基于單片機的水溫控制系統(tǒng)（硬件部分設計

1、畢 業(yè) 設 計（論 文）說 明 書題 目：基于單片機的水溫控制系統(tǒng)(硬件部分設計)系 別：專業(yè)班級：學生姓名：指導教師：教 研 室：提交時間： 摘 要本文提出了一種基于單片機實施水溫控制系統(tǒng)的設計方案，該方案主要由數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、鍵盤設定單元、語音播放單元、數(shù)據(jù)顯示單元和串行接口打印單元組成。該系統(tǒng)通過鉑電阻和電壓放大電路將溫度信號送至數(shù)據(jù)處理單元，經(jīng)過運算轉換后將信號輸出至74LS138，然后通過數(shù)碼管實現(xiàn)顯示功能。同時，輸出信號通過語音放大芯片SPY0030以及HIN232CP芯片，分別實現(xiàn)系統(tǒng)的語音播報功能和串行接口打印功能。關鍵字：單片機；數(shù)據(jù)采集；PID算法；水溫控制AB

2、STRACTThe article discusses a sort of Water_temperature controlling system scheme,which is based on a type of single_chip computer.The system consists of date processing unit,date acqusation unit,keyboard controlling unit,voice broadcasting unit,data displaying unit and interface printing unit. The

3、temperature signal is transmitted data processing cell by Pt resister and voltage amplify circuit, after processed,then it can be output to realize displaying function,voice broadcasting function and interface printing functionKEY WORDS:MCU；Data sampling；PID algorithm；Temperature controlling目 錄摘 要IA

4、BSTRACTII第1章引 言1第2章 水溫控制系統(tǒng)的設計要求及方案選擇22.1 水溫控制系統(tǒng)的設計要求22.1.1系統(tǒng)設計功能22.1.2 系統(tǒng)設計指標要求22.2 水溫控制系統(tǒng)的方案選擇22.2.1驅(qū)動部分22.2.2測量部分3第3章單片機SPCE061A結構及工作原理43.1結構覽要43.2功能描述43.2.1存儲器53.2.2時鐘（鎖相環(huán)振蕩器、系統(tǒng)時鐘、實時時鐘）53.2.3輸入/輸出端口63.2.4模數(shù)轉換器與數(shù)模轉換器73.2.5串行設備接口83.2.6中斷83.2.7定時器/計數(shù)器93.2.8低電壓監(jiān)測/復位10第4章 水溫控制系統(tǒng)硬件功能模塊設計114.1 系統(tǒng)總體方案框圖及

5、說明114.2系統(tǒng)各功能模塊設計124.2.1溫度信號采集模塊124.2.2數(shù)據(jù)顯示模塊134.2.3語音播報模塊154.2.4串行通信模塊164.2.5繼電器/熱電爐模塊174.2.6鍵盤接口模塊19第5章 水溫控制系統(tǒng)軟件設計205.1程序結構205.2主程序流程圖205.3溫度設置顯示程序流程圖215.4中斷流程圖22第6章 電路板設計24第7章 結束語26致 謝27參 考 文 獻28附錄一 水溫控制系統(tǒng)整體電路原理圖29附錄二 水溫控制系統(tǒng)PCB板圖29第1章 引 言隨著計算機技術的發(fā)展及其在控制系統(tǒng)中的廣泛應用，以及設備向小型化、智能化方向發(fā)展，作為高新技術之一的單片機以其體積小、功

6、能強、價格低廉、使用靈活等優(yōu)勢，顯示出強大的生命力。進入21世紀以來，開發(fā)推出單片機的公司很多，各種高性能單片機芯片市場也異?；钴S，隨著新技術的不斷采用，單片機的種類、性能以及應用領域也不斷的擴大和提高。凌陽科技公司最近推出了一款新型16位單片機SPCE061A，使16位單片機的科技含量及應用躍上了一個新的臺階。SPCE061A具備全雙工異步通訊的串行接口，可實現(xiàn)多機通訊，并組成分布式控制系統(tǒng)；其紅外收發(fā)通訊接口，可用于近距離的雙機通訊或制作紅外遙控裝置；A/D，D/A轉換接口可以方便用于各種數(shù)據(jù)采集、處理和控制輸出，并為與用戶系統(tǒng)友好的交互打下基礎；A/D，D/A轉換接口與CPU的DSP運算

