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天 津 大 學(xué) 網(wǎng) 絡(luò) 教 育 學(xué) 院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目：基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 完成期限：2016年1月8日 至 2016年5月10日 學(xué)習(xí)中心：選擇一項(xiàng)。 專業(yè)名稱：選擇一項(xiàng)。 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 摘 要 無論是在現(xiàn)代化的城市生活中，還是在落后的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活中，溫度都扮演著極其重要的角色，我們幾乎所有的日常生活都與溫度息息相關(guān)。自18世紀(jì)工業(yè)革命發(fā)展以來，工業(yè)的發(fā)展與人類掌握對(duì)溫度的控制有著密切的聯(lián)系，都離不開對(duì)溫度的掌握。 隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)的一系列優(yōu)點(diǎn)越發(fā)惹人注目，其工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被很多企業(yè)接受。本設(shè)計(jì)基于AT89C51單片機(jī)和溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)，不僅控制簡(jiǎn)便而且高效率控制，大大提高溫度控制系統(tǒng)的靈活性，擴(kuò)大基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的適用范圍。 本設(shè)計(jì)在具體介紹溫度控制系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)方案之后，詳細(xì)介紹了溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和相關(guān)接口的電路設(shè)計(jì)，討論基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用，最后總結(jié)本設(shè)計(jì)的合理性和有效性。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)； 溫度傳感器； 溫度控制 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 溫度控制系統(tǒng)概況 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3 課題的主要工作 2 第二章 總體設(shè)計(jì) 3 2.1總體設(shè)計(jì)方案 3 2.2功能描述 3 2.3溫度控制系統(tǒng)硬件電路框圖 4 第三章 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5 3.1硬件設(shè)計(jì)方案 5 3.2單片機(jī)系統(tǒng)介紹 5 3.3 溫度信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì) 9 3.3.1溫度傳感器的選擇 9 3.3.2 信號(hào)放大電路 10 3.3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 10 3.4鍵盤控制電路的設(shè)計(jì) 11 3.5液晶顯示電路的設(shè)計(jì) 12 3.6蜂鳴器警報(bào)電路的設(shè)計(jì) 13 3.7加熱模塊電路的設(shè)計(jì) 14 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 16 4.1軟件設(shè)計(jì)方案 16 4.2溫度控制部分程序的設(shè)計(jì) 17 4.3鍵盤部分程序的設(shè)計(jì) 18 4.4數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì) 18 4.5液晶顯示部分溫度程序的設(shè)計(jì) 19 第五章 總結(jié)與展望 21 參考文獻(xiàn) 22 附 錄 23 致 謝 29 天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒論 1.1 溫度控制系統(tǒng)概況 本課題主要是基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，研究中的控制對(duì)象為溫度。溫度在我們的日常生活中很常見，也是很熟悉的東西，很多場(chǎng)所都需要控制溫度來提供生產(chǎn)，比如火力發(fā)電廠、浴室、植物的培植室等場(chǎng)所的溫度控制。縱觀電氣時(shí)代以來的人類發(fā)展史，很多溫度控制都只是人工操作的，且不夠重視，也因此發(fā)生了很多意外。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能化實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。本課題以芯片為核心，對(duì)溫度傳感器感測(cè)到的溫度進(jìn)行分析、數(shù)值顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從而有效實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)溫度的智能控制。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 相對(duì)而言，國外比我國對(duì)溫度控制系統(tǒng)的研究要早的多。國外從20世紀(jì)70年代開始，通過模擬組合的方式，采集信號(hào)并發(fā)出指令和存貯。80年代開始進(jìn)行分布式控制方式的研究[1]?，F(xiàn)代世界各國的溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的非常迅速，很多國家開始實(shí)現(xiàn)由半自動(dòng)化向完全自動(dòng)化的方向發(fā)展。 我國對(duì)于溫度控制系統(tǒng)的研究起步較晚，很大部分都只是借鑒一些發(fā)達(dá)國家的成熟技術(shù)，真正自己研究的東西并不多。