畢業(yè)設計---基于單片機的智能恒溫箱的設計

1、<p>　　基于單片機的智能恒溫箱的設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著智能控制技術的不斷發(fā)展，在現(xiàn)代工農業(yè)生產以及科研實驗的許多場合，需要及時準確地獲取溫度信息，并完成對溫度的預期控制。單片機在檢測和控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用，溫度則是系統(tǒng)需要測量、控制和保持的一個量。因此，對溫度系統(tǒng)的設計與研究一直備受廣大科研工

2、作者的重視。</p><p>　　本設計的溫度自動控制系統(tǒng)，是以ATMEL公司推出的功能較強的8位80C51單片機為控制核心，設計具有溫度設定靈活、數(shù)字顯示及語音報警等功能的糧庫溫度控制器，經改造可用于其它量的控制。</p><p>　　文章從硬件和軟件兩方面介紹了80C51單片機溫度控制系統(tǒng)的設計，對硬件原理圖和程序圖作了簡潔的描述。此次設計的溫度控制系統(tǒng)主要是由中央控制器、溫度檢測器、

3、顯示器等模塊組成。溫度檢測部分采用DS18B20溫度傳感器，用LED數(shù)碼管做顯示器。溫度傳感器DS18B20采集溫度信號送給單片機，單片機對信號進行相應處理，并把溫度數(shù)據(jù)送LED顯示，從而實現(xiàn)對溫度控制的目的。</p><p>　　關鍵詞：80C51單片機；恒溫箱；溫度控制 </p><p>　　Design for Constant Temperature System Of Intel

4、ligent Based on MCU System</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the continuous development of intelligent control technology, it is necessary to know temperature information correc

5、tly and immediately in modern industry, agriculture, research and experiment, and accomplish control to the temperature. Thus MCU get wide application in measurement and control system. Temperature is a number which need

6、s system to detect, control and keep. Therefore many researchers always attach much importance to the design and research of temperature system.</p><p>　　Taking a strong function 8 bit MCU—80C51 which is int

7、roduced by ATMEL company for core, temperature-automatic control system aims to design a temperature controller for grain situation witch has those functions: flexible temperature set, figure display, voice alert, etc. A

8、fter modified, it can be used to control other numbers . </p><p>　　The paper gives an introduction about the design of MCU-80C51 temperature control system in software and hardware. The paper also brief

9、ly describes the hardware schematic graphic and program chart. The temperature control system of this design is mainly composed by central controller, temperature detector, display, etc. in the temperature detecting part

10、, it adopts temperature sensor DS18B20, and displays with LED digital tube. The temperature sensor DS18B20 capture temperature signal and send to</p><p>　　Key Words: MCU—80C51；Incubator；Temperature control&l

11、t;/p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　引 言1</b></p><p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景2</p><p>　　1.2 課題研究的意義2</p

12、><p>　　1.3 課題研究的內容2</p><p>　　第2章 智能恒溫箱的系統(tǒng)概述4</p><p>　　2.1 系統(tǒng)的主要功能4</p><p>　　2.2 系統(tǒng)需求分析5</p><p>　　2.3 智能恒溫箱的工作流程5</p><p>　　2.4 恒溫箱的工作過程7<

13、/p><p>　　2.5 本章小結7</p><p>　　第3章 智能恒溫箱的硬件設計8</p><p>　　3.1 硬件的電路設計概述8</p><p>　　3.2 總體硬件原理圖8</p><p>　　3.3 時鐘電路設計10</p><p>　　3.4 復位電路設計10</p

14、><p>　　3.5 顯示電路的設計11</p><p>　　3.5.1 顯示電路概述11</p><p>　　3.5.2 七段LED數(shù)碼管的原理11</p><p>　　3.5.3 顯示電路整體設計13</p><p>　　3.6 開關鍵盤設計14</p><p>　　3.6.1 指撥開

15、關14</p><p>　　3.6.2 按鍵開關14</p><p>　　3.7 指示燈電路15</p><p>　　3.8 溫度采集電路16</p><p>　　3.9 本章小結19</p><p>　　第4章 軟件設計20</p><p>　　4.1 軟件任務分析20</

16、p><p>　　4.2 程序流程圖20</p><p>　　4.3 本章小結25</p><p><b>　　結論與展望26</b></p><p><b>　　致 謝27</b></p><p><b>　　參考文獻28</b></p&g

