温度控制系统的研究与设计

1、哈尔滨理工大学毕业设计题 目：智能温度控制系统的研究与设计院、 系：荣成学院电气系电技092班姓 名：指导教师:王哈力系主任:基于单片机温度控制系统的设计随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的 温度采集与控制系统的研发与应用在很人程度上提高了生产生活中对温度 的控制水平。本设计论述了一种以stc89c52单片机为主控制单元，以 ds18b20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统可以实时存储相关的 温度数据并记录当前的时间。系统设计了相关的硕件电路和相关应用程 序。硬件电路主要包括stc89c52单片机最小系统，测温电路、实时时钟 电路、lcd液晶显示电路以及通讯模块电路

2、等。系统程序主要包括主程 序，读出温度了程序，计算温度了程序、按键处理程序、lcd显示程序以 及数据存储程序等。关键词 stc89c52单片机；ds18b20；显示电路design and finite element analysis on the maincone's assembly structure of the main retarderabstractthe main reducing gear assembly transfer the motivity to the conic-gear it meshed. in the structure of the car m

3、ain reducing gear assembly, the beforehand force of the locknut is directly related to the selection of the gasket, when the thickness of gasket is different, the behind force of bearing is different and so is the displacement of the gear. this paper assembly in the structural strength of the proble

4、ms, after the main bridge reducer cone assembly in the mechanical assembly technology research, analysis of the main cone assembly of the assembly process,through analyzing the structure of the main reducer, some mechanical factors, based on pre-tighten moment in the process of assembly, the analyti

5、cal model of the main reduce is established through theoretical analysis of the connection between screwed moment and axle force by using finite element analysis, we obtain stress field and displacement field of the main reducer after assembly by finite element method. as a result, strength evaluati

6、on of the main reducer is performed. based on these results, some theoretic suggestions for the design and manufacture of the main reducer are provided.keywords the main reducing gear assembly; bearing block; contact analysis; ansys摘要abstract1.1前言工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为 了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它

7、主要研究如何将 计算机技术、通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设 计出所需要的计算机控制系统。随着微机测量和控制技术的迅速发展与 广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很人 程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。木设计就是基于单片机 stc89c52温度控制系统的设计，通过本次课程实践，我们更加的明确了 单片机的广泛用途和使用方法，以及其工作的原理。温度控制系统广泛 应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，常用 的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标冇所不同，在工业企业 中，如何提高温度控制对彖的运行性能一直以来都是控制人员和现场技 术人

8、员努力解决的问题。这类控制对象惯性大，滞后现象严重，存在很多 不确定的因素，难以建立精确的数学模型，从而导致控制系统性能不佳， 英至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用，但 由于继电器动作频繁，可能会因触点不良而影响止常工作。控制领域还 大量采用传统的pid控制方式，但pid控制对象的模型难以建立,并且当 扰动因素不明确时，参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温 度传感器ds18b20,因其内部集成了 a/d转换器，使得电路结构更加简 单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。 数字温度传感器ds18b20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减 少

9、了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由tds18b20芯片的小 型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主屯路连接，故可以把数字温 度传感器ds18b20做成探头，探入到狭小的地方，増加了实用性。更能 串接多个数字温度传感器ds18b20进行范围的温度检测。1.2课题的意义随着社会的发展，温度的测量及控制变得越來越重要。本文采用单片机stc89c52设计了温度实时测量及控制系统。单片机stc89c52能够根据 温度传感器ds18b20所采集的温度在液晶屏上实时显示，通过控制从而把 温度控制在设定的范围z内。所有温度数据均通过液品显示器lcd显示出 来。系统可以根据时钟存储相关的数据。通过该课程

10、的学习使我们对计算机控制系统有一个全面的了解、掌握 常规控制算法的使用方法、掌握简单微型计算机应用系统软硕的设计方 法，进一步锻炼同学们在微型计算机应用方面的实际工作能力。数据存储模块按键处理模块(=> stc89c52单片机lcd显示模块第2章硬件电路的设计2.1系统设计的框架木课题设计的是一种以stc89c52单片机为主控制单元，以 ds18b20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统口j以实时存储相关的 温度数据并记录当前的时间。其主耍包括：电源模块、温度采集模块、按 键处理模块、实时时钟模块、数据存储模块、lcd显示模块、通讯模块以 及单片机最小系统。电源模块温度釆集模块通讯模块

