多點溫度控制系統(tǒng)

多點溫度控制系統(tǒng),多點,溫度,控制系統(tǒng) 第 1 頁 共 16 頁序號 ————————多點溫度控制系統(tǒng)作品類別: 發(fā)明制作類 作品編號： 第六屆“創(chuàng)新杯”大學生科技學術競賽作品第 2 頁 共 16 頁目 錄摘要 …………………………………………………………… 3、、 方案設計 與論證…………………………………………… 31、 測量部分…………………………………………………32、 主控制部分………………………………………………43、 總結(jié)………………………………………………………4二、 各電路的設計……………………………………………… 51、 鍵盤電路…………………………………………………52、 加熱器控制電路…………………………………………83、 溫度測試電路……………………………………………84、 七段數(shù)碼管顯示電路……………………………………95、 口通訊電路………………………………………………10三、程序設計………………………………………………………11概 述……………………………………………………………111、 程序結(jié)構分析……………………………………………112、 主程序……………………………………………………12四、測試方法和測試結(jié)果…………………………………………121、 測試環(huán)境………………………………………………122、 測試方法 ………………………………………………123、 測試結(jié)果………………………………………………134、 測試結(jié)果分析…………………………………………13五、總結(jié)……………………………………………………………13七、應用舉例………………………………………………………14【參考文獻】………………………………………………………15附：使用說明………………………………………………………15外觀圖片………………………………………………………16多第 3 頁 共 16 頁點溫度控制系統(tǒng)摘要本文介紹了以 AT89S51 單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設計方法。溫度信號由溫度芯片 DS18B20 采集，并以數(shù)字信號的方式傳送給單片機。文中介紹了該控制系統(tǒng)的硬件部分，包括：溫度檢測電路、溫度控制電路、PC 機與單片機串口通訊電路和一些接口電路 。單片機通 過對信號進行相應處理，從而實現(xiàn)溫度控制的目的。文中還著重介紹了軟件設計部分，在這里采用模塊化結(jié)構，主要模塊有：數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、繼電器控制程序、單片機與 PC 機串口通 訊程序。關鍵字：單片機 DS18B20 溫度芯片 溫度控制 串口通訊、、 方案設計與論證 1、測量部分方案一：采用熱敏電阻，可滿足 40 攝氏度至 90 攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差， 對 于檢測 1 攝氏度的信號是不適用的。而且使用熱敏電阻，需要用到十分復雜的算法，一定程度上增加了軟件實現(xiàn)的難度。 方案二：采用溫度芯片 DS18B20 測量溫度。 該芯片的物理化學性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。在 0—100 攝氏度時，最大線形偏差小于 1 攝氏度。該芯片直接向單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理及控制。本制作的最大特點之一就是直接采用溫度芯片對溫度進行測量，使數(shù)據(jù)傳輸和處理簡單化。采用溫度芯片 DS18B20 測量溫度，體 現(xiàn)了作品芯片化這個趨勢。部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測量電路的精確度。所以芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。本方案應用這一溫度芯片，也是順應這一趨勢。2、 主控制部分第 4 頁 共 16 頁方案一：此方案采用 AT89C51 八位單片機實現(xiàn)。單片機軟件編程的自由度大，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術算法和邏輯控制。但是，AT89C51 單片機需要用仿真器來實現(xiàn)軟硬件的合成在線調(diào)試，較為繁瑣，很不簡便。而且 AT89C51 的地位已經(jīng)漸漸的被 AT89S51 所取代。逐漸成為歷史。事 實也證明了 AT89S51 在工業(yè)控制上有著廣泛的應用。方案二：此方案采用 AT89S51 八位單片機實現(xiàn)。它除了 89C51 所具有的優(yōu)點外，還具有可在線編程，可在線仿真的功能，這讓調(diào)試變得方便。當與凌陽十六位單片機相比時， AT89S51 八位單 片機的價格便宜，再編程方便。而且 AT89S51 在工業(yè)控制中有廣泛的應用，編程技術及外圍功能電路的配合使用都很成熟。這對于在網(wǎng)上查找相關資料和在圖書館查找相關資料時非常方便的?？偨Y(jié)：綜上所述實際采用電路方案如下圖：工作流程說明開始，先接通電源，然后將開關打到開的位置，七段數(shù)碼管顯示器就自動顯示出當前溫度，并且顯示出設置溫度的缺省值 00。此時繼電器不工作。