基于单片机的温度自动控制系统.doc

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1、基于单片机的温度闭环控制系统摘 要：利用单片机强大的指令系统实现了对数据的间歇性采集；利用LED与键盘专用驱动芯片BC7281可以完成复杂的读键与控制数码管显示的功能；利用电平转换芯片MAX232与计算机串口可以实现单片机与PC机的通信；本文详细介绍了一种能够在设定的时间间隔后对数据进行采集和存储并可以将其上传到PC机的通用系统。它结合了单片机在实时数据采集和微机对数据处理、显示的优点，使得单片机的自控功能得到了淋漓尽致展现，极大增强了单片机对数据采集的实用性，减少了在工程监测和试验数据监测中所耗费的人力资源。同时，微机在数据库管理上具有的明显优势，为后期的数据处理工作带来了极大的方便。关键词

2、：温度；数据采集；单片机；BC7281B；闭环控制1 引言能源问题已经是当前最为热门的话题，离开能源的日子，世界将失去一切颜色，人们将寸步难行，尽管本设计是节省电能角度出发，然而电能又是可再生能源，但是如今依然有很多的电能是依靠火力、核电等一系列不可再生的自然资源所产生，一旦这些自然资源枯竭，我们将面临电能资源的巨大的缺口，在全球讲求低碳生活的时候，能源危机已经是全球人必须面度的问题。因而本设计从节能的角度出发，节省电能，保护环境，力求以最低的能耗最高的性价比达到恒温控制的目的。随着计算机的迅速普及和计算机控制技术的发展，计算机也被广泛应用于自动化控制领域之中。上位机与下位机大多是通过PC机的

3、RS-232串行接口实现通信，串口通信作为一种非常基础而又灵活的通信方式，被广泛地应用于PC间的通信以及PC和单片机的通信之中。该系统中用到VB中的Microsoft Communication control (以下简称MSComm)通信控件实现PC与单片机的通信，实现了PC机对被控对象的温度变化的监测与控制。2 设计任务、要求2.1 设计内容本文设计一个高精度恒温度控制系统，控制对象为一块150mm80mm 20mm的铁块，其温度可以在一定的范围内由人工设定。单片机控制电热丝的加热，并不断检测铁块的实时温度，闭环使其温度稳定在设定左右，上下波动不超过1摄氏度。2.2 功能要求（1） 温度设

4、定范围为40100，最小设定分度为1。（2）用4位数字显示温度，分辨率为0.1，在温度设定范围内显示温度和标准温度之间的误差1。（3）温度控制稳态误差的绝对值0.5。（4）LED显示当前温度和人工任意设定的温度。 2.3 设计提高部分（1）温度控制稳态误差的绝对值0.1；在任意温度尽量减小超调量. （2）当设定温度从50突变到70时，超调量1.5，并尽量减少调节时间。 （3）通过串行口和PC通信，显示被控对象的温度响应曲线。 （4）系统有较强的抗干扰能力。单片机控制两组电热丝给铁块加热和一台电扇对铁块进行吹风降温，要求系统的温控性能不变。 3 系统设计框图 系统设计采用直接数字控制(Direc

5、t Digital Control, DDC) 系统。用MCU取代模拟调节器直接控制执行器，使被调量保持在给定值。其硬件结构以MCU为控制核心，前向通道由温度测量部分组成，后向通道由功率控制部分组成。 AC220Vbc7281设定温度初值温度初值 89c51控制系统微机显示界面过零检测电路可控硅或继电器控制电路电风扇加热器显示预置温度值被控铁块温度传感器A/D采样控制电路89c51控制系统实际温度值显示实际温度度图1控制系统框图4方案的分析、论证与确定4.1 被控对象的分析本系统是一个典型的闭环控制系统，对象是一块150 mm 80 mm 20 mm的铁块，铁的比热是0.46103J/(kg)

6、。加热元件采用电烙铁芯，220V交流供电,通过对被控对象中的加热元件电烙铁芯的平均功率进行控制，达到对铁块温度控制的目的。控制对象铁块的示意图如图2所示。加工方式为：在铁块的侧部中间钻一个 56 的孔，能将电烙铁芯插入即可，深度40 mm；在铁块的正中间钻一个8的孔，深度15 mm，不钻穿；供插入标准温度计进行计量检测；温度传感器可以安装. 图2 被控铁块示意图为了实现对铁块的温度控制，首先要求出被控对象的数学模型。令加热器全功率开通，测试被控对象(铁块)的温度从室温分别上升到40, 50, 60, 70, 80, 90时的热惯性和温度变化，可得到被控对象(铁块)的温升响应曲线，如图3所示.

