基于单片机的油汀机控制模块设计与实现——毕业论文

大连东软信息学院 本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 系系 所：所： 电子工程系 专专 业：业： 电子信息工程（嵌入式系统工程方向） 学生姓名：学生姓名： 学生学号：学生学号： 指导教师：指导教师： 导师职称：导师职称： 完成日期：完成日期： 论文题目论文题目：基于单片机的油汀机控制模块设计与实现基于单片机的油汀机控制模块设计与实现 大连东软信息学院 Dalian Neusoft University of Information 大连东软信息学院毕业设计（论文） 摘要 I 基于单片机的油汀机控制模块设计与实现基于单片机的油汀机控制模块设计与实现 摘摘 要要 油汀机即油汀取暖器，是一种充油式取暖器，是近年来流行的一种安全可靠的空 间加热器，这种取暖器是将电热管安装在散热片的腔体内部，在腔体内电热管周围注 有导热油。 本文使用单片机设计实现了油汀机的控制系统模块。本文系统的阐述了油汀机温 度测控系统的设计思想和实现方法，具体分析了各部分电路的设计原理，详细介绍了 各部分的设计过程。系统使用 STC89C52 单片计作为主控系统，采用数字温度传感器 DS18B20 采集温度值，并送入单片机进行运算。当系统温度低于设定的阈值的时候， 系统启动，将继电器置位。并且可以设定时间，在某个时间段内系统启动。 另外，系统在节能方面也进行了一定的研究，当系统不制热的时候，可以进入节 能状态，以较少系统的能耗。 经过测试，系统可以稳定的运行。系统可以根据设定的温度启动继电器，也可以 使用时间来控制继电器的开启和关系。该项目可以对以后油汀机的控制模块深入设计 做一个铺垫作用。 关键词关键词：嵌入式系统，单片机，温度传感器，继电器 大连东软信息学院毕业设计（论文） Abstract II Design of Simplified RISC CPU Abstract Oil radiator heater or oil heater machine is an oil-filled heater which is popular in recent years as a safe and reliable space heater. This heater is installed inside the heating tubeinside the cavity fin and HTF is given in the heating chamber around the tube. This article is designed and implemented youting machine control system module by using a microcontroller, detailed analysing the design principles of the various parts of the circuit, detailing the design process of various parts. STC89C52 monolithic system is the master meter system that using digital temperature sensor DS18B20 temperature acquisition and carried into the microcontroller operation. When the temperature is below the set threshold, the system startup, and the relay set. And you can set the time to start the system in a certain period of time. In addition, the system in the energy field is studied. When the system is not working, it can enter the energy state, with less energy consumption. Testing shows that the system can be stable operated. According to the set temperature, The relay can open and also can use the time to control the relay. The project can be on the control module oil radiator