基于单片机的智能电热毯的设计

1、哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计 题 目： 基于单片机的智能电热毯的设计 院、 系： 荣成学院 电气工程系 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2014 年 6 月 10 日基于单片机的智能电热毯的控制摘 要电热毯控制器从八十年代初控制器只设开、关两档、不能调温，到80年代中期控制器设高、底、关三档，具有简单调温功能，90年代研制生产出无级调温、自动控温的电热毯；目前正向国际先进的定时调温、电脑程序控温和自动恒温方向发展。因此要使恒温电热毯控制器真正走人千家万户，非常有必要设计一个好的温度控制和控制器对其控制，满足大众对其在安全、舒适、操作方便等方面的要求。 本设计为一个基于51单片机

2、控制，可以显示设定温度、加热时间及实际温度的恒温电热毯控制器。本设计中选用了at89c51由于采用小引脚封装所以价格仅与低档单片机相当。本设计采用ds18b20做温度传感器。温度范围控制在1050范围内，将传感器输出的数字信号经由单片机后控制显示部分及温度控制部分，从而实现对电热毯的恒温控制及室温显示。在整个设计中，本人按照系统的功能划分子系统结构，对系统进行规划设计。本论文的结构安排也是按照这样的流程进行的。关键词 at89c51；ds18b20；恒温电热毯控制器based on single chip microcomputer control of intelligent electri

3、c blanketabstractelectric blanket controller from the early eighty s controller set, only two files, not temperature adjustment, by the end of the mid - 80 - s controller set high, and close three gears, with simple temperature adjustment function, in the 90 s, the development and production of step

4、less temperature control, automatic temperature control of electric blanket；is the timing of the international advanced thermal control, computer program control moderate automatic constant temperature direction. so will make temperature electric blanket really leave home controller, is very necessa

5、ry to design a good temperature control and controller to control, meet the public in the safe, comfortable, convenient operation, etc. this design is based on 51 single chip microcomputer control, can display the set temperature, heating time and the actual temperature of constant temperature elect

6、ric blanket controller. this design uses at89c51 as the traditional operas foot encapsulation so price only with cheap single chip microcomputer. this design uses ds18b20 temperature is sensor. temperature is controled in the range of 10 to 50 . the analog input voltage values into the corresponding

7、 temperature control of electric blanket constant temperature and room temperature display. in the whole design, i according to the system functional division of the subsystem structure, planning and design of system. the structure arrangement of this paper is according to this process.keywords at89

8、c51; ds18b20; blanket controller of temperature controller目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 设计的背景及设计的意义11.2 电热毯的发展11.3 本文主要研究内容3第2章 设计方案42.1 系统总体设计方案42.2 系统功能模块方案选择52.2.1 单片机的选择52.2.2 显示电路的选择62.2.3 键盘电路的选择72.2.4 温度采集电路的选择72.2.5 温度控制电路的选择82.3 本章小结9第3章 硬件设计103.1 单片机模块103.2 电源电路113.3 显示电路123.4 报警电路133.5 按键电路

9、143.6 温度采集电路153.7 温度控制电路163.8 本章小结17第4章 软件设计184.1 系统软件功能分析184.2 主程序的设计184.3 子程序设计194.3.1 显示模块的设计194.3.2 按键描模块的设计214.3.3 报警模块的设计234.4 本章小结23结论24致谢25参考文献26附录27第1章 绪论1.1 设计的背景及设计的意义随着科学技术的不断进步，人类对科技产品的要求已不仅仅是停留在功能性满足的层次上了。电热毯的发展趋势逐渐转移到安全、可靠、舒适、耐用、易操作、差异化定制等人性化的角度上来，温度控制器作为最基本也是最具有改良潜力的部件，越来越受到电热毯生产企业的重

10、视。早期的温度控制器多使用模拟元件，从只有开、关两档、不能调温，到后来能由控制器设置高、低、关三档，具有简单调温功能。十几年的时间内，控温器的结构越来越精简，功能也越来越强大，但仍旧存在一些不足之处。如果电热毯一直加热到天亮，则容易造成被窝温度过高，使人身体不适甚至生病，如果睡前即关闭电热毯，则半夜由于气温下降使人冻醒，不仅影响睡眠，而且容易感冒，由于不能控制温度，如果电热毯一直通电它就会持续加热，导致温度过高而引起火灾或烫伤。本作品针对这一实际情况而设计。本作品采电单片机作为控制中心，不断监测床上的温度，自动关闭或启动电热毯的工作，使被窝温度保持在人的最佳睡眠温度。并利用单片机作为控制中心，