7、图3铁块的温升响应曲线从响应曲线来看，当加热器全功率开通后，铁块的温度并不是即时跟随的，有一滞后时间。当铁块从室温被加热到预定温度时，虽然加热器已被关断，但受热惯性的影响，铁块温度依然有一上升区间(图中温升曲线瞄黑部分)。因此可看出被控对象具有非线性、滞后、大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小，被控对象的变增益特性明显。因此该控制对象为一个带有纯滞后的一阶惯性环节，其传输函数为：式中,Kp为系数；1 为被控对象的时间常数； 为纯滞后时间，一般假定它是采样周期T的整数倍；N为正整数。4.2系统部分的设计方案论证4.2.1温度传感器的选择目前市场上温度传感器较多，有以下几种。方案一：选

8、用铂电阻温度传感器，此类温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好，但其成本较高。方案二：采用热敏电阻，选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。方案三：由National Semiconductor 所生产的温度传感器LM35。（如图4所示）其测量范围在-50+150，输出电压与摄氏温标呈线性关系, LM35是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，其灵敏度为10mV/；工作温度范围为0-100；工作电压为4-30V；精度为1。最大线性误差为0.5；静态电流为80uA。 图4 LM35基本结构方案比较与选择：比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，LM35

9、具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点，其各方面特性都满足此系统的设计要求。因此选用方案三。利用LM35作温度采集，采集信号经过滤波，放大后送给ADC，作进一步处理。其设计电路如5图所示 图5 温度采集基本电路4.2.2 数据转换电路图6 TLC1543引脚图数据转换采用串行A/D转换器TLC1543，TLC1543是美国TI公司生产的多通道、低价格的模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。TLC1543为20脚DIP封装的CMOS 10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列如图6所示。其中A0A10（19、11

10、、12脚）为11个模拟输入端，REF+（14脚，通常为VCC）和REF-（13脚，通常为地）为基准电压正负端，CS（15脚）为片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK（18脚）和DATA OUT（16脚）。ADDRESS（17脚）为串行数据输入端，是一个4位的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。DATA OUT为A/D转换结束3态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。I/O CLOCK为数据输入/输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。芯片内部有一个14通道多路选择器，可选择11个模拟输入通

11、道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试。片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC（19脚）输出端变高表明转换完成。内部转换器具有高速（10S转换时间），高精度（10位分辨率，最大1LSB不可调整误差）和低噪声的特点。表1 TLC1543引脚说明（1）引脚说明引脚号 名称I/O 说明19，11，12A0A1I模拟输入端。这11个模拟信号输入由内部多路器选择。驱动源的阻抗必须小于或等于1k15CSI片选端。在 CS 端的一个由高至低变化将复位内部计数器并控制和使能DATA OUT、ADDRESS和I/O CLOCK。一个由低至高的变化将在一个设置时间内禁止ADDRESS和I/O CLOCK1

12、7ADDRESSI串行数据输入端。一个 4 位的串行地址选择下一个即将被转换的所需的模拟输入或测试电压。串行数据以MSB为前导并在I/O CLOCK的前 4 个上升沿被移入。在 4 个地址位被读入地址寄存器后，这个输入端对后续的信号无效16DATA OUTO用于A/D转换结果输出的3态串行输出端。DATA OUT在CS为高时处于高阻抗状态，而当CS为低时处于激活状态。CS一旦有效，按照前一次转换结果的MSB值将DATA OUT从高阻抗状态转变成相应的逻辑电平。 I/O CLOCK 的下一个下降沿将根据 MSB 的下一位将DATA OUT驱动成相应的逻辑电平，剩下的各位依次移出，而LSB在I/O

