基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設計

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畢業(yè)設計說明書(論文) 作 者: 學 號： 教研室: 電氣自動化教研室 專 業(yè): 電氣自動化技術(shù) 題 目: 基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設計 指導者： 評閱者： 2013 年 5 月  畢業(yè)設計（論文）評語 學生姓名： 班級、學號： 題 目： 綜合成績： 指導者評語： 該生能按時完成畢業(yè)設計（論文）任務書規(guī)定的工作，積極查閱有關(guān)文獻資料，設計態(tài)度端正，能獨立思考并解決有關(guān)技術(shù)問題，論文符合學校規(guī)定的格式，寫作的規(guī)范化程度好。設計方案可行，有一定的創(chuàng)新性，如果再多參考一些外文資料，將會更加完善。建議成績評定為 ，可以提交答辯。 指導者(簽字)： 2013年5月15日 畢業(yè)設計（論文）評語 評閱者評語： 評閱者(簽字)： 年 月 日 答辯委員會（小組）評語： 答辯委員會負責人(簽字)： 2013年5月20日 畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要 文 獻 綜 述 摘要 本設計用AT89C51單片機實現(xiàn)房間的恒溫控制。該系統(tǒng)由溫度檢測模塊、溫度顯示模塊、標準溫度設定以及溫度控制模塊組成。溫度檢測模塊是將DS18B20溫度傳感器對溫度進行測量所傳出的數(shù)字信號利用單片機進行讀取和處理；溫度顯示模塊用四位LED數(shù)碼管顯示，溫度顯示的精度為0.1度；溫度設定模塊用三個按鍵進行房間標準溫度值的輸入；溫度控制是根據(jù)房間的實際溫度與設定的標準溫度之間的差值來調(diào)節(jié)可變脈寬（PWM）的寬度，從而控制可控硅的導通或截止的時間實現(xiàn)系統(tǒng)的恒溫控制。本設計的相關(guān)軟件編程由匯編語言實現(xiàn)，與硬件電路相輔相成，很好實現(xiàn)了系統(tǒng)的功能。本溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，經(jīng)濟有效，能夠達到良好的溫度控制效果。本系統(tǒng)操作簡單，實用性強，成本低廉，在實際生產(chǎn)生活中可以廣泛應用。 關(guān)鍵詞 AT89C51單片機 溫度傳感器DS18B20 恒溫控制 可變脈寬（PWM） 目錄 1緒論 1 1.1溫度控制系統(tǒng)研究的目的和意義 1 1.2溫度控制系統(tǒng)研究概況 1 1.3溫度傳感器技術(shù) 1 2 系統(tǒng)總體方案設計 4 2.1 方案論證 4 2.2 系統(tǒng)功能介紹 5 3系統(tǒng)硬件電路設計 7 3.1傳感器接口電路設計 7 3.1.1溫度數(shù)據(jù)采集電路 7 3.2 LED顯示接口電設計 9 3.2.1 AT89C51單片機 10 3.2.2 LED數(shù)碼管 12 3.3 溫度控制電路的設計 13 4 脈寬調(diào)制 16 4.1脈寬調(diào)制的介紹 14 4.2基本原理 14 4.3 脈寬調(diào)制信號的設計思想 15 4.4脈寬調(diào)制信號的作用 15 4.5脈沖寬度調(diào)制優(yōu)點 16 5系統(tǒng)軟件設計 16 6 系統(tǒng)軟件調(diào)試 19 6.1目測 19 6.2硬件調(diào)試 19 6.3 軟件的調(diào)試 19 6.4 注意事項 20 結(jié)束語 22 參考文獻 23 致 謝 24 附錄一 程序 25 附錄二 硬件電路圖 36 專科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 37 頁 共 36頁 1緒論 1.1溫度控制系統(tǒng)研究的目的和意義 在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動化的重要任務。隨著社會的發(fā)展，科技的進步，以及測溫儀器在各個領域的應用，智能化是現(xiàn)代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近幾年來，溫度控制系統(tǒng)早已應用到人們生活的各個方面，但溫度控制一直是一個未開發(fā)的領域，卻又與人們息息相關(guān)的一個世紀問題。針對這種實際情況，設計一個溫度控制系統(tǒng)具有廣泛的應用前景與意義。 本設計為房間溫度控制系統(tǒng)設計，控制的對象是房間溫度。溫度控制在日常生活及工業(yè)領域應用十分廣泛，比如溫室、水池、發(fā)酵缸、電源等場所的溫度控制。