11、实时时钟模块图2-1系统设计框架22单片机最小系统电路在课题设计的温度控制系统设计屮，控制核心是stc89c52单片机，该单片机为51系列增强型8位单片机，它有32个i/o 口，片内含4kflash工艺的程序存储器，便于用电的方式i舜间擦除和改写，而且价格便 宜，其外部晶振为12mhz, 一个指令周期为lus。使用该单片机完全可以 完成设计任务，其最小系统主耍包括：复位电路、震荡电路以及存储器选 择模式（ea脚的高低电平选择），电路如下图2所示：p1.01+5、j234+ c55klouf67pit89rxd1dtxd11p3212p3313p3.41406p3515p36151730p518

12、2二osc119c7+5vu4stc89c52p1.0pl.lpl.2pl.3pl.4pl.5pl.6pl.7rstp3.0/rxdp3.1ftxdco1234567aevcpopopopo.popopopo/eal393837瓦3534333231-p3.2/int0/psenp3.3/int1p2.7p3.4ft0p2.6p3.5/t1p2.5p3.6p2.4p3.7p2.3xtal2p2.2xtal1p2.1gndp2.026p2525p2.424p2323p2222p2.121 p2 0292827 p2 6203op图2-2单片机最小系统2.3单片机的选型木课题设计的温度控制系统主控

13、制芯片选型为stc89c52单片机， 其特点如下：2. 3. 1 stc89c52单片机简介目前，51系列单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们 可以在许多单片机应用领域屮，配接各种类型的语音接口，构成具有合成 语音输出能力的综合应用系统，以壇强人机对话的功能。stc89c52单片机 是深圳宏晶科技有限公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个 微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：一个8位的微型处理器cpu； 一个512k的片内数据存储器ram； 4k片内程序存储器；四个8位并 行的i/o接口 p0-p3,每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记 数器；五个中断源的

14、中断控制系统；一个全双工uart的吊行i/o 口；片 内振荡器和时钟产生电路，但右英品体和微调电容需要外接。最高允许振 荡频率是12mhzo以上各个部分通过内部总线相连接。2. 3. 2 stc89c52单片机时序stc89c52单片机的一个执器周期由6个状态(sis6)组成，每个状态 又持续2个震荡周期，分为p1和p2两个节拍。这样，一个机器周期由12 个振荡周期组成。若采用12mhz的品体振荡器，则每个机器周期为lus, 每个状态周期为1 /6us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在n期间， 而内部寄存器到寄存器的传输发生在p2期间。对于单-周期指令，当指令 操作码读人指令寄存器吋，使从s

15、1p2开始执行指令。如果是双字节指 令，则在同一机器周期的s4读人第二字节。若为单字节指令，则在51期 间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加1。在 加结束时完成指令操作。多数stc89c52指令周期为12个机器周期，只 有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需4个机器周期。 对于双字节单机器指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器屮读人两 个字节，但movx指令例外，movx指令是访问外部数据存储器的单字节双 机器周期指令，在执行movx指令期间，外部数据存储器被访问且被选通 时跳过两次取指操作。2. 3. 3 stc89c52单片机引脚介绍stc89c52单片

16、机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚,2个外接 晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输；1； i/o 引脚。下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。(1) 电源引脚vcc和vssvcc (40脚):接+5v电源正端;vss (20脚):接+5v电源正端。(2) 外接晶振引脚xtal1和xtal2xtal1 (19脚)：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反 相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于hmos单片 机，该引脚接地；对于choms单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入 端。xtal2 （18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内

17、振荡 器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于hmos单片机，该引 脚作为外部振荡信号的输入端。对于ciimos芯片，该引脚悬空不接。（3）控制信号或与其它电源复用引脚_控制信号或与其它电源复用引脚有rst/vpd. ale/p、psen和ea/vpp 等4种形式。（a）. rst/vpd （9脚）：rst即为reset, vpd为备用电源,所以该引 脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上 出现持续两个机器周期的高电平，就口j实现复位操作，使单片机复位到初 始状态。当vcc发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用 电源vpd （+5v）为内部ram

