毕业设计（论文）-基于80c52单片机的数字电加热恒温控制系统设计.doc

密级：公开基于80c52单片机的电加热数字恒温控制系统设计design of digital constant temperature control system for electric heating based on 80c52 mcu学 院：电气工程学院专 业 班 级：自动化1104班学 号：110302415学 生 姓 名：指 导 教 师： 2015年6月 摘 要温度对日常的生活影响极大且无时不在，实现对温度的控制对生活乃至生产发展都具有重要的意义。很多生产领域中都需大量的加热设备来进行生产，如用加热炉来实现热处理，用坩锅电阻炉来融化金属及具有不同用途的温度控制箱等。用单片机对不同温度控制箱进行控制在很大程度上为设备控制带来了方便、使用简单、控制灵活等特点，同时还可以最大限度地提高温度参数的精确程度，保证了生产的稳步进行，增加了生产的效率。因此，智能化温度控制技术的研究有较大的研究意义。 本智能化温度控制系统的设计采用资料较多的80c52微型控制器，配以ds18b20数字温度传感器及nrf401芯片利用微功率短距离无线通信技术进行远程温度控制，该系统能够在25米以内远程控制温度。单片机利用检测到的数字温度信号与设定的温度上、下限值进行对比，由对比结果输出是否运行半导体制冷器指令以控制设备。本设计添加了普通的数码管来显示温度值及led灯来显示常用电路的工作状况，增加了系统的灵活性和完整性。关键词：温度箱；80c52；单片机；控制；模拟abstractthe temperature has great influence on daily life and has no time, and it has important significance for the control of the temperature to control the life and the development of production. in the field of production are subject to a lot of heating equipment to produce, such as heating furnace to realize heat treatment, crucible resistance furnace to molten metal and with different uses of the temperature control box. with the chip on the different temperature control box control in a great extent for the equipment control brought convenient, easy to use, flexible to control, at the same time, it can maximally improve the accurate degree of parameters such as temperature, ensure production steadily, increase the production efficiency. therefore, the research of the intelligent temperature control technology has the significance of the research.the intelligent temperature control system design using a lot of materials at80c52 micro controller and with ds18b20 digital temperature sensor and nrf401 chip with micro power short distance wireless communication technology for remote temperature control, the system can in 25 meters remote control asked. single chip microcomputer is used to detect the digital temperature signal and set the temperature, the lower limit of the comparison, from the results of the comparison of the output of the relay to control equipment. this design adds a common digital tube to display the temperature and led lamp to show the working condition of the common circuit, and increase the flexibility and integrity of the systemkey word：temperature；at80c52；scm；control；simulation10目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义11.2 温度控制系统的目的11.3 温度控制系统完成的功能11.4 