【文章內(nèi)容簡介】 ????? ? (24) = 浴室的墻壁表面是光潔的，對于輻射到其上的能量，能夠?qū)⒔^大部分反射，因而不論空氣對于熱量的吸收率是多少，熱量往返反射之間，最終都會被空氣吸收；所以在能量計算中，從整體考慮，可以處理為熱源的能量全部被空氣所吸收，不去分段考較每一個瞬間的輻射。 xx 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 tPW ?? 所以平均溫度達(dá) 到 35oC，所需要的時間： PWt /? = = 按照傳熱學(xué)輻射理論，計算輻射強(qiáng)度（計算中，空氣吸收率取 ）： tEbW ??? 即 tWEb /?? =532W/m2 又 EbPr ?2/)2/(2 ? 計算得： r1= 圖 24 平均溫度為 35oC 時，所在位置示意圖 取平均溫度為 40oC 的狀況：室溫為 25oC 空氣的定壓比熱容按理想氣體狀況取值， Cp =空氣的密度按常溫狀況下取值， ? =經(jīng)歷時間 t1后，室內(nèi)空氣吸收輻射熱量，平均溫度達(dá)到了 40oC， 需要的能量 : ? ? ?????? 室溫平均 TTVCpW ? KJ 第 2章 方案論證 9 平均溫度上升到 40oC 需要的時間： tPW ?? PWt /? = 按照傳熱學(xué)輻射理論，計算輻射強(qiáng)度（計算中，空氣吸收率取 ）： tEbW ??? tWEb / ?? =798W/m2 又 EbPr ?2/)2/(2 ? 計算得： r2= 浴室內(nèi)部的溫度梯度是逐漸變緩的，溫度降越來越小，越遠(yuǎn)離浴霸的球面，其溫度降越緩；靠近浴霸所在，溫度降劇烈。而且隨著時間的延長，浴室的整體溫度升高，其平均溫度所在也是不斷地內(nèi)移的，溫度越高越是靠近中心熱源所在。 結(jié)論：根據(jù)以上計算結(jié)果，可以得出結(jié)論，當(dāng)平均溫度從 35oC 升高到40oC 的時候，平均溫度所在位置從距離熱源的半球面內(nèi)移到 了距離熱源的半球面上。 整體工作原理 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，選擇 DS18B20 作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片機(jī) AT89S51 為測控系統(tǒng)的核心來完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報警等功能。選用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，省卻了采樣／保持電路、運放、數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路以及進(jìn)行長距離傳輸時的串／并轉(zhuǎn)換電路，簡化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時間，降低了系統(tǒng)的硬件成本 [2]。 該系統(tǒng)的總體設(shè)計思路如下：溫度傳感器 DS18B20 把所測得的溫度發(fā)送到 AT89S51 單片機(jī)上，經(jīng)過 51 單片機(jī)處理，將把溫度在顯示電路上顯示，本 系統(tǒng)顯示器為點陣字符 LCD， 1602 液晶模塊。檢測范圍 35 攝氏度到 40攝氏度。本系統(tǒng)除了顯示溫度以外還可以設(shè)置一個溫度值，對所測溫度進(jìn)行監(jiān)控當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后超過設(shè)定溫度的上限時，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動xx 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 繼電器開啟降溫設(shè)備 (排風(fēng)扇 )，當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度時，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動繼電器開啟升溫設(shè)備 (浴霸 )。當(dāng)由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設(shè)備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感器出現(xiàn)故障導(dǎo)致在一段時間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時候，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動揚聲器發(fā)出警笛聲。 A T 8 9 S 5 1 單 片 機(jī)C P U鍵 盤 電 路溫 度 采 集 電路溫 度 顯 示 電路超 溫 報 警 電路繼 電 器 1繼 電 器 2 排 風(fēng) 扇暖 燈 圖 25 工作原 理圖 溫度控制系統(tǒng)采用 AT89S51 單片機(jī)作為微處理單元進(jìn)行控制。獨立式鍵盤把設(shè)定溫度的最高值和最低值存入單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器，還可以通過鍵盤完成溫度檢測功能的轉(zhuǎn)換。溫度傳感器把采集的信號與單片機(jī)里的數(shù)據(jù)相比較來控制溫度控制器。 中央微處理器 AT89S51： AT89S51 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 80S51 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 AT89S51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。 