基于单片机的智能温度控制系统

1、温度是生产生活中常见的指标，同时也是生产生活中重要的影响因素，直接关系着生产效率，生产安全，生活质量。因此我们常常通过来控制温度来达到各种目的。让温度在期望值范围波动，对于不同的超温或者差温做出适合的动作。智能控制系统是某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统。智能可定义为：能有效的获取、传递、处理、再生和利用信息，从而在任意给定的环境下成功的达到目的。智能温度控制系统就是在无人的情况下根据设定情况对外界温度信息做出及时的合理的决策并且显示当前温度与设定温度。本设计介绍了以高性能cmos8位机AT89S51单片机为核心的温度控制系统。温度信号由温度传感器DS18B20采集，并反馈给单片机，然后

2、通过单片机发出信号控制之流电机转向转速。文中介绍了该控制系统的硬件部分包括：温度检测电路、PWM控制电路、LCD显示电路和一些接口电路。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：LCD显示程序、键盘扫描及按键处理程序、驱动控制电机程序。关键词：AT89C51温度传感器智能控制直流电机AbstractThetemperatureisacommonindexinproductionandliving,meanwhileitalsohasaimportantinfluenceonproductionandliving,dir

3、ectlyimpactstheproductionefficiency,productionsafetyandqualityoflife.Toachievedifferentaims,weoftendoitbycontrollingthetemperaturetoachieve.Letthetemperaturefluctuatearoundexpectations,appropriateactionwillbetakenwhenitisbeyondorbelowthesetvalue.Intelligentcontrolsystemisacertainengineeringofhuman-s

4、imulatedintelligentcontrolandinformationprocessingsystems.Intelligencecanbedefinedas:effectiveacquisition,transmission,processing,regeneration,andtheuseofinformation,soastosucceedinanygivenenvironmentachievinggoals.Intelligenttemperaturecontrolsystemwillmaketimelyandreasonabledecisionanddisplaythecu

5、rrenttemperatureandsettingtemperatureaccordingtotheoutsideandsettemperature,intheabsenceofpersonThisdesignintroducesakindoftemperaturecontrolsystembasedonhighperformancecmos8SCMAT89S51.TemperaturesignalwillbeacquisitedbytemperaturesensorDS18B20,andfeedbacktotheSCM,thentheSCMwillsendasignaltocontrolt

6、hemotorspeedanddirection.Thispaperintroducesthehardwarepartofthecontrolsystem,including:temperaturedetectioncircuit,PWMcontrolcircuit,LCDdisplaycircuitandetc.SCMtheisgoingtoachievethepurposeoftemperaturecontrolthroughprocessingsignal.Thepaperalsointroducesthesoftwaredesignpart,hereusingthemodularstr

7、ucture,mainmodulesinclude:LCDdisplayprogram,keyboardscanningandprocessingprogram,drivemotorcontrol.Keywords:AT89C51TemperatuesensorIntelligentcontrolDC-motorII摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1 系统背景11.2 系统来源及现状11.2.1 系统来源11.2.2 温度控制的国内外现状21.3 温度控制技术发展的趋势31.4 本章小结4第2章系统方案设计论证52.1 系统设计的主要要求及技术指标52.2 系统的总体方案设

8、计和工作原理简述52.2.1 系统总体方案设计52.2.2 系统工作原理简述6第3章系统硬件设计73.1 系统模块电路组成73.2 温度采集电路设计73.2.1 温度传感器方案论证73.2.2 DS18B20的内部机构83.2.3 3DS18B20的电路连接113.3 设定按键电路设计123.3.1 设定按键原理及技术特点123.3.3 设定按键的电路连接133.4 单片机选型143.5 单片机最小系统设计163.5.1 时钟电路173.5.2 复位电路173.6 控制电路设计193.6.1 直流驱动器选型193.6.2 直流电动机调节方案论证213.7 温度显示电路223.7.1 液晶显木器

9、223.7.2 液晶显示电路的连接233.8 电源电路设计24iii3.8.1 5V开关电源稳压器电路243.8.2 其他电源稳压器电路243.9 本章小结25第4章系统软件设计264.1 主程序设计264.2 各部分子程序284.2.1 温度采集模块284.2.2 设定控制温度模块294.2.3 电机转向设计304.2.4 电机转速设计304.3 LCD显示模块314.4 本章小结32第5章系统调试335.1 单片机调试工具335.2 软件调试345.3 本章小结35第6章结论36致谈日37参考文献38附录A39附录B40附录C48附录D49IV第1章绪论第1章绪论1.1 系统背景温度是控制

