【正文】 集溫度， 51單片機(jī)來對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示并自動控制報警及降溫裝置。采用此方案設(shè)計不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)。 作為控制系統(tǒng)中的一個典型實驗設(shè)計，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)綜合運用了微機(jī)原理、自動控制原理、 傳感器原理、 模擬電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、鍵盤顯示技術(shù)等諸多方面的知識，是對所學(xué) 知識的一次綜合測試。 2． 2 系統(tǒng)設(shè)計要求 設(shè)計并制作一個基于單片機(jī)的多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)，要求能夠?qū)?4 個測量點的溫度進(jìn)行采集，顯示、判斷，當(dāng)溫度超出設(shè)定的溫度范圍時系統(tǒng)具備報警提示功能，同時系統(tǒng)應(yīng)具備自動調(diào)節(jié)溫度功能，當(dāng)檢查點溫度超出范圍應(yīng)能通過相應(yīng)的裝置使溫度自動回到合理范圍內(nèi)，保證溫度在設(shè)定的范圍內(nèi)工作，同時系統(tǒng)報警上下限范圍可通過人工按鍵設(shè)定。 具體設(shè)計指標(biāo) 如下 ： 1: 四路溫度采集與顯示，顯示界面采用 LCD1602 液晶，要求同時顯示 4 路溫度值，顯示精度 +/176。 2：溫度調(diào)節(jié)控制部分采用單片機(jī) 控制四路繼電器的通斷來實現(xiàn)，繼電器控制風(fēng)扇，用來調(diào)節(jié)溫度，風(fēng)扇的開與關(guān)通過判定溫度值自動開關(guān)。 3：溫度超出設(shè)定值，系統(tǒng)應(yīng)具備緊急報警功能，報警模式采用聲光報警，具體實現(xiàn)采用蜂鳴器與 LED 發(fā)光二極管實現(xiàn)。 4：具備按鍵設(shè)置與調(diào)整功能，可通過按鍵設(shè)置報警警戒溫度，風(fēng)扇開啟溫度點。 2． 3 系統(tǒng)設(shè)計 方案 系統(tǒng)設(shè)計方案論證 結(jié)合所學(xué)知識，通過查找資料和論證，可通過以下方案來實現(xiàn)課題要求實現(xiàn)的指標(biāo)，各方案介紹如下所述。 方案一：采用純硬件的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于速度較快，但可靠性比較差 、控制 精度比較低、靈活性小、線路復(fù)雜、調(diào)試 安裝都不方便。且要實現(xiàn)題目所有的要求難度較大。 方案二： FPGA/CPLD 或采用帶有 IP內(nèi)核的 FPGA/CPLD 方式。即用 FPGA/CPLD 完成采集，存儲，顯示及 A/D 等功能，由 IP核實現(xiàn)人機(jī)交互及信號測量分析等功能。這種方案的優(yōu)點在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以實現(xiàn)復(fù)雜的測量與與控制，操作方便；缺點是調(diào)試過程復(fù)雜， 設(shè)計 成本較高。 方案三： 采用 單片機(jī)與高精度 數(shù)字 溫度傳感器 相 結(jié)合的方式。即用單片機(jī)完成人機(jī)界面，系統(tǒng)控制，信號分析處理，由前端溫度傳感器完成信號的采集 。 這種方案克服了方案 一、二的缺點，所以本課題任務(wù)是 “ 基于單片機(jī) 的多路溫度測控系統(tǒng)設(shè)計” 。 系統(tǒng)設(shè)計方案硬件實現(xiàn)框圖 4 路溫度的采集采用數(shù)字型溫度傳感器 DS18B20，采集到的溫度值送單片機(jī)進(jìn)行處理，通過 LCD1602 液晶進(jìn)行顯示；系統(tǒng)電源電路采用寬電壓直流輸入，通過集成三端穩(wěn)壓芯片 LM7805 進(jìn)行穩(wěn)壓后供單片機(jī)及液晶顯示模塊用電；溫度調(diào)節(jié)控制電路通過繼電器控制小風(fēng)扇的方案實現(xiàn)，使設(shè)計簡單化，既能驗證設(shè)計功能又能很好的降低設(shè)計成本。系統(tǒng)主控部分采用單片機(jī) AT89S52配以外圍電路實現(xiàn)。 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框圖如圖 21所示 。 圖 21 4 路 DS18B2溫度傳感感器 AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng) 溫度調(diào)節(jié)控制電路 LCD1602 液晶顯示界面 按鍵輸入電路 系統(tǒng)電源電路 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 3． 1 系統(tǒng)元器件選型及參數(shù)介紹 系統(tǒng)單片機(jī)選型 單片機(jī)的選擇在整個系統(tǒng)設(shè)計中至關(guān)重要，要滿足大內(nèi)存、高速率、通用性、價格便宜等要求，本課題選擇 AT89S52 作為主控芯片。 