【正文】 S E N S B15G ND8VS4V C C9U4L 2 9 8 17 第四章 系統(tǒng)整體設(shè)計及硬件模塊設(shè)計 晶振及復(fù)位模塊 晶振電路能為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，通常一個系統(tǒng)使用一個晶振，以便各部分保持同步。 （ 5） OUT1 與 OUT OUT3 與 OUT4 可以分別控制兩個電機與電機的兩端相連。 （ 3） IN1IN4 與單片機相連，輸入高低電平來控制電機的正反轉(zhuǎn)。 L298N 用來驅(qū)動直流電機的模塊引腳如圖 所示： 圖 L298N 模塊引腳圖 （ 1） VCC 接電源正極（ 3V46V） 。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為 2A；額定功率 25W 內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進(jìn)電動機、繼電器線圈等感 性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。 斜累加 器 計數(shù)器 1 預(yù) 置 低溫度系數(shù)晶振 比 較 =0 溫度寄存器 預(yù)置 高溫度系數(shù)晶振 計數(shù)器 2 =0 圖 DS18B20 測溫原理 16 直流電機驅(qū)動 模塊 L298n L298N 是一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。 DS18B20 的測溫原理： DS18B20 的測溫原理如圖 所示，圖中低溫度系數(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送給減法計數(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)生的信號作為減法計數(shù)器 2 的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進(jìn)行計數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量 .計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55 ℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 1 和溫度寄存中，減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 55 ℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。 （ 2） DQ 端為雙向數(shù)據(jù)傳輸端口，與單片機的引腳相連。 （ 3） 支持 多點組網(wǎng) 功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián) 8 個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定 。 DS18B20 主要的 技術(shù)性能 如下： （ 1） 獨特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 （ 7） D0～ D7 為 8位雙向數(shù)據(jù)端 ， 讀寫狀態(tài)依賴于 RS的電平狀態(tài)。 （ 5） RW 為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作， 低 電平時進(jìn)行寫操作。 LCD1602 的引腳圖如下。 顯示屏 LCD1602 LCD1602 工業(yè)字符型液晶 顯示屏 ，能夠同時顯示 16x02 即 32 個字符。如表 所示： 表 STC89C52RC 附加的 SFR SFR 功能 名稱 SFR 符號 字節(jié)地址 復(fù)位值 （二進(jìn)制） 位地址和位名稱 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 定時 /計數(shù)器 2 T2C C8H 00000000 CF CE CD CC CB CA C9 C8 13 控制寄存器 ON TF2 EXF2 RCLK TCLK EXEN2 TR2 C/T2 CP/RL2 定時 /計數(shù)器 2 自動重裝字節(jié) RLDL CAH 00000000 定時 /計數(shù)器 2 自動重裝字節(jié) RLDH CBH 00000000 定時 /計數(shù)器 2 低字節(jié) TL2 CCH 00000000 定時 /計數(shù)器 2 高字節(jié) TH2 CDH 00000000 主要硬件介紹 在此次設(shè)計用用到了很多硬件，比如 DS18B LCD1602 液晶顯示屏、功率晶體管 MJ1101 L298N 等等。特殊功能寄存器（ SFR）（地址 :80HFFH） , 只能直接尋址 .因此可以通過尋址方式的不同，來區(qū)分特殊功能寄存器 SFR 和高 128位的內(nèi)部 RAM。其內(nèi)部 RAM 的大小為 256B，低 128 字節(jié)的內(nèi)部 RAM（地址 :00H7FH） ,可直接尋址或間接尋址。 