11、控制即时准确，调节方便，可因人而异实现个性调整。另外，增加了电子时钟功能，功能较强。当温度低于温度控制范围下限时，应及时启动电热毯加热，而超出上限时及时停止加热，误差不得大于1；利用单片机程序控制系统运行，工作安全可靠。采用ds18b20传感器，对被窝温度进行实时检测，工作电压5v，安全可靠。采用单片机智能化控制，利用传感器实现了小信号控制大信号，实现了智能化控制。1.2 电热毯的发展自从1912年美国人sidney i.russell发明第一条电热毯以来，电热毯因其简单、价廉、实用、省电等优点逐渐为广大消费者所青睐，成为冬季供暖的常用电器之一。虽然电热毯工作只是基于阻性材料上电发热的原理，但

12、是其制造及应用所涉及的技术领域却涵盖了诸多方面。在一百多年的历程里，电热毯技术的发展经历了以下几个主要阶段；20世纪30年代末，第一条肢体覆盖型保温毯问世。20世纪50年代末，英国首先将塑料绝缘材料引入电热毯。1960年，英国发明单股螺旋发热线。1962年，有过热熔断保护作用的、双层包覆的发热线(在两根螺旋绕制的电阻丝间隔有一层热敏塑料)在英国上市，德、日、韩等国也先后效仿。20世纪80年代后，各国对过热熔断保护继续改进，控温保护的概念开始流行。首先引入的是温度负反馈装置，而后又对加热线做进一步改进，增加了温度传感功能。目前，我国取得电热毯产品生产许可证厂家有200多家，年生产量5000万床左

13、右。近年来，我国电热毯产、销量递增幅度大，2009-2011年全国平均每年递增率为32%；可见电热毯的产销在我国具有旺盛的生命力。目前，具有一定生产规模的电热毯企业有20多家，不少企业通过生产线的引进和进行技术改造，使产量由较大幅度的增长，质量和品种亦相应得到了提高和发展。一般电热毯有不带信号线型及带信号线型，不带信号线型用于普通型电热毯。使用的电热合金丝有直线状的，但更多的是呈螺旋状缠绕在耐热芯线上，外面涂覆一层耐热树脂。带信号线型用于调温型电热毯中。线芯用玻璃纤维或涤纶丝编成，上面缠绕着柔韧可挠的电热合金丝（或箔带），外面包覆一层尼龙感热层或特种塑料感热层，再将一种铜合金信号线绕在感热层外

14、，最外面涂覆一层耐热树脂。当电热毯上任一点处的温度超过预定值时，该处相应的电热丝上的感热层即由绝缘体变为良导体，使控制电路接通，电热毯断电，达到控温和安全防护的目的。采用不带信号线型电热元件的普通型电热毯，如要实现控温，一般设有两类控温元件：一类是过热安全恒温器，每床电热毯约需89个，串联在电热元件上，起安全防护作用；另一类是恒温器控制器，设在床头或手边，起调节温度的作用。采用带有信号线的电热元件的电热毯仅需恒温控制器。电热毯一般由电热线、毯体、电路控制三部分组成。其产生热量的大小和安全性能的优劣主要取决于电热线和接头。电热线：时有电热丝和外敷的绝缘层组成。常用的电热丝有镍铬合金丝，铁铬铝合金

15、丝、康铜丝、铜丝等。电热丝的卷绕方式有直线型和螺旋形两种。目前流行的电热丝是镍铬合金丝，电热线的形态是螺旋型。绝缘形式采用双重绝缘。电热毯的毯体底料上的布置为波纹迂回方式。接头：对于电热毯，最关键的工艺师是电源线的链接密封问题，接头的好坏对产品的性能、寿命、安全可靠性有着关键性的影响。若接头不好出现松脱、不能密封或在使用中发生电源引线脱落等情况，极易引发火灾或者造成触电事故。电热毯目前主要是利用发热元件来进行工作的，而发热部件的主要功能是将电能转换为热能。电热毯的电源是经开关和保险丝与电热线直接相连接的。使用时，插上电源插头，闭合电源开关，电热丝加热升温，其温度的调节只能靠开关和插拔电源插头来

