毕业设计模板

1、前 言 在能源日益紧张的今天，电热水器，饮水机，电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费浪费。 但是利用AT89C51单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，输出控制电路等组成，软件选用C语言编程。单片机可将温度传感器检测到的水温模拟量转换成数字量，显示于LED显示器上。该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。 能源问题已经是当前最为热门的话题，离开能源的日子，世界将失去一切颜色，人们将寸步难行，虽然本设计是节省电能角度出发，而电能又是可再生能源，但是在今天还是有很多的电能是依靠火力，核电等一系列不可

2、再生的自然资源所产生，一旦这些自然资源耗尽，我们将面临电能资源的巨大的缺口，因而本设计从开源节流的截流角度出发，节省电能，保护环境。 目录前 言1摘 要41 方案设计与论证51.1 一位式的模拟控制方案51.2 二位式的模拟控制方案51.3 PID算法控制方案62 系统硬件设计82.1 CPU主控模块82.1.1AT89C51单片机简介82.1.2 AT89C51各引脚功能说明82.1.3 AT89C51单片机主要性能参数92.1.4晶振电路与复位电路的设计92.2 温度采集模块102.2.1 DS18B20的特点102.2.2 DS18B20内部结构102.2.3 DS18B20的内存结构1

3、12.2.4 DS18B20与单片机的接口电路112.3 按键输入电路122.4 继电器模块122.4.1 固态继电器SSR工作原理122.4.2 固态继电器SSR的特点132.4.3 继电器控制电路图142.5 显示模块143 系统软件设计173.1 工作流程173.2 建立数学模型173.2.1 模拟控制系统的PID算法183.2.2 增量式PID算法193.3 程序模块213.3.1 主程序213.3.2 温度传感器驱动子程序213.3.3 键盘扫描处理程序223.3.4 温度检测与控制子程序233.3.5温度显示子程序244 设计总结26附 录27附录一：电路图27附录二： 程序清单2

4、8参考文献38摘 要 温度是工业上常见的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品加工、机械制造等领域，恒温控制系统被广泛应用于加热炉、热处理炉、反应炉等。在一些温控系统电路中，广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成AD转换器能接收的模拟量，再经过采样保持电路进行AD转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。但是由于传统的信号调理电路实现复杂、易受干扰、不易控制且精度不高。本设计介绍单片机通过数字温度传感器检测外部温度对水温进行恒温控制的设计，采用PID算法来控制PWM波形的产生，进而控制电炉的加热来实现恒温控制。因此，本系统采用一种新型的可编程

5、温度传感器（DS18B20），不需复杂的信号处理电路和AD转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，可根据不同需要用于各种场合。在日常生活中，也经常用到电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等需要进行温度检测与控制的家用电器。采用单片机实现温度控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度地提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量，现以水温的恒温控制系统的设计进行介绍。 关键字：DS18B20 单片机 显示1 方案设计及其论证1.1 温度信号的采集及AD转换1.1.1方案一采用模拟类温度传感器，比如LM45、AD590、铂电阻等。增加适当的放大电路和AD转换电路以后

6、，就可以将温度信号送入单片机。然而，这种设计需要用到A/D转换电路，且温度传感器的接线较为麻烦，制作成本较高。1.1.2 方案二采用数字类温度传感器，比如DS18B20。DS18B20为数字式温度传感器，直接将温度信号转换为数字量，可编程的分辨率为912位,采用独特的单总线接口，只需要一条总线就可以实现与单片机通信，简化了硬件电路设计，降低了设计成本。 将上述两种方案比较，方案二硬件电路设计得到简化并且设计成本降低，故采用方案二。1.2 主机控制模块1.2.1方案一采用快速单片机，比如STC12C5A32S2、ATmega16、W77E58等。以ATmega16为例，ATmega16单片机是基

