鸡雏恒温孵化器设计110303011.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 鸡雏恒温孵化器设计鸡雏恒温孵化器设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 电气电气111111 学学 号 号 111103030110303011 学生姓名 学生姓名 左钰左钰 指导教师 指导教师 陈晓英陈晓英 起止时间 起止时间 2012014 4 06 16 201 06 16 2014 4 06 06 3030 本科生课程设计 论文 II 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号110303011学生姓名左钰专业班级电气111 课程设计 论文 题目 鸡雏恒温孵化器设计 课程设计 论文 任务 该鸡雏恒温孵化器可实现鸡雏孵化过程恒温控制 温度可通过键盘自行设 定 并有温度上下限报警功能 利用电热丝加热 温度测量范围 0 50 度 主要设计内容 主要设计内容 硬件电路设计 1 CPU 最小系统设计 包括 CPU 选择 晶振电路 复位电路 2 温度传感器选择及接口电路设计 3 驱动电路设计 软件设计 1 编程程序流程图 2 程序清单编编写 进度计划 第 1 天 查阅收集资料 第 2 天 总体设计方案的确定 第 3 天 CPU 最小系统设计 第 4 天 温度传感器选择及接口电路设计 第 5 天驱动电路设计 第 6 天 程序流程图设计 第 7 天 软件编写与调试 第 8 天 设计说明书完成 第 9 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 III 摘 要 本文介绍了系统有关温度的设计指标 该系统以闭环控制系统原理为指导方 向 设计出一个小型孵化器 为了提高孵化机温度控制精度并简化控制结构 本 系统选用 DS18B20 作为温度传感器 它具有控制精度高的特点 使得孵化器内温 度得到很好的控制 为了提高控制系统的可靠性和经济性 本系统采用了单片机 AT89C51 为核心的控制电路 系统硬件结构除了常规设计外 还添加了一些按键 控制功能 该系统采用 C 语言编写了整个温度控制程序 它提高编制单片机应用 程序的效率 改善程序的可读性和可移植性 用液晶 LCD1602 实现温度显示 通 过测试表明 该控制系统具有工作性能稳定可靠和控制效果好等特点 随着社会 的发展 科技的进步 以及测温仪器在各个领域的应用 智能化是现代温度控制 系统发展的主流方向 特别是近年米 温度控制系统已经用到人们生活的各个方 面 但温度控制一直是一个未开发的领域 却又是与人们息息相关的一个实际问 题 针对这种实际情况 设计一个温度控制系统 具有广泛的应用前景与实际意 义 关键词 单片机 温度传感器 LCD 液晶屏 恒温 本科生课程设计 论文 IV 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 恒温控制系统概况 1 1 2 本文研究内容 1 第 2 章 CPU 最小系统设计 2 2 1 恒温系统总体设计方案 2 2 2 CPU 的选择 2 2 2 1 AT89C51 主要特性 3 2 2 2 89C51 单片机引脚 3 2 3 数据存储器扩展 3 2 4 复位电路设计 4 2 5 时钟电路设计 5 2 6 CPU 最小系统图 5 第 3 章 CPU 输入输出接口电路设计 6 3 1 温度传感器的选择 6 3 2 温度检测接口电路 A D 转换器选择 8 3 2 1 模拟量检测接口电路图 9 3 3 人机对话接口电路设计 9 3 3 1 显示接口电路设计 9 3 3 2 简易式键盘接口电路设计 11 第 4 章 系统软件设计 13 4 1 软件实现功能综述 13 4 2 流程图设计 13 4 2 1 主程序流程图设计 13 4 2 2 温度控制部分程序设计 14 4 2 3 键盘部分程序设计 15 4 2 4 温度显示子程序设计 16 第 5 章 系统设计与分析 18 本科生课程设计 论文 V 5 1 系统原理图 18 5 2 系统原理综述 19 第 6 章 课程设计总结 20 参考文献 21 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 恒温控制系统概况 在单片机温度控制系统中的关键是温度的测量 温度的控制和温度的保持 温度是工业控制对象中主要的被控参数之一 因此 单片机要对温度的测量则是 对温度进行有效及准确的测量 并且能够在工业生产中得广泛的应用 尤其在机 械制造 电力工程化工生产 冶金工业等重要工业领域中 担负着重要的测量任 务 在日常工作和生活中 也被广泛应用于空调器 电加热器等各种室温测量及 