13、 CLOCK 的第九个下降沿出现。在 I/O CLOCK 的第十个下降沿，DATA OUT端被驱动为逻辑低电平，因此多于十个时钟时串行接口传送的是一些“零”19EOCO转换结束端。在第十个I/O CLOCK该输出端从逻辑高电平变为低电平并保持低直到转换完成及数据准备传输10GND地。GND是内部电路的地回路端。除另有说明外，所有电压测量都相对于GND18I/O CLOCKI输入/输出时钟端。I/O CLOCK接收串行输入并完成以下四个功能：1. 在I/O CLOCK的前4个上升沿，它将4个输入地址位键入地址寄存器。在第4个上升沿之后多路器地址有效2. 在I/O CLOCK的第4个下降沿，在选定

14、的多路器输入端上的模拟输入电压开始向电容器充电并继续到I/O CLOCK的第十个下降沿3. 它将前一次转换的数据的其余9位移出DATA OUT端4. 在I/O CLOCK的第十个下降沿它将转换的控制信号传送到内部的状态控制器14REF+I正基准电压端。基准电压的正端（通常为Vcc）被加到REF+。最大的输入电压范围取决于加于本端与加于REF_端的电压差13REF_I负基准电压端。基准电压的低端（通常为地）被加到REF20Vcc正电源端（2）使用说明一开始，片选（CS）为高，I/O CLOCK和ADDRESS被禁止以及DATA OUT为高阻抗状态。当串行接口使CS变低开始转换过程，I/O CLO

15、CK和ADDRESS使能，并使DATA OUT端脱离高阻抗状态。然后，串口向ADDRESS端提供4位通道地址，同时I/O时钟序列输入I/O CLCOK。在这时，串口也从DATA OUT端接收前一次转换的结果。I/O CLOCK 端从主串行接口接收一个 10 至 16 个时钟长的输入时钟序列。前 4个I/O时钟用4位地址从ADDRESS端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，以后6个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。本器件可以用6种基本的串行接口时序方式。这些方式取决于I/O CLOCK的速度与CS的工作，如表2所示。这 6 种方式是：（1）具有 10 时钟和 CS 在转换周期时无效（高）的快速转

16、换方式，（2）具有 10时钟和 CS 连续有效（低）的快速转换方式，（3）具有 11 至 16 时钟和 CS 在转换周期时无效（高）的快速转换方式，（4）具有16时钟和CS连续有效（低）的快速转换方式，（5）具有11至16时钟和CS在转换周期时无效（高）的慢速转换方式，（6）具有16时钟和CS连续有效（低）的慢速转换方式。在方式1、方式3和方式5中，在DATA OUT引脚上，前一次转换的MSB出现在CS的下降边时；在方式2和方式4中出现在EOC的上升边时；而在方式6中则出现在第16个时钟的下降边时；剩下的9位在I/O CLOCK的以后9个下降边时被移出。10位数据经DATA OUT端发送到主串

17、行接口。所用串行时钟脉冲的数目也取决于工作的方式，但要开始进行转换，最少需要 10 个时钟脉冲。在第 10 个时钟的下降边 EOC输出变低，而当转换完成时回到逻辑高电平，转换结果可以由主机读出。如果I/O CLOCK的传送是多于10个时钟，在第10个时钟的下降边内部逻辑也将DATA OUT变低以保证剩下各位的值是零。表2列出了与CS的状态、所用的I/O串行传送时钟的数目以及前一次转换的MSB出现的时序有关的工作方式。表2 TLC1543工作方式表10 TLC1543工作方式表10 TLC1543工作方式方式I/O时钟数目DATAOUT处的MSB快速方式方式转换周期时为高10 下降沿方式连续低1

18、0EOC上升沿方式转换周期时为高11至16*下降沿方式连续低16*EOC上升沿慢速方式方式转换周期时为高11至16*下降沿方式连续低16*第16个时钟下降沿（3）简化的模拟输入分析用图17中的等效电路，在1/2 LSB中将模拟输入电容从0充到Vs所需的时间可推导如下：电容所充的电压由下式给出： （1）其中: R = Rs + r1/2 LSB达到的最终电压由下式给出： Vc（1/2 LSB）= Vs - （Vs/2048） （2）将（1）式代入（2）式并解出t 如下： Vs - （Vs/2048）= Vs（） （3）可得： （4）所以，在给定值的条件下，模拟输入信号的建立时间是： （5）4.2

