【正文】 ................. 35 謝 辭 ....................................................................................................... 36 參考文獻(xiàn) ................................................................................................. 37 附 錄 ....................................................................................................... 38 外文資料翻譯 ........................................................................................ 49 8051 ......................................................................................................... 53 4 前 言 隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展，溫度控制在工業(yè)企業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越重要的位置。溫度檢測(cè)部分采用 DS18B20 溫度傳感器，用 LED 數(shù)碼管做顯示器。 文章從硬件和軟件兩方面介紹了 80C51 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)硬件 原理圖和程序圖作了簡(jiǎn)潔的描述。因此，對(duì)溫度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究一直備受廣大科研工作者的重視。 I 基于單片機(jī)的智能恒溫箱 設(shè)計(jì) 摘 要 恒溫控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中舉足輕重，溫度的控制直接影響著工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量。 單片機(jī)在檢測(cè)和控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，溫度則是系統(tǒng)需要測(cè)量、控制和保持的一個(gè)量。 本設(shè)計(jì)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，是以 ATMEL 公司推出的功能較強(qiáng)的 8 位 80C51 單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)具有溫度設(shè)定靈活、數(shù)字顯示及語(yǔ)音報(bào)警等功能的糧庫(kù)溫度控制器，經(jīng)改造可用于其它量的控制。此次設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)主要是由中央控制器、溫度檢測(cè)器、顯示器等模塊組成。溫度傳感器 DS18B20 采集溫度信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，并把溫度數(shù)據(jù)送 LED 顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制的目的。而作為一名技術(shù)人員，更應(yīng)該努力解決溫度控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性的問(wèn)題。 該設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，因其內(nèi)部集成了 A/D 轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，而且減少了溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)的精度損失，使得測(cè)量溫度更加精確。由于DS18B20 芯片的小型化，更加可以通過(guò)單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實(shí)用性。 另外，由于單片機(jī)功能強(qiáng)大，可大大加快系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試速度，并具有控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)硬件電路以 80C51 單片機(jī)為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制，具有實(shí)用性強(qiáng)、 可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。市場(chǎng)上常見(jiàn)的溫度傳感器以電壓輸出為主要形式，不同的的傳感器其非線性曲線也各不相同，缺乏一個(gè)產(chǎn)品應(yīng)具備的通用性和互換性。常規(guī)方法測(cè)量溫度誤差大、準(zhǔn)確度低、測(cè)量滯后的時(shí)間長(zhǎng)。 該設(shè)計(jì)中，用數(shù)字傳感器將溫度信號(hào)以數(shù)字信號(hào)的方式 傳送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后的溫度數(shù)值，一方面送 LED 數(shù)碼管顯示；另一方面與給定值經(jīng)行比較，判斷溫度高低，從而采取相應(yīng)的措施：加熱或者制冷，使溫度達(dá)到設(shè)定值。 