16、完成，而现在有很多的电热毯所采用的发热元件是热敏电阻。热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。其常用的半导体材料有铁镍锰钴钼钛镁铜等的氧化物或其他氧化物。热敏电阻具有灵敏度高，电阻温度系数比金属大，体积小，结构简单，稳定性好，机械性能强，价格便宜等优点。1.3 本文主要研究内容一般电热毯有高温、低温两档。使用时，拨在高温档，入睡后被热醒；拨在低温档，有时醒来会觉得温度不够。随着人们对电热毯这种取暖设备的需求的增多，人们对于电热毯的安全要求及方便程度的需求也不断提高，智能温控电热毯的设计对人们的需求有很大的帮助。有利于解决电热毯的安全隐患及提供更舒适的温度。 本文主要针对智

17、能温控电热毯的硬件及软件的设计展开，在基本的电热毯的基本取暖功能的基础上增加自动控温的功能，进一步保证安全。首先要选择合适的温度传感器，可以采用一只温度传感器ds18b20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求对电热毯周围的温度进行实时的监控，并有温控开关。根据传感器感应的温度自动调节控制电热毯的加热。基于单片机编写软件控制程序，实现温度的智能控制。以确保在人离开时或睡眠时电热毯不会因为过高温度而引发危害，也可以保证睡眠时的温度不会过高或过低，保证舒适的睡眠。 第2章 设计方案2.1 系统总体设计方案通电后，用户通过按键设定定时时间和需加热到的温度，默认先输入的

18、为加热的时间。温度传感器采集当前温度的信号，信号再送给单片机，单片机发出控制指令控制继电器的通断，根据继电器的通断来控制电阻丝的加热，使温度达到用户设定值上，且误差不超过1。当温度高于设定值时蜂鸣器发出声音进行报警并且电热毯自动停止加热直至温度低于设定值。系统整体硬件结构框图如图2-1所示，本设计的温度测量及加热控制系统以at89s51单片机为核心部件，外加温度采集电路、键盘及显示电路、加热控制电路和越限报警等电路。采用单总线型数字式的温度传感器ds18b20，测温后由i/o接口读入cpu，cpu进行数据处理。处理后的数据，一方面送led数码管显示；另一方面与检测开关设定的温度控制值进行比较，

19、并判断是否超限，将比较结果返回单片机，现在采用电阻丝加热，从而进行温度的调节，以保持恒定的温度1。温度传感器单片机系统报警电路继电器触发电路显示电路键盘电路电热丝图2-1 系统硬件结构框图2.2 系统功能模块方案选择2.2.1 单片机的选择单片机的种类繁多，intel公司的mcs-51 8位单片机系列、mcs-96 16位单片机系列；atmel的at89、avr系列；philips的p89v51、lpc700/900 8位单片机系列、lpc2000 16/32系列；motorola公司的mc68hc908 8位单片机系列、dsp型16位单片机。方案一：选择8031单片机8031单片机是inte

20、l公司生产的mcs-51系列单片机中的一种，除无片内rom外，其余特性与mcs-51单片机基本一样。采用40个引脚的8031芯片。该芯片有4个8位并行i/o接口：p0、p1、p2、p3，128个字节的片内数据存储器，但没片内程序存储器，需扩展，价格便宜。方案二：选择p89v51rd2单片机采用有40个i/o口的p89v51rd2。p89v51rd2是philips公司新推出的一款功能非常强大的微处理器。p89v51rd2采用51内核，内部集成了64kb flash rom和1024字节的数据ram，5v工作电压，操作频率为040mhz，并且支持12时钟(默认)或6时钟模式(每个机器周期包含6个

21、时钟)，选择6时钟模式时可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量，同时，另一个好处在于，可以在保证处理速度不变的情况下，将时钟频率减半，这样可以极大地降低系统的emi 。p89v51rd2还集成了spi(串行外围接口)，增强型uart，pca(可编程计数器阵列)，具有pwm和捕获比较功能，尤其是p89v51rd2支持在系统软件调试和在系统编程的功能，这使得我们在用其开发产品时可以完全抛开仿真器和编程器，进而大大减少了产品开发的成本和时间。对于恒温箱这一控制对象来说，芯片的性能比8031和8051等单片机要优越的多，其劣势在于价格较贵2。方案三：选择at89c51单片机at89c51是一种带4k字节闪

