【正文】 TROL SYSTEM DESIGN AND IMPLEMENTATION ABSTRACT The birth of puter technology has revolutionized the way people live, works which need a lot of manpower, material resources have been solved by smart puter technology. The singlechip microputer technology is an application of puter technology. Its emergence has aroused a new revolution in the field of modern measurement and control. The typical MCS51 series singlechip microputer has a plete instruction set and rich peripherals, can easily achieve the control of many areas. Temperature measurement and control has a wide range of applications, higher precision and simple operation of integrated temperature sensor arises at the historic moment. Household appliances related to the temperature control, such as air conditioners, refrigerators and so on, is more and more popular, a simple intelligent temperature control system can better adapt to the needs of people. This paper discusses the air conditioning temperature control system based on 8051 singlechip microputer as the core, with the keyboard, and infrared remote LCD1602 as humanputer interaction interface, using DS18B20 as temperature sensor, through the relay to control the heating wire and semiconductor chilling plate to simulate the work of air conditioning. The system can detect indoor temperature and display in realtime, and one can set temperature, then singlechip microputer pares the detected value and setting value to make the mand of heating or cooling, with heating wire or semiconductor chilling plate executing the corresponding mand. KEY WORDS: 8051singlechip microputer DS18B20 temperature sensor temperature control 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 1 1 引言 課題背景 近年來電子產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，單片機(jī)應(yīng)用正在不斷深入更多的領(lǐng)域，同時也帶動了控制檢測技術(shù)的提升。在自動檢測和控制系統(tǒng)中，單片機(jī)通常作為一個核心，結(jié)合具體的硬件結(jié)構(gòu)，與軟件相結(jié)合，就能實現(xiàn)具體應(yīng)用的功能。單片機(jī)擁有基本的外設(shè)，這些外設(shè)讓單片機(jī)功能更加強(qiáng)大，應(yīng)用更加廣泛。隨著人們生活水平的提高，人們需要更高質(zhì)量更智能的與溫度控制相關(guān)的產(chǎn)品，一個 更優(yōu)秀的溫度控制器亟待開發(fā)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 溫度采集與控制歷來都是檢測控制領(lǐng)域的重點(diǎn)之一。近年來全球工業(yè)電子溫度控制器市場增長緩慢，我國電子溫度控制器市場迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。溫度控制器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，科學(xué)研究和生活領(lǐng)域，了解國內(nèi)外電子溫度控制器生產(chǎn)核心技術(shù)研發(fā)動向，工藝設(shè)備，技術(shù)應(yīng)用及趨勢對于企業(yè)提升產(chǎn)品規(guī)格，提高市場競爭力非常關(guān)鍵。 本課題的研究內(nèi)容 設(shè)計中用戶可以利用遙控或者鍵盤設(shè)置溫控器的工作，例如工作狀態(tài)、模式、室內(nèi)溫度。單片 機(jī)能將這些設(shè)定信息存儲在數(shù)據(jù)存儲器。單片機(jī)有可能工作在掉電狀態(tài)，但是通過外部中斷喚醒可以保存數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)關(guān)機(jī)重啟后，仍能保存用戶的設(shè)定信息。設(shè)計中用 LCD1602 作為顯示器，單片機(jī)可以把實時溫度和用戶的設(shè)定信息都顯示在液晶屏上。工作原理大概是這樣的：通過溫度傳感器 DS18B20 實時采集一個封閉空間的溫度，然后傳送給單片機(jī)處理；單片機(jī) 根據(jù)人的設(shè)定信息結(jié)合采集的實際溫度自動加熱或制冷以實現(xiàn)空調(diào)功能。 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 2 2 系統(tǒng)的總體設(shè)計 設(shè)計要求 系統(tǒng)的設(shè)計本課題研究的是利用 51 單片機(jī) 結(jié)合適當(dāng)?shù)挠布Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一個空調(diào)溫度控制器，主要包括溫度采集與顯示、人機(jī)接口、控制輸出等部分。系統(tǒng)設(shè)計的基本要求如下： * 采用單片機(jī)做主控單元，完成對溫度的采集和控制的要求 * 溫度控制約在 0℃ ~40℃ * 用 LCD1602 顯示當(dāng)前溫度 * 有遙控器控制操作功能 系統(tǒng)方案的選擇 系統(tǒng) 可以用硬件的方式實現(xiàn)，也可以用軟件的方式實現(xiàn)，具體方案有 二 ： 方案 一： 可以使用 FPGA實現(xiàn) 整個系統(tǒng)。 FPGA在測量領(lǐng)域的確有優(yōu)越之處 ， 可以很方便實現(xiàn)系統(tǒng)的時序控制，并且得到更準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)。但是對于控制系統(tǒng)來說，需要 有多個狀態(tài)以及相應(yīng)的操作， FPGA對于微控制器來說并不擅長 。 