AT89S518BIT CPU鍵盤電路DS18B20 溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)顯示繼電器 1 N加熱器 1繼電器 2 加熱器 2MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片 片PC機第 5 頁 共 16 頁按下 F1 按鍵 ，溫度控制系 統(tǒng)進入溫度控制點 1 的設制。按下 F2 按鍵 ，溫度控制系 統(tǒng)則相應進入溫度控制點 2 的設置。這個時候，顯示設置溫度的數(shù)碼管閃爍。 此時可以通過鍵盤輸入預設置的溫度。當按下“ 確定”按鍵 的時候，單片機就會根據(jù)所寫入的程序，對系統(tǒng)進行控制。當設置的溫度高于當前的溫度時，單片機通過繼電器控制加熱電路連通。溫度慢慢升高。當設置的溫度低于當前的溫度時，單片機通過繼電器控制加熱電路斷開。溫度慢慢下降。就這樣通過溫度芯片的反饋信息，實現(xiàn)水的溫度保持在設置溫度上，從而達到自動控制溫度的功能。、、 各電路的設計1、 鍵盤電路： 單片機應用系統(tǒng)中的鍵輸入單片機應用系統(tǒng)中除了復位按鍵有專門的復位電路,以及專一的復位功能外,其它的按鍵或鍵盤都是以開關狀態(tài)來設置控制功能或輸入數(shù)據(jù)。鍵盤有編碼和非編碼兩種。非 編碼鍵盤硬件電路極為簡單故本系統(tǒng)采用。、1、 鍵輸入接口與軟件解決的任務A. 鍵開關狀態(tài)的可靠輸入為了去抖動我們采用軟件方法，它是在檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一個 10ms的延時程序后，再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正鍵按下狀態(tài)，從而消除了抖動影響。B. 對按鍵進行編碼給定鍵值或給出鍵號對于按鍵無論有無編碼，以及采用什么編碼，最后都要轉(zhuǎn)換成為與累加器中數(shù)值相對應的鍵值，以實現(xiàn)按鍵功能程序的散轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移。為使編碼間隔小，散轉(zhuǎn)入口地址安排方便，常采用依次序排列的鍵號。C. 選擇鍵盤監(jiān)測方法對是否有鍵按下的信息輸入方式有中斷方式與查詢方式兩種。 第 6 頁 共 16 頁、2、 行列式鍵盤本系統(tǒng)用行列式鍵盤，即用 I/O 口線組成行列式 結(jié)構，按鍵設置在行列的交點上。在按鍵數(shù)較多時，可節(jié)省 I/O 口線。本系統(tǒng)鍵盤采用的工作方式為編程掃描工作方式，它是利用 CPU 在完成其他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序，來響應鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時，CPU 不再響應鍵輸入要求。編程掃描工作方式只有在 CPU 空閑時才調(diào)用鍵盤掃描子程序。鍵盤采用的掃描法掃描方式，掃描法是在判定有鍵按下后逐行（或列）置低電平，同 時讀入行（或列）狀態(tài)，如果行（或列）狀態(tài)出現(xiàn)非全 1 狀態(tài)，這時 0狀態(tài)的行、列交點的鍵就是所按下的鍵 。在其他的作品中，要改變設置溫度時，每按一次按鍵，相應位上的數(shù)字自加一。當要輸入的數(shù)字比較大的時候，需要按很多次，使用起來比較麻煩。然而，鍵盤就很好地解決了這個問題。當要修改設置溫度時，只需要按兩次按鍵，再加上“ 確定”按鍵即可。所以本電路采用了使用方便的鍵盤控制電路。鍵盤的按鍵分布如下圖所示：鍵盤設定如下：鍵盤共有 14 個按鍵，用于方便設定溫度?！? ，數(shù)字按鍵，輸入數(shù)字 1----9；P2.4 F1 F2P2.0 7 8 9P2.1 4 5 6P2.2 1 2 3P2.3 清除 0 確定P2.5 P2.6 P2.70 9第 7 頁 共 16 頁， , 設置的確認，修改設置溫度時進行確認；, 設置的清除，修改設置溫度時進行刪除；, 顯示及設置轉(zhuǎn)換到溫度點 1，按此按鍵后，顯示預設置溫度的數(shù)碼管閃爍；，顯示及設置轉(zhuǎn)換到溫度點 2，按此按鍵后，顯示預設置溫度的數(shù)碼管閃爍；采用 14 按鍵的鍵盤代替其他作品的自加 1 按鍵和自減 1 按鍵，雖然增加了按鍵的個數(shù)，但是卻方便了輸入所需要設置的溫度，使得溫度設定操作更為簡單。這也是本作品相對于其它作品改進的一個重要方面。3、 加熱器控制電路單片機通過三極管控制繼電器的通斷，最后達到控制電熱器的目的。當溫度未達到要求時，單片機發(fā)送高電平信號使三極管飽和導通，繼電器使電源與電熱器接通，電熱器加熱。溫度慢慢升高。當溫度上升到預定溫度時，單片機發(fā)送低電平信號三極管進入截止狀態(tài)，繼電器的彈片打到另一側(cè)，使電熱器與電源斷開，電熱器停止加熱。繼電器電路中有一個三極管 8050 的保護電路，即將一個二極管反向接到三機管的兩端。連接方法如圖所示。其原理是：當繼電器突然斷電時，繼電器產(chǎn)生很大的反向電流。二極管的作用是將反向電流分流，使流過三級管 8050 的電流比較小，達到保護三極管 8050 的作用。F1CONTROLTEMPERATURE確認清除F2第 8 頁 共 16 頁DS18B203、溫度測試電路這里我們用到溫度芯片 DS18B20。使用集成芯片，能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，簡化電路的結(jié)構。使用集成芯片，已經(jīng)慢慢的成為設計電路的一種趨勢。本系 統(tǒng)使用溫度芯片也正是順應了這一趨勢。