22、烁可编程可擦除只读存储器(fperomb-falsh programmable and erasable read only memory)的低电压，高性能cmos 8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器。此外at89c51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu停止工作。但ram，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在

23、掉电模式下，保存ram的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。考虑到本设计需要单片机的控制更加安全可靠，at89c51单片机恰好满足设计需要，所以选择at89c51单片机。2.2.2 显示电路的选择本设计中的显示模块在初始进行时间及温度设定时先显示时间后显示温度；在使用过程中，主要显示电热毯的温度。在单片机系统中常用的显示电路有led显示、lcd显示。方案一：选择led显示采用七段码显示时，数码管中的每一段相当于一个发光二极管。对于共阳极的数码管，内部每个发光二极管的阳极被连在一起，成为该各段的公共选通线，发光二极管的阴极则成为段选线。对于共阴极数码管，则正好相反，

24、内部发光二极管的阴极接在一起，阳极成为段选线。这两种数码管的驱动方式是不同的。当需要点亮共阳极数码管的一段时，公共段需接高电平，该段的段选线接低电平。从而该段被点亮。当需要点亮共阴极数码管的一段时，公共段需接低电平，该段的段选线接高电平，该段被点亮。方案二：选择lcd显示c系列lcd显示可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口(ocmj4x16a/b无串行接口)。所有的功能，包含显示ram，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。内置2m-位中文字型rom

25、 (cgrom) 总共提供8192 个中文字型(16x16点阵)，16k位半宽字型rom(hcgrom) 总共提供126 个符号字型(16x8点阵)，64x16-位字型产生ram (cgram)，另外绘图显示画面提供一个64x256点的绘图区域（gdram），可以和文字画面混和显示。提供多功能指令：画面清除（display clear）、光标归位(return home)、显示打开/关闭(display on/off)、光标显示/隐藏(cursor on/off)、显示字符闪烁(display character blink)、光标移位(cursor shift)、显示移位(displaysh

26、ift)、垂直画面卷动(vertical line scroll)、反白显示(by_line reverse display)、待命模式(standby mode)。为了较方便的显示led，本系统采用了直接三极管驱动led，然后再接到单片机上去，这大大的降低了成本，也节省了元器件。它还具有可用程序来实现多种功能、通用性强、使用灵活的特点。如果使用lcd显示在经济上不能降低成本，编程也比较繁琐，反而显得不合理。故选择用led作为显示电路。2.2.3 键盘电路的选择本设计中要通过键盘进行设定温度及时间的加减。一般键盘电路有两种：独立式键盘和矩阵式键盘。方案一：选择独立式键盘 独立式键盘中，各按键相

27、互独立，每个按键各接一根输入线，每根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易的判断按键是否被按下了。独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单。但每个按键需占用一根输入线，在按键数量较多时，输入口浪费大，电路结构显得很繁杂，故此种按键适用于按键较少或操作速度较高的场合。方案二：选择矩阵式键盘矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到vcc上。平时无按键动作时，行线处于低电平状态，而当有按键按下时，列线电平为低，行线电平为高。这一点是识别矩阵式是否被按下的关键所在。因此，各按键彼此将相互影

28、响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适合的处理，才能确定闭合键的位置。很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的i/o口。由于本系统只有两个按键，每个按键都有第二功能，故选择独立式键盘。2.2.4 温度采集电路的选择由于要对电热毯的温度进行测量数据传送到单片机进行比较后再发出相应的指令，此时需要温度传感器作为测量原件对电热毯的温度进行检测。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻和热电偶。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、pn结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了

29、声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。方案一：选择热电偶传感器热电偶作为测温原件具有结构简单、较高的精准度、测量范围宽、具有良好的敏感度等优点，在温度测量中应用最为广泛。热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感原件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化，具有灵敏度高、体积小、较稳定、动态特性好等优点，常用于远距离测量和控制中。方案二：选择热电阻传感器热电阻在工业上广泛应用于测量-200+500范围的温度，随着科技的发展热电阻温度计的测量范围低温端可达-272.5左右，高温端可测到1000。热电阻温度传感器的特点是精度高，适宜测低温。在560以下的温度测量中，它的输

