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单片机温控理论论文班级：14.7自动化姓名：李路尧第一章 前言摘要：8051单片机是常用于控制的芯片，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度控制系统的实例也很多。使用8051单片机能够实现温湿度全程的自动控制，而且8051单片机易于学习,它集成度高、功能强、存储量大、速度快、抗干扰性强和指令丰富等的优点，使它的应用遍及各个领域。本文设计的系统就是单片机应用于温度控制的一个例子。本系统是一种高精度、测控速度快、自我闭环控制、测控温度范围广的应用性比较强的基于单片机的温度测控系统。第二章 绪论引言： 电子工业技术的飞速发展，给人类的生活带来了根本的变革，特别是随着集成电路的诞生而出现了嵌入式微型计算机，更是将人类社会生产带入了一个全新的控制时代。利用微型计算机的强大功能，人们可以完成各种自动化智能的控制。然而，微型计算机造价高，对于大多数的简单控制来说，也并不需要微型计算机那样强大的功能，于是单片机就应运而生了。单片机将微机的CPU、存储器、I/O接口整合到一起其实就是一个简化的微机。相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单的控制场合以降低成本。另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可在工业现场复杂的环境下运行。单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业控制，数据采集，智能化仪表，家用电器等方面得到极为广泛的应用。第三章 整体方案的设计3.1系统整体设计 使用8051型单片机设计温湿度控制系统，可以及时、精确的反映室内的温度以及湿度的变化。完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度上下限范围内保持恒温等多种控制方式，在湿度控制方面也是如此。 本设计以AT89S52单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路、温度显示电路、报警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：LCD1602显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、单片机内部运算比较程序、超温报警程序。关键词：AT89S52单片机 、温度采集模块DS18B20、液晶显示LED,LCD1602。3.2方案（实现方法）： 方案：本设计的整体思路是：利用温度传感器DS18B20检测环境温度并直接输出数字温度信号给单片机AT89C52进行处理，在LED数码管上显示当前环境温度值以及预设温度值。其中预设温度值只能为整数形式，检测到的当前环境温度可精确到小数点后一位。同时采用PWM脉宽调制方式来改变直流风扇电机的转速。并通过两个按键改变预设温度值，一个提高预设温度，另一个降低预设温度值。系统结构框图如下：DS18B20温度显示独立键盘AT89C52直流电机PWM驱动电路晶振复位3.3 温度传感器的选择 方案一：采用热敏电阻作为检测温度的核心元件，并通过运算放大器放大，由于热敏电阻会随温度变化而变化，进而产生输出电压变化的微弱电压变化信号，再经模数转换芯片ADC0809将微弱电压变化信号转化为数字信号输入单片机处理。方案二：采用数字式的集成温度传感器DS18B20作为温度检测的核心元件，由其检测并直接输出数字温度信号给单片机进行处理。对于方案一，采用热敏电阻作为温度检测元件，有价格便宜，元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不太敏感，在信号采集、放大以及转换的过程中还会产生失真和误差，并且由于热敏电阻的R-T关系的非线性，其自身电阻对温度的变化存在较大误差，虽然可以通过一定电路来修正，但这不仅将使电路变得更加复杂，而且在人体所处环境温度变化过程中难以检测到小的温度变化。故该方案不适合本系统。对于方案二，由于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大转化等电路的误差因数，温度误差变得很小，并且由于其检测温度的原理与热敏电阻检测的原理有着本质的不同，使得其温度分辨力极高。温度值在器件内部转化成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该温度传感器采用先进的单总线技术，与单片机的接口变得非常简洁，抗干扰能力强，因此该方案适用于本系统。3.4调速方式的选择：方案一：采用数模转换芯片DAC0832来控制，由单片机根据当前环境温度值输出相应数字量到DAC0832中，再由DAC0832产生相应模拟信号控制晶闸管的导通角，从而通过无级调速电路实现风扇电机转速的自动调节。