10、系统中的重要参数，在很多工作环境下要求温度能控制在一定范围，以保障器械的稳定运行，人员的舒适程度，生产的温度要求。不同的场合对温度控制的要求亦各不相同，例如在一些大众场合，对温度控制的精度要求并非很高，只要维持在一定范围即可，而在一些特殊场合，例如锅炉的反应，农业保温箱，发酵过程控制。对温度的控制精度要求比较高，温度稍有偏差，及要求做出相应的动作。诸如此类，生活中几乎处处充满着温度控制的例子，我们的家庭中使用空调来到达冬暖夏凉的效果，我们的农场里通过温度控制达到恒温保产的效果。所谓智能控制系统即在某些场合能够具智能的工程控制和信息处理系统，它与各类精密的传感器的发展紧密联系。智能控制是一门新兴

11、的交叉前沿学科，它具有非常宽广的应用领域。我们可以这么认为智能：能够有效的获取信息、解决和分析决策并且能够自主的处理问题，从而在任意给定的环境下成功的达到目的的能力。它的应用范围远比控制理论广泛，如包括判断、理解、推理、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解等。智能控制系统在温度控制系统中的应用提高了人力的投入，能及时的对环境温度的变化做出相应的决策。智能温度控制系统就是在无人的情况下根据设定情况对外界温度信息做出及时的合理的决策并且显示当前温度与设定温度。1.2 系统来源及现状1.2.1 系统来源温度控制系统广泛应用于工业生产和社会生活的各个领域，如家电中的温度控制大学中我第一次做的课程设计

12、是脉冲调频调宽，后来的科研实践中初次尝试PWM调速，这次在阅读了一些文献与参考资料之后，准备在以往的基础上继续加深加入更多的东西，通过简单的模拟达到日后更加深入的学习。温度控制的过程包括1测量温度，2将测量值与设定温度进行比较，3通过变化值做出相应的动作。对于获取温度的传感器，我们简称其温度传感器即能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。其种类也比较多，主要有接触式温度传感器和非接触式传感器，热电阻和热电偶等等。但这次选用DS18B20,因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，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，大大减少了接线的麻烦，使得单

13、片机更加具有扩展性。我采用5V直流电机来进行模拟，众所周知，直流电机即可正转有可反转，并且可以通过PWM调速。对于此次的设计具有较强的直观性的模拟。我们用正转来代表空气压缩，即代表制冷，对于不同的正温差，电机的转速将不同。我们用反转来代表制热，对于不同的负温差，电机的转速也将不同。这样我们就在主观形式上进行了比较贴近的模拟，在客观实际中也是合理可行的。1.2.2 温度控制的国内外现状温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：1定值开

14、关法，1.2.3 PID线性温度控制法，3智能温度控制法。生活中我们与温度控制可以说紧密相连，其中空调便是我们常见的东西，空调也称作空气调节器，是通过设定温度与工作模式，采集周围的温度，然后判断是否应该全速或者半速压缩空气制冷或者吹热风。可以说这是此次本设计的灵感来源之一。智能温度控制系统的发展历史：1971年，著名的美籍华裔科学家傅京孙教授最早公开指出了一个崭新的研究领域，并提出了相应的概念，这就是智能控制系统(IntelligentControlSystems)01985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会，智能控制原理和智能控制系统结构这一提法成为这次会议的主要议题。

15、在过去的20多年里，智能控制理论发展迅猛，出现了大量新颖的控制理论。国内外实例：甘肃大学的赵紫静研究了一种基于PID温度控制技术的X射线发生器。这种发生器需要将其精度控制在土0.5C左右，才能保证器件输出的X射线波长不发生超出要求的飘移，否则，X射线波长的超范围飘移将使整个设备难以正常使。武汉科技大学信息科学与工程学院的贾静云等将模糊PID温度控制技术运用在烟气加热炉炉温控制系统中，使得烟气加热炉的运行状况和维护条件得到了明显的改善，提高了喷煤比和设备开机率，降低了能耗和设备故障次数，很大程度地提高了生产效率。在智能温度控的分支下，目前，国内在温室自动控制方面的研究已经实现了在一定面积内对各种

16、环境因子的综合控制。1996年，江苏理工大学研制成功了一套温室环境控制设备，通过对温室内部温度、湿度、光照及CO2浓度的监控，在150m2温室内实现了温度、湿度、光照、CO2浓度的综合控制英国的Hamid等将PID控制器应用到冰箱的温度控制中，通过使用MATLAB/Simulink软件仿真和误差分析图的方式与传统的ON-OFF控制做了细致的比较。结果表明，PID控制无论是在精度和控制性能方面都优于ON-OFF控制。日本KomatsuElectronics公司的KazuhiroMimura对基于PID控制与现代控制理论相结合的离子化热水器温度控制开展了研究，结果证明这样的温度控制方法能够使用比传