30、出信号比热电偶容易测量。电热毯的温度一般在室温250范围内，范围比较窄，也比较低，对精度的要求也比较低，综合考虑热电阻、热电偶和热敏电阻的特点，选用热电阻比较好。另外，热电阻又有铂电阻、铜电阻、铁电阻和镍电阻等，各有其特点，由于铂电阻稳定性好，性能可靠，所以本设计选用了常用的铂电阻pt100作为温度传感器。方案三：选择 ds18b20作为传感器ds18b20主要具有以下优点：适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5v，在寄生电源方式下可由数据线供电；独特的单线接口方式，ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯；ds18b20支持多点组网

31、功能，多个ds18b20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；ds18b20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温范围55125，在-10+85时精度为±0.5；可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给cpu，同时可传送crc校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性：电源极性

32、接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作3。由于本设计的控制温度范围在2535， ds18b20传感器为数字式传感器，不需要a/d转换，信号采集传递都比较方便，所以采用方案三。2.2.5 温度控制电路的选择在使用电热毯时人们对于温度有不同的需求，因此就要求可以对温度进行灵活的控制，控制电热毯是否加热及需要达到的温度，在低于设定值时接通电源进行加热，高于设定值时则自动停止加热。方案一：选择晶闸管控制当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是

33、否还存在，晶闸管都保持导通；若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值一下。方案二：选择继电器控制控制继电器是一种自动电器，它适用于接通和分断交、直流小容量控制电路，并在电力驱动系统中供控制、保护及信号转换用。控制继电器的输入量通常是电流、电压等电量，也可以是温度、压力、速度等非电量，输出量则是触点动作时发出的电信号或输出电路的参数变化。控制继电器的特点是当其输入量的变化达到一定程序时，输出量才会发生阶跃性的变化。根据它们的特性和用途，还有本设计的特点，继电器方便控制，实现起来简单，所以本设计采用继电器控制。2.3 本章小结本章主要介绍系统设计

34、方案的选择以及各个模块的设计。根据设计要求本设计采用at89c51型号的单片机；为了降低成本节省元器件它还具有可用程序来实现多种功能、通用性强、使用灵活的特点所以本系统采用了直接三极管驱动led；键盘电路选用独立式键盘电路；ds18b20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内所以应用ds18b20温度传感器；对于温度控制电路要求要控制方便为此选用继电器控制。第3章 硬件设计3.1 单片机模块单片机是本设计的核心，温度传感器将检测到的数字信号传递给单片机，由单片机进行比较并发出相应的控制指令，单片机控制着继电开关的通断、显示部分显示的内容等，单片机起着

35、主要的控制作用。最小系统主要由晶振电路和复位电路组成，图3-1是传统at89c51的最小系统电路。在电路设计中，要注意以下几点：vss是电源，必须保证稳定可靠；管脚不可悬空，必须连到vss，或者通过上拉电阻接到vss；复位电路采用传统的rc复位，并多带一个复位按键，以方便操作；晶振的频点不是任意的，这里使用12mhz；at89c51单片机是最新的一种低功耗、高性能内含字节闪电存储器的位微控制器,其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现,数据不易挥发,编程擦除速度快,它的主要特点有内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器,内部数据存储器容量不包括专用寄存器,外部数据存储器寻址空间,外部程序存储器寻

36、址空间有三个位的定时器计数器可利用两根口线作为全双工的串行口, 有四种工作方式,可通过编程选定内部中开辟了四个通用工作寄存器区,共个通用寄存器,以适应多种中断或子程序嵌套的情况内部有个中断源,分为二个优先级,每个中断源优先级是可编程的堆栈位置是可编程的,采用时,的状态周期为一有个中断源两个外部中断和,三个定时中断定时器、和一个串行中断。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。还包括一个中断允许总控制位,它能一次禁止所有中断。定时器可以被寄存器中的和的或逻辑触发。程序进入中断服务后,这些标志位都可以由硬件清除4。复位电路的基本功能是：系统上电时提供

37、复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才能撤消复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度晶体呈感性。振荡器的振荡频率主要取决于晶体 。在应用时为了保证正常起振，振荡器的位置要最接近单片机，且连线要最短。如图3-1at89c51单片机最小系统所示，外部振荡器电