7、功能結合在一起，可實現(xiàn)語音識別功能，使其方便地運用于數(shù)字聲音和語音識別應用領域?？蓮V泛的應用在以下領域：語音識別類產(chǎn)品、智能語音交互式玩具、高級亦教亦樂類玩具、兒童電子故事書類產(chǎn)品、通用語音合成器類產(chǎn)品和需較長語音持續(xù)時間類產(chǎn)品等。在該系統(tǒng)中，采用了凌陽十六位單片機SPCE061A作為系統(tǒng)的核心處理部件，以此實現(xiàn)溫度控制。溫度信號由PT1000和電壓放大電路提供，并通過PID算法實現(xiàn)水溫控制。同時配以相應的外擴電路，使之具有溫度數(shù)字語音播報和顯示功能。 第2章 水溫控制系統(tǒng)的設計要求及方案選擇2.1 水溫控制系統(tǒng)的設計要求2.1.1系統(tǒng)設計功能設計制作一個水溫控制系統(tǒng)，控制對象為1升凈水，容器

8、為搪瓷器皿，水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設定，如在40到90范圍內(nèi)設定控制水溫。靜態(tài)控制精度為0.2，并能在溫度低于目標溫度時，繼電器工作，高于目標溫度時，繼電器停止工作來實現(xiàn)自動調(diào)整，并保證具有良好的快速性與較小的超調(diào)量，以保持設定溫度不變。2.1.2 系統(tǒng)設計指標要求1）環(huán)境溫度降低時（如電風扇降溫）溫度控制的靜態(tài)誤差1；2）溫度設定范圍為40到90，最小區(qū)分度為1，標定溫度1；3）用數(shù)碼管實時顯示水的溫度。2.2 水溫控制系統(tǒng)的方案選擇2.2.1驅(qū)動部分方案一：此方案采用89C51單片機實現(xiàn)，但是89C51單片機需要外接模數(shù)轉換器來滿足數(shù)據(jù)采樣。如果系統(tǒng)增加語音播放功能，還需要外接芯片，對

9、外圍電路來說，比較復雜，且軟件實現(xiàn)也比較麻煩。另外，89C51單片機需要用仿真器來實現(xiàn)軟硬件來調(diào)試，較為繁瑣。方案二：此方案采用SPCE061A單片機實現(xiàn)，此單片機內(nèi)置8路ADC和2路DAC，且集成開發(fā)環(huán)境中，配有很多語音播放函數(shù)，用SPCE061A實現(xiàn)語音播放極為方便。另外，比較方便的是該芯片內(nèi)置在線仿真和編程接口，可以方便實現(xiàn)在線調(diào)試，這就大大加快了系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試。2.2.2測量部分方案一：采用熱敏電阻，可以滿足40到90的測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性和可靠性都比較差，對檢測小于1的信號是不適用的。方案二：采用溫度傳感器Pt1000，Pt1000測量準確度高、測量范圍大、復現(xiàn)性和穩(wěn)定

10、性較好，此外還具有抗振動、耐高溫和高壓的特點。綜上所述，在該系統(tǒng)中采用以凌陽單片機SPCE061A為控制核心，以傳感器Pt1000為傳感器采集溫度信號，以PID算法控制繼電器實現(xiàn)水溫自動調(diào)節(jié)的電子裝置。第3章單片機SPCE061A結構及工作原理本系統(tǒng)采用SPCE061A芯片作為核心部件，目前有兩種封裝形式：84引腳的PLCC84封裝和80引腳的LQFP80貼片封裝。3.1結構覽要 圖3.1 SPCE061A結構覽圖SPCE061A配備了凌陽科技開發(fā)的最新的16位微處理器unSP。它在2.6V-3.6V工作電壓范圍內(nèi)工作頻率范圍為0.32MHz-49.152MHz，較高的工作速度使其應用領域更加

11、拓寬。2K字的SRAM和32K字的閃存ROM僅占一頁存儲空間，32位可編程的多功能I/O端口；兩個10位定時器/計數(shù)器；32768Hz實時時鐘；低電壓復位/監(jiān)測功能；8通道10位模數(shù)轉換輸入功能并具有內(nèi)置自動增益控制功能的麥克風輸入方式；雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能；內(nèi)置在線仿真板接口。SPCE061A是數(shù)字聲音和語音識別產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟的應用。3.2功能描述SPCE061A內(nèi)包含8個寄存器：4個通用寄存器R1-R4，一個程序計數(shù)器PC，1個堆棧指針SP，一個基址指針BP和一個段寄存器SR。通用寄存器R3和R4結合形成一個32位寄存器MR。MR可被用作乘法運算和內(nèi)積運算的目標寄存器。此

