1 系统总体设计1.1 系统总体设计方案设计框图如下所示：图1-1系统框图1.2 单元电路方案的论证与选择硬件电路的设计是整个实验的关键部分，我们在设计中主要考虑了这几个方面：电路简单易懂，较好的体现物理思想；可行性好，操作方便。

在设计过程中有的电路有多种备选方案，我们综合各种因素做出了如下选择。

1.2.1 温度信号采集电路的论证与选择采用温度传感器DS18B20美国DALLAS 公司的产品可编程单总线数字式温度传感器DS18B20可实现室内温度信号的采集，有很多优点：如直接输出数字信号，故省去了后继的信号放大及模数转换部分，外围电路简单，成本低;单总线接口，只有一根信号线作为单总线与CPU 连接，且每一只都有自己唯一的64位系列号存储在其内部的ROM 存储器中，故在一根信号线上可以挂接多个DS18820,便于多点测量且易于扩展。

DS18B20的测温范围较大，集成度较高，但需要串口来模拟其时序才能使用，故选用此方案。

1.2.2 DS18B20单线智能温度传感器的工作原理DS18B20温度传感器是美国DALLAS 半导体公司最近推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。

1.2.3 DS18B20单线智能温度传感器的性能特点①采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O 口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）；②测温范围为-55℃— +125℃，测量分辨率为0.0625℃； ③内含64位经过激光修正的只读存储器ROM ； ④适配各种单片机或系统机；计算机控制温 度 信 号采 集 电 路温度控制接口电路继电器控制 与加热电路继电器控制 与降温电路⑤用户可分别设定各路温度的上、下限；⑥内含寄生电源；1.2.4 DS18B20的内部结构框图如图1-2 所示:图1-2 DS18B20内部结构它采用3脚PR—35封装或8脚SOIC封装其管脚封装如图1-3所示。

图1-3 DS18B20的引脚排列1.2.5 输入输出通道及其接口设计1）温度检测模拟输入通道设计如图1-4所示:图1-4 输入通道原理图设V ／F 变换器的额定输出频率为F ，计数器对输出脉冲的计数时间为Ts ，A ／D 转换结果的分辨率为i ，则有：sis F T 2取Ts ＝1s ，则在V ／F 的输出频率范围0～10kHz 内，可以得到13位的A ／D 转换结果。

2)晶闸管数字触发输出通道设计 晶闸管的工作方式有： (1)调压方式 如图1-5所示：图1-5 调压方式原理图调压方式：是通过利用移相触发脉冲调节晶闸管的导通角，使输入到电加热元件的电压改变，达到调节用电器的输入功率，来实现控制目的。

(2)调功方式调功方式：触发电路采用的是过零触发方式，外加正弦电压过零时控制信号才使晶 闸管的触发导通，则负载上得到的电压是一个正弦波，如图1-6所示图1-6 波形图调功方式输入电炉的平均功率为：RUN n P 2P ——输入电炉的功率；R ——负载有效电阻；U ——电网电压 ；n ——允许导通的波头数；N ——设定的波头数。

当 n ＝0时，电炉的输入功率为零； n ＝N 时，电炉的输入功率为满功率。

由以上分析可得晶闸管数字触发输出通道设计,如图1-7和图1-8所示：图1-7 闸管数字触发输出通道电路图1-8 波形图3) 拨码盘给定输入通道拨码盘作为数字量的输入设备，设定和修改码盘值可作为控制系统的给定值。

输入非数字信息时，需要事先将非数字信息转换为数字代码，再由拨码盘输入。

4) 数码显示输出通道包括：数字量输出接口电路；锁存译码驱动电路；七段数码管显示器。

5) 打印机输出通道包括：系统配置了通用打印机接口电路；打印内容包括表头、制表、采样数据和采样时间。

1.2.6 模数转换的选择模数转换亦称模拟一数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。

例如，对图象扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换成相应的数字表示，即经模/数转换后，构成数字图象。

通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。

在遥感中常用于图象的传输，存贮以及将图象形式转换成数字形式的处理。

例如：图像的数字化等。

信号数字化是对原始信号进行数字近似，它需要用一个时钟和一个模数转换器来实现。

所谓数字近似是指以N-bit 的数字信号代码来量化表示原始信号，这种量化以bit 位单位，可以精细到1/2^N 。

时钟决定信号波形的采样速度和模数转换器的变换速率。

转换精度可以做到24bit ，而采样频率也有可能高达1GHZ ，但两者不可能同时做到。

通常数字位数越多，装置的速度就越慢。

1.2.7 模数转换的过程论证模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。

在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取 fS=2.5fmax 。

通常采样脉冲的宽度 tw 是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。

要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。

量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。

假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的， 则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。

