一种温度控制系统

第一章温度控制系统概述第一节主要内容本次温度控制系统设计基于STC89C52单片机，采用DS1820温度传感器来设计和实现温度控制。介绍了所需模块的功能及特性、系统软硬件设计、系统流程以及各个模块的焊接说明。目的是测量环境的温度，并实时显示；当温度超过按键设置的报警范围，发出声光报警，并启动风扇或加热膜，进行对应的升温降温操作；或者以声光警示人工来处理。智能化温度控制不仅提高了生产效率，保障了生产中的安全，也降低了工人的劳动强度。以往温度控制系统使用的单片机具有功能低、功耗高、智能化程度低的缺点，随着单片机技术的成熟，目前的单片机具有功耗低、运行速度快的优点。单片机技术已经广泛应用于我们的生活、工作和其他领域。它已成为一项成熟的技术。第二节温度控制的目的和意义温度在人类生活中离不开的物理量，同时是工业、农业生产中的重要因素，温度、湿度与各种物理、化学过程有着密切的联系。温度的测量和控制被人们广泛应用，如家用电器、汽车、材料、电力电子等。在生产制造中，不仅要准确测量设备的温度，还要对生产设备的温度进行精确的控制，不同的控制对象有不同的控制方式，不同的控制环境要求不同的控制策略。因此设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的，手动或自动调节温度。随着现代科技的发展，电能得到了广泛的发展和使用，在过去的100年里，电力已经成为我们生活中必不可少的一部分。电力给人类社会带来便利的同时，也引发了许多火灾。据统计，我国每年因电力火灾造成的损失约占火灾总量的15%左右。据统计，我国每年因电力系统发生的火灾事故高达2万多起，直接经济损失达几十亿甚至上百亿元，给人民群众造成了巨大的损失。其中，以农村地区最为严重。近年来，用电量持续增长，农村和城镇均发生电气火灾，占火灾总数的20%。到2021年，这一比例已接近30％；而在居住场所火灾中，它的占比则高达42.7%。电气火灾通常是由于电气线路短路、电气设备、电器和用品负荷过重以及雷电和静电造成的。最常见的情况是家中的电脑、空调等电子设备长期使用，造成设备老化，空调无法冷却；这样，室内的电器就会很快发热，室内的温度会在很短的时间内上升到超出设备的正常温度，从而导致热量的不稳定释放，比如高温，电弧，电火花，以及非失效的能源；例如，电加热装置的发热表面，使电气装置的系统不能正常工作，或使物体或其它易燃物在有燃烧的情况下被点燃，这时温度报警就能发挥重要的作用。在房屋内安装一个温度控制系统，设定温度报警范围，当温度超过范围值时，发出声光报警，同时进行相应的降温工作。警示人们可能存在的电气火灾危险，避免出现电气火灾，造成更为严重的人员和财产损失。第二节温度控制系统的研究背景一、国外温度控制发展温度控制在20世纪80年代中末期是发达国家重点发展的领域之一；当时，它被认为是一种新技术，它将被广泛地运用于21世纪。首先，采用模拟组合式仪器进行数据采集、显示、记录和控制；上个世纪八十年代后期，分布式控制系统应运而生。世界上首款使用八维数字转换器的智能温度传感器出现在二十世纪九十年代中期，由于测量精度不高，分辨率仅为1。目前，全球各地的温度测量与控制技术都得到了飞速的发展。随着微电子技术的发展，温度控制系统逐步与微机、电脑等技术的融合，使温度控制系统的数字化、智能化程度得到了进一步的提升。美国，德国，日本等发达国家，在自动化水平的提高下，逐步走向完全自动化和无人操作。科学家开发了一系列计算机软硬件，其功能是自动控制环境的温度和湿度。英国：高度重视温湿度控制器并进行开发。科学家利用温湿度控制器调节环境，同时对农作物的环境生理、室内节能等因素进行研究，并取得重大突破；荷兰、美国：利用高科技为温湿度控制器添加遥感、局域网控制、通讯等附加属性，成功实现了PC自动温湿度、照明、滴灌、循环营养液等控制功能等，让温湿度控制器更加惊艳。日本：KomatsuElectronics该公司开发出一种新型的模糊控制器用于温度调节，并将它应用于实际产品中。实验证明，这种系统在不同环境温度下都能保持较好的性能。结果表明，与传统的温度控制方法相比，温度传感器的使用较少，可以降低企业的成本，提高企业的生产效率。二、国内温度控制发展与发达国家相比，国内的温度测量与控制技术相比起步较晚，通过国外先进测量和控制技术的基础研究，中国工程技术人员掌握了室内温度微型计算机技术。近年来，在冶金、机械、化学等领域，温度控制已逐渐成为工业中的一个重要环节。但由于传统的控制方法难以满足高速、高精度的需要。与接触式温控仪相同，其最大的缺陷是其温度变化幅度很大，其特点是通过调节接触器的开关比来实现对加热功率的调节；由于温度控制系统的误差，仪表自身和交流接触器的使用寿命非常短。严格来说，与发达国家的差距还是很大的。近年来，各种温控技术得到了飞速发展，其中PID控制即比例、积分、微分控制等技术的发展，具有结构简单、实用、易于实现等优点，但具有现场参数调整困难、抗干扰性差、控制延迟大等缺点。由于其控制算法需要事先建模，因此很难将其纳入到模型中。②模糊控制，借助模糊规则以及推理方法，由A/D转换电路和模糊控制器组成适用于控制非线性、时变和纯延迟系统，参数变化对控制效果的影响大大降低，抗干扰能力更强。