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；測溫分辨率可達 0.0625℃，被測溫度用符號擴展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(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。DS18B20 支持“一線總線”接口，測量溫度范 圍為 -55°C~+125°C，在-10~+85 °C 范 圍 內(nèi),精度 為± 0.5°C?，F(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、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。溫度芯片 DS18B20 轉(zhuǎn)換 速度快， 轉(zhuǎn)換精度高，與微處理器的接口簡單，給硬件設計工作帶來了極大的方便，能有效地降低成本，縮短開發(fā)周期。4、七段數(shù)碼管顯示電路 本部分電路主要使用七段數(shù)碼管和移位寄存器芯片 74LS164。單片機通過 I2C總線將要顯示的數(shù)據(jù)信號傳送到移位寄存器芯片 74LS164 寄存，再由移位寄存器控制數(shù)碼管的顯示，從而實現(xiàn)移位寄存點亮數(shù)碼管顯示。由于單片機的時鐘頻率達單片機控制信號- SDA+第 9 頁 共 16 頁到 12M，移位寄存器的移位速度相當快，所以我們根本看不到數(shù)據(jù)是一位一位傳輸?shù)摹娜祟愐曈X的角度上看，就仿佛是全部數(shù)碼管同時顯示的一樣。在本系統(tǒng)中使用移位寄存器芯片 74LS164 時，是用芯片的貼片封裝。貼片封裝直接焊接在數(shù)碼管電路的背面，這樣既能實現(xiàn)強大的功能又合理利用電路的空間，而且整個顯示電路小巧玲瓏，在總體安裝時方便。采用移位寄存器控制數(shù)碼管顯示出本系統(tǒng)要顯示的數(shù)據(jù)，也是本系統(tǒng)的一個亮點。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 22-Sep-2004 Sheet of File: E:\Documents and Settings\1?ó?\×à??\?′?t 89s51×?o?êμ?é°??-àíí?.ddbDrawn By:abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS6abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS7abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS8abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS9abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS13abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS16A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U1674LS164A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U1374LS164A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U1274LS164A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U1474LS164A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U1574LS164A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U974LS164+5V +5V +5V +5V +5V+5VR1 R2 R3 R4 R5 R6+5V +5V +5V +5V +5V +5VSDASCL5、 串口通訊電路：51 單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是 RS232 電平的，而單片機的串口是 TTL 電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，我們采用了專用芯片 MAX232 進行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專第 10 頁 共 16 頁用芯片更簡單可靠。我們采用了三線制連接串口，也就是說和電腦的 9 針串口只連接其中的 3 根線：第 5 腳的 GND、第 2 腳的 RXD、第 3 腳的 TXD。這是最簡單的連接方法，但是對我們來說已經(jīng)足夠使用了，電路如下圖所示，MAX232 的第 10 腳和單片機的 11 腳連接，第 9 腳和單片機的 10 腳連接，第 15 腳和單片機的 20 腳連接。 串口通訊的硬件電路如上圖所示、、 程序設計概 述整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），第 11 頁 共 16 頁它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、計算、顯示、打印、通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。