基于单片机调控的温室系统--本科毕业论文.doc

河南师范大学本科毕业论文 学号： 120407211基于单片机调控的温室系统学院名称： 物理与电子工程学院 专业名称： 电子信息工程专业 年级班别： 2012级电信122 姓 名： 赵银龙 指导教师： 张德升 2016年05月河南师范大学本科毕业论文基于单片机调控的温室系统摘 要 温度是生物生活的一种生理特性，任何生物都生活在具有一定温度的外界环境中，且离开了温度后都将面临死亡。温度的变化可能还会引起其他的环境因子的改变， 其他的环境因子的改变也有可能导致生物的生活及生命特征的改变进而影响生物的生活习性及生活适应能力。温度的改变对生物的生长发育、繁殖及寿命都有至关重要的作用，因此测量及调节温度系统的研究刻不容缓。本设计是以单片机为核心对一个房间的温度进行在范围（15-50）调控达到制作成温室的目的。温度信号由测量模块测得，经过测量方法的比较本文以DS18B20作为测量模块，并以数字信号的方式传送给单片机，然后经过单片机的处理，通过对执行模块的调控达到控制温度的效果。而且单片机通过可以对测量得到的温度信息进行处理，实现温度显示。文中介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：数码管显示程序、单片机控制模块、执行模块。温度对我们人类及其他生物的生活有着至关重要的作用，我们应该合理地去调节温度以便使人类及其他生物更好的生存。最终达到共同生存、社会、经济与生态、环境的目标相协调的目的。关键词 温度测量；DS18B20；单片机；显示模块Microcontroller-based control system of greenhouseAbstractTemperature is a physiological properties of biological life, after any creature living in a certain temperature of the external environment, temperature and left will face death. Temperature changes may also cause changes in other environmental factors, other changes in environmental factors may also lead to changes in vital signs of life and thus affect organisms living habits and ability to adapt to living creatures. Changing the temperature of the biological growth and development, reproduction and life has a crucial role, the measurement and regulation system Temperature urgent.The design is based on a microcontroller as the core temperature of the room will be within a certain range to achieve the regulatory purpose made into a greenhouse. Temperature signal from the measuring module measured, by comparison measurements to DS18B20 herein as a measurement module, and transmitted to the microcontroller by way of a digital signal, and then through the single-chip processing module through the implementation of the regulation to control the temperature effect. And by the microcontroller can be measured temperature information processing, temperature display. This paper introduces the software design, where the modular structure, main modules: digital tube display