常运用与如干燥机、工业炉等温度控制③神经网络控制，采用数学模型方法模拟生物神经细胞的结构，通过对系统的辨识、运算后将简单的处理单元连接起来，构成了各种各样的错综复杂的网络。④Fuzzy-PID控制技术，利用模糊控制和PID控制相结合，解决了常规PID参数不能实时调节参数的不足，可以实现对不确定目标和非线性目标的控制。常用于人工智能调节器、温度仪、热电阻校验仪等控温装置。⑤模糊神经网络控制，在模糊逻辑的基础上与神经网络相结合，通过在线学习算法和采用神经网络模糊逻辑推理网络模型，具有自调整、自学习和自适应能力在不需要任何初始信息的P、I、D参数寻优温控系统中，如陀螺温控系统中常见。以我国的现状，温度测量控制离工业化还有很长的路要走。第三节本章小节本章介绍了设计的主要内容，以单片机为核心，采用DS18B20型温度传感器进行温度的设计与控制。举例我国电气火灾的频发性，证明温度控制系统能大大降低发生几率。以及国内外温度控制现状；通过查阅资料和收集内容发现所提方法的可行性与有效性。简单叙述了本文的主要内容。本章综述了国内外温度控制的发展现状，并以此为研究背景。第二章设计要求及论证第一节设计要求本次温度控制系统设计基于STC89C52单片机技术，能完成对温度的测量以及报警等功能。介绍了系统的硬件和软件设计。测温元件是温度传感器DS18B20，温度显示在LED数码管上；蜂鸣器作为电声元件报警，报警范围由按键设置，同时报警提示会在LED数码管上显示，LED发光指示相应的加热或者制冷工作，使温度不超过报警值。当温度回到报警值范围内时，LED灯熄灭，停止相应的加热或者制冷工作。具体设计要求如下：1.按一下按键就可以设定温度报警范围2.在过程当中对于温度实时测量并在LED数码管上显示相关信息3.当温度低于下限值时，绿色指示灯亮，蜂鸣器鸣响，加热膜加热，模拟升温装置4.当温度超过上限值时，红色指示灯亮，蜂鸣器鸣响，风扇转动以，模拟降温装置第二节系统选择与方案论证一、单片机选择方案1：使用STC89C52作为主控芯片，STC89C52作为最基础入门，应用也最为广泛的一款单片机。该芯片自带定时器功能，具有512字节RAM，I/O口线多，字节内存大；主要通过寄存器方式，可在C51语言或ASM汇编语言中调试3虽然功能没有STM32F103C8T6多，但是开发难度较低，外围电路的搭建比较简单；相关资料，使用教程较多；更适合初学者用来学习和掌握嵌入式开发基础知识，操作控制方便；完全可以满足这次设计的需求。方案2：以STM32系列的STM32F103C8T6作为核心，不论是主频、ROM、RAM、I/O口还是外设资源都要优于STC89C52。相较于STC789C52单片机，STM32F103C8T6属于是中高端单片机，所面向的产品也不同。虽然KeilC51也可以用于开发，但是版本不同。在难易度方面，STM32F103C8T6通过调库就能把芯片外设调用起来，虽然效率更高，但是开发难度会比STC89C52难很多，涉及的技术也比较复杂；对C语言基础和寄存器的理解要求较高，不适合本次设计。经过对两个方案的比较分析得出，选择方案1进行本系统的设计。二、温度传感器选择方案一：由于采用了基于硅半导体的集成技术制造的模拟集成式温度传感器，因此也被称为硅片式或单片式集成式温度传感器。典型代表是AD590。AD590是两端式恒流器件，系统运行时稳定。.AD590在其温度测量范围内存在一定的非线性，因此有必要对双点式温度进行微调，增加设计难度。方案二：DS18B20是数字传感器代表性的产品。DS18B20是美国DALLAS公司研制的一种新型的温度传感器，采用了一种集成的芯片和一条总线技术，可以降低外部的干扰，提高测量的准确性。使得数字化测温这件事不再有难度。温度测量范围为－55℃~+125℃,测温精度可达0.1℃,也正是由于DS18B20输出的是数字信号，接线非常方便，不同的封装方式因此可以运用于多种电路的链接，与单片机搭档时，只需第2引脚DQ连接单片机，第一引脚连接地，第三引脚VCC，并需要加入一个4.7k的上拉电阻即可实现读取和设定温度的功能.11与上述方案相比，DS18B20集温度传感器、信号放大调理、A/D转换和传感元件于一体，在智能温度控制系统中得到了广泛的应用。该传感器具有精度高、稳定性好、可靠性高和抗干扰能力强等特点。所以选择方案二进行本系统的设计。第三节本章小节本章首先介绍了本设计的四个具体要求，通过对STC89C52和STM32F103C8T6的优缺点的比较，由于STM32F103C8T6在设计和使用上会稍微难于STC89C52，所以采用STC89C52单片机。比较DS18B20和AD590两款温度传感器，DS18B20测量更加准确，功能丰富的特点更适合本次设计。第三章主要元件介绍及电路设计第一节STC89C52介绍一、STC89C52芯片介绍STC89C52是一款消耗低、高性能的单片机，该芯片包括8K可编程可重复擦写闪存ROM和256的RAM。它可以在各种工作环境下运行，具有很高的可靠性和可移植性，它采用了ATMEL公司开发的高密度非易失性存储技术开发的MCS-51,MCS-51指令系统配置为8位通用CPU,支持大容量Flash存储器。