方案二：采用单片机软件编程实现PWM（脉冲宽度调制）调速的方法。PWM是英文Pulse Width Modulation的缩写，它是按一定的规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调节方式，在PWM驱动控制的调节系统中，最常用的是矩形波PWM信号，在控制时需要调节PWM波得占空比。占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。在控制电机的转速时，占空比越大，转速就越快，若全为高电平，占空比为100%时，转速达到最大 2 蓝厚荣.单片机的PWM控制技术J .工业控制计算机，2010,23（3）:97982。用单片机I/O口输出PWM信号时，有如下三种方法：(1) 利用软件延时。当高电平延时时间到时，对I/O口电平取反，使其变成低电平，然后再延时一定时间；当低电平延时时间到时，再对该I/O口电平取反，如此循环即可得到PWM信号。在本设计中应用了此方法。(2) 利用定时器。控制方法与(1)相同，只是在该方法中利用单片机的定时器来定时进行高低电平的转变，而不是用软件延时。应用此方法时编程相对复杂。(3) 利用单片机自带的PWM控制器。在STC12系列单片机中自身带有PWM控制器，但本系统所用到得AT89系列单片机无此功能。对于方案一，该方案能够实现对直流风扇电机的无级调速，速度变化灵敏，但是D/A转换芯片的价格较高，与其温控状态下无级调速功能相比性价比不高。 对于方案二，相对于其他用硬件或者软硬件相结合的方法实现对电机进行调速而言，采用PWM 用纯软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性，并可大大降低成本，能够充分发挥单片机的功能，对于简单速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。综合考虑选用方案二。3.5电路图的控制在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展I/O接口电路也需要复位，因此需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。单片机上的XTAL1和XTAL2用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接单片机片内OSC的定时反馈回路。本设计中开关复位与晶振电路如下图3.5.1所示，当按下按键开关S1时，系统复位一次。其中电容C1、C2为20pF，C3为10uF，电阻R2、R3为10k，晶振为11.0592MHz。图3.5.1 系统复位与晶振电路3.5.2 数码管显示电路本设计制作中选用5位共阴极数码管作为显示模块，它和单片机硬件的接口如图3.5.2所示。其中前3位数码管DS1、DS2、DS3用于显示温度传感器实时检测采集到的温度，可精确到0.1摄氏度，显示范围为099.9摄氏度；后2位数码管DS4、DS5用于显示系统设置的初值温度，只能显示整数的温度值，显示范围为099摄氏度。5位数码管的段选a、b、c、d、e、f、g、dp线分别与单片机的P0.0P0.7口连接，其中P0口需接一10K的上拉电阻，以使单片机的P0口能够输出高低电平。5位数码管的位选W1W5分别与单片机的P2.0P2.4口相连接，只要P2.0P2.4中任一位中输出低电平，则选中与该位相连的数码管。图3.5.2 数码管显示电路3.5.3 温度采集电路DS18B20数字温度传感器通过其内部计数时钟周期来的作用，实现了特有的温度测量功能。低温系数振荡器输出的时钟信号通过由高温度系数振荡器产生的门周期而被计数，计数器预先置有与-55相对应的一个基权值。如果计数器计数到0时，高温度系数振荡周期还未结束，则表示测量的温度值高于-55，被预置在-55的温度寄存器中的值就增加1，然后这个过程不断重复，直到高温度系数振荡周期结束为止。此时温度寄存器中的值即为被测温度值，这个值以16位二进制形式存放在存储器中，通过主机发送存储器读命令可读出此温度值，读取时低位在前，高位在后，依次进行。由于温度振荡器的抛物线特性的影响，其内用斜率累加器进行补偿 6 李钢,赵彦峰.1-Wire总线数字温度传感器DSI8B20原理及应用J.现代电子技术，2005,28(21)：7779.6。DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只须将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测7 马云峰.单片机与数字温度传感器DS18B20的接口设计J.计算机测量与控制，2007,10(4)：278280.。在本设计中将DS18B20接在P1.7口实现温度的采集。其与单片机的连接如图3.5.3。