17、统控制系统更少的温度传感器，进而降低成本，提高了公司效益。第1章绪论1.3 温度控制技术发展的趋势目前，我国在恒温控制技术这方面总体处于发达国家20世纪80年代中后期的水平，但是我们也有成熟的产品，主要在“点位”控制及常规的PID控制其上，不过它只能适应一般的温度控制系统，难于控制滞后、复杂、时变的温控系统。在较高端的智能控制方面还比较欠缺。因此，我国总体在智能温度控制方面或者器械上仍与国外有较大差别。除此之外，温度控制系统在各种场合出现频率越来越高。在室内，最具典型代表的便是空调，变频一一变频空调自身省电、舒适的特性，令其日益受到华南消费者的喜爱在空调能效升级导致定速空调节能补贴大幅减少的背

18、景下，变频空调销量出现成倍增长，品牌结构也发生了巨大变化。一线品牌纷纷领军变频空调领域，美的、格力、海信、志高、奥克斯等表现突出。在室外，温度控制广泛用于农业和工业。其他任何行业相比，温度对于农业更加重对粮食生产、粮食安全、生计来源有着重要作用，正是由于温度控制系统在农业中的发展让我们能够在冬天依然能够平常到美味的西瓜。更多的产品在不可能的季节将出现，反季食品将不再稀奇。在养殖上，控制恒温，让生产效率得到提高，农产品的生产周期大大缩短，农产品的种类更加丰富。温度控制在未来，形式将更加多变，将与更多的东西结合。例如1PID控制；2神经网络控制（人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术

19、，是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法）；3模糊控制（模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。）4模糊控制与PID结合5模糊控制与神经网络结合6模糊控制、神经网络、遗传算法三者结合1.4 本章小结本课题在研究分析了什么事温度控制，为什么要进行温度控制，简介了温度控制的实例，研究意义、以及国内温度控制系统的现状。在此基础上，对器件的选择、单片机控制，驱动电机正反转及原理进行设计；通过分析对比，设计出了一种简单易行的控制系统。使我们所要看到的东西，

20、所想达到的功能得到显而易见却又不太失真的效果。本课题研究的温度控制系统，采用温度传感器、LCD显示器、温度设定按键键盘、PWM调速等技术对模拟控制器直流电机的正反转以及转速进行了调节，对于时时温度能够清楚的体现，对于设定温度应灵活可变，这样才能达到调节控制的目的。使得此设计进一步的完善，更加合理。为日后的进一步研究做良好的铺垫。第2章系统方案设计论证第2章系统方案设计论证2.1 系统设计的主要要求及技术指标本设计要求用大学所学知识，计一种基于单片机的温度控制系统与之前个人的课程设计经历，将更多的要求指标，实现较完整较温度控制系统。这个系统中包含温度显示模块，直流电机驱动模块，温度传感器模块以及

21、设定键盘模块。本课题设利用温度传感器DS18B20将数据返回显示当前温度和设定温度，将采集到的温度的值与初始值比较，这个初始值有软件设定，但是设定的值可加可减，其中加减有力口”键和减”键控制。对于不同的温差，充当模拟装置的电机做出不同的反应。直流电机在比较值的正负1度不转，高于比较值2度时缓慢正转，高于比较值4度时半速正转，高于比较值6度时全速正转，低于比较值2度时缓慢反转，低于比较值4度时半速反转，低于比较值六度时，全速反转。随着自动化控制以及计算机管理系统的日益广泛以及单片机技术的发展，采用小型化，精确化，价格更加低廉的产品作出的产品无疑将更加适应市场。这次的课程设计的技术特点主要如下，采

22、用高性能的单片机AT89C51,它有4个8位并行I/O接口(P0P3),两个16位的定时器/计数器，五个中断源、两个优先级的中断控制系统，可寻址片外64KB的RAM;温度传感器是内部集成数模转换的DS18B20可到达最高12位分辨率，精度可达±0.5摄氏度，检测温度范围为-55C+125C,本设计通过AT89C51单片机驱动数字温度传感器DS18B20,进行温度数据采集、读取、处理，并通过LCD显示出来。整个系统具有灵活操控性，可以有不同的温度比较值，仪器界面友好、开放、灵活、直观、模拟性强、操作简单；仪器界面根据需要自由定义和制造；充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理能力；控制迅