heater machine in-depth design make a foreshadowing role. Key words: Embedded System, Microcontroller, Temperature sensors, Relays, 大连东软信息学院毕业设计（论文） 目录 III 目目 录录 摘 要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 绪 论.5 1.1 课题研究背景 5 1.2 课题研究目的、意义 5 1.3 课题研究内容与方法.5 1.4 论文组织结构.6 第 2 章 关键技术介绍.7 2.1 控制系统介绍.7 2.2 温度传感器.9 第 3 章 系统需求分析.11 3.1 系统设计目标 11 3.2 系统功能需求 11 3.3 系统成本 11 3.4 系统开发环境 11 3.4.1 编程环境.11 3.4.2 程序仿真.12 3.4.3 程序下载.13 第 4 章 系统设计.15 4.1 体系结构设计 15 4.2 硬件设计 15 4.2.1 温度采集模块.15 4.2.2 LCD 显示模块.16 4.2.3 输出控制模块.18 大连东软信息学院毕业设计（论文） 目录 IV 4.2.4 实时时钟模块.18 4.2.5 输入模块.19 4.3 软件设计 19 4.3.1 控制流程设计.19 4.3.2 功能模块设计.20 第 5 章 系统实现.24 5.1 环境配置.24 5.2 功能模块实现.24 5.3 系统实现.29 第 6 章 系统测试.32 6.1 测试概述 32 6.2 测试用例 32 6.2.1 系统开机测试32 6.2.2 实时时钟测试.32 6.2.3 温度测试.32 6.2.4 设置测试.33 6.2.5 手动模式测试.33 6.2.6 自动模式测试.34 第 7 章 结 论.35 参考文献.36 致 谢.37 附录 A.38 附录 B.39 大连东软信息学院毕业设计（论文） 目 录 5 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 课题研究课题研究背景背景 二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应 用更是空前广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，需要对各种参数进行温 度测量。因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多，与之相对应的， 温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语，同时它们在各行各业中 也发挥着重要的作用。 近年来，单片机已被广泛用于热水器系统、空调系统、电热炉等家电产品 以至手持式高速高效的计算机和电子设备中，大大提高了家电的智能化。与此 同时，现在常用的温度传感器芯片不但功率消耗低、准确率高，而且比传统的 温度传感器有更好的线性表现，最重要的一点是使用起来方便。若将两者用于 电暖器的控制器，就会使控制简单方便，测量范围广，精度较高。使用此智能 控制器的电暖器可以节约电能、方便、安全，并改变以往的取暖方法，给人们 带来一个清新、温暖、健康生活环境，以适应人们生活节奏非常紧张的状态。 1.2 课题研究课题研究目的、意义目的、意义 在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度 测量是室内温度控制对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是 对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电 力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测 量任务。在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭 室温测量及工业设备温度测量场合，特别是对于油汀机的控制，具有重要的作 用。但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化 为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。系统选择合适的芯片，尽量减 少系统的元器件的数量，用最小的复杂度构建最可靠的系统。 1.3 课题研究内容与方法课题研究内容与方法 本文的主旨是设计基于单片机的油汀机控制模块的设计与实现。