STC89C52端口引脚多，有32个外部双向输入/输出接口、2个外中断接口、3个16比特可编程计时器、2条全双工串行通信口、2条读写口线。不需要额外配置芯片就可以实现多种功能。可与多种单片机系统进行通讯并实现各种功能。二、STC89C52主要特性8k可反复擦写(>1000次)FlashROMRAM数器中断RT电模式能三、STC89C52引脚介绍图3.1STC89C52引脚图单片机的引脚功能STC89C52单片机一般有40个引脚，其外部引脚排列如图3.1所示。其中，各引脚的功能如表所示：脚VCC极，电压为+5v；GND，接地端TALXTAL中连接到逆变器的输出和时钟的内部。在使用外。LESENEAALE址锁定使能/可编程的脉冲输入，通过ALE锁存P0端口的8比特地址。在对EPROM进EA的存取/编程输入。EA是高电平，对内存进行存取；在低级时，对外部内存的访口(三LSTTL输入/输出。在实际应用中，通常用作地址/数据总线端口，当对外部进行编址时，采用P0端口，即：首先向P0端口发送一个较低的8比特的地址信锁存信号ALE的下缘把该地址信号锁定在一个地址锁存器上，然后作为一个数 LSTTL锁必须首先被单片机写成“1”，每个字节均可编程成 LSTTL它通常是高8比特的地址总线，与P0端口共同构成16比 LSTTL能时，与P1端口相同；当用作辅助函数时，每个比特的四、单片机最小系统STC89C52的最小系统包括晶振电路、复位电路和电源电路三部分。每一个晶片都需要电源，包括单片机.复位电路包括两个部件：10uF电容器C1和10K电阻器R2，它们串联后与9号引脚复位引脚相连。在复位引脚上的电压为5V高时，单片机不能进行编码。当5V下降至0V时，代码将重新开始。因为电容器两端的电压不能发生突变，因此，当电流被激活时，该电路相当于接通。在启动的一刹那，电流通过电容器直接流入复位引脚，单片机无法进行编码。当电容器充满电后，电容器就会被切断，5伏不能再给复位管脚提供电力。该程序是一个延迟的复位电路。延迟的功能是在单片机的电源稳定后，在其它设备的电源稳定后，才能执行。晶振电路由两个30pF电容C2、C3组成，晶体振荡X1为12M。12M表示晶振的幅值，最小系统中的晶振由12个正弦波组成，它可以用单片机来控制。当接收到这个信息后，单片机将此数据存储起来并通过串口传送给上位机，从而控制晶振进行相应动作。这一切都需要有足够大的频率才能保证正常运行。晶振是通过连续产生正弦波来起作用的。C2C3两个电容对晶振振荡起作用。因为电容具有充电和放电的功能，所以晶振在上电后会出现一个稳定的正弦波，一般使用22pf或者30pf。晶振的取值越高，单片机的执行速度越快。R1是一个排阻，由八个10k的电阻封装而成.P1端口P2端口和P3端口均可以输出0V和5V,P0端口仅能输出0V，因为P0端口在高电压下只能输出高电压，也就是说，P0端口的插头电阻很大，很容易被误认为是断路.在高电平下31号引脚EA在复位之后，从内置ROM0000H的单片机开始工作；在接低电平时，在重置之后，从0000H的外部ROM直接开始工作。因为我们的程式是储存在一个微控制器里的，所以EA必须在高电平上被连接，以保证MCU能从里面读到程序并完成。单片机最小系统如图3.3所示图3-3单片机最小系统第二节DS18B20介绍一、DS18B20概述(1)概述DS18B20是第一个具有一根数据线挂载多只器件特点的温度传感器，它可以对外部环境进行检测，并以数据形式显示。该传感器是数字传感器，体积小、不易受到外界干扰、性能强，而且与单片机匹配度高。在-55--125摄氏度的范围内，测温误差为0.1摄氏度。该软件可将分辨率设置在9~12个比特，其解析度可达0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。与热电偶相比，温度测量的准确性更高。2三、DS18B20特性参数DS18B20特性参数如表3.3所示向通讯DSB一个独特的64位序列号加简单实现测温范围为3.0V至5.5V7℉至+257℉)范围超过-10℃至85℃之外时精度为±0.5℃以由用户自定义为9至12位度为12位时达到最大值750ms源消失而改变温度超过用户自定义的设定值时(3)应用领域本产品适合于冷库、温室、油罐、电讯机房、电机室、电缆线路等。温度计、温度计等小型仪器的温控。供热/制冷管线的热计量、家用中央空调的计量和工业领域的温度测量11四、DS18B20引脚描述DS18B20引脚描述如图3.4所示：表3.4DS18B20引脚描述123四、DS18B20模块电路图DS18B20的模块电路图如下图所示：图3.2DS18B20模块连接图五、DS18B20功能指令表DS18B20功能如表3.5所示：ConvertT必须在10us内给单总和CRC直到(字节8，CRC)读完控制器可以随时ite始传输数据THTL器DSB0THTL器的写入必须在总线令前，否则会中止写入THTL器的内容拷无须在us沿并保持10ms以上callE将TH，TL(抱紧触发器的值)和贝到暂存器线控DS8B20上电时自动操作rDSB电模式DSB低总DS8B20会把总线表3.5DS18B20功能指令表六、时序说明单总线信号需要采用严格的单总线协议，以保证数据完整性。