23、速、准确、精度高、范围广，且硬件电路设计简单；研制周期短，具有良好的性价比2.2 系统的总体方案设计和工作原理简述2.2.1 系统总体方案设计本课题分为温度采集电路，显示电路，设定键盘，以及控制电路。这些部分相互依存，牵一发动全身，正是各个部分的联合运作使得整个系统在设定完之后能够在无人的情况下运行，体现智能控制的所在。可以在工作环境恶劣的情况下，减少一线工作人员的工作压力，保障工人的人身安全以及对时时情况作出正确的反应。系统总体方案设计，如下图2.2.1所示。键盘传感器单片机直流电机图2.2.1系统总体方案设计框架图2.2.2 系统工作原理简述该系统采用以高性能的CMOS8位机AT89C51

24、为核心，通过常见的温度传感器DS18B20进行温度传感采集，将采集的温度信息反馈给单片机。通过比较由程序设定的初始值但是可由加减键盘控制的设定温度产生不同的信号（PWM脉冲宽度调制信号），送到直流电机的驱动器中，让直流驱动器去驱动直流电机的具体动作例如起停，转向，转速。具体的转向及转速与实际温度与设定温度的温差决定，具体的比较范围可以有程序改变灵活多变，适应性强。在此为具体说明采用一些特定值以作说明。这个初始值有软件设定，假设可以设为35度，但是该设定的值可加可减，其中加减有力口“键和减”键控制。对于不同的温差，充当模拟装置的电机做出不同的反应。直流电机在比较值的正负1度不转，高于比较值2度时

25、缓慢正转，高于比较值4度时半速正转，高于比较值6度时全速正转，低于比较值2度时缓慢反转，低于比较值4度时半速反转，低于比较值六度时，全速反转第3章系统硬件设计第3章系统硬件设计在前面两章中我们对本设计的研究背景及意义，发展过程及趋势，技术构成及特点做了简单的介绍，除此之外我们在了解了本设计的具体要求和技术指标还进一步探究了系统设计的原理，阐述了系统的总体方案设计。但是一个完整的系统，除了了解它研究的意义，整体的构架，我们还要用具体的硬件让其各种功能和要求得以实现。本章对系统硬件的设计做了简要的介绍，主要介绍方式以总分的形式的展开，对各个模块逐一介绍。3.1 系统模块电路组成一般说来系统主要由主

26、电路，按键电路和控制电路组成。主电路包括温度采集电路，设定键键盘电路，温度显示电路；控制电路主要指电机转速转向控制电路。其中温度显示电路包括当前温度显示与设定温度显示两部分。(1)主电路：主要包括温度采集电路(2)按键电路：主要设比较温度设定电路(3)显示电路：本次显示器采用LCD显示器a、当前温度显示电路b、设定温度显示电路(4)控制电路：包括电机的选型，驱动，转向转速控制3.2 温度采集电路设计在智能温度控制系统中温度采集是第一要素，能否及时正确的采集当前的温度对本次设计起着决定成败的影响。温度采集电路同时也牵连着其他模块电路，采集的温度需要显示，初次之外，更重要的是通过单片机的判断，发出

27、不同的PWM信号，控制直流电机做出相应的动作。因此，可以很清晰的看到，温度采集电路关联着显示电路和控制电路。3.2.1 温度传感器方案论证众所周知，获取温度的传感器，我们简称其温度传感器即能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。其种类也比较多，主要有接触式温度传感器和非接触式传感器，热电阻和热电偶等等。选择一种价格适中，精度较高，使用方便的传感器，对于此次的设计起着决定成败的作用。因此在下面，列出了两种方案。方案一说到传统的温度传感器我们通常能够想到的就是热敏电阻，可以用此类器件的感温效应，电信号将随着外界温度而变化，将采集到的电信号采集过来，进行A/D转换后，就可以送到单片机处进行数据处理，

28、同时可以将被测温度在显示电路上显示出来，但是这种设计需要用到A/D转换电路，比不可少的牵扯到电阻与温度的对应值的计算，整体电路比较复杂，精度不高，对采集的信号进行放大时容易受温度的影响出现较大的偏差。因此我们需要利用更高性能的温度传感器，在以前的课程设计中我使用过一种温度传感器DS18B20,它的主要特征：1全数字温度转换及输出，2先进的单总线数据通信，3最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度，4最大工作周期为750毫秒，5检测温度范围为-55C+125C。温度传感器DS18B20,集合了容易直接读取被测温度值，内部集成AD转换，电路简单，精度高，软硬件易实现等诸多优点，而且使用单片机的接口

