【文章內容簡介】 中有廣泛的應用，系統(tǒng)上電后默認設定的恒溫溫度為 20℃ ，使用時可以自行調節(jié)預期的恒溫溫度，調節(jié)范圍為 0~99℃ 。調節(jié)好后 系統(tǒng)會將采集來的實時溫度與設定的預期溫度進行比較，如果實時溫度比設定溫度高就開啟制冷設備，如果實時溫度比預期溫度低就開啟加熱設備。如果溫度一樣則不開啟加熱或制冷設備。在顯示電路上通常顯示的是實時的溫度，即傳感器采集來的溫度，如果想要顯示人們設定的預期溫度可以按顯示切換鍵，這是顯示器上就會顯示預期溫度，幾秒鐘后跳回，顯示實時溫度。顯示實時溫度 時，表示顯示的是實時溫度的發(fā)光二極管點亮。而顯示預期溫度的時候，表示顯示的是預期溫度的發(fā)光二極管點亮。 時鐘 80C51單片機 復位電路 進 入 溫 度 設 定，溫度加、減按鍵輸入 電路 溫度采集電 路 顯示切換按鍵電路 2 位七段數碼管顯示 2 個發(fā)光二極管顯示 溫度調節(jié)電路 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） 5 單片機整個 恒溫箱 的核心，內部電路設計用匯編語言編寫。它完成了溫度參數設定，溫度采集計算，溫度顯示，溫度比較，溫度調節(jié)等功能。 系統(tǒng)需求分析 。 0~99℃的范圍內，人們可以自由調節(jié)預期達到的溫度。 ，以正常調節(jié)溫度。 。 ，當按下顯示切換鍵后能顯示幾秒鐘的 預期溫度。 智能 恒溫箱 的工作流程 智能 恒溫箱 的基本工作原理：在使用 恒溫箱 時，系統(tǒng)會將從溫度傳感器采集來的溫度轉化為攝氏度的形式，與事先設定的預期溫度進行比對，然后根據比對的結果采取相應的措施（加熱，或制冷）來不斷地接近以至于達到預期的溫度。并且系統(tǒng)能夠顯示實時的溫度和設定的預期溫度。 恒溫箱 的工作流程如圖 22 所示： 劉楊：基于單片機的智能恒溫箱的設計 6 圖 22 恒溫箱 工作流程 加載程序 運行 不進行溫度設定 進入溫度設定 溫度加 溫度減 溫度比較并進 行溫度調節(jié) 溫度采集與計算 顯示實時溫度 顯示切換 無顯示切換 顯示設定溫度 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） 7 恒溫箱 的工作過程 。如果想調節(jié)預期的溫度，先閉合“溫度設定”開關，進入調節(jié)狀態(tài)，此時會顯示設定的溫度值，如果想加一攝氏度就按下“加 1℃”鍵，如果想減一攝氏度就按一下“減 1℃”鍵，溫度 LED 顯示器上會顯示改變后的溫度 ，調整范圍為 0~99℃。 0℃時再減 1℃會跳到 99℃， 99℃時再加 1℃會跳到0℃。要退出調節(jié)狀態(tài)，斷開“溫度設定”開關即可。 。單片機通過與溫度傳感器進行通信，獲取實時溫度信息，并將所獲取的溫度信息數據轉 化為攝氏溫度的形式存儲起來。 。將存儲的實時攝氏溫度與設定的預期溫度經行比較。如果實時溫度高于設定溫度，則開啟制冷器；如果實時溫度低于設定溫度，則開啟加熱器。 。將存儲的實時溫度顯示在 LED 數碼管上。 。若想查看設定的預期溫度，則需按下“溫度顯示切換”按鍵，然后 LED 顯示器就會 顯示設定預期的溫度，顯示時間為數秒，跳出預期溫度的顯示。若再想查 看預期溫度顯示需再次按下“溫度顯示切換”按鍵。 總而言之，本課題利用 80C51 單片機及外圍接口實現的溫度控制系統(tǒng)設計了恒溫箱 ，該 恒溫箱 提高了系統(tǒng)的可靠性，簡化了電路結構，節(jié)約了成本 ， 是一個實用的工程設計。 本章小結 本章主要講述了 恒溫箱 的工作原理和本設計系統(tǒng)的工作流程。在說明工作原理的過程中，突出了電路的組成單元以及這些單元如何實現溫度采集和溫度控制等功能。在說明系統(tǒng)流程時，結合本設計的內容，指出了參數設置的方法和意義。 劉楊：基于單片機的智能恒溫箱的設計 8 第 3章 智能 恒溫箱 的硬件設計 硬件 電路設計概述 本設計分為硬件設計和軟件設計，這兩者相互結合，不可分離：從時間上看，硬件設計的絕大部分工作量是在最初階段，到后期往往還要 做一些修改。只要技術準備充分，硬件設計的大量返工是比較少的，軟件設計的任務是貫徹始終的，到中后期基本上都是軟件設計任務，隨著集成電路計數 器 的飛速發(fā)展，各種功能很強的芯片不斷出現，使硬件電路的集成度越來越高，硬件設計的工作量在整個項目中所占的比重逐漸下降，為使硬件電路設計盡可能合理，應注意以下幾個方面： ，以簡化電路 。 