国内外发展现状21.5 本章小结3第2章 总体设计方案42.1 方案的系统构想42.2 系统方案的确定42.2.1 传感器方案42.2.2 短距离无线通信模块方案52.2.3 系统控制及数据处理模块方案62.3 器件的选用72.3.1 数字式温度传感器的选择72.3.2无线收发芯片的选择82.3.3 常用的无线收发芯片92.3.4 键盘显示模块的选择102.3.5 温度控制模块的选择102.4 本章小结11第3章 硬件电路设计123.1 设计原则123.2 引脚连接123.2.1 晶振电路123.3 无线控制接收发射器123.4 单片机最小系统的设计133.5 显示电路143.6 ds18b20温度传感器电路143.7 加热电路153.7.1 半导体制冷器，工作原理153.7.2 比例积分电路163.8 报警电路的设计203.9 收发电路设计203.10 本章小结21第4章 系统软件设计224.1 系统软件设计整体思路224.2 系统程序流图234.2.1 上位机主程序234.2.2 下位机主程序244.3 收发控制子程序254.3.1 发送控制子程序254.3.2 接收控制子程序264.4 温度控制模块的设计274.4.1 温度测量子程序274.4.2 pid控制子程序284.4.3 读出温度子程序284.5 子程序流程图304.5.1 复位应答子程序流程图304.5.2 写入子程序31第5章 系统的调试及实验结果325.1 调试步骤325.2 实验结果325.3 本章小结33第6章 结论34参考文献1致谢3附录14附录25沈阳工业大学本科生毕业论文第1章 绪论1.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义随着技术的不断发展，以及温度控制在各个领域的广泛应用应用，智能化的温度控制系统已成为研究发展的方向1。尤其近年来，在我们生活得各个领域温度控制系统都取得了广泛的应用，可是温度控制领域却一直没有得到很好的开发，针对这种情况，设计一个简单适用的温度控制系统，具备普遍的使用前景与实际意义。温度是科学研究中占有重要的地位，物理、化学、生物等学科与温度都息息相关。近年来的实验研究中，像电力领域、化工领域、石油领域、冶金领域、航空控制领域、机械设备制造领域、粮食存储领域、酒场生产领域内，温度的控制往往是该领域生产过程中最重要的控制指标之一2。例如，发电厂中锅炉的温度只能控制在我们需要的范围之内；许多化学反应的条件是适当的温度下；炼油过程中，原油的提炼也是在温度和压力不同的条件下提炼出汽油、柴油、煤油等。如果没有标准的温度状态，很多的电子设备很难正常运行，如果没有合适的温度，那些农民种出来的粮食就很容易变质，靠其生产的酒类的品质也就没有了保障。所以，温度对于各行各业都非常重要。目前单片机广泛的应用于各类电子产品，当前的电子设备中大量的使用温度检测与温度控制系统。随着温度控制器应用范围的扩大和需求的多样，各种智能的温度控制系统被人们开发。1.2 温度控制系统的目的设计的温度控制系统具体的内容有：当给定的温度处于最低状态时，控制系统自动启动半导体制冷器器用来给环境加温，当温度缓慢上升并超过设定的下限值时，温控系统停止加温；当实际温度高于设定的温度上限值时，报警器报警，同时系统自动启动半导体制冷器给系统降温，使温度降落到上限温度以下。当温度下降到上限温度以下时，停止降温。温度在规定的范围内，加温降温系统不工作。设计的led数字显示当前的温度，数值精确度为小数点一位。1.3 温度控制系统完成的功能本系统设计目的是对温度进行高精度控制与实时监测，设计的温度控制系统实现了对温度准确控制：当温度低于给定最低温度时，控制系统自动启动半导体制冷器器用来给环境加温，当温度逐渐上升到给定下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，报警器报警，同时系统自动启动半导体制冷器给系统降温，使温度降落到上限温度以下。当温度下降到上限温度以下时，停止降温。温度在规定的范围内，加温降温系统不工作。led即时显示温度，精确到小数点一位。1.4 国内外发展现状随着信息技术的不断进步，人们为了将人类从繁重、危险的工作环境中解脱出来，对已经有的技术运用到人们生活的各个领域。随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性4,5。在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。与上述技术一样，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，他们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。所以如果我们能够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点，就能更好地理解并完成传感数据的无线采集。无线数据通信技术可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据(cdpd)，通用分组无线传输技术(gprs) 、edge 等。二是基于局域网的技术，如 ieee802.11 wlan、bluetooth、irda、home-rf、微功率短距离无线通信技术等6。与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络(如蜂窝移动通信网)相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。