38、容c1和c2，用于振荡频率微调或振荡器匹配，并可用于调整起振时间，复位电路由c3和s1组成，为了防止抖动现象5。图3-1 at89c51单片机最小系统3.2 电源电路单片机的工作电压为5v，所以要将220v的家用电压变为5v才能使单片机正常工作。该设计输入家用220v交流电，经过全桥整流，稳压后输出稳定的5v，直流电最大输出电流为1a，电路能带动一定的负载。如图3-2电源电路所示，变压器输入端经过一个保险连接电源插头,如果变压器或后面的电路发生短路，保险内的金属细丝就会因大电流引发的高温溶化后断开。 变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大的直流电源。

39、 变压器输出端的9v电压经桥式整流并电容滤波，再在这里接一个三端稳压器的元件。 三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变6。 图3-2电源电路3.3 显示电路由于需要设定温度及时间，所以需要显示电路来显示，以便更加方便准确的控制温度，更好的达到恒温的效果；因此，显示电路要能在初始阶段显示设定的温度及时间，在工作阶段准确的显示实时测定的温度。led数码管显示有所用

40、数码管是共阴管、还是共阳管，由数码转换为笔划信息借软件译码、还是硬件译码，以及显示扫描采用动态扫描、还是静态扫描等种种区别。本设计中的led数码管采用共阳极的连接方式，共阳极接法中发光二极管必须外接电阻。动态扫描各数码管是轮流点亮的，由于视觉的暂留现象，却好像都点亮着。实际控制数码管点亮的位选信号是依次逐一送出的，而各个数码管应显示数码的笔划信息则与其位选信号同时送给，于是各管将按序一一亮出自己的数码；待各管都轮到后，又再从头轮起，反复不已。对于动态扫描，轮到某管、等待该管点亮必须留给一段恰当的时间。时间过短，数码管来不及点亮；时间过长，其他数码管将熄灭、不能显示。静态扫描无位选信号，各数码管

41、是同时点亮的；每个数码管应显示数码的笔划信息也分路同时送给。当选用共阴极的led显示管时，所有发光二极管的阴极连在一起接地，当某个发光二极管的阳极加入高电平时，对应的二极管点亮。因此要显示某字形就应使此字型的相应段的二极管点亮，实际上就是送一个用不同电平组合代表的数据字来控制led的显示，此数据称为字符的段码7。下图即为显示接口电路如图3-3所示。图3-3led显示接口电路3.4 报警电路基于安全性能的考虑，在温度控制出现故障或由于其他原因引起温度超限时很容易引起火灾，因此需要一个安全防护，加入一个报警电路，在温度超限时不仅能起到提醒的作用还能自动断电，起到保护的作用。蜂鸣器发声原理是电流通过

42、电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机io引脚输出的电流较小，单片机输出的ttl电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。蜂鸣器的正极接到vcc(5v)电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极e，三极管的基级b经过限流电阻r1后由单片机的p2.2引脚控制，当p2.2输出高电平时，三极管q5截止，没有电流流过，蜂鸣器不发声；当p2.2输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制p2.2脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭8。当温度超出设定值时要有警报，这样才不至于造成危害。本文中所设计的报警电路

43、较为简单,蜂鸣器报警电路由晶体管和蜂鸣器组成。只要在蜂鸣器两端加上超过5v 的电压，在我们所要求的温度达到一定的上时，蜂鸣器就会叫个不停，由单片机i/o口输出信号控制晶体管的导通或截止, 晶体管导通, 则蜂鸣器报警。通过单片机来控制蜂鸣器产生报警声音。如图3-4报警电路所示。图3-4报警电路3.5 按键电路本系统键盘共由二个控制按键组成，一个接在中断口，另一个接在普通的i/o口。由于按键只有二个，采用矩阵式键盘。键盘一端接地，另一端分别接在单片机的p2.3、p2.4端口，电路如图3-5键盘电路所示。如果只按下中断口的按键，就是要设定温度，如果同时按下，就是要设定时间。在系统正常的运行过程中，可

44、以通过温度/时间按键查看实时温度和剩余时间。复位或停止后，系统处于设定状态，其功能是监测键盘输入，接收温度设定，定时和启动键等。每一个键都具有第二功能，根据系统的状态，按键实现不同的功能。复位或停止后，时间/温度选择键处于时间设定状态，此时按下+1/+min键或+10/+h是设置时间，若按下时间/温度选择键，系统将工作于温度设定状态，此时再按下+1/+min或+10/+h则是设置温度。时间/温度选择键还可以在系统加热状态下对显示时间还是显示温度进行选择。加热/停止键在每次按下后，会改变系统状态标志，主程序会根据这个标志使系统工作在相应的状态下9。图3-5键盘电路3.6 温度采集电路要达到恒温控