7、于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，在相同晶振频率的情况下，速度比普通快812倍。从性能上来说，该单片机是一款功能非常强大的单片机，然而其价格较高（15元/片），采用该单片机会使设计成本增加。1.2.2 方案二采用普通单片机STC89C52。STC89C52单片机片内有8KB的EPROM和256B的RAM，程序通过串口下载，十分方便。在晶振频率为12MHz的情况下，单指令仅需1us，完全能满足系统设计要求。另外，该单片机价格便宜，仅5.8元/片。将上述两种方案比较，方案

8、一虽然性能上优于方案二，但其设计成本较高，而且本系统不需要太快的运行速度，故采用方案二。1.3 显示模块1.3.1方案一采用7段式数码管。目前，市场上有大量的七段式LED数码管，价格也较为便宜，单个的数码管仅0.8元，4位的数码仅2.6元；不过采用数码管作为显示时，需要增加驱动电路，驱动电路的成本在8元左右，另外，数码管只能显示一些简单字符以及数字，而在本设计中，需要显示较多信息，比如：实时温度、PID参数、设定温度等，采用数码管会大大增加程序的复杂度，并且还会对单片机的功能提出更高要求，其性价比较低。1.3.2 方案二采用LM1602液晶显示。LM1602液晶的市场价格在15元左右，可以与单

9、片机直接连接，不需要增加额外的驱动电路，它可以显示所有的ASCII字符。另外可以同时显示32个字符，电路设计简单、软件复杂度低、性价比高。将上述两种方案比较，方案一中LED数码管虽然价格便宜，但需设计驱动电路，而且本设计需要显示较多系统运行参数，故又增加编码复杂度，同时对单片机性能要求提高，性价比低，方案二LM1602液晶显示有电路设计简单，编码复杂度低的优点，故采用方案二。1.4 温度控制模块1.4.1 方案一采用固态继电器。固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。固态继电器可以与逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污

10、染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。然而，其价格较高，电压AC220V、最大电流5A的固态继电器在25元左右，采用固态继电器会使得设计成本大大增加。 1.4.2 方案二采用双向晶闸管。市场上双向晶闸管的种类很多，如双向晶闸管BTA06，每片仅3.5元，可以使设计成本大大降低，配备以驱动电路后，总体设计成本也不超过9元；另外，采用双向晶闸管BTA06的硬件设计也较为简单。 将上述两种方案比较，方案一中固态继电器虽然性能优于方案二中的双向晶闸管，但考虑固态继电器成本远高于双向晶闸管，故采用方案二。1.5 单片机控制方式1.5.1 方案一P控

11、制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。同时，由于水的温度调节，可以等效于“纯滞后一阶惯性”，理论可推导其易产生振荡。1.5.2 方案二PI控制是在比例控制的基础上加上积分作用，在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，采用比例积分控制方式，只要有足够长的响应时间，理论上可以做到稳态无静差。1.5.3 方案三PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的，也就是在比例积分控制方式下，加入微分控制，在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即

12、误差的变化率）成正比关系。将上述三种方案进行比较，由于本设计要求无静差，被控对象惯性较大，为了加快调节速度，采用方案三即PID算法作为控制算法。2 系统硬件设计 本设计将该电路分为四个模块：温度信号采集与转换模块（传感器DS18B20）、主机控制模块（单片机STC89C52）、温度控制模块（双向晶闸管BTA06）、液晶显示模块（LM1602液晶）。4.1温度信号采集与转换 由于在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。而且一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信

13、号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在本设计中的温度测量系统中，采用DS18B20温度芯片水温进行采集温度数据，并且由于它抗干扰能力强，是解决这些问题的最有效方案。另外数字温度传感器（DS18B20）具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果和广泛的应用4。2.2.1 DS18B20的特点（1）独特的单线接口方式：与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯。（2）在使用中不需要任何外围元件。 （3）可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5 V。 （4）测温范围：-55 +125。固有测温分辨率为0.5。 （5）通过编程

