【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)光二極體通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流， CE 導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號(hào)，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止， CE 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 13 頁 共 35 頁 13 不通。對(duì) 于數(shù)位量，當(dāng)輸入為低電平“ 0”時(shí)，光敏三極管截止，輸出為高電平“ 1”；當(dāng)輸入為高電平“ 1”時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“ 0”。 整體設(shè)計(jì)框圖 本課題要設(shè)計(jì)的溫室溫度控制系統(tǒng)主要包括：（ 1）單片機(jī)控制模塊： ATC89C51；（ 2）數(shù)據(jù)顯示模塊（ 3）加熱模塊（ 4）降溫模塊 （ 5）溫度采集模塊 （ 6）按鍵模塊。 系統(tǒng)總的電路框圖如圖 25 所示。 圖 25 系統(tǒng)總的電路框圖 (1）單片機(jī)控制模塊 主要采用 STC89C52 芯片設(shè)計(jì)，為本設(shè)計(jì)的核心模塊，主要負(fù)責(zé)對(duì)其他部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制。 (2） DS18B20 溫度采集模塊 采用數(shù)字 DS18B20 的溫度傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量當(dāng)前室內(nèi)空氣的溫度，并輸送到單片機(jī)由其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 (3）加熱與降溫模塊 負(fù)責(zé)對(duì)制冷和加熱設(shè)備啟動(dòng)與關(guān)閉的控制，當(dāng)溫度高于所設(shè)計(jì)的上限溫度時(shí) ，負(fù)責(zé)制冷的設(shè)備的繼電器閉合，負(fù)責(zé)制熱的設(shè)備的繼電器斷開；當(dāng)溫度低于所設(shè)計(jì)的下限溫度時(shí)，啟動(dòng)加熱模塊。 (4）數(shù)碼管溫度顯示模塊 由 LCD1602 組成，負(fù)責(zé)對(duì)當(dāng)前溫度和設(shè)定的上下限溫度顯示，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度。 (5）按鍵調(diào)節(jié)模塊 通過按鍵的按下，實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)上下限溫度值，以達(dá)到自己想要的溫度范圍，并通過外接的制冷設(shè)備或加熱設(shè)備，進(jìn)行調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度在所設(shè)定的范圍之內(nèi)。 DS18B20 單片機(jī) STC89C51 LCD1602 按鍵輸入 加熱 降溫 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 14 頁 共 35 頁 14 3 硬件模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 整體電路結(jié)構(gòu) 由 STC89C51 單片機(jī)構(gòu)成的核心處理模塊；由 DS18B20 構(gòu)成的溫度測(cè)量模塊；由LCD1602 液晶屏組成溫度顯示模塊；由 5 個(gè)按鍵組成功能按鍵功能設(shè)置模塊，用于設(shè)置需要監(jiān)控的溫度范圍；由風(fēng)扇和制冷制熱片組成的制冷和加熱設(shè)備模塊，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)溫度；以及控制電壓輸出的電源模塊。系統(tǒng)總電路圖如圖 31 所示。 圖 31 系統(tǒng)總電路圖 單片機(jī)處理模塊內(nèi)含了震蕩電路和復(fù)位電路，該模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的控 制； LCD1602 組成的顯示模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)溫度的顯示，還顯示需要監(jiān)控的溫度范圍數(shù)據(jù)。 DS18B20 的溫度檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)對(duì)模擬溫室溫度的測(cè)量，把數(shù)據(jù)返回單片機(jī)進(jìn)行處理，及時(shí)的做出相應(yīng)的調(diào)整；加熱模塊則由陶瓷加熱片負(fù)責(zé)加熱，小型電風(fēng)扇則通過通風(fēng)散熱達(dá)到降溫的目的；電源模塊則可以把高電壓轉(zhuǎn)變成合適的電壓供各個(gè)模塊正常運(yùn)行。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 15 頁 共 35 頁 15 系統(tǒng)控制模塊 控制和數(shù)據(jù)處理模塊采用 STC89C51 片構(gòu)成，由于該單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算能力強(qiáng)，而且利用軟件編程靈活，具有 功耗低、體積小、 I/O 口資源豐富、通用性強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 32。 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng) AT89C51 內(nèi)部已具備振蕩電路，只要在接地引腳上面的兩個(gè)引腳（即 XT XT2腳）連接石英晶體 與電容 即可 。 引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體一起構(gòu)成自激振蕩器， 為確保 單片機(jī) 機(jī)系統(tǒng)中 電路 穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電 復(fù)位 。