它是多种 技术知识的结合，不仅涉及到软件的设计，而且还将应用电子技术与单片机的 应用技术有机结合，使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点。 利用单片机的温度控制系统软硬件实施方式主要是直接使用单片机以及其 他一些外围芯片作为数据采集和控制的装置，不使用上位 PC 机做数据处理。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 目 录 6 这种类型的自动控制系统一般以单片机为核心，包括输入模块、控制模块、输 出模块等。硬件电路一般由温度传感器及模拟信号处理电路、A/D 转换器、单 片机、D/A 转换器、LCD（或 LED）显示器及微打印机、简易键盘等组成，即为 一个单片机的最小应用系统，实现基本的输入输出功能和简单的控制功能。智 能化发展主要集中在软件上，在纯硬件的电路中很难实现智能化，用软件来控 制温度在以后将有广阔的前景。 本系统的主要出入参数为环境温度，使用温度传感器采集温度数据，输入 单片机。单片机具有时钟功能，能够实时的显示时间。采集到温度之后，系统 可以自动根据温度的标定值，调整油汀机的运行时间。油汀机的运行通过继电 器和 LED 来模拟。另外，还可以通过设定的时间，自动启动和关闭油汀机的运 行。系统具有 LCD 现实屏幕，可以实时的显示系统的状态和系统的时间。系统 还带有 4*4 的键盘，可以输入调整系统时间，调整设定的温度值。 1.4 论文组织结构论文组织结构 本文主要从七部分展开，第一部分是绪论，主要阐述一下课题的背景、意 义，研究目的现状等，并简单阐述了课题的研究内容和方法。第二章是关键技 术的介绍，主要对控制系统单片机简要介绍，并对温度计做一定的介绍。第三 章对系统的需要进行分析。第四、五章是本文的最重要内容，为系统设计和实 现。第六章是系统测试部分，第七章对全文进行总结。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 7 第第 2 章章 关键技术介绍关键技术介绍 2.1 控制系统介绍控制系统介绍 2.1.1 单片机介绍单片机介绍 单片机即单片微型计算机，是一块集成度比较高的处理器。单片机采用超大规模 集成电路技术在一块小小的硅片上集成了 CPU、RAM、ROM、多种 I/O 口和中断系统、 定时器/计时器等功能从而构成的一个完整的计算机系统。目前，正式单片机的发展高 峰期，单片机种类很多，MCS-51 系列单片机是应用范围比较广泛的。而与只兼容的 8051 的内核单片机也非常多。本系统使用 STC 公司的单片机 STC89C52 单片机，这款 单片机实用性比较强，具有众多的优点，而且可以通过串口直接下载程序，并且可以 和 51 系列单片机完全的兼容。对于通用型单片机来说，STC 公司的单片机 STC89C52 单片机实用性比较强，具有众多的优点，该单片机不管是在价格上还是在系统性能上 都优于前者，所以我们在实际的应用中可以选择此款芯片。 2.1.2 单片机的最小系统单片机的最小系统 如果需要单片机开始正常工作，则需要一个最小的外围电路,这就是所谓的单片机 最小系统。其构成的电路也很简单，如图所示： 图 1 单片机最小系统 从电路图中我们可以看到一个 40 管脚的芯片，这个就是 51 单片机。我们先来认 识一下单片机的管脚作用，如表所示。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 8 表 1 单片机管教作用 Vcc电源引脚，基本工作电压为+5V GND电源接地 端口端口 0 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口，它是一个多功能口。在访问外部 存储器时，用作分时多路转换地址（底 8 位）和数据总线，P0 口常用作此 方式。在没有外部存储器时，P0 口可作为并行 I/O 口使用，但需外接上拉 电阻。它的带负载能力为 8 个 LSTTL 门电路。 端口端口 1 P1 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。它通常用作通用 I/O 口， 能带动 4 个 LSTTL 门电路。 端口端口 2 P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，它是一个多功能口。 在访问外部存储器时，它送出地址的高 8 位；在没有外部存储器时，可作 为通用 I/O 口使用。可以带动 4 个 LSTTL 门电路。 端口端口 3 P3 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，它是多功能口。P3 口 的第一功能作为通用 I/O 口使用，第二功能如表所列。 