17、t;<p>　　附錄A PROTUES仿真圖29</p><p><b>　　硬件原理圖30</b></p><p>　　附錄B 一篇引用的外文文獻及其譯文31</p><p><b>　　80C5133</b></p><p>　　附錄C 主要參考文獻題錄及摘要37<

18、/p><p>　　附錄D 主要源程序39</p><p><b>　　插圖清單</b></p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)主要功能模塊方框圖4</p><p>　　圖2-2 恒溫箱工作流程6</p><p>　　圖3-1 總體硬件原理圖9</p><p>　　圖3-2

19、外部振蕩電路10</p><p>　　圖3-3 硬件復位電路11</p><p>　　圖3-4 一位共陰極數(shù)碼管引腳圖12</p><p>　　圖3-5 顯示電路13</p><p>　　圖3-6 開關電路14</p><p>　　圖3-7 按鍵抖動電壓波形15</p><p>　　

20、圖3-9 溫度指示燈電路16</p><p>　　圖3-10溫度采集電路16</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖21</p><p>　　圖4-2 溫度設定子程序流程圖22</p><p>　　圖4-3 溫度采集計算子程序流程圖23</p><p>　　圖4-4 溫度比較處理子程序流程圖24<

21、/p><p>　　圖4-5 溫度顯示子程序流程圖24</p><p><b>　　表格清單</b></p><p>　　表3-1 七段顯示譯碼器的真值表及段碼表12</p><p>　　表3-2 DS18B20暫存器字節(jié)分配19</p><p><b>　　引言</b&g

22、t;</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于社會生活的各個領域 ，如家電、汽車、材料、電力電子等 ，常用的控制電路根據(jù)應用場合和所要求的性能指標有所不同 ，在工業(yè)企業(yè)中，如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術人員努力解決的問題，開發(fā)出性能較好的溫度控制系統(tǒng)對于測控技術的發(fā)展具有很大的意義。</p><p>　　采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，因其內部集成了A/D

23、轉換器，使得電路結構更加簡單，而且減少了溫度測量轉換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。數(shù)字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳即可與單片機進行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器DS18B20做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性。更能串接多個數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行多范圍的溫度檢測。</p>&l

24、t;p>　　由于單片機功能強大，可大大加快系統(tǒng)的開發(fā)與調試速度，并具有控制方便、簡單、靈活等特點，因此本設計硬件電路以80C51單片機為核心來實現(xiàn)溫度控制，具有實用性強、可靠性強等特點。</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景</p><p>　　二十一世紀是科技高速發(fā)展的信息時代，電子技術、

25、微型單片機技術的應用更是空前廣泛，是隨著超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展而誕生的。由于它具有體積小、功能強、性價比高等特點，所以廣泛應用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、軍事裝置、機器人、工業(yè)控制等諸多領域，使產品小型化。智能化，既提高了產品的功能和質量，又降低了成本，簡化了設計。它迅猛的發(fā)展到了各個領域，人們也越來越感到應用單片機技術的優(yōu)越性，因而單片機也得到了廣泛的應用。同時，它也不斷地完善和發(fā)展。</p><p>

26、　　智能恒溫箱的溫度是醫(yī)療、工業(yè)生產和食品加工等領域的關鍵，因此對溫度的測量及控制始終占據(jù)著重要的地位。市場上常見的溫度傳感器以電壓輸出為主要形式，不同的的傳感器其非線性曲線也各不相同，缺乏一個產品應具備的通用性和互換性。溫度傳感器應用范圍很廣、使用數(shù)量很大，但是在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中由于溫度受其它因素影響較大，而且難以校準，因此，溫度也是最難準確測量的一個參數(shù)。常規(guī)方法測量溫度誤差大、準確度低、測量滯后的時間長。</p>&

27、lt;p>　　今年來，國內傳感器正向著集成化、智能化、網(wǎng)絡化和單片機的方向發(fā)展，為開發(fā)新一代溫度測量系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。</p><p>　　在智能恒溫箱控制系統(tǒng)的設計中，用數(shù)字傳感器將溫度信號以數(shù)字信號的方式傳送給單片機，經單片機處理后的溫度數(shù)值，一方面送LED數(shù)碼管顯示；另一方面與給定值經行比較，判斷溫度高低，從而采取相應的措施：加熱或者制冷。使溫度達到設定值。</p><p>