为了实现这个目标，我们提出一个新的双口RAM接口电路，它是用一片CMOS工艺设计而成。在本文中，将给出详细的说明。每一种单总线信号包括一个重置脉冲和多个存在脉冲，它们分别对应于0,1或介于0与1之间。所有信号都来自总线控制器，除了脉冲。如图3.3所示，使用DS18B20的所有通信必须从初始化顺序开始，随后出现的一个重置脉冲表示DS18B20已做好发射和接收数据的准备。在初始化过程中，总线控制器使总线下降，并维持480us，以发送(TX)重置脉冲，接着，总线被释放，进入RX(RX)。单母线被拉伸到高电平的5K上。DS18B20检测到I/O管脚的上升边缘，等待15-60us，随后发射一个60-240us的存在脉冲。图3.3DS18B20初始化时序图DS81B20是数字传感器，只有0和1可以输出。编写时序可分成两类：1写入时间序列和写入0时间序列。总线控制器在DS18B20上保存逻辑1，而写0在DS18B20上保存逻辑0。当总线发生故障或损坏时,DMA控制器接收来自外部的信号并根据其进行相应地操作。如果是内部驱动电路故障或者被破坏，则不需要对总线控制器做任何修改。写入时序是以60us的写入间隔和1us为周期进行的。总线控制器控制器数据线路数据线高电平高层拉到低层时，写入时序。13为了生成写时序，总线控制器必须将数据线拉到一个低电平并释放它，在写时间序列开始后15us将释放总线。为了产生写入0时序，主控制器必须将数据线路拉到低电平并且持续60us地维持。DS18B20在对输入输出信号进行初始化后，在15-60us的窗口中进行输入输出信号的取样。在为高电平时，写1。若为低电平，则为0。63.4读/写时序图在读定时时，DS18B20只用于向控制器发送数据。总线控制器在暂存器命令[BEh]或功率方式命令[B4H]被读出时，必须立即启动读取定时。如果不执行读取定时，则总线控制器将从数据缓冲器中读取数据，并向存储器传送所存储的地址和时间戳；然后再由存储器返回给总线控制器。因此，可以节省存储空间。DS18B20在总线控制器发送读定时之后，将总线拉高或降低，然后等待15us的测量电压，以发送1或0。若为0，则由感应器将其拉回到8，若为1则维持高。在完成发送逻辑0之后，总线会被解除，并由上拉电阻器恢复到上升边缘的状态。DS18B20的数据在读时序列的下降边缘显示15us以内。因此，总线控制器停止驱动I/O口到15us的低电平是为了读取I/O口的状态。第三节数码管显示模块一、数码管简介数码管，也叫发光管，它把相反的电流注入到它的不同的引脚中，这样就可以显示出所有可以用数字显示的参数，如时间，日期，温度等。。至今无论OLED和LCD显示技术有多好，仍无法替代数码管。数码管凭借其廉价，稳定和控制简单的优点在很多领域被广泛使用。如计算器、红绿灯、仪表、时钟等等。LED数字显示装置是由多个LED封装而成的“8”形装置，一位数码管一共有八段(a，b，c，d，e，f，g，dp)，每一段都是一个led灯；字母a到g显示数字，而dp用来显示小数点。数值是通过流过不同的数码管上的电流，数码管发光而显示的。数码管的外形如图3-8所示。图3.5数码管封装图LED数字管的亮度从正常到超亮度不等，尺寸从0.5英寸到1英寸不等。由于它们工作原理不同,LED数字管可分为小功率型、大功率型及超大规模数种类型。一般来说，一种LED管的电压降大约为1.8伏，电流不超过30毫安。发光二极管的阳极与称作共阳数字管(图3.6)相连，所述共阳数字管与所述电源正电极相连，所述共阴数字管的阴极与所述电源负电极相连(图3.7)。图3.6共阳数码管内部原理图图3.7共阴数码管内部原理图二、数码管驱动方式的选择LED数码管要想正常的显示，需要用驱动电路来驱动每一段的编码，这样才能显示出我们想要的数值。静止传动又称为直流传动。静态驱动具有程序简单、高亮度的特点；所谓静态驱动，就是将每一数字管的每一部分与微处理器的插针相连。这一次的设计，是将四个数字管组合在一起，4X8=32个插头才能驱动四个数字管，缺点是I/O接口太多，浪费了大量的资源，在实际使用中，还得加上解码驱动器，这会给硬件电路带来更大的麻烦。动态显示，LED数字管的动态显示界面是目前单片机中使用最多的一种显示技术，它是将数字管的8条显示笔画“a、b、c、d、e、f、g、dp"的名称连接起来，当单片机输出字形代码时，在每个数字管的公用电极COM上增加一个位选入控制电路，由相应的I/O线路控制；位选通COM端的位选通电路。通过分时交替控制各数字管的COM端子，实现了对各数字管的控制，实现了对数字管的动态控制。该方法可以用于各种需要对多个发光二极管(LED)进行驱动的场合中，并且由于每个数字管内均有一个或更多的LED,所以可使整个电路具有较高的效率。在交替显示时，由于人类视觉的暂时存在和发光LED反射，每个数字管的亮度为1至2ms。就会产生一系列稳定的数据，不会出现闪光，动态显示的效果和静态显示一模一样，可以节约很多I/O接口，还可以降低能耗。三、数码管驱动电路本设计由于采用了4位数码管，4位显示内容，同时还带有小数点。