功能強的芯片可以代替若干個普通芯片，隨著生產工藝的提高，新型芯片的價格在不斷下降，并不一定比若干個普通芯片價格總和高。 。在設計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展 的方便。因為很少有一錘定音的電路設計，如果現在不留余地，將來可能要為一點小小的修改或擴展而被迫進行全面返工。 。選用片內程序空間足夠大的單片機，本設計采用 80C51 單片機。 空間， 80C51 單片機內部 RAM 不多，當要增強軟件數據處理功能時，往往覺得不足。如果系統(tǒng)配置了外部 RAM，則建議多留一些空間。如果選用 8155作 I/O 接口，就可以增強 256 字節(jié) RAM。如果有大批數據需要處理，則應配置足夠的 RAM，如 626 62256 等。隨著軟件 設計水平提高，往往只要改變或者增加軟件中的數據處理算法，就可 以使 系統(tǒng)功能提高很多，而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級換代。只要在硬件電路設計初期考慮到這一點，就應該為系統(tǒng)將來升級留有足夠的 RAM 空間，哪怕多設計一個 RAM 插座，暫時不插芯片也好。 I/O 端口， 在樣機研制出來后進行現場試用時，往往會發(fā)現一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如果有些新的信號需要采集，就必須增加輸入檢測端：有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件電路設計就預留出一些 I/O 端口，雖然當時空著沒用，那么要用的時候就能派上用場了。 總體硬件原理圖 總體硬件原理圖如圖 31 所示，圖中主要部分 U1 芯片為 80C51 單片機， U2為溫度傳感器 DS18B20。溫度傳感器接到單片機的 口。兩個發(fā)光二極管“ HEAT”和“ COOL”分別表示傳送給加熱器和制冷器的啟動信號，分別接到單片機的 ， 口。如果“ HEAT”燈點亮表示加熱器在工作；如果“ COOL”燈點亮 表示制冷器在工作。按鍵“溫度顯示切換”是用于切換顯示預設的溫度的按鍵，接單片機的 口。還有兩個發(fā)光二極管分別是“實時溫度”和“設定安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） 9 溫度”，表示當前數碼管顯示的是實時溫度還是設定溫度，若“實時 溫度”的發(fā)光二極管點亮表示數碼管顯示的實時溫度，若“設定溫度”的發(fā)光二極管點亮則 劉楊：基于單片機的智能恒溫箱的設計 10 圖 31 總體硬件原理圖 則表示數碼管當前顯示的是設定溫度。兩個數碼管分別接單片機的 ， 口。圖中有兩個七段共陰數碼管，它的字段碼信號端口接到單片機的 ~口，公共端接單片機的 和 口。開關“溫度設定”接單片機的 口，按鈕“加 1℃”和“減 1℃”分別接單片機的 和 口。按閉合“溫度設定”開關進入預期溫度的設定，按“加 1℃”，“減 1℃”按鈕來加減溫度。 時鐘頻率電路 設計 單片機必須在時鐘的驅動下才能工作，在單片機內部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產生一定周期的時鐘信號送到單片機內部的各個單元，決定單片的工作頻率，時鐘電路如圖 32 所示。 圖 32 外部振蕩電路 一般選用石英晶體振蕩器。此電路大約延遲 10ms 后振蕩器起振，在 XTAL2引腳產生幅度為 3V 左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要有石英晶體的頻率確定。電路中兩個電容 C C2 的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調。 C C2 的典型值為 30pF。 單片機工作時，由 內部振蕩器產生或由外直接輸入的送至內部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期，其大小是時鐘信號頻率的倒數，時鐘信號頻率常用 fosc 表示。圖中時鐘頻率為 12MHz，即 fosc=12MHz，則時鐘周期為 1/12μs。 復位電路設計 單片機的第 9 腳 RST 為硬件復位電路，只要在該端加上持續(xù) 4 個機器周期的高電平即可實現復位，復位后單片機的各個狀態(tài)都恢復到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖 33 所示。 