电热恒温箱的单片机控制系统设计

课程设计题目：电热恒温箱的单片机控制系统设计

本课程设计介绍了一种电热恒温箱的单片机控制系统。在温度采集方面选用了美国国家半导体公司的集成化半导体传感器LM134。也可使用国内生产的同类型产品。集成化传感器是新型器件，它比直接用一个PN 结作传感器灵敏度高、线性好、使用方便。控制系统主要有三大部分组成，分别是温度采集部分、温度控制部分、控制信号的输出执行部分。系统设计使用的芯片都是系统设计经常用到的器件，微处理机采用美国A TMEL 公司推出的单片微机STC89C52，1片Intel 8155作为I/O扩展器，组成微机基本系统。

技术参数和设计任务：

1、利用STC89C52单片机构成的主电路，以实现对温度的控制； 2、为使电路中各功能有条不紊进行，设计时钟电路来实现； 3、为了有效的控制好温度，设计温度输入输出通道电路来实现； 4、为了能够实现人机交互功能，设计了键盘电路和显示电路来实现； 5、温度检测部分选用合适的温度传感器和ADC 转换器实现对温度的测量； 6、为了更有效的观察恒温箱，设计显示系统电路来实现；

7、输出控制部分由电炉采用晶闸管来实现，通过如DAC0832转换成模拟量，从而控制电阻丝的通电加热功率；

一、本课程设计系统概述

1、电热恒温箱单片机控制系统研究的理论意义及应用价值

随着时代的发展以及人民生活水平的提高，人们对传统的育种，发酵等方法感到厌烦，它们不仅复杂而且麻烦。根据市场、用户等方面的实际需求，对恒温箱的要求也有不同，而恒温控制是恒温箱的核心，在允许的温度范围内，以较好设计方法，对于节省电能、延长设备的使用寿命均十分有利。

电热恒温箱的实际应用环境，要求我们对它的设计要考虑好其工作的实际环境。而控制温度的先决条件是必须能够精确地掌握实时温度。可见，研制一套切合实际需要的温度检测系统是十分必要的。

电热恒温箱的单片机控制系统投入使用后，可精确显示实时温度，还可提供温度打印，为温度控制提供依据，能满足各种实际需要，节省电力和人力，提高生产效率。不仅如此，通过历史温度记录数据的分析还可以对温控系统进行研究，为进一步开发和挖掘更好的电热恒温系统提供更多的理论依据，所以，本系统的研究具有较高的使用价值。 2、本课程设计主要研究内容

虽然电子恒温控制系统的应用已相当普遍，但是，伴随着新器件的诞生、新技术的涌现，在新需求的推动下，温度控制系统的整体结构、器件选择、数据传送及操作界面等方面仍需不断研究和创新。

本文将针对现有系统结构复杂、温度检测精度不高、数据传输距离短、主控操作界面不直观这四个方面问题展开研究。

通过对目前各种温度传感器的分析与研究，对温度传感器做出合理选择，达到优化整体结构，提高温度检测精度，同时使系统便于维护的目的。

通过对各种信号传输方式的分析和研究，在保证系统结构简洁、具有较高性价比的基础上，提出延长数据输出距离的新方案。

通过对系统应实现功能的分析和研究，设计出更好控制系统。

本文的研究重点将放在温度传感器的选择、提高测温精度、测温数据的远距离传输这三个方面。

总之，本课题研究以期研制出一套简洁实用、精确稳定、使用直观、维修方便的电子恒温箱单片机控制系统。

3、系统结构图及简要说明

图1系统硬件结构示意图

电路部分以AT89S51单片机为核心部件，考虑来自供电电源、接口电路、程序跑飞等的干扰情况，采取了必要的软、硬件干扰措施。电路板上主要包括数据采集电路、键盘与显示电路、控制输出电路、模拟电源、数字电源、蜂鸣器等。

二、硬件设计

1、温度传感器

（1）热敏电阻温度传感器

热敏电阻是用某种金属氧化物为基体原料，加入一些添加剂，采用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的电阻器，其电阻对温度变化很明显，电阻温度系数比金属的大很多，被称为热敏电阻。热敏电阻分为三种类型：正温度系数热敏电阻，负温度系数、热敏电阻和临街温度系数、热敏电阻。它们的共同特点是灵敏度高，从复性好，工艺简单，便于工业化生产，因而成本较低，应用很广泛。