program, MCU control module, the execution module.Temperature on us humans and other living organisms has a vital role, we should be reasonable to adjust the temperature so that humans and other creatures better survival. And ultimately achieve common survival, objective social, economic and ecological environment coordination purposes.Keywords： temperature measurements; DS18B20; SCM; display module目 录摘 要IAbstractII目 录III前 言11.1 课题提出基础11.2 该课题研究的主要内容1第二章 各模块设计的确定32.1 温度调控系统的思路32.2 温度测量的选择32.3显示电路的选择82.4执行模块的选择82.5 设计方案的最终确立92.6方案的总体设计电路图9第三章 核心器件113.1 单片机STC12C5A08S2113.1.1 单片机的简单介绍113.2 测量器件153.2.1 DS18B20的简单介绍153.2.2 传感器与单片机的连接193.3 LED数码显示模块设计193.3.1 数码管简单介绍193.3.2 LED与单片机接口电路193.4 执行模块的设计203.5 串行接口电路的设计模块213.5.1 RS232接口介绍213.5.2 MAX232资料简介22第四章 编程核心设计234.1 Keil软件概述234.2 主程序244.3测量温度时的传感器子程序254.4 温度转换命令子程序254.5 计算温度子程序264.6 显示模块需要进行实时刷新的子程序274.7 控制热电制冷器进行温度调节子程序27第5章 调试与仿真295.1 Proteus简介295.2 调试与仿真29结束语32参考文献33致 谢34附 录35附录A :35附录B:设计中用到的程序36IIII前 言1.1 课题提出基础温度是生物生活的一种生理特性，任何生物都生活在具有一定温度的外界环境中，且离开了温度后都将面临死亡。地球表面的温度总是在不断变化的，它有四季和昼夜的交替，四季中夏季最热冬季最冷，昼夜中夜里寒白天热。温度变化会对生物的生活习性有一定的影响。外界环境温度对生物的生命特性有着至关重要的作用，它影响着生物的衰老、生命的交替、生理现象及生活规律等等。同时，生物对温度的变化有着自身的调节功能及很强的适应能力。动物的生命特性必须在一定的温度中才能进行：过高的温度可能导致生物新陈代谢的终止，进而导致生物的死亡；过低的温度可能导致生物的休眠，可能不会导致生物的死亡但生物的一切机能都已经停止。一般地，生物体内部的新陈代谢反应会随着温度的升高而加快有利于生物的生长及进化；新陈代谢反应也会随温度的下降而降低反应速度，从而降低生物的生长发育的速度。虽然生物只有在一定的温度中才会生活，但不同的生物有着不同的是生活温度并且同一种生物在不同的生长发育阶段也有着不同的生长温度。生物的适应温度范围是他们在一定温度长期居住生活的适应能力才产生的。温度的变化可能还会引起其他的环境因子的改变， 其他的环境因子的改变也有可能导致生物的生活及生命特征的改变进而影响生物的生活习性及生活适应能力。温度的改变对生物的生长发育、繁殖及寿命都有至关重要的作用，因此测量及调节温度系统的研究刻不容缓。1.2 该课题研究的主要内容本设计以STC12C5A08S2单片机为核心来设计一个温室系统。单片机能够控制测量模块何时测量一次，并对测量模块测得的数据进行统计对比然后进行控制执行模块完成相应的温度调节，进而达到一个温室内温度在一定范围内变化的目的。并且测量模块测得的数据不仅可以在单片机系统的显示模块进行数值显示而且还可经过单片机的并行串口进行上传数据。在单片机内部进行与设定范围值进行比较，如果不符合要求就要使执行模块做相应的执行命令。本设计应该结合实际需要及其相应的生产成本找到一种既实用又降低设计成本的综合方法。同时还要充分考虑到性价比和精度，在低成本，所选器件方便找到的基础上，尽量满足设计要求，并达到高精度的目的。本控制系统以单片机的控制为核心，实时测量温度并送至单片机进行数据处理，而且还设置了温度范围，使得温度超出或低于该温度范围并具有相应的调节和执行系统。当测量值回到设定值范围内时，单片机又回到原始状态，使温度在设定的范围内变化。本设计主要内容包括以下几个方面：1测量模块中温度测量方法及仪器的选择，并设计电路。