AT89C2051雙向溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言
    某些應(yīng)用場(chǎng)合需要監(jiān)測(cè)溫度，要求溫度保持在一定范圍內(nèi)。例如農(nóng)作物溫床育苗在20℃~30℃，家禽孵化在37℃～40℃，菌種培育在23℃～28℃。而普通單向超溫報(bào)警難以滿足要求，因此，提出一種利用溫度傳感器與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的雙向超溫控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能顯示超下限或超上限溫度，且可預(yù)置超溫點(diǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
    圖l所示為系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。首先通過(guò)鍵盤(pán)輸入溫度允許變化的上下限值，在正常情況下，應(yīng)保持溫度介于上下限值之間，當(dāng)溫度高于上限值時(shí)，則降溫并報(bào)警；當(dāng)溫度低于下限值時(shí)，則升溫并報(bào)警。

    單片機(jī)控制器內(nèi)部定時(shí)器每隔一定時(shí)間溫度值采樣一次，并產(chǎn)生一次定時(shí)中斷。定時(shí)器中斷服務(wù)程序主要對(duì)所采樣的溫度值與設(shè)定的溫度上、下限值分別比較，判斷是否達(dá)到溫度上、下限值，從而決定是升溫還是降溫并報(bào)警，實(shí)現(xiàn)溫度的雙向自動(dòng)控制，還可實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警及通過(guò)鍵盤(pán)改變?cè)O(shè)定溫度的上、下限值。
    熱敏電阻采用半導(dǎo)體感溫元件，它具有負(fù)電阻溫度特性，當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻值減小。為此向熱敏電阻施加恒定電流，測(cè)量電阻兩端電壓，然后通過(guò)測(cè)溫公式求得溫度：T=T0-KUT，其中T為被測(cè)溫度，T0為與熱敏電阻特性有關(guān)的溫度參數(shù)，K為與熱敏電阻特性有關(guān)的系數(shù)，UT為熱敏電阻兩端的電壓。K和T0為常數(shù)測(cè)得熱敏電阻兩端的電壓，可計(jì)算熱敏電阻的環(huán)境溫度。這樣就將電阻隨溫度的變化轉(zhuǎn)換為電壓隨溫度的變化，該電壓再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，通過(guò)軟件計(jì)算出溫度值。

3 硬件電路
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是由AT89C2051單片機(jī)、AD574A、可編程鍵盤(pán)與接口器件8279、溫度傳感器、LED顯示器、看門(mén)狗電路等組成。
3．1 AT89C2051單片機(jī)
    AT89C205l是ATMEL公司生產(chǎn)的高性價(jià)比的8位單片機(jī)，該器件采用80C3l內(nèi)核指令系統(tǒng)，與MCS一51完全兼容；內(nèi)含2 KB的Flash可作為用戶程序存儲(chǔ)器和128字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)；內(nèi)含2個(gè)程序加密位，可防止程序非法讀出，安全性好；其低壓、高性能CMOS的8位機(jī)與MCS一5l指令和輸出引腳相兼容，構(gòu)成一個(gè)最小的測(cè)量系統(tǒng)；有20個(gè)引腳，15個(gè)雙向輸入／輸出(I／O)端口，其中Pl是一個(gè)完整的8位雙向I／O口，2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，1個(gè)模擬比較放大器；AT89C2051的時(shí)鐘頻率可為零，即具備可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行口和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進(jìn)入繼續(xù)工作狀態(tài)；省電模式中，凍結(jié)片內(nèi)RAM，時(shí)鐘停止振蕩，所有功能停止，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位才可繼續(xù)運(yùn)行。基于AT89C2051具有諸多性能，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用AT89C205l作為控制器。
3．2 A／D轉(zhuǎn)換器AD574A
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ADI公司生產(chǎn)的12位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器AD574A。AD574A片內(nèi)包含高精度的參考電壓和時(shí)鐘電路，具有外接元件數(shù)目少，功耗低等，以及具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換等功能，使其在無(wú)需任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)的條件下，完成A／D轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為35μs。
3．3 掉電保護(hù)電路與看門(mén)狗電路
    為了使系統(tǒng)工作可靠并保存設(shè)定數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要具有復(fù)位功能。掉電保護(hù)電路與系統(tǒng)復(fù)位電路利用MAX813L監(jiān)控電路，在軟件的配合下監(jiān)控電源電壓、CPU的工作狀態(tài)。一旦出現(xiàn)死機(jī)、程序“跑飛”死循環(huán)或電源電壓降到系統(tǒng)設(shè)定位值等故障時(shí)，就需要系統(tǒng)復(fù)位。MAX813L與AT89C205l的連接如圖2所示。MR經(jīng)過(guò)一個(gè)復(fù)位按鈕接地。該監(jiān)控電路的主要功能為：系統(tǒng)上電復(fù)位，電源上電時(shí)，當(dāng)電源電壓超過(guò)復(fù)位門(mén)限電壓4．65 V時(shí)，復(fù)位端可輸出200 ms的復(fù)位信號(hào)，系統(tǒng)復(fù)位；監(jiān)測(cè)+5 V的電源：當(dāng)+5 V電源正常時(shí)，RESET輸出低電平，單片機(jī)正常工作；當(dāng)+5 V電源電壓降至+4．65 V以下時(shí)，RESET輸出高電平，單片機(jī)復(fù)位；看門(mén)狗定時(shí)器被清零，WDO維持高電平：當(dāng)程序“跑飛”或死機(jī)時(shí)，CPU不能在1．6s內(nèi)給出“喂狗”信號(hào)，WDO跳變?yōu)榈碗娖剑捎贛R端有一個(gè)內(nèi)部250 mA的上拉電流，D導(dǎo)通，MR獲得有效低電平，RESET輸出復(fù)位脈沖，單片機(jī)復(fù)位，看門(mén)狗定時(shí)器被清零，WDO又恢復(fù)為高電平。手動(dòng)復(fù)位：如果需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，只要按下手動(dòng)復(fù)位按鈕，就能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效復(fù)位。

