药品冷藏箱自动控制系统设计说明书v10Word文档下载推荐.docx

1、报警提示功能；抗干扰措施和实时记录温度的措施；电源。根据以上分析，此单片机温度控制系统可以分解为以下八个模块：温度采样信号输人模块；温度显示和键盘设置模块；温度过限报警模块；温度打印模块；复位电路模块；看门狗抗干扰保护模块以及制冷控制模块；电源提供模块。基于AT89C51单片机的医用特种药品冷藏箱温度控制系统原理框图如图所示。图2-1 药品冷藏箱自动控制系统工作原理：药品冷藏箱的主要问题就是恒定的保持所需低温和温度测量，以及温度反馈后的调整控制。任何控制系统都很难做到真正的恒温保持，温度总是围绕预设值不停的震荡。我们要做的就是努力减小震荡幅度，在测量精确，控制简单的基础上再降低功耗，提高制冷。

2、最基本的方法是多次采样箱内温度，将采样温度与用户设置的温度进行比较，得到偏差；偏差超过限定范围上限或采样温度高于预设上限值就加强或打开制冷，反之就减弱或关闭制冷。由于制冷器件的物理惯性，箱内温度每次等于预设温度后，都会发生较大的过冲。从控制领域考虑，这是因为反馈信息只有被控量的当前值，不能反映被控量的变化趋势。我们采用了PID控制方法，用被控量的当前值和一阶导数作反馈信息，利用单片机软件实现调整控制。若温度超过限定范围，报警电路会报警，系统会自行启动制冷，看门狗负责保护整个系统，超过限定工作周期或监测到低电压，将使系统自动复位，直到恢复到正常工作状态。医用药品冷藏箱要求的温度稳定性较高，一般生

3、物贮存温度控制在46。冷冻室，温度可以在-15-3范围内对多个点进行精度为0.5的温度测量，冷藏室温度可以在46范围内对多个点进行精度为0.1的温度测量。3系统的硬件设计3.1 主控器的选择为了充分考虑性价比，选用价格低、稳定的元器件，我们选择了AT89C51作为我们的主控器。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦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，可兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储

4、单元，功能强大，AT89C51单片机可应用于许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域1-3。图3-1 AT89C51引脚图主要性能参数：（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容；（2）4k字节可重擦写Flash闪速存储器；（3）1000次擦写周期；（4）全静态操作：0Hz24MHz；（5）三级加密程序存储器；（6）1288字节内部RAM；（7）32个可编程I/O口线；（8）2个16位定时/计数器；（9）6个中断源；（10）可编程串行UART通道；（11）低功耗空闲和掉电模式。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位

5、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，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51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/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存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内部结构如图3-2所示。图3-2 AT89C51内部结构图引脚功能说明：VCC：电源电压；GND：地；P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可

6、作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。Pl口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I）。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2

7、的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXR指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级

8、可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I）。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/ROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Fl

9、ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），E

10、A端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。时钟振荡器：AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C

11、1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF、10pF，而如使用陶瓷，由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。AT89C51有两

12、种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源控制寄存器）中的PD（PCON.l）和IDL（PCON.0）位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲等待方式，当IDL=1，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种

13、：其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL（PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。需要注意的是：当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口。为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令

14、后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。Flash闪速存储器的编程：AT89C51单片机内部有4k字节的Flash EPROM，这个Flash存储阵列出厂时己处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（

15、VCC）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM编程器兼容。AT89C51单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息。AT89C51的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。AT89C51编程方法如下：（1）在地址线上加上要编程单元的地址信号；（2）在数据线上加上要写入的数据字节；（3）激活相应的控制信号；（4）在高电压编程方式时，将EA/VPP端加上+12V编程

16、电压；（5）每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。改变编程单元的地址和写入的数据，重复l5步骤，直到全部文件编程结束。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为15ms。3.2 看门狗电路的设计工控系统在运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。看门狗（Watchdog）电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一，是自行监测系统运行的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路4-5。看门狗复位电路采用的是X25045，X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器

17、、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。X25045引脚如图3-3所示。1 82 73 64 5 CS VCC S0 RESET WP SCK VSS SI图3-3 X2504引脚图其引脚功能如下：CS：片选择输入；SO：串行输出，数据由此引脚逐位输出；SI：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X25045；SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；WP：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止；VSS：RESET：复位输出。X25045在读写操作之前，需

18、要先向它发出指令，指令名及指令格式如表3-1所示。表3-1 X25045指令及其含义指令名指令格式操作WREN00000110复位写使能锁存器（允许写操作）WRDI00000100复位写使能锁存器（禁止写操作）RDSR00000101读状态存储器WRSR00000001写状态存储器READ0000A8011把开始于所选地址的存储器中的数据读出WRITE0000A8010把数据写入开始于所选地址的存储器看门狗有三种功能：看门狗定时器、电压监控和EEPROM功能。在系统出现故障或上电/掉电期间，X25045能给CPU提供一个复位信号，以确保系统的正确操作。看门狗定时器为微控制器提供一个独立的保护。