圖 33 中由按鍵以及電容 C電阻 R R2 構成上電復位及手動電路。由于單片機是高電平復位，所以上電復位時，接通電源即 可，當上電后，由于電容C1 開始緩緩充電，則圖中電路由 5V電源到電容到電阻 R1 和地之間形成一個通路，由于在 R1 上產生電壓降，則單片機的 RST 腳上為高電平，經過一段時間后安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） 11 電容的電充滿，此時 C1 處可視為斷路，單片機 RST 腳處電壓逐漸降為 0V，即處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時單片機完成上電復位，程序從 0000H 開始執(zhí)行。手動復位時，按一下圖中的按鈕即可，當按鍵按下的時候，單片機的 9 腳 RST管腳處于高電平，此時單片機處于復位狀態(tài)。 值得注意的是，在設計當中使用到了硬件復位電路和軟件復位兩種功能，由上面所述的硬件復位之后的 各狀態(tài)可知，寄存器的值都恢復到了初始值，而前面的功能介紹中提到了倒計時時間的記憶功能，該功能實現的前提條件就是不能對單片機進行硬件復位，所以設定了軟件復位功能。軟件復位實際上就是當程序執(zhí)行完畢之后，將程序指針通過一條跳轉指令讓它跳轉到程序執(zhí)行的起始地址。 圖 33 硬件復位電路 顯示電路的設計 顯示電路概述 示功能與硬件關系極大，在這里我們使用的是七段數碼管顯示，通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)掃描。其中靜態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡 單，但占用端口資源多；動態(tài)掃描的特點是顯示穩(wěn)定程度沒有靜態(tài)顯示好，程序編寫復雜，但是相對靜態(tài)顯示而言最大的優(yōu)點是占用端口資源少。由于本設計需要較多的端口用于其它的功能因此采用占用端口少的動態(tài)掃描顯示的辦法。以下將對顯示電路的各個部件及整體設計做詳細的介紹。 七段 LED 數碼管的原理 LED 數碼管顯示器由 8 個發(fā)光二極管中的 7 個長條發(fā)光二極管（稱七筆段）按 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 順序組成“ 8”字形，另一個點形的發(fā)光二極管放在右下方，用來顯示小數點。數碼管按內部連接方式又分為共陽極數碼管和共陰極數碼管 兩種。若內部 8 個發(fā)光二極管的陽極連在一起接電源正極，就成為共陽極數碼管；若 8 個發(fā)光二極管的陰極連在一起接地，測稱為共陰極數碼管。 本次設計所用的到的共陰極數碼管的引腳如圖 34 所示，外部有 10 個引腳，其中 1 和 6 引腳連通，作為公共端接地。 劉楊：基于單片機的智能恒溫箱的設計 12 圖 34 一位共陰極數碼管引腳圖 從 LED 數碼的結構可以看出，不同筆段的組合就何以構成不同的字符，例如筆段 b、 c 被點亮時，就可以顯示數字 1：當筆段 a、 b、 c 被點亮時，就可以顯示數字 7；只要控制 7 個發(fā)光二極管按一定要求亮與滅，就能顯示出十六進制字符 0~F。將控制數碼管顯 示字符的各字段代碼稱為顯示代碼或字段碼。 數碼管顯示碼是表述二進制數與數碼管所顯示字符的對應關系的，如表 31所示。對于共陰極數碼管，由于 8 個發(fā)光二極管的陰極已連在一起接地，所以，只要控制各字段的正極，就可以控制發(fā)光二極管的亮與滅。 表 31 七段顯示譯碼器的真值表及段碼表 字 符 h g f e d c b a 字段碼 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 共陽字碼段 C0H 共陰字碼段 3FH 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 共陽字碼段 F9H 共陰字碼段 06H 2 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 共陽字碼段 A4H 共陰字碼段 5BH 3 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 共陽字碼段 B0H 共陰字碼段 4FH 4 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1