14、可实现912位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 （7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2.2.2 DS18B20内部结构主要由4部分组成:64位光刻R0M、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器，DS18B20的内部结构图如图2.3所示。2.3DS18B20内部结构图 2.2.3 DS18B20的内存结构DSI8B20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EEPROM，后者存放高温和低温触发器TH，TL

15、和结构寄存器。高速暂存RAM包含了9个连续字节（08），前两个字节是测得的温度信息，字节0的内容是温度的低8位，字节1是温度的高8位，字节2是TH（温度上限报警），字节3是TL（温度下限报警），字节4是配置寄存器，用于确定输出分辨率9到12位。第5、6、7个字节是预留寄存器，用于内部计算。字节8是冗余检验字节，校验前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。DS18B20中的温度传感器对温度的测量结果用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量。（见图2.4）。 LSB LSB 22222222LSB LSB SSSSS222图2.4温度传感器1

16、2位数据在RAM中的存储这是12位转化后得到的16位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中。二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。图4.1 温度信号采集与转换原理图如图4.1，0.1uF电容的C19用于滤除高频噪声，6.8K上拉电阻用于增加数据总线的驱动能力，DQ连接单片机的P22口，组成单总线通信系统，用于单片机和DS18B20数据通信。4.2控制晶闸管导通模块图4.2是控制晶闸管导通的原理图，MOC3022是光隔器件，单片机的

17、P20端口和MOC3022的2脚相连接。当P20为低电平是光隔右侧的4、6引脚导通，进而控制晶闸管导通。R13一般取2K左右。图4.2 控制晶闸管导通模块原理图4.3液晶显示模块图4.3 液晶显示模块原理图4.4总系统原理图图4.4 系统总体原理图 该系统能够实现测量-25125的温度并予以显示，精度为0.625，准确度0.5。能够实现在099.9设定任一温度保持恒定。按键可以设定恒温温度，液晶能够实时显示温度、设定温度、偏差、占空比等基本量。控制程序能够完成恒温功能，并且获得较好的超调量、调节时间、稳态误差、响应速度等量。系统的主要部件有7部分，分别是：温度传感器DS18B20、STC89C

18、52单片机、LM1602液晶、BTA06晶闸管（含光隔电路）、电炉、按键、电源模块、串口通讯模块。整个系统的结构如下：图3.1 温度控制系统组成结构系框图18：I/OP1口（P1.0P1.7）；9：复位脚（RST/Vpd）；1017：I/OP3口（P3.0=RXD，P3.1=TXD，P3.2=-INT0，P3.3=-INT1，P3.4=T0，P3.5=T1，P3.6=-WR，P3.7=-RD）主要是此引脚；18、19：晶振（18=XTAL2，19=XTAL1）；20:地（Vss）；2128：I/OP2口（P2.0P2.7)； 29：-PSEN；30：ALE/-PROG；31：-EA/Vpp32

19、39：I/OP0口（P0.7P0.0）；40：+5V电源。注：引脚功能前加“-”，说明其是低电平有效。如P3.2=-INT0。3 系统软件设计硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成。软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。由于编程多涉及到数值运算，比较复杂，还有LCD的菜单界面设计都是需要多重选择判断，用我们平时常用的汇编语言编程

20、是很难实现的，这里我们选用了移值性好、结构清晰、能进行复杂运算的C语言来实现编程。3.1 软件总体流程图软件总体设计及流程图见图3-1，主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，包括对HD7279、1302和液晶的初始化，启动无线接收模块，发送显示数据，同时对键盘进行扫描，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。其流程图如图3-1所示。 图3-1 软件总体流程图主程序比较简单，初始化完成后，调用按键扫描程序，取得键值，并根据当前系统状态调用相应的子程序。这里有六个基本的子程序供调用，分别对应系统的各种功能状态。分别是语音提示子程序、特种车检测子程