1）标称电阻值

标称电阻是热敏电阻在25ºC 时的零功率状态下的阻值。其大小取决于热敏电阻的材料和它的几何尺寸。如果环境温度不是25ºC ，而在25ºC~27ºC 之间，则按下式计算

R t =R 25∙[1+a 25(t -25)]

（1）

2）电阻温度系数

用于描述温度的变化引起电阻变化率变化的参数。指在规定的温度下，单位温度变化使热敏电阻值变化的相对值。用下式表示

a T =1/R T ∙d R T /dT *100% （2）

3）时间常数

尽管热敏电阻的几何尺寸可以制作得很小，但它还是有热惯性的。时间常数ζ就是表征热敏电阻值惯性大小的参数，其数值等于热敏电阻在零功率测量状态下，当环境温度突变时，热敏电阻的阻值从起始值变化到最终变化量的63%时所需的时间。

4）额定功率(PE )

指在标准压力和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。在实际使用中，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。

（2）晶体管温度传感器

研究发现在晶体管机电机电流恒定的条件下，其发射结上的正向电压随温度上升而近似线性下降，这种温度特性与二极管相似。但对于实际的二极管，其正向电流除扩散电流以外，还包括空间电荷区中的复合电流和表面复合电流成份，

后两种电流成分使实际二极管的电压―温度特性偏离前面讲的理想近似线性关系。而三机管中虽然发射极电也包括上述三部分，但是只有扩散电流能够到达集电极，后两个电流成分则作为基极电流漏掉，使晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性。

1）基本原理

由晶体管原理可知，NPN 晶体管的基极―发射极电压V 与温度T 的关系为

V be =V go -KT /q ln(AT

2）结构

η

/Ic ) （3）

在实现温度检测时，只有温敏三极管本身是不够的，必须附加适当的外围电路，才构成温度传感器。外围电路通常包括参考电压源、运算放大及线性电路等部分。图给出了一种常用的晶体管温度传感器基本电路及其温度特性曲线。该电路由一只运算放大器和一个温敏三极管组成。电容C 的作用是防止寄生振荡。温敏三极管作为反馈元件跨接在运放的反向输入端和输出端，基极接地。这种接法使得发射极为正偏，而集电极几乎为零偏。这是因为运放的反相输入端为虚地。

温敏晶体

管

E

图2 晶体管温度传感器结构图

（3）电压型集成温度传感器 1）基本原理

电压型集成温度传感器是指输入电压与温度成正比的温度传感器。B3,B4,B5PNP 晶体管结构和性能完全相同，B3与B4组成恒流源，且两者射极电流相同(称为电流镜), 所以R1上压降ΔV 可表示为

∆V be =kT /q ln λ （4）

则R1上电流为

I 1=kT /qR 1ln λ （5）因为B5与B3、B4完全相同，且基极、集电极点位相同，所以B5的射极电流与 B3、B4 上相同，所以

V o =R 2/R 1∙kT /q ln λ

（6）

则上述电路的温度系数为

αT =dV o /dT =R 2/R 1∙kT /q ln λ （7）可见只要两个电阻比为常数，就可得到正比于绝对温度的输出电压，而输出电压的温度灵敏度即温度系数可由电阻比R2/R1；B1、B2的发射极面积比来调整。

2）电压型集成温度传感器的电路结构及性能

常用的电压型集成温度传感器为四端输出型，代表性的型号有SL616,LX5600/5700,LM3911,UP515/610A-C和UP3911等。其线路由基准电压、温度传感器和运算放大器三部分组成。温度传感器是核心电路，原理是输出电压与温度成正比，如图若将图中输入与输出短接，运算放大器起焕缓冲的作用，输出为10mV/K·T, 即是PTAT 的输出值。若给输入端加上偏置电压，那么传感器的零输出将由0K 移到与偏置电压对应的温度。假设所加偏压为2.73V ，零输出温度2.73V/K=273K。只要所选偏置电压为设定·10mV/K，传感器的温度达到设定温度T 时, 输出为0，未达到设定温度时输出不为0，因此与适当的控制电路相接，此电路可作为温度控制使用。外形结构为四个引线封装形式。典型性能参数中，最大工作温度范围为-40~125℃，灵敏度为10mV/K，线性偏差为0.5~2%,长期稳定性为0.3%，测量精度为±4K 。