AT89S52 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)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(biāo)準(zhǔn) MCS51 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(qiáng)大的微型計算機(jī)的 AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S52 芯片具有以下特性 ?4?： ①指令集和芯片引腳與 Intel 公司的 8051 兼容； ② 4KB 片內(nèi)在系統(tǒng)可編程 Flash 程序存儲器； ③時鐘頻率為 0～ 33MHz； ④ 128 字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲器（ RAM）； ⑤ 32 個可編程輸入 /輸出引腳； ⑥ 2 個 16 位定時 /計數(shù)器； ⑦ 6 個中斷源， 2 級優(yōu)先級； ⑧全雙工串行通信接口； ⑨監(jiān)視定時器； ⑩ 2 個數(shù)據(jù)指針。 AT89S52 單片機(jī)的 40 個引腳中有 2 個專用于主電源引腳， 2 個外接晶振的引腳， 4個控制或與其它電源復(fù)用的引腳，以及 32 條輸入輸出 I/O 引腳 ?5?。 AT89S52 單片機(jī)引腳圖如圖 31 所示： 圖 31 系統(tǒng)溫度傳感器選型與介紹 早期 常見 的 溫度控制系統(tǒng)多數(shù)是模擬電路設(shè)計，主要是使用熱敏電阻或使用鉑電阻，或使用熱電偶等，其溫度控制的準(zhǔn)確度和精確度都不太好。如今，數(shù)字技術(shù)高速發(fā)展，早先的溫度控制系 統(tǒng)也被基于數(shù)字技術(shù)的新一代產(chǎn)品所替代。其中溫度傳感器DS18B20 應(yīng)用非常廣泛，它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面有很大的改進(jìn)。而隨著高性能和低成本的單片機(jī)的不斷發(fā)展，新式無線溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛，它的功能強(qiáng)大，體積小，重量輕，靈活耐用，備受大家青睞 。 因此， 本系統(tǒng)選用的是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 DS18B20 溫度傳感器。選用該傳感器的原因有： ①DS18B20 與微處理器僅需要一條線即可實現(xiàn)雙向通訊，簡化連接難度 。② 無需其他的 AD 轉(zhuǎn)化器件，降低成本，也減少了硬件制板的費用 。③ 可供使用電壓范圍大： 到 都可以使用，器件的功耗較低 。④ 測溫分辨率高，最高可達(dá) 度，便于溫度精確控制 ?8?。 DS18B20 的管腳排列如圖 32所示。 圖 32 DS18B20 高速暫存器共 9個存存單元，如表 31所示： 表 31 DS18B20 高速暫存器 序號 寄存器名稱 作 用 序號 寄存器名稱 作 用 0 1 2 3 溫度低字節(jié) 溫度高字節(jié) TH/用戶字節(jié) 1 HL/用戶字節(jié) 2 以 16位補(bǔ)碼形式存放 以 16位補(bǔ)碼形式存放 存放溫度上限 存放溫度下限 5 6 7 8 保留字節(jié) 2 計數(shù)器余值 計數(shù)器 /℃ CRC 當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲器的第 0和第 1個字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表 1 所示。對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位 S=0 時，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1 時，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計算十進(jìn)制值。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。 DS18B20 有六條控制命令，如表 32 所示： 表 32 DS18B20控制命令 指 令 約定代碼 操 作 說 明 溫度轉(zhuǎn)換 讀暫存器 寫暫存器 復(fù)制暫存器 重新調(diào) E2RAM 44H BEH 4EH 48H B8H 啟動 DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換 讀暫存器 9個字節(jié)內(nèi)容 將數(shù)據(jù)寫入暫存器的 TH、 TL字節(jié) 把暫存器的 TH、 TL字節(jié)寫到 E2RAM中 把 E2RAM中的 TH、 TL字節(jié)寫到暫存器 TH、 TL字節(jié) 讀電源供電方式 B4H 啟動 DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號給主 CPU DS18B20 的工作流程是：首先對 DS18B20 進(jìn)行初始化，然后對 ROM 進(jìn)行讀寫操作。如主機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根 據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)送 RAM指令，這樣才能對 DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。 系統(tǒng)顯示器的選型與介紹 方案一 數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“ 8”可分為 1 位、 2 位、 4 位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管 是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。 