2掌握STC单片机的主要功能和特性，以其为核心设计控制系统。3设计简单显示模块及执行模块。4实现单片机与执行模块的通信。第二章 各模块设计的确定2.1 温度调控系统的思路本温度调控系统采用模块化的思路，硬件结构由温度传感器和单片机、LED数码管、执行模块（加热管和晒热器）等装置组成，温度传感器将测得的温度转换为电压通过模数转换送到单片机中，再经过单片机的处理送到显示模块中进行显示,并通过串口控制温度调节模块做出相应的调节，最后达到调节控制温度使温度在一定的范围内进行变化。温度调节控制系统流图如图2-1所示：系统初始化DS18B20进行数据的采集并经过模数转换传至单片机单片机对数据进行处理LCD进行温度显示通过串口将进行控制执行模块图2-1 每一个功能模块的连接实现的思路流程框图2.2 温度测量的选择目前温度测量方法多种多样,而且分类根据属性的不同也有很多种，并且测量原理根据属性或特性也有多样性,这就很难确定一种满足想象的测量方法。图2-2所示是给出一种从测量原理上进行分类的方法,大致包括了温度检测的基本原理,并且几乎现在所用的温度测量方法都是以它们为基石发展起来的。图2-2 温度测量方法以物理热胀冷缩原理的膨胀式测温方法膨胀式测温是一种比较传统的温度测量方法,它是根据物体的热胀冷缩即依据物体体积或几何形态的变化与温度的关系开展的温度测量。由于膨胀式测温其结构简单,价格低廉,并且能够直观的看到数据,使用方便,基于属于没有用电设备的存在,适合用在防爆设备的地方。但由于可以直接读数相应的精确度相当低,不适用于智能化的实现。而且由于结构简单其极其容易破埙，应注意保存。电量式测温方法电量式测温方法是由于物质的在两端积累电荷的不同、自身的导电程度或其它电性质与温度之间的关系来检测温度。包括热电偶温度测量、热电阻和热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。热电偶是由两种不同材料的金属焊接在一起,然后将两端的温差而形成的热电势,来判断温度值。而且其结构简单,响应迅速,适合相当长和智能化的测量,其适合现实中的需求应用相当广泛。热电阻利用物质的电阻和温度之间的函数关系测量温度的,其根据温度的变化引起自身响应大，而且不会忽高忽低比较稳定,但器件的体积比较大,动态响应较差,不适用于空间较小和温度变化较快的场所。石英温度传感器利用其自身的固有频率随周边温度而变化的性质检测温度。并且其稳定性比较好,适合用在需要较高精度的地方。接触方式中以辐射或光信号测温方式接触式光电测温方法需要碰到被检测的物体,由于温度的改变导致的热辐射或光电信号,通过将其导出到光电转换器部位进行测量,从而间接地测出温度的方法。它对电磁场的响应较小,因此它可用在电磁场的场所进行对温度的测量。包括光纤测温等。并且在光纤测温中光纤只是作为传输光信号的,应在光纤端结合其他对电信号有较高的敏感性的物体进行测量，并称其为传输型传感器。从测量信号的原理上进行划分,可将其分为两类分别为：相干型和强度型。第一种传感器因为受温度的改变而使光纤中光相位特性和偏振的变化,使光电路变得非常复杂,因此对光器件、光纤的要求非常苛刻；但是第二种传感器测量性随温度而改变,其设计比第一种简单，且其功能比较可靠和成本相对比较低。根据不同的性能原理,可制作出各种各样的传感器，以便结合不同的场所进行选择不同的传感器来达到研究开发的需求。以物体表面对温度不同反应的热色测温方法热色测温方法是根据对温度敏感性不同的物体而产生不同颜色进行对温度的测量方法，简单的有示温漆和示温液晶。其中第一种能够检测运动的对象和处于比较复杂环境中的物体表面的温度变化,它的使用方法相当方便,但是对测量结果干扰因素相当的多，因此目前还只能依赖人们直观的判断。第二种是由胆甾醇类的物质构成的,它的颜色在一定条件下会随温度的变化而发生灵敏的改变，并且能够灵活的改变它的测温量程及检测温度的敏感特性。根据白色光线色散的光谱法测温方法光谱测温方法在高温火焰与气流方面测量温度的应用比较适用。由于单色光照到透明物时会产生色散现象，其中色散有的具有弹性有的没有弹性，其中有两个典型：瑞利色散和拉曼色散，并且它们的光强都与中间借支的温度有关。相对地第二种在测量温度方面实用性更强，且经常用其测量温度。其中拉曼色散又分为自发和受激两种。相干反斯托克斯拉曼色散(CARS）测温方法是属于受激拉曼色散,它能让采集到的色散光信号强度比前者增加好几个数量级,另外它也有较强的方向性、抗噪声能力等优势,一般用在非清洁火焰的温度测量。但是,它的设备成本比较昂贵,它对信号的处理及设计工作非常的复杂,因此不能够普遍的应用。以不同介质折射率不同的激光干涉测温方法在干涉原理方法的基础上检测媒介的温度场,都能够转换为用媒介的折射率来表示。