（4）电流型集成温度传感器 1）基本原理

AD590原理电路如图所示。其中T3和T4集成在一起，作为电流镜向恒流源，使流过T1和T2的电流相等。则电路的总电流I 表示为

I T =2I 1=2kT /qR ln λ （8）

为了使I 随温度线性变化，电阻R 必须选用具有零温度系数的薄膜电阻。则电流

温度系数为

C T =dI T /d T =2k /qR ln λ （9）

如果γ取8，R 为358Ω, 则电流温度系数C 可调整为1uA/K。图4为AD590的原理图。原理图的T1,T2,T3,T4分别为图5中的T9,T11,(T1-T2),(T3-T4)代替。T9和T11的发射结面积比为常数γ。T1,T2,T3,T4组成典型的恒流负载，为T9,T11提供相等的恒定电流(I1-I2)。T7,T8差分对管的负反馈作用使T9和T11的集成电极电压保护相等，T10为T7和T8恒流负载。流过其上电流与T11的相同。调节R5可调节传感器的电流。由于流过R5的电流为流过R6的2倍，则有

V be 11+2I 9R 5=V be 9+I 9R 6

（10）

所以∆V be =V be 11-V be 9=I 9(R 6-2R 5) （11） 则有I 总=3I 9=3kT ln λ/qR *6 （12） 式中R*相当于前面原理电路的电阻R 。另外T12的作用是在刚接通电源时，提

供一个小电流使传感器开始工作。T6能使T7和T8集电极电压平衡，同时在工 作电压接反时又能起到保护器件的作用

2）结构及性能

AD590是美国哈里斯公司生产的采用激光修正的精密集成温度传感器。AD590有3种封装形式：To -52封装、陶瓷封装（测量范围为-50~+150℃）、To -92封装（测温范围0~+70℃）。主要性能指标见表，该器件的外形与小功率晶体管相仿，共有3个管脚：1脚为正极，接电流输入；2脚为负极，接电流输出；3脚接管壳。使用时将第3脚接地，可起到屏蔽作用。AD590M 的测温范围是-55~+150℃，最大非线性误差为±0.3℃，响应时间仅20us ，线性误差低至±0.05℃，功耗约2mW 。

AD590等效于一个高阻抗的恒流源。在工作电压为+4~+30V，测温范围是-55~+150℃范围之内，对应于热力学温度T 每变化1K ，就输出1uA 的电流。在298.2K(对应于25.2℃) 时输出电流恰好等于298.2uA 。这表明，其输出电流I 与热力学温度T 严格成正比。因此，输出电流的微安数就代表着被测温度的热力学温标数：

表1 AD590系列产品主要技术指标

2、单片机的选择

（1）STC89C52单片机简介

STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP 的可反复擦写1000次的Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，STC89C52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

1) 主要性能特点：

A 、4k Bytes Flash片内程序存储器；

B 、128 bytes的随机存取数据存储器（RAM ）； C 、32个外部双向输入/输出（I/O）口； D 、5个中断优先级、2层中断嵌套中断； E 、6个中断源；

F 、2个16位可编程定时器/计数器； G 、2个全双工串行通信口； H 、看门狗（WDT ）电路；

I 、片内振荡器和时钟电路； J 、与MCS-51兼容；

K 、全静态工作：0Hz-33MHz ； L 、三级程序存储器保密锁定； M 、可编程串行通道； 2) 管脚说明： VCC ：供电电压。 GND ：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL 门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

图3 STC89C52管脚图

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：

P3.0 : RXD（串行输入口） P3.1 : TXD（串行输出口） P3.2 : INT0（外部中断0） P3.3 : INT1（外部中断1） P3.4 : T0（记时器0外部输入） P3.5 : T1（记时器1外部输入） P3.6 : WR （外部数据存储器写选通） P3.7 :RD （外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。

REST ：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持REST 脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/P ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如想禁止ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置0。此时， ALE 只有在执行MOVX ，MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。

EA /VPP ：在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。

三、软件设计 1、时钟电路设计

单片机个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍第工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1, 输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，图为CT89C52内部时钟方式的振荡器电路。

图4 时钟电路图

电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF 左右。电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常

是在1.2MHz~12MHz之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。为了提高温度稳定性应采用温度稳定性好的电容。 2、温度信号输入通道电路