12、外，SPCE061A有3個PIQ中斷和14個IRQ中斷，并且?guī)в幸粋€由指令BREAK控制的軟中斷。3.2.1存儲器1)RAMSPCE061A有2K字的SRAM，地址范圍從$到$0007FF。2)閃存（Flash）ROM全部32K字閃存均可在ICE工作方式下被編程寫入或被擦除。對閃存設置保密設定后，其內(nèi)容不能再通過ICE被讀寫，也就可以使程序不被他人讀取。3.2.2時鐘（鎖相環(huán)振蕩器、系統(tǒng)時鐘、實時時鐘）1)鎖相環(huán)（PLL，Phase Lock Loop）振蕩器PLL的作用是為系統(tǒng)提供一個實時時鐘的基頻（32768Hz）,然后將基頻進行倍頻，調(diào)整至49.152MHz、40.96 MHz、32.7

13、68 MHz、24.576 MHz或20.480 MHz。系統(tǒng)默認的PLL自激振蕩頻率為24.576 MHz。2)系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘的信號源為PLL振蕩器。系統(tǒng)時鐘頻率(Fosc)和CPU時鐘頻率(CPUCLK)可以通過對P_System_Clock(寫)($7013H)單元編程來控制。默認的Fosc、CPUCLK分別為24.576 MHz和Fose/8?？梢酝ㄟ^對P_System_Clock單元編程完成對系統(tǒng)時鐘和CPU時鐘頻率的定義。當系統(tǒng)被喚醒后的最初時刻的CPUCLK頻率亦為Fose/8，隨后逐漸被調(diào)整到設定的CPUCLK頻率。這樣，可以避免系統(tǒng)在喚醒初始時刻讀ROM出現(xiàn)錯誤。3)實時時

14、鐘(32768Hz)32768Hz實時時鐘通常用于鐘表、實時時鐘延時以及其它與時間相關類產(chǎn)品。SPCE061A通過對32768Hz實時時鐘源分頻而提供了多種實時時鐘中斷源。例如，用作喚醒源的中斷源IRQ5_2Hz,表示系統(tǒng)每隔0.5秒被喚醒一次，由此可作為精確的計時基準。3.2.3輸入/輸出端口(I/O,Input/Output)輸入輸出端口是系統(tǒng)與其他設備進行數(shù)據(jù)交換的接口。SPCE061A具備兩個可編程輸入輸出端口：A口和B口。A口既是具有可編程喚醒功能的普通I/O口，又可與ADC的多路LINE_IN輸入共用(IOA6-0與LINE_IN1-7共用)；B口除了具有普通的I/O口功能外，在特

15、定管腳上還可以完成一些特殊的功能。I/O端口如圖所示： 圖3.2 I/O端口連接圖盡管數(shù)據(jù)能夠通過數(shù)據(jù)端口P_IOX_Data和數(shù)據(jù)緩沖器端口P_IOX_Buffer寫入相同的數(shù)據(jù)寄存器，但從這兩個端口讀出的數(shù)據(jù)卻來自不同的位置；從后者讀出的仍是數(shù)據(jù)寄存器里的數(shù)據(jù)，而從前者讀出的是I/O管腳上的電平狀態(tài)。IOA7-0口為鍵喚醒源，通過讀P_IOA_Latch單元來鎖存IOA7-0端口的電平狀態(tài)，從而可激活其喚醒功能。當IOA7-0口的狀態(tài)和鎖存時不一致時，會觸發(fā)系統(tǒng)由節(jié)電的睡眠工作模式切換到喚醒模式。B口除了具有常規(guī)的輸入/輸出端口功能外，還有一些特殊功能，如下表所示：表3.1 B端口特殊功能

16、介紹表口位特殊功能功能描述IOB0 SCK串行接口SIO的時鐘信號IOB1SDA串行接口SIO的數(shù)據(jù)傳送信號IOB2IOB2EXT1外部中斷源（下降沿觸發(fā)）Feedback_outPut1與IOB4組成一個RC反饋電路，獲振蕩信號IOB3Feedback_outPut2與IOB5組成一個RC反饋電路，獲振蕩信號EXT2外部中斷源（下降沿觸發(fā)）IOB4Feedback_InPut1IOB5Feedback_InPut2IOB6-IOB7Rx通用異步串行數(shù)據(jù)接收端口IOB8APWMOTimerA脈寬調(diào)制輸出IOB9BPWMOTimerB脈寬調(diào)制輸出IOB10Tx通用異步串行數(shù)據(jù)發(fā)送端口如下圖所示的

17、電路顯示了帶有反饋應用的IOB2、IOB3、IOB4和IOB5等端口的設置情況。有了反饋功能，只要在IOB2(IOB3)和IOB4(IOB5)之間增加一個RC電路就可以從EXT1（EXT2）得到振蕩源頻率信號。 圖3.3 帶有反饋設置的端口電路圖3.2.4模數(shù)(ADC)轉換器與數(shù)模(DAC)轉換器SPCE061A有8個10位模-數(shù)轉換器通道，其中7個通道用于將模擬量信號(例如電壓信號)轉化為數(shù)字信號，可以直接通過引線(IOA0-6)輸入。另外有一個通道只作為語音輸入通道，通過內(nèi)置自動增益控制放大器的麥克風通道(MIC_IN)輸入。實際上可以把ADC看作是一個實現(xiàn)模/數(shù)信號轉換的編碼器。SPCE