18、供电，以保证ram小的数据不丢失。（b）. ale/ p （30脚）：当访问外部存储器时，ale （允许地址锁存信 号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在p0 口的低（c）. psen（29脚）：片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程 序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期pesn两次有效，以通过数据总线 口读冋指令或常数。当访问外部数据存储器期间，pesn信号将不出现。（d）. ea/vpp （31脚）:ea为访问外部程序储器控制信号,低电平有 效。当ea端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4kb （ms52 了 系列为8kb）o若超出该范围时，自动转去执行外部程序

19、存储器的程序。当 ea端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储 器。对于片内含有eprom的单片机，在eprom编程期间，该引脚用于接 21v的编程电源vppo（4）输入/输出（i/o）引脚 p0 口、p1 口、p2 口及 p3 口（a）. p0 口 （39脚22脚）:p0.0p0.7统称为p0 口。当不接外部存 储器与不扩展i/o接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有 外部程序存储器或扩展1/0 口时，p0 口为地址/数据分时复用口。它分时 提供8位双向数据总线。对于片内含有eprom的单片机，当eprom编程时，从p0 口输入指令字 节，而当检验程序时，则输出

20、指令字节。（b）.p1 口（1脚8脚）：卩1.0卩17统称为卩1口，可作为准双向 i/o接口使用。对t mcs52子系列单片机，p1.0和p1.1还有第2功 能：p1. 0 口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端t2； pl. 1用作定时器 /计数器2的外部控制端t2exo对于eprom编程和进行程序校验时，p0 口 接收输入的低8位地址。（c）. p2 口 （21脚28脚）：p2. 0p2. 7统称为p2 口，一般可作为准 双向i/o接口。当接有外部程序存储器或扩展i/o接口口寻址范围超过256个字节时,p2 口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于eprom编 程和进行程序校验时，p2 口

21、接收输入的8位地址。（d）. p3 口（10脚17脚）：p3. 0p3.7统称为p3 口。它为双功能 口，可以作为一般的准双向1/0接口，也可以将每1位用于第2功能，ifij 口 p3 口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。 p3 口的笫2功能见下表表1单片机p3. 0管脚含义引脚第2功能p3.0rxd （串行口输入端0）p3. 1txd （串行口输出端）p3. 2into （部中断0请求输入端，低电平有效）p3.3int1 （中断1请求输入端，低电平有效）p3.4t0 （时器/计数器0计数脉冲端）p3. 5t1 （时器/计数器1数脉冲端）p3.6wr （部数据存储器写选通

22、信号输出端，低电平有效）p3. 7rd （部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）综上所述，mcs51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：1）单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；2）.单片机对外呈3总线形式，由p2、p0 口组成16位地址总线；由 p0 口分时复用作为数据总线。24温度传感器电路ds18b20温度传感器是美国达拉斯（dallas）半导体公司推出的应用单 总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温皱器件、a/d转换器、存 储器等做在一个很小的集成电路芯片上。本设计屮温度传感器z所以选择 单线数字器件ds18b20,是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以 下儿

23、方面的原因：（1）系统的特性：测温范围为-55°c+125°c ,测温精度为士0.5°c；温度转换精度912位可变，能够宜接将温度转换值以16位二进制数码的方式申行输ill; 12位精度转换的最大时间为750ms；可以通过数 据线供电，具有超低功耗工作方式。（2）系统成本：由于计算机技术和微电了技术的发展，新型大规模 集成电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格也越来越低。一支 ds18b20的体积与普通三极管相差无儿，价格只有十元人民币左右。（3）系统复杂度：由于ds18b20是单总线器件，微处理器与其接口 时仅需占用1个i/o端口且一条总线上可以挂接几十个ds

24、18b20,测温吋 无需任何外部元件，因此，与模拟传感器相比，可以大大减少接线的数 量，降低系统的复杂度，减少工程的施工量。（4）系统的调试和维护：由于引线的减少，使得系统接口大为简 化，给系统的调试带来方便。同时因为ds18b20是全数字元器件，故障率 很低，抗干扰性强，因此，减少了系统的日常维护工作。ds18b20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口 dq , 外供电源线vdd,共用地线gnd。ds18b20有两种供电方式：一种为数据线 供电方式，此时vdd接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能 量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。这种情况下，用 单片机的一个