19、.3 单片机的选择 单片机按CPU的处理能力分类目前有4位、8位、16位、32位，位数越高的单片机在数据处理能力和指令系统方面就越强，AVR、51、PIC都有8位机产品。不同的单片机具有不同的特性，超低功耗的MSP系列、款式各异的PIC系列、长期占据单片机市场的51系列等等。然而单片机的选型时不仅要考虑单片机的硬件资源，还要考虑不同类型的单片机使用不同的开发工具，各种单片机的市场供求和实际电路的制作工艺。方案一：ATMEL公司的AVR单片机，是增强型RISC内载Flash的单片机，芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程，在线编程，使用户的产品设计容易，更新换代方便。AVR单片机采

20、用增强的RISC结构 ，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令，每MHz可实现1MIPS的处理能力。AVR单片机工作电压为2.76.0V，可以实现耗电最优化。AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备 ，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器,宇航设备等各个领域。方案二：PIC单片机（Peripheral Interface Controller）是一种用来控制外围设备的集成电路（IC）。一种具有分散作用（多任务）功能的CPU。与人类相比，大脑就是CPU，PIC 共享的部分相当于人的神经系统。PIC单片机有计算功能和记忆内存像CPU并由软件控制允行。然而，处理能力存储器容量却很

21、有限，这取决于PIC的类型。但是它们的最高操作频率大约都在20MHz左右，存储器容量用作写程序的空间大约1K4K字节。方案三：MSP430系列是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在 1996 年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。MSP430 系列的超低功耗特性：首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是 1.83.6V 电压。因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流会在 200400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA 。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列

22、中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（ FLL 和 FLL+ ）时钟系统或 DCO 数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（ 32768Hz ） , 有的使用两个晶体振荡器）。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。方案四：AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能COMOS8位单片机，片内4Kbytes的可反复查写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8

23、位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大，AT89C51单片机可用于许多高性价比的场合。方案比较与选择：通过以上对各个芯片的比较，考虑到芯片性能，价格等一系列因素，再结合各种单片机的市场供求，和对各种单片机的使用熟练程度，从提高产品性价比的角度出发决定使用AT89C51作为系统的核心控制器件。从而达到以最低的研发费用做到最优质性能的目的，因此选用方案四。89C51芯片介绍AT89C51提供以下标准功能：4K字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT

24、89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式下存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51管脚图如图7所示。图7 AT89C51管脚图AT89C51管脚功能介绍。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/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIAS

25、H进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 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

26、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（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示。口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/I

27、NT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（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）表3 AT89C51 P3口的特殊功能介绍 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：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

28、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。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

29、在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。 振荡特性：XTAL1、XTAL2为片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，可采用石英晶体或陶瓷振荡器组成时钟振荡器，如需从外部输入时钟驱动AT89C51，时钟信号从XTAL1输入，XTAL2应悬空。由于输入到内部是经过一个2分频触发器，所以输入的外部时钟信号无需特殊要求，但是它必须符合电平的最大和最小值及时序规范。图8 单片机振荡电路4.2.3 LED数码管及键盘接口电路设计要求具有人机通信功能，因此系统中必有输入和显示部分。目前单片机外围键盘和显示电路主要有两种方案：方案一：使用辅助单片机也就是在仪器的主控单片机之外，另外使用一个辅助的单

30、片机专门做显示驱动和键盘扫描。优点：最灵活。缺点：元件易受干扰，综合成本高。其特征是：需要额外的时钟电路例如晶体、电容或电阻；需要外接按键扫描的8个下拉电阻；产品说明书中通常没有标明电流驱动能力；引脚定义尤其是CLK/RTCC/RST引脚通常与AT89C51或AT89C2051相似；单片机程序中有比较多的延时指令和延时程序。（1）由于辅助单片机的驱动电流比较小，按单片机厂商的说明，通常每个引脚不大于20mA，如果长时间驱动大电流则容易损坏。如果将辅助单片机的引脚直接用作字驱动，则20mA平均到数码管的8个段上，每个段的电流只能分配到3mA，所以只能驱动较小的数码管。而如果外接驱动电路，例如59