AT89S51 具有如下特點： 40 個引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)， 32 個外部雙向輸入 /輸出 (I/O)口， 5 個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器， 2 個全雙工串行通信口，看門狗第 2章 方案論證 11 (WDT)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外， AT89S51 設(shè)計和配置了振蕩頻率 ，并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式。 AT89S51 單片機(jī)綜合了微型處理器的基本功能。按照實際需要，同時也考慮到設(shè)計成本與整個系統(tǒng)的精巧性，所以在本系統(tǒng)中就選用價格較低、工作穩(wěn)定的 AT89S51 單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的控制器 [3]。 溫度傳感器的選擇 采用模擬集成溫度傳感器 集成傳感器是 采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用 IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度 )、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡單。圖 26 是 AD590 用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因為流過 AD590 的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻 R1 和電位器 R2 的電阻之和為 1k? 時，輸出電壓 Vo 隨溫度的變化為 1mV/K。但由于 AD590 的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把 AD590 放于冰水混合物中，調(diào)整電位器 R2，使 Vo =。或在室溫下 (25℃ )條件下調(diào)整電位器 ,使 Vo =+25=(mV)。但這樣調(diào)整只可保證在 0℃或 25℃附近有較高精度 [4]。 AD590 把被測溫度轉(zhuǎn)換為電流再通過放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)字量送給單片機(jī)進(jìn)行溫度控制。 xx 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 26 基于 AD590 測溫基本應(yīng)用電路 采用數(shù)字單片智能溫度傳感器 智能溫度傳感器 (亦稱數(shù)字溫度傳感器 )是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù) (ATE)的結(jié)晶。目前，已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器 )和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選 擇器、中央控制器 (CPU)、隨機(jī)存取存儲器 (RAM)和只讀存儲器 (ROM)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器 (MCU). 智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線 (1WIRE)總線、 I2C 總線、 SMBUS 總線和 SPI 總線 [5]。溫度傳感器作為從機(jī)可通過專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。典型產(chǎn)品有 DS18B20，智能溫度控制器適配各種微控制器 ,構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng)；它們還可以脫離微控制器單獨工作 ，自行構(gòu)成一個溫控儀。 DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有 3 引腳TO－ 92 小體積封裝形式；溫度測量范圍為 － 55℃ ～＋ 125℃ ，可編程為 9位～ 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度 ,，測溫分辨率可達(dá) ℃，被測溫度用符號擴(kuò)展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生第 2章 方案論證 13 電源方式產(chǎn)生；多個 DS18B20 可以并聯(lián)到 3 根或 2 根線上， CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。同 DS1820 一樣， DS18B20 也支持“一線 總線”接口，測量溫度范圍為 55℃ ~+125℃，在 10℃ ~+85℃范圍內(nèi)精度為 ℃。DS18B20 的精度較差為177。 ℃。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持 3V~ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小 [6]。 DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨 特而且經(jīng)濟(jì)的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念?，F(xiàn)在，新一代的“ DS1820”體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。