雖然，數(shù)碼管顯示亮度高，體積大，可遠(yuǎn)距離觀看，非常直觀，但是只能顯示數(shù)字和 個別英文，不能滿足本系統(tǒng)的要求。 方案二 LCD 字符液晶顯示 采用 LCD 液晶顯示器顯示，畫面好，抗干擾能力強(qiáng)，可以節(jié)省軟、硬件資源，功耗低，成本也不高 。 現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計中最常用 的信息顯示器件。 LCD1602 可以 顯示 2行 16 個字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0D7，和 RS、 R/W、 EN 三個控制端口 。 工作電壓為 5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光 [10]。 具體引腳說明如 表 23所示。 表 33 LCD1602液晶顯示器引腳說明 LCD1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲 器（ CGROM)已經(jīng)存儲了 160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、 常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。 最后綜合了多方面因素的考慮采用了方案二，選擇 LCD1602 顯示器 作為系統(tǒng)的顯示界面 。 3． 2 系統(tǒng)硬件電路分析 系統(tǒng)單片機(jī)主控電路分析 系統(tǒng)單片機(jī)主控電路是整個設(shè)計方案的核心，溫度數(shù)據(jù)的處理，報警及溫度數(shù)據(jù)的顯示控制以及溫度調(diào)節(jié)設(shè)備的控制都有該部分控制實現(xiàn)。本系統(tǒng)單片機(jī)控制模塊電路 由單片機(jī) AT89S52 及晶振電路、復(fù)位電路組成，該部分電路如圖 33所示。 圖 33 系統(tǒng)主控電路由單片機(jī)、時鐘振蕩電路與復(fù)位電路組成。 AT89S52 中有一個構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入和輸出端 ，這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器 。 外接石英晶體 (或陶瓷諧振器 )及電容 C2， C3 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容 C2， C3 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定 性、起振的難易程度及溫度的穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，推薦電容使用 30pF 士 l0pF，如果使用陶瓷諧振器建議選擇 40pF 士 l0pF。 復(fù)位電路采用上電復(fù)位與按鍵復(fù)位來實現(xiàn)， S1 為復(fù)位按鍵。 通電時，電容兩端相當(dāng)于短路，于是 RST 引腳上為高電平，然后電源通過電阻對電容 C1 充電， RST 端電壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，單片機(jī)開始正常工作 。當(dāng) S1 被按下后， 電容 C1迅速放電 ,使 RST 引腳為高電平，從而實現(xiàn)復(fù)位。當(dāng) S1彈起后，電源通過 10KΩ的電阻對電容 C1 重新充電， RST 引腳端出現(xiàn)復(fù)位正脈沖。 在運行中，外界干 擾等因素可使單片機(jī)的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或跑飛。為擺脫困境，可將單片機(jī)復(fù)位，以重新啟動 ?7?。 系統(tǒng)溫度采集部分電路分析 溫度采集部分由 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 組成。 DS18B20是 獨特的一線接口， CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信 ，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用 ， 無需外部元件 ， 可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 V 至 V。 測量溫度范圍為 55℃ 至 +125℃， 華氏相當(dāng)于是 67 到 257 華氏度 ， 10℃ 至 +85℃ 范圍內(nèi)精度為177。 ℃。 可編程的分辨率 為 9～ 12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、 ℃和 ℃ ，可實現(xiàn)高精度測溫 。 本設(shè)計采用三引腳 PR35封裝的 DS18B20，其與單片機(jī)接口電路的連接方式如圖 34所示。 Vcc 接外部 +5V 電源， GND 接地， I/O 與單片機(jī)的 (T2)引腳相連， 同時 I/O口通過 10K上拉電阻接到 +5V。 圖 34 系統(tǒng)溫度采集部分電路 系統(tǒng)顯示部分電路分析 顯示部分采用 LCD1602 液晶顯示模塊，液晶板上排列著若干 5 7或 5 10點陣的字符顯示位 ,每個顯示位可顯示 1 個字符，從規(guī)格上分為每行 1 2 3 40位，有