21、序、紧急状态子程序、设置子程序和时钟显示子程序，倒计时子程序等。3.2 软件主要子程序流程3.2.1 紧急状态子程序图3-2 紧急状态子程序在紧急状态下，只有紧急状态手动控制按键采可以使所有的LED 都被置为红灯，车辆禁行、行人通行。紧急情况结束后再转成自动状态。3.2.2 设置状态子程序图3-3 设置状态子程序在设置状态，按下Key1 开始设置南北的红灯时间，按下Key2 设置南北的绿灯时间，按下Key3 返回正常运行状态。红灯和绿灯的时间最大可以设为99，超出99 的时候会从20 开始重新计数。它包含倒计时调整和紧急状态两个状态。主程序中放了一个按键的判断指令，当有按键按下的时候，程序就自

22、动的跳转到按键子程序处理。当检测到K2键按下的时候就自动返回到主程序。当出现紧急的情况的时候，按下K3或者K4 就切换到紧急状态，当紧急事件处理完毕的时候，按下K2，就可以返回正常状态。3.2.3 键盘模块程序流程键盘是人机进行交互的重要接口之一。用户通过按键对仪器下达命令，仪器对按键译码获得相应的键值，并执行相应的命令程序。键盘部分的软件实现主要是指对键盘管理芯片HD7279A进行编程，从而成功地读取键盘值，实现相应的功能。HD7279A的工作流程图如图3-4所示。图3-4 HD7279的工作流程图4 系统调试与测试结果分析因本设计本身要求有稳定性高、免维护、抗干扰能力强等功能，系统调试除了

23、验证数据处理的精度，确保判断的准确性外，同时必须确认各项的功能的正常运行。4.1 系统操作说明本设计采用4x5键盘，共20个键。键盘显示接口选用专用芯片7279，键盘分为数字键和功能菜单选择键两种，其中数字键十个，分别为数字09，用来输入年月日、倒计时时间等数字信息；功能菜单选择键则用于年月日及时钟设置、特种车放行设置、紧急按键、主次干道通行时间分别设置、确定、取消等功能，功能选择后的所有信息都将在高分辨率LCD液晶屏上实时显示。 系统分为两个状态：设置状态和显示状态。利用键盘可以进行两个状态间的切换；开机时，系统为显示状态，此时显示四个路口数码管从默认的倒计时时间（60S）开始倒计时；LED

24、双色发光管拼成的箭头开始有规律工作，作行车方向指示；LED双色点阵人形画面及温馨语音提示均进入正常工作设置状态时利用键盘可以设置各路口通行倒计时时间和年月日，主次干道的通行时间可以不相等，这里我们增添了分开分别设置功能；显示状态时，交通灯模组的四个LED数码管进行倒计时；双色LED发光管各组的红绿箭头轮流交替指示；如果双色LED箭头指示板上中间的绿灯亮，两边红灯亮，则显示的是通行时间；否则，数码管显示的是等待时间；显示过程中按键可以重新进入设置状态。同时以上所有交通状态指示信息都在液晶显示屏上清晰显示，交警可在室内进行实时监测控制。4.2 调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件

25、调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块化设计，所以方便了对各电路功能模块的逐级测试，包括对：交通灯演示功能调试，行人通行指示功能调试，倒计时功能调试，主次干道分开设置功能调试，紧急情况手动控制功能调试，特种车通行功能调试，时钟和语音功能调试，液晶显示屏实时显示功能调试等。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。最后将各模块组合后在交道口模型上进行整体测试，使系统的所有功能得以实现。1. 硬件调试城市交道口交通灯控制系统的PCB电路板焊接工作量非常大，电路安装完成后，首先进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模

26、块的分级调试，根据电路功能逐级进行：1) 通行方式功能调试：包括对四种通行方式控制调试，行人和行车方向指示灯亮度和驱动电路调试；2) 倒计时功能调试：数码管亮度调试；3) 紧急情况手动控制功能调试：包括按键功能调试及显示器件的亮度和规则调试；4) 特种车通行功能调试：包括无线发送和接收电路调试。5) 时钟和语音功能调试：包括时钟模块电路硬件调试，语音电路硬件调试，以及录放音功能的实现调试等。2. 软件调试本系统的软件系统很大，全部用C51来编写，选用一般的伟福仿真器对C51进行调试。除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模