温度信号输入通道的原理图如图，电路主要由温度传感器、运算放大器和模/数（A/D）转换器三部分组成。有两种方案可供选择：

方案一

温度传感器采用美国国家半导体公司的集成化半导体传感器LM134。LM134是一种新型的硅集成温度传感器，它不同于一般诸如热敏电阻、温差电偶以及半导体PN 结等传统的温度传感器。它是根据下述原理设计而成的，即工作在不同电流密度下的两只相同晶体管，其基、射结的结电压之差ΔV 与绝对温度T 严格成正比。而在该器件的突出优点是在整个工作温区范围内（-55~+125℃）输出电流与被测温度成线性关系，这样，就可省去非线性校正网络，使用简便。此外，它还具有下列特点：（1）起始电压低（低于1.5V ），而器件耐压较高，因而电源电压适用范围宽（在3~40V之间）。（2）灵敏度高（1uA/K）, 输出信号幅度大。一般情况下，不必加中间放大就可直接驱动检测系统，例如双积分型A/D转换器5G14433或ICL7106等。从而消除了中间环节所引入的误差，提高测温精度。输出阻抗高，一般大于10M Ω。所以它相当于一个受温度控制的恒流源，有较强的抗干扰能力，特别适用于长距离测温和控温场合。由于它的恒流特性，能消除电源电压波动和交流纹波对器件工作的影响，从而降低了对电源精度的要求。它比直接用一个PN 结作传感器灵敏度高、线性好、使用方便。 LM134的工作温度范围为-55~+125℃。

用线绕电阻。

图5 原理图

后它会有与被测点相近的温度变化，因此REST 必须采用低温度系数的电阻，可

这样即使长线传输不会降低精度。从而可用于遥测温度。但是R 安放在探头中

增益调节可在REST 上进行，也可在R 上进行，这是利用REST 的选用或制

造。调试时可先选定REST ，本通道选系列值230Ω，然后用实例V out 的方法，

考虑到引线电阻对外接电阻的影响，通常将R 与LM134一起安放在探头内，

在标称值为10k Ω的金属膜电阻中筛选出R L ，使增益达到10mV/K。增益校正可在0℃（冰水）或在室温条件下进行。下面是一组实测数据。为了提高测量精度，只测量与0℃时的标准电压2730mV 的差值

表2数据测量

运算放大器采用斩波稳零放大器ICL7650，ICL7650又称调制式放大器，是美国Intersil 公司在80年代投放市场的第四代运算放大器，输入失调电压为±1uA ，温漂为0.01uV/℃，开环增益不小于120dB, 共模抑制比不小于120dB, ICL7650所需外接元件少，使用方便。

A/D转换器采用美国Motorola 公司的双积分式3的抗干扰能力强，外接元件少，使用方便。

如果输入模拟信号电压的极性是单方向的，则应该使MC14433工作在负极性输入，以增大积分电压的变化幅度，提高比较器的分辨率，提高精度。为此，本系统的运放ICL7650输出的模拟信号电压，在正常情况下，始终是负极性的

电位器W 的调试方法是这样的：温度传感器在最高工作温度100℃（沸水）条件下，运放ICL7650输出的信号电压即为MC14433输入模拟信号电压V 的最大值，这时可以调节W, 使MC14433输出的数字量为满度值1999，而量程信号。W 也称为满度调节。

温度信号输入通道的总增益由温度传感器、运放和A/D转换器三个环节的增益所决定。在本系统中，前两个环节的增益是固定的，只用电位器W 作为整个输入通道的增益调节。这样有利于整个通道的设计、安装和调节。

方案二

温度检测部分选用铂工业热电阻作为温度检测传感器，如图中的Rt 其型号为WZP-120, 分度号为BA1。热电阻的测温范围一般为-200~+500℃。根据热电阻的特性，热电阻的电阻值Rt 与温度t 构成了一定的关系，即温度t 发生了变化，热电阻的阻值Rt 也发生了变化，Rt 与t 的关系已制成了对应的表格，这种表格称为热电阻分度表。

由于热电阻正常工作时需要6mA 恒流，因此使用三端稳压集成电路LM7805

位的MC14433，MC14433

脚无过

构成一个恒流源电路，调节电阻R ，可使流过Rt 的电流保持6mA 。由于温度变化时，热电阻的阻值也随着变化，这样，由欧姆定律可知，热电阻两端的电压V 就与热电阻的阻值（也即温度）成线性关系，也就是说，只要知道电压V ，根据一定的关系，就可求得对应的温度值。