整體的溫度控制技術(shù)設(shè)施簡(jiǎn)單，控制因素單一。當(dāng)然我國的溫度控制技術(shù)正在由簡(jiǎn)單到實(shí)用化、綜合性應(yīng)用方向發(fā)展，雖然我國溫度控制和溫度測(cè)量技術(shù)遠(yuǎn)沒有達(dá)到工廠化的程度，與歐美一些發(fā)達(dá)國家相比還存在很大差距，但是近幾年國家開始重視自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)的研究，很多科研人員開始著手自動(dòng)化控制設(shè)備的研究，制定很多成功的案例。但是理論研究始終停留在理論研究的層次，無法適用于工廠生產(chǎn)，很多研究方案，要么太過理論化、理想化，要么太過復(fù)雜，費(fèi)用太過昂貴。 同樣，近年來溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟,但在實(shí)際測(cè)量和控制中,如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣,確保數(shù)據(jù)的正確傳輸,并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制,仍然是目前需要解決的問題[2]。因此，設(shè)計(jì)一款比較實(shí)用的溫度控制系統(tǒng)十分有必要，關(guān)于基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究課題也十分有意義。 1.3 課題的主要工作 本研究主要是對(duì)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和有效控制。首先設(shè)定密閉空間溫度，通過溫度傳感器感測(cè)密閉空間溫度，由信號(hào)放大電路將溫度信號(hào)放大，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換信號(hào)傳遞給芯片，假如感測(cè)器感測(cè)到密閉空間溫度高于設(shè)定溫度，系統(tǒng)立即停止加熱，使溫度達(dá)到密閉空間設(shè)定值溫度；假如感測(cè)器感測(cè)到密閉空間溫度低于設(shè)定溫度，系統(tǒng)立即啟動(dòng)加熱器，對(duì)密閉空間升溫，使密閉空間溫度升高。任意一模塊不工作或工作出錯(cuò)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而達(dá)到智能化目的。液晶顯示器可以實(shí)時(shí)顯示密閉空間溫度。 課題研究主要包括如下一些方面： （1） 單片機(jī)的選擇； （2） 溫度傳感器的選擇及溫度傳感器信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)； （3） 液晶顯示器電路的設(shè)計(jì)； （4） 蜂鳴器報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)； （5） 加熱模塊控制電路的設(shè)計(jì)； （6） 鍵盤電路的設(shè)計(jì)。 第二章 總體設(shè)計(jì) 課題研究主要包括六個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)、溫度傳感器及信號(hào)處理電路、液晶顯示器電路、蜂鳴器報(bào)警模塊、加熱模塊控制電路和鍵盤電路。其中，如何有效實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的控制，關(guān)鍵在于溫度傳感器的選擇和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，鍵盤電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度上限值和下限值的輸入。 2.1總體設(shè)計(jì)方案 本研究主要包括兩個(gè)方面的研究：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。想要實(shí)現(xiàn)完整的功能，必須選擇合適的元器件，對(duì)于整體設(shè)計(jì)的硬件部分主要包括驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，軟件部分主要包括程序的編寫。本系統(tǒng)采用熱電偶溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖2-1所示： 圖2-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 2.2功能描述 （1）通過溫度傳感器感測(cè)密閉空間溫度，將感測(cè)到的溫度信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路，傳遞給單片機(jī)接口，控制系統(tǒng)單片機(jī)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行解析； （2） 當(dāng)人在鍵盤上輸入溫度設(shè)定值后，芯片接收輸入信號(hào)，單片機(jī)開始控制加熱模塊，判斷是否對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加熱，假如沒有設(shè)定值，系統(tǒng)不給密閉空間加熱，密閉空間溫度不變化； （3） 本系統(tǒng)帶有報(bào)警裝置，假如溫度控系統(tǒng)的任意一模塊不工作，即密閉空間在控制的情況下，偏離設(shè)定值過大，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)生報(bào)警； （4） 液晶顯示器會(huì)顯示密閉空間不同的溫度值，因?yàn)殒I盤上的溫度設(shè)置值不同，整個(gè)系統(tǒng)控制的密閉空間溫度也不同。 