29、便于系统的再扩展，满足设计要求。综上所述，两种方案孰优孰劣显而易见，方案二，电路比较简单，性能好，费用较低，可靠性高，在硬件设计方面十分贴合此次设计要求，故采用了方案二。3.2.2 DS18B20的内部机构温度传感器是该模块的关键器件，本次设计所采用的是美国Dallas半导体公司生产的支持线总线”接口的数字化温度传感器DS18B20O它的测温范围为-55C+125C,被测温度用符号扩展的16位数字量方式用行输出，在-10+85C范围内，精度为i0.5CoDS18B20采集到的实际温度直接以先进的单总线数据通信方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于各种环境下的实际温度测量，如：工业控制、农业

30、过程控制、简易测温类产品等。DS18B20可程序设定912位的分辨率，精度可达i0.5CoDS18B20具有内置的EEPROM,可设定的分辨率及报警温度都可存储在其中，且掉电后仍然存在。DS18B20内部结构由64bit闪速ROM、温度感测器、温度报警触发器TH和TL（非易失性）、配置寄存器等4个数字器件组成，如图3.2.1所示。图3.2.1DS18B20内部结构框架图上一部分介绍了温度传感器DS18B20内部框架图，接下介绍它的工作原理，它测第3章系统硬件设计量温度是通过实际温度影响振荡器的频率，如图3.2.2所示图3.2.2DS18B20工作原理图DS18B20内部有2个振荡器，它们的温度

31、系数不同，低温度系数振荡器输出的时钟脉冲信号在高温度系数振荡器产生的门周期内进计数。相对基数值-55C预置为计数初值，即高温度系数振荡器输出的门周期结束前若计数器计数为零，表示测到的温度高于-55C,预置了-55C的温度寄存器具值加1,重复该步骤，直至高温度系数振荡器门周期结束，测到的温度值将是温度寄存器中的值。该值由单片机可以从读发存储器读出，经过取补计算和二进制与十进制的转换，得到真正的温度值。在补偿及修正温度振荡器的非线性上为产生分辨率更高的温度测量值是用斜率累加器。通过改变温度每升高1C,计数器须经计数值实行补偿。为获得所需分辨率，必须知道该数值及在给定温度处每1C的计数值通过以上介绍

32、我们得知了DS18B20的内部结构，工作原理，等相关信息。接下来我们将介绍它的具体管脚，它的管脚排列图如图3.2.3所示图3.2.3DS18B20的管脚排列图其中DQ为数字信号输入/输出端；GND为供电电源端；VCC为电源输入端。传感器DS18B20可完成对温度的感测，然后对获得的温度数据进行转换，以12位处理为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625C/LSB形式表达，其中S为符号位。二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0,那么该5位为0,只要将感测的温度乘于0.0625就是实际温度；假如温度小于零，符合位为1,测到的温值需要取反再加1再乘于0.0625即可为实

33、际温度值。例如+85C的数字输出为0550H,+0.5C的数字输出为0008H,-0.5C的数字输出为FFF8H,具体的温度与二进制代码和十六进制代码对照如下表3.2.1所示。表3.2.1温度代码对照温度值二进制数值输出十六进制数值输出+125C000001111101000007D0h+85C00000101010100000550h+25.0625C00000001100100010191h+10.125C000000001010000000A2h+0.5C00000000000000000008h+0C00000000000000000000h-0.5C1111111111111000F

34、FF8h-10.125C1111111101011110FF5Eh-25.0625C1111111001101111FF5Eh-55C1111110010010000FC90h作为传感器的内部结构存储器也是十分重要，接下来我们将介绍DS18B20的存储器，温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器，DS18B20的温度寄存器格式如图3.2.4所示（其中S代表符号位）。Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit08421050.250.1250.0625LSByteBit15Bit14Bi

35、t13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS643216MSByte图3.2.4DS18B20温度寄存器格式图DS18B20暂存存储器包含了9个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位（LSB）,第二个字节是温度的高八位（MSB）。第三个和第四个字节是关于限值信息，高温限值（TH）和低温限值（TL）用于设置高温报警和低温报警，TH、TL为易失性拷贝。第三、第四和第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时都会被刷新。第六、七、八个字节用于内10第3章系统硬件设计部计算。第九个字节是冗余检验字节(CRC)。如下表3.2,2所