。 RST在振荡器运行时，RST 引脚输入超过两个机械周期（24 个振荡周期）时便 会引起单片机的复位。如果一直保持高电平，则芯片便循环复位。复位后 P0P3 引脚都为高电平，程序存储器和数据存储器全部清零。 XTAL1振荡器的输入端 XTAL2振荡器的输出端 ALE/PROG访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出端用于锁存地址的地位字 节。即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的频率输出脉冲信号，此信号 的频率是振荡器频率的 1/6。我们可以通过检测这个脉冲信号来判断单片机 是否已经正常运行。 EA/VPP当该引脚访问外部程序存储器时，应该输入低电平。 PSEN该引脚是外部程序存储器的选通信号输出端。 P3 引脚兼用功能 P3.0串行口出入（串行口出入（RXD）P3.1串行口输出（串行口输出（TXD） P3.2外部中断外部中断 0（INT0）P3.3外部中断外部中断 1（INT1） P3.4定时器定时器 0 输入（输入（T0）P3.5定时器定时器 1 输入（输入（T1） P3.6外部数据存储器写选通外部数据存储器写选通 （WR） P3.7外部数据存储器读选通（外部数据存储器读选通（RD） 有了对单片机管脚的基本认识，我们再来研究一下单片机最小系统外围电路基本 构成： （1）晶体振荡电路 XTAL1 和 XTAL2 引脚分别是芯片内振荡器的输入端和输出端。51 单片机的时钟 有两种方式：一种是片内时钟振荡方式，需要 XTAL1 和 XTAL2 接晶体振荡器和两个 30pF 的电容;另一种方法是使用外部时钟的方式，即外部输入信号需要从 XTALI 引脚 中输入，而 XTAL2 引脚悬空。一般我们常用的是使用晶振和两个电容并联以产生工作 时钟，其线路接法如图所示。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 9 XTAL1 XTAL2 图 2 晶振的连接 一般晶振的频率可在 212MHz 之间任意选择，对外接电容来说，也没有严格的要 求，但是电容的大小会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定、起振的快速性。外接晶 体振荡器时，一般选用 30PF 的电容。并且需要注意的是在焊接电路或者是印刷电路板 的时候，晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，这样可以保证系统更稳定的 工作。 （2）复位电路 复位电路分为上电复位和人工复位两种。上电自动复位是指系统在上电时提供复 位信号，直到系统电源稳定后撤销复位信号。对于 51 单片机来说，只要在 RST 复位 端接一个电容到 VCC 和一个电阻到 VSS（即低电平）即可。除了上电复位外，在单片 机运行的过程中，如果出现问题我们就需要人工复位。在上电复位的基础之上，我们 在 RST 和 VCC 之间安装一个弹跳开关就可以实现一个比较简单的人工复位电路。当 在 51 的 RST 复位引脚上有一个超过两个机械周期的高电位脉冲时，单片机就会被置 位。 （3）31 号引脚 EA 当 EA=0 时，则只使用片外的 ROM，也就是说当我们使用的单片机扩展了外部程 序存储器的时候，必须将 EA 端接地。但是在一般情况下，我们仅仅使用单片机内部 的存储器（51 系列为 4K，52 系列为 8K） ，所以此引脚一般直接接电源电压 VCC 就可 以了。 （4）供电电路 单片机的供电系统和其他芯片类似，需要+5V 电压供电。管脚 20 接地，管脚 40 接+5V。 2.2 温度传感器温度传感器 温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传 感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式 大连东软信息学院毕业设计（论文） 10 和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。 在应用与高精度、高可靠性的场合时 DALLAS（达拉斯）公司生产的 DS18B20 温度传感器当仁不让。此传感器属于数字式传感器，容易使用。DS18B20 的温度检测 与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为 两个部分，即温度检测和数据处理。 DS18B20 温度传感器的封装形式主要有两种，我们在实际应用可以根据实际情况 选择合适的封装形式。 