而以往溫度控制是由人工完成的而且不夠重視。其實在很多場所溫度都需要得到很好的控制。針對這一問題，本系統(tǒng)設計的目的是實現(xiàn)可以根據(jù)設定溫度進行自行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，它應用廣泛，功能強大，小巧美觀，便于攜帶，是一款既實用又廉價的控制系統(tǒng)。 1.2溫度控制系統(tǒng)研究概況 國外對溫度控制技術(shù)研究較早，始于20世紀70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國的溫度測控技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。 我國對于溫度測控技術(shù)的研究較晚，始于20世紀80年代。我國工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達國家溫度測控技術(shù)的基礎上，才掌握了溫度室內(nèi)微機控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于對溫度的單項環(huán)境因子的控制。我國溫度測控設施計算機應用，在總體上正從消化吸收、簡單應用階段向?qū)嵱没⒕C合性應用階段過渡和發(fā)展。在技術(shù)上，以單片機控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)，與發(fā)達國家相比，存在較大差距。我國溫度測量控制現(xiàn)狀還遠遠沒有達到工廠化的程度，生產(chǎn)實際中仍然有許多問題困擾著我們，存在著裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化程度低，環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點。 1.3溫度傳感器技術(shù) 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一，信息技術(shù)包括計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)。計算機和通信技術(shù)發(fā)展極快，相當成熟，而傳感器應用技術(shù)因為需要使用模擬技術(shù)，而模擬技術(shù)還有很多問題難以解決，因此傳感器應用技術(shù)也有待進一步發(fā)展。為了適應現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，世界總舵國家都把傳感器技術(shù)列為現(xiàn)代的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常將能把非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為傳感器，其實質(zhì)上是一種功能塊，作用是將來自外界的各種信號轉(zhuǎn)換成電信號。它是實現(xiàn)測試與自動控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進行精確可靠地測量，那么無論是信號轉(zhuǎn)換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制都將無法實現(xiàn)。 溫度傳感器，使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之手。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件），主要輸能夠進行非電量和電量之間的轉(zhuǎn)換；模擬集成溫度傳感器/控制器；智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、集成化、智能化及網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。溫度傳感器按傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式可分為接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器兩大類，其中，接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸，通過熱傳導及對流原理達到熱平衡，這個示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高，并可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動的、熱容量比較小的及對感溫元件有腐蝕作用的對象，這種方法將會產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。