36、示表3.2.2DS18B20暂存存储器地址分布表寄存器内容字节地址温度最低数字位(LSB)0温度最高数字位(MSB)1高温限值(TH)2低温PM值(TL)3保留4保留5计数剩余值6每度计数值7循环冗余校验码(CRC)校验8根据DS18B20的通讯协议，单片机控制DS18B20完成转换温度值必须经历以下三个步骤：1、每次读或写之前先要进行对DS18B20复位，2、复位成功后发送一条ROM指令，3、，想要对对DS18B20进行预定的操作还要发送RAM指令。综上所述我们在DS18B20这一节中简介了内部结构框架，工作原理，及它的管脚图。同时我们还介绍了温度测量后的温度与二进制和十六进制数值之间的关系

37、。才外它的RAM结构我们也做了相关介绍。最后我们给出了DS18B20的寄存器的地址分布表。通过这些介绍我们能够大概了解到DS18B20的内部构成，在有了一个清晰的内部原理后，我们才能更清楚的将DS18B20用于电路连接，为接下来介绍DS18B20的电路连接做了良好的铺垫。3.2 .3DS18B20的电路连接通过以上对DS18B20内部结构介绍，我们可知DS18B20有三个管脚：GND为接地端，DQ为数字信号输入/输出端，VCC为供电电源端，DS18B20对电源的要求范围比较大可在3.8-5.5V之间，并不会有太多的影响。在硬件使用上，DS18B20与单片机的连接方法可以有两种，第一种是VCC接

38、外部电源，GND接地，DQ是与单片机的I/O线相连，本设计正是用的是此方法；第二种是用寄生电源供电，此时VCC单片机I/O相接、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接大小约为10KQ的上拉电阻。本系统中DS18B20的DQ口与单片机的P1.2口连接，GND接地。与单片机的连接原理图如下图3,2,5所示。11图3.2.5DS18B20与单片机的连接原理图3.3 设定按键电路设计键盘是一组按键的集合，键是一组常开型开关，平时键的两个触点处于断开的状态，按下键时他们才闭合，键盘分为编码键盘和非编码键盘。按键的识别由专用的硬件译码实现，并能产生键盘编号或键值的

39、称为编码键盘，如BCD吗键盘等，而缺少这种键盘编码的电路要靠自编的软件识别的键盘称为非编码键盘。在单片机组成的电路系统及智能化仪器中，用的更多的是非编码键盘。在介绍完温度传感器的内部结构，工作原理和与单片机电路连接后。我们便可以获得实时温度。但是在温度控制系统中我们需要一个控制温度参考值。对于不同的工作环境控制温度往往是不同的，对于同一套系统，我们需要能够灵活加减控制温度的功能。3.3.1 设定按键原理及技术特点键盘在单片机系统中也是不可或缺的模块之一，在本系统中也不例外，键盘在本系统中框架图如下图3.3.1所示。图3.3.1键盘在系统中的框架图通过按键来改变设定参数值是常用的方法，在本设计中

40、，亦采用非编码键盘，由于不同环境下的温度控制需要不同的控制参数，这个参数刚开始的时候可由软件写入单片机。当按键未被按下即断开的时候，输入为高电平，按下键盘时，输入为低电平判断此类按键的原理框架图如下图3.3.2所示。12第3章系统硬件设计图3.3.2按键原理框架图值得注意的是通常所用的按键开关为机械弹性开关，当机械触点断开和闭合时，电压信号波形将抖动将如下图3.3.3所示。由于机械点的弹性作用，一个按键开关在接通闭合时不会立刻稳定的，在打开时也不会马上断开，因而在闭合及断开时的瞬间都伴有一小段的抖动。按键的机械特性决定抖动时间的长短，一般为5-10mSo这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对单片

41、机来说则是完全能都感应到的，因为单片机的处理速度在微妙级别以上。假如不对按键进行消除抖动的话，如果键盘输入一个1,实际已经输入了多个1,其结果是认为输入了若干次的1,而非理论上的一次。这样就大大影响了实验的结果。因此通过延时程序必须进行消抖图3.3.3按键输入抖动波形图3.3.3 设定按键的电路连接通过以上的介绍，我们看到了在本设计中键盘在该系统中的结构，按键加减的原理，通过这些介绍，为接下来的电路连接做了很好的铺垫。设定按键的电路连接图如图3.3.4所示。其中S2键为增加设定控制温度键，每按一下，设定控制温度值增加1,S2键为减少设定控制温度键，每按一下，设定控制温度值减1。13P1.0/T

42、2kJP1.1/T2EX-OS30S2AT89C51图3.3.4设定按键的电路连接图3.4 单片机选型单片机我们采用AT89C51,它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚第40脚。在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制温度传感器、控制电机的正转与反转、控制设定按键，设定温度显示等，这32个脚叫做单片机的“端口”。具引脚图如图3.4.1。图3.4.1AT89C51引脚图14第3章系统硬件设计相较于INTEL公司的8051它本身带有一定的优点。AT89C51是一种4字节闪烁可编程可擦除只读存贮器(FPEROM