图 3 DS18B20 的封装 PR-35 封装 DS18B20 的实际形状很像三极管,如图所示: 图 4 DS18B20 实物 DS18B20 温度传感器主要特性 1）电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。 2）先进的单总线数据通信。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。 3）温范围55125，在-10+85时精度为0.5。 4）可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.50.25、0.125 和 0.0625，可实现高精度测温。 5）在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换为数字信号，12 位分辨率时最 大连东软信息学院毕业设计（论文） 11 多在 750ms 内把温度值转换为数字信号，速度更快。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 12 第第 3 章章 系统需求分析系统需求分析 3.1 系统设计目标系统设计目标 本系统的主要出入参数为环境温度，使用温度传感器采集温度数据，输入单片机。 单片机具有时钟功能，能够实时的显示时间。采集到温度之后，系统可以自动根据温 度的标定值，调整油汀机的运行时间。油汀机的运行通过继电器和 LED 来模拟。另外， 还可以通过设定的时间，自动启动和关闭油汀机的运行。系统具有 LCD 现实屏幕，可 以实时的显示系统的状态和系统的时间。系统还带有 4*4 的键盘，可以输入调整系统 时间，调整设定的温度值。 3.2 系统功系统功能需求能需求 根据系统的设计目标，整理完善出系统的功能需求。本系统主要实现的功能有： （1）通过传感器采集室内温度 （2）LCD 可以实时显示室内温度和时间 （3）可以设置自动模式，当温度低于某个数值的时候，自动启动加热装置 （4）可以设置手动模式，根据时间设定，在某个时间段内系统可以启动和停止 （5）用继电器和 LED 来模拟加热系统的运行 （6）具有 4*4 键盘，可以输入和设置相关参数 3.3 系统系统成本成本 系统主要的元器件有单片机，温度传感器，继电器，LED，时钟芯片，键盘， LCD 显示器。 器件价格（元） 单片机5 DS18B205 继电器2 LED1 时钟芯片3 键盘5 LCD160210 3.4 系统开发环境系统开发环境 3.4.1 编程环境编程环境 Keil 软件是目前最流行开发 MCS-51 系列单片机的编程和仿真软件，Keil 提供了 包括 C 语言的编译器、链接器、调试以及库函数的管理在内的完整开发方案。使用该 大连东软信息学院毕业设计（论文） 13 软件可以快速构建工程，并且编译生产 bin 文件。 Keil C51 软件的程序主界面如图所示。 图 5 Keil 编程界面 3.4.2 程序仿真程序仿真 Proteus 电路仿真软件软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件。 它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，可以说是目 前最好用的仿真单片机及外围器件的工具。值得一提的是，Proteus 软件还可以与 Keil 软件联合仿真单片机。 3.4.3 程序下载程序下载 我们使用 MAX232 芯片来将串口 RS232 输出的 EIA 电平转换成 TTL 电平。在单 片机最小系统板的基础之上，我们仅仅使用 RXD 和 TXD 两个端口就可以对单片机程 序进行烧录。因此 STC 系列单片机的烧录是非常简单的，这也是我们选择此系列单片 机的一个原因。如图所示即为此方法的基本原理图，原理很简单，我们完全可以自己 焊接电路。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 14 图 6 串口通信转换电路 在源程序编译好之后，若编译和调试通过，我们便可以将程序烧入单片机中。如 果我们使用 KeilC51 软件仿真，会可以生成一个 HEX 后缀的文件，这就是我们烧录需 要的文件。 将串口线与单片机下载器连接在一起，打开软件，如图所示。 图 7 单片机程序下载软件 主要需要的设置包括： 1）在 MCU-type 中选择烧录器中使用的芯片。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 15 2）在 COM 端口上设置连接下载器的电脑端口。 3）点击“打开程序文件” ，将我们需要下载的程序的 Hex 文件添加进去。 4）然后点击下载按钮就可以对程序进行下载了。一般的在下载的过程中，还需要 对下载器重新上电。