19、当系统出现故障时，由于失去正确操作，CPU1.6秒内没有触发SDA，看门狗定时器将溢出，X25045产生一个复位信号给CPU。而I2C串行CMOSE2PROM可以存储单片机系统的重要参数。本系统用它来保存用户设定的冷藏室温度值、冷冻室温度值和速冻状态、速冻时间等参数，以保证数据正常使用和不会因为掉电而丢失。图3-5示出了X25045与AT89C51单片机的硬件连接电路。X25045芯片的 RESET端接单片机的复位引脚，SO、SCK和SI端接P1.2、P1.1和P1.0三根引脚。图3-4 X25045与单片机的连接图3.3 晶振电路的设计晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分为有源晶振和无源

20、晶振两大类，无源晶振需要芯片内部有振荡器，并且晶振的信号电压根据起振电路而定，允许不同的电压，但无源晶振通常信号质量和精度较差，需要精确匹配外围电路（电感、电容、电阻等），如需要更换晶振时间要同时更换外围电路6-8。因价格因素，而且达到了相应的精度，我们采用的是无源晶振，单片机的复位电路就是在RST端的输入端出现，本设计采用上电复位的复位电路。图3-5 晶振电路只要在RST复位输入引脚上接一电容至VCC端，下接一个电阻到地即可。上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电

21、时间。为了保证系统能够可靠的复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，VCC的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHZ，起振时间为1ms；晶振频率为1MHZ，起振时间为10ms。图中所示的复位电路，当VCC掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压降不会对器件产生损害。另外，在复位期间，断口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全1状态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则在程序计数器PC中就得不到一个合适的初值，因此CPU有可能会从一个未被定义的位置开始程序。晶振电路选用了1个6MHz的晶振和

22、2个小电容，总体设计如图3-5所示。3.4 数据采集电路的设计药品冷藏箱数据采集电路主要是完成温度的采样，作为电路输入通道的主要部分，在整个系统中是至关重要的。温度控制系统的目的是控制药品冷藏箱内温度恒定为设置温度，其前提是要知道药品冷藏箱内实际温度。鉴于冷藏室蒸发器温度，冷冻室蒸发器温度，环境温度直接影响箱内温度，设计冷藏室，冷冻室，环境再加霜厚采样，四路传感器多次采样箱内温度。传感器均设置在蒸发器周围，本设计温度控制系统的温度范围-15-6，所需测量分辨率为0.5，所以选型可一致。3.4.1 传感器的选择为了达到设计要求，我们选定DS18B20单线数字温度传感器，其测温范围为-55-+12

23、5，测量分辨率为0.06，可以满足医用药品冷藏箱的温控器要求具有高控制精度，是目前最新的测温器件，微型，抗干扰，它集温度测量，A/D转换于一体，具有单总线结构，数字量输出，直接与微机接口等优点。可以解决A/D转换速度慢，电路复杂等缺点。而且它可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片都有唯一的产品号并可存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18B20芯片9-12。（1）DS18B20简介DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路

24、内。 图3-6 DS18B20实物图 图3-7 DS18B20管脚排列（2）DS18B20的外形和内部结构DS18B20的外形及管脚排列见图3-6DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM；温度传感器；非挥发的温度报警触发器TH和TL；配置寄存器。（3）DS18B20引脚定义：1）DQ为数字信号输入/输出端；2）GND为电源地；3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地，见图3-7）。（4）DS18B20的工作原理温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），传感器可置于离装置150米以内的任何地方，输出脚I/O直接与

25、单片机的P0.1相连，R为上拉电阻，传感器采用外部电源供电。AT89C51是整个装置的控制核心，AT89C51内带1k字节的FLASHROM，用户程序可以存放在这里。而且既可用它组成单路温度测量装置，也可用它组成多路温度测量装置，切此单路温度测量装置已研制成产品，产品经测试在-10-70间测得误差为0.25，80T105时误差为0.5，当T105误差为增大到1左右。用单总线温度传感器和单片机构成的测温装置具有使用和推广价值。而且DS18B20单线数字温度计是以串行传输方式提供温度读数（扩展补码方式）的温度测量器件。其测量范围从+10到-125，增量为0.5常规方法）。DS18B20单线数字温度

26、计外封装为三引脚三极管状器件。CPU只需一个接口引脚既可与该器件通信，不需外部元件。并且可采用数据线供电（寄生电源）方式。由于每一个DS18B20有唯一的序列号，因此多个DS18B20可以挂接在同一条单线总线上。使嵌入式温度检测应用系统得以简化，这对于医用特种药品冷藏箱安装布线应用领域尤为合适。表3-2 DS18B20温度数字对应关系表温度输出的二进制码对应的十六进制码+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+0.500000000000000010001H00000000000000000000H0.5111111*1FFFFH251

27、111111111001110FFCEH55111111*0FF92H（5）DS18B20的特点与其它温度传感器相比，DS1820具有以下特性：1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；2）测温范围55+125，固有测温分辨率0.5；3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定；4）工作电源：35V/DC；5）在使用中不需要任何外围元件；6）测量结果以912位数字量方式串行传送；7）不锈钢保护管直径6；8）耐磨耐

28、碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于DN1525，DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温；9）接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。标准安装螺纹M10X1，M12X1.5，G1/2任选；10）PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它电器设备连接。（6）DS18B20使用中注意事项DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此 ，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对 DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。2）在DS18B