在2.4ghz非授权频段上，目前已经云集了蓝牙、wi-fi、zigbee等多个标准无线协议。，具有带宽高（ 2mbps），双向传输，抗干扰性强，传输距离远（短距离无线技术范围），耗电少的优点，用于无线键鼠等室内场合7。nordic公司等公司已成功推出nrf401芯片，2.4g全球开发ism频段免许可证使用。同时许多公司也相继推出基于nrf401的无线传输模块。nrf401模块是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 ghz2.5 ghz ism频段8,9。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型shockburst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nrf401功耗低，在以-6dbm的功率发射时，工作电流也只有9ma;接收时，工作电流只有12.3ma，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟10。同样随着传感器及电子电路的发展，集成的温度检测器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。类似美国dallas公司推出的数字测温芯片ds18b20层出不穷，国内外的研究在这方面的研究也趋近完善13。进入21世纪后，智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。（1）提高温度控制器测温精度和分辨力在20世纪90年代中期最早推出的智能温度控制器，采用的是8位a/d转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到2c。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位a/d转换器，分辨力一般可达0.50.0625c。为了提高多通道智能温控器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式a/d转换器11。（2）增加温度控制器测试功能新型智能温度控制器的测试功能也在不断增强。例如，采用ds1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（rtc），使其功能更加完善。ds1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的e2prom存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度控制器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件15,16。智能温度控制器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。对某些智能温度控制器而言，主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其a/d转换速率，分辨力及最大转换时间。1.5 本章小结本系统介绍的设计是用于日常生活较常用的系统来实现温度的无线控制，可以实现当前温度的测量并显示当前的温度值，同时可实现对需求温度的调节。该设计的优点在于控制简单方便，也充分利用了单片机的控制优势。第2章 总体设计方案温湿度的检测有许多方法，可供选择的器件和运用的技术也有多种。因此，系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑系统使用的环境，所选的结构要尽量简单实用、易于实现，器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性能。2.1 方案的系统构想本系统设计的目的在于控制花房温度。能够在远距离控制温度。为了达到目的应该有如下几个模块：收发模块；温度采集模块；制冷加热模块；中央处理模块；温度报警模块；显示模块。实现方案设想：温度采集模块将温度信号采集经过转换将温度信号传给cpu，并由收发电路发送给中央处理单元，如果温度不在给定范围之内，报警器报警。同时单片机发出指令给半导体制冷加热器件调整温度。以控制温度在合理的范围内，达到对温度的控制目的。2.2 系统方案的确定2.2.1 传感器方案传统的模拟式传感器具有测量转换速度快，温度测量范围宽的优点。但是模拟传感器的模拟信号需要先经过取样、放大和模数转换电路处理，再将转换得到的表示温湿度值的数字信号交由微处理器或 dsp 处理。被测信号从敏感元件接收的非电物理量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计者须考虑的线路环节较多，相应测试装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及小型化。而且模拟信号在长距离传输过程中，容易受到电磁干扰而导致误差产生。在多点温湿度检测的场合，各被测点到测试装置之间引线距离往往不同，各敏感元件参数的不一致性，都将会导致误差的产生，并且难以完全清除。另外，模数转换系统的精度也不可能很高，存在一定非线性，互换性较差。采用具有直接数字量输出的传感器能够避免上述问题。数字式传感器能把被测模拟量直接换成数字量输出，可以直接与数字设备（计算机，计数器，数字显示系统等）相联，用微控制器、dsp 或计算机进行信号的处理、滤波、压缩。