25、i/o 口來完成对ds18b20总线的上拉。另一种是外部供电方 式（vdd接+5v）,相应的完成温度测量的时间较短。在木设计中采用外部供电方式实现ds18b20传感器与单片机的连接， 其接口电路如图2-4所示。图2-4温度传感器接口2.5系统电源电路的设计本系统采用电源稳压芯片是lm2596，该开关电压调节器是降压型电源 管理单片集成电路，能够输出3a的张动电流，输入电压是+5v,输入电压 是+24v,同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发牛器，开关频率为150khz,与低频 开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和

26、输岀负载的条件下， 输出电压的误差叮以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围 内；可以用仅80ua的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一 个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）在该 温度控制系统中，其电源电路设计如下图2-5所示。图2-5系统电源模块2.6 lcd显示电路本课题设计的温度控制系统是采用液晶屏128*64作为显示模块，其 接口原理图如下图2-6所示：cl6c171i0.ublouf23d> v+5v132r567><10k<8qvc:c/r6101 13113141516171819201d7+

27、5v2h1(jkvc:c1c19+c81®i101nf图2-6液晶显示接口电路2. 7串口通讯电路本课题设计的通讯采用的是常见的串口通讯，协议转换芯片是采用 max232a,其接口原理图如下图2-7所示：c1+二c12v2+chc2c2-2outr2in654321091a 1a 1a 1a 1a 1a 1avccotdt10ut txdr1in rxdr1out rxd图2-7串口通讯接口电路2.8按键接口电路木课题设计采用的键盘模块，单片机应用系统屮除了复位按键有专门 的复位电路，以及专一的复位功能外，其它的按键或键盘都是以开关状态来 设置控制功能或输入数据。键开关状态的可靠输入

28、:为了去抖动我采用软件方法，它是在检测 到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后，再确认该键电平是否仍保 持闭合状态电平，如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消 除了抖动影响在这种行列式矩阵键盘非编码键盘的单片机系统中，键盘处 理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。当确认有按键按 下后，下一步就要识別哪一个按键按下。对键的识别通常有两种方法：- 种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。对照图示的4*4键盘，说明线反转法工作原理。首先辨别键盘中有无 键按下，有单片机i/o 口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。 方法是：向行线输出全扫描字0011,把全

29、部列线置为低电平，然后将列线 的电平状态读入累加器a屮。如果冇按键按下，总会冇一根行线电平被拉 至低电平从而使行线不全为lo判断键盘中哪一个键被按下是通过将列线 逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。方法是：依次给列线送低电 平，然后查所有行线状态，如果全为1,则所按下的键不在此列；如果不全为1,则所按下的键必在此列，而口是在与零电平行线相交的交点上的 那个键。键盘共有16个按键，用于方便设定温度。数字按键，输入数字0-9；修改设置温度时进行确认;修改设置温度吋进行删除;f1显示及设置转换到温度点1,按此按键后，显示预设置温度闪烁；f2显示及设置转换到温度点2,按此按键后，显示预设置温度的闪

30、烁；键盘的按键分布p2. 00123p2. 14567p2. 289f1f2p2. 3清除开启关闭确定p2. 4p2. 5p2. 6p2. 72.9 ds1302时钟电路木课题设计的吋钟是采用吋钟芯片ds1302,其接口原理图如下图2-9 所示：+5vu3v?<?218>7:ds1302 厂3 64 5vcc1chosxisclk p3.4rjiiix2i/op3.5iljrgni)rsip3：61ds1302i图2-9时钟接口电路第3章系统软件设计3.1主系统设计系统的软件主要是采用c语言，对单片机进行变成实现各项功能。主 程序对模块进行初始化，而后调用读温度、处理温度、显示、键

31、盘等模 块。用的是循环查询方式，来显示和控制温度，主程序的主要功能是负责 温度的实时显示、读出并处理ds18b20的测量的当前温度值并负责调用各 子程序，其程序流程如图3-1系统程序流程图。初始化图3-1系统程序流程图3.2子程序设计3. 2.1温度子程序读出温度子程序的主要功能包括初始化，判断ds18b20是否存在，若存 在则进行一系列的读操作若不存在则返回。程序流程图如图3-2-1所示。图3-2-1读温度流程图3.2.2按键处理子程序主程序每循环一次都要对按键进行扫描，操作如图3-2-2所示。图3-2-2温度转换流程图3. 2.3显示数据刷新子程序显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显