方案 二： 可以使用 微控制器 作為核心， 配合著測量電路、人機(jī)交互電路、以及控制電路實現(xiàn)這個系統(tǒng)。這種方案實現(xiàn)空調(diào)溫度控制比較簡單，而且也能達(dá)到設(shè)計要求。 綜合比較，方案二更加適合空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，本文采用該方案。 筆者對題目再進(jìn)行深入的分析和思考，可將整個系統(tǒng)分區(qū)為以下幾部分：主控器電路、測溫電路、輸入電路、顯示電路，控制執(zhí)行電路。 筆者 做出系統(tǒng)的基本框圖如圖 21所示。 系統(tǒng) 各模塊方案選擇 主控制器可以選用 AVR 系列單片機(jī)、 51 系列 單片機(jī)或者 ARM。系統(tǒng)所需微控制器的速度并不太高，控制并不復(fù)雜， 51 系列單片機(jī)完全可以勝任?？紤]到成本和編程復(fù)雜性，本設(shè)計選用 51 系列單片機(jī) AT89S52。 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 3 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 單片機(jī)簡介以及外圍電路 單片機(jī)簡介 MCS51 系列單片機(jī)以其典型的結(jié)構(gòu)、完善的總線、特殊功能寄存器的集中管理方式、位操作系統(tǒng)和面向控制的指令系統(tǒng)，為單片機(jī)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。 80C51是 MCS51 系列單片機(jī)的典型品種。 80C51 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 與系統(tǒng)相關(guān)的單片機(jī)外設(shè)介紹 單片機(jī)有 5 個中斷源， 2 個中斷優(yōu)先級，本設(shè)計中用到了三個中斷，分別是外部中斷 0、外部中斷 1 以及定時 /計數(shù)器 0 中斷。 單片機(jī)的中斷控制主要用兩個寄存器實現(xiàn)，中斷允許控制寄存器 IE 和中斷優(yōu)先級控制器 TP。中斷允許控制器可以對所有中斷以及某個中斷源設(shè)置成開放或者屏蔽。中斷優(yōu)先級控制寄存器可以設(shè)置某一中斷為高優(yōu)先級中斷，高優(yōu)先級的中斷相對于普通中斷來說擁有特權(quán) [1]。 單片機(jī)外圍電路 一個單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由時鐘電路和復(fù)位電路組成。 80C51 單片機(jī)的時鐘信號通常有兩種發(fā)生方式：一種是內(nèi)部時鐘方式，二是外部 時鐘方式。在 80C51 單片機(jī)內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接晶振，就能構(gòu)成自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。而外部時鐘方式是把外部已有的時鐘信號引入到單片機(jī)內(nèi)部。此種方式用于多片單片機(jī)同時工作，以便于各單片機(jī)的同步。 兩種常見的時鐘電路如圖 32 所示。 LCD1602 顯示器簡介及接口電路 LCD1602 簡介 LCD1602 液晶顯示器具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富的特征，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。 它的主要特性如下： (1) 或 5V 的工作電壓，對比度可以調(diào)節(jié) (2)內(nèi)含復(fù)位電路 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 4 (3)提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能 (4)有 80 字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器 DDRAM (5)內(nèi)建有 192 個 5X7 點(diǎn)陣的字符發(fā)生器 CGROM (6)有 8 個用戶自定義的 5X7 的字符發(fā)生器 CGRAM 其引腳功能如表 31 所示 [3]。 表 31 LCD1602的引腳 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 Data I/O 2 VDD 電源正極 10 D3 Data I/O 3 VL 液晶顯示偏壓信 號 11 D4 Data I/O 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇端 12 D5 Data I/O 5 R/W 讀 /寫選擇端 13 D6 Data I/O 6 E 使能信號 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光電源正極 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光電源負(fù)極 系統(tǒng)中 LCD1602 接口電路 本設(shè)計中， LCD1602 的數(shù)據(jù)端口接單片機(jī)的 P0 口，單片機(jī)的 P0口用作通用 I/O口時要接上拉電阻。 RS 端接單片機(jī)的 ， RW 端接單片機(jī)的 ， E 端接 。 鍵盤電路 本設(shè)計的鍵盤電路模塊如圖 36 所示。設(shè)計中用到了 4 個按鍵，開 /關(guān)機(jī)鍵、模式切換鍵、溫度“ +”鍵、溫度“ ”鍵，分別對應(yīng) ON_OFF、 MODE、 PLUS、 MINUS 這四個按鍵。當(dāng)某一個鍵按下時，會將 P1 口的一位拉低，同時也會在 端口引起一個下降沿。這個下降沿會觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷 0 ，從而進(jìn)入對應(yīng)的中斷服務(wù)程序，這個程序也是按鍵功能實現(xiàn)的程序。設(shè)計中，用四個二極管充當(dāng)四輸入與門，這樣既節(jié)省了成本，也簡化了電路。該電路電阻和電容組成一個放點(diǎn)回路，防止鍵盤誤觸發(fā)而進(jìn)入中斷 服務(wù)程序。另外，中斷服務(wù)程序中也采用了軟件去抖動程序以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 5 P 1 .0INT 0P 1 .3P 1 .1P 1 .2R11 0 k+5V1uFO N_O F F M O DE P L US M INU S 圖 36 鍵盤電路 無線遙控簡介與接口電路 無線遙控原理簡介 無線通信的原理就是將數(shù)據(jù)加到載波上從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要包括兩個部分：一個是無線發(fā)射模塊，一個是無線接收模塊。無線發(fā)射模塊把需要傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制到載波信號上，然后通過天線發(fā)射出去。無線接收模塊在接收到無線信號后，就進(jìn)行解碼。為了傳輸?shù)目煽啃?，通常都會在傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)碼前加上地址碼，只有地址匹配了才能接收數(shù)據(jù)碼；為了解碼的需要，通常還需要對傳輸?shù)拇a字加上同步碼，以實現(xiàn)可靠的通信 [4]。設(shè)計中用到的發(fā)射器和接收模塊實物圖如圖 37 所示。 系統(tǒng)中無