3．4 HD7279簡(jiǎn)介
    HD7279可支持64鍵盤(pán)和8位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，與傳統(tǒng)的鍵盤(pán)顯示器件8279相比，外圍元件數(shù)目少，HD7279的CS、CLK、DATA、KEY信號(hào)線分別與AT89C205l的P1．O～P1-3端口相連，分時(shí)復(fù)用P1．0~P1．3端口線，大大節(jié)省CPU I／0端口資源；HD7279內(nèi)部含有譯碼器，可直接接收BCD碼或十六進(jìn)制碼，并具有兩種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如左移、右移、閃爍、消隱、段尋址等；具有自動(dòng)消除按鍵抖動(dòng)并識(shí)別按鍵代碼的功能，軟件編程時(shí)無(wú)需鍵盤(pán)的消抖動(dòng)程序，而且HD7279A的控制指令使得軟件編程更簡(jiǎn)單。故選用HD7279A作為驅(qū)動(dòng)鍵盤(pán)矩陣。掃描鍵盤(pán)時(shí)，如果有按鍵按下，直接通過(guò)讀鍵盤(pán)數(shù)據(jù)指令即可在LED上顯示鍵入的鍵值，而無(wú)需通過(guò)AT89C205l端口線控制鍵盤(pán)輸入。單片機(jī)接收鍵入的鍵值以控制所采樣量。HD7279可廣泛應(yīng)用于微型控制器、智能儀表、控制面板和家用電器等。
3．5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    圖3中AT89C205l的Pl與AD574A的高8位數(shù)據(jù)線直接相連，AD574A的低4位數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的高半4位P1．4～P1．7直接相連，讀取數(shù)據(jù)是依據(jù)單片機(jī)的控制線分時(shí)選通。P3．4接AD574A的字節(jié)短周期控制線(A0)，P3．5接讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制引腳(R／C)。這樣只能輸出8位，故12/8的數(shù)據(jù)模式選擇端直接接地，輸出的控制信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的串口P3．1驅(qū)動(dòng)升溫或降溫控制電路。采用10 V量程的輸入模式，故AD574A的10 VIN為被測(cè)電壓的輸入端，AT89C205l的P3．6接AD574A的片選CS，轉(zhuǎn)換器使用±12 V電源電壓供電，工作電壓為+5 V。P3．7輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)一只發(fā)光二極管報(bào)警。工作狀態(tài)指示信號(hào)端STS與AT89C2051的P3．2相連，當(dāng)STS=l時(shí)，轉(zhuǎn)換器處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)；當(dāng)STS=0時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束。因此，通過(guò)該信號(hào)判斷A／D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，用于單片機(jī)的中斷或查詢信號(hào)。當(dāng)AT89C205l的P3．2查詢到STS端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)后，先將轉(zhuǎn)換的12位A／D數(shù)據(jù)的高8位寫(xiě)入AT89C205l，然后再寫(xiě)入低4位。無(wú)論AD574A處于啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果的何種狀態(tài)，其使能端CE都必須為1，因此CE端接+5 V。上述為AD574A的全控狀態(tài)時(shí)，AD574A的CE、12／8、CS、R／C和A0對(duì)其工作狀態(tài)的控制過(guò)程如下：
    當(dāng)CE=l、CS=0時(shí)，AD574A則正常工作；當(dāng)AD574A處于工作模式，R/C=0時(shí)A／D轉(zhuǎn)換；R/C=1時(shí)讀取數(shù)據(jù)。12／8和AO用于控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式和數(shù)據(jù)輸出格式。A0=0時(shí)，按完整12位數(shù)據(jù)方式啟動(dòng)；當(dāng)AO=1時(shí)，則按8位A／D轉(zhuǎn)換方式啟動(dòng)。當(dāng)R/C=l，即當(dāng)AD574A處于數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，A0和12／8控制數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)的格式。當(dāng)12／8=l時(shí)，數(shù)據(jù)以12位并行方式輸出；當(dāng)l2/8=0時(shí)，數(shù)據(jù)以8位分兩次輸出。當(dāng)AO=O時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高8位，AO=l時(shí)輸出A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低4位，這4位占1個(gè)字節(jié)的高半字節(jié)，低半字節(jié)補(bǔ)零。如果需AD574A工作于單一模式，只需將CE、12／8端接+5 V電源，CS和A0接至O V，僅用R/C控制A／D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)和數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)R／C=O時(shí)，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器。經(jīng)35μs后，STS=1，表明A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)R／C置1，即可從數(shù)據(jù)端讀取數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)。整個(gè)溫度測(cè)控過(guò)程由主程序、溫度測(cè)量子程序、定時(shí)中斷子程序、A／D轉(zhuǎn)換程序、顯示子程序等組成。各模塊分別只有一個(gè)入口和出口，各模塊間相互獨(dú)立，避免因某功能模塊出現(xiàn)異常而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。這里僅給出主程序流程圖(圖4)和溫度測(cè)量子程序的流程圖(圖5)。

5 結(jié)語(yǔ)
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是采用溫度范圍為+10℃~+1．50℃的熱敏電阻。該電阻具有靈敏度高，體積小、重量輕，熱慣性小，壽命長(zhǎng)及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，而AT89C205l是一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)．適用于節(jié)能減排的電器控制，應(yīng)用廣泛。