它的信号原则上不受放大器和信号处理系统的温度漂移的影响，具有极高的抗干扰能力1718。数字式传感器具有高的测量精度和分辨率，稳定性好，信号易于处理、传送和自动控制，便于动态及多路测量，读数直观，安装方便，维护简单，工作可靠性高。虽然存在反应速度较慢，温度测量的范围不宽的缺点，数字式传感器技术的发展仍受到人们越来越多的重视。考虑系统的经济性和温湿度传感器的优缺点及发展状况，确定温度传感器采用数字式。2.2.2 短距离无线通信模块方案蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，已经得到了全球众多大企业的支持。蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用。但是蓝牙设备价格昂贵，通讯距离近，蓝牙 rf 定义了三种功率等级（100mw、25mw 和 1 mw），当蓝牙设备功率为1 mw 时，其发射范围一般为10m19。红外线传输是使用红外线波段的电磁波来进行较近距离的传输。irda具有技术成熟、体积小、功率低、传输速率高、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、保密性强、成本低廉等优点。也存在着只能视距传输、移动时不能传输、led 易磨损等缺点。随着大规模集成电路技术的发展，世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界干扰。射频芯片一般采用 fsk 调制方式，工作于 ism 频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用20。考虑系统的经济性、传输距离，确定该部分电路设计使用无线收发芯片。无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。使用该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单。2.2.3 系统控制及数据处理模块方案温度数据在采集后通常要进行数据处理，以实现测量数据的记录、显示和对测控系统的控制。对于一般的工业测量与控制，多采用专用计算机系统进行测控。专用计算机系统是把采集系统作为一个独立完整的功能实体，用单片机或 dsp 来控制整个系统。最主要的特征是系统软、硬件规模完全根据应用系统的要求配置，独立性、可扩展性好，因此系统具有较高的性价比。根据微处理器的不同，专用计算机应用系统可分为 dsp 应用系统和单片机应用系统21,22。dsp 和单片机都是构成专用计算机系统的核心芯片，dsp 主要用于复杂的数字信号处理，dsp 芯片中具有各种特殊功能的计算模块，采用流水线结构，提高了 dsp 的运行速度。由于 dsp 主要应用于高速数据处理，因此外部 i/0 接口比较少，不便于系统扩展，因此多数 dsp 系统还要通过单片机来进行外部接口扩展，这导致了 dsp 的成本较高，另外，dsp 具有一定的专用性，开发过程比较复杂，不便于通用。单片机是把微型机的主要部分集中在一个芯片上的单芯片微型计算机。由于它的结构与指令都按照工业控制要求设计的，故又称微控制器（microcontroller unit），也可称微型计算机（single chip microcomputer）。通常由微型计算机和外围设备组成，包括微处理器（cpu）、存储器（存放程序指令或数据指令的rom、ram 等）、输入/输出接口（i/o）及其它功能部件如定时器/计数器、中断系统等。单片机受集成度限制，片内存储容量较小，一般 rom 只有 48k 字节，ram 小于256 字节，通过外部扩展，rom、ram 可扩展至 64k 字节。与通用计算机系统相比，具有系统简单、功能易扩展、测控能力强、可靠性高。单片机应用系统正在被各个领域广泛应用23,24。采用单片机具有系统简单、开发容易，功能易扩展、测控能力强、可靠性高的特点。尤其适用于系统中没有复杂的计算处理、对采集速度要求不高的数据采集处理系统。对于不要求高速的一般的数据采集与处理系统，采用 dsp 是不经济的方案。在单片机能够满足系统对数据处理速度要求的情况下，单片机无异是首选的信息处理单元。2.3 器件的选用2.3.1 数字式温度传感器的选择随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用mcu 的i/o 引脚数情况如何，因为mcu 的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与 mcu 的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有philips公司的i2c总线，motorola 公司的 spi 总线，national semiconductor 公司的 microwireplus总线，dallas semiconductor 公司的 1-wire 总线和 siemens 公司的 profibus总线等。常用的数字温度传感器主要有：（1）ad7418 是是美国模拟器件公司（adi）推出的单片温度测量与控制用集成电路。其内部包含有带隙温度传感器和10 位 a/d 转换器。测温范围为-55+125，具有10 位数字输出温度值，分辨率为0.25，精度为2，转换时间为1530ms。具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境千扰等优点。ad7418 可以级联至多8 片在同一个 i2c 总线上16。