编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。

这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的， 且所用时间又是保持时间的一部分。

1.2.8 A/D 的转换的原理 如图1-9所示：图1-9 原理图d n -1d 1 d 0数字量输出(n 位)ADC 的数字化编码电路CP SSCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压u i(t ) u s (t )…1.2.9 A/D 的转换作用由于温度传感器采集到的是模拟电压信号，而计算机只识别数字信号，因此必须经过A/D 转换，将采集到的模拟信号转换为数字信号才能被计算机识别，其转换的温度才能通过LED 数码管显示。

1.3 51单片机的简介MCS-51系列单片机是Intel 公司在总结MCS-48系列单片机的基础上于20世纪80年代初推出的高档8位单片机。

MCS-51系列的制成及发展与HMOS 工艺的发展密切相关 ，HMOS 是高性能的NMOS 工艺。

1.3.1 MCS-51系列单片机内部结构MCS-51系列单片机内部采用模块式结构，其结构组成框图如图1-10所示：中断控制定时/计数器1定时/计数器0程序存储器数据存储器4K/8K 字节ROM128/256字节RAM串行口时钟电路CPU总线控制并行 口P0P1P2P3TXD RXD控制图1-10 MCS-51系列单片机组成框图由图1-10可见，MCS-51系列单片机主要由以下部件通过片内总线连接而成：中央处理器（CPU ）、数据存储器（RAM ）、程序存储器（ROM ）、并行输入/输出口（P0口~P3口）、串行口、定时器/计数器、中断控制、总线控制及时钟电路。

1.3.2引脚定义引脚是单片机和外界进行通信的通道连接点，用户只能通过引脚组建控制系统。

从应用的角度来看，引脚的应用是单片机应用的一个重要基础。

由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数量是有限的，但单片机为实现控制所需要的信号数目却远远超过其引脚数目。

为解决这一矛盾，单片机的某些信号引脚被赋以双重功能。

如图1-11所示：P1P0P3P2RST ALEXTAL1XTAL2V CCV SSPSENEAI/OI/OI/O I/O图1-11 40引脚PDIP 封装的80C51单片机的引脚排列及逻辑符号图1、电源及电源复位引脚：（1）V CC （40脚）：正常操作时接+5V 直流电源。

（2）V SS (20脚)：接地端。

（3）RST/V PD （9脚）：复位信号输入端。

在该引脚上输入一定时间（约两个机器周期）的高电平将使单片机复位。

该引脚的第二功能是V PD ，即备用电源输入端。

当主电源发生故障，降低到低电平规定值时，可将+5V 备用电源自动接入V PD 端，以保护片内RAM 中的信息不丢失，使复电后能继续正常运行。

（4）E A /V PP （31脚）：访问程序存储器控制信号/编程电源输入。

当E A 保持高电平时，访问内部程序存储器，访问地址范围在0~4KB 内；当PC （程序计数器）值超过0FFFH ，即访问地址超出4KB 时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序；当E A 保持低电平时，不管单片机内部是否有程序存储器，则只访问外部程序存储器（从0000H 地址开始）。

由此可见，对片内有可用程序存储器的单片机而言，E A 端应接高电平，而对片内无程序存储器的单片机，可将E A 接地。

对于EPROM 型单片机，在EPROM 编程期间，此引脚用于施加21V 的编程电源（V PP ）。

2、时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2：（1）XTAL1（19脚）：外接石英晶体和微调电容引脚1。

它是片内振荡电路反向放大器的输入端。

采用外部振荡器时此引脚接地。

（2）XTAL2（18脚）：外接石英晶体和微调电容引脚2。

它是片内振荡电路反向放大器的输出端。

采用外部振荡器时此引脚为外部振荡信号输入端。

3、ALE /PR OG （30脚）：低8位地址锁存控制信号/编程脉冲输入。

在系统扩展时，ALE 用于把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低8位地址和数据的隔离。

在访问外部程序存储器期间，ALE 信号两次有效；而在访问外部数据存储器期间，ALE 信号一次有效。

对于EPROM 型单片机，在EPROM 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲PR O G 。

4、PSEN（29脚）：外部程序存储器的读选通信号输出端，低电平有效。

在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，此引脚定时输出负脉冲作为读取外部程序存储器的信号，每个机器周期PSEN两次有效，此时地址总线上送出的地址为外部程序存储器地址；在此期间，如果访问外部数据存储器和内部程序存储器，不会产生PSEN信号。

5、并行双向输入/输出(I/O)口引脚：（1）P0口的P0.0~P0.7引脚（39~32脚）：8位通用输入/输出端口和片外8位数据/低8位地址复用总线端口。

（2）P1口的P1.0~P1.7引脚（1~8脚）：8位通用输入/输出端口。

（3）P2口的P2.0~P2.7引脚（28~21脚）：8位通用输入/输出端口和片外高8位地址总线端口。

（4）P3口的P3.0~P3.7引脚（10~17脚）：8位通用输入/输出端口，具有第二功能。