18、061A為音頻輸出提供了2個10位的數(shù)/模轉換器，即DAC1和DAC2。DAC1、DAC2轉換輸出的模擬量電流信號分別通過AUD1和AUD2管腳輸出。3.2.5串行設備接口(SIO,Serial Input Output)串行輸入輸出端口SIO提供了一個1位的串行接口，用于與其他設備進行數(shù)據(jù)通訊。在SPCE061A內(nèi)通過IOB0和IOB1這兩個端口實現(xiàn)與設備進行串行數(shù)據(jù)交換功能。3.2.6中斷(Interrupt)SPCE061A具有兩種中斷方式：快速中斷請求FRQ(Fast Interrupt Request)中斷和中斷請求IRQ(Interrupt Request)中斷。中斷控制器可以處理

19、3種FIQ中斷和14種IRQ中斷，以及一個由指令BREAK控制的軟中斷。相比之下，F(xiàn)IQ中斷的優(yōu)先級較高而IRQ的中斷優(yōu)先級較低。也就是說，F(xiàn)IQ中斷可以中斷IRQ中斷服務子程序的執(zhí)行，而CPU執(zhí)行相應的FIQ中斷服務子程序的過程不能被任何中斷源的中斷請求中斷。下表列出了中斷的優(yōu)先級別：表3.2 SPCE061A中斷優(yōu)先級列表中斷源中斷優(yōu)先級Fosc/1024FIQ/IRQ0TimerA溢出信號FIQ/IRQ1TimerB溢出信號FIQ/IRQ2外部時鐘源輸入信號EXT2IRQ3外部時鐘源輸入信號EXT2觸鍵喚醒信號4096Hz時基信號IRQ42048Hz時基信號1024Hz時基信號4Hz時基

20、信號IRQ52Hz時基信號頻選信號TMB1IRQ6頻選信號TMB2UART傳輸中斷IRQ7BREAK中斷軟中斷3.2.7定時器/計數(shù)器(Timer/Counter)SPCE061A提供了兩個16位的定時器/計數(shù)器：TimerA和TimerB。TimerA為通用計數(shù)器，TimerB為多功能計數(shù)器。TimerA的時鐘源由時鐘源A和時鐘源B進行“與”操作而形成；TimerB的時鐘源僅為時鐘源A。定時器發(fā)生溢出后會產(chǎn)生一個溢出信號(TAOUT/TBOUT)。一方面，它會作為定時器中斷信號傳輸給CPU中斷系統(tǒng)；另一方面，它又作為4位計數(shù)器計數(shù)的時鐘源信號，輸出一個具有4位可調(diào)的脈寬調(diào)制占空比輸出信號AP

21、WMO或BPWMO(分別從IOB8和IOB9輸出),用來控制馬達或其它一些設備的速度。此外，定時器溢出信號還可以用于觸發(fā)ADC輸入的自動轉換過程和DAC輸出的數(shù)據(jù)鎖存。表3.3 時鐘頻率列表時鐘源A的頻率時鐘源B的頻率Fosc/22048HzFosc/2561024Hz32768Hz256Hz8192HzTMB14096Hz4Hz12Hz0(默認)1（默認）EXT1EXT2向定時器的P_TimerA_Data(讀/寫)($700AH)單元或P_TimerB_Data(讀/寫)($700CH)單元寫入一計數(shù)值N后，選擇一個合適的時鐘源，定時器/計數(shù)器將在所選的時鐘頻率下開始以遞增的方式計數(shù)N，N

22、+1，N+20xFFFE，0xFFFF。當計數(shù)值達到0xFFFF后，定時器/計數(shù)器溢出，產(chǎn)生中斷請求信號，被CPU響應后送入中斷控制器進行處理，N值將被重新載入定時器/計數(shù)器并重新開始計數(shù)。在TimerA內(nèi)，時鐘源A是一個高頻時鐘源，時鐘源B是一個低頻時鐘源。時鐘源A和時鐘源B組合，為TimerA提供多種計數(shù)速度。若以ClkA作為門控信號，1表示允許時鐘源信號B通過，而0表示禁止時鐘源B信號通過而停止TimerA計數(shù)。例如，如果時鐘源A為“1”，TimerA的時鐘頻率將取決于時鐘源B；如果時鐘源A為“0”，將停止TimerA的計數(shù)。EXT1和EXT2為外部時鐘源。下圖為一個3/16的脈寬調(diào)制占