工业设备的温度测量 但温度是一个模拟量 需要采用适当的技术和元件 将模 拟的温度量转化为数字量 才生使用计算机或单片机进行相应的处理 1 2 本文研究内容 本设计是对温度进行实时监测与控制 设计的温度控制系统实现了基本的温 度控制功能 当温度低于设定下限温度时 系统自动启动加热继电器加温 使温 度上升 当温度上升到下限温度以上时 停止加温 当温度高于设定上限温度时 系统自动启动风扇降温 使温度下降 当温度下降到上限温度以下时 停止降温 温度在上下限温度之间时 执行机构不执行 LCD 液晶显示器即时显示温度 本 设计主要设计内容 硬件电路设计 1 CPU 最小系统设计 包括 CPU 选择 晶振电路 复位电路 2 温度传感器选择及接口电路设计 3 驱动电路设计 软件设计 1 编程程序流程图 2 程序清单编编写 本科生课程设计 论文 2 第 2 章 CPU 最小系统设计 2 1 恒温系统总体设计方案 本设计题目为基于单片机的鸡雏恒温孵化器的设计 温度控制设定范围为 0 50 C 上 下限温度在程序中设置 实现控制可以升温也可以降温 实时显示 当前温度值 另外还有蜂鸣器报警功能 本文使用热电偶温度自动控制系统 采用 A D 转换器 采用单片机控制 液晶显示模块 LCD 显示 系统框图如图 2 1 键盘电路 LCD 报警电路 单片机 继电器控制电路 加热装置 降温装置 A D 转换装置 信号放大温度传感器 图 2 1 温度控制系统原理图 2 2 CPU 的选择 本设计决定用单片机作为中心控制器 MCS 51 系列以较高的性价比博得很 多用户的青睐 所以 本系统采用美国 Intel 公司生产的 89C 51 型单片机 由于 其具有集成度高 处理功能强 可靠性高 系统结构简单 价格低廉等优点并具 有 4K 字节的程序存储器 使得它应用起来更加方便 本科生课程设计 论文 3 2 2 1 AT89C51 主要特性 1 面向控制的 8 位 CPU 2 片内 4KB Flash ROM 程序存储器 3 128B 的片内数据存储器 4 可寻址 64KB 的片外程序存储器和片外数据存储器控制电路 5 2 个 16 位定时 计数器 6 4 个并行 I O 口 共 32 条可单独编程的 I O 7 5 个中断源 2 个中断优先级 2 2 2 89C51 单片机引脚 图 2 2 89C51 单片机的引脚图 2 3 数据存储器扩展 89C 51 型单片机片内有 128B 的 RAM 在实际应用中仅靠这 256B 的数据存储 器是远远不够的 这种情况下可利用 MCS 51 单片机所具有的扩展功能扩展外部 数据存储器 MCS 51 系列单片机最大可扩展 64KB 6264 是 8K 8 位静态随机存 储器 采用 CMOS 工艺制造 单一 5V 电源供电 额定功率 200mW 典型存取时间 200ns 为 28 线双列直插式封装 本科生课程设计 论文 4 图 2 3 6264 引脚图 A12 A0地址线 D7 D0数据线 OE读出允许信号 WE写允许信号 CE1片选信号 1 CE2片选信号 2 表 2 3 6264 引脚功能 2 4 复位电路设计 单片机复位电路图 2 6 为单片机复位电路 单片机在开机时都需要复位 以 便中央处理 CPU 以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态 并从这个状态 开始工作 单片机的复位后是靠外部电路实现的 在时钟电路工作后 只要在单 片机的 RST 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲 2 个机器周期 以上的高电平 单 片机便可实现初始化状态复位 MCS 51 单片机的 RST 引脚是复位信号的输入端 例如 若 MCS 51 单片机时钟频率为 12MHz 则复位脉冲宽度至少应该为 2 s 本科生课程设计 论文 5 图 2 4 复位电路原理图 2 5 时钟电路设计 片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路 CPU 的所有操作均在时钟脉 冲同步下进行 片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率 一般多在 1 2MHz 24MHz 之间选取 C1 C2 是反馈电容 其值在 20pF 100pF 之间选取 典型值为 30pF 本电路选用的电容为 30pF 晶振频率为 12MHz 振荡周期 机器周期 指令周期 s 121 sSm 1 s 4 1 图 2 5 时钟电路原理图 2 6 CPU 最小系统图 本设计中的 89C51 的最小系统包括 89C51 单片机 6264 可编程 I O 接口 晶 振电路 按键复位电路 CPU 最小系统图如图 2 6 本科生课程设计 论文 6 