2.3溫度控制系統(tǒng)硬件電路框圖 本研究能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)對(duì)密閉空間內(nèi)溫度的有效控制的功能，通過單片機(jī)對(duì)溫度的智能控制，從而實(shí)現(xiàn)溫度智能化控制的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示 液晶顯示電路 AT89C51 控制器 信號(hào)處理電路 溫度信號(hào)采集 蜂鳴器警報(bào)模塊 鍵盤電路 加熱模塊控制 圖2-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 第三章 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1硬件設(shè)計(jì)方案 根據(jù)設(shè)計(jì)需求構(gòu)建原理圖，選擇合適的控制芯片，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器的選擇及溫度傳感器信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)；液晶顯示器電路的設(shè)計(jì)；蜂鳴器報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)；加熱模塊控制電路的設(shè)計(jì)；鍵盤電路的設(shè)計(jì)。其中主要包括電路的設(shè)計(jì)，電子器件的選擇。目前在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中，溫度傳感器的選擇及溫度傳感器信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)、液晶顯示器電路的設(shè)計(jì)和加熱模塊控制電路的設(shè)計(jì)參考線路圖樣本較多，選擇難度不大，而蜂鳴器報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)難度較大，如何選擇誤差，讓大眾更容易接受，比較有技術(shù)含量。 3.2單片機(jī)系統(tǒng)介紹 在整個(gè)系統(tǒng)的控制中，采用單片機(jī)處理芯片對(duì)課題的設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行控制，主要有一下一些特性[3]： （1）芯片面向的控制對(duì)象為8位CPU； （2）芯片內(nèi)有4KB ROM 的程序存儲(chǔ)器； （3）芯片內(nèi)有128B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； （4）可尋址64KB的片外程序存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器控制電路； （5）在芯片中有2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器； （6）芯片中共有32條可以單獨(dú)編程的接口，4個(gè)并行I/O接口； （7）芯片中有2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，5個(gè)中斷源； （8）在芯片中還可有掉電保護(hù)模式和低功耗的閑置； 單片機(jī)除了以上一些特征外，而且物美價(jià)廉，外圍電路相對(duì)而言較為簡(jiǎn)單。在實(shí)際應(yīng)用中，此款單片機(jī)的工作頻率比較低，但是對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，此工作頻率足以滿足整個(gè)系統(tǒng)的控制。單片機(jī)有32個(gè)I/O端口，這樣便于整體設(shè)計(jì)，如圖3-1所示為單片機(jī)控制系統(tǒng)。 圖3-1 單片機(jī)控制系統(tǒng) 在如圖3-1所示的單片機(jī)控制系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)擁有兩個(gè)外部中斷、兩個(gè)16位的定時(shí)器和兩個(gè)可編程串行UART的單片機(jī)。因此AT89C51單片機(jī)作為中心控制模塊完全滿足設(shè)計(jì)需求，從而滿足整個(gè)控制系統(tǒng)。AT89C51單片機(jī)的引腳如圖3-2所示 圖3-2 AT89C51引腳圖 AT89C51單片機(jī)引腳說明： VCC：?jiǎn)纹瑱C(jī)電源 GND：?jiǎn)纹瑱C(jī)接地引腳 端口：端口為8位漏級(jí)開路雙向I/O端口。此端口為輸出端口，其中端口的每一位都能帶動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。當(dāng)端口輸出信號(hào)為“1”時(shí)，表示高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，端口為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。此種情況，端口表示內(nèi)部上拉電阻。當(dāng)操作時(shí)假如用flash編程，則端口也可以用來工作：在程序驗(yàn)證的過程中，需要上拉電阻，輸出指令字節(jié)。 端口：端口有內(nèi)置上拉電阻，8位雙向I/O端口，端口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。當(dāng)端口輸出信號(hào)為“1”時(shí)，將輸出電流。并且與其它單片機(jī)不同之處是，和可以作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（/）和輸出（/），具體情況如表3-1所示。 表 3-1 和的其它功能 引腳號(hào) 功能特性 （定時(shí)/計(jì)數(shù)器2外部計(jì)數(shù)脈沖輸入），時(shí)鐘輸出 定時(shí)/計(jì)數(shù)2捕獲/重裝載觸發(fā)和方向控制 當(dāng)Flash編程和校驗(yàn)的過程中，端口會(huì)接收低8位地址字節(jié)。端口：端口有內(nèi)置上拉電阻8位雙向I/O端口，端口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。當(dāng)端口輸出信號(hào)為“1”時(shí)，由于端口被內(nèi)部上拉電阻拉高，此端口便有了輸入端口的功能，當(dāng)此端口為輸入端口時(shí)，較低的引腳將輸出電流為ILL 。 AT89C51單片機(jī)片內(nèi)存儲(chǔ)器售后通常處于擦除狀態(tài),即每個(gè)地址單元內(nèi)容均為FFH,因此人們可隨時(shí)對(duì)其編程[4-5]。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器或者通過16位的地址訪問外部大量的存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，端口會(huì)輸出8位的地址。