FIFO/傳感器RAM 一個(gè)8x8 RAM,在鍵盤方式和選通方式中它是一個(gè)先入先出(FIFO)存貯器,每一條新的信息順次寫入,然后又按寫入順序讀出,在傳感器陣列掃描方式時(shí),存貯器作為傳感器RAM,這時(shí)RAM中的各行存著傳感器陣列中相應(yīng)行的狀態(tài)。 FIF0/傳感器RAM狀態(tài) 在鍵盤或選通方式中,FIFO狀態(tài)跟蹤FIFO中字符數(shù)量注意它是"滿"還是"空",寫入或讀出過多均被認(rèn)作出錯(cuò),當(dāng)FIFO非空時(shí),狀態(tài)邏輯提供一個(gè)中斷申請(qǐng)IRQ信號(hào),在傳感器陣列掃描方式中,若測(cè)知某一傳感器變化時(shí),IRQ則為有效高電平.FIFO狀態(tài)字的低3位表示FIFO中的字符數(shù),F表示FIFORAM已滿;O(over mn)表示越限錯(cuò)誤,即試圖向已滿的FIFO送另一字符;U(Under done)表示取空錯(cuò)誤,即試圖讀取已空的FIFO.S/F有兩種含義:在傳感器掃描方式時(shí),S/F表示在傳感器RAM中至少包含了一個(gè)傳感器閉合指示,在特殊錯(cuò)誤方式時(shí)S/F位是出錯(cuò)標(biāo)志,用來指示是否發(fā)生了多路同時(shí)閉合錯(cuò)誤,Du位表示由于 CLEAR DISPLAY或CLEAR ALL命令尚末完成其消除操作而使顯示RAM尚不可用。 3.顯示功能塊包括:顯示寄存器,16X8顯示RAM,顯示地址寄存器 顯示RAM和顯示寄存器 8279內(nèi)部有16X8的顯示RAM,通過顯示寄存器和兩個(gè)四位端口0UT A0-3,0UT BO-3來刷新顯示,顯示器可以是白熾燈,也可以是8段數(shù)碼管,顯示RAM可以是16X8的形式,也可以構(gòu)成兩個(gè)16x4的RAM形式,顯示RAM可由CPU進(jìn)行讀寫,被讀寫的RAM字節(jié)地址由顯示地址寄存器指示.顯示地址寄存器保存當(dāng)前CPU讀或?qū)懙哪莻€(gè)RAM地址,以及正顯示著的那兩個(gè)4位半字節(jié)的地址,讀寫地址由CPU命令編程,也可置為每次讀寫后地址自動(dòng)加1的工作方式,在設(shè)置了正確的工作方式后,顯示RAM可直接由CPU讀出,半字節(jié)A和半字節(jié)B地址自動(dòng)由8279更新,以適應(yīng)由CPU送入的數(shù)據(jù),A和B半字節(jié)可獨(dú)立送入,也可作為一個(gè)字送入,隨CPU所設(shè)置的工作方式而定。 3.I/O 接口功能塊 8279通過數(shù)據(jù)緩沖器與I/O控制,使8279與CPU系統(tǒng)總線接口,I/O控制部分用CS.A0.RD和WR四條線控制CPU與8279之間的數(shù)據(jù)交換,數(shù)據(jù)緩沖器是數(shù)據(jù)交換的雙向通道,控制信號(hào)與數(shù)據(jù)交換間的邏輯關(guān)系見下表: CS A0 WR RD 1 0 CPU從8279讀狀態(tài) 0 1 0 1 CPU向8279寫狀態(tài) 1 0 CPU從8279讀數(shù)據(jù) 0 0 1 CPU向8279寫數(shù)據(jù) 1 X X X 數(shù)據(jù)緩沖器輸出呈三態(tài) x為任意數(shù)(0或1) 3.2.3 8279的操作 由前所述,8279可適應(yīng)各種鍵盤和顯示器的不同工作方式,這是由于8279內(nèi)的各功能塊的工作是可程控的,用戶可根據(jù)自己的要求,利用向8279寫命令字的方法對(duì)8279的工作方式等進(jìn)行編程,從上表可見,只要同時(shí)使CS=0 WR=0A0=1,則可向8279寫命令字,并在wR的上升沿把命令打入8279。 對(duì)CPU而言,8279只有兩個(gè)口地址,一個(gè)用于讀寫命令和狀態(tài)(CS=0,A0=1),一個(gè)用于讀寫數(shù)據(jù)(CS=0,A0=0)但用于編程命令字卻有多種,在8279中用于區(qū)別各種不同命令字的方法是命令字代碼的高3位(D7,D6,D5,)編碼而低5位是命令字的真正內(nèi)容 1.8279的編程命令 a.鍵盤/顯示器方式設(shè)置 最高位 最低位 命令代碼 0 0 0 D D K K K 其中DD為顯示方式,KKK為鍵盤方式 DD 00 8個(gè)8位字符顯示--左端傳入 01 16個(gè)8位字符顯示--左