23、空比輸出信號產(chǎn)生過程的時序。APWMO波形是通過寫入P_TimeA_Ctrl單元的B9-B6選擇一個脈寬數(shù)(以計數(shù)溢出周期數(shù)定義)產(chǎn)生出來的，即每16個計數(shù)溢出周期將產(chǎn)生一個由上述單元定義的脈寬。此類PMW信號可以用于控制馬達及其它設備的速度。 圖3.4 3/16脈寬調(diào)制占空比輸出信號時序圖一般說來，時鐘源A為高速時鐘源，時鐘源B來自實時時鐘32768Hz系統(tǒng)。因此，時鐘源B能用于一個精確的時間計數(shù)器。例如，2Hz時鐘信號可用于實時時間計數(shù)。3.2.8低電壓監(jiān)測/復位(LVD,Low Voltage Detect)低電壓監(jiān)測功能可以提供系統(tǒng)內(nèi)電源電壓的使用情況。4級電壓監(jiān)測低限：2.4V、2.

24、8V、3.2V和3.6V，可通過對P_LVD_Ctrl單元編程進行控制。假定Vlvd=3.2V，當系統(tǒng)電壓Vcc低于3.2V時，P_LVD_Ctrl單元第15位返回值為“1”，這樣，CPU可以通過可編程電壓監(jiān)測低限來完成低電壓監(jiān)測。系統(tǒng)默認的電壓監(jiān)測低限為2.4V。引起SPCE061A復位通常有2個途徑：電源上電復位和低電壓復位。當電源電壓低于2.2V時，系統(tǒng)會變的不穩(wěn)定且易出故障。導致電源電壓過低的原因很多，如電壓的反跳、負載過重、電池能量不足等。如果系統(tǒng)設置低電壓復位功能，當電源低于該值時，會在4個時鐘周期之后產(chǎn)生一個復位信號，使系統(tǒng)復位。14第4章 水溫控制系統(tǒng)硬件功能模塊設計4.1 系

25、統(tǒng)總體方案框圖及說明SPCE061A16Bit CPU語 音 播 報鍵 盤 設 定數(shù) 據(jù) 采 集數(shù) 據(jù) 顯 示串 口 打 印繼 電 器熱 電 爐圖4.1 系統(tǒng)整體方案框圖 根據(jù)水溫控制系統(tǒng)的設計要求及功能，大致可以將系統(tǒng)分為六個部分（如圖4.1所示），各部分實現(xiàn)的功能大概介紹如下：1鍵盤設定單元，用于溫度設定，共三個鍵。KEY1：設置溫度的十位數(shù)（0-9）；KEY2：設置溫度的個位數(shù)（0-9）；KEY3：溫度設置確認，并語音播報/溫度重新設置。2數(shù)據(jù)采樣單元將電壓信號傳送給數(shù)據(jù)處理單元經(jīng)A/D轉換后，換算成溫度值，用于播報和顯示。3語音播報單元語音播放水溫設置溫度，并播報整數(shù)溫度變化。4數(shù)據(jù)顯

26、示單元采用三位八段數(shù)碼管顯示，設置溫度和測量溫度，顯示小數(shù)點后1位數(shù)字。5串口傳輸單元將采樣溫度值，上傳至PC機，描繪曲線并打印。6繼電器/熱電爐單元是通過三極管控制繼電器開關來完成對熱電爐功率控制。4.2系統(tǒng)各功能模塊設計4.2.1溫度信號采集模塊在本部分中，溫度傳感器使用Pt1000，運放采用HT9274集成芯片。因為Pt1000在0攝氏度時，阻值為1千歐，在100攝氏度時，阻值為1380歐，則所表示的阻值變換從0380歐，電壓從0V3.3V。采用差動運放，通過可調(diào)分壓電阻可以滿足零點調(diào)節(jié)。因為Pt1000中電流基本為12mA,則其電壓就在0380mV波動。因此采用10倍電壓放大，基本滿足

27、SPCE061A數(shù)模轉換。1)HT9274內(nèi)部結構圖如下： 圖4.2 HT9274內(nèi)部結構圖該芯片內(nèi)置4個參數(shù)一樣的放大器，其正負電壓輸入、輸出端如上圖所示。在選用時，可任意選擇其中的一個或多個放大器接入電路。2)信號采集(測溫)部分電路設計 圖4.3 測溫部分電路圖通過溫度的變化，將影響到Pt電阻阻值的變化，然后通過調(diào)整分壓電阻R3的阻值來使電路獲得合適的輸入信號，經(jīng)過兩級放大后，輸出至SPCE061A的A/D轉換端口。其放大倍數(shù)可以通過以下表達式進行計算： (4-1) (4-2)(4-3)通過上式，將U1B的值計算出來，這樣就可以得到HT9274在某一具體情況的放大倍數(shù)A=U1B/U5。隨