在此種情況下，端口會(huì)發(fā)送1，在使用8位的地址訪問外部大量的存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，端口會(huì)輸出端口鎖存器的部分內(nèi)容。在Flash校驗(yàn)的過程中，端口會(huì)接收8位地址和一些其它的控制信號(hào)。 端口：端口有內(nèi)置上拉電阻8位雙向I/O端口，端口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。當(dāng)端口輸出信號(hào)為“1”時(shí)，由于端口被內(nèi)部上拉電阻拉高，此端口便有了輸入端口的功能。當(dāng)此端口為輸入端口時(shí)，較低的引腳將輸出電流為ILL。端口除了作為I/O接口外，還有其它功能功能，如表3-2所示。 表 3-2 端口的其它功能 引腳號(hào) 第二功能 （串行輸入） （串行輸出） （外部中斷0） （外部中斷1） （定時(shí)器0外部輸入） （定時(shí)器1外部輸入） （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 當(dāng)Flash編程和校驗(yàn)的過程中，P3端口會(huì)接收一些控制信號(hào)。 ：表示復(fù)位。當(dāng)晶振工作，管腳會(huì)以2個(gè)機(jī)器周期高電平使單片機(jī)復(fù)位。 ：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，ALE地址鎖存器控制信號(hào)會(huì)鎖存低8位地址輸出脈沖。當(dāng)Flash編程的過程中，引腳（）也會(huì)使用此作為Flash編程的輸入脈沖。 在正常使用的過程中，輸出脈沖僅為晶振的1/6，此時(shí)可用著外部定時(shí)器或者時(shí)鐘，然而，需要注意的是，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，脈沖會(huì)有部分跳動(dòng)。 如果將的0位置設(shè)置為“1”，此時(shí)失效。此時(shí)的“1”，僅在執(zhí)行指令或者時(shí)，才能正常工作。否則，會(huì)被拉高，在外部執(zhí)行模式下會(huì)失效。 ：外部程序儲(chǔ)存器選通信號(hào)（）是外部程序存儲(chǔ)設(shè)備的選通信號(hào)。當(dāng)AT89C51單片機(jī)執(zhí)行外部存儲(chǔ)設(shè)備的代碼時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期會(huì)被激活兩次，而訪問外部存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，將不能激活。 ：訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。當(dāng)接口從0000H—FFFFH的外部程序存儲(chǔ)設(shè)備中讀取相應(yīng)的指令時(shí)，端口需要保持低電平而接地。而執(zhí)行內(nèi)部的程序指令時(shí)，端口需要接。 當(dāng)flash編程和校驗(yàn)的過程中，可以接12V（VPP）電壓。 ：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 ：振蕩器反相放大器的輸出端。 3.3 溫度信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì) 3.3.1溫度傳感器的選擇 溫度傳感器的選擇在溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有重要地位，如今在市場(chǎng)上所見的溫度傳感器，價(jià)格低廉的溫度傳感器靈敏度不高，且很容易出現(xiàn)問題，靈敏度高的溫度傳感器，卻價(jià)格昂貴，并不實(shí)用。因此，本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)之初考慮到了這些因素的影響，根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合選擇使用不同的溫度傳感器，且整體設(shè)計(jì)并不因?yàn)閭鞲衅鞯倪x擇而發(fā)生變化。 作為樣本，本設(shè)計(jì)選擇智能溫度傳感器[6]，樣本溫度傳感器的分辨率可達(dá)到12位，識(shí)別0.0625℃的溫度。傳感器具有獨(dú)立輸出信號(hào)和處理信號(hào)的功能，而且只需要一位與芯片的接口，抗干擾能力強(qiáng)，溫度測(cè)量范圍為，在本設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單實(shí)用。 采用1-總線的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏囟葌鞲衅?，采取總線的方式不僅可以大大降低硬件成本,同時(shí)也有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展設(shè)計(jì),所以串行總線廣泛應(yīng)用于單片機(jī)測(cè)控中[7]。此采取的數(shù)字化單總線技術(shù)[8]，這樣感測(cè)的溫度信息可以從接口單線傳出，指令信號(hào)也可以單線傳入中，因此溫度傳感器與單片機(jī)的接口不像別的傳感器那么復(fù)雜，只需要一條線，連接溫度感測(cè)部分。溫度傳感器的供電方式，可以采用總線的供電方式，也可以采用外部電源供電的方式[9]。 在傳感器上有唯一的系列號(hào)，因而一條總線上可以放置多個(gè)溫度傳感器，這樣就可以增多本設(shè)計(jì)的適用場(chǎng)合，比如火力發(fā)電廠、浴室、植物的培植室等眾多場(chǎng)所。關(guān)于溫度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示，溫度傳感器的引腳說明在表3-3所示。 圖3-3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 表3-3 的引腳說明 引腳 符號(hào) 說明 1 接地 2 單線數(shù)據(jù)的輸入/輸出 3 可供選擇的VDD兩種供電方式 單片機(jī)與溫度傳感器結(jié)合的設(shè)計(jì)可以從通信線上得到電源[10]，此工作原理為：當(dāng)信號(hào)線為高電平時(shí)，接上電源，給電容器充電，當(dāng)信號(hào)線為低電平時(shí)，斷開電源，此時(shí)電容器供電，直到信號(hào)線再為高電平時(shí)，傳感器接上電源，從電容器充電，反復(fù)運(yùn)行。