32、示数据进行刷新操 作，最高显示位为0时符号显示位移入下一位。程序流程图如图3-2-4。n图3-2-4数据刷新子程序3.3温度测试单元采用温度芯片ds18b20o使用集成芯片，能够有效的减小外界的干 扰，提高测量的精度，简化电路的结构。3.3.1温度控制器件电路单片机通过三极管控制继电器的通断，最后达到控制电热器的目的。当温度未达到要求时，单片机发送高电平信号使三极管饱和导通，继 电器使电源与电热器接通，电热器加热。温度慢慢升高。当温度上升到预定温度时，单片机发送低电平信号三极管进入截止状 态，继电器的弹片打到另一侧，使电热器与电源断开，电热器停止加热。继电器电路中有一个三极管8050的保护电路

33、，即将一个二极管反向 接到三机管的两端。连接方法如图3-3-1所示。图3-3-1单片机控制信号其原理是：当继电器突然断电时，继电器产生很大的反向电流。二极 管的作用是将反向电流分流，使流过三级管8050的电流比较小，达到保 护三极管8050的作用。3.4七段数码管显示单元本部分电路主要使用七段数码管和移位寄存器芯片74ls164。单片机 通过12c总线将要显示的数据信号传送到移位寄存器芯片74ls164寄存， 再由移位寄存器控制数码管的显示，从而实现移位寄存点亮数码管显示。 由于单片机的时钟频率达到12m,移位寄存器的移位速度相当快，所以我 们根本看不到数据是一位一位传输的。从人类视觉的角度上

34、看，就仿佛是 全部数码管同时显示的一样。当清除端（clear）为低电平时，输出端（qa qh）均为低电平。串 行数据输入端（a, b）可控制数据。当a、b任意一个为低电平，则禁止 新数据输入，在时钟端（clock）脉冲上升沿作用下q0为低电平。当 a、b有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在clock上升沿作用下决定q0的状态，逻辑封装图如图3-4：引出端符号：clock时钟输入端；clear同步清除输入端（低电平有 效）；a, b串行数据输入端；qa-qh输出端。真值表如图3-4-1所示。表3-4-1真值表inputsoutputscloarclockabqaob qhlxxxlllh

35、lxx°a0°h0hrhhhom .ognhrlxloaq ognhtxlloan go第4章元器件调试4.1调试产品4.1.1测试环境及工具测试温度：20.045.0摄氏度。（模拟多点不同温度值环境）测试仪器：，温度计0100摄氏度，keil 51软件。测试方法：目测。4.1.2温度检测部分测试当环境温度低于25摄氏度是，蜂鸣器开始以慢“滴”声报警，并 冃伴随着p10 口发光二极管闪烁（模拟开启制热设备），当环境温度继续 降低到22摄氏度时，蜂鸣器伴随p10和p11 口发光二极管一起闪烁（模 拟加大制热功率）。当环境温度高于35摄氏度是，蜂鸣器开始以慢“滴” 声报警，并且

36、伴随着p12 口发光二极管闪烁（模拟开启制热设备），当环 境温度继续升高到37摄氏度时，蜂鸣器伴随p12和p13 口发光二极管 一起闪烁（模拟加大制热功率）。4.1.3电路主板测试我将电路主板通电后，发现电路不工作。于是我又测量at89c51芯 片20脚和40脚之间发现无5v电压。由此可见，电源回路冇问题。于是 我仔细检查了回路发现20脚的地线没冇与其他地线相连，将其接好发现 工作止常。在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度 在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。 在论文中简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。本系统的 测温范围为-io

37、°c40°c,温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一 定范围的温度控制。89s51的时钟最高可达12m, t/0 口可达32个,高的时钟频率和丰富 的t/0,都为我们实现电路功能提供了非常冇利的条件。同时也因为开发 环境友好，易用，方便，大大加快木系统设计开发。本制作的设计屮使用了继电器控制的只是插座电路，因此，该系统的 可扩展性很强。随着插入插座的电器的不同，可以实现许多其它功能的电 路。通过此次毕业论文的课题设计，我们学会了怎样把所学的书木知识应 用于实践中去，并学会了如何去思考整个控制系统的软硬件设计。实践过 程中我们遇到了一些困难，但在解决问题的过程中，我们学会了团队合作 精神和怎样发现问题、分析问题，进而解决问题。此次课程设计不仅增强 了我们学习专业课的兴趣，而且给了我们勇气和信心，更重要的是它为我 们以后的学习指明了方向。本论文是在我的指导老