【正文】 ，風(fēng)扇開啟溫度點。 方案一：采用純硬件的閉環(huán)控制系統(tǒng)。且要實現(xiàn)題目所有的要求難度較大。即用 FPGA/CPLD 完成采集，存儲，顯示及 A/D 等功能，由 IP核實現(xiàn)人機交互及信號測量分析等功能。 方案三： 采用 單片機與高精度 數(shù)字 溫度傳感器 相 結(jié)合的方式。 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 的多路溫度測控系統(tǒng)設(shè)計” 。系統(tǒng)主控部分采用單片機 AT89S52配以外圍電路實現(xiàn)。 圖 21 4 路 DS18B2溫度傳感感器 AT89S52單片機最小系統(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)單片機選型 單片機的選擇在整個系統(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 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。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)。 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。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 。④ 測溫分辨率高，最高可達(dá) 度，便于溫度精確控制 ?8?。 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位補碼形式存放 以 16位補碼形式存放 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)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第 0和第 1個字節(jié)。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，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進(jìn)制值。 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。 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。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。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。 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。 現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用 的信息顯示器件。 工作電壓為 5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光 [10]。 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。 3． 2 系統(tǒng)硬件電路分析 系統(tǒng)單片機主控電路分析 系統(tǒng)單片機主控電路是整個設(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)。 圖 33 系統(tǒng)主控電路由單片機、時鐘振蕩電路與復(fù)位電路組成。 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。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。 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，單片機開始正常工作 。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。為擺脫困境，可將單片機復(fù)位，以重新啟動 ?7?。 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。 ℃。 本設(shè)計采用三引腳 PR35封裝的 DS18B20，其與單片機接口電路的連接方式如圖 34所示。 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，有一行、兩行及四行三類。 系統(tǒng)報警提示部分電路分析 系統(tǒng)報警指示電路由聲光報警兩種方式實現(xiàn)，聲音報警由單片機控制壓電式有源蜂鳴器來實現(xiàn)聲音的報警指示，蜂鳴器報警部分電路由 PNP 三極管 9012 驅(qū)動蜂鳴器來實現(xiàn)，單片機 IO口控制三極管的基極，當(dāng)單片機的 IO口輸出為低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的正極與電源接通，蜂鳴器通電發(fā)出報警聲，當(dāng)單片機 IO 口輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器停止報警。 圖 36報警指示電路 光源報警由單片機控制 LED 指示燈來實現(xiàn)，其控制原理為當(dāng)控制 LED 的單片機端口賦低電平時， LED 點亮，賦高電平時 LED 熄滅。 圖 37 LED報警指示電路 電阻 R R R R11 實現(xiàn)限流作用，保證 LED 在正常工作電流范圍內(nèi)點亮，避免 LED過流燒壞。 K1 是 4 路輸出選擇按鍵， K2 是上下限溫度調(diào)節(jié)選擇鍵，按下可分別對溫度的上下限進(jìn)行設(shè)定， K3為溫度值加 1按鍵， K4為溫度減 1鍵，它們分別與單片機的 到 口相連。