此種測溫方法的主要特點是可測量運動狀態(tài)的小目標及熱容量小或變化迅速的對象，也可測量溫度場的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。 溫度傳感器的發(fā)展大致可分為以下幾種： （1）熱電偶傳感器。熱點偶傳感器是工業(yè)測量中應用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精度；測量范圍廣，可從-50℃～1600℃進行連續(xù)測量，特殊的熱電偶如金,鐵,鎳,鉻最低可測到-269℃，鎢,錸最高可達2800℃。 （2）模擬集成溫度傳感器。采用硅半導體集成工藝制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問世的，它將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出等功能。模擬集成溫度傳感器的主要特點是：功能單一、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。 （3）光纖傳感器。光纖測溫技術(shù)可分為兩類:全輻射測溫法，單輻射測溫法，雙波長測溫法，多波長測溫法等。特點是：光纖撓性好、透光譜段寬、傳輸損耗低，無論是就地使用或遠傳均十分方便而且光纖直徑小，可以單根、成束、Y型或陣列方式使用，結(jié)構(gòu)布置簡單且體積小。缺點是：測量起來困難,難于實現(xiàn)較高的精度，工藝比較復雜,且造價高，推廣應用有一定困難。 （4）半導體吸收式光纖溫度傳感器。半導體吸收式光纖溫度傳感器是利用了半導體材料的吸收光譜隨溫度變化的特性實現(xiàn)的。一種傳光型光纖溫度傳感器，是指在光纖傳感系統(tǒng)中，光纖僅作為光波的傳輸通路，而利用其它如光學式或機械式的敏感元件來感受被測溫度的變化。在這類傳感器中，半導體吸收式光纖溫度傳感器是研究得比較深入的一種。 （5）智能溫度傳感器。智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器）是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器、A/D傳感器、信號處理器、存儲器（或寄存器）和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。智能溫度傳感器能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU），并且可通過軟件來實現(xiàn)測試功能，即智能化取決于軟件的開發(fā)水平。 隨著科學技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，溫度傳感器的種類日益繁多，數(shù)字溫度傳感器更因適用于各種微處理器接口組成的自動溫度控制系統(tǒng)具有可以克服模擬傳感器與微處理器接口時需要信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器的弊端等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)控制、電子測溫計、醫(yī)療儀器等各種溫度控制系統(tǒng)中。其中，比較有代表性的數(shù)字溫度傳感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635等。相比較而言，傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件，熱敏電阻成本低，但需要后續(xù)信號處理電路，而且熱敏電阻的可靠性相對較差，測量溫度的準確度低，檢測系統(tǒng)的精度差。數(shù)字式溫度傳感器的種類也不少，并且在實際工程設計中具有上述諸多優(yōu)點。 2 系統(tǒng)總體方案設計 2.1 方案論證 方案一：本課題的初步設計方案是通過控制調(diào)功電路的導通比，來實現(xiàn)對被調(diào)對象的控制，由圖1可見，負載是加熱器件，而過零觸發(fā)電路是由鋸齒波發(fā)生，信號綜合，直流開關(guān)，同步電壓與過零脈沖輸出5個環(huán)節(jié)組成。如下圖所示: 圖2.1 方案一電路圖 圖2.1為第一個設計方案，該方案的工作原理簡述如下： （1） 鋸齒波是由單結(jié)晶體管BT和R1，R2，R3，W1和C1組成的張馳震蕩產(chǎn)生，然后經(jīng)射極跟隨器V1、R4輸出。 （2） 控制電壓（Uk）與鋸齒波電壓進行電流疊加后送到V2的基極，合成電壓為Us，當Us>0（0.7）時V2導通，Us<0，則V2截止。 （3） 由V2、V3以及R8、R9、DW1組成一直流開關(guān)，當V2基極電壓Ube2>0(0.7)，V2導通，Ube3接近零電位，V3截止，直流開關(guān)導通。