31、5芯片或者8个三极管及相应的基级电阻，则电路面积增大，总体成本增加。（2）为了节约辅助单片机的端口线，一般使用串行输入输出。由于辅助单片机一条指令只能处理一位数据，并且在接收到数据后还需要将其移位转换为字节数据或者直接作为命令进行解释，所以速度非常低。一般要求主控单片机的串行接口的位时钟不能高于200KHz（每个位数据要保持几微秒，才能被辅助单片机检测到并及时处理），所以单片机接口程序需要不断地延时等待。（3）如果辅助单片机采用定时中断方式进行显示驱动和键盘扫描，则在进入中断后有可能来不及响应外部的操作请求，所以辅助单片机一般采用查询方式进行显示驱动和键盘扫描，而采用中断方式接收外部的主控单片

32、机的操作请求。如果主控单片机频繁访问辅助单片机，则因为辅助单片机分身无术，所以显示驱动和键盘扫描就可能无法顾及，出现亮度不均和键盘失灵。（4）为了提高串行接口的速度，辅助单片机需要尽可能高的系统时钟，而参考单片机厂商的说明，采用低成本的外部阻容振荡是很难稳定地工作在10MHz以上的。所以在工业现场，辅助单片机很有可能因为阻容振荡频率太高而受到干扰，甚至内部程序跑飞或者意外死锁。方案二：采用BC7281系列的LED数码管及键盘接口专用控制芯片。BC7281系列是8位或16位LED数码管及键盘接口专用控制芯片。通过外接移位寄存器（典型芯片如74HC164，74LS595等），BC7281B最多可以

33、控制16位数码管或128个独立的LED。BC7281B芯片可以连接最多64键(88)的键盘矩阵，内部具有消抖功能，并且具有2种工作模式。它因为采用高速二线接口与MCU进行通信，只占用很少的I/O口资源和主机时间，内部设计的改进（特别是增加了“寄存器保护”模式）使其具有更强的抗干扰性能。其特点如下：（1）2线高速串行接口，使用简便。（2）段寻址方式，可以单独控制任意显示段。（3）具有2种键盘工作模式，适应不同应用需求。（4）键盘部分具有去抖和键值锁存功能。（5）可单独关闭显示但保留键盘功能（BC7281B）。（6）译码显示时不影响小数点位，便于将小数点位用作单独指示灯。（7）有多种译码显示方式，

34、同时可以直接修改显示寄存器，显示任意内容。（8）16位可单独控制闪烁显示，闪烁速度软件可调。（9）具有寄存器抗干扰工作模式（BC7281B），可靠性能更高。（10）段驱动极性和时序均可控，可以配合多种驱动电路，可适用于任何尺寸数码管。（11）特有的光柱显示方式，用一条指令即可控制光柱显示，并可独立控制两条64段光柱显示。经以上对比发现：方案二功能最强，器件使用方便，性能更稳定，所以方案二为LED数码管及键盘接口电路的首选。4.2.5 温控主电路的实现该部分的控制对象是3个电热丝，工作电压为220V，功率分别为50瓦、30瓦、30瓦。温控主电路要求具有快速性，实时性，以及在交流市电强度下工作稳定

35、性。单片机根据被控对象的实时信息，来决定主加热电路是否工作，即单片机发出信号能控制该部分温度控制电路，综合以上要求，我们提出以下两种方案：方案一：用继电器实现对电热丝的控制，小型电磁继电器具有控制驱动简单，安全稳定，具备普通电磁继电器的一般特性，开关速度可达上万次每秒，对于普通类型的弱电控制强电，基本可以满足要求。方案二：用电力电子器件实现对电热丝的控制，对于交流工作的热电热丝，可选用双向可控硅，即双向SCR；它具有可双向导通，触发简单，相对于继电器开关速度快，可均匀调功等优。方案比较与选择：继电器与双向SCR相比，优点是控制简单稳定，易于实现，对于不要求快速性的普通强电控制电路，优势明显，缺