另一種工作方法為溫度傳感器外接5V電源直接供電。此溫度傳感器與芯片的接線如圖3-4所示。 圖3-4 圖3.2 與接線方式 3.3.2 信號(hào)放大電路 在基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，信號(hào)放大的電路部分屬于V-V放大，主要是對(duì)溫度傳感器感測(cè)空間溫度信號(hào)的放大。前面溫度傳感器傳輸過來的信號(hào)經(jīng)過差動(dòng)放大器放大后，才能經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中處理，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)溫度的控制。 放大器的極數(shù)與單極放大器的帶寬增益相關(guān)，在這里我們選用差分式斬波穩(wěn)零高精度的運(yùn)算放大器。其中，一級(jí)放大器可以接成雙端差分的輸入，單端的輸出形式。將放大器連接成T型反饋網(wǎng)絡(luò)的形式，那么此放大器的放大倍數(shù)： 在實(shí)際應(yīng)用中，各類元器件可以按照實(shí)際情況選定，通過電阻微調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求。 3.3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)化電路的功能主要是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，它是將溫度傳感器測(cè)量的溫度信號(hào)傳遞給單片機(jī)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。如圖3-5所示為芯片的引腳圖。 圖3-5 引腳圖 圖3-6 8255引腳圖 A/D轉(zhuǎn)換芯片主要由兩個(gè)部分組成，一個(gè)為模擬芯片，另一個(gè)為數(shù)字芯片。模擬芯片由高性能的轉(zhuǎn)換器和參考電壓構(gòu)成，數(shù)字芯片由邏輯控制電路和三態(tài)緩沖器構(gòu)成。 芯片有以下功能特性： 芯片的分辨率：12位； 芯片的非線性誤差：<或； 芯片的轉(zhuǎn)換速率：25μs; 模擬電壓輸入范圍：0-10V,0-20V; 電源電壓：15V和5V; 芯片的數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位 芯片工作模式：全速或者單一的工作模式。 3.4鍵盤控制電路的設(shè)計(jì) 本研究所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，因適用場(chǎng)合不同，根據(jù)具體情況會(huì)在設(shè)置不同的溫度值，此時(shí)就需要前面所提到的鍵盤控制電路。在鍵盤控制電路的設(shè)計(jì)中，選用芯片可編程并行接口，具體引腳如圖3-6所示。 單片機(jī)有4個(gè)8位的并行接口，這些接口在設(shè)計(jì)中并不是完全提供給用戶的，在外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，只有和接口的部分口線供用戶使用。因此在單片機(jī)設(shè)計(jì)的過程中也進(jìn)行了接口局部拓展。 芯片的接口沒那么復(fù)雜，在如圖3-7所示的芯片的片選信號(hào)以及A0、A1地址選擇線主要由單片機(jī)的和、接口經(jīng)過地址鎖存器來提供。 圖3-7 鍵盤接口電路圖 芯片的A、B、C端口以及相應(yīng)的控制端口地址分別為、、和。芯片的D0～D7端口與單片機(jī)中的端口到端口連接。 鍵盤控制電路主要功能有：鍵1表示上升溫度。鍵2表示下降溫度。鍵3表示下限溫度值。鍵4表示確定上限溫度值。鍵5表示查詢上下限的溫度。根據(jù)具體的使用情況可以調(diào)節(jié)鍵1和鍵2來調(diào)節(jié)溫度，當(dāng)溫度調(diào)到理想溫度時(shí)，按下鍵3來確定下限值，此時(shí)調(diào)節(jié)的下限值將會(huì)保存到一個(gè)專用的寄存器中，在完成設(shè)定下限溫度值后，再來調(diào)節(jié)鍵1和鍵2來調(diào)節(jié)溫度，當(dāng)溫度調(diào)到理想溫度時(shí)，按下鍵4來確定上限值，此時(shí)調(diào)節(jié)的上限值將會(huì)保存到一個(gè)專用的寄存器中，然后系統(tǒng)才能正常工作。 3.5液晶顯示電路的設(shè)計(jì) 關(guān)于液晶顯示器的功能前文已有相關(guān)介紹，液晶顯示電路主要用來顯示密閉空間的不同溫度值。在如圖3-8所示的電路圖中，液晶顯示模塊用LED顯示塊來表示，它是由常規(guī)的發(fā)光二極管來顯示溫度。在圖中的顯示塊中，此類顯示塊有兩種：共陽極和共陰極。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管公共部分接地。 圖3-8 顯示電路原理圖 本研究選用的是共陰極的LED顯示塊，在圖3-8所示的顯示電路中，當(dāng)二極管的陽極為高電平時(shí)，LED顯示塊的發(fā)光二極管點(diǎn)亮；LED顯示塊的發(fā)光二極管的引出端口（a～dp）與單片機(jī)的I/O口的8位線（～）相連接，此接口共陰極低電平有效，通過選擇8位線并行的輸出端口來輸出不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的LED顯示塊的發(fā)光二極管，從而獲得達(dá)到顯示數(shù)字的效果。 3.6蜂鳴器警報(bào)電路的設(shè)計(jì) 本研究設(shè)計(jì)的蜂鳴器警報(bào)電路，主要功能是假如溫度控系統(tǒng)的任意一模塊不工作，即密閉空間在控制的情況下，偏離設(shè)定值過大，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)生報(bào)警，該部分為單片機(jī)人機(jī)交互比較重要的部分，蜂鳴器警報(bào)電路如圖3-9所示。 圖3-9 蜂鳴器警報(bào)電路 在圖3-9所示的電路中，采用繼電器型，240AC的通斷電流。直流線圈的電阻為95Ω，三極管采用，直流線圈的輸出電流為150mA，放大系數(shù)β選擇范圍為60至1000之間，如果β取200，那么在5V下Ic的電流為50mA左右，基極電流為0.25mA左右。因?yàn)閱纹瑱C(jī)接口只有在高點(diǎn)位輸出信號(hào)時(shí)，才能達(dá)到這樣大的電流，而且接口屬于三態(tài)的輸出輸入接口，因此，需要接一個(gè)上拉電阻，上拉電阻的阻值由以下公式計(jì)算： 這里通過取10電阻來讓Q1在高電平時(shí)飽和導(dǎo)通，這樣，基極電流便為。