輸出24V直流電壓。 （4） 過零脈沖的輸出，由同步變壓器TB，整流橋D1及R10，R11組成一削波同步電源，這個電源與直流開關(guān)的輸出電壓共同去控制V4與V5。只有當直流開關(guān)導通期間，V4截止，V4、V5基電極和發(fā)射極之間才有工作電壓，才能工作在期間，同步電壓每次過零時，V4截止，其集電極輸出正電壓，使V5由截止轉(zhuǎn)導通，經(jīng)脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖而此脈沖使晶閘管T在需要導通的時刻導通。 在直流開關(guān)導通期間使出連續(xù)的正弦波控制電壓Uk的大小決定了直流開關(guān)導通時間的長短，也就決定了在設定周期內(nèi)導通的周波數(shù)，從而可輸出功率的調(diào)節(jié)。顯然，控制電壓Uk越大，則導通的周波數(shù)就越多，輸出的功率也就越大，電阻爐的溫度也就越高，反之，電阻爐的溫度就越低。 閉環(huán)控制自動調(diào)溫的基本指導思想是在系統(tǒng)中增設溫度傳感器和溫度調(diào)節(jié)器，溫度傳感器的基本功能是檢測電爐的實際溫度，并變換成電壓訊號和爐溫控制電壓Uk進行比較，根據(jù)兩者差值的大小（Δe=Uk-Uft）和變化方向（即△e為正還是為負），通過調(diào)節(jié)器進行相反方向的調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)器的輸出控制直流開關(guān)導通時間的長短，從而使設定周期內(nèi)晶閘管的導通周波數(shù)增大或者減小，相應的電爐溫度升高一點或者減小一點。采取這種控制方式，可以使爐溫在較小的范圍內(nèi)變化，控制精度高。 方案二：為了使得電路的簡單化，采用單片機作為控制核心來設計本課題，溫度信號采集使用溫度傳感器DS18B20，溫度控制的基本思想為：通過采集到的溫度與標準溫度之間的差值來控制加熱電阻絲的通電時間長短，從而起到恒溫控制的目的。方案二的設計框圖如下圖所示： 單片機 溫度采集 按鍵電路 電源 顯示電路 溫控電路 圖 2.2 方案二設計框圖 本方案采用單片機作為控制核心，使用溫度傳感器進行溫度采集，通過將采集到的溫度與標準設定溫度之間的差值進行溫度控制，從而使得溫度維持在標準設定溫度。本方案設計成本低，具有具有較高的可靠性，對于系統(tǒng)動態(tài)性能與穩(wěn)定要求不是很高的場合非常的合適。 2.2 系統(tǒng)功能介紹 本設計是對房間溫度進行檢測與控制，設計的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當溫度低于設定的溫度時，系統(tǒng)自動通過PWM啟動加熱裝置，使溫度上升。當溫度高于設定的溫度時，停止加熱。三位數(shù)碼管及時顯示溫度，精確到小數(shù)點后一位。 本文設計的溫度控制系統(tǒng)具有如下功能： （1）通過溫度芯片DS18B20采集溫度，并以數(shù)字信號的方式傳送給單片機。 （2）四位數(shù)碼管動態(tài)實時顯示房間溫度，顯示精度0.10C。 （3）三個按鍵實現(xiàn)標準溫度的設定。 （4）利用PWM實現(xiàn)溫度的控制。 3系統(tǒng)硬件電路設計 圖3.0電路硬件圖 此方案以AT89C51為核心，通過DS18B20檢測房間溫度，將信號傳輸至單片機，用四位LED數(shù)碼管顯示溫度，同時通過將檢測的溫度與標準設定溫度的偏差來控制電阻絲通斷時間的長短，從而達到恒溫控制的目的。 3.1傳感器接口電路設計 3.1.1溫度數(shù)據(jù)采集電路 DS18B20是美國DALLAS半導體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，與其它溫度傳感器相比，DS18B20具有以下特性：獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感器元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。溫度范圍－55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃；測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC效驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。 DS18B20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題： （1）系統(tǒng)的硬件雖然簡單但需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。 （2）在DS18B20的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS18B20數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS18B20，在實際應用中并非如此。當單總線上所掛DS18B20超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意。 (3)連接DS18B20的總線電纜有長度限制。由于信號電纜本身存在電阻，距離過長時將導致信號衰減。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m。 DS18B20有PR-35和SOIC兩種封裝形式，管腳排列如表3.1所示。本系統(tǒng)選用PR-35封裝形式。DS18B20返回溫度值雖然只有9位，如圖3.1.2所示。 管腳 管腳定義 說明 8腳SOIC 3腳PR-35 2 1 GND 地 1 2 I|O 數(shù)據(jù)輸入端 8 3 VCC 電源 3 4 5 6 7 NC 空腳 表3.1 DS18B20管腳排列 圖3.1.2 DS18B20溫度值表示方法 D9為符號位，0表示正，1表示負，高字節(jié)的其他位（D10～D15）是以符號位的擴展位表示的；D0～D8為數(shù)據(jù)位，以二進制補碼表示。溫度是以1/2℃LSB形式表示的。表3.2為數(shù)值和溫度的關(guān)系。 溫度 數(shù)據(jù)（二進制） 數(shù)據(jù)（十六進制） +125 0000 0000 1111 1010 00FAH +25 0000 0000 0011 0010 0032H +0.5 0000 0000 0000 0001 0001H 0 0000 0000 0000 0000 0000H +0.5 1111 1111 1111 1111 FFFFH -25 1111 1111 1100 1110 FFCEH -55 1111 1111 1001 0010 FF92H 表3.2 DS18B20數(shù)值和溫度的關(guān)系 因房間環(huán)境溫度不能出現(xiàn)負溫情況，因此本系統(tǒng)不考慮負溫情況，這樣，在硬件選取上可以考慮選用商業(yè)級器件，不必要選用工業(yè)級器件，可以大幅度降低成本。因此單片機讀取溫度信息后，只需將低字節(jié)（D0～D8）送入上位機和控制電路即可。 3.2 LED顯示接口電設計 本系統(tǒng)選用的是四位數(shù)碼管動態(tài)實時顯示房間溫度，顯示精度0.10C。具體電路圖如圖3.2： 圖3.2 3.2.1 AT89C51單片機 單片機選用ATMEL公司的可在線編程的AT89C51，用于溫度采集及數(shù)據(jù)通訊。AT89C51 是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89C51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89C51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 AT89C51有3個并行I/O端口，P0:P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7。P0端口在沒有片內(nèi)存儲器時，可以作為普通I/O口使用，外接存儲器時作為地址線/數(shù)據(jù)線使用。P1端口可以作為普通I/O口使用，同時P1.0、P1.1、P1.5～P1.7還具備特殊功能，如表3.4所示。P2端口在沒有片外存儲器時，可以作為普通I/O口使用，外接存儲器時作為高8位地址使用。 引腳 特殊功能 P1.0 T2: 定時器|計數(shù)器2的外部計數(shù)器輸入 P1.1 T2EX: 定時器|計數(shù)器2的捕捉|重載觸發(fā)及方向控制 P1.5 MOSI: 用于在線編程（ISP） P1.6 MOSI: 用于在線編程（ISP） P1.7 SCK: 用于在線編程（ISP） 表3.4 AT89C51 P1端口的特殊功能 引腳 特殊功能 P3.0 RXD (串行口輸入) P3.1 TXD (串行口輸入) P3.2 INT0 (外部中斷輸入0) P3.3 INT1 (外部中斷輸入1) P3.4 T0（定時器0外部輸入） P3.5 T1（定時器1外部輸入） P3.6 WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫控制） P3.7 RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀控制） 表3.5 AT89C51 P3端口的特殊功能 單片機在本房間溫度監(jiān)控系統(tǒng)中主要用于通訊及溫度采集。P3.0接DS18B20。P0口用于溫度顯示接口的設計。單片機與控制電路共用一個外部時鐘，采用片內(nèi)存儲器，設有上電復位功能。