28、著溫度的改變，Pt電阻的阻值也相應發(fā)生變化，HT9274的放大倍數(shù)也就發(fā)生變化。所以，環(huán)境溫度、Pt阻值和HT9274放大倍數(shù)都存在著一一對應的關系。經(jīng)過放大輸出后的電壓信號經(jīng)過單片機的A/D轉換后，換算成溫度值，用于播報和顯示。4.2.2數(shù)據(jù)顯示模塊1)74LS138芯片介紹圖4.4 74LS138引腳圖74LS138是用TTL與非門組成的3線-8線譯碼器，它輸入的3位二進制代碼共有8種狀態(tài)，且每個輸入代碼對應一根輸出線上的高、低電平信號狀態(tài)。其中如圖所示、E3作為附加控制端。當+=0時，譯碼器處于工作狀態(tài)。否則譯碼器被禁止，所有的輸出端被封鎖在高電平，這3個端也叫作“片選”輸入端，利用片選

29、的作用可以將多片連接起來以擴展譯碼器的功能。帶有控制輸入端的譯碼器又是一個完整的數(shù)據(jù)分配器。如果把E3作為數(shù)據(jù)輸入端(同時令=0)，而將CBA作為“地址”輸入端，那么從E3送來的數(shù)據(jù)只能通過由CBA所指定的一根線輸出去。例如當CBA=101時，E1的數(shù)據(jù)以反碼的形式從輸出，而不會輸出到其它任何一端上。2)數(shù)碼管LED5641A介紹圖4.5 LED5641A引腳圖本次設計選用了凌陽公司生產(chǎn)的8段數(shù)碼管LED5641A來對溫度值進行顯示，LED發(fā)光器件一般常用的有兩類：數(shù)碼管和點陣。8段數(shù)碼管又稱為8字形數(shù)碼管，分為8段：A、B、C、D、E、F、G、P。其中P為小數(shù)點。數(shù)碼管常用的有十根管腳，每一

30、段都有一根管腳，另外兩根管腳為一個數(shù)碼管的公共端，兩根之間相互連通。在該LED數(shù)碼管中，所有筆段的LED發(fā)光二極管的負極連接在一起，所以在連接方式上來說屬于共陰極連接方法。從LED數(shù)碼管結構可以看出，不同的筆段組合可以構成不同的字符，例如當筆段a、b、c、d、e、f被點亮時，就可以顯示數(shù)字“0”，又如筆段a、b、c、d、g被點亮就顯示數(shù)字“3”。 用單片機驅(qū)動LED數(shù)碼管的方法有很多，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時間少；另外

31、一種方式是動態(tài)掃描。動態(tài)掃描的方法是用其接口電路把所有顯示器的8個筆畫段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM各自獨立的受I/O線控制。動態(tài)掃描需要CPU時刻對顯示器件進行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，但占用CPU的時間較多。在設計中只需要當溫度改變的時候才顯示一次，不需要時時更新，所以采用靜態(tài)顯示的方法對溫度值進行顯示。3)數(shù)碼顯示部分電路設計圖4.6 輸出顯示電路圖從單片機的A端口(IOA8-IOA15)輸出的信號通過2個4470歐姆的排阻的限流、穩(wěn)流作用后，將信號輸入數(shù)碼管LED5641A，作為位選碼，通過對IOA8-IOA15的設置，可以顯示0-9的數(shù)字，并顯示小數(shù)點。同時，

32、通過74LS138譯碼的信號經(jīng)與門作用后，作為LED5641A的選通信號。只有在選通后，位選碼才起作用。因為譯碼器出來的信號比較弱，加與門后增大其驅(qū)動能力。圖4.6中與門的輸入端口分別連接到74LS138的任意3個輸出端口，為了方便起見，這里選用74LS138的14、12和11端口。4.2.3語音播報模塊1)SPY0030芯片介紹圖4.7 SPY0030引腳圖 SPY0030作為一款語音放大芯片,可以直接接收來自于單片機輸出的模擬信號進行放大,與LM386相比,具有音質(zhì)更好的特點。它可以工作在2.4V到6.0V的范圍內(nèi),輸出功率可達700mW。2)語音播放單元電路設計 圖4.8 音頻輸出電路圖