数码管一共有10个引脚分为两种情况：数字 (1234)和字母(ABCDEFGdp)。数字控制哪一位数码管的显示，而字母与数码管的对应是控制数码管笔画的显示。显示内容靠字母和数字不同的组合。如果采用静态驱动，则会占用32个MCU管脚，造成I/O端口不能满足要求，造成了资源的浪费。所以，数字管的动力驱动模式是以数字管为动力的，数字管的数据端口连接到PO端口，而位选端口通过P27、P27、P25、P24实现。只需要12个IO口，当需要对一个数码管加0或1时，只要按一下开关按钮即可使其工作起来。该电路具有操作简单，成本低和易于维修等特点。在程序中一个接一个地点亮四根数码管，点亮第一个的同时，其余的三个熄灭，然后第二个点亮，以此类推；数码管之间闪烁频率非常快，由于人眼视觉暂留的原因，最终看起来的效果就好像是四个数码管同时发亮显示。图3.8数码管驱动电路第四节蜂鸣器模块蜂鸣器是由直流电压驱动的综合性集成电子报警器，广泛应用于报警器、打印机、电子玩具、汽车电子设备、定时器等电子设备。蜂鸣器有两种类型，压电蜂鸣器与电磁蜂鸣器。它们都具有灵敏度高，体积小，重量轻，成本低的特点。在压电元件及金属元件上施加电压后，其输出频率为100~500赫兹，且因反压电效应而产生机械变形，压电蜂鸣片产生响声。电磁蜂鸣器包括振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片和外壳。电源为振动器提供动力并产生声音讯号，而电磁线圈则用来产生磁场；磁场强度越大，声音就越大；反之，电压越小，则声音也就小了。因此可以把振荡频率作为衡量蜂鸣性能优劣的标准之一。振动膜是电磁线圈和磁体相互作用而产生的周期性振动。本设计使用的是电磁式蜂鸣器。图3.9电磁式蜂鸣器图3.10压电式蜂鸣器另外，蜂鸣器也有主动和被动式的不同之处。主动蜂鸣器内装有振动源，在电流经过时会产生响声；而且，无源蜂鸣器没有震动源，不能用直流电来控制，只能用2K-5K的方波来驱动。本设计采用PNP三极管，利用三极管的开关管功能控制蜂鸣器读数，由于蜂鸣器工作时，MCU的IO端口输出较低。其特点是：当蜂鸣器被触发后,MOS管导通，使电阻R8和电容C减小到一定数值，从而使蜂鸣器停止发声；同时将蜂鸣电压降低至最低。单片机控制蜂鸣器是否发出警报，因为选择了PNP类型，并且MCU上的IO端口是默认的高电平，当MCU输出+5V高压时Q1被切断，蜂鸣器没电了，也没有声音。但有一个电路可以将蜂鸣变成电信号，使之在蜂鸣器中产生相应的声光信号，从而起到警示作用。蜂鸣器电路如图3.12所示。当MCU输出0v低电平Q1传导时，VCC通过蜂鸣器流向GND形成一个回路，此时蜂鸣器会发出警报。图3.11蜂鸣器电路第五节按键输入模块键盘是单片机中常见的输入装置。它不仅能完成简单的控制功能，而且还可以作为一个人机接口来显示各种信息或对程序进行修改。因此，键盘被广泛应用于微机系统之中。在微处理器中,最常用的键盘有独立键盘和矩阵。独立按键一共有4个针脚(图3.12)，两个长针脚在内部导通(1跟3导通，2跟4导通)。作为按键使用时，在1，3针脚中选择作为第一个引脚，在2，4针脚中选择作为另一个引脚(如12，34)该键盘的硬件电路简单，编程不复杂，适用于不需要太多功能键，不需要太多的硬件电路；但是，每一个键都会各自占据一个输入/输出端口，并且在工作中不会互相影响。矩阵键盘是用字符或图形组成的一种键盘输入设备。这种方式具有操作简便、输入速度快等优点。但是矩阵键盘也存在一些缺点：一是占用空间大；二是容易出错。在矩阵键盘中，只有一个十字键；这样一个P口就能实现16个按键功能。但相对于单独的键盘，它的硬件电路更为复杂，程序设计繁琐，检测耗时长；但是，在节约端口资源方面，独立键盘是一个更好的选择。图3.12独立按键图3.13矩阵键盘该方案使用的按键数目很少，仅有三个键，即“设置”，“减”，“加”，一端连接到GND，另一端连接到单片机。当用户按下一个键时，单片机将向其发送相应的数据；如果按错了某个键，则该信息无法发送到上位机进行显示或控制。单片机系统+5V，当电路被路由时输出为5v，否则输出为0v。如果是高电平则会产生较大的浪涌电流。而一般单片机系统都没有设置高、低电平切换开关。这就需要用相应的电源提供所需的直流电压。因此，在测试程序中，关键电压是由是否按按钮决定的。首先要确定哪个键是+5V或0V，然后再判定2个键，这样就可以完成对按键的扫描。按键的电路图如3-13所示：图3-13按键电路第六节LED显示电路LED是由Ga、As、P、N等元素组成。其中,LED发光主要靠电子和空穴之间的相互碰撞来完成。当电子与空穴结合时,它释放出一种能产生可见光的能量.在路灯、建筑景观照明、交通信号。显示屏领域应用广泛。微观层面上发光二极管的核心是一种非常微小的半导体衬底，它可以将电能转换为光能量。LED和一般的二极管一样，都是PN结，也是单向导电的。由两种不同的杂质组成的半导体结合到衬底上。在将正向电压加到LED时，由P区域的电子被推到N区域；因为两种掺入的杂质不同，电子流过两种半导体交界处时，能级降低，多余的能量会以光的形式放出，但是放出的光线波长范围很窄，导致LED只能发出单色光。