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 16 第第 4 4 章章 系统设计系统设计 4.1 体系结构设计体系结构设计 系统体系结构设计如下图所示，包括主控系统单片机模块，温度采集模块，显示模 块，输入模块，输出模块和实时时钟模块等六部分组成。 单片机 温度采集模块显示模块 输入模块输出控制模块 实时时钟 图 8 系统架构图 4.2 硬件设计硬件设计 4.2.1 温度采集模块温度采集模块 考虑到尽量降低成本和避免复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子 器件。系统采用 DS18B20 数字温度传感器，它应用专门数字模块采集技术和温湿度传 感技术。 该部分系统功能通过 STC89C52 单片机与 DS18B20 连接测量温度值，连接时仅需 要单条口线即可实现微处理器与温度采集模块 DS18B20 的双向通讯。在使用中不需要 任何外围元件，连接电路如图所示。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 17 图 9 DS18B20 电路连接图 控制器对 DS18B20 的操作流程如下： 1、复位：系统上电之后，首先必须对 DS18B20 芯片进行复位操作。51 单片机需 要向 DS18B20 芯片的单总线发送至少 480us 的低电平信号。当 18B20 接收到此复位 信号后则会在 1560uS 后向单片机回发一个芯片的存在脉冲作为应答信号。 2、存在脉冲：在 DS18B20 的复位电平结束之后，单片机该将数据单总线的电平 置成高电平，这样以便可以在 1560uS 后接收芯片发送来的存在脉冲，这个信号时一 个 周期为 60240uS 的低电平信号。这样，单片机和时钟芯片已经达成了基本的协议， 握手成功。接下来将会是控制器与 DS18B20 间的数据通信。 3、然后处理器就可以发送 ROM 指令信号以及存储器操作指令等信号来读取温度 传感器的数据信息。 4.2.2 LCD 显示模块显示模块 液晶显示器俗称 LCD，是一种具有低功耗、体积小、重量轻、超薄等优点的显示 设备，已经被广泛用于单片机控制的智能仪表仪器和低功耗电子产品中。LCD 显示屏 可分为段位式 LCD、字符式 LCD 和点阵式 LCD 三种类型。其中，段位式 LCD 和字符 式 LCD 主要用于显示字符以及数字。而点阵式 LCD 除了能够显示字符和数字之外， 还可以显示位图甚至是具有汉字字库的汉字，还可以进行绘图、滚动和动画等功能。 本电子称系统中使用 LCD1602 作为显示器件输出信息，与传统的 LED 数码管显 示器件相比，液晶显示模块不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应 用设计中最常用的显示器件了。LCD1602 可以显示 2 行 16 个汉字。 LCD1602 引脚如图所示 大连东软信息学院毕业设计（论文） 18 图 10 LCD1602 引脚图 LCD 与单片机的四种操作如下： 表 2 LCD 与单片机的四种操作 RSR/W操作 00写命令操作（初始化，光标定位等） 01读状态操作（读忙标志位） 10写数据操作（要显示内容） 11读数据操作（可以把显示存储区中的数据反读出来 0) 单片机与 LCD 的连接图如图所示 图 11 单片机与 LCD 的连接图 大连东软信息学院毕业设计（论文） 19 4.2.3 输出控制模块输出控制模块 输出控制模块主要是继电器。单片机一般情况下它们大都工作在 5V 甚至更低的电 压下。而其管脚的驱动电流在 500mA 级以下。而要把它控制一些大功率的设备，比如 控制电机等大功率设备，显然是不能完成的。所以，就要有一个其他的中间设备来衔 接，这个环节就是所谓的“功率驱动”模块或者部件。继电器驱动就是一个典型的、 简单的功率驱动部件。因此可以使用继电器去驱动其他负载，比如继电器可以驱动中 间继电器，可以直接驱动直流电机。所以，继电器驱动就是单片机与其他大功率负载 接口。系统中可以使用继电器来驱动加热器等设备，用来产生热量。 这是典型的继电器驱动电路图。 图 12 继电器连接图 单片机的 IO 口驱动能力有限，不能直接驱动继电器等设备，加一个三极管，使用 低电平驱动，即可以完成设定的功能。 4.2.4 实时时钟模块实时时钟模块 时钟芯片选用 DS1302。该芯片是一款具有涓细电流和充电能力的低功耗实时时钟 芯片。DS1302 可以对年、月、日、星期、时、分、秒分别进行计时, 同时可以处理闰 年。工作电压为 2.55.5V，接受的电压范围比较宽。DS1302 采用三根线与 CPU 进行 通信,实现数据的交互。