其原理是通过折射率的改变反映光参量的改变，在这些参量中找到与温度有关的参量然后通过其参量反映温度及其变化规律。散斑照相法能够反映出其偏离折射的位置差。并且其还能够映射出相位和振幅的信息,而全息照相法能够测出折射率及三维流场的立体信息。以不同温度传播速度不同的声波、微波测温方法声学测温通过声波在各种媒介中的传播速度同各介质温度有关的原理达到测量温度的目的,因此可通过先测量声波在媒介中传播的速度,然后通过速度与温度之间的关系来设置算法推测出温度。它能够应用在高温气体或液体的场所，并且温度越高其灵敏度越高。微波衰减法能够检测火焰的温度,它通过入射微波经过火焰时同火焰中的等离子体相互作用使射出的微波强度减弱，然后检测入射微波的衰减量通过建立适当的算法来反映火焰气体的温度。经过以上对温度测量方法的对比我们针对自己的研究及需要作出了一下几种方案，然后通过比较下列方案及设计成本等因素在进行筛选出适合自己研究的方案，以便更好的进行自己的制作。方案一：热电阻传感器热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电阻值的变化。热电阻传感器是中低温区最常用的一种温度传感器。它的主要特点是：测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的，不仅广泛应用于工业测温，而且被制作成标准的基准仪。从热电阻的测温原理可以知道，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。因此，热电阻的引出线的电阻的变化会给测温带来影响。为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。方案二：集成模拟传感器这种传感器根据半导体两端的有效电流、有效电压和温度之间通过模拟函数关系来检测温度的测温器件。并且它们输出线性关系比较好容易模拟函数关系，测量精度也比较高能够能在高精度的场所。而且它们可以更好的集成能够将传感器与驱动及信号处理电路焊接在一起，从而达到体积小的需求，人们在利用的时候也更加的方便。这种传感器使用最广的有AD590等。这类传感器在单片机控制及检测系统中，一般在房间或外部环境中使用，方便单片机对测量结果进行补偿。方案三：集成数字传感器目前科技不断发展及研究，传感器的种类也在不断的增加使人们的选择跟具有多样性，并且传感器的研究也不再局限于模拟传感器现在已经向数字传感器、单总线传感器、双总线传感器的方向发展了。并且数字传感器更方便和各种各样的单片机结合，组成智能化的温度控制系统。此系统去除了上述方案二的需要外接电路及转换模块的弊端，使其在各式各样的温度控制中应用更普遍。这类传感器最具有代表性的是DS18B20等。表2-1所示是在控制系统中常见的几种温度传感器的对比：表2-1传感器对比表传感器AD590PT100DS18B20产地美国德国美国量程-50+150-200+450-55+125精度 0.30.250.5供电电压+4V+30V+13V+36V+3.0V+5.5V输出信号类型模拟信号模拟信号数字信号上表中前两种温度传感器都不能直接地与并联输出I/O口相连，它们都需要添加信号的转换电路模块。但是第三种传感器可以直接转换成数字的属于数字型传感器，而且是单总线设计而成的。它可以直接的连接在I/O上不需要单独地设计外围电路，并且可以完成以一个输出口连接多个这样的温度传感器以实现多点检测和控制。第三种传感器减小了I/O的使用而且成本比较低。经过上述方案的比较选择第三种方案并且用DSl820作为检测温度的测量方法。它是美国出产的可组网数字式温度传感器。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。因体积小、转换快、分辨率高、数字量传输等，使其在多点测温、智能温度检测系统中有着广泛的应用。DS18B20不仅能够减小单片机的I/O的利用，还可以在一定的范围内降低设计成本，让其设计具有更高的实用价值。2.3显示电路的选择方案一：不能够随时刷新的静态显示这种方法不需要在外围电路再加驱动能够直接地连接在单片机的输出接口上，并且可以不用对其单独编程就能够实现显示功能。由于这种方法需要直接与输出口相连，因此占用的I/O口较多不能够达到节省I/O的目的。方案二：能够随时刷新的动态显示这种方法能够减小I/O口的不必要的使用，但是这种方法对外部电路有一定的依赖性需要另外添加外部驱动来驱动显示模块稳定地输出数据。并且这种方法设计电路比较简单对设计人员要求比较低能够很快地推广，但是此方法成本比较高，并且要对动态显示模块单独进行编程以便达到动态刷新的目的。经过上述的对比并结合自己现有的知识及设计需要我们采用方案二。并且方案一需要大量的I/O输出接口来完成，这需要外加接口扩展设备使设计不能达到低成本的设计理念因此只能选择方案二。