LED不需要加热，通电即可发出可见光，尽管LED效率很高，但是也不是完美的；发热仍然是一个大问题，特别是那些大功率的LED。LED与单片机相连，一端与电流限制电阻器相连。没有电流通过，也不会开灯。单片机和VCC的电压分别为+5V和5V，所以上电时没有电压差异，当需要改变灯丝的亮度时，可通过调节电源频率来实现。单片机控制输出为低电平的0v，有电流流动，灯就可以点亮。为了控制过流二极管的电流，在使用时要串联限流电阻器，否则过多的电流会烧毁LED。该方案使用两个不同颜色的LED灯，一个是红的，一个是绿的，红的代表温度过高，绿的代表温度过低。图3-14LED电路第七节继电器电路继电器(relay)是一种输出电气输出回路输入的变化满足预定的要求，对受控量进行预先确定的阶跃改变的电气控制装置。该系统由控制系统(又称输入回路)和控制回路(又称输出回路)组成。其中：控制系统是由继电器和可控硅构成；而被控制回路则用单片机、可编程逻辑器件以及其他电子器件组成。在控制系统中，主要以继电器为基础。它可分为手动控制电路和自动控制电路两大类。自动控制电路采用了“自动开关”的原理来实现对大电流的快速响应。电路中有自动调整、安全保护、转换电路等功能。本设计使用的继电器属电磁式继电器。由于其结构简单，工作可靠，所以在工业上应用十分广泛。继电器有多种型式和规格，其中以电磁继电器最常见也是最常用。电磁继电器通常由铁芯、线圈、衔铁和触点簧片组成，在各行各业都有它的身影。电磁继电器主要控制的是大功率模块的通电，断电。继电器外壳上一般印有引脚图帮组判断哪些是低压控制端引脚或者接触端引脚，对应着电路符号中的引脚。一般来说，当电流流过线圈，电磁效应由此产生，从而导致接触动作被关闭或断开。但是会有两个问题：1.通电时，当电源切断时，电磁铁工作是否可靠？2.当电源接通时，电磁铁能否顺利地恢复到原有的位置呢？当电磁力于衔铁时,衔铁上的回位弹簧由于拉力而向铁芯移动,衔铁上的运动接触和静接触被分开;当电磁铁重新连接时,由于弹簧的反作用力,衔铁可以再次朝着静触点的方向移动。这样的吸放，从而达到控制和转换电路，改变接触端高压电器的高压断电状态。继电器模块电路如下图3-15所示。继电器的作用是将输入的5V电压转换为所需的电流输出。继电器与单片机连接时，先通过继电器内部的电阻R1和电容C2对继电器进行充电，然后再把单片机所需要的信号传输到继电器上，完成继电器与单片机之间的信息交换。继电器在导通和关断过程中会产生很大的冲击，特别是在继电器电流由于工作线圈的电感而流过线圈时，低电压端的瞬时电压尖峰可能比额定工作电压高几十倍。这种高电流对继电器本身及其周围设备造成了极大的危害。因此，必须采用可靠有效的保护措施来保证继电器的正常运行。而二极管则可以有效地消除这个问题，由于继电器是由二极管和VCC构成的，它可以承受这个电压尖峰而不需要额外的电子元件。所以继电器能应用在温度过高或者过低都可能发生危险的环境中。图3-15继电器电路第八节本章小节本章介绍了此次设计的主要元件，介绍了单片机的特性和各个引脚说明和单片机最小系统的组成本分。从特性参数、引脚描述、模块指令等方面描述了温度传感器DS18B20。还有其他主要元件的描述和电路图，包括对数码管的简单介绍和驱动电路的选择，蜂鸣器和键盘模块的选择，LED电路的描述和继电器的显示电路。第四章系统软硬件设计第一节程序语言及开发环境C语言是一种计算机程序设计语言，具有高级语言、汇编语言的特点。随着科学技术的发展，特别是计算机技术的迅速普及，人们对计算机软件的需求日益增加。在现代社会中应用广泛，尤其是在计算机软件方面有着举足轻重的作用。它是工作系统设计语言之一，适用于计算机硬件与软件相结合的应用程序以及应用程序编程语言；由于C语言具有良好的可扩充性，可移植性和较高的运行速度。因此，目前已广泛地用于各个领域。特别是在电子工业中，它得到了越来越多的重视。应用范围广泛，数据处理能力强，不仅能在软件开发中使用C语言，还能满足各种科研需求。KeilC51是由KeilSoftware公司开发的、与微机单片机C语言兼容的51系列软件开发系统。它采用了Keil自带的一款功能强大的C编译器和宏汇编，提供了丰富的连接器及库管理以及强大的仿真调试器功能，为用户提供了一个灵活方便的开发方案及高效稳定的集成开发环境。它支持多种汇编语言和高级程序设计技术，并具有良好的可移植性。其强大的功能使之成为目前应用最为广泛的嵌入式开发工具之一。本文介绍了该系统软件的设计思想及其实现方法。同时，它还能在编译后自动生成可执行代码。只要安装相应的编译/仿真程序就可以直接运行C语言代码，并可根据需要对程序执行结果进行分析比较。即使您不使用C语言，也只能用汇编语言编程，有了它易于使用的集成环境和功能强大的软件仿真调试工具，还可以做更多的事情。第二节系统框架分析系统流程首先就是对各种外设的引脚定义，DS18B20温度传感器定义，蜂鸣器、继电器、LED灯的引脚定义，以及三个按键的定义。然后对单片机定时器初始化，DS18B20的初始化、按键、数码管等的初始化，以获取温度显示。为了保证DS18B20传感器与单片机的正常通信，采用定时器实现对数码管的动态扫描，通电后单片读取传感器温度值。