一般 單片機(jī) 機(jī)電路正常工作需要供電電源為 5V177。5%，即～ 。由于 單片機(jī) 機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在電源上電時(shí)，只有當(dāng) VCC 超過 低于 以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才會(huì)撤除， 單片機(jī) 機(jī)電路開始正常工作。 復(fù)位電路工作原理 ： VCC 上電時(shí)， C 充電，在 10K 電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位；幾個(gè)毫秒后， C 充滿， 10K 電阻上電流降為 0，電壓也為 0，使得單片機(jī) 進(jìn)入工作狀態(tài) 。工作期間，按下 開關(guān) ， 電容 C 放電，在 10K 電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位。 單片機(jī)復(fù)位電路要求有一個(gè)持續(xù)時(shí)間，加上電容可以利用其兩端電壓不能突變的特 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 16 頁 共 35 頁 16 性，使復(fù)位電平維持一定時(shí)間，使單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)一般有兩種復(fù)位方式：上電復(fù)位，在系統(tǒng)一上電時(shí)利用 電容兩端電壓不能突變的原理給系統(tǒng)一個(gè)短時(shí)的高電平；按鍵復(fù)位，通過按鍵接通高電平給系統(tǒng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)中采用的是上電復(fù)位和按鍵復(fù)位同時(shí)有效。 在 MCS51系列單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘電路，其核心是一個(gè)高增益單極反相放大器，將晶體振蕩器提供的振蕩信號(hào)放大。 XTAL1 引腳和 XTAL2 引腳就分別是此放大器的輸入端和輸出端。 單片機(jī)內(nèi)部雖然有這個(gè)時(shí)鐘電路，但要形成時(shí)鐘，必須外接附加電路。用不用這個(gè)內(nèi)部放大器，就形成了單片機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生的不同方式：若采用這個(gè)放大器，即為內(nèi)部方式；若采用外部放大器，即為外部方式。本系統(tǒng)采用內(nèi)部方式 ，振蕩器在加電 10ms 開始起振， XTAL2 輸出 3V 左右的正弦波。 晶振頻率可以在 ~12MHz 之間任選，由于制造工藝的改進(jìn)，有些單片機(jī)的振蕩頻率范圍正向兩端延伸，可達(dá)到 40MHz。振蕩頻率越高表示單片機(jī)的運(yùn)行速度越快，但同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器的速度和印刷電路板的要求也就越高。如果存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度跟不上的話，再快的 CPU 也是沒用。 這個(gè)并聯(lián)諧振電路對(duì)電容的值沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小多少會(huì)影響振蕩器的穩(wěn)定性、振蕩器頻率的高低、起振的快速性等。所以一般外接晶體時(shí)， C C2 的值通常選為 20~100pF，在 60~70pF 時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。 本系統(tǒng)選用石英晶體振蕩器，晶振頻率為 12MHz，目的是方便計(jì)算； C C2 的值為 30PF。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，晶振、電容等均應(yīng)盡可能靠近芯片，以減小分布電容，進(jìn)一步保證振蕩器的穩(wěn)定性。 溫度采集模塊 溫度采集模塊的核心器件是 DS18B20，通過 2 管腳連接單片機(jī) 端口，而取測(cè)量到的溫度值。 DS18B20 是 1Wire 總線數(shù)字溫度傳感器，它將數(shù)據(jù)線、控制線、地址線合為一根信號(hào)線，并且允許在這根信號(hào)線掛接多個(gè) 1Wire 總線器件。 1Wire 總線技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省 I/O 資源、便于總線擴(kuò)展、成本低廉和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。最典型的 DS18B20 是 DALLS 公司生產(chǎn)的，它是采用 1Wire 總線技術(shù)的典型產(chǎn)品，其內(nèi)部由以下 4 個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件組成。 64 位激光 ROM： 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（ 28H）是該產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的 48 位是產(chǎn)品的自身序列號(hào)，最后 8 位是其前面 56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在一根總線上掛多個(gè) DS18B20 的目的。靈敏部件： DS18B20溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè) 量；非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 與 TL：可通過軟件編程寫入用戶設(shè)定報(bào)警的上下限值； 配置寄存器：為中間結(jié)果暫存器中字節(jié) 4，可以自行設(shè)置 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的分辨率，其對(duì)應(yīng)的可分辨率溫度分別為 ℃、 ℃、 ℃、 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 17 頁 共 35 頁 17 ℃，上電缺省值為 12 位分辨率；測(cè)量溫度范圍為 55℃～ +125℃，在 10℃～ +85℃范圍內(nèi)精度為177。 ℃。溫度采集模塊如圖 33 所示。 圖 33 溫度采集模塊 由于 DS18B20 的本身特性，需要很高的電流，故沒有采用寄生電源，而是直接 外接一個(gè)電源。 DS18B20 在出廠時(shí)以配置為 12 位，讀取溫度時(shí)共讀取 16 位，前 5 個(gè)位為符號(hào)位，當(dāng)前 5 位為 1 時(shí)，讀取的溫度為負(fù)數(shù)；當(dāng)前 5 位為 0 時(shí)，讀取的溫度為正數(shù)。 (1) 初始化時(shí)序 總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機(jī)響應(yīng)應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道，總線上有從機(jī)設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。主機(jī)輸出低電平，保持低電平時(shí)間至少 480us，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著主機(jī)釋放總線， ，延時(shí) 15～ 60us，并進(jìn)入接受模式，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時(shí) 480us。 DS18B20 初始化如圖 34 所示。 圖 34 初始化時(shí)序 (2) 寫時(shí)序 寫時(shí)序包括寫 0 時(shí)序和寫 1 時(shí)序。所有寫時(shí)序至少需要 60us，且在 2 次獨(dú)立的寫時(shí)序之間至少需要 1us 的恢復(fù)時(shí)間，都是以總線拉低開始。寫 1 時(shí)序，主機(jī)輸出低電平， 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 18 頁 共 35 頁 18 延時(shí) 2us，然后釋放總線，延時(shí) 60us。寫 0 時(shí)序，主機(jī)輸出低電平，延時(shí) 60us，然后釋放總線，延時(shí) 2us[8]。寫時(shí)序如圖 35 所示。 圖 35 寫時(shí)序 (3) 讀時(shí)序 總線器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)序是，才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，所以，在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀 時(shí)序，以便從機(jī)能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時(shí)序至少需要 60us，且在2 次獨(dú)立的讀時(shí)序之間至少需要 1us 的恢復(fù)時(shí)間。每個(gè)讀時(shí)序都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線 1us。主機(jī)在讀時(shí)序期間必須釋放總線，并且在時(shí)序起始后的 15us 之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。主機(jī)輸出低電平延時(shí) 2us，然后主機(jī)轉(zhuǎn)入輸入模式延時(shí) 12us，然后讀取總線當(dāng)前電平，然后延時(shí) 50us。每一片 DSl8B20 在其 ROM 中都存有其唯一的 48 位序列號(hào)，在出廠前已寫入片內(nèi) ROM 中。 程序可以先跳過 ROM，啟動(dòng)所有 DSl8B20 進(jìn)行溫度變換，之后通過匹配 ROM，再逐一地讀回每個(gè) DSl8B20 的溫度數(shù)據(jù)。讀時(shí)序如圖 36 所示。 圖 36 讀時(shí)序 低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 19 頁 共 35 頁 19 法計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測(cè)量前，首先將 55 ℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器 被預(yù)置在 55 ℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時(shí)溫度寄存器的值將加 1，減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器 1 重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度?？刂浦噶钊绫?31 所示。 表 31 ROM操作命令 指令 約定代碼 功 能 讀 ROM 33H 讀 DS18B20 ROM 中的編碼 符合 ROM 55H 發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單線總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的 DS18B20 使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該 DS18B20 的讀寫作準(zhǔn)備 搜索 ROM 0F0H 用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個(gè)數(shù)和識(shí)別 64 位ROM 地址，為操作各器件作好準(zhǔn)備 跳過 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 發(fā)溫度變換命令，適用于單片工作。 告警搜索 命 令 0ECH 執(zhí)行后，只有溫度超過設(shè)定值上限或者下限的片子才做出響應(yīng) 溫度變換 44H 啟動(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)為 500MS，結(jié)果存入內(nèi)部 9 字節(jié) RAM 中 讀暫存器 0BEH 讀內(nèi)部 RAM 中 9 字節(jié)的內(nèi)容 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內(nèi)部 RAM