（2）lm74 是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、-型 a/d 数转换器，并具有 spi/microwire 兼容总线接口的数字温度传感器。具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。在传感器通电工作后自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。lm74 具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过 10a，适用于对功率消耗有严格限制的系统。 lm74 的模数转换器为 12 位外加符号位，因此在其有效工作范围内可达 0.0625的分辨率，转换时间为425ms。（3） max6575l/h 是美国 maxim 公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。测温范围为-40+125，其误差范围：在 25时优于3， 在 85时优于4.5，在 125时优于5。但是 max6575l/h 在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。它最多允许在一根 mcu 的i/o 总线上同时挂接8 个 max6575l/h 进行多点温度测量。为了避免多个传感器同时测温时有重叠的现象，max6575 提供了“l”和“h”两种型号的传感器，它们的使用方法相同，而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。但是，max6575l 的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在5m 以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。（4） ds18b20是美国dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的 a/d 转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。ds18b20 的测温范围-55+125，最高分辨率可达0.0625，由于每一个 ds18b20 出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其rom 中，因此 cpu 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。dallas 公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点：1）适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；2）性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；3）具有 crc 校验功能，可靠性高；4）软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。由于 ds18b20 独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用 mcu 的 i/o 引脚资源少，和 mcu 的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用 ds18b20 做为温度测量的传感器。2.3.2 无线收发芯片的选择无线收发芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周期、节约成本。在选择时，应主要参考以下几点：(1) 收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的 1/3，而采用串口传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，编程方便。(2) 收发芯片所需的外围元件数量芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。(3) 功耗大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品(4) 发射功率在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。(5) 收发芯片的封装和管脚数较少的管脚以及较小的封装，有利于减少 pcb 面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。2.3.3 常用的无线收发芯片nrf903 单片射频收发器芯片工作在 915mhz 国际通用的 ism 频段；gmsk/gfsk 调制和解调， 抗干扰能力强；采用 dds+pll 频率合成技术，频率稳定性好；灵敏度高达-100dbm ， 最大发射功率达+10dbm；数据速率可达 76.8 kbit/s；170 个频道，适合需要多信道工作的特殊场合；可方便地嵌入各种测量和控制系统中进行无线数据双向传输，在仪器仪表数据采集系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。