2.4执行模块的选择方案一：报警设备执行模块这种方法适用于传统的温度检测及人工控制，其电路设计比较简单成本比较低，但是对人力物力需求比较高需要较多的人去完成设计，并且不能够达到的利用单片机去调节温度不能满足设计要求，它可以与温度调节装置结合起来。方案二：加热风扇执行模块这种方法设计电路简单成本也不算太贵，但是对温度调节有一定的延迟不能够及时的调节温度不能够完成设计目的。方案三：热电制冷器执行模块热电制冷器，也被称为拍尔帖制冷器，是一种以半导体材料为基础，可以用作小型热泵的电子元件。当在热电制冷器的两端加载一个正向的直流电压时候，热电会从热电制冷器的一端流向另一端，从而使制冷器的一端温度降低，而另一端的温度同时上升。另外一个重要特点，只要改变电压方向，也就是改变了电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端，使原来的加热面和制冷面发生交换。所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。经过以上的对比及结合现有的设计基础选择第三种方案比较方便，而且可以达到智能化的设计理念。2.5 设计方案的最终确立结合上述各模块和电路的分析，并结合具体的实际情况及现有的设备等因素，制作了以下方案：1采用STC12C5A08S2单片机作为控制器，分别对温度采集、数码管显示、热电制冷器的控制。2温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20。此器件经软件设置可以实现高分辨测量。3显示数码管显示实时温度值。4热电制冷器对高于或低于温度设定值时进行调节。2.6方案的总体设计电路图温度调控系统的实际电路如图2-3所示：以STC12C5A08S2单片机作为此系统的核心处理及控制模块；以DS18B20作为此系统的测量模块进行对温度的检测，中间还有接口电路进行将测量模块测得的数据送至单片机；此系统以简单的4位LED数码管作为显示模块，并且其实并口循环点亮来对测得温度经过单片机处理然后送至显示模块进行动态显示达到刷新的目的。测量模块及显示模块的连接的I/O口实际情况如下：测量模块的传感器接在单片机的P2.4串行接口上；显示模块的四个LED数码管的八位显示数码管abcdefg分别接到单片机的P0.0到P0.6串行接口上，而数码管的公共端口ap接到单片机的P0.7串行接口上，而且单片机的P0口需要外接上拉电阻；显示模块的四个LED数码管的片选接口1到4分别通过三极管接到单片机的P2.0到P2.3串行接口上；设计的电路主要有三部分组成：STC单片机、LED数码管液晶显示模块、温度采集。图2-3 电路原理图第三章 核心器件本设计中涉及到的核心器件，没有这些器件本设计将不能进行因此需要简单介绍一下各器件的基本形状及结构及各器件的端口位置及其相应的作用以便在设计中更好的使用。本设计中需要用到的核心器件清单见表3-1所示：表3-1 器件清单器件名称数量STC12C5A08S2单片机1个LED数码管1个热电制冷器1个MAX232芯片1个DS18B201个三极管若干电容若干电阻若干导线若干3.1 单片机STC12C5A08S23.1.1 单片机的简单介绍单片机是微型计算机的简称，由于它是将计算机的主要器件集成在一起形成的，因此它是在集成电路的出现后才发展起来的而且发展迅速。而且单片机通过与其他器件的对比会发现它的性价比非常高，而且体积比较小占用空间小，控制能力可以与计算机相媲美只是他没有计算机运算速度高处理的数据大而已。它通常使用在智能化仪器方面，而且在这方面的作用也有了非常大的成果。单片机在实际生活中技术人员又经过细分，大致可分为以下几种：（1）最小应用系统是能够让单片机正常工作的最小外围电路和最少器件的系统，而且它的设计成本比较低，相应的结构也是非常简易，经常设计成对设计没有太大要求的简单系统。它所包含的器件要有这几种：ROM/EPROM它的作用是作为存储程序员编写的程序的；我们还学要有复位电路他可以让单片机进行初始化操作；还需要有晶振需要精确地对时间进行统计以便使我们计时准确。（2）最小功耗应用系统是能够正常运行的的系统它主要是能够正常运行就可以了不需要进行控制，因此它的消耗功率非常低。（3）典型应用系统是能够满足特定的要求及控制能力的系统，它对单片机的处理性能及灵敏性的要求可能比较高需要技术人员针对不同的要求设计这一系统。在以前的电子设计中，比较流行使用的单片机应该是AT89C51，但是该单片机不支持在线编写程序导致其不能够满足工程的要求。Atmel公司终止了AT89C51的生产，并且此类单片机只有加上此功能才能更好去适应现代化建设。由此技术人员研制出来了另一种单片机：STC12C5A08S2。