設計者應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能和鍵盤設置選擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構，然后根據(jù)實時性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關系。1、 程序結(jié)構分析主程序調(diào)用了 5 個子程序，分別是數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、繼電器控制程序、單片機與 PC 機串口通訊程序。鍵盤掃描電路及按鍵處理程序：實現(xiàn)鍵盤的輸入按鍵的識別及進入相應的程序。溫度信號處理程序：對溫度芯片送過來的數(shù)據(jù)進行處理，進行判斷和顯示。數(shù)碼管顯示程序：向數(shù)碼的顯示送數(shù)，控制系統(tǒng)的顯示部分。繼電器控制程序：控制繼電器動作串口通訊程序：實現(xiàn) PC 機與單片機通訊，將溫度數(shù)據(jù)傳送給 PC 機將各個功能程序以子程序的形式寫好，當寫主程序的時候，只需要調(diào)用子程序，然后在寄存器的分配上作一下調(diào)整，消除寄存器沖突和 I/O 沖突即可。程序應該盡可能多的使用調(diào)用指令代替跳轉(zhuǎn)指令。因為跳轉(zhuǎn)指令使得程序難以看懂個程序段之間的結(jié)構關系。而調(diào)用指令則不同，調(diào)用指令使得程序結(jié)構清晰，無論是修改還是維護都比較方便。將功能程序段寫成子程序的形式，除了方便調(diào)用之外，還有一個好處那就是以后寫程序的時候如果要用到，就可以直接調(diào)用這個單元功能模塊。程序結(jié)構LED顯示數(shù)碼管顯示程序鍵盤掃描程序鍵值處理程序溫度芯片傳數(shù)據(jù)程序串口通訊程序第 12 頁 共 16 頁yesNO2、主程序程序開始的時候先設置初始化，然后就控制數(shù)碼管顯示當前溫度。接著就判斷 F1、F2 按鍵是否被按下。按下 F1 進入溫度控制點 1 的程序、按下 F2 進入溫度控制點 2 的程序。程序控制 設置溫度的兩個數(shù)碼管閃爍的，此時鍵盤輸入有效。有按鍵按下的時候進入按鍵處理程序。按下“確定”按鍵后，程序 進 入判斷程序和繼電器控制程序。繼電器動作后，程序回到顯示當前程序，并開始循環(huán)。繼電器控制程序與當前溫度相比較程序開始系統(tǒng)初始化取溫度 點 F1\F2是否有按鍵 按鍵處理繼電器控制溫度顯示比較設置溫度與當前溫度大小溫度數(shù)據(jù)送PC 機第 13 頁 共 16 頁四、測試方法和測試結(jié)果1、測試環(huán)境環(huán)境溫度 28 攝氏度測試儀器：數(shù)字萬用表，溫度計 0----100 攝氏度2、測試方法使系統(tǒng)運行，采用溫度計同時測量水溫度變化情況，得出系統(tǒng)的溫度指標。3、測試結(jié)果設定溫度由 40 攝氏度到 60 攝氏度標定溫差<=1 攝氏度 調(diào)節(jié)時間 0.5s靜態(tài)誤差<=1 攝氏度 最大超調(diào)量 1 攝氏度4、測試結(jié)果分析因為芯片是塑料封裝，所以對溫度的感應靈敏度不是相當高，需要一個很短的時間才能達到穩(wěn)定。五、總結(jié)89S51 的時鐘 最高可達 12M，I/O 口可達 32 個，高的時鐘頻率和豐富的 I/O，都為我們實現(xiàn)電路功能提供了非常有利的條件。同 時也因為開發(fā)環(huán)境友好，易用，方便，大大加快本系統(tǒng)設計開發(fā)。鍵盤的使用，使操作更為簡潔，易懂和迅速。本制作的設計中使用了繼電器控制的只是插座電路，因此，該系統(tǒng)的可擴展性很強。隨著插入插座的電器的不同，可以實現(xiàn)許多其它功能的電路。六、應用舉例：1、 控制過板機的溫度過板機的使用溫度一般是在 60 攝氏度----90 攝氏度之間。使用該系統(tǒng)時，當過 板機的溫度小于設置溫度時，系統(tǒng)自動接通電源，過板機加熱；當過板機剛剛超過設置溫度時，系統(tǒng)自動斷開電源，過板機冷卻，以此保證過板機不至于被燒壞。2、 控制水的溫度第 14 頁 共 16 頁當需要某一溫度的水的時候，既可設置溫度，然后系統(tǒng)就自動為你效勞。不怕因 為忘了時間，而把事情弄糟。 3、控制孵化室的溫度 【參考文獻】(1)曹巧媛主編 . 單片機原理及應用(第二版). 北京:電子工業(yè)出版社,2002(2)全國大學生電子設計競賽組委會編.第五屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編(2001), 北京: 北京理工大學出版社， 2003(3)何力民編. 單片機高級教程. 北京:北京航空大學出版社,2000(4)金發(fā)慶等編 . 傳感器技術與應用.北京機械工業(yè)出版社,2002附：使用說明1、 將溫度控制箱上的開關全部打到“關”的位置第 15 頁 共 16 頁2、 將溫度芯片插到溫度控制箱的指定位置3、 用串口線將溫度控制箱與計算機相連，打開相應的應用程序4、 將用電器的插頭插到溫度控制箱的插座5、 接上溫度控制箱的電源、并打開開關。在溫度控制箱上的數(shù)碼管顯示出當前溫度6、 按 F1 鍵，進入溫度點 1 的設置。通 過鍵盤設置所需要的溫度，然后按“ 確定”鍵。系統(tǒng)會將設置值與當前值進行比較，通過溫度芯片的反饋，單片機控制加熱或冷卻水的溫度，使水的溫度穩(wěn)定在設置的溫度上。從而達到控制溫度的作用。7、 按 F2 鍵則相應進 入溫度點 2 的設置。與 F1 鍵的使用方法相同。8、 當要關閉系統(tǒng)時，先關掉開關，然后再拔掉電源?？