th72011 是melexis 公司的单片射频发射芯片，频率范围380mhz450mhz，采用vco+pll 频率合成技术，频率稳定性好；fsk 调制方式，抗干扰能力强；fsk 频偏和中心频率可独立调节；宽电压范围1.95.5v，静态电流小，工作电流可在3.5ma10.7 ma 调节；发射功率可在-12 dbm+10dbm 调节，数据速率可达40kbit/s。可嵌入各种测量和控制系统中进行无线数据传输，在保安系统、微功耗遥测遥控系统等中应用。nrf401 是挪威 nordic vlsi 公司推出的单芯片 rf 收发机，专为在 433mhz ism (工业、科研和医疗) 频段工作而设计。该芯片集成了高频发射、高频接收、pll 合成、fsk 调制、fsk 解调、双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。nrf401 的外围元件很少，仅10 个左右。只包括一个 4mhz 基准晶振(可与mcu 共享)、一个pll环路滤波器和一个vco 电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。基于nrf401成本低、可靠性高、外围设计简单的优点，本系统将nrf401 做为无线收发芯片的首选23。2.3.4 键盘显示模块的选择显示单元是人机交互的窗口，是传递仪表工作状态和检测数据的关键性设备，通常的显示器件有液晶显示器（lcd）和数码管显示器（led）。液晶显示器在使用中有许多注意事项：不能对它长期施加直流电，否则易造成显示器的老化；必须注意防潮；防止施加过大的压力；对于使用的环境温度要特别注意，温度不能太高也不能太低；防止紫外线的直接照射；要特别注意防静电，焊接显示器时烙铁要接地。可见液晶显示器在使用中有众多的限制条件，但它同时也有一定的优势，其中最明显的就是低功耗，消耗电流一般是 pa 级的。数码管显示器不同与液晶显示器，它对电源没有特殊要求，受环境温度的影响不大，不怕阳光的照射，也没有严格的防静电要求，而且它的显示亮度要比液晶显示器亮许多，适于安装在室内、室外、黑暗和光线强的各种环境中，但它的耗电量明显高于液晶显示器。本系统由于要适合在不同环境条件下使用，所以选用数码管显示器。本系统采用3位数码管动态显示当前温度。在本系统中，键盘由四个键组成，即温度增加键、温度减小键、确认键和取消键。因按键很少，所以采用独立式键盘。2.3.5 温度控制模块的选择温度控制单元是系统的执行器件，是系统的最后一个环节，也是系统中最重要的一部分。目前制冷系统主要包括空气循环制冷系统、蒸汽压缩制冷系统、使用氨水的吸收式制冷系统和近几年发展起来的半导体制冷系统。目前制热技术主要有太阳能吸收热量、煤炭燃烧制造热量、热泵和近几年发展起来的半导体制热系统。其中半导体制冷制热是利用特种半导体材料通过直流电时产生低温高温的一种制冷制热方式，由于它弥补了其它制冷制热方式不足，在当今世界的人下制冷制热技术中占有独特的地位。所以本系统选择半导体制冷制热器件。2.4 本章小结针对设计的温度控制系统的目的，对各部分所需的硬件进行选择，分析其经济效益，选择最合适的器件用来进行硬件电路图的绘制。第3章 硬件电路设计3.1 设计原则ds18b20采用单总线接口模式，可以只用一条线就可以与单片机相连实现双向通讯。其测量范围在55+125之间，测量精度在10+85内精度是0.5，并且其能够并联8个，能够实现多点测量。使温度精度更加准确25。在温度控制上，采用半导体制冷器作为调节温度的器件。珀尔帖效应使其控制温度的方式就是调节其俩端的电流大小和方向，从而达到控制温度加热还是制冷的目的。3.2 引脚连接3.2.1 晶振电路为使单片机能够高效的工作，加上的晶振振荡器电路，其中晶振是12mhz，并联电容是47uf。完成晶振振荡电路。图3.1晶振电路3.3 无线控制接收发射器nrf401作为单芯片rf 收发机，设计的工作频段在433mhz ism。该芯片采用fsk调制解调技术，其工作速率最高为20k，它的天线设计为差分天线。因此它能使用价格相对便宜的pcb天线，在市场上性价比非常高nrf401 仅 10 个左右外围元件。只包括一个 4mhz 基准晶振(可与 mcu 共享)、一个 pll环路滤波器和一个 vco 电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便9 10。基于nrf401性价比，其优异的性能，我认为适合本系统设计及研发。适合做无线收发装置，用于对温度的远程控制。3.4 单片机最小系统的设计在选择cpu时，针对本系统只是对温度的控制，集成性不高，可以采用单片机作为系统的cpu。其性价比要高于其他复杂的pc机。再考虑成本时，由于本系统是适用于花房、粮仓等不需要运算速度特别快。精度特变高的系统。所以单片机完全能够完成其功能。由设计的要求，只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。其应用特点是:（1）全部i/o口线均可供用户使用； （2）内部存储器容量有限（只有4kb地址空间）； （3）应用系统开发具有特殊性。图 3-2 最小系统图单片机最小系统如图3-2所示，本系统采用的是at80c52单片机。其特点是一个低电压，高性能cmos 8位单片机，具有8kb可反复擦写的rom，及256bram。和其他cmos单片机相似，具有40个引脚。其中32个双向i/o口，含有2个中断源，3个十六位可编写计数器，其中p3口可作为第二功能引脚实现其他功能。而且其内存单元可以扩展。