二極管D1在設(shè)計(jì)電路中有保護(hù)的功能，當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)續(xù)流之后，能夠避免電感線圈斷路的時(shí)候電壓過高而損壞三極管。 溫度傳感器具有存儲(chǔ)的功能，即溫度傳感器自帶存儲(chǔ)器，這樣溫度傳感器便能將設(shè)計(jì)之初，設(shè)定的溫度差值存儲(chǔ)在溫度傳感器的中，存儲(chǔ)保存，每次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)從中讀取設(shè)定的差值。在圖3-9所示的繼電器中，K1連接降溫的裝置，K2連接加熱的裝置，當(dāng)實(shí)際的溫度的溫差值大于設(shè)定的溫差值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出提示音，表示超過設(shè)定值，加熱器立即停止加熱；當(dāng)實(shí)際溫差處于設(shè)計(jì)值之間的時(shí)候，繼電器不工作。 3.7加熱模塊電路的設(shè)計(jì) 在基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要在于對(duì)溫度的控制，一般情況下，密閉空間的溫度與室外溫度相差不多，那么為了滿足生產(chǎn)生活的各類需求，需要在密閉空間中安置加熱塊，這樣便能很方便的加熱空間溫度。又為了使空間溫度均勻，常常將加熱塊均勻分布，這樣溫度傳感器感測(cè)的溫度更加準(zhǔn)確。在現(xiàn)有的參考線路中，加熱模塊的電路很常見，對(duì)于本設(shè)計(jì)并非難點(diǎn)，主要在于如何使密閉空間受熱均勻，溫度傳感器準(zhǔn)確感測(cè)溫度。 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 以上主要介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，但是要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制溫度的系統(tǒng)，還需要對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要包括鍵盤部分程序的設(shè)計(jì)和溫差控制部分程序的設(shè)計(jì)。 4.1軟件設(shè)計(jì)方案 在軟件的設(shè)計(jì)方案中，首先要了解實(shí)現(xiàn)的功能。先設(shè)定密閉空間溫度，通過溫度傳感器感測(cè)密閉空間溫度，由信號(hào)放大電路將溫度信號(hào)放大，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換信號(hào)傳遞給芯片，假如感測(cè)器感測(cè)到密閉空間溫度高于設(shè)定溫度，系統(tǒng)立即停止加熱，使溫度達(dá)到密閉空間設(shè)定值溫度；假如感測(cè)器感測(cè)到密閉空間溫度低于設(shè)定溫度，系統(tǒng)立即啟動(dòng)加熱器，對(duì)密閉空間升溫，使密閉空間溫度升高。任意一模塊不工作或工作出錯(cuò)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而達(dá)到智能化目的。液晶顯示器可以實(shí)時(shí)顯示密閉空間溫度。系統(tǒng)流程圖如圖4-1所示。 圖4-1 系統(tǒng)主程序流程圖 啟動(dòng)溫度傳感器感測(cè)感測(cè)溫度，將感測(cè)到的溫度與設(shè)定值進(jìn)行PID運(yùn)算，假如，則加熱，此時(shí)為高電平，在加熱的過程中還要對(duì)密閉空間的溫度進(jìn)行檢查。當(dāng)時(shí)，此時(shí)為低電平，可控硅斷開，關(guān)閉加熱器。整個(gè)程序反復(fù)運(yùn)行，直至結(jié)束。 4.2溫度控制部分程序的設(shè)計(jì) 在此部分主要功能是將和兩個(gè)采集的溫度值互相比較，若≤蜂鳴器報(bào)警，此時(shí)將端口置為低電平，通過光耦合器打開可控硅，這樣可以控制加熱器加熱，液晶顯示器上顯示888；若≥蜂鳴器報(bào)警，此時(shí)將端口置為高電平，通過光耦合器關(guān)閉可控硅，這樣便可停止加熱器加熱，液晶顯示器上顯示888。 如果≤≤，此溫度在正常的范圍內(nèi)，液晶顯示器上顯示溫度。溫度控制部分的流程圖如圖4-2所示。 開始 ≤ 計(jì)數(shù)器換碼和地址送顯存 蜂鳴器響、顯示燈亮 置端口為1，開加熱器 液晶顯示 返回 計(jì)數(shù)器換碼送顯存 Y N 圖4-2 溫度控制部分的流程圖 4.3鍵盤部分程序的設(shè)計(jì) 前面提及鍵盤的硬件設(shè)計(jì)部分，鍵盤主要是用來根據(jù)具體情況設(shè)置不同的溫度值，選用的芯片在之前也有簡(jiǎn)單介紹。鍵盤部分的流程圖如圖4-3所示 圖4-3 鍵盤處理子程序流程圖 開始 有鍵按下？ 延時(shí)20ms 判別鍵號(hào) 執(zhí)行鍵處理子程序 返回 N Y 在選擇鍵盤的時(shí)候，我們選擇五個(gè)單鍵的鍵盤，這樣更容易識(shí)別鍵盤值。五個(gè)鍵分別對(duì)應(yīng)、、、、端口，在程序執(zhí)行的過程中，需要對(duì)、、、、端口逐一進(jìn)行判斷高、低電平。如果端口是低電平表示按鍵按下去，如果端口是高電平，則表示按鍵并未按下。根據(jù)生活的習(xí)慣，鍵盤存在抖動(dòng)問題，為了解決這一問題，采用鍵盤延時(shí)的原理，即有按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)并不立即讀入此鍵值，而是等待一段時(shí)間，然后判斷按鍵的閉合，如果此時(shí)還是按鍵閉合，則進(jìn)行按鍵處理，否則不進(jìn)行處理。 4.4數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì) 在數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì)模塊，系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，也就是通過改變端口輸出的高電平的位及端口相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段，這樣便可輪流點(diǎn)亮液晶顯示器上的數(shù)碼管，數(shù)碼管進(jìn)行內(nèi)部轉(zhuǎn)換將接收的十六位進(jìn)制數(shù)的BCD碼轉(zhuǎn)換成字形碼，在液晶顯示器上顯示相應(yīng)的數(shù)字，因此需要在RAM區(qū)建立一個(gè)顯示緩沖區(qū)。