單片機最小系統(tǒng)如圖3.2.1： 圖 3.2.1 單片機最小系統(tǒng) 3.2.2 LED數(shù)碼管 LED顯示器即為發(fā)光二極管顯示器，具有顯示醒目、成本低、配置靈活、接口方便等特點，單片機應用系統(tǒng)中常用它來顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和采集的信息輸入數(shù)值等。 LED顯示器按其發(fā)光管排布結(jié)構(gòu)的不同，可分為LED數(shù)碼管顯示其和LED點陣顯示器。LED數(shù)碼管主要用來顯示數(shù)字及少數(shù)字母和符號，LED點陣顯示器可顯示數(shù)字、字母、漢子和圖形等。LED點陣顯示器雖然顯示靈活，但其占用的單片機系統(tǒng)軟件、硬件資源遠大于LED數(shù)碼管。因此除專門應用大屏幕LED點陣顯示或有特殊顯示要求場合外，幾乎所有單片機應用系統(tǒng)都采用LED數(shù)碼管顯示。本系統(tǒng)選用的是LED數(shù)碼管顯示器。 數(shù)碼管顯示器有兩種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯方式程序非常簡單，占用CPU時間資源很少，只是在顯示字符改變時調(diào)用一下顯示程序。但硬件電路繁多，每個數(shù)碼管需要一個8位I/O口、一個8位驅(qū)動、8個限流電阻。一般用于數(shù)碼管位數(shù)較少的場合。LED靜態(tài)顯示由于使用的元器件較少，在數(shù)碼管顯示器較多的場合，電路顯得煩瑣，為了簡化線路，減低成本，本系統(tǒng)選用的是動態(tài)掃描顯示方式。 動態(tài)掃描顯示方式的工作原理是：逐個地循環(huán)點亮各位顯示器，也就是說在任意時刻只有1位顯示器在顯示。為了使人看到所有顯示器都在顯示，就得加快循環(huán)點亮各位顯示器的速度（提高掃描頻率），利用人眼的視覺殘留效應，給人感覺到與全部顯示器持續(xù)點亮的效果一樣。動態(tài)掃描顯示電路如圖3.2.2： 圖3.2.2動態(tài)掃描圖 3.3 溫度控制電路的設計 圖3.3 通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來控制雙向可控硅的通斷。當脈沖寬度變寬（占空比增大）時，雙向可控硅的導通時間延長，電阻絲加熱時間延長從而使溫度升高。反之脈沖寬度變窄（占空比減小）時，雙向可控硅的導通時間縮短，電阻絲的加熱時間縮短使得溫度降低。 以此方法來控制溫度的恒定不變。 4 脈寬調(diào)制 4.1脈寬調(diào)制的介紹 PWM就是脈沖寬度調(diào)制的英文縮寫，方波高電平時間跟周期的比例叫占空比，例如1秒高電平1秒低電平的PWM波占空比是50% 　 脈寬調(diào)制PWM是開關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語。這是按穩(wěn)壓的控制方式分類的，除了PWM型，還有PFM型和PWM、PFM混合型。脈寬寬度調(diào)制式（PWM）開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。 4.2基本原理 　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。 　　模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時間發(fā)生變化，并可取任何實數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在{0V, 5V}這一集合中取值。 　　模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在簡單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變小；流經(jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。 　　盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴重發(fā)熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。 　　通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。 4.3 脈寬調(diào)制信號的設計思想 本課題的脈寬調(diào)制信號是設定周期為1s矩形波。它的產(chǎn)生將定時計數(shù)器設定在10ms定時，后通過寄存器R3來控制脈寬調(diào)制信號的周期，本課題只是達到一種模擬的效果，在精確上沒有過高的要求，因此將1s周期分成100等份，即設定定時器的定時為10ms，R3中啟動定時器的次數(shù)100。 