at80c52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1 和xtal2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器可以与晶振构成单片机的自激振荡电路，也是单片机能够实现工作的前提，其晶振频率越高，单片机的运算速度越快。本系统采用频率为12mhz的晶振与电容并联构成震荡电路。虽然对电容要求不大，但是电容的大小影响单片机工作的稳定性，在选择电容式由于晶振选用的是陶瓷晶振，所以在用电容时使用2个47uf的电容与其并联构成单片机最小电路。3.5 显示电路在选择显示电路时考虑选用利用74l47驱动3个共阳极数码管，扫描方式为动态扫描，这样节省了单片机i/o口资源的占用。图33 显示电路图3.6 ds18b20温度传感器电路图3-4 温度传感器电路引脚图3.7 加热电路3.7.1 半导体制冷器，工作原理在本系统中温度控制采用半导体制冷器。为了使半导体制冷器（tec）能够正常运行，必须保证单电源驱动电路不仅能够提供足够大的功率，而且还能改变方向。这就需要功率放大电路：桥式推挽电路（btl），其工作特点是在理想条件下其电流波形为正弦波。如图3-5当输入电压0时管q1、q4导通似的负载tec上获得正半周电压，当输入端为负电压时，管q2、q3导通，使得负载tec上获得负半周电压。由于其采用电桥式的联接方式，其目的是为了提高电源利用率。与ocl和otl功放相比，btl在同等电压负载条件下能够把输出功率提高3到4倍，达到75%。相对系统来说，不仅仅要求能够达到要求还有要能够省电。为此我是用btl电路作为tec的驱动电路26。半导体制冷器的工作特点是，其制冷加热的条件是通过电流的正反方向进行调节，在温度控制上，采用半导体制冷器作为调节温度的器件。它是典型的珀尔帖效应器件，其利用n型半导体与p型半导体的热量传递造成温度差，用来升高温度或者降低温度11。其控制温度的方式就是调节其俩端的电流大小和方向，从而达到控制温度加热还是制冷的目的。整个电路采用的是对称的结构，u3a 和 u3b 分别接成同相放大器和反向放大器，放大倍数均为 ；q1q4 选用相同参数的场效应管，跨导为gm；电阻 r1r6 的阻值均为 r；zd1、zd2 为稳压管，其稳压值为uz，正向导通时压降为ud。当输入端的信号为正时，运放 u3a 的输出为正，u3b 的输出为负，场效应管 q1、q3 导通，q2、q4 截止，电流从 tec 的“+”端流向“-”端；当输入端信号为负时，运放 u3a 的输出为负，u3b 的输出为正，场效应管q2、q4 导通，q1、q3 截止，电流从tec 的“-”端流向“+”端。实现了对通过 tec 电流方向的控制。通过计算能够到处半导体制冷器中的电流 i 与电压 u 之间的关系式为（3-1）其中，rtec为 tec 的电阻。由式(3-1)可以看出，i 与 utw呈线性关系，实现了通过调节输入信号来改变 tec 电流大小的功能。图3-5半导体制冷电路图3.7.2 比例积分电路在温度控制模块采用比例积分电路，利用pid控制温度，图3-6为d/a转换电路，目的是将单片机中的数字量，转换为模拟电压供，半导体制冷器使用。用来实现对温度的连续控制。图3-6 d/a转换电路图pid 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成控制偏差e(t) = r(t) - c(t) (3-1)将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为 pid 控制。其控制规律为(3-2)写成传递函数形式(3-3)式中 k比例系数；ti积分时间常数；td微分时间常数14；pid 控制系统中各分量的作用特点如下：（1）比例控制作用的特点是当系统存在输入量时，就会产生作用，开始根据比例系数kp放大或者减小输入量。能够起到快速反应。使系统能够快速的跟随给定值，当然其存在着缺点，其缺点是稳定性比较差，抗扰能力弱，当系统存在微小的变化量时都会引起其反应。当使比例放大系数 kp 增大时可减小静差，但 kp 过大会导致系统的动态性能由于超调量的增大而变坏。（2）积分控制作用的特点是累计对系统输入的变化量进行调节。能够较好的避免系统产生偏差。但是其缺点是反应速度慢。有严重的滞后效应，如果积分环节作用太强，会导致系统在控制时，动态性能不好（3）微分作用的特点根据微分的特性我们能够推断出微分环节能够针对系统输入量的变化快慢、反应速度进行相应的判断，减少系统的超调量。使系统能够快速的响应。缺点是和比例积分环节一样，对系统的抗扰能力差。容易受到干扰。微分环节能够根据系统输入量的变化趋势，做出相应判断。及早地加入修正信号，使得系统能够快速反应。准确的根据给定值调节出需要的参数，但是本系统为温度控制，是针对花房或者是粮仓的温度控制，其温度变化过程相对缓慢，人为干扰可能性比较小，因此我们不需要将系统加入微分控制。只需要比例积分环节就能实现对温度的调节控制30。对于本系统，用户设置的温度作为给定值r（t）用来作为标准，实际温度作为输出值c（t），控制对象为半导体制冷器作为电压控制变量u（t），而由ds18b20检测的温度作为反馈值返回给系统。由于系统不会因为某种原因使得温度急剧变化使系统快速反应，因此本系统只需要比例环节和积分环节就可以完成温度变化的控制。本文中使用了运算放大器和分立式元件构成了比例积分控制系统。比例控制的实现由两种方法，一种是串联负反馈法，一种是并联负反馈法。我们采用了并联反馈的方法，反馈信号为电流量。电路由比例、积分电路组合而成，见图 3-8。这种组合方式避免了误差级间放大，保证了温控系统的精度。