A/D转换器还是采用MC14433（5G14433）集成电路片。为了防止MC14433的输入阻抗对热电阻输出电压Vx 的影响，在它们之间加入一射极跟随器起隔离作用，该跟随器由运放LM741构成。由于其输入阻抗理论上为无穷大，输出阻抗为0，所以加到MC14433的电压Vx 基本上就是热电阻的输出电压V 。MC14433的输出端直接与AT89C51的P1口相连，EOC 和DU 端连在一起后经反相器与AT89C51的INT 1相连。这样，MC14433每次转换结束，便产生一个正脉冲，经反相后作为INT 1的中断请求信号。INT 1采用边沿触发方式，因此要求输入负脉冲的宽度至少保持12个时钟周期才能被CPU 正确采样到，而MC14433的EOC 端输出脉冲，在频率为50kHz 时脉冲宽为10us, 完全能满足AT89C51的采样要求。

由于MC14433转换器通过DS1~DS4四位选通输出以表示相应的千、百、十、个位数的数据已出现在Q0~Q3输出线上，在AT89C51响应EOC 的中断请求后，可判别到P1口上的数据是否有位选通信号，当出现位选通信号时就将Q0~Q3输出线上的数据以BCD 码形式存放在AT89C51相应的RAM 区中。这里，就是把反映热电阻输出电压数据以压缩BCD 码形式（一个字节存放两位BCD 码）存放在20H 和21H 单元中，其格式为：

D7~D3

20H

符号

D7~D3

21H

千

D3~D0

百D3~D0

3、执行输出通道电路设计

为了简化输出通道的硬件结构，考虑到加热系统具有较大的热惯性，本系统采用脉冲宽度调制的控制方法，微机系统输出的控温信号如图。输出高电平，使双向可控硅导通。电热丝通电，输出低电平时，双向可控硅截止，电热丝断电。

执行信号输出通道的原理如图，微机系统8155 PC3的输出信号经过光电耦

合器。

图6执行输出通道电路原理图

直接控制双向可控硅的门极。从而控制电热丝的平均加热功率，这样使输出通道省去了D/A转换器和可控硅移相触发电路，大大简化了硬件。而且可控硅工作在过零触发状态，提高了设备功率因数，减轻了对电网的干扰。

8155 I/O脚的负载能力不足以驱动光电耦合器的发光二极管，所以用1413的一路作为功放。光电耦合器的光敏三极管所能通过的电流足以触发5A 的双向可控硅，其间不必加功放环节。对可控硅门极采用负极性触发，使之工作在灵敏度较高的方式。触发电路6V 电源不必采用稳定；只需一般的阻容滤波即可，但不能与微机基本系统的5V 电源相通。可控硅门极回路与220V 电源相通，光电耦合器的绝缘耐压，能有效地把微机系统与220V 强电隔离。 4、显示系统电路的设计

单片机应用系统中使用的显示器主要有LED 和LCD ，这两种显示器成本低、配置灵活、与单片机接口方便，本系统选用简单常用的LED 显示器，它具有价格低、寿命长、对电压电流的要求低及容易实现多路等优点。

单片机并行I/O口数量总是有限的，有时并行口需作其他更重要的用途，一般也不会用数量众多的并行I/O口专门用来驱动显示电路，本系统中使用STC89C52的串行通信口加上少量I/O及扩展芯片显示电路，STC89C52单片机的串行通信口是一个功能强大的通信口，而且是相当好用的通信口，下面根据这种需要设计一个用两个串行通信口线加上一个I/O口，设计一个3位LED 显示电路。一个8位串入并出的移位寄存器，其此处的功能是将M8串行通信口输出的串行数P3.0作为TXD 引脚同步移位脉冲输出控制线，P3.0=0 时，与门输出为零，禁止同步移位脉冲输出。这种静态显示方式的优点是亮度大，很容易做到显示不闪烁，且CPU 不必频繁的为显示服务，因而主程序可不必扫描显示器，软件设计比较简单，从而使单片机有更多的时间处理其他事务。

图7显示系统电路原理图

5、键盘接口电路的设计

键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质上是一组按键开关的集合，分为独立式键盘和行列式键盘。本系统采用独立式键盘。