表 程序存儲器中的特殊單元 0000H 單片機上電或復(fù)位后，程序從該地址開始執(zhí)行 0003H 外部中斷 0 入口地址 000BH 定時 /計數(shù)器 0 溢出中斷入口地址 0013H 外部中斷 1 入口地址 001BH 定時 /計數(shù)器 1 溢出中斷入口地址 0023H 串行口中斷入口地址 002BH 定時 /計數(shù)器 2 溢出或 T2EX（ ）端負(fù)跳變時的入口地址 內(nèi)部數(shù)據(jù) 存儲器：主要存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存、緩沖、標(biāo)志位以及用戶自定義的字形表等。另外，程序存儲器中有幾個特殊存儲單元，這些存儲單元是提前固定好的，具有特殊用途。 STC89C52RC 內(nèi)部有兩個存儲器，分為程序存儲器（ ROM）和數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），但由于訪問的地址一樣，因而要采用不同形式的指令進(jìn)行操作。 特殊寄存器（ SFR）：也稱為專用寄存器 ,主要用來指示當(dāng)前要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址，存放特定的操作數(shù)， 指示指令的運行狀態(tài)等。主要功能為處理數(shù)據(jù)的算術(shù)運算。 STC89C52RC 單片機的 CPU 是一個 8 位二進(jìn)制數(shù)的中央處理器，主要由運算器、控制器和特殊寄存器組構(gòu)成。 表 TCON 內(nèi)部各位定義 位編號 未定義 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) STC89C52RC 單片機內(nèi)部由中央處理器、存儲器、輸入 /輸出端口、定時 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)以及系統(tǒng)總線等構(gòu)成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如 所示。 表 四種定時 /計數(shù)器工作方式 M1 M2 工作方式 功能描述 0 0 方式 0 13 位定時 /計數(shù)器 0 1 方式 1 16 位定時 /計數(shù)器 1 0 方式 2 8 位定時 /計數(shù)器 1 1 方式 3 分為兩個獨立的 8 位計數(shù)器（ T0） (2)定時 /計數(shù)器控制寄存器（ TCON） TCON 用于控制定時 /計數(shù)器的啟停、溢出和外部中斷觸發(fā)方式。 M M0：定時 /計數(shù)器工作模式時選擇位。 C/’T：定時 /計數(shù)方式選擇位。 GATE:選擇定時 /計數(shù)器是否受外部中斷控制。寄存器內(nèi)部如表 所示。 6 個特殊功能寄存器決定了它的工作方式及功 10 能。同時，它的每一條口線都具有第二功 能，表 所示。 （ 11） P2 口（ 21~28 腳）：由 ~ 組成， P2 口是一個內(nèi)部帶有上拉電阻的準(zhǔn) 8 位雙向 I/0 口 , 同時可用作高 8 位地址線和 8 位數(shù)據(jù)線，能驅(qū)動 4 個LSTTL 輸入。 在輸出高 電平時，需接 ~10K 的上拉電阻。在訪問外部存儲器時 ,可分別用作低 8位地址線和 8位數(shù)據(jù)線 。反之，當(dāng)保持低電平時，訪問外部程序存儲器。 （ 8） EA/VPP（ 31 腳）：內(nèi) /外部 ROM 選用端。當(dāng) VCC 掉 電時 ,此引腳可以接上備 9 用電源 ,以保存內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失 。 （ 7） RST/VPD（ 9 腳）：復(fù)位信號 /備用電源輸入端。 （ 5） ALE/PROG（ 30 腳）：地址鎖存允許信號輸出端、以及 EPROM 編程脈沖輸入端。每個機器周期該信號兩次有效，并且通過數(shù)據(jù)總線 P0 口讀會指令或常數(shù)。 （ 3） XTAL1 （ 19 腳） 和 XATL2（ 18 腳）：外接振蕩電路。 （ 1） VCC（ 40 腳）：接 +5v 電源正端。 8 單片機的外圍引腳及其功能 圖 STC89C52RC 引腳圖 STC89C52RC 單片機是 40引腳封裝。 （ 2）空閑模式：典型功耗 2mA。 （ 13） PDIP 封裝 。 （ 11） 通用異步 串行口 （ UART），還可用定時器 軟件 實現(xiàn)多個 UART。 （ 9） 共 3 個 16 位 定時器 /計數(shù)器 ， 即 定時器 T0、 T T2。 （ 7） ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用 編程器 ，無 需專用 仿真器 ，可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程 序，數(shù)秒即可完成一片 。 （ 5） 片上集成 512 字節(jié) RAM。 （ 3）工作頻率 范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工 作 頻率可達(dá) 48MHz。 