数码管显示所测量的温度值，如果超出报警值范围，相应的LED灯会亮，蜂鸣器发出鸣叫报警，启动加热膜或小风扇模拟恒温操作。如果温度值没有超出报警值范围，延时和按键扫描以查看按键是否被按到报警值范围的设置状态中；这是死循环并重复上述操作。图4.1数码管显示温度值图4.2温度超过报警值图图4.3温度低于报警值图红灯亮，风扇转动绿灯亮，加热膜加热图4.4温度上限值设置图4.5温度下限值设置红灯亮，风扇不转动绿灯亮，加热膜不加热第二节系统程序流程图主程序流程图如图4.6所示：开始初始化单片机定时器获取传感器温度值更新温度值的显示是是否超限?打开蜂鸣器和LED灯警报，并启动升温或降温设备否是按键是否被按下？否设置报警上下限延时第三节温度传感器程序设计读取温度值的流程首先是初始化传感器，传感器的工作流程如下：先将传感器按序列号顺序放入内存中；接着在程序中定义好每一节点的工作模式和地址信息，并将其存储到ROM文件当中，之后再对每个节点进行初始化，这样就可以避免不必要的死锁。其次是数据采集。在0xcc上进行ROM扫描时，首先，通过0x44控制传感器，使温度信号转换为数字信号，再次初始化传感器，过程中发送一个0xcc跳过ROM，最后发送读取温度命令0xbe，读取传感器的温度第四节本章小节本章主要介绍程序语言和开发环境，用c语言编程，运行在KeilC51软件中，是一个易于使用的集成环境和强大的软件仿真调试工具。系统程序流程图首先是获取传感器温度，然后判断是否超过限制范围，再判断按键是否按下以此进入报警范围的设置。最后通过延时再返回温度显示。温度传感器程序图描述了整个主程序运行的过程包括两次初始化传感器，两次跳过指令，温度转换指令，最后是读取温度指令。第五章模块调试与系统安装第一节元器件的选择与测量本次设计的主要元器件主要有：STC89C52单片机、数码管、蜂鸣器、温度传感器、电源插座、电源开关、按键、LED灯、继电器、加热膜、风扇等。这几个模块组合起来就可以实现本系统设计的要求。在进行焊接前之前，认真查找资料了解每个元器件的特性；检查每一个模块的可使用性，确保模块是可以使用的。其中，应焊接元件的正负极性、电阻电容、芯片引脚顺序等细节。对于晶体二极管，要根据其特点选择合适型号，并进行封装处理；对于数码管，需要先测试电流是否正常，然后再判断器件工作情况。另外还需关注温度变化对电路影响。第二节元件的焊接与组装1.电烙铁的选择在选择电烙铁时最好选择温度可以调节的，通过转动旋钮调节想要的温度.我们都知道，瓦数越高，温度越高。如果选择只有20-30瓦功率的直流电烙铁，功率较低，温度是比较难把焊锡融化的.选择80-100瓦的电烙铁又容易被面包板烧坏。所以功率在50瓦左右的电烙铁是合适的，既能融化焊锡又不会损坏面包板。2.焊接说明在集成电路装配过程中，焊接是最重要的工序之一，而接线又是其中最为关键的一环。为了对焊丝进行检查和跟踪，可以根据电路中导线的不同功能选用不同颜色的线路。正极电源与负极电源通过地线或信号线连接。焊接时接线要牢固可靠；连线的目的是为了保护电路芯片，使电路芯片能正常工作。如果引线过短或过密都会引起短路现象；若连接得很紧，则可能使电流从内部流过而产生热裂纹。因此，连接线要尽量缩短或去掉多余部分。同时，导线不能重叠，尽可能不要穿透电路元件。在焊接引脚数较多的，不用按顺序把说有引脚焊接起来，可以把对脚焊接起来，焊接好后将手按住元件，使其更好的贴合面包版。再次融化这两个脚，就能与面包板很好的贴合。机械稳固性不强，一般是由于焊枪和被焊工件之间有间隙造成的。当间隙较大时，焊枪容易发生偏移。影响焊缝质量；当间隙较小时，则不能保证焊缝成形美观。焊接过程中，经常会发生短路。解决方法是同时熔化两个点，然后用牙签在它们之间传递和分离。再用烙铁对两个点修复，把多余的锡吸走。在进行连线时，距离短的2-3个点用焊锡连上。7-8个点可以用刚才从其他元件剪下的较长引脚连接。距离更长时，用导线链接，这时元件引脚不够长，用焊锡又浪费时间和焊锡。先去掉导线外的绝缘层，漏出铜芯，先用烙铁融化这个点，将导线伸进烙铁，再撤走烙铁就固定好了。另一端也是如此。需要特别注意的是导线露出的铜芯不要太多，有两根或多根露出过多的导线一起使用时，两根铜芯很容易缠在一起短路，造成板子不工作。分离元件时，应仔细识别装置的前后，标签还放置在便于观察和调试的位置。最后对电路进行了测试与分析。本文通过具体实例阐述了用万用表和示波器检测直流稳压电源的方法及步骤。当出现元件出现焊接错时，找一个比较扁的工具，如镊子，稍微用力将元件翘起来，同时用烙铁来回加热焊接点，直至焊接点同时融化，取出元件。为了使电路正常工作并投入使用，所有接地导线必须连接到一起，形成共同的参考点。而这一参考点就是地线连接端(简称地脚)，它是整个线路中最薄弱的部位，也是最易损坏的地方。因此，地脚的质量就显得尤为重要了。正确的装配方法和合理安排，不仅使电路清洁、美观、可靠，还有利于检查、调试、故障排除。单片机最小系统的焊接首先焊接单片机的座子，先焊接对脚，再依次焊接剩下的引脚。晶振焊接在单片机旁边，与单片机的18，19引脚连接，在晶振旁边焊接两个30pf的电容。接下来是排阻，排阻上有文字的一面朝着单片机，对准P0口。