基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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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：單片機(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)施簡單，控制因素單一。當(dāng)然我國的溫度控制技術(shù)正在由簡單到實(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：單片機(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：單片機(jī)電源 GND：單片機(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] 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