單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，把單片機(jī)應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)中可以起到更好的控溫作用，智能恒溫箱是使用單片機(jī)進(jìn)行溫度控制的典型應(yīng)用，采用單片機(jī)做主控 單元可完成對(duì)溫度的采集和控制等的要求。本課題采用單片機(jī)為主控制器，通過(guò)數(shù)字傳感器測(cè)得箱內(nèi)溫度，再將溫度信號(hào)送入主控制器，來(lái)完成恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)的硬件。這大大提高了溫度控制的精度與可行性。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)智能恒溫箱，系統(tǒng)上電后默認(rèn)設(shè)定的恒溫溫度為 20℃ ，使用時(shí)可以自行調(diào)節(jié)預(yù)期的恒溫溫度，調(diào)節(jié)范圍為 0~99℃ 。如果溫度一樣則不開(kāi)啟加熱或制冷設(shè)備。顯示實(shí)時(shí)溫度時(shí)，表示顯示的是實(shí)時(shí)溫 度的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。 本論文章節(jié)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容如下： 第一章 ：緒論。 第二章 ： 智能恒溫箱的 概述 。 第三章 ： 智能恒溫箱 的硬件電路設(shè)計(jì)。 第四章 ： 智能恒溫箱 的軟件設(shè)計(jì) 。 第五章 ：總結(jié)。 7 第 2章 智能恒溫箱的系統(tǒng) 概述 系統(tǒng)的主要功能 本系統(tǒng)是借用單片機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)的智能恒溫箱，包括溫度設(shè)定按鈕，溫度顯示，溫度調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)溫度顯示和預(yù)定溫度顯示轉(zhuǎn)換按鈕，溫度采集等（根據(jù)需要也可另設(shè)或者多設(shè)相關(guān)功能）。 系統(tǒng)的主要功能模塊方框圖如圖 21 所示。調(diào)節(jié)好后 系統(tǒng)會(huì)將采集來(lái)的實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定的預(yù) 8 期溫度進(jìn)行比較，如果實(shí)時(shí)溫度比設(shè)定溫度高就開(kāi)啟制冷設(shè)備，如果實(shí)時(shí)溫度比預(yù)期溫度低就開(kāi)啟加熱設(shè)備。在顯示電路上通常顯示的是實(shí)時(shí)的溫度，即傳感器采集來(lái)的溫度，如果想要顯示人們?cè)O(shè)定的預(yù)期溫度可以按顯示切換鍵，這是顯示器上就會(huì)顯示預(yù)期溫度，幾秒鐘后跳回，顯示實(shí)時(shí)溫度。而顯示預(yù)期溫度的時(shí)候，表示顯示的是預(yù)期溫度的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。它完 成了溫度參數(shù)設(shè)定，溫度采集計(jì)算，溫度顯示，溫度比較，溫度調(diào)節(jié)等功能。 0~99℃的范圍內(nèi)，人們可以自由調(diào)節(jié)預(yù)期達(dá)到的溫度。 。 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(shí)，系統(tǒng)會(huì)將從溫度傳感器采集來(lái)的溫度轉(zhuǎn)化為攝氏度的形式，與事先設(shè)定的預(yù)期 溫度進(jìn)行比對(duì)，然后根據(jù)比對(duì)的結(jié)果采取相應(yīng)的措施（加熱，或制冷）來(lái)不斷地接近以至于達(dá)到預(yù)期的溫度。恒溫箱的工作流程如圖 22 所示： 9 開(kāi) 始加 載 程 序運(yùn) 行進(jìn) 行 溫 度 設(shè) 定 不 進(jìn) 行 溫 度 設(shè) 定溫 度 加 溫 度 減溫 度 采 集 與 計(jì) 算溫 度 比 較 并 進(jìn) 行 溫 度 調(diào) 節(jié)顯 示 實(shí) 時(shí) 溫 度顯 示 切 換 無(wú) 顯 示 切 換顯 示 設(shè) 定 溫 度 圖 22 恒溫箱工作流程 10 恒溫箱的工作過(guò)程 。 0℃時(shí)再減 1℃會(huì)跳到 99℃，99℃時(shí)再加 1℃會(huì) 跳到 0℃。 。 。如果實(shí)時(shí)溫度高于設(shè)定溫度，則開(kāi)啟制冷器；如果實(shí)時(shí)溫度低于設(shè)定溫度，則開(kāi)啟加熱器。將存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)溫度顯示在 LED 數(shù)碼管上。若想查看設(shè)定的預(yù)期溫度，則需按下“溫度顯示切換”按鍵，然后 LED 顯示器就會(huì)顯示設(shè)定預(yù)期的溫度，顯示時(shí)間為數(shù)秒，跳出預(yù)期溫 度的顯示。 總而言之，本課題利用 80C51 單片機(jī)及外圍接口實(shí)現(xiàn)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了恒溫箱，該恒溫箱提高了系統(tǒng)的可靠性，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本，是一個(gè)實(shí)用的工程設(shè)計(jì)。在說(shuō)明工作原理的過(guò)程中，突出了電路的組成單元以及這些單元如何實(shí)現(xiàn)溫度采集和溫度控制等功能。 11 第 3 章 智能恒溫箱的硬件設(shè)計(jì) 硬件電 路設(shè)計(jì)概述 本設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，這兩者相互結(jié)合，不可分離：從時(shí)間上看，硬件設(shè)計(jì)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。 