并且STC12C5A08S2现在是现在市场上最广泛的单片机。并且STC12C5A08S2成本比较低还可以达到人们的设计需求，极大方面的适应了现代化市场，在一定时间内提高了它在市场中的竞争能力。STC12C5A08S2单片机增加了好多先进的功能，而且其性能也得到了非常好的改进，并且价格成本不贵很适合现在的设计开发。在新增的功能中最适合现在潮流的应当是ISP在线编程，它改写单片机内部程序时不需要让单片机断电停止工作后再去编写而是直接在工作中就可以编写，这是现代设计及人们控制的需要能极快的得到广泛的应用及销售，它是智能化设计的前提。这种单片机它具有1个时钟/机器周期，并且运算速度极快，结果也非常可靠，它有2路PWM可进行对2路脉宽进行调制，而且有8路10位高速A/D转换可进行数字到模拟的转换增加数模转换的同时进行，并且是有36-44个I/O接口和内部R/C时钟的新一代宏晶芯片，它的加密性也是非常的安全。STC12C5A08S2主要性能：包括高速、宽电压、增加第二复位功能脚、增加了外部掉电的检测电路能够及时的保存数据、低功耗设计、多字节Flash程序存储器、多通道高字节RAM数据存储、多个16位定时器、可编程时钟输出功能、而且还有硬件看门狗、并且有非常高的传送速度的SPI串口、还有就是支持全双工异步的串行接口方便数据的传送等。单片机形状如图3-1所示：图3-1 单片机STC12C5A08S2引脚STC12C5A08S2管脚的简单介绍：P0是一个8 位双向I/O 端口，其串行端口设成1时是让它作为高阻抗的输入端口，另外当用做输出端口是可以让8 个TTL电平工作。而且作为输出端口是还应在外部接上上拉电阻以便其正常工作。P1是自带有上拉电阻外部不用像P0端口一样接上拉电阻，而且也是8 位准双向I/0 串行端口。其作为输出端口时可能够使4 个TTL电平工作。当其串行口设置为1时，内部将此端口升到高电平当做输入使用。当对其进行编程时，收到的低八位的地址信息，此端口可以作为低八位地址端口。P2和P1差不多相同只是当进行编程时，单片机收到的是高8 位地址还有控制信息。此端口可以作为高八位地址端口。P3是一个带有内部上拉电阻的8 位准双向I/0 端口。输出时可驱动4 个TTL电平。端口置1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部Flash 程序存储器编程时，接控制信息。而且除此之外P3 端口还有第二功能。P3口引脚的第二功能，见表3-2所示：表3-2 P3口引脚第二功能P3口引脚 第二功能P3.0串行通信输入（RXD）P3.1串行通信输出（TXD）P3.2外部中断0（ INT0）P3.3外部中断1（INT1）P3.4定时器0 输入(T0)P3.5定时器1 输入(T1)P3.6外部数据存储器写选通P3.7外部数据存储器读选通单片机设计还需要一些电路设计才可以构成最小系统：复位电路，时钟电路。它们的作用分别是：复位电路：使单片机进行初始化并且使每次初始化都是从一定的状态去开始进行工作的。这种设计需要依赖于外部电路才能够进行实施，而且单片机的引脚上有个引脚是：RST，这是用作复位的引脚且是高电平有效。单片机一般的复位方式有两种：上电自动复位和按钮复位。它的基本原理是先是单片机最小系统上电，然后RC充电，复位引脚上会被拉到高电平引发复位信息然后系统进行调节，最后当达到稳定时停止发送复位信号。时钟电路：它能够控制单片机的时钟信号，它产生方法有两种：内部产生和外部产生。其中经常用的方法是内部产生，它是利用外围电路来实现的。其中外围电路包括时钟晶振和电容，它们经过并联产生谐振。其中电容的取值会影响谐振频率的数值。并且采用第一种方法时，时钟对谐振起到分频的作用。单片机又固定的引脚接时钟晶振XTAL1，而且还有一个引脚XTAL2应该什么都不接。单片机的最小系统如图3-2所示：图 3-2 单片机最小系统的电路图3.2 测量器件3.2.1 DS18B20的简单介绍本设计用到温度芯片DS18B20， DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器。经过封装在在非常多的地方使用。而且这种传感器因为体积相对比较小，因此对空间大小要求相对来说比较容易用在很多场所和控制领域。它具有以下性能：非常特殊的单线串行接口只要接一个传输口就可以进行信息传输；而且还能够几个这样的传感器并联在一起，然后接到它自身的三线串口上，达到多点检测的功能；自身就能够完成对温度的检测，不需要外部器件的调节；它的供电电压应在3.05.5之间不应大于或小于此电压；客户能够根据自己需要装配报警或其他执行模块。