排阻是一一和单片机连接的，这一段在焊接时容易短路，需要特别细心。复位电路焊接好后再加一个10uf的电容，这个电容是有正负的，长正短负。最后是将单片机插入座子，座子是没有方向的，只起一个导电的作用。但是单片机方向就不能反，缺口一定和晶振不在同一方向.在放置单片机时，需要将单片机引脚往内压一下，以便插入座子。放置好后西药检查有没有引脚没有压进去。按键焊接按键是一个在焊接时出错率比较高的元件，按键有光滑面和有引脚的面.所以按键是有方向的，不能随便焊接.在焊接之前，确保有引脚的面是在左边和右边.当引脚面在上边和下边时，需要将按键取出来，向左或向右转动90度，再进行焊接.电源模块的焊接电源模块由电源座和电源开关组成.电源座的作用是方便接电源线的.电源座只有3个引脚，焊接前，直接将电源座插入面包版.在遇到孔比较小的板子时，可以用镊子在孔前后挖两下，孔就会变大，方便电源座插入。电源开关引脚较多，有六个.正常情况下，底部有凹槽的一边在上边，即按键按下去是开，再按一下按键弹起是关.如果焊接反了，逻辑就刚好相反.按键按下去是关，再按一下按键弹起是开；并不影响正常使用.在焊接好两个元件后，再用导线连接起来.继电器焊接继电器背面有5个引脚。因为继电器的引脚位置和板子是不匹配的.在焊接时遇到的第一个问题就是继电器很难直接插到板子上。需要对其引脚位置进行调整.用镊子分别将两边最外面的两个引脚往里稍微掰弯.然和再把单独的引脚往外掰.直到找到合适的位置，插入面包板。即使调整了引脚位置，但继电器和板子间仍有空隙，不能完全贴合.通常继电器会配备一个接线柱，在焊接时，孔大一面是朝外的.外围设备可以通过接线柱连接，而不用焊接，方便设备的更换.外围设备的连接本次设计除了对温度进行测量显示之外，还需要对温度进行控制，即升温或降温。所以需要接入外围设备，小风扇和加热膜。在连接外围设备前，需要将外围设备导线的头剪掉，去掉外面的绝缘层.由于露出的导线较软，可以找一些电阻、电容和LED灯的引脚和导线缠在一起，再用焊锡包围起来，形成一个整体，增加其强度.接下来便可以将设备接入接线柱，用螺丝刀逆时针旋转，接线柱的口就会变大，将导线塞进去，顺时针将螺丝拧紧，就完成了外围设备的安装.第三节电路的调试在整个系统的运行过程中，调试占有重要地位，它既可以为下一步的电路设计提供依据，又能检查出问题并加以解决。调试包括两方面内容：一是安装；二是运行。电路组装完成后，对电路参数和工作条件进行测量，并对部分电路参数进行调整，使其符合设计要求。由于电子产品体积越来越小、功能越来越复杂，因此，为了使产品更好地满足用户需求，必须做好电子产品的测试工作。电子产品的测试过程比较复杂，涉及到很多方面的知识。所以，必须要熟悉各种测试方法。在调试前，我们需要了解一些关于测试对象、测试阶段、调试的方法以及使用的工具，以确保调试的顺利进行。一、调试方法根据主框图的功能，将复杂的电路分解为安装调试单元；首先是安装调试过程中的调试方法，其次是对整机进行全面地测试。在单元调试基础上逐步扩展安装调试范围；包括：输入电压、频率等参数的测量与分析以及输出波形、电流波形及噪声水平的测定。最后完成整机调试。其步骤主要包括：1.确定组装顺序和元器件布局；2.检查各元件及连接关系；3.调整各点电压值等工作。第一种方法适用于简单结构的电路设计。新设计的电路经常使用这种方法。第二种是对电路系统进行焊接和一次性调试。在此方法中，只需要把一个元件连接到另一元件上就可以了。第三种方法是采用“一次测试”法和“二次测试”法来完成电路的全部功能验证过程。二、调试步骤(1)通电前检查焊接好后，不要急于启动电路，首先要根据电路电路原理仔细检查线路连接是否正确，包括可能出现的接线错误(一端正确，一端不正确)；接线时一定要注意安装位置和接线方向，以免造成电路两端短路或引脚、焊点与图纸相碰而损坏图纸。如有问题应及时调整或更换元器件；若出现故障，可采用下列方法进行检修：1.检查各接头处有无松动现象；2.检查各段线路及接头的绝缘性能；3.如果不符合要求，则应调整终端数量或重新绘制图纸。 (2)通电观察电路安装好之后，打开电源(电源打开前关掉开关，打开电源后再打开开关)。观察电路是否运行正常，如果短路，应立即停止工作。如果没有出现上述故障现象时，则说明该设备已经通电，可以对其进行测试；若发生了以上故障现象时，应将电源关掉，重新开机测试，直到故障排除为止。若是由于元器件老化、损坏引起的断路或短路时，则应更换新器件。如发现个别线路存在问题，也要及时修复，以免影响整机性能和使用寿命。 (3)单元电路调试首先确定调试的顺序，然后根据电路块的信号电流分析电路，最后将输出信号和输入信号进行比较，确定电路是否工作正常。主要目的是核实主要部件是否正常工作，通过在静态调试过程中，需要调整有源器件的静态工作点，减小外部信号干扰和电路元件上电位不平衡等因素带来的影响。动态调试是指在下一步工作中对输出信号进行检测和分析，根据设计要求，调整信号幅度、波形、相位关系以及放大率等参数，使之与所需频率相匹配。对于信号发生电路，通常我们只看到动态指标。静态和动态测试结果是否达到了设计指标，电路的参数是否正确？动态调试则是根据实际应用要求对其参数进行调