驁D表示：附：外觀圖確認溫度控制箱上的開關全部打到關的狀態(tài)接上溫度芯片，連接好電路，接上電源按 F1 或 F2 進行溫度點 1 或溫度點 2 的設定系統(tǒng)開始工作，直至工作結(jié)束第 16 頁 共 16 頁第 1 頁 共 16 頁序號 ————————多點溫度控制系統(tǒng)作品類別: 發(fā)明制作類 作品編號： 第六屆“創(chuàng)新杯”大學生科技學術競賽作品第 2 頁 共 16 頁目 錄摘要 …………………………………………………………… 3、、 方案設計 與論證…………………………………………… 31、 測量部分…………………………………………………32、 主控制部分………………………………………………43、 總結(jié)………………………………………………………4二、 各電路的設計……………………………………………… 51、 鍵盤電路…………………………………………………52、 加熱器控制電路…………………………………………83、 溫度測試電路……………………………………………84、 七段數(shù)碼管顯示電路……………………………………95、 口通訊電路………………………………………………10三、程序設計………………………………………………………11概 述……………………………………………………………111、 程序結(jié)構分析……………………………………………112、 主程序……………………………………………………12四、測試方法和測試結(jié)果…………………………………………121、 測試環(huán)境………………………………………………122、 測試方法 ………………………………………………123、 測試結(jié)果………………………………………………134、 測試結(jié)果分析…………………………………………13五、總結(jié)……………………………………………………………13七、應用舉例………………………………………………………14【參考文獻】………………………………………………………15附：使用說明………………………………………………………15外觀圖片………………………………………………………16多第 3 頁 共 16 頁點溫度控制系統(tǒng)摘要本文介紹了以 AT89S51 單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設計方法。溫度信號由溫度芯片 DS18B20 采集，并以數(shù)字信號的方式傳送給單片機。文中介紹了該控制系統(tǒng)的硬件部分，包括：溫度檢測電路、溫度控制電路、PC 機與單片機串口通訊電路和一些接口電路 。單片機通 過對信號進行相應處理，從而實現(xiàn)溫度控制的目的。文中還著重介紹了軟件設計部分，在這里采用模塊化結(jié)構，主要模塊有：數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、繼電器控制程序、單片機與 PC 機串口通 訊程序。關鍵字：單片機 DS18B20 溫度芯片 溫度控制 串口通訊、、 方案設計與論證 1、測量部分方案一：采用熱敏電阻，可滿足 40 攝氏度至 90 攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差， 對 于檢測 1 攝氏度的信號是不適用的。而且使用熱敏電阻，需要用到十分復雜的算法，一定程度上增加了軟件實現(xiàn)的難度。 方案二：采用溫度芯片 DS18B20 測量溫度。 該芯片的物理化學性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。在 0—100 攝氏度時，最大線形偏差小于 1 攝氏度。該芯片直接向單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理及控制。本制作的最大特點之一就是直接采用溫度芯片對溫度進行測量，使數(shù)據(jù)傳輸和處理簡單化。采用溫度芯片 DS18B20 測量溫度，體 現(xiàn)了作品芯片化這個趨勢。部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測量電路的精確度。所以芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。本方案應用這一溫度芯片，也是順應這一趨勢。2、 主控制部分第 4 頁 共 16 頁方案一：此方案采用 AT89C51 八位單片機實現(xiàn)。單片機軟件編程的自由度大，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術算法和邏輯控制。但是，AT89C51 單片機需要用仿真器來實現(xiàn)軟硬件的合成在線調(diào)試，較為繁瑣，很不簡便。而且 AT89C51 的地位已經(jīng)漸漸的被 AT89S51 所取代。逐漸成為歷史。事 實也證明了 AT89S51 在工業(yè)控制上有著廣泛的應用。方案二：此方案采用 AT89S51 八位單片機實現(xiàn)。它除了 89C51 所具有的優(yōu)點外，還具有可在線編程，可在線仿真的功能，這讓調(diào)試變得方便。當與凌陽十六位單片機相比時， AT89S51 八位單 片機的價格便宜，再編程方便。而且 AT89S51 在工業(yè)控制中有廣泛的應用，編程技術及外圍功能電路的配合使用都很成熟。這對于在網(wǎng)上查找相關資料和在圖書館查找相關資料時非常方便的?？偨Y(jié)：綜上所述實際采用電路方案如下圖：工作流程說明開始，先接通電源，然后將開關打到開的位置，七段數(shù)碼管顯示器就自動顯示出當前溫度，并且顯示出設置溫度的缺省值 00。此時繼電器不工作。