36、点是不能均匀调节功率，快速性稍差。双向可控硅与电磁继电器相比，缺点是控制较复杂，不易实现。在本设计中，我们对两套方案均进行了实践。5 系统设计5.1 硬件设计5.1.1 LED显示及键盘控制电路LED显示及键盘控制电路主要采用BC7281系列的LED数码管及键盘接口专用控制芯片实现。BC7281系列是8位/16位LED数码管及键盘接口专用控制芯片。通过外接移位寄存器（典型芯片如74HC164，74LS595等），BC7281B最多可以控制16位数码管或128个独立的LED。BC7281B芯片可以连接最多64键(88)的键盘矩阵，内部具有消抖功能，并且具有2种工作模式。它因为采用高速二线接口与M

37、CU进行通信，只占用很少的I/O口资源和主机时间，内部设计的改进（特别是增加了“寄存器保护”模式）使其具有更强的抗干扰性能。其特点如下：（1）2线高速串行接口，使用简便。（2）段寻址方式，可以单独控制任意显示段。（3）具有2种键盘工作模式，适应不同应用需求。（4）键盘部分具有去抖和键值锁存功能。（5）可单独关闭显示但保留键盘功能（BC7281B）。（6）译码显示时不影响小数点位，便于将小数点位用作单独指示灯。（7）有多种译码显示方式，同时可以直接修改显示寄存器，显示任意内容。（8）16位可单独控制闪烁显示，闪烁速度软件可调。（9）具有寄存器抗干扰工作模式（BC7281B），可靠性能更高。（10

38、）段驱动极性和时序均可控，可以配合多种驱动电路，可适用于任何尺寸数码管。（11）特有的光柱显示方式，用一条指令即可控制光柱显示，并可独立控制两条64段光柱显示。BC7281B芯片内部具有31个寄存器，包括16个显示寄存器和15个特殊功能寄存器，共用一段连续的地址，其地址范围是00H-1FH，其中00H-0FH为显示寄存器，其余为特殊寄存器。（1）显示寄存器地址00H-0FH，镜像寄存器地址1FH显示寄存器共16个，分别对应16个显示位，其内容为各显示位的映射，各数据位与显示段对应关系表1：表4 显示寄存器显示段对应关系D7D6D5D4D3D2D1D0DPGFEDCBA用户可以直接修改显示寄存器

39、的内容，达到不译码显示的目的，也可以通过译码寄存器（见后文）间接地改变其内容。显示寄存器为可读写的寄存器，用户既可以直接写入数据，也可以读出其内容。芯片复位后（上电复位或中途复位），所有显示寄存器被恢复为缺省值(FFH)。当执行了写入译码寄存器（参见后文）的操作后，需要点亮的段被置为0。闪烁开关控制寄存器地址10H,19H，镜像寄存器地址1BH,1EH闪烁开关控制寄存器控制显示位的闪烁属性。BC7281A/B的闪烁控制有两种工作模式，由工作模式控制寄存器（地址12H）中的闪烁模式选择位BMS控制（详见后文），缺省的工作模式（BMS=0）与BC7281相同，第8-15位显示与第0-7位共用同一个

40、闪烁控制寄存器10H，第8-15位不能单独控制闪烁属性，控制寄存器数据位与显示位的对应关系如下：表5 控制寄存器与显示位的对应关系寄存器10HD7D6D5D4D3D2D1D0显示位DIG7DIG6DIG5DIG4DIG3DIG2DIG1DIG0显示位DIG15DIG14DIG13DIG12DIG11DIG10DIG9DIG8DIGO-DIG15分别代表显示位0到显示位15。相应数据位为1时，表示该位正常显示；为0时，该位按闪烁方式显示。表6 控制寄存器10H与显示位的对应关系当BMS控制位设为1时，BC7281A/B工作于扩展闪烁控制模式，这时16个显示位均可以单独控制闪烁状态，lOH控制DI