其内部结构框图如图3-3所示：C64 位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器VddI/O 图3-3 DS18B20内部结构64位ROM内部结构最初8位是根据不同类型而有不同的编码序号，后面紧挨着的是对应到每个元器件的不同编号，共占用了48位，64位还有8位是检验码，这种检验码是多个此类传感器能够用一个串口进行数据交换的原因。其内部还有触发器进行对温度的高低进行检测，当在一个范围的或高或低都会触发报警：TH和TL；而且这个范围可以根据用户的需要进行设定。它的内部存储器中还有一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。其中RAM的内部结构是8字节，结构如表3-3所示：前面的2字节是检测到的温度，8字节中第三字节和第四字节是用来对TH和TL的拷贝，而且这两个字节容易丢失的每次上电时都会被刷新。8字节中第五字节是寄存器，它是用来确定测得的结果的转换分辨率的。进行将测得的温度转换成相应要求精度的温度值。8字节中的后3位字节是保留状态没有使用。见表3-3所示：表3-3DS18B20字节定义温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC 8字节的第五字节寄存器的内部8位各位的结构图如图3-4所示。8位的后五位一直被设置成1，第一位TM为寄存器的工作方式设置位，设置该传感器是在工作模式还是测试模式，该位出厂时被设定为0，技术人员自己去更改，第二位和第三位是规定转换的温度精度的。图3-4 DS18B20中用于存储数据寄存器内部结构图由以上介绍可知道此温度传感器测得结果的转换时间比较长，但是所得到的分辨率比较高。因此这就需要用户根据自己实际情况来选择，此设计根据设计要求选用的就是这种温度传感器。表中简单地列出了温度值相应的温度数据，还有需要的分辨率转换此温度值所需时间的信息。见表3-4所示：表3-4 DS18B20温度转换对应的所需时间R1R0分辨率/位温度最大转向时间00993.750110187.5101137511 12750而且上述中还说到此温度传感器有报警装置，当测得的温度与RAM中根据用户自己设定的TH、TL字节的内容作比较。如果不在TH与TL之间，就会触发该传感器内部的报警标志位，然后经过串口发送到单片机让单片机做出相应的响应进行调节温度。而且这种传感器还可以多点测温。传感器测量温度时内部运行步骤如图3-5 所示：图3-5 测量模块大致的工作流程框图 其中减法计数器1是对比较低的温度引起的有晶振产生的信号进行减法操作的，当达到0时寄存器加1，计数器1重置，重新开始工作以此反复循环当计数达到0时停止寄存器的累积，这时所测得数值就是当时的温度值。表3-5所示是一部分测温计数转换对应的温度值。表3-5温度转换前后的对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H3.2.2 传感器与单片机的连接DS18B20的供电方法有：电源直接供电和寄生电源供电。两种供电方式电路接法不同。第一种供电传感器接法：1脚接地需要使其引脚电压值为0，2脚作为信号线需要进行信号传输，3脚接电源使其供电。第二种供电传感器接法如图3-6 所示：传感器的单线串口接到单片机的串行接口上，为了让传感器的时钟周期正常工作，可接一个金氧半场效晶体管来实现上拉的作用。图3-6 传感器以寄生电源供电时正常运行电路图3.3 LED数码显示模块设计3.3.1 数码管简单介绍大量的二极管经过电路的连接及封装设计成LED数码管，并且经过集成的数码管只引出9根线作为显示的供电线。而且要想它正常工作需要驱动电路来驱动数码管的各个段码来显示不同的数据。这些驱动电路也有所不同可分为两种方式：静态和动态。第一种显示驱动方式编写程序比较简单，但是所需的串行接口很多，在实际的生活中不可能将单片机进行扩展成串行口只进行简单的数据传输，这种方法既浪费又不能够很好地利用资源。第二种显示驱动方式是目前最为广泛的显示，它既节省了串行接口又能够满足设计研究的需求。3.3.2 LED与单片机接口电路LED液晶显示屏是由4个数码管集合而成因此是4位，而且每个数码管由有又有8个发光二极管构成：abcdefg和ap。技术人员通过对单片机编程然后串口控制各个发光二极管的亮灭来显示数据。液晶显示电路图如图3-7所示： 图3-7 LED与单片机的接口电路 3.4 执行模块的设计由于热电制冷器具有一个闭路温度控制循环，它可以在0.1范围内精确地控制温度，满足设计的精确度要求，所以本系统是采用热电制冷器进行温度控制。热电制冷器能够直接使用直流电源，并且加载电源的电压和电流能够在很大范围内变化。在许多条件下，是可以使用差分放大电路进行调节的。另外，热电制冷器还可以通过调整加载的直流电流的方向，调整制冷或者加热模式。应用这一特点就不必在系统内加入另外独立的加热或者制冷功能元件。