使您可以充分發(fā)揮“一線總線”的長處。 DS18B DS1822“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器 [7]。 由于 DS18B20 將溫度傳感器、信號放大調(diào)理、 A/D 轉(zhuǎn)換、接口全部集成于一芯片，與單片機(jī)連接簡單、方便，與 AD590 相比是更新一代的溫度傳感器，所以溫度傳感器采用 DS18B20[8]。 顯示器的選擇 LED 顯示器 采用傳統(tǒng)的七段數(shù)碼 LED 顯示器。 LED 雖然 價格便宜，但在現(xiàn)代的許多儀表、各種電子產(chǎn)品中逐漸被 LCD 所取代。 LCD 液晶屏 采用 LCD 液晶屏進(jìn)行顯示。 LCD 液晶顯示器是一種低壓、微功耗的顯示器件，只要 2～ 3 伏就可以工作，工作電流僅為幾微安，是任何顯示器無法比擬的，同時可以顯示大量信息，除數(shù)字外，還可以顯示文字、曲線，比傳統(tǒng)的數(shù)碼 LED 顯示器顯示的界面有了質(zhì)的提高。在儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。優(yōu)點為： (1)顯示質(zhì)量高，由于液晶顯示器的每一個點收到信號后就一直保持那xx 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 種色彩和亮度恒定發(fā)光，因此液晶顯示器的畫質(zhì)高而且不會閃爍。 (2)數(shù)字式接口，液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)的接口簡單操作也很方便。 (3)功率消耗小，相比而言液晶顯示器的主要功耗在內(nèi)部電極和驅(qū)動 IC上，因而耗電量比其他器件要小很多。 雖然 LCD 顯示器的價格比數(shù)碼管要貴，但它的顯示效果好，是當(dāng)今顯示器的主流，所以采用 LCD 作為顯示器。 核心芯片的選擇 采用凌陽單片機(jī) 隨著單片機(jī)功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴(kuò)展為控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號處理（ DSP， Digital SignalProcessing）等領(lǐng)域。凌陽的 16 位單 片機(jī)就是為適應(yīng)這種發(fā)展而設(shè)計的。它的 CPU 內(nèi)核采用凌陽最新推出的 181。’ nSP?（ Microcontroller and Signal Processor） 16 位微處理器芯片（以下簡稱 181。’ nSP?）。圍繞 181?！?nSP?所形成的 16 位 181。’ nSP?系列單片機(jī)（以下簡稱 181。’ nSP?家族）采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以 181。’nSP?內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的 ROM、 RAM 和功能豐富的各種外設(shè)接口部件。 181?！?nSP?內(nèi)核是一個通用的核結(jié)構(gòu)。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)，亦即這種結(jié)構(gòu)可大可小或可有可無。借助這種通用結(jié)構(gòu)附加可選 結(jié)構(gòu)的積木式的構(gòu)成，便可形成各種不同系列派生產(chǎn)品，以適合不同的應(yīng)用場合。這樣做無疑會使每一種派生產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更低的成本。 利用凌陽單片機(jī)有一定的好處，凌陽的優(yōu)勢是硬件性能，抗干擾能力強(qiáng)，但凌陽單片機(jī)我們沒有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，這對于剛接觸單片機(jī)的我們來說不是很容易上手，其價格也要比 89S51 昂貴一些，因此我們并沒有將其作為首選。 采用 AT89S51 單片機(jī) 由于單片機(jī)技術(shù)在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)，在單片機(jī)家族的眾多成員中，MCS51 系 列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)第 2章 方案論證 15 用領(lǐng)域中的主流 [9]。 單片機(jī)的誕生標(biāo)志著計算機(jī)正式形成了通用計算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)兩個分支。通用計算機(jī)系統(tǒng)主要用于海量高速數(shù)值運算，不必兼顧控制功能，其數(shù)據(jù)總線的寬度不斷更新，從 8 位、 16 位迅速過渡到 32 位、 64位，并且不斷提高運算速度和完善通用操作系統(tǒng)，以突出其高速海量數(shù)值運算的能力，在數(shù)據(jù)處理、模擬仿真、人工智能、圖像處理、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信中得到了廣泛應(yīng)用；單片機(jī)作為最典型的 嵌入式系統(tǒng)，由于其微小的體積和極低的成本，廣泛應(yīng)用于家用電器、機(jī)器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動化設(shè)備以及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。因此，單片機(jī)的出現(xiàn)大大促進(jìn)了現(xiàn)代計