AT89S518BIT CPU鍵盤電路DS18B20 溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)顯示繼電器 1 N加熱器 1繼電器 2 加熱器 2MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片 片PC機第 5 頁 共 16 頁按下 F1 按鍵 ，溫度控制系 統(tǒng)進入溫度控制點 1 的設制。按下 F2 按鍵 ，溫度控制系 統(tǒng)則相應進入溫度控制點 2 的設置。這個時候，顯示設置溫度的數(shù)碼管閃爍。 此時可以通過鍵盤輸入預設置的溫度。當按下“ 確定”按鍵 的時候，單片機就會根據(jù)所寫入的程序，對系統(tǒng)進行控制。當設置的溫度高于當前的溫度時，單片機通過繼電器控制加熱電路連通。溫度慢慢升高。當設置的溫度低于當前的溫度時，單片機通過繼電器控制加熱電路斷開。溫度慢慢下降。就這樣通過溫度芯片的反饋信息，實現(xiàn)水的溫度保持在設置溫度上，從而達到自動控制溫度的功能。、、 各電路的設計1、 鍵盤電路： 單片機應用系統(tǒng)中的鍵輸入單片機應用系統(tǒng)中除了復位按鍵有專門的復位電路,以及專一的復位功能外,其它的按鍵或鍵盤都是以開關狀態(tài)來設置控制功能或輸入數(shù)據(jù)。鍵盤有編碼和非編碼兩種。非 編碼鍵盤硬件電路極為簡單故本系統(tǒng)采用。、1、 鍵輸入接口與軟件解決的任務A. 鍵開關狀態(tài)的可靠輸入為了去抖動我們采用軟件方法，它是在檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一個 10ms的延時程序后，再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正鍵按下狀態(tài)，從而消除了抖動影響。B. 對按鍵進行編碼給定鍵值或給出鍵號對于按鍵無論有無編碼，以及采用什么編碼，最后都要轉(zhuǎn)換成為與累加器中數(shù)值相對應的鍵值，以實現(xiàn)按鍵功能程序的散轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移。為使編碼間隔小，散轉(zhuǎn)入口地址安排方便，常采用依次序排列的鍵號。C. 選擇鍵盤監(jiān)測方法對是否有鍵按下的信息輸入方式有中斷方式與查詢方式兩種。 第 6 頁 共 16 頁、2、 行列式鍵盤本系統(tǒng)用行列式鍵盤，即用 I/O 口線組成行列式 結(jié)構，按鍵設置在行列的交點上。在按鍵數(shù)較多時，可節(jié)省 I/O 口線。本系統(tǒng)鍵盤采用的工作方式為編程掃描工作方式，它是利用 CPU 在完成其他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序，來響應鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時，CPU 不再響應鍵輸入要求。編程掃描工作方式只有在 CPU 空閑時才調(diào)用鍵盤掃描子程序。鍵盤采用的掃描法掃描方式，掃描法是在判定有鍵按下后逐行（或列）置低電平，同 時讀入行（或列）狀態(tài)，如果行（或列）狀態(tài)出現(xiàn)非全 1 狀態(tài)，這時 0狀態(tài)的行、列交點的鍵就是所按下的鍵 。在其他的作品中，要改變設置溫度時，每按一次按鍵，相應位上的數(shù)字自加一。當要輸入的數(shù)字比較大的時候，需要按很多次，使用起來比較麻煩。然而，鍵盤就很好地解決了這個問題。當要修改設置溫度時，只需要按兩次按鍵，再加上“ 確定”按鍵即可。所以本電路采用了使用方便的鍵盤控制電路。鍵盤的按鍵分布如下圖所示：鍵盤設定如下：鍵盤共有 14 個按鍵，用于方便設定溫度?！? ，數(shù)字按鍵，輸入數(shù)字 1----9；P2.4 F1 F2P2.0 7 8 9P2.1 4 5 6P2.2 1 2 3P2.3 清除 0 確定P2.5 P2.6 P2.70 9第 7 頁 共 16 頁， , 設置的確認，修改設置溫度時進行確認；, 設置的清除，修改設置溫度時進行刪除；, 顯示及設置轉(zhuǎn)換到溫度點 1，按此按鍵后，顯示預設置溫度的數(shù)碼管閃爍；，顯示及設置轉(zhuǎn)換到溫度點 2，按此按鍵后，顯示預設置溫度的數(shù)碼管閃爍；采用 14 按鍵的鍵盤代替其他作品的自加 1 按鍵和自減 1 按鍵，雖然增加了按鍵的個數(shù)，但是卻方便了輸入所需要設置的溫度，使得溫度設定操作更為簡單。這也是本作品相對于其它作品改進的一個重要方面。3、 加熱器控制電路單片機通過三極管控制繼電器的通斷，最后達到控制電熱器的目的。當溫度未達到要求時，單片機發(fā)送高電平信號使三極管飽和導通，繼電器使電源與電熱器接通，電熱器加熱。溫度慢慢升高。當溫度上升到預定溫度時，單片機發(fā)送低電平信號三極管進入截止狀態(tài)，繼電器的彈片打到另一側(cè)，使電熱器與電源斷開，電熱器停止加熱。繼電器電路中有一個三極管 8050 的保護電路，即將一個二極管反向接到三機管的兩端。連接方法如圖所示。其原理是：當繼電器突然斷電時，繼電器產(chǎn)生很大的反向電流。二極管的作用是將反向電流分流，使流過三級管 8050 的電流比較小，達到保護三極管 8050 的作用。F1CONTROLTEMPERATURE確認清除F2第 8 頁 共 16 頁DS18B203、溫度測試電路這里我們用到溫度芯片 DS18B20。使用集成芯片，能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，簡化電路的結(jié)構。使用集成芯片，已經(jīng)慢慢的成為設計電路的一種趨勢。本系 統(tǒng)使用溫度芯片也正是順應了這一趨勢。