热电制冷器实物图如图3-8所示：图3-8 热电制冷器实物图在设计电路中我们需要了解热电制冷器的内部结构图以便更加方便设计电路，其内部结构图如图3-9所示：图3-9 热电制冷器内部结构图本设计需要设计一个温度在15C到50C的温室，可以采用温差在40C或更高的温度差的制冷器即可。此系统采用是由深圳昆晶冷片有限公司生产的TES1-12705系列制冷片。其参数见表3-6所示:表3-6 TES1一12705系类制冷片参数型号 电流(A)电压(V) 最大温差最大制冷量(w) 尺寸(mm)TESL一12705412804030*303.5 串行接口电路的设计模块本设计采用RS232串行接口来完成单片机与PC机的数据传输。在RS232C标准中，收发信号中的“0”为3V15V，“1”为3V15V，但单片机采用的是正逻辑的TTL电平，所以需要通过专用芯片MAX232C实现EIA电平与TTL电平转换。MAX232芯片是进行RS232电平与TTL电平转换的芯片。它需要一个电容进行滤波，而这个电容的选择是根据MAX232的不同选择的。如MAX232C采用1uF的电容即可，虽然能够通过几个三极管来完成RS232和TTL电平之间的转换，但是有了芯片之后会使电路更加的简单而且干扰小。3.5.1 RS232接口介绍RS232接口是串行通信中的一个标准。它是用来限制通信的以什么样的方式传送的，是经过EIA和贝尔系统，只有这些是不够的需要调制和解调模块进行数据处理还需要核心部分计算机进行处理几个厂商共同制定的。3.5.2 MAX232资料简介MAX232芯片能够实现RS232与TTL电平的相互转换。这种芯片是由美信公司专门为了使RS232标准的电平向TTL电平转换而设计的一种芯片。而且这种芯片内部还包括了一个电源电压变换器，这种变压器可以将5V变换成10V，因此芯片只需提供一个正5V电压就可以使芯片正常工作。而且它的制作成本也不贵，因此得到了非常广的使用。它的简单工作电路图如图3-10所示：图3-10 MAX232芯片的引脚连线图 第四章 编程核心设计本设计需要用到的软件主要是往单片机里写程序的Keil软件。而编写的程序大致包括：系统核心的主程序，进行测量温度后需要进行运算处理的温度转换算法程序，计算出温度后送显示的程序等等。4.1 Keil软件概述在实际的单片机开发中光满足硬件设备是不能满足需要的，还需要对单片机进行编写代码让单片机知道你要它处理什么执行什么。而编写程序的完成不是靠硬件而是通过软件，然后经过写入单片机就可以了。现有的广泛流行的单片机大多数使用编写代码的软件是Keil。它是通过技术人员在此软件上进行编写程序，而我们编写的程序机器不能够直接识别这需要将程序进行编译生成机器能够识别的机器语言。此软件为技术人员开发了许多完整的方案有：适合人们学习的高级语言C程序设计的编译器，还有进行数据保存及提供大量信息的库的管理等。而此软件的正常运行对硬件是有一定要求的：需要较少的存储空间。Keil软件开发系统基本知识： 1系统概述 它是通过C语言设计进行对单片机进行编程的，此语言比汇编语言更接近人的思维，因此有非常好的可读性，而且通俗易懂。此软件还为技术人员在函数调用方面提供了一些便利，它有我们实际用到的库函数及调试工具。而且用它编写的程序极易让技术人员看懂，能够让人们更好的理解学习。在现实中的大型项目中更容易看出用此软件编写的程序的优势。让我们简单地了解一下此软件的功能和简单的使用方法。2此软件开发整体概括 此软件的开发环境包括：uVision和Ishell，它能够自己实现编写程序、编译成机器语言、与单片机的数据连接、等流程。此软件的安装及工程建立：1、下载并安装好了此软件并启动。2、我们先新建一个工程文件，点击“Project-NewProject”菜单。3、选择工程文件要存放的路径 ,输入工程文件名 xdch 最后单击保存。4、然后会弹出单片机的制作厂商和型号需要我们进行选择。5、选择STC12C5A08S2芯片，软件会出现建立工程的对话框。6、新建一个 C51 文件, 单击左上角的 New File，保存为DS18B20_4.C，再单击“保存”。7、建好C文件后需要我们添加到项目内，找到Source Group1然后右键选择Add Files to Group Source Group 1即可。8、软件弹出文档对话框，然后自己找到保存过的C文件，即DS18B20_4.C文件，然后点击Add，此C文件就会添加到Source Group1中，此时就可以编写程序，编译程序了，最后点击 Close离开。9、在编辑框里输入代码。10、生成 .hex 烧写文件,先单击Options for Target。11、在弹出的对话框中,我们单击 Output, 选中 Create HEX F，再单击“确定”