图 2 6 CPU 最小系统图 第 3 章 CPU 输入输出接口电路设计 3 1 温度传感器的选择 本设计采用智能温度传感器 DS18B20 其具有如下特性 1 采用单总线技术 与单片机通信只需要一根 I O 线 在一根线上可挂接多 个 DS18B20 2 每个 DS18B20 具有一个独立的 不可修改的 64 位序列号 根据序列号可以 访问对应的器件 OE 22 WE 27 CE 1 20 A12 2 A11 23 A10 21 A9 24 A8 25 VCC 28 CE 2 26 GN D 14 A7 3 A6 4 A5 5 A4 6 A3 7 A2 8 A1 9 A0 10 I O 7 18 I O 6 17 I O 5 16 I O 4 15 I O 3 14 I O 2 13 I O 1 12 I O 0 11 6264 S1 SW PB C5 R4 10K C3 10uF D3 VCC C1 300PF C2 300PF Y1 12MHz NetLabel48 NetLabel49 RD 17 WR 16 P2 7 28 P2 4 25 P2 3 24 P2 2 23 P2 1 22 P2 0 21 P0 7 32 P0 5 34 P0 6 33 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 AL E 30 EA 31 GN D 20 XT AL 1 19 XT AL 2 18 RST 9 89C51 VCC Q7 19 Q6 16 Q5 15 Q4 12 Q3 9 Q2 6 Q1 5 Q0 2 OE 1 D7 18 D6 17 D5 14 D4 13 D3 8 D2 7 D1 4 D0 3 G 11 74373 NetLabel50 NetLabel51 本科生课程设计 论文 7 3 低电压供电 电源范围为 3 5V 可以本地供电 也可以直接从数据线上获取 电源 寄生式供电 4 测温范围为 55 125 在 10 85 范围内误差为 0 5 5 可编程数据为 9 12 位 转换 12 位温度时间为 750ms 最大 6 用户可自设定报警的上 下限温度值 7 报警搜索命令可识别和寻址温度超出预定值的器材 8 DS18B20 的分辨率可由用户通过 EEPROM 设置为 9 12 位 9 DS18B20 可将检测到的温度值直接转化为数字量 并通过串行通信的方式与 主控制器进行数据通信 DS18B20 的内部结构如图 3 1 1 图 3 1 1 DS18B20 的内部结构 作为另一种可供选择的方法 DS18B20 也可用外部 5V 电源供电 DS18B20 与 89C51 接线方式如图 3 1 2 本科生课程设计 论文 8 图 3 1 2 外部电源供电 DS18B20 的引脚说明如表 3 1 表表 3 13 1 DS18B20DS18B20 的引脚说明的引脚说明 3 2 温度检测接口电路 A D 转换器选择 A D 转换接口是系统数据采集前向通道的一个重要环节 数据采集是在模拟 信号源中采集信号 并将之转换为数字信号送入计算机的过程 AD574 由两部分组成 一部分是模拟芯片 另一部分数字芯片 其中模拟部 分由高性能的 12 位 D A 转换器 AD565 和参考电压组成 数字部分由控制逻辑电 路 逐次逼近型寄存器的三态缓冲器组成 AD574 的引脚如图 3 2 所示 VL 1 VCC 7 VE E 11 DC 15 AC 9 RE FIN 10 RE FO UT 8 BIPOFF 12 1O VIN 13 20VIN 14 CS 3 A0 4 R C 5 DB11 27 DB10 26 DB9 25 DB8 24 DB7 23 DB6 22 DB5 21 DB4 20 DB3 19 DB2 18 DB1 17 DB0 16 CE 6 ST S 28 12 8 2 AD 574 NetLabel1NetLabel2 NetLabel3 NetLabel4 图 3 2 AD574 的引脚图 引 脚符 号说 明 1GND接地 2DQ单线运用的数据输入 输出引脚漏极开路 3VCC可选 VDD 引脚两种供电方式 本科生课程设计 论文 9 功能特性 1 分辨率 12 位 2 非线性误差 小于 0 5LSB 或 1LSB 3 转换速率 25 s 4 模拟电压输入范围 0 10V 0 20V 5 电源电压 15V 和 5V 6 数据输出格式 12 位 8 位 7 芯片工作模式 全速工作模式和单一工作模式 3 2 1 模拟量检测接口电路图 图 3 2 1 模拟量检测接口电路图 3 3 人机对话接口电路设计 3 3 1 显示接口电路设计 显示电路如图 3 3 1 所示 LED 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件 