图8 键盘接口电路原理图

键输入接口与软件应可靠而快速地实现键信息输入与键功能任务，应解决下列问题：

（1）键开关状态的可靠输入 目前，无论是按键和键盘都是利用机械触点的合、断作用。由于机械触点的弹性作用，在闭合及断开瞬间均有抖动过程，会出现一系列干扰负脉冲，抖动的时间长短与开关的机械特性有关，一般为5~10ms。按键的稳定闭合期由操作人员的按键动作多确定，一般为十分之几秒至几秒时间。为了保证CPU 对键的一次闭合仅作一次键输入处理，必须去除抖动影响。通常去除抖动的措施有用R-S 触发器或单稳态电路构成的硬件区都电路和软件去除抖动措施。本控制器采用了软件去除抖动措施，即在检测到有键按下时，执行一个10ms 的延时程序后在确定该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响。

（2）对键进行编码给定键值或直接给出键号 一组按键或键盘都要通过I/O线查询按键的开关状态，无论有无编码以及采用什么编码，最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的转移。

（3）选择键盘监测方法 对于计算机应用系统，键盘扫描只是CPU 工作的一部分，键盘处理只是在有键按下时才有意义。

四、系统的抗干扰措施 1、干扰的来源

一般把影响单片机测控系统正常工作的信号称为噪声，又称干扰。在单片机系统中，出现了干扰，就会影响指令的正常执行，造成控制事故或控制失灵，在测量通道中产生了干扰，就会使测量产生误差，电压的冲击有可能使系统遭到致命的破坏。环境对单片机控制系统的干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的，干扰传入单片机系统的渠道主要有三条，

（1）空间干扰

空间干扰来源与周围的电器设备如发射机等电干扰和磁干扰；广播电台或通信发射台发出的电磁波；这些空间辐射干扰会使单片机系统不能正常工作。

（2）供电系统干扰

由于工业现场运行的大功率设备众多，特别是大感性负载设备的起停会使得电网电压大幅度涨落，工业电网电压的欠压或过压常常达到额定电压的±15%以上。电网上常常出现几百伏，甚至几千伏的尖脉冲干扰。

（3）过程通道干扰

为了达到数据采集或实施控制的目的，开关量输入输出，模拟量输入输出是必不可少的。这些输入输出的信号线和控制线不可避免地将干扰引入单片机系统。

2、抗干扰的措施

（1）供电系统的抗干扰措施

单片机测控系统的供电，常常是一个棘手问题，单单一台高质量的电源不足以解决干扰和电压波动问题，必须完整地设计整个电源供电系统。

逻辑电路是在低电压、大电流下工作，电源的分配就必须引起注意，比如1条0.1Ω的电源线回路，对于5A 的供电系统，就会把电源电压从5V 降到4.5V ，以致不能正常工作。另一方面工作在其高频率下的数字电路，对电源线有高频要求，所以一般电源线上的干扰是数字系统最常出现的问题之一。

电源分配系统首要的就是良好的接地，系统的地线必须能够吸收来自所有电源系统的全部电流。应该采用粗导线作为电源连接线，地线应尽量短且直接走线 ；对于插件式线路板，应多给电源线、地线分配几个沿插头方向均匀分布的

插针。

在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止窜入干扰，采用如下措施： 1）交流近线端加交流滤波器，可滤掉高频干扰，如电网上大功率设备起停造成的瞬间干扰。滤波器市场上的产品有一级、二级滤波器之分，安装时外壳要加屏蔽并良好接地，仅出现要分开，防止感应和辐射耦合。低通滤波器仅允许50Hz 交流电通过，对高频何种频干扰有良好的衰减作用。

2）要求高的系统加交流稳压器。

3）采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器 。

4）采用稳压块两极稳压。目前市场上集成稳压块有许多种，如提供正电源7805、7812、7820、7824以及提供负电压的79系列稳压块，它们内部是多级稳压电路，采用两极稳压，效果好。

5）直流输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波。

6）交流电源线于其它线尽量分开，减少再度耦合干扰。如滤波器的输出线上干扰以减少，应使其与电源进线级滤波器外侨胞次一定距离，交流电源线与直流电源线及信号线分开走线。

7）电源线与信号线一般都通过地板下面走线，而且不可把两线靠得太近或互相平行，以减少电源与信号线之间的相互影响。

8）在每块印刷板的电源与地之间并接去藕电容。即5~10uF的电解电容和1个0.01~1.0uF的电容，以消除直流电源于地线中的脉冲电流所造成的干扰。

（2）过程通道干扰的抑制措施

过程通道是系统输入、输出以及单片机之间进行信息传世的路径。抑制过程通道的干扰主要采用光电隔离技术。采用光电耦合器可以将单片机与前向、后向以及其它部分切断电路的联系，能有效地防止干扰从过程通道进入单片机。光电耦合的主要优点是能有效抑制尖峰脉冲以及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。