顯示部分流程圖如圖4-4所示。 開始 顯示緩沖區(qū)指針置初值30H送R0 掃描模式置初值FEH送R1 R1送P2口 取顯示數(shù)據(jù)查表轉(zhuǎn)換為段數(shù)據(jù)送P0口 延時(shí)1ms 顯示緩沖器指針R0+1 R1=0？ R1左移一位 返回 Y N 圖4-4 顯示子程序流程圖 4.5液晶顯示部分溫度程序的設(shè)計(jì) 液晶顯示器會(huì)顯示密閉空間不同的溫度值，在液晶顯示部分溫度程序的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集是巡回檢測(cè)三點(diǎn)的溫度參數(shù)并把它們存在外部RAM指定單元,采樣程序如圖4-5所示。 采樣程序 初始化 各通道都采集一次？ 輸出通道號(hào) 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 讀寫數(shù)據(jù) 修改通道及通道號(hào) 重裝定時(shí)器0常數(shù) 啟動(dòng) 返回 N Y 圖4-5 溫度采樣程序流程 第五章 總結(jié)與展望 本研究是基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合，采用不同類型的溫度感測(cè)元件，通過對(duì)溫度傳感器感測(cè)到的溫度進(jìn)行分析、數(shù)值顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從而有效實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)溫度的智能控制。 論文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，具體介紹了單片機(jī)及其相應(yīng)的一些優(yōu)勢(shì)，然后相繼介紹了溫度控制系統(tǒng)的硬件、軟件的設(shè)計(jì)方法，編寫溫度控制系統(tǒng)的程序，通過軟件測(cè)試，本設(shè)計(jì)完全符合最初的設(shè)計(jì)目的。隨著工業(yè)的發(fā)展，設(shè)計(jì)對(duì)象的復(fù)雜程度會(huì)越加復(fù)雜，尤其在設(shè)計(jì)滯后的、時(shí)變的、非線性的復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，其中一些參數(shù)未知或者變化緩慢，或者帶有延時(shí)，或者抗干擾能力差，或者獲取的數(shù)學(xué)模型非常粗糙甚至沒有[2]，再加上現(xiàn)今人們對(duì)控制品質(zhì)的要求日益加深，傳統(tǒng)的PID控制的缺陷也逐漸暴露了出來。因此，設(shè)計(jì)師在應(yīng)用PID控制的同時(shí)，也在不斷修改，完善PID控制。 本設(shè)計(jì)在研究的過程中也有很多的不足： （1）在硬件方面，驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力差，可以考慮采用DSP或者ARM對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)； （2）在軟件方面，程序較為復(fù)雜，可能會(huì)發(fā)生運(yùn)算錯(cuò)誤，可以摒棄傳統(tǒng)的軟件編程模式，采用基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件開發(fā)； （3）在算法方面，因?yàn)槌３?huì)遇到一些參數(shù)的不清晰，可以采用模糊控制的方式。 回顧基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，深刻的體會(huì)到自己在很多方面還有不足，通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，本人深刻的感悟到理論聯(lián)系實(shí)踐的重要性，并在以后的工作和學(xué)習(xí)中，本人將繼續(xù)加強(qiáng)專業(yè)知識(shí)的理解。 參考文獻(xiàn) [1] 黃鳳娟.基于單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng)在溫室大棚中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].合肥:安徽大學(xué),2006. [2] 王海寧.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué) ,2008. [3] 吳祿慎， 李彧雯． 基于單片機(jī)的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2010(4):76 － 80． [4] 胡瑞雯.智能檢測(cè)與控制系統(tǒng)(第1版)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,1991 [5] Trulove,J.LAN wiring.NEW YORK:McGraw-Hill,1997. [6] 張姍姍． 基于單片機(jī)溫度采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息通信，2012(6):69-70． [7] XIAO,X.,and Ni,L.“Internet QoS:A Big PICTURE”IEEE Network,March/ April 1999. [8] 黃宇飛,吳江.單片機(jī)單總線技術(shù)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2001,(l) 數(shù)字化單總線技術(shù) [9] Dallas Corp.,DS18B20 Programmable Resolution One--wire Digital Thermometer[Z].2000 [10] 夏志華.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].煤炭技術(shù),2013(2):191-192. 