27、块，然后再连接成一个完整的系统，最后完成一个完整的系统调试。主要是液晶显示屏实时显示功能的调试。3. 软硬联调系统做好后，进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正数值。根据实测数据，逐步校正数据，使测量结果更准确。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。4.3 指标测试4.3.1 测试仪器表41 测试仪器清单编 号名 称型 号1数字万用表HONGDADT92042日立100MHz示波器HITACHI3单片机仿真器伟福E6000/L4双路跟踪稳压稳流电源DH1718E-55双信道数字示波器Tektronix TDS1002 60Mhz测试仪器见表41

28、，所采用的仪器都必须满足一定的测量精度要求，否则将使测量结果失去实用价值。通常要求测量仪器的精度高于被测量仪器精度一个数量级，至少应高于3倍。根据系统设计任务书的要求逐一测试各项性能指标，并进行记录，给出测试结论。4.3.2 各模块测试1. 交通灯演示电路的调试交通灯演示模块由一百多个双色LED发光管，8块双色LED点阵组成，接线繁琐，极易出错。检查二极管无故障、导线无断线、连线接头无互相搭联后可先写一个软件调试程序，依次检查东南西北方向的指示灯（发光二极管）是否点亮；若未点亮，则可能是连线接错。根据灯的亮灭情况依次查找直到电路正常工作为止。我们主要出现的是亮度不够的问题，调整电阻阻值，并用U

29、LN2003驱动芯片来驱动多个发光管，使其效果达到最佳。2. 行人通行指示功能调试 行人通行指示由 8 块双色LED点阵组成，显示人形图案，配合软件形象地模拟行人行走动画，也是本设计的两点。它由从单片机单独控制，减轻了主单片机的负担，调试也更方便了。3. 特种车检测模块特种车检测模块主要由发送和接收模块组成，将单片机的串口与无线发送模块接，数据通过发送模块发出，安装在交通灯上的接收模块进行接收，若警车通过时所有的交通灯能变成红灯，并与液晶显示的交通信息一致，则说明该模块工作正常。4. 显示模块调试将显示器与仿真器相连，编制一个简单的程序进行调试。各单元均调通后，进行整机联调：将各模块连接起来，

30、逐个进行检测。调试成功后再将程序写到单片机中进行调试，直至整个系统能够正常工作。此外，在电路抗干扰设计方面，我们采取了引线尽量短，减少交叉等措施。实践证明，这些措施对消除某些引脚引起的直流分量干扰起到了很好的效果。抗干扰设计是单片机应用系统设计的重要组成部分，没有良好的抗干扰措施，系统就无法安全可靠的工作。当然，我们只能通过系统软件、硬件设计尽可能的减少干扰带来的影响，而不可能完全消除干扰。5 设计总结本设计以单片机为核心，采用主从双MCU结构，以双色LED发光管箭头作为直行和左右拐弯指示，以LED数码管作为倒计时指示，以双色LED点阵作为行人通行的指示，以数字编码无线传输模式实现特种车辆检测

31、，完成了题目要求的所有功能。在此基础上，我们增设了高分辨率（320240）大屏幕LCD实时显示系统各种状态；增设了行人通行还配以形象的动画和温馨的语音提示；增设了可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的通行时间，并对系统机械结构进行了优化设计。该设计很好地完成了题目的各项要求，并扩展了多项功能，主要体现如下：1. 出现紧急情况时系统可设置成手动控制，紧急情况结束后再转成自动，控制十分灵活；2. 巧妙使用无线传输模块，用模型车演示，当有警车通过时系统自动转为特种车放行，其它车辆禁止通行状态，特定时间后系统自动恢复；3. 语音提示功能，使交通灯控制系统更加人性化；4. 人行道指示标志使用LED双色点阵显示，显示人形图画，配合软件形象地模拟行人行走动画，一目了然