45、制的效果就要能够实时的采集温度，以方便调节控制以达到一个比较合适舒适的温度，在此温度采集电路就显得相对重要，且温度采集的准确程度也有一定的要求，ds18b20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。ds18b20的测温原理为低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，当计数门打开时，ds18b20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由

46、高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将25所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在25 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值

47、，这就ds18b20的测温原理10。下图3-6 ds18b20连接图即为ds18b20温度传感器与单片机at89c51的电路连接图。图3-6 ds18b20连接图3.7 温度控制电路单片机在接收到温度传感器采集到的信号并将采集到的温度与设定的温度进行比较，并将比较结果输出控制继电器的通断进而控制电阻丝加热。如图3-7继电器触发电路图所示。单片机通电工作后，对时钟振荡器产生的振荡信号进行计数和分频处理，当延时接通时间（等待时间）结束时或测量温度低于设定值时，p2.0端输出高电平，使三极管v导通，继电器k吸合，将负载的工作电源接通。与此同时，单片机又开始对定时工作时间（工作动作时间）进行计数，当定

48、时工作时间结束时，p2.0端变为低电平，使三极管v截止，继电器k释放，负载断电；同时计数器复位，进入下一个定时周期。在加热过程中若温度高于设定值时单片机发出指令使p2.0端变为低电平，电阻丝停止加热。如此周而复始，使负载按设定的时间间歇地通电工作。图3-7 继电器触发电路原理图3.8 本章小结本章主要介绍该设计的硬件部分的设计，根据设计要求在设计单片机时要求单片机要能够完成信号的处理，在温度采比较后要做出相应的指令控制继电器控制电路的通断，进而控制电阻丝的加；并且要有定时的功能，当温度低于设定值时电热毯开始加热达到设定的加热时间或达到设定的温度值时停止加热。为了更好的维持恒温，传感器的工作准确

49、度要高，能实时的检测温度并将信号传递给单片机由单片机进行处理发布指令。对于键盘的设计是要能够调节设定值，及开关的功能。显示部分实时的显示检测到的温度，方便与调节。并且当温度过高时要有报警功能，提示用户注意安全，及时关闭电热毯。系统的总电路图见附录。第4章 软件设计4.1 系统软件功能分析对于单片机系统的设计，设计好了硬件，只是完成了一半工作，没有软件，硬件是没有意义的。因此必须设计出相关的程序，通过应用程序把器件与器件之间、器件与人之间建立起沟通和相关联系，才能发挥系统应有的作用。电热毯在上电复位后，处于停止加热状态，此时通过按键来设定预置温度和定时时间。初始温度和定时时间设定好后，开始加热，

50、并实时的检测恒温箱的温度并将信号传递给单片机，从而控制继电器的导通和关断时间，以达到控制温度的目的。当电热毯的温度达到设定温度后，在单片机的控制下处于恒温，若超出设定值，蜂鸣器提示，停止加热12。根据上面对系统的分析，可实现下面几个功能：1.系统初始化：对系统进行初始化。2.设定温度控制值和加加热时间，控制系统转入相应的加热或恒温阶段。3.检测恒温箱温度输入单片机进行处理。4.实现定时功能，定时时间到，则开始加热。4.2 主程序的设计主程序主要进行初始化，分配内存单元及设置定时器参数，以便为系统正常工作创造条件。由于本系统采样数据为12位(字节)，加上一些给定值，如温度上限报警值，所以内存单元

51、比较多，故本系统将同时使用内部ram及外部ram。主程序流程如图4-1所示，本系统的采样周期为5s，采用两个定时器串联的方法，即设t0为定时方式，设t1为计数方式。设t0为定时方式1，定时的时间间隔为100ms，时钟频率选6mhz。设t1为计数方式2，计数值为50。当按下了启动/停止键后，系统进入加热状态，每次的循环，系统除了执行键扫描、显示程序外，还会执行温度采集、温度控制以及定时程序。系统会根据采集到的实际温度值，再与设定温度值进行比较，发出是否加热的指令。定时程序则会计算出剩余的定时时间，并在定时时间到时，控制继电器触发电路的通断13。若是在加热状态下，按下了启动/停止键，系统将进入停止