寄存器R2中存放的數(shù)據(jù)是根據(jù)檢測電路和控制電路轉(zhuǎn)換過來的一個數(shù)，R2中存放的數(shù)值的大小用于控制脈沖信號，在1s內(nèi)高電平的時間長短。這樣可以從P2.6口檢測到定周期脈沖可調(diào)的控制信號。 4.4脈寬調(diào)制信號的作用 可控脈沖 脈寬調(diào)制信號由P3.0口輸出將P3.0口輸出的矩形波信號接于雙向可控硅的控制端來控制可控硅的通斷。當矩形波在一個周期內(nèi)高電平的時間越長，雙向可控硅的導通時間越長，即發(fā)熱元件上發(fā)出的熱量也越多?？傊l(fā)熱元件上釋放出能量的高低由矩形波在一個周期內(nèi)高電平的時間長短所決定的。 4.5脈沖寬度調(diào)制優(yōu)點 　　PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 　　對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 　　總之，PWM既經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術(shù)。 5系統(tǒng)軟件設計 本設計總體程序框圖如下，總體程序由主程序，按鍵子程序，溫度獲取子程序三部分組成。 圖5.1 總體程序框圖 初始化 存儲操作命令 ROM操作命令 開始 DS18820 存在？ 結(jié)束 讀取溫度值 否 是 圖5.2讀溫度流程圖 6 系統(tǒng)軟件調(diào)試 6.1目測 1.有無短路處。 2.對照電路圖看有無接錯、漏接處。 3.有無虛焊處。 4元件是否都對 6.2硬件調(diào)試 首先應進行上電前的準備。為了防止硬件的損壞，應在電路板上電前進行電 路檢查，包括：對芯片的焊接方向進行檢查，對芯片的引腳進行短路和斷路檢查。 在經(jīng)過檢查確認芯片的焊接沒有任何問題的情況下，進行上電檢查，在電源打開 后，先判斷電路是否存在異常，如出現(xiàn)芯片過熱等現(xiàn)象，應及時切斷電源，檢查 電路故障。在上電無異常狀況的前提下，可以用萬用表和示波器進行測量。首先 測量電源芯片的輸出電壓是否正常，然后用示波器分別測量各個主要芯片電源引 腳，察看電源的波形情況，如有紋波，則在預先留出的位置上焊上退耦電容以消 除紋波，保證芯片工作正常。電源測量完畢后，進一步用示波器測量有源晶振的 輸出腳，其輸出是頻率為8MHz的波形(非方波，類似正弦波)。在確定晶振起 振后，按住復位鍵，使單片機始終保持在復位狀態(tài)，同時測量其各個引腳的電平 情況，并同數(shù)據(jù)手冊上表述的復位時的芯片引腳狀態(tài)進行比對，由此可判斷單片 機是否正常。確認單片機正常之后就可以通過仿真器連接用戶板進行調(diào)試。 6.3 軟件的調(diào)試 由于軟件的編寫都是根據(jù)各個模塊進行的，我們在進行軟件的系統(tǒng)模擬調(diào)試時應，先確認硬件的接口標記是否在軟件程序中一一對應，而且要檢測所編寫的軟件有沒有知識性的錯誤。在覺得基本沒有問題后我們通過電腦將程序編譯進入系統(tǒng)核心AT89S52單片機，檢驗軟件與硬件各部分是否協(xié)調(diào)的工作。出現(xiàn)問題時我們要耐心的檢查程序并作出適當?shù)男薷模钡杰浖到y(tǒng)的完全契合硬件電路，那我們軟件就調(diào)試成功了。 1、測試環(huán)境 環(huán)境溫度28攝氏度，室內(nèi)面積20平方米 測試儀器：數(shù)字萬用表，溫度計0----100攝氏度 2、測試方法 使系統(tǒng)運行，采用溫度計同時測量室內(nèi)度變化情況，得出系統(tǒng)測量的溫度。 3、測試結(jié)果 設定溫度由0攝氏度到40攝氏度 標定溫差<=1攝氏度 調(diào)節(jié)時間 15s（具體視現(xiàn)場情況） 靜態(tài)誤差<=0.5攝氏度 最大超調(diào)量1攝氏度 4、通過測試分析，對于實際室內(nèi)的溫度控制，可以再提出以下 2 點方法 ： Ⅰ增加傳感器個數(shù)，對各個溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進行求算術(shù)平均，可得到較為準確的溫度值。 Ⅱ?qū)嶋H室內(nèi)的溫度控制，可采用功率較大的電爐，并且通過風扇對箱內(nèi)溫度進行充分攪和，降溫設備可采用空氣壓縮機等制冷設備。 5、通過實驗測試和分析，發(fā)現(xiàn)雖然傳感器的溫度采集精度最高可得到 0.06 ℃，但測試得到的數(shù)據(jù)最小間隔為 0.03 ℃ 。通過分析，當對浮點數(shù)求平均處理時，遇到同一時刻兩個傳感頭采集的溫度相差不大，使 0.06 ℃ 時求出平均溫度變?yōu)?0.03 ℃ 為了解該數(shù)據(jù)是否真實，可采用一個高精度的數(shù)字溫度計測試，發(fā)現(xiàn)讀出的值與其基本一致，由此推斷如果在同一時間增加采集溫度的個數(shù)，則可以進一步提高溫度的精度。 