这种显示块有共阴极和共阳极两种 共阴极 LED 显示块的发光二极管共地 NetLabel1NetLabel2 NetLabel3 NetLabel4 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P22 23 P21 22 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 RXD 10 TXD 11 ALE P 30 PSEN 29 89C51 本科生课程设计 论文 10 图 3 3 1 显示电路原理图 当某个发光二极管的阳极为高电平时 发光二极管点亮 本设计选用的显示 块是共阴极的 LED 共阴极 LED 显示块的发光二极管阴极接地 当某个发光二 极管的阳极为高电平时 发光二极管点亮 将单片机 I O 口的 8 位线与显示块的 发光二极管的引出端 a dp 相连 共阴极低电平有效 选通有效后 8 位并行 输出口输出不同的数据就点亮相应的发光二极管 获得不同的数字或字符 本科生课程设计 论文 11 3 3 2 简易式键盘接口电路设计 8255 可编程并行 I O 接口设计 MCS 51 系列单片机共有 4 个 8 位并行 I O 口 这些 I O 口一般是不能完全提 供给用户使用的 在外部扩展存储器时 提给用户使用的 I O 口只有 P1 和 P3 口 的部分口线 因此在大部分的 MCS 51 单片机应用系统中都免不了要进行 I O 口 的扩展 8255 芯片引脚图如图 3 3 2 所示 图 3 3 2 8255 引脚图 图 3 3 3 I O 口扩展电路 RD 17 WR 16 P2 7 28 P2 4 25 P2 3 24 P2 2 23 P2 1 22 P2 0 21 P0 7 32 P0 5 34 P0 6 33 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 AL E 30 EA 31 P2 5 26 P2 6 27 89C51 Q7 19 Q6 16 Q5 15 Q4 12 Q3 9 Q2 6 Q1 5 Q0 2 OE 1 D7 18 D6 17 D5 14 D4 13 D3 8 D2 7 D1 4 D0 3 G 11 74373 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA 0 4 PA 1 3 PA 2 2 PA 3 1 PA 4 40 PA 5 39 PA 6 38 PA 7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RE SE T 35 CS 6 8255 AD 10 AD 11 AD 12 AD 13 AD 14 AD 15 AD 16 AD 17 AD 10 AD 11 AD 12 AD 13 AD 14 AD 15 AD 16 AD 17 AD 10 AD 11 AD 12 AD 13 AD 14 AD 15 AD 16 AD 17 AL E RD WE NetLabel69NetLabel70 NetLabel71 NetLabel72 本科生课程设计 论文 12 单片机 8255 的接口比较简单 如图 3 3 3 所示 8255 的片选信号及口地CS 址选择线 AO A1 分别由单片机的 P0 7 和 P0 0 P0 1 经地址锁存器提供 8255 的 A B C 口及控制口地址分别为 FF7CH FF7DH FF7EH FF7FH 8255 的 D0 D7 分别与 P0 0 到 P0 7 相连 键盘功能说明 1 号键 上升 2 号键 下降 3 号键 下限温度值确定 4 号键 上限值确定 5 号键 查询上下限值 使用 1 号键和 2 号键 设定需要的 温度控制系统的上限值 然后按下 4 号键 将这个上限值确定 也就是将上限值 保存到专用的寄存器里 在完成设定上限值的工作后 使用 1 号键和 2 号键设定需要的温度控制系统 的下限值 然后按下 3 号键 将这个下限值确定 也就是将这个下限值保存到专 用的寄存器里 然后系统进去实时的温度测量和控制工作中 键盘接口电路如图 3 3 4 所示 图 3 3 4 键盘接口电路 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA0 4 PA1 3 PA2 2 PA3 1 PA4 40 PA5 39 PA6 38 PA7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RESET 35 CS 6 8255 R1R2R3R4R5 S1 S2 S3 S4 S5 VCC NetLabel5NetLabel6 NetLabel7NetLabel8 