41、GO-DIG7，而扩一展闪烁控制寄存器19H控制DIG8 -DIG15。对应关系见表3与表4:寄存器10HD7D6D5D4D3D2D1D0显示位DIG7DIG6DIG5DIG4DIG3DIG2DIG1DIG0表7 控制寄存器19H与显示位的对应关系寄存器19HD7D6D5D4D3D2D1D0显示位DIG15DIG14DIG13DIG12DIG11DIG10DIG9DIG8闪烁控制寄存器可由用户在任何时刻改写，也可随时将其内容读出。复位后，闪烁开关控制寄存器lOH和19H的初始值均为FFH，即各位均按不闪烁方式显示。（2）闪烁速度控制寄存器地址11H，镜像寄存器地址1CHBC7281的闪烁速度可

42、以控制，通过将不同的值写入闪烁速度控制寄存器，可以改变闪烁显示的闪烁速度，其值的范围是OOH-FFH。值越小则闪烁速度越快。闪烁速度控制寄存器复位后的初始值为40H，在该值下，当BC7281B的外接RC的值分别为3.3K和20pF时，闪烁的频率大约为2Hz.同闪烁开关控制寄存器一样，该寄存器也可由用户任意读写。当BC7281B工作于“寄存器保护”模式时，闪烁速度控制寄存器的改写必须通过先向其镜像寄存器内写入镜像数据的方式来进行。（3）工作模式控制寄存器地址12H，镜像寄存器地址1DH 为了能够和各种驱动电路配合，BC7281B具有多种工作模式，其工作模式由工作控制寄存器控制，其各数据位意义如表

43、5:表8 控制寄存器各数据位意义D7D6D5D4D3D2D1D0SCNRPKOESBMSKMSINVMODMOD:移位寄存器模式控制。当MOD=0时，为普通移位寄存器模式，SDAT端每输出一位数据，SCLK端输出一移位脉冲，8个数据位共输出8个移位脉冲，此种模式适用于一般的移位寄存器，典型器件如74HC164等，故此种模式也称为164模式；当MOD=1时，除了像普通模式一样输出8位数据和8个移位脉冲外，在数据的末尾还多输出一额外的移位脉冲，此种模式适用于带有二级锁存的移位寄存器，典型器件如74HC595等，因此又叫做595模式。INV:段驱动数据输出极性控制。当INV=0时，各位显示寄存器的数

44、据直接通过移位寄存器输出作为段驱动数据；而当INV=1时，显示寄存器的内容经过反相后才从移位寄存器输出。KMS:键盘工作模式选择。当KMS=0时，工作模式与原BC7281相同，为带锁存的互锁模式，即有效按键发生后KEY即为低电平，直至MCU读取键值后KEY恢复高电平，这期间不响应任何新的按键。而当KMS=1时，KEY电平随按键情况变化，有效按键时，KEY即为低电平，直至按键释放才恢复高电平，而无论MCU是否读取了键值。BMS:闪烁控制模式选择。BMS=0时，工作模式与原BC7281相同，采用一个闪烁开关控制寄存器(10H)控制各显示位的闪烁属性，第8-15个显示位不能单独控制闪烁属性。当BMS

45、=1时，工作于扩展模式，由lOH控制0-7位的闪烁属性，由扩展控制寄存器19H控制8-15位的闪烁属性。ES:节能模式。当该位置1时，有一效驱动电流减小为正常状态的一半(显示亮度降低)。KO:显示关闭模式。当该位置1时，显示扫描被关闭，但是键盘部分仍保持工作。(显示寄存器内容不被清除，并可被更新)RP:寄存器保护模式。当RP=1时，BC7281B内部的寄存器(包括显示寄存器和控制寄存器，但不包括译码寄存器14H-18H)不能够直接改写，必须先向其镜像寄存器写入反相(逐位取反)的数据后，才可向该寄存器写入数据，只有当写入寄存器的数据与镜像寄存器中的反相数据相符时，该数据才可被接受，否则会被忽略。这种模式可以防止因通讯过程中受到干扰而造成寄存器被写入错误数据。镜像寄存器的地址表6所示:表9 镜像寄存器的地址寄存器镜像寄存器显示寄存器 00H-FFH1FH闪烁开关控制寄存器 10H1BH闪烁速度控制寄存器 11H1CH工作模式控制寄存器 12H1DH扩展闪烁控制寄存器 19H1EH需要说明的是，RP位不影响译码寄存器的写入方式，RP=1时，译码显示仍然只需直接将数据写入译码寄存器即可。因此寄存器保护模式在多数情况下