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；測溫分辨率可達 0.0625℃，被測溫度用符號擴展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(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。DS18B20 支持“一線總線”接口，測量溫度范 圍為 -55°C~+125°C，在-10~+85 °C 范 圍 內(nèi),精度 為± 0.5°C?，F(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、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。溫度芯片 DS18B20 轉(zhuǎn)換 速度快， 轉(zhuǎn)換精度高，與微處理器的接口簡單，給硬件設計工作帶來了極大的方便，能有效地降低成本，縮短開發(fā)周期。4、七段數(shù)碼管顯示電路 本部分電路主要使用七段數(shù)碼管和移位寄存器芯片 74LS164。單片機通過 I2C總線將要顯示的數(shù)據(jù)信號傳送到移位寄存器芯片 74LS164 寄存，再由移位寄存器控制數(shù)碼管的顯示，從而實現(xiàn)移位寄存點亮數(shù)碼管顯示。由于單片機的時鐘頻率達單片機控制信號- SDA+第 9 頁 共 16 頁到 12M，移位寄存器的移位速度相當快，所以我們根本看不到數(shù)據(jù)是一位一位傳輸?shù)?。從人類視覺的角度上看，就仿佛是全部數(shù)碼管同時顯示的一樣。在本系統(tǒng)中使用移位寄存器芯片 74LS164 時，是用芯片的貼片封裝。貼片封裝直接焊接在數(shù)碼管電路的背面，這樣既能實現(xiàn)強大的功能又合理利用電路的空間，而且整個顯示電路小巧玲瓏，在總體安裝時方便。采用移位寄存器控制數(shù)碼管顯示出本系統(tǒng)要顯示的數(shù)據(jù)，也是本系統(tǒng)的一個亮點。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 22-Sep-2004 Sheet of File: E:\Documents and Settings\1?ó?\×à??\?′?t 89s51×?o?êμ?é°??-àíí?.ddbDrawn By:abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS6abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS7abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS8abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS9abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS13abfcgdeVCC1234567abcdefg8dp dp9DS16A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U1674LS164A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U1374LS164A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U1274LS164A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U1474LS164A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U1574LS164A 1B 2QA3QB4QC5QD6CLK 8CLR 9QE10QF11QG12QH13U974LS164+5V +5V +5V +5V +5V+5VR1 R2 R3 R4 R5 R6+5V +5V +5V +5V +5V +5VSDASCL5、 串口通訊電路：51 單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是 RS232 電平的，而單片機的串口是 TTL 電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，我們采用了專用芯片 MAX232 進行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專第 10 頁 共 16 頁用芯片更簡單可靠。我們采用了三線制連接串口，也就是說和電腦的 9 針串口只連接其中的 3 根線：第 5 腳的 GND、第 2 腳的 RXD、第 3 腳的 TXD。這是最簡單的連接方法，但是對我們來說已經(jīng)足夠使用了，電路如下圖所示，MAX232 的第 10 腳和單片機的 11 腳連接，第 9 腳和單片機的 10 腳連接，第 15 腳和單片機的 20 腳連接。 串口通訊的硬件電路如上圖所示、、 程序設計概 述整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），第 11 頁 共 16 頁它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、計算、顯示、打印、通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。設計者應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能和鍵盤設置選擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構，然后根據(jù)實時性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關系。