43、-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，也就是我们常说的单片机。该器件的制造技术是ATMEL高密度非易失存储器，与工业标准的MCS-51命令集合和管脚输出分布相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在一个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高性能的微控制器，AT89C51单片机为许多嵌入式开发系统提供了一种灵活高校且经济的方案。AT89C51芯片实物图如3.4.2所示图3.4.2AT89C51芯片实物图AT89C51的技术特点： 与MCS-51兼容 4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环

44、数据持续时间：10年 静态工作频率：0Hz-24Hz 存储器可锁定三级程序 内部RAM达到128*8位 可编程I/O口32个 两个定时器/计数器均为16位 5个中断源平行通道能够编程闲置时低功耗，含有掉电模式片内含有振荡器以及时钟电路管脚说明：1 .VCC:供电电压；2 .GND:接地端；3 .P0口：P0为一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用口，也可作为通用I/O接口。在单片机需要外扩程序存储器、数据存储器、并行I/O接口时，通常作为16位地址总线的低8位和8位数据总线信号接口。当P0口作为地址/数据分时复用总线时，可分为两种情况：一种是从P0口输出地址或数据，另一种是从P0口输入数据。

45、由于15是分时使用，用ALE地址锁存信号将低8位地址锁存在与P0口相连接的外部8位锁存器中，形成16位地址信号的低8位，然后P0再作为数据口使用。4 .P1:P1是专门供用户使用的I/O口，是准双向口。输出端无需接上拉电阻。P1口只有通用I/O接口一种功能。5 .P2口：P2口也是准双向口。但一般作为扩展系统的地址总线，输出高8位地址。与P0口一起组成16位地址总线，供系统扩展时使用。如果没有系统扩展，P2口也可以作为用户I/O线使用，其工作原理与P1相同，负载能力也与P1相同。6 .P3口:P3口是双功能口，也是准双向口，P3口除作为通用I/O口外，还有第二种功能，作为第一功能使用时，P3的

46、结构与操作与P1相同。P3作为第二功能时为用行口、外部中断、定时器工作。如下表3.4.1所示：表3.4.1P3口的第二功能弓1脚第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INTO外部中断0请求P3.3INT1外部中断1请求P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。7 .RST:复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上高电平时即为有效，用于完成单片机的复位操作。8 .ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电

47、平用于锁存地址的地9 .PSEN:外部程序存储器的选通信号。单片机访问片外ROM时PSEN有效（低电平）,以实现片外ROM单元的读操作。10 .EA/VPP：当EA为低电平时，对rom的读操作限定在片外程序存储器；当EA为高电平时，对ROM的读操作是从片内程序存储器开始的，并可延续至片外程序存储器。11 .时钟线：XTAL1和XTAL2外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。3.5 单片机最小系统设计单片机的最小系统，简单来说，就是组成单片机系统必须的部分。比如一个应用系统不能没有单片机芯片，不能没有电源，不能没有产

48、生时钟的晶体振荡器，一般还16第3章系统硬件设计需要能使单片机复位的电路等。3.5.1 时钟电路时钟电路是计算机的心脏，用于产生单片机工作所需的时钟信号，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHz。MCS-51内部都有一高增益个反相放大器，XTAL1为其芯片管脚的输入端，XTAL2为输出端引脚，在芯片的外部的晶体振荡器和微调电容通过这两个引脚连接，形成反馈电路。就构成了一个稳定的自激振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件。AT89C51是属于CMOS8位微处理器，它的时钟电路在结构上有别于NMOS型的单片机。图3.5.1为CMOS型单片机时钟电

49、路框图。电容C1和C2的作用有两个：其一是使振荡器XTAL1起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用（C1、C2大，f变小）,其值一般取22pF左右。CS130pfXTAL12MHZXTAL2CS2AT89C5130pf图3.5.1CMOS型单片机时钟电路框图3.5.2 复位电路复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电运行时，都需要先复位，起作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的。必须配合相应的外部复位电路才能实现。本设计使用上电+按键复位。RST是单片机一个复位引脚，它是复位信号的输入端，