33、SPCE061A單片機自帶雙通道DAC音頻輸出，DAC1、DAC2轉換輸出的模擬量電流信號分別通過AUD1和AUD2管腳輸出，DAC輸出為電流型輸出，所以DAC輸出經(jīng)過SPY0030音頻放大，以驅(qū)動喇叭放音，放大電路如圖,經(jīng)過濾波電容后，獲得比較平穩(wěn)的電流信號，然后通過外接可調(diào)電阻對語音放大芯片的放大倍率進行調(diào)整，經(jīng)SPY0030放大后輸出至喇叭，從而實現(xiàn)語音播報功能。在圖中有兩個跳線，其作用在于可以測量DAC的輸出波形；另外拔掉跳線，可以斷開DAC到喇叭放大的通路，使得DAC通道處于開路狀態(tài)。這樣便于用DAC做其它用途，可以用這個跳線來加入自己的外圍電路，這為單片機的音頻設計提供了極大方便。

34、在它們后面接一個簡單的音頻放大電路和喇叭即可實現(xiàn)語音播報功能，音頻的具體功能主要通過程序來實現(xiàn)。4.2.4串行通信模塊1)HIN232CP芯片介紹圖4.9 HIN232CP芯片引腳圖HIN232CP是Intersil公司生產(chǎn)的標準RS-232收發(fā)器。該器件包含2驅(qū)動器，2接收器和一個提供RS-232電平的電壓發(fā)生器。該器件符合RS-232標準。每一個接收器將RS-232電平轉換成5V TTL電平。每一個發(fā)送器將TTL電平轉換成RS-232電平。2)串行通信單元電路設計圖4.10 串行通信電路圖該部分接收來自于單片機串行信號輸出引腳輸出的采樣溫度值的TTL電平信號，經(jīng)過HIN232CP電平轉換芯

35、片后，轉換成RS-232電平信號輸出至9針插孔的信號采集端口，可以比較方便的實現(xiàn)串口打印、串口紀錄等等功能。同樣，該芯片也接收來自于9針插孔數(shù)據(jù)發(fā)送端口傳送的RS-232信號，通過HIN232CP后，轉換成與單片機相匹配的TTL電平信號，再送回到單片機的串行數(shù)據(jù)接收端口，這樣就實現(xiàn)了外部設備與單片機之間的相互通信功能。4.2.5繼電器/熱電爐模塊1)繼電器簡介繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路)，通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流控制較大電流的一種自動“開關”故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。它的主要技術參數(shù)指標有：

36、a額定工作電壓 是指繼電器正常工作時線圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器型號的不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。b直流電阻是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過萬能表測量。c吸合電流是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動作的最小電流。在正常使用時，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定的工作。而對于線圈所加的工作電壓，一般不要超過額定工作電壓的1.5倍，否則會產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒壞。d釋放電流是指繼電器產(chǎn)生釋放動作的最大電流。當繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時，繼電器就會恢復到未通電的釋放狀態(tài)。這時的電流遠遠小于吸合電流。e觸點切換電壓和電流是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制

37、電壓和電流的大小，使用時不能超過此值，否則很容易損壞繼電器的觸點。2)繼電器控制熱電爐功率電路圖 圖4.11 繼電器部分電路圖通過單片機輸出一個電平信號使三極管導通，線圈K1得電后，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點4和公共端3吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力下返回原來的位置，使靜觸點5和公共端3吸合，從而導通、切斷電路中電流，起到控制熱電爐工作狀態(tài)的目的。4.2.6鍵盤接口模塊圖4.12 鍵盤接口電路圖該部分主要用于溫度設置，共3個鍵。其中K1用于設置溫度的十位數(shù)(0-9),K2用于設置溫度的個位數(shù)(

38、0-9),K3作為溫度設置確認鍵，并控制語音播報和溫度重新設置。系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零，然后根據(jù)按K1鍵的次數(shù)，十位的數(shù)碼管順序增加。同樣，K2鍵是如此。按K3鍵后，系統(tǒng)開始測量溫度，并語音播報變化的整數(shù)溫度值。第5章 水溫控制系統(tǒng)軟件設計5.1程序結構在基于單片機的水溫控制系統(tǒng)中，程序結構主要由主程序和以下幾個部分的子程序組成：LED顯示程序、鍵盤掃描程序、鍵值處理程序、A/D采樣及上傳程序、PID計算程序、語音播報程序和繼電器控制程序。通過主程序來調(diào)用相關的子程序來實現(xiàn)相對應的功能。5.2主程序流程圖系統(tǒng)初始化取鍵值鍵值處理是否有采樣數(shù)據(jù)處理語音播報處理 PID計算繼電器控制YN開

39、 始圖5.1 主程序流程框圖首先，進行系統(tǒng)初始化，通過按鍵KEY1和KEY2設置一個初始溫度值，然后通過程序?qū)︽I值進行采樣判斷(1表示有，0表示無)。如果此時采樣值為1，則將該溫度值與設定溫度值進行比較，當水溫高于設定溫度時候，加熱爐停止加熱，ADC定時采樣，并送LED顯示，當溫度為整數(shù)值時，語音播報，當溫度與設定溫度差距為2攝氏度時，啟動PID控制，進行微調(diào)，使溫度穩(wěn)定在設定值；當水溫低于或等于設定溫度時，加熱爐開始加熱，ADC定時采樣，當溫度低于設定溫度時，啟動PID控制，進行微調(diào)，使溫度穩(wěn)定在溫設定度。如果此時采樣值為0，則繼續(xù)采樣，等待有信號送來為止。5.3溫度設置顯示程序流程圖是否有