本科生课程设计 论文 13 第 4 章 系统软件设计 4 1 软件实现功能综述 1 清数据存储区 各集成模块的初始化 确定中断优先权 开中断等 2 完成系统初始化任务后 主程序执行中断等待程序 4 2 流程图设计 4 2 1 主程序流程图设计 主程序流程图如图 4 1 所示主程序完成的功能是 启动传感器测量温度 将测量 温度与给定值比较进行 PID 运算 若 则进入加热阶段 置 P13 为高电 LX TT 平 在过程中继续对温度进行监测 当时 置 P13 为低电平断开可控硅 HX TT 关闭加热器 等待下一次的启动命令 本科生课程设计 论文 14 开始 初始化 按键设定温度上下限 送显示 送 counter 3 调温度子程序 转换送显示 PID 运算 HX TT N N 显示正常温度 高温报警并停止加热 低温报警并加热 Y Y 键盘处理 有键按下 counter 1 0 counter 1 0 等待下一个采样 HX TT Y Y N N 图 4 2 1 系统主程序流程图 4 2 2 温度控制部分程序设计 这部分程序的功能是将采集到的温度值 TX与 TL比较 如果 TX TL则报警 并置 P3 1 口为低电平 通过光耦合器打开可控硅 使加热器加热 并调显示 显 示 88 8 否则将 TX与 TH比较 如果 TX TH则报警 并置 P13 口为高电平 通过 光耦合器关闭可控硅 停止加热器加热 并调显示 显示 88 8 否则 也就是 当温度在正常范围内 调显示 显示采集到的温 L T X T H T 本科生课程设计 论文 15 开始 HX TT 地址和计数器换码送显存 显示灯亮 蜂鸣器响 置 P1 3 口为 1 打开加热器 LED 显示 返回 计数器换码 送显存 Y N 度值 加热程序流程图如图 4 2 2 所示 X T 图 4 2 2 温度控制程序流程图图 4 2 3 键盘部分程序设计 本部分主要是实现输入设定温度和查询设定温度的功能 该部分的子程序流 程图如图 4 2 3 所示 在键盘的控制方面 由于采用了 5 个单键 因此使得键值识别的问题也比较 简单 在执行程序的时候只需要逐位判断 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 口是高电平还是 低电平 若为高电平 则表示没有按键按下 若为低电平 则表示已经有键按下 于是执行键的处理子程序 在程序的设计当中 考虑了键的去抖动问题 在发现 有键闭和时 不是立即读入该键值 而是延时一段时间以后 再进行键闭和与否 的判断 确认此时真的有键按下 有则进行该按键的处理 没有则不进行处理 本科生课程设计 论文 16 开始 有键按下 延时 20ms 判别键号 执行键处理子程序 返回 N Y 图 4 2 3 键盘处理子程序流程图 4 2 4 温度显示子程序设计 此模块采用的是动态扫描的方法 依次改变 P0 口输出高电平的位和 P2 口输 出对应的数据段 就可以轮流点亮显示器的各位数码管 动态显示是把十六进制 数 或 BCD 码 转换为相应字形码 故它通常需要在 RAM 区建立一个显示缓冲 区 显示部分流程图如图 4 2 4 所示 本科生课程设计 论文 17 开始 显示缓冲区指针置初值 30H 送 R0 扫描模式置初值 FEH 送 R1 R1 送 P2 口 取显示数据查表转换为段数据送 P0 口 延时 1ms 显示缓冲器指针 R0 1 R1 0 R1 左移一位 返回 Y N 图 4 2 4 显示子程序流程图 本科生课程设计 论文 18 第 5 章 系统设计与分析 5 1 系统原理图 图 5 1 系统原理图 本科生课程设计 论文 19 5 2 系统原理综述 本设计是对温度进行实时监测与控制 设计的温度控制系统实现了基本的温 度控制功能 当温度低于设定下限温度时 系统自动启动加热继电器加温 试温 度上升 当温度上升到下限温度以上时 停止加热 当温度高于设定上限温度时 系统自动启动风扇降温 使温度下降 当温度下降到上限温度以下时 停止降温 温度在上下限温度之间时 执行机构不执行 LCD 液晶显示器即时显示温度 精 确到小数点一位 本科生课程设计 论文 20 第 6 章 课程设计总结 通过此次课程设计 使我更加扎实的掌握了有关单片机的知识 在设计过程 中虽然遇到了一些问题 但经过一次又一次的思考 一遍又一遍的检查终于找出 了原因所在 也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足 实践出真知 通过亲自动手制作 使我们掌握的知识不再是纸上谈兵 过而能改 善莫大焉 在课程设计过程中 我们不断发现错误 不断改正 不断领悟 不断获龋最终的 检测调试环节 本身就是在践行 过而能改 善莫大焉 的知行观 这次课程设 计终于顺利完成了 在设计中遇到了很多问题 最后在老师的指导下 终于游逆 而解 在今