（3）空间抗干扰措施

空间干扰不一定是来自系统外部，空间干扰的抗干扰设计主要是地线系统设计，系统的屏蔽与布局设计。

3、软件抗干扰措施

单片机系统在噪声环境下运行，除了前面介绍的各种抗干扰的措施外，还可以采用软件来增强系统的抗干扰能力。

软件抗干扰技术适当系统受干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪求真的一种辅助方法。因此软件抗干扰是被动措施，而硬件抗干扰是主动措施。但由于软件设计灵活，节省硬件资源，所以软件抗干扰技术已得到较为广泛的应用。软件抗干扰技术所研究的主要内容如下：

（1）软件滤波。采用软件的方法抑制叠加在输入信号上的噪声的影响，可以通过软件滤波剔出虚假信号，求取真值。

（2）开关量的输入/输出抗干扰设计。可采用对开关量输入信号从复检测，对开关量输出口数据刷新的方法 。

（3）由于CPU 受到干扰，程序计数器PC 的状态被破坏，导致程序从一个区域跳转到另一个区域，或者程序在地址空间内“乱飞”或者进入死循环。因此必须尽可能早的发现并采取措施，把程序纳入正轨。为使“乱飞”的程序被拦截或程序摆脱死循环可采用指令冗余、软件陷阱或“看门狗”等技术。

五、小结

经过2个多礼拜的努力，这次的课程设计总算写完成了。一共有24页。在此次课程设计中，很多东西以前都没有实际了解到，比如芯片ADC0809，现在经过课设，通过查阅资料，我拓宽了自己的知识面，在课设中学会了独立思考和锻炼了自己的实践动手能力。

这次计算机控制技术设计过程中，我参考了很多资料，发现自己现在学到的只是很小的一部分，在设计上有一定的难度。就我设计的题目而言，平时在书上介绍的只是一些原理，并没有实际的运用与操作，具体要怎么设计一个完整的架构就需要我们对现有和过去学的知识有一个大概的了解。通过课程设计的学习工作，使我接触了很多新的知识，比如相关软件的拓展，也让我对这门课有了更深的了解，培养了我们求真务实的态度。

在这里谢谢老师对我做的过程中的帮助，帮我找出了许多小错误。正所谓书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。想想以前浪费这么多时间，真是悔不当初啊!

虽然大学生涯快结束了，但是我们的学习之路还没有走完。心中记着一句话：“学到老，活到老。” 六、参考文献

[1] 杜树春. 单片机应用系统开发实例详解[M].北京：机械工业出版社,2008. [2] 王为青, 邱文勋.51单片机应用开发案例精选[M].人民邮电出版社,2007. [3] 张萌, 和湘, 姜斌. 单片机应用系统开发综合实例[M].北京-清华大学出版社,2007.

[4] 汤竞南, 沈国琴.51单片机C 语言开发与实例[M].北京:人民邮电出版社,2008. [5] 陈海宴.51单片机原理及应用:基于Keil C与Proteus[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

[6] 杨欣等. 51单片机应用实例详解[M].北京:清华大学出版社,2010.

[7]沈红卫. 单片机应用系统设计实例与分析[M].北京：北京航空航天大学出版社,2003.

[8]潘新民, 王燕芳. 微型计算机控制技术实用教程[M].北京：电子工业出版社,2006.

[9]余永权. 单片机在控制系统中的应用[M].北京:电子工业出版社,2003. [10]戢卫平. 单片机系统开发实例经典[M].北京:冶金工业出版社 2006.

[11]钟富昭, 张晨.8051单片机典型模块设计与应用[M].北京:人民邮电出版社,2007.

[12]冯育长. 单片机系统设计与实例分析[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007. [13] 杨学昭, 王东云. 单片机原理、接口技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009.

[14] 刘小成, 吴清, 夏春明. 单片机原理及C51应用[M].上海:华东理工大学出版社,2009.

[15] 谢宜仁. 单片机硬件接口电路及实例解析[M].北京:电子工业出版社,2009. [16] 陈宁, 王文宁. 单片机技术项目教程[M].南京：东南大学出版社，2008. [17] 刘同法. 单片机外围接口电路与工程实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[18] 岂兴明.51单片机编程基础与开发实例详解[M].北京:人民邮电出版社,2008.