1、 程序結(jié)構分析主程序調(diào)用了 5 個子程序，分別是數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、繼電器控制程序、單片機與 PC 機串口通訊程序。鍵盤掃描電路及按鍵處理程序：實現(xiàn)鍵盤的輸入按鍵的識別及進入相應的程序。溫度信號處理程序：對溫度芯片送過來的數(shù)據(jù)進行處理，進行判斷和顯示。數(shù)碼管顯示程序：向數(shù)碼的顯示送數(shù)，控制系統(tǒng)的顯示部分。繼電器控制程序：控制繼電器動作串口通訊程序：實現(xiàn) PC 機與單片機通訊，將溫度數(shù)據(jù)傳送給 PC 機將各個功能程序以子程序的形式寫好，當寫主程序的時候，只需要調(diào)用子程序，然后在寄存器的分配上作一下調(diào)整，消除寄存器沖突和 I/O 沖突即可。程序應該盡可能多的使用調(diào)用指令代替跳轉(zhuǎn)指令。因為跳轉(zhuǎn)指令使得程序難以看懂個程序段之間的結(jié)構關系。而調(diào)用指令則不同，調(diào)用指令使得程序結(jié)構清晰，無論是修改還是維護都比較方便。將功能程序段寫成子程序的形式，除了方便調(diào)用之外，還有一個好處那就是以后寫程序的時候如果要用到，就可以直接調(diào)用這個單元功能模塊。程序結(jié)構LED顯示數(shù)碼管顯示程序鍵盤掃描程序鍵值處理程序溫度芯片傳數(shù)據(jù)程序串口通訊程序第 12 頁 共 16 頁yesNO2、主程序程序開始的時候先設置初始化，然后就控制數(shù)碼管顯示當前溫度。接著就判斷 F1、F2 按鍵是否被按下。按下 F1 進入溫度控制點 1 的程序、按下 F2 進入溫度控制點 2 的程序。程序控制 設置溫度的兩個數(shù)碼管閃爍的，此時鍵盤輸入有效。有按鍵按下的時候進入按鍵處理程序。按下“確定”按鍵后，程序 進 入判斷程序和繼電器控制程序。繼電器動作后，程序回到顯示當前程序，并開始循環(huán)。繼電器控制程序與當前溫度相比較程序開始系統(tǒng)初始化取溫度 點 F1\F2是否有按鍵 按鍵處理繼電器控制溫度顯示比較設置溫度與當前溫度大小溫度數(shù)據(jù)送PC 機第 13 頁 共 16 頁四、測試方法和測試結(jié)果1、測試環(huán)境環(huán)境溫度 28 攝氏度測試儀器：數(shù)字萬用表，溫度計 0----100 攝氏度2、測試方法使系統(tǒng)運行，采用溫度計同時測量水溫度變化情況，得出系統(tǒng)的溫度指標。3、測試結(jié)果設定溫度由 40 攝氏度到 60 攝氏度標定溫差<=1 攝氏度 調(diào)節(jié)時間 0.5s靜態(tài)誤差<=1 攝氏度 最大超調(diào)量 1 攝氏度4、測試結(jié)果分析因為芯片是塑料封裝，所以對溫度的感應靈敏度不是相當高，需要一個很短的時間才能達到穩(wěn)定。五、總結(jié)89S51 的時鐘 最高可達 12M，I/O 口可達 32 個，高的時鐘頻率和豐富的 I/O，都為我們實現(xiàn)電路功能提供了非常有利的條件。同 時也因為開發(fā)環(huán)境友好，易用，方便，大大加快本系統(tǒng)設計開發(fā)。鍵盤的使用，使操作更為簡潔，易懂和迅速。本制作的設計中使用了繼電器控制的只是插座電路，因此，該系統(tǒng)的可擴展性很強。隨著插入插座的電器的不同，可以實現(xiàn)許多其它功能的電路。六、應用舉例：1、 控制過板機的溫度過板機的使用溫度一般是在 60 攝氏度----90 攝氏度之間。使用該系統(tǒng)時，當過 板機的溫度小于設置溫度時，系統(tǒng)自動接通電源，過板機加熱；當過板機剛剛超過設置溫度時，系統(tǒng)自動斷開電源，過板機冷卻，以此保證過板機不至于被燒壞。2、 控制水的溫度第 14 頁 共 16 頁當需要某一溫度的水的時候，既可設置溫度，然后系統(tǒng)就自動為你效勞。不怕因 為忘了時間，而把事情弄糟。 3、控制孵化室的溫度 【參考文獻】(1)曹巧媛主編 . 單片機原理及應用(第二版). 北京:電子工業(yè)出版社,2002(2)全國大學生電子設計競賽組委會編.第五屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編(2001), 北京: 北京理工大學出版社， 2003(3)何力民編. 單片機高級教程. 北京:北京航空大學出版社,2000(4)金發(fā)慶等編 . 傳感器技術與應用.北京機械工業(yè)出版社,2002附：使用說明1、 將溫度控制箱上的開關全部打到“關”的位置第 15 頁 共 16 頁2、 將溫度芯片插到溫度控制箱的指定位置3、 用串口線將溫度控制箱與計算機相連，打開相應的應用程序4、 將用電器的插頭插到溫度控制箱的插座5、 接上溫度控制箱的電源、并打開開關。在溫度控制箱上的數(shù)碼管顯示出當前溫度6、 按 F1 鍵，進入溫度點 1 的設置。通 過鍵盤設置所需要的溫度，然后按“ 確定”鍵。系統(tǒng)會將設置值與當前值進行比較，通過溫度芯片的反饋，單片機控制加熱或冷卻水的溫度，使水的溫度穩(wěn)定在設置的溫度上。從而達到控制溫度的作用。7、 按 F2 鍵則相應進 入溫度點 2 的設置。與 F1 鍵的使用方法相同。8、 當要關閉系統(tǒng)時，先關掉開關，然后再拔掉電源。框圖表示：附：外觀圖確認溫度控制箱上的開關全部打到關的狀態(tài)接上溫度芯片，連接好電路，接上電源按 F1 或 F2 進行溫度點 1 或溫度點 2 的設定系統(tǒng)開始工作，直至工作結(jié)束第 16 頁 共 16 頁