并且可以使用突发方式来一次传送多个字节的时钟信号胡或者 RAM 的数据。 DS1302 时钟芯片内部主要包括实时时钟部分、日历部分和一个 31 字节的静态 RAM。它可以经过一个简单的三线串行接口与微处理器通信。实时时钟和日历部分可 以提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。能够自动处理大月和小月，到月末的时 候日期自动根据实际情况进行调整，该芯片同时还包括闰年校正的功能。时钟的运行 可以采用 24 小时制式或带上午下午标志的十二小时制式。其典型的电路如图所示。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 20 图 13 DS1302 连接图 4.2.5 输入模块输入模块 输入模块使用矩阵键盘，矩阵式键盘的接法比独立式键盘的接法复杂，编程实现 上也会比较复杂。但是，在占用相同的 I/O 端口的情况下，矩阵式键盘的接法会比独 立式接法允许的按键数量多，其原理图如图所示。矩阵式键盘的工作方式是先用列线 发送扫描字，然后读取行线的状态，查看是否有按键按下。键盘部分提供一种扫描的 工作方式，可以和具有 16 个按键的矩阵键盘相连接，能对键盘不断扫描、自动消抖、 自动识别按下的键，并给出编码，能对双键或 N 个键同时按下的情况实行保护。 键盘中有无按键按下是由键盘的列线将数据采集后送入全扫描字、行的数据位送 入单片机的行线状态来判断。其具体的操作方法是将矩阵键盘列上的所有 I/O 线均设 置成低电平，然后将矩阵键盘行线的电平状态读入累加器 A 中。如果有键按下，那么 就会有一个行线被设置为低电平，这样单片机检测扫描数值的时候，就会从行输入中 检测到不全为 1。 键盘中具体是哪一个按钮被按下，可由列线逐列置低电平后，检查行输入状态来 判断，其方法是依次给列线送低电平，然后检查所有行线状态，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，而且是在与低电平线相交点上 的那个键。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 21 图 14 矩阵键盘连接图 4.2.6 节能设计节能设计 系统的节能设计主要在与 LCD 的显示部分和传感器的数据采集部分。LCD 的显示 设计上需要综合考虑人家交互的方面性和节能性。一般情况下，界面不显示内容，当 按钮键盘上的按钮之后，界面显示相关内容。在于传感器的采集时间上。对于时钟芯 片的数据采集，可以设定为每分钟采集一次数据，即系统的时间只显示到分钟。温度 数据的采集可以设定为当离着设定的阈值温度近的时候，温度的采集频率相对提高， 当离着相对较远的时候，可以适当增大采集的间隔，从而起到节能的作用。 4.3 软件设计软件设计 4.3.1 控制流程设计控制流程设计 系统上电启动，首先进行初始化工作。初始化完成之后，在 LCD 显示屏的第一行 显示时间，第二行显示实时的温度数据。 按键盘上的选择按钮，可以选择模式：自动模式和收到模式。自动模式中，当温度 低于设定的阈值的时候，程序启动打开继电器命令。当高于设定的阈值的时候，关闭 继电器。在自动模式中，当系统时间达到设定的时间的时候，开启继电器。当达到设 定的关闭系统的时间的时候，关闭继电器。 开始 系统初始化 时钟显示 温度显示 模式选择 温度低于阈值 启动继电器关闭继电器 Yes No 自动 模式 到设定时间 关闭继电器 图 15 控制流程图 4.3.2 功能模块设计功能模块设计 （1）键盘输入 当我们需要的按键数量较多时，就需要合理的利用 IO 口的数量。为了减少 I/O 口 的占用数量，通常将按键合理排列组合使用，结合成矩阵键盘的形式，即通常使用矩 阵键盘。这样 16 个按键只需要单片机的 8 个 IO 口。矩阵键盘的使用比直接接 IO 口 大连东软信息学院毕业设计（论文） 22 的按键使用起来复杂一些，相对来说识别哪个按键被按下，也要复杂一些，列线通过 电阻接正电源作为上拉电阻使用，然后连接单片机的 I/O 口，并将其设为作为输出端， 而矩阵键盘的列线所接的 I/O 口则设置为输入模式。这样，单片机不断的扫描矩阵键 盘连接的 8 个端口，当所有的输出端都是高电平，代表没有键按下。行线输出是低电 平，如果有键按下的时候，则矩阵键盘的输入线就会被拉低，这样单片机就可以检测 到这个信号。这样，单片机通过读输入线端口的高低电平状态就可得知是否有键按下 了。具体的识别流程图如下图所示。 图 16 键盘采集流程图 （2）系统自动模式设计 当温度测控系统启动后，首先选择工作模式。系统可在定时控制与实时显示 两种模式下工作。确定工作模式后，就可以驱动 DS18B20 工作，获取温度数据并 在继电器控制外围电路的控制下传输到检测单元。