6.4 注意事項 （1）測驅(qū)動電路的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常顯示的狀況，經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)主要是由于接觸不良的問題。其中包括線的接觸不良和芯片的接觸不良，在實驗過程中，數(shù)碼管有幾段時隱時現(xiàn)。用萬用表檢測發(fā)現(xiàn)有線接觸不良，重焊后就可正常顯示。而芯片接觸不良用萬用表歐姆檔檢測有幾個引腳本該相通的地方卻未通，其解決方法為把芯片拔出正對萬能板孔均勻用力插入。 （2）由于焊接時的大意損壞了元件，在調(diào)試是我們怎么都找不到問題的所在，我們是用排除法一個一個元件的測試的找出損壞的元件，重新?lián)Q上新的元件，故障得以解決。 （3）還有關(guān)于程序調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題。執(zhí)行程序是發(fā)現(xiàn)程序執(zhí)行不穩(wěn)定，排除軟件的錯誤外，經(jīng)老師的指導才發(fā)現(xiàn)單片機的EA管腳沒有接地。因為次程序只用到片內(nèi)程序存儲器，所以在程序執(zhí)行時一定要把管腳接的，這樣程序才能只執(zhí)行片內(nèi)的，不然程序會亂跳，從而導致程序執(zhí)行不穩(wěn)定。 （4）接三極管的過程中，發(fā)現(xiàn)電路不管程序是什么，數(shù)碼管都是顯示8字，經(jīng)查除發(fā)現(xiàn)原來是三極管的極端弄錯了，從新調(diào)整極端順序。 （5）在電路調(diào)試時由于我們選用的是對射型的光電傳感器由于沒正對好使的調(diào)試一度中斷，最后我們通過反復的調(diào)試解決了問題 （6）調(diào)試時由于線路的繁雜，沒有仔細的找到對應部分的線路，使的調(diào)試的結(jié)果與預期出現(xiàn)很大的誤差，我們通過梳理線路后就調(diào)試成功了并達到了預期的效果。 （7）在調(diào)試時幾個模塊的電路調(diào)試都不是很好，我們就要對線路的硬件連接做仔細的檢查，調(diào)試的時候我們首先要確定連接的電路沒有錯誤，各個元件管腳間沒有虛連，那樣我們的調(diào)試才會更順利。 結(jié)束語 這次畢業(yè)設計讓我受益匪淺。通過這次設計我對自己在大學里所學的知識得到了全面的回顧，并充分發(fā)揮對所學知識的理解和對畢業(yè)設計的思考及書面表達能力，最終完成了這份論文。撰寫論文的過程也是專業(yè)知識的學習過程，它使我運用已有的專業(yè)基礎知識，對其進行設計，分析和解決一個理論問題或?qū)嶋H問題，把知識轉(zhuǎn)化為能力的實際訓練。培養(yǎng)了我運用所學知識解決實際問題的能力。 通過這次畢業(yè)設計我發(fā)現(xiàn)，只有理論水平提高了，才能夠?qū)⒄n本知識與實踐相整合，理論知識服務于教學實踐，以增強自己的動手能力。這個設計十分有意義 我獲得很深刻的經(jīng)驗。通過這次畢業(yè)設計，我們知道了理論和實際的距離，也知道了理論和實際想結(jié)合的重要性，，也從中得知了很多書本上無法得知的知識。 我們的學習不但要立足于書本，以解決理論和實際教學中的實際問題為目的，還要以實踐相結(jié)合，理論問題即實踐課題，解決問題即課程研究，學生自己就是一個專家，通過自己的手來解決問題比用腦子解決問題更加深刻。學習就應該采取理論與實踐結(jié)合的方式，理論的問題，也就是實踐性的課題。這種做法既有助于完成理論知識的鞏固，又有助于帶動實踐，解決實際問題，加強我們的動手能力和解決問題的能力。 總的來說這次的畢業(yè)設計使得我學習了很多它是大學里的最后一堂課也是重要的一堂課，他對我們的將來都具有深遠的影響。 參考文獻 [1]李伯成.基于MCS-51單片機的嵌入式系統(tǒng)設計.電子工業(yè)出版社.2004 [2]宗光華,李大寨.多單片機系統(tǒng)應用技術(shù).國防工業(yè)出版社.2003 [3]胡學海.單片機原理及應用系統(tǒng)設計. 電子工業(yè)出版社.2005 [4]孫育才,王榮興,孫華芳.ATMEL新型AT89S52系列單片機及其應用.清華大學 出版社.2005 [5]于京,張景璐.51系列單片機C程序設計與應用案例.中國電力出版社.2006 [6]蔡杏山.Protel 99 SE 電路設計.人民郵電出版社. 2007 [7]楊小川.Protel DXP 設計指導教程. 清華大學出版社.2003 [8] 李曉荃. 單片機原理與應用[M]. 電子工業(yè)出版社，2000年8月 [9] 何立民. 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