附 錄 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 #include #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long doublepv,sv,ei,ex,ey,K,Ti,Td,q0,q1,q2,op,x,ux,tv; uint Ts; voidmain(void)// 主程序 { ex=0; ey=0; sv=80;//設(shè)定值 K=1; Ti=10; Td=0; Ts=100; LTC1446(0,0); RCAP2H=0x4C;//100ms計(jì)時(shí) RCAP2L=0x00; TR2=1; ET2=1; EA=1; while(1); } timer2 () interrupt 5 { staticuchar t; TF2=0; t++; if(t==2) { t=0; pv=ADC7366();//AI1通道采集 ei=sv-20*pv; q0=K*(ei-ex); if(Ti==0) q1=0; else q1=K*0.001*Ts*ei/Ti; q2=1000*K*Td*(ei-2*ex+ey)/Ts; ey=ex; ex=ei; op=op+q0+q1+q2; if(op>4.5) {op=4.5;} if(op<0) {op=0;} LTC1446(op*1000,pv*1000);//控制量輸出 } } 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 #ifndef __LTC1446_DA_H__ #define __LTC1446_DA__ sbit DA_DIN=P2^5; sbit DA_CLK=P2^6; sbit DA_CS=P2^4; voidLTC1446(intb,inta)//單位為mv { inti,j; b=2000+b/5; a=2000+a/5; DA_CS=1; DA_CLK=1; DA_CS=0; i=0x800; j=12; for(j=12;j>0;j--)//DA1輸出 { if(a&i) DA_DIN=1; else DA_DIN=0; DA_CLK=0; DA_CLK=1; a=a<<1; } for(j=12;j>0;j--)//DA0輸出 { if(b&i) DA_DIN=1; else DA_DIN=0; DA_CLK=0; DA_CLK=1; b=b<<1; } DA_CS=1; } #endif 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 /********** 十二位ADC轉(zhuǎn)換(AD7366)驅(qū)動(dòng)程序 ************/ #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long sbit cs=P3^6; sbit addr=P1^1; sbit busy=P3^1; sbit sclk=P3^5; sbit outa=P1^4; sbit outb=P3^0; sbit cnvst=P3^4; sbit rang0=P1^2; sbit rang1=P1^3; sbit refsel=P3^7; uint data1=0x0000,data2=0x0000; uint data3=0x0000,data4=0x0000; floatout1,out2; //**************初始化************** voidst0(void) { refsel=1;//內(nèi)部參考電壓 rang0=0;//輸入范圍-10V到+10V rang1=0; addr=0;//通道選擇 cnvst=1; sclk=1; cs=1; } //*************啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換*********** voidst1(void) { cs=1; addr=0; sclk=1; cnvst=0; } //*************啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸出*********** st3(uint *Hdata1,uint *Hdata2) { uchar i; uint j; *Hdata1=0; *Hdata2=0; j=0x0800; cnvst=1; cs=0; for(i=0;i<12;i++) { sclk=1; if(i<12) { if(outa) *Hdata1=*Hdata1|(j>>i); else *Hdata1=*Hdata1; if(outb) *Hdata2=*Hdata2|(j>>i); else *Hdata2=*Hdata2; } sclk=0; } //*Hdata2=0x0802; } //**************等待轉(zhuǎn)換結(jié)束*********** voidst2(void) { while(busy==1) {;} st3(&data1,&data2); } //**************轉(zhuǎn)換結(jié)束**************** voidst4(void) { cs=1; cnvst=1; } //*************ADC7366函數(shù)調(diào)用*********** doubleADC7366(void) { uchar i; uint symbol_1=0x0000,symbol_2=0x0000; st0(); st1(); for(i=0;i<5;i++) {;} st2(); st4(); //********通道1轉(zhuǎn)換成電壓值 symbol_1=data1&0x0800; if(symbol_1!=0) { data3=data1&0x07ff; data3=~(data3-1); data3=data3&0x07ff; out1=-(data3/204.8); } else { data3 = data1&0x07ff; out1=data3/204.8; } //*********通道2轉(zhuǎn)換成電壓值 symbol_2=data2&0x0800; if(symbol_2!=0) { data4=data2&0x07ff; data4=~(data4-1); data4=data4&0x07ff; out2=-(data4/204.8); } else { data4 = data2&0x07ff; out2=data4/204.8; } return(out1); } 致 謝 本文是在我的導(dǎo)師老師的悉心指導(dǎo)下完成的。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響。同時(shí)，對(duì)我的論文工作也提出了許多寶貴的意見，在此表示衷心的感謝！ 另外，也感謝我的家人和朋友，他們的理解與支持使我能夠順利完成了我的學(xué)業(yè)！ 29