50、当振荡器起振后该引脚上出现24个时钟周期（即2个机器周期）以上的高电平，只要RST保持高电平就能使器件复位，单片机复位状态亦可保持。止匕时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口均为高电平。复位退出在RST成为低电平后，CPU从初始状态进入工作。对于按键复位，复位键按下后，复位端通过的小电阻51Q与VCC电源接通，迅速放电，使RST引脚为高电平，复位按键弹起后，电源VCC通过对10仙丽新充电，RST引脚端出现复位正脉冲，其持续时间取决与RC的时间常数。单片机可靠复位的时间要大于2个机器周期如果采用12MHz的晶振则复位时间要大于2微妙。上电复位电路对电容的充电时间：t=3RC=3X10X10

51、-6X8.2*103=0.246秒可以保证单片机的正常复位复位电路如下图3.5.2所示:17VCCVCCC110FS1R28.2KQRSTAT89C51GND图3.5.2复位电路图单片机最小系统很简单，就是能使单片机工作的最少的器件构成的系统。最小系统虽然简单，但是却是大多数控制系统所必不可少的关键部分。分三个部分：1.晶振,晶振的大小由单片机时钟周期要求而决定，用于计时，与两个电容并联使用，电容大小由你的晶振决定，一般用22pF2.复位电路，用于复位回到最初状态3.电源，用于供电，一般使用5v稳压电源，可以由USB口提供，也可使用母头，电池等4.烧制程序的口。最小系统图如图3.5.3所示VC

52、C,IlS1R151QC1丁10户R28.2KCEARSTCS130pfXTII12PXTAL1XL1HXTAL2CS230pfAT89C51图3.5.3单片机最小系统图18第3章系统硬件设计3.6前文介绍了温度传感器的选择，温度传感器的内部结构；发射电路中控制温度的设定，单片机的选型，以及单片机的时钟电路和最小系统。接下来我们要介绍控制电路。这次的控制电路采用直流电机，鉴于直流电机的特性。我们需要用直流驱动器驱动直流电机。由于本设计使用的直流电机是一种模拟器，故采用玩具车上的小直流电动机。也是常用的5V直流电机，5V电机的参数：转速可以从5rpm-21000rp,电流可以从0.03A-0.5

53、A,力矩在700g/cm-2.4g/cm。故使用的直流驱动方案可如下。3.6.1 直流驱动器选型方案一：采用继电器对电动机的开和关进行有效控制，通过切换开关来改变电机的速率。这个方案的优点是电路简单，实现起来比较容易；缺点是继电器的响应速度慢、机械结构容易损坏、寿命较短。方案二：采用DSP芯片，配以电机控制所需要的外围功能电路，通过数控电压源调节电机运行速度，实现控制物体的运动轨迹。该方案优点是体积小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。但系统软硬件复杂、成本高。方案三：采用专用芯片L298。L298是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它响应频率高，且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作

54、方便，稳定性好，性能优良。L298为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥直流电机专用驱动芯片(DualFull-BridgeDriver),内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相电机，内含二个H-Bridge的高电压、双全桥式大电流驱动器，接收标准TTL逻辑信号，6V、24A以下的步进电机能够被驱动，且电压输出可以直接通过电源来调节；模拟时序信号在此芯片可直接由单片机的I/O端口来提供。L29的接脚如图3.6.1所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；2个步进电机分别接在OUTl、OU

55、T2和OUT3、OUT4之间；电机的正反转输入控制input1input4的电位来控制；Enable为使能端用来控制电机停转。L298的逻辑功能如下表3.6.1表3.6.1L298的逻辑功能IN1IN2ENA电机状态XX0停止101顺时针011逆时针000停止110停止19方案四：虽然L298功能强大，驱动稳定，但是对于本次设计出绰有余，问题最大的是L298的芯片非常难焊接，不适合用在万用板上，因此采用L298的简化芯片L9110用L9110内含H桥。这使L9110具有L298相同驱动直流电机的功能；L9110的特点是1宽泛的电压范围：2.5V-12V;2每个输出通道具有持续输出800mA;3

56、饱和压降较低；4兼容TTL/CMOS输出电平，可直接连适用于感性负载的内置钳位二极管，；5单片之中集成了控制和驱动；具有管脚高压保护的功能；6工作温度：0c-80C。其管脚图如下图3.6.1所示GNDIBIAGND0A匚VCC匚VCC匚OB匚图3.6.1L9110管脚图(1) L9110的管脚定义如下表3.6.2所示表3.6.2L9110的管脚定义表序号符号功能1OAA路输出管脚2VCC电源电压3VCC电源电压4OBB路输出管脚5GND地线6IAA路输入管脚7旧B路输入管脚8GND地线(2) H桥的连接电路电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似大写英文字母Ho4个三极管组成H的4条腿，而电机就是H中的横杠。根据对三极管不同的导通