检测单元经过数模转换并处理 数据后，在显示单元显示相应检测部位的温度数据。当数据值溢出或时间超出检 大连东软信息学院毕业设计（论文） 23 测时间阈值时，检测电路复位，并重新采集数据。其流程图如下: 图 17 自动模式流程图 （3）手动模式设计 手动模式主要依靠主要是通过设定时间来控制继电器的开关。首先需要设定继电器 启动的开始时间和结束时间。然后实时时钟的时间和开始时间相等的时候，继电器启 动，开始加热，当实时时钟的时间到达系统停止时间时，继电器结束工作，加热结束。 大连东软信息学院毕业设计（论文） 24 开始 系统初始化 时钟显示 温度显示 到设定开启时间 到设定关闭时间 启动继电器 是 关闭继电器 是 否 否 图 18 手动模式流程图 大连东软信息学院毕业设计（论文） 25 第第 5 章章 系统实现系统实现 5.1 环境配置环境配置 嵌入式单片机作为主控系统的环境配置比较简单，因为其集成度比较好，单片芯片 就可以实现复杂的功能。需要的直流供电电压为 5V。需要安装温度采集模块 DS18B20，数据显示模块 LCD 显示屏，数据输入模块 4*4 矩阵键盘，输出控制模块继 电器等。 5.2 系统实现系统实现 系统主板如图所示。 图 19 系统主板 显示部分为 LCD1602： 图 20 LCD 实物图 输入模块，矩阵键盘： 大连东软信息学院毕业设计（论文） 26 图 21 矩阵键盘实物 输出模块，继电器： 图 22 继电器实物 实时时钟： 图 23 实时时钟实物 温度采集模块： 图 24 温度采集实物 大连东软信息学院毕业设计（论文） 27 第第 6 章章 系统测试系统测试 6.1 测试概述测试概述 在系统软硬件设计上已经避免了很多可能出现错误的输入输出，但是很难考虑周 全，如果不经过周全的测试，将会造成难以想象的后果。因此，系统测试是软硬件开 发为保证系统质量而必须进行的工作。本测试分为系统开机测试、实时时钟测试、温 度显示测试、设置测试、手动工作模式测试和自动工作模式测试组成。 6.2 测试测试用例用例 6.2.1 系统开机测试系统开机测试 系统开机测试用例如表所示。 编号测试项操作步骤预期结果输入数据实际结果结果比较说明 001系统开机对系统加电系统有 3 秒初始 化时间，然后显 示屏幕进入欢迎 界面 无在 3 秒初始 完成后， LCD1602 显 示屏幕上显 示欢迎信息 符合 002开机显示欢迎信息结 束之后显示 显示时间和实时 的温度信息 无显示欢迎信 息 3 秒之后， 显示实时时 钟信息和温 度信息 符合 6.2.2 实时时钟测试实时时钟测试 实时时钟测试。主要用来测试时钟的准确性。 编号测试项操作步骤预期结果输入数据实际结果结果比较说明 003实时时钟无系统显示时间与 真实时间相同 无系统的时间 与北京时间 基本相同， 差别在秒以 内 符合 6.2.3 温度测试温度测试 实时温度测试。主要用来测试温度的变化。 编号测试项操作步骤预期结果输入数据实际结果结果比较说明 大连东软信息学院毕业设计（论文） 28 004实时时钟无显示的温度数值 随着环境变化而 变化 无用手握住温 度传感器， 温度显示的 数值有变化， 温度上升。 离开手之后， 温度下降。 符合 6.2.4 设置测试设置测试 设置测试用例主要用来测试设置按钮的功能。 编号测试项操作步骤预期结果输入数据实际结果结果比较说明 005测试设置 按键的功 能 按下设置按 钮 显示屏幕会根据 不同的设置按钮， 显示不同的状态。 无按下设置按 钮，系统进 入设置模式， 按确定按键 之后退出设 置模式 符合 6.2.5 手动模式测试手动模式测试 次测试用例用例测试手动模式的功能。 编号测试项操作步骤预期结果输入数据实际结果结果比较说明 006设置开始 时间 按开始时间 设置按钮 输入开始时间有可以输入开 始时间，按 确定按钮， 关闭设置 符合 007设置关闭 时间 按关闭时间 设置按钮 输入关闭时间有可以输入关 闭时间，按 确定按钮， 关闭设置 符合 大连东软信息学院毕业设计（论文） 29 008手动控制 模式 设置完开始 时间和关闭 时间 当系统时间到达 开始时间之后， 继电器开启。当 系统时间到达关 闭时间之后，继 电器关闭 无当系统时间 到达开始时 间之后，继 电器开启。 当系统时间 到达关闭时 间之后，继 电器关闭。 符合 6.2.6 自动模式测试自动模式测试 设置测试用例主要用来测试设置按钮的功能。 编号测试项操作步骤预期结果输入数据实际结果结果比较说明 009设置温度 上限阈值 按下设置按 钮，设置温 度阈值 成功设置温度阈 值，并返回 有按下设置按 钮，系统进 入设置模式， 按确定按键 之后退出设 置模式 符合 010自动模式无当温度到达设定 的温度阈值时， 继电器开启 无当温度到达 设定的温度 阈值时，继 电器开启 符