图3.5.3 温度采集电路3.5.4 风扇电机驱动与调速电路本设计中由单片机的I/O口输出PWM脉冲，通过一个达林顿反向驱动器ULN2803驱动12V直流无刷风扇电机以及实现风扇电机速度的调节。键盘控制设置温度，通过软件向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.7口输出与转速相应的PWM脉冲，经过ULN2803驱动风扇直流电机控制电路，实现电机转速与启停的自动控制8 王会明，侯加林. 智能电风扇控制器的研制J. 电子与自动化，1998,5(4)：2526.。当环境温度升高时，直流电机的转速会相应按照设定的等级有所提高；当环境温度下降时，电机的转速会相应的下降；当环境温度低于设置温度时，电机停止转动，而环境温度又高于预设温度时，电机重新启动。电路如图3.5.4所示，风扇电机的一端接12V电源，另一端接ULN2803的OUT7引脚，ULN2803的IN7引脚与单片机的P3.1引脚相连，通过控制单片机的P3.1引脚输出PWM信号，由此控制风扇直流电机的速度与启停。图3.5.4 风扇电机驱动与调速电系统选用的风扇电机为12V直流无刷电机，单达林顿反向驱动器ULN2803输入TTL信号为5V或CMOS信号为615V时，输出的最大电压为50V，最大电流为500mA，工作温度范围为070。本系统中单片机I/O口输出的TTL信号为5V，因此此风扇电机可以用ULN2803来驱动。第四章 仿真模拟4.1 用Proteus进行仿真4.1 Proteus简介Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件。 Proteus有4个功能模块：智能原理图设计、完善的电路仿真功能、独特的单片机协同仿真功能以及实用的PCB设计平台。其内部元件库含有丰富的元件，支持总线结构以及智能化的连线功能；支持主流CPU（如ARM、8051/52、AVR）及其通用外设模型的实时仿真等，为单片机的开发应用等带来极大的便利。软件使用的主界面如图4.1。图4.1 Proteus使用界面4.2 本设计基于Proteus的仿真首先启动Proteus软件并建立一工程，然后根据原理图调出相应的原件，再根据要求改变各原件的属性并把各个原件按原理图连接起来。在原理图绘制连接好后再把编译好的程序加载到其中11 楼俊军.基于Proteus和Keil的单片机演奏乐曲的实现J.科技信息，2010,23:第50页。最后根据系统要实现的功能分步进行仿真12 王文海，周欢喜.用Proteus实现51单片机的动态仿真调试J .IT技术，2006,20:1011。把温度传感器DS18B20温度设置为26.4摄氏度，用键盘S2调节系统预设的温度为22摄氏度。点击开始按钮，系统开始仿真，待一段时间稳定后，观察到此时风扇直流电机的转速为+14.2r/s，如图4.2所示。图4.2 Proteus仿真效果图一当把温度传感器DS18B20温度设置为28.4摄氏度，用键盘S2调节系统预设的温度为22摄氏度。点击开始按钮，系统开始仿真，待一段时间稳定后，观察到此时直流风扇电机的转速为+23.3 r/s，如图4.3所示。图4.3 Proteus仿真效果图二 当把温度传感器DS18B20温度设置为33.4摄氏度，用键盘S2调节系统预设的温度为22摄氏度。点击开始按钮，系统开始仿真，待一段时间稳定后，观察到此时直流风扇电机的转速为+32.0 r/s，如图4.4所示。图4.4 Proteus仿真效果图三在上一步仿真的基础上(温度传感器DS18B20温度设置为33.4摄氏度，系统预设的温度为22摄氏度)，用键盘S2调节系统预设温度至34摄氏度，此时可知系统预设温度大于温度传感器检测到的温度，观察到直流风扇电机的转速逐渐变慢，最后转速变为0，符合系统要实现的功能，如图4.5所示。图4.5 Proteus仿真效果图四通过以上仿真可以看出，直流风扇电机在系统设定温度一定的情况下，其转速随着环境温度（温度传感器检测到的温度）的增加而增大。当环境温度低于系统预设的温度时，风扇自动停止运转，实现了系统所设计的功能。当然，在此没有实现风扇直流电机的无级调速，本系统实现的是电机在随环境温度变化的四个等级的速度变化，环境温度在一定小范围内变化风扇电机转速是不变的，只有超过了设定的某一界限时转速才会变化。4.2 系统功能调试及分析起初根据设计编写的系统程序：程序的键盘接口采用P1口，数码管显示采用P0口控制LED的断码，P2口控制LED的位码，从而实现键盘功能及数码管的显示。经过编译没有出错，但在仿真调试时，数码管显示的只是乱码，没有正确的显示温度，按键功能也不灵，当按下键时，显示并不变化。 系统总体上由五部分来组成，既按键与复位电路、数码管显示电路、温度检测电路、电机驱动电路。首先考滤的是温度检测电路，该部分是整个系统的首要部分，首先要检测到环境温度，才能用单片机来判断温度的高低，然后通过单片机控制直流风扇电机的转速；其次是电机驱动电路，该部分需要使用外围电路将单片机输出的PWM信号转化为平均电压输出，根据不同的PWM波形得到不同的平均电压，从而控制电机的转速，电路的