【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(jì)與實(shí)現(xiàn) 1 1 引言 課題背景 近年來(lái)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(shí)也帶動(dòng)了控制檢測(cè)技術(shù)的提升。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中，單片機(jī)通常作為一個(gè)核心，結(jié)合具體的硬件結(jié)構(gòu)，與軟件相結(jié)合，就能實(shí)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(gè) 更優(yōu)秀的溫度控制器亟待開(kāi)發(fā)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 溫度采集與控制歷來(lái)都是檢測(cè)控制領(lǐng)域的重點(diǎn)之一。近年來(lái)全球工業(yè)電子溫度控制器市場(chǎng)增長(zhǎng)緩慢，我國(guó)電子溫度控制器市場(chǎng)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(guó)內(nèi)外電子溫度控制器生產(chǎn)核心技術(shù)研發(fā)動(dòng)向，工藝設(shè)備，技術(shù)應(yīng)用及趨勢(shì)對(duì)于企業(yè)提升產(chǎn)品規(guī)格，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力非常關(guān)鍵。 本課題的研究?jī)?nèi)容 設(shè)計(jì)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(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)有可能工作在掉電狀態(tài)，但是通過(guò)外部中斷喚醒可以保存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)重啟后，仍能保存用戶的設(shè)定信息。設(shè)計(jì)中用 LCD1602 作為顯示器，單片機(jī)可以把實(shí)時(shí)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(guò)溫度傳感器 DS18B20 實(shí)時(shí)采集一個(gè)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(shí)際溫度自動(dòng)加熱或制冷以實(shí)現(xiàn)空調(diào)功能。 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)一個(gè)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(jì)的基本要求如下： * 采用單片機(jī)做主控單元，完成對(duì)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(shí)現(xiàn)，也可以用軟件的方式實(shí)現(xiàn)，具體方案有 二 ： 方案 一： 可以使用 FPGA實(shí)現(xiàn) 整個(gè)系統(tǒng)。 FPGA在測(cè)量領(lǐng)域的確有優(yōu)越之處 ， 可以很方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)序控制，并且得到更準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)。但是對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要 有多個(gè)狀態(tài)以及相應(yīng)的操作， FPGA對(duì)于微控制器來(lái)說(shuō)并不擅長(zhǎng) 。 方案 二： 可以使用 微控制器 作為核心， 配合著測(cè)量電路、人機(jī)交互電路、以及控制電路實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)。這種方案實(shí)現(xiàn)空調(diào)溫度控制比較簡(jiǎn)單，而且也能達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)，本文采用該方案。 筆者對(duì)題目再進(jìn)行深入的分析和思考，可將整個(gè)系統(tǒng)分區(qū)為以下幾部分：主控器電路、測(cè)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(jì)選用 51 系列單片機(jī) AT89S52。 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)簡(jiǎn)介以及外圍電路 單片機(jī)簡(jiǎn)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(gè)中斷源， 2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，本設(shè)計(jì)中用到了三個(gè)中斷，分別是外部中斷 0、外部中斷 1 以及定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 中斷。 單片機(jī)的中斷控制主要用兩個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)，中斷允許控制寄存器 IE 和中斷優(yōu)先級(jí)控制器 TP。中斷允許控制器可以對(duì)所有中斷以及某個(gè)中斷源設(shè)置成開(kāi)放或者屏蔽。中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器可以設(shè)置某一中斷為高優(yōu)先級(jí)中斷，高優(yōu)先級(jí)的中斷相對(duì)于普通中斷來(lái)說(shuō)擁有特權(quán) [1]。 單片機(jī)外圍電路 一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。 80C51 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種發(fā)生方式：一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，二是外部 時(shí)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(shí)鐘脈沖信號(hào)。而外部時(shí)鐘方式是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入到單片機(jī)內(nèi)部。此種方式用于多片單片機(jī)同時(shí)工作，以便于各單片機(jī)的同步。 兩種常見(jiàn)的時(shí)鐘電路如圖 32 所示。 LCD1602 顯示器簡(jiǎn)介及接口電路 LCD1602 簡(jiǎn)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(duì)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(jì)與實(shí)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(chǔ)器 DDRAM (5)內(nèi)建有 192 個(gè) 5X7 點(diǎn)陣的字符發(fā)生器 CGROM (6)有 8 個(gè)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(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)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(hào) 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(hào) 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(jì)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(shí)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(jì)的鍵盤電路模塊如圖 36 所示。設(shè)計(jì)中用到了 4 個(gè)按鍵，開(kāi) /關(guān)機(jī)鍵、模式切換鍵、溫度“ +”鍵、溫度“ ”鍵，分別對(duì)應(yīng) ON_OFF、 MODE、 PLUS、 MINUS 這四個(gè)按鍵。當(dāng)某一個(gè)鍵按下時(shí)，會(huì)將 P1 口的一位拉低，同時(shí)也會(huì)在 端口引起一個(gè)下降沿。這個(gè)下降沿會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷 0 ，從而進(jìn)入對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序，這個(gè)程序也是按鍵功能實(shí)現(xiàn)的程序。設(shè)計(jì)中，用四個(gè)二極管充當(dāng)四輸入與門，這樣既節(jié)省了成本，也簡(jiǎn)化了電路。該電路電阻和電容組成一個(gè)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(dòng)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(jì)與實(shí)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(wú)線遙控簡(jiǎn)介與接口電路 無(wú)線遙控原理簡(jiǎn)介 無(wú)線通信的原理就是將數(shù)據(jù)加到載波上從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要包括兩個(gè)部分：一個(gè)是無(wú)線發(fā)射模塊，一個(gè)是無(wú)線接收模塊。無(wú)線發(fā)射模塊把需要傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制到載波信號(hào)上，然后通過(guò)天線發(fā)射出去。無(wú)線接收模塊在接收到無(wú)線信號(hào)后，就進(jìn)行解碼。為了傳輸?shù)目煽啃裕ǔ６紩?huì)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(duì)傳輸?shù)拇a字加上同步碼，以實(shí)現(xiàn)可靠的通信 [4]。設(shè)計(jì)中用到的發(fā)射器和接收模塊實(shí)物圖如圖 37 所示。 系統(tǒng)中無(wú)