2. 留有設(shè)計(jì)余地。因?yàn)楹苌儆幸诲N定音的電路設(shè)計(jì)，如果現(xiàn)在不留余地，將來(lái)可能要為一點(diǎn)小小的修改或擴(kuò)展而被迫進(jìn)行全面返工。選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用 80C51單片機(jī)。 80C51 單片機(jī)內(nèi)部 RAM 不多，當(dāng)要增強(qiáng)軟件數(shù)據(jù)處理功能時(shí)，往往覺(jué)得不足。如果選用 8155 作 I/O 接口，就可以增強(qiáng) 256 字節(jié) RAM。隨著軟件設(shè)計(jì)水平提高，往往只要改變或者增加軟 件中的數(shù)據(jù)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(jí)換代。 5. I/O 端口。如果有些新的信號(hào)需要采集，就必須增加輸入檢測(cè)端：有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。 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(jī)， U2 為溫度傳感器 DS18B20。兩個(gè)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(dòng)信號(hào)，分別接到單片機(jī)的 ， 口。按鍵“溫度顯示切換”是用于切換顯示預(yù)設(shè)的溫度的按鍵，接單片機(jī)的 口。兩個(gè)數(shù)碼管分別接單片機(jī)的 ， 口。開(kāi)關(guān)“溫度設(shè)定”接單片機(jī)的 口，按鈕“加1℃”和“減 1℃”分別接單片機(jī)的 和 口。 本設(shè)計(jì)我們用 protues 仿真 軟件來(lái)進(jìn)行仿真。它運(yùn)行于 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：①實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。②支持主流單片機(jī) 系統(tǒng)的仿真。③提供軟件調(diào)試功能。④具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。 Protues 的工作界面 Proteus ISIS 的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的 Windows 界面，如圖 C1 所示。 圖 C1 Proteus ISIS 的工作界面圖 14 Protues 仿真步驟 1. 打開(kāi) Protues 軟件，點(diǎn)對(duì)象選擇按鈕“ P”，彈出選擇元器件窗口，查找自己所需要的元器件，點(diǎn)擊右下角的 OK 鍵進(jìn)行選擇。 表 C1 智能恒溫箱的元件對(duì)照表 2. 元器件的放置。選擇的元器件自動(dòng)存在對(duì)象選擇器窗口。左擊第一個(gè) 對(duì)象連接點(diǎn)。另一方面，如果你想自己決定走線路徑，只需在想要拐點(diǎn)處點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵。點(diǎn)擊菜單欄“ Source”，在下拉菜單點(diǎn)擊“ Add／ Remove Source Files(添加或刪除源程序 )”出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，如圖 5 所示。點(diǎn)擊菜單欄的“ Source”在下拉菜單點(diǎn)擊“ Build All”，過(guò)一會(huì)，編譯結(jié)果的對(duì)話框就會(huì)出現(xiàn)在我們面前。 4. 系統(tǒng)的調(diào)試。調(diào)試結(jié)束單擊仿真停止按鈕 。 2． 用記事本打開(kāi) C:\Program Files\keilC\C51\，在 [C51]欄目下加入： TDRV5=BIN\ (Proteus VSM Monitor51 Driver) 其中“ TDRV5”中的“ 5”要根據(jù)實(shí)際情況寫(xiě)，不要和原來(lái)的重復(fù)。） 3． 進(jìn)入 KeilC μ Vision2開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目 (Project)，并為該項(xiàng)目選定合適的單片機(jī) CPU器件（如： Atmel公司的 AT89C51）。 4．單擊“ Project菜單 /Options for Target”選項(xiàng)或者點(diǎn)擊工具欄的“ option for ta rget”按鈕 ，彈出窗口，點(diǎn)擊“ Debug”按鈕，出現(xiàn)如圖所示頁(yè)面。并且還要點(diǎn)擊一下“ Use”前面表明選中 的小圓點(diǎn)。在“ Port”后面添加“ 8000”。最后將工程編譯，進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，并運(yùn)行。此后，便可實(shí)現(xiàn) KeilC與 Proteus連接調(diào)試。 18 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115U18 0 C5 1S RC F I L E = te x t. Uv 2X11 2 M H ZC13 0 n FC23 0 n FC31 0 u f復(fù)位溫度顯示切換加 1‘ C 減 1’ C溫度設(shè)定2 5 . 0DQ2V C C3G ND1U2DS 1 8 B 2 0H E A TC O O L實(shí)時(shí) 設(shè)定R71 0 kR81 0 kR 1 01 0 kR 1 11 0 kR 1 21 0 kR92 0 0R16 0 0R21 0 kR31 0 kR41 0 kR51 0 kR61 0 k 圖 31 總體硬件原理圖