STC89C52RC 單片機主要特性 : （ 1） 增強型 8051單片機， 6 時鐘 /機器周期 和 12 時鐘 /機器周期可以任意 選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位CPU 和系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52RC 單片機簡介 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 由于 單片 機 在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機由僅有 CPU 的專用 處理器 芯片發(fā)展而來。同時，學(xué)習(xí)使用 單片機 是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。概括的講：一塊 芯片 就成了一臺計算機。 用英文字母的縮寫 MCU 表示單片機，單片機又稱 單片微控制器 ，它不是完成某一個邏輯功能的 芯片 ，而是把一個 計算機系統(tǒng)集成 到一個芯片上。 模糊 PI 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 而 PI控制系統(tǒng)不僅能夠很好的跟隨響應(yīng)，而且還能夠有效的降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，所以在小偏差范圍內(nèi)選擇 PI控制。 (6) 模糊控制器是一種容易控制、掌握的較理想的非線性控制器，具有較佳的魯棒性、適應(yīng)性、強健性及較佳的容錯性 但是模糊控制系統(tǒng)對 信息簡單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質(zhì)變差。 (4) 不用數(shù)值而用語言式的模糊變量來描述系統(tǒng)，模糊控制器不必對被控制對象建立完整的數(shù)學(xué)模式。 (2) 不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型。模糊控制的一大特點是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實 際應(yīng)用背景。故此次設(shè)計選擇模糊 PI 控制系統(tǒng)。 經(jīng)過比較后發(fā)現(xiàn)，滯環(huán)控制系統(tǒng)的跟蹤響應(yīng)快速，但是誤差較大，溫度變化范圍較大，波動明顯。當(dāng)溫度超出設(shè)定的溫度 警戒線時，越限報警裝置啟動，以便人為進(jìn)行控制。 模糊 PI 控制系統(tǒng) 方案二采用的是模糊 PI 控制系統(tǒng)進(jìn)行控制 ,控制系統(tǒng)的原理圖如下圖 所示。 \ 圖 指環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 該系統(tǒng)的工作原理是 :溫度傳感器 DS18B20 感應(yīng)到環(huán)境溫度，然后把數(shù)值傳送到單片機中，單片機接受數(shù)據(jù)經(jīng)處理后一方面把溫度數(shù)值傳送到溫度顯示屏上顯示出來，另一方面與給定的溫度上下限作比較從而控制繼電器的開斷，間接控制電熱管和排氣扇的工作狀態(tài)，以達(dá)到控制溫度的上升與下降的目的，使溫度保持在一定范圍內(nèi)。 3 第二章 系統(tǒng)整體設(shè)計方案與原理 方案的比較與選擇 基于單片機的溫度測控系統(tǒng)可以有多種實現(xiàn)方法，這里對兩個比較合適的設(shè)計方 案進(jìn)行比較后選擇出一個較好的進(jìn)行設(shè)計。 （ 7）總結(jié)。 （ 4）對各個硬件模塊的電路設(shè)計進(jìn)行說明。 （ 2）對設(shè)計的控制系統(tǒng)將采用方案進(jìn)行比較和選擇，以及對控制方法的描述。 所以此次設(shè)計的目的是學(xué)習(xí)設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度進(jìn)行精確控制的溫度測控系統(tǒng)，一方面，有助于我們把所學(xué)知識運用到生產(chǎn)生活當(dāng)中，培養(yǎng)我們的研發(fā)能力和在完成工程項目中所需要具備的基本素質(zhì)和要求，另一方面，由于溫度測 2 控系統(tǒng)在社會上的廣泛應(yīng)用也使得溫度測控系統(tǒng)的研究意義非常重要。隨著社會的高速發(fā)展，人民 生活水平的提高，更多的生產(chǎn)部門和環(huán)節(jié)對溫度測量控制精度的穩(wěn)定性和可靠性的要求越來越高，簡單的溫度測控設(shè)備顯然已經(jīng)不能滿足社會的需求。 選題的研究意義 在當(dāng)今的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于溫度的控制一直都有著非常重要的作用。而且我國對于基于微機為核心的溫度測控系統(tǒng)的需求很大，很多大的公司相繼開發(fā)新型的溫度測控系統(tǒng)去滿足市場對溫度測控系統(tǒng)的各種特殊需求，使之應(yīng)用于各個行業(yè)，存在于各種產(chǎn)品中。溫度又是工業(yè)生產(chǎn)中常見并且十分重要的參數(shù)之一，特別是在冶金、石油、食品、印染等工廠中，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，基于單片機的溫度測控系統(tǒng)幾乎存在每一個中小企業(yè)中，由于我國對于溫度測控技術(shù)的研究較晚，在經(jīng)過對發(fā)達(dá)國家溫度測控技術(shù)的學(xué)習(xí)和吸收以后，才掌握了溫度