40、數(shù)字鍵按下？刷新LED顯示數(shù)據(jù)是否有確認鍵按下？設置系統(tǒng)狀態(tài)為溫度確認狀態(tài)語音播報設定狀態(tài)LED顯示NNYY溫度設置狀態(tài)處理開 始返 回圖5.2 溫度狀態(tài)設置流程框圖首先在某溫度環(huán)境中，即在已經(jīng)有一溫度狀態(tài)存在的情況下，此時如果按鍵KEY1或者KEY2按下時，刷新LED并顯示該溫度設定值。在沒有數(shù)字鍵按下，但有溫度確認鍵KEY3按下的時候，將原溫度狀態(tài)設置為溫度確定狀態(tài)，并語音播報該狀態(tài)溫度值，當各鍵均未按下時，此時LED直接顯示原有溫度狀態(tài)值。5.4中斷流程圖是否到5S？取ADC數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)上傳NY2Hz中斷返 回圖5.3 頻率為2Hz的定時中斷流程圖初始化中斷為2Hz的定時中斷源，用來確定AD

41、C采樣時間定時，1秒鐘采樣一次，如果信號在串行通信時，達到每5秒鐘傳輸一次，此時取ADC數(shù)據(jù)，經(jīng)過電平轉換后上傳至外設接口，實現(xiàn)串行通信。圖5.4 定時10mS中斷流程圖加熱時間到否？關閉繼電器清中斷NY10mS中斷返 回利用中斷定時10mS來確定加熱時間，當加熱時間足夠的時候，此時關閉繼電器，并清除中斷退出，當加熱時間不足時，直接跳轉到清除中斷語令并退出，等待下一10mS中斷命令發(fā)出。第6章 電路板設計在PCB的制作中，采用Protel99軟件作為制作工具，在Protel99里面繪制PCB板圖。其步驟如下.1規(guī)劃電路板的尺寸設置當前工作層面為禁止布線層，然后在該層按照電路板的實際尺寸分別繪制

42、直線，最后確定PCB板的矩形邊界線。2裝入網(wǎng)路表與初始PCB圖的形成 在軟件環(huán)境下，通過操作生成網(wǎng)絡表，并確認所裝入的網(wǎng)絡表是否正確，待確認正確后，完成網(wǎng)絡表與元件的裝入過程。將元件裝入設計好的矩形內(nèi)。在元件的裝入中，有時可能出現(xiàn)無法完全裝入的情況，檢查時發(fā)現(xiàn)有些元件還沒有封裝，這時可以回到原理圖內(nèi)對元件進行封裝，然后重新生成網(wǎng)絡表即可。3元器件的布局待元件全部加載到PCB內(nèi)后，就可對元件進行布局，在元件的布局中首先放置與結構有關的固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開關、連接件之類，再放置線路上的特殊元件和大的元器件，如發(fā)熱元件、變壓器、IC等。最后放置小器件。4布線在本次的PCB制作中，

43、采用手動布線的方式，在布線中一般的信號線采用10mil,電源線和地線采用20mil,這樣可以提高電路的抗干擾能力，增強系統(tǒng)的可靠性。同時在走線要有合理的走向：如輸入/輸出，交流/直流，強/弱信號，高頻/低頻，高壓/低壓等，它們的走向應該是呈線形的(或分離)，不得相互交融。其目的是防止相互干擾。輸入端與輸出端的邊線應避免相鄰平行， 以免產(chǎn)生反射干擾。必要時應加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。合理布置電源濾波電容：布置這些電容就應盡量靠近這些元部件，離得太遠就沒有作用了。最好使用大面積敷銅，這對接地點問題有相當大的改善。 設計中應盡量減少過線孔，減少并行的線條密度。另外，由于在設計中存在數(shù)字電路和模擬電路，因此在布線時就需要考慮它們之間互相干擾問題，特別是地線上的噪音干擾，數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整個PCB對外界只有一個結點，所以必須在PCB內(nèi)部進行處理數(shù)、模共地的問題，而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實際上是分開的它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口（如插頭等）。數(shù)字地與模擬地有一點短接。5設計規(guī)格檢查(DRC) 布線設計完成后，需認真檢查布線設計是否符合設計者所制定的規(guī)則，同時也需確認所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查有如下幾個