52、状态，程序跳到系统初始化处，重新初始化，同时蜂鸣、加热都会停止，重新回到设否是否否否否是是是系统初始化是否有中断时间设置超出设定温度报警、停止恒温控制当前温度、定时时间显示温度采集低于设定温度控制开始温度设定？定状态。图4-1 主程序流程图4.3 子程序设计4.3.1 显示模块的设计显示方式为动态显示，动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮的方式称为位扫描。动态方式显示时各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示必须采用动态扫描方式，即在每一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另外一位数码管，并送出相应的码段14。流程图如图4-2显示流程图所示。否是开始计算十位上数字

53、数码管地位个位数字计算个位上数字延时shiwei>0数码管高位显示十位数字延时结束图4-2显示程序流程图虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但是由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以数码管同时显示的感觉。led数码管采用共阳极的连接方式，共阳极接法中发光二极管必须外接电阻。动态扫描各数码管是轮流点亮的，由于视觉的暂留现象，却好像都点亮着。实际控制数码管点亮的位选信号是依次逐一送出的，而各个数码管应显示数码的笔划信息则与其位选信号同时送给，于是各管将按序一一亮出自己的数码；待各管都轮到后，又再从头轮起，反复不已。在程序中要显示数字09，只要从查出对应的端口输出数据，再

54、把该数字送到p1口输出就显示了。显示模块功能由函数displayled( )实现，数码管的更新采用p2.0、p2.1、p2.2和p2.3控制，分别对应着数码管的ds1，ds2，ds3，ds4，每个时刻指令某一位为0，在显示完后要对该位进行复位。其显示程序流程图如图4-3。由于数码管的数据位同时接到p2口，所以选通某一个数码管后一定要禁止显示。在选通下一位数码管时p2口上的电平发生变化，如果不禁止上一位则发生两位同时显示当前p2端口数据的情况。在选通一个数码管，并把数据送给p2口后，要经过一段时间延时后，才能禁止其显示。因为，人眼睛视神经的反应速度是有限的，如果不加延时，人眼可能还没感知到数码管

55、显示就已经关掉了15。4.3.2 按键描模块的设计键盘与单片机的接口有查询方式和中断方式，查询方式比较简单、可靠性比较高，但是效率低；而中断方式则效率比较高、系统资源占用较少、同时可以保证实时性的要求。本软件由于按键较少，在效率上和系统资源占用上与中断方式差别不大，所以采用查询方式比较简单。有键按下时，p0相应口的电平会被拉低，只要程序循环得读p0口的电平，就可以判断哪个键被按下。由于按键抖动现象的存在，按键一次按下或释放会被错误的认为是多次操作，这显然是不允许的，为了消除这种情况，程序采用软件去抖动，即在每次检测到有按键按下时，执行一个10ms左右的延时程序后，再执行键按下后的操作16。复位

56、或停止后，系统处于设定状态，其功能是监测键盘输入，接收温度设定，定时和启动键等。每一个键都具有第二功能，根据系统的状态，按键实现不同的功能。复位或停止后，时间/温度选择键处于时间设定状态，此时按下+1/+min键或+10/+h是设置时间，若按下时间/温度选择键，系统将工作于温度设定状态，此时再按下+1/+min或+10/+h则是设置温度。设定温度或时间时，程序会根据情况，使温度和时间设定值设定在要求的范围之内17。时间/温度选择键还可以在系统加热状态下对显示时间还是显示温度进行选择。加热/停止键在每次按下后，会改变系统状态标志，主程序会根据这个标志使系统工作在相应的状态下。键扫描模块流程图如图

57、4-3按键扫描程序流程图所示。是否否是是是否否否否否否否是是是是是温度设定加1key_0=0&key)1=1key_0=0&key)1=1key_0=1&key)1=0key_0=0&key)1=1key_0=0&key)1=0key_0=0&key)1=0key_0=1&key)1=1key_0=1&key)1=0flag_timeset=0?开始温度设定减1数码管显示设定温度时间设定加1时间设定减1数码管显示设定时间确定确定结束图4-3按键扫描程序流程图4.3.3 报警模块的设计当高于设定温度时，将影响恒温箱的质量。因此，将恒温箱定一个温度上限。检测到温度超限，应进行报警处理。报警子程序流程如图4-4报警程序流程图所示18。是否开始温度处理子程序报警处理送温度