图3-8 比例积分电路图比例运算电路由电阻 r1，r2 和运算放大器组成，理想情况下，输入输出关系可由下式表示：（3-4）其传递函数关系为（3-5）在实际的电路中，r1是由连续可调电阻加上固定电阻构成，因此可以实现kp能够在一定范围内连续可调。积分运算电路由电阻 r3、r4，电容 c1 和运算放大器组成，在理想情况下，输入输出关系可由下式表示（3-6）其传递函数关系为（3-7）其中ti = r3c1，实际电路中 r3 由一个固定电阻和可调电阻组成，可以实现积分时间的任意调节。比例积分控制电路总的传递函数等于各组成环节传递函数之和，即(3-8)在本系统的温度控制环节我使用的是用粗调的比例环节加上细调的积分环节进行组合控制，由于温度控制相对是变化缓慢的，因此没有加入微分调节。比例积分能够使系统快速响应，当输入量给定时，系统能够快速响应达到要求。而积分环节是消除误差，使温度控制能够快速温度的得到调节。3.8 报警电路的设计在设计温度报警装置时，由于报警装置只是起到警示作用，所以在本系统设计时，报警系统相对简单，如图，由扬声器与三级管串联接到5伏电压源上，由单片机控制三极管导通，当单片机给低电平时，三极管导通，扬声器报警。图3-9 报警电路3.9 收发电路设计图3-10 收发电路如图3-10所示，1脚和20脚之间连接的是震荡电路，采用4mhz的晶震；9脚是数据的输入引脚，10脚是数据的输出引脚，11脚可以通过选择不同的r7值调整发射功率，当r722k时，有最大发射功率10dbm；15脚和16脚是环形天线的连接引脚；18脚可控制工作和待机模式；19脚可以控制发射和接收模式。3.10 本章小结在选择完器件后，我对硬件的各个部分进行绘制，根据相应功能完成硬件电路图的绘制。其中有地方在出现问题的时候导师及时的更正，让我少走了很多的弯路。才得以在计划的时间内完成硬件电路图。第4章 系统软件设计4.1 系统软件设计整体思路在如今微控制器越来越功能强大的今天，一个应用系统不但需要设计完善的硬件电路，还需要设计合理的和可行的软件程序。只有在这样的情况下，应用系统才可以完满地完成设计要求完成的任务。可以毫不夸张的说，微控制器在今天系统设计中是必不可缺的。随着微控制器的功能越来越完善，有许多在以前只能通过设计复杂电路来实现设计要求的工作都可以通过对微控制器的软件编程来实现。因此，现在的我们在设计系统时应该充分享受微控制器为我们带来的方便。因此在本次设计中，微控制器采用拥有丰富的硬、软件资源的s51系列单片机。在程序设计中，程序语言分为3种：机器语言、汇编语言和高级语言。其中，机器语言是机器（微控制器）唯一识别的一种语言，其他语言它不识别。而汇编语言和高级语言是我们用来编写程序的，在我们编写程序完成后，必须将编写的程序语言编译后翻译为机器语言烧进微控制器，微控制器才能识别、执行。高级语言的对象是面向问题和计算过程，它适用于各种各样的微控制器计算机系统。当用户在使用高级语言编程时可以不用熟练地掌握它的各项性能和指令。由于一句高级语言可以顶多条计算机指令使用，所以他的使用功能十分强大，不过高级语言的编程也由此变得更加复杂了。由于本次系统设计的软件程序语句较少、规模也比较小，所以本次设计语言不使用高级语言，选用单片机汇编语言。汇编语言不向高级语言那样复杂，不过它具有编程简单、方便优点，在本次系统设计中完全满足设计要求。因此，在本次系统设计中，软件编写语言使用汇编语言。由于mcs-51指令系统的指令周期和高级语言相比长度短，这样使其指令在空间存储方面占用的空间小，同时在程序执行时时间短效率高，十分适合本系统的设计要求。同时，mcs-51具有丰富、完整的操作指令，可以使用户编程过程中方便、快速的完成程序的编写，提高用户编程的效率。在本次系统设计中，软件部分程序设计主要包括主程序、测温子程序、复位应答子程序、写入子程序、ds18b20程序4.2 系统程序流图系统程序流程图设计主要包括主程序流程图设计，测温程序流程图设计， 复位应答子程序流程图设、写入子程序流程图设计等。4.2.1 上位机主程序上位机主程序开始后先进行初始化设置。初始化的内容包括给相应的字符名称赋值，80c52单片机的初始化，设置串口通信参数，打开 cpu 中断，打开串口中断，设置定时器 t0 中断。没有中断的时候，上位机子系统处于等待状态，直到有中断需要响应时，单片机进入相应的中断服务程序，向下位机发送温度测试指令，等下位机接收到完整数据后，将上位机置接收方式，准备接收测得的数据，在上位机接收完下位机上传的数据后，根据中断指令进行显示，并保持状态，直到响应新的中断为止。由键盘输入温度数据后，上位机向下位机发送经pid算法得出的控制信号，下位机接受到完整数据后，控制半导体制冷器加热或制冷，使温度达到设定值。图4-1系统上位机流程图4.2.2 下位机主程序下位机主程序开始后首先进行初始化设置。初始化的内容包括给相应的字符名称赋值，设置串口通信参数。下位机然后向ds18b20发初始化脉冲。然后发送 skip rom 命令。接着循环查询 nrf401子系统是否置接收方式，直到有接收数据，转入相应的子程序，执行温度的检测或温度的控制。然后，将测得的数据发送给上位机，复位返回，准备进行新的测试。图4-2下位机流程图4.3 收发控制子程序4.3.1 发送控制子程序其主要完成单片机对单片机发送信号的接收工作，以确保控制系统能够远距离无线控制。图4-3 发送端程序流程图4.3.2 接收控制子程序图 4-4 接收端程序流程图4.4 温度控制模块的设计4.4.1 温度测量子程序图4-5 温度测量子程序流程框图4.4.2 pid控制子程序其主要完成对温度控制，是系统中最核心的控制环节，所有的硬件软件都是为了能够实现