按鍵設(shè)置電路如圖 38所示。 系統(tǒng)原理圖繪制與印刷線路板制作 采用 Protel99SE 軟件繪制原理圖和 PCB 的主要步驟如下 所述： 1. 建立系統(tǒng)所需原件庫； 2. 加載所建原件庫到工程項目中； 3. 在原理圖頁面中放置所需元器件并按照電氣性能連接各元件； 4. 建立原件封裝庫并加載到工程文件中； 5. 繪制好電路后進(jìn)行 ERC電氣檢測，并生成網(wǎng)絡(luò)表； 6. 在工程中建立 PCB 文件，導(dǎo)入生成的網(wǎng)絡(luò)表； 7. 按照網(wǎng)絡(luò)飛線提示繪制 PCB，最后完成 DRC 檢測 [13]。 圖 39 系統(tǒng)原理圖 圖 310 系統(tǒng) PCB 印刷線路板圖 4 系 統(tǒng)軟件設(shè)計分析 4． 1 系統(tǒng)軟件編程環(huán)境介紹 系統(tǒng)軟件設(shè)計采用 C語言編程，編譯環(huán)境為 keil。 Keil c51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。開發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件，然后分別有 C51 及 A51 編輯器編譯連接生成單片機可執(zhí)行的二進(jìn)制文件（ .HEX），然后通過單片機的燒寫軟件將 HEX 文件燒入單片機內(nèi)。這三個方面的操作分別在主程序中來進(jìn)行。 4． 2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)功能要求 系統(tǒng)軟件要實現(xiàn)的功能如下： 完 成 4路溫度的采集及傳感器與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸與處理 ； 利用 LCD 液晶顯示屏顯示 4 路溫度數(shù)據(jù)和各路溫度設(shè)定的上下限范圍 。 當(dāng)溫度超過設(shè)定的溫度范圍時進(jìn)行聲光報警； 當(dāng)溫度低于設(shè)定值時 LED 發(fā)光報警同時蜂鳴器鳴笛提示，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時蜂鳴器鳴笛提示同時繼電器打開閥門，風(fēng)扇控制電路接通，風(fēng)扇自動打開以及 時降低溫度，當(dāng)溫度降到設(shè)定范圍內(nèi)時閥門自動斷 開。 開始 系統(tǒng)初始化 顯示當(dāng)前路數(shù)溫度值及設(shè)定參數(shù) 是否有按鍵按下？ 顯示當(dāng)前路數(shù)溫度值及設(shè)定參數(shù) 執(zhí)行按鍵處理 否 是 當(dāng)前溫度是否超出設(shè)定范圍 否 是 報警提示，輸出控制 溫度是否回到設(shè)定范圍？ 否 是 圖 41 4． 4 系統(tǒng)溫度采集的實現(xiàn) 系統(tǒng)溫度采集傳感器 DS18B20 工作過程中的協(xié)議如下： （ 1）初始化 —— （ 2） ROM 操作命令 —— （ 3）存儲器操作命令 —— （ 4）處理數(shù)據(jù) DS18B20 初始化時序 DS18B20 時序如圖 42 所示。 DS18B20在檢測到總線的上升沿后等待 15— 60μ S 發(fā)出器件存在脈沖（低電平持續(xù) 60— 240μ S）。 while (flag) { while (flag) { DQ = 1。 DQ = 0。 // 550us DQ = 1。 // 66us flag = DQ。 //延時 500us flag = ~DQ。 } 圖 42 DS18B20初始 化時序圖 此初始化程序功能為：檢測 DS18B20是否存在，如存在，將位地址 38H置 1；如不存在，將位地址 38H 清零。若低電平寫入的位是 0，高電平寫入的位是 1，連續(xù)寫時位間的間隙應(yīng)大于 1μ S。 for (i=0。 i++) { DQ = 1。 DQ = 0。 //4us DQ = val amp。 //最低位移出 delay(6)。 //右移一位 } DQ = 1。 } 圖 43 單片機寫 DS18B20時序圖 DS18B20 讀 時序 單片機讀 DS18B20 的時序如圖 44所示，單片機主動產(chǎn)生一個下降沿的啟動信號，并維持低電平大于 1μ S后釋放總線， 15μ S后 DS18B20 占主動權(quán)， DS18B20 會將數(shù)據(jù)按位放在總線上（低位在先，當(dāng)讀取兩個字節(jié)的溫度值時，低字節(jié)在先），這時單片機可讀取信號，讀取一位的時間應(yīng)在 60μ S內(nèi)完成。 寫 0 60120μ S 寫 1， DS18B20 在檢測到下降沿 15μ S 后采樣，采樣時間為 1560μS 15 60120μ S DS18B20 檢測到下降沿 15μ S 后采樣 15μ S T60μ S 單片機采樣第二位 啟動脈沖 T60μ S 單片機采樣第一位 啟動脈沖 uint8 read_byte(void) { uint8 i, value=0。 i8。 _nop_()。 DQ = 0。 //4us DQ = 1。 //4us if (DQ) value|=0x80。 //66us } DQ=1。 } 圖 44單片機讀 DS18B20時序圖 此程序功能為：讀取 DS18B20 A/D 轉(zhuǎn)換后的溫度值，轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制存 入 36H、 35H單元，默認(rèn)為 12 位轉(zhuǎn)換，低 8 位存入 36H 單元，高 8位存入 35H 單元（ 35H 單元的高 5位均為符號位，所以判斷符號只需判斷低 12位數(shù)據(jù)的最高位即可）。 4． 5 系統(tǒng)液晶顯示部分的實現(xiàn) LCD 液晶