28、　　智能恒溫箱主要是用來控制溫度，他為農業(yè)研究、生物技術、測試提供所需的各種環(huán)境模擬條件，因此可廣泛適用于藥物、紡織、食品加工等無菌試驗、穩(wěn)定性檢查以及工業(yè)產品的原料性能、產品包裝、產品壽命等測試。</p><p>　　隨著單片機技術的飛速發(fā)展，通過單片機對被控制對象控制日益廣泛，具有體積小、功能強、性價比高等特點，把單片機應用于溫度控制系統(tǒng)中可以起到更好的控溫作用，智能恒溫箱是使用單片機進行溫度控制的典型應用，

29、采用單片機做主控單元可完成對溫度的采集和控制等的要求。</p><p>　　1.2 課題研究的意義</p><p>　　智能恒溫箱的性能在很大程度上取決于對溫度的控制性能，本課題采用單片機為主控制器，通過數(shù)字傳感器測得箱內溫度，再將溫度信號送入主控制器，來完成恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)的硬件。箱內溫度可保持在設定的溫度范圍內，當設置的溫度低于實時溫度時，單片機送出加熱信號；當設置的溫度低于實時溫

30、度時，單片機送出制冷信號。</p><p>　　1.3 課題研究的內容</p><p>　　本次課題只設計溫度采集，溫度顯示，和溫度控制信號的送出部分，對于如何保溫，如何加熱和制冷不在此次設計的范圍內。本系統(tǒng)采用模塊化設計智能恒溫箱，系統(tǒng)上電后默認設定的恒溫溫度為20℃，使用時可以自行調節(jié)預期的恒溫溫度，調節(jié)范圍為0~99℃。調節(jié)好后系統(tǒng)會將采集來的實時溫度與設定的預期溫度進行比較，如果實

31、時溫度比設定溫度高就開啟制冷設備，如果實時溫度比預期溫度低就開啟加熱設備。如果溫度一樣則不開啟加熱或制冷設備。在顯示電路上通常顯示的是實時的溫度，即傳感器采集來的溫度，如果想要顯示人們設定的預期溫度可以按顯示切換鍵，這時顯示器上就會顯示預期溫度，幾秒鐘后跳回，顯示實時溫度。顯示實時溫度時，表示顯示的是實時溫度的發(fā)光二極管點亮。而顯示預期溫度的時候，表示顯示的是預期溫度的發(fā)光二極管點亮。</p><p>　　本論文

32、章節(jié)的結構和內容如下：</p><p>　?。壕w論。簡要介紹了智能恒溫箱的發(fā)展現(xiàn)狀，說明了課題研究的內容。</p><p>　?。褐悄芎銣叵涞母攀?。說明了恒溫箱的工作過程和主要功能，介紹了設計中需要用的單片機的基礎知識，確定了本課題要達到的設計目標。</p><p>　?。褐悄芎銣叵涞挠布娐吩O計。詳細描述了本課題各個組成電路單元的設計。</p>&l

33、t;p>　　：智能恒溫箱的軟件設計。編寫程序。</p><p>　?。嚎偨Y?？偨Y本次設計，指出設計中的一些問題，提出改善意見，并展望未來的設計。</p><p>　　智能恒溫箱的系統(tǒng)概述</p><p>　　2.1 系統(tǒng)的主要功能</p><p>　　本系統(tǒng)是借用單片機采用模塊化設計的智能恒溫箱，包括溫度設定按鈕，溫度顯示，溫度調節(jié)，實

34、時溫度顯示和預定溫度顯示轉換按鈕，溫度采集等（根據(jù)需要也可另設或者多設相關功能）。顯示系統(tǒng)除了顯示實時的溫度還能顯示設定的溫度，也就是人們想要保持的溫度。</p><p>　　系統(tǒng)的主要功能模塊方框圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)主要功能模塊方框圖</p><p>　　本系統(tǒng)是采用模塊化設計的智能恒溫箱，在生活中有廣泛的應用，系統(tǒng)上電后默認設定

35、的恒溫溫度為20℃，使用時可以自行調節(jié)預期的恒溫溫度，調節(jié)范圍為0~99℃。調節(jié)好后系統(tǒng)會將采集來的實時溫度與設定的預期溫度進行比較，如果實時溫度比設定溫度高就開啟制冷設備，如果實時溫度比預期溫度低就開啟加熱設備。如果溫度一樣則不開啟加熱或制冷設備。在顯示電路上通常顯示的是實時的溫度，即傳感器采集來的溫度，如果想要顯示人們設定的預期溫度可以按顯示切換鍵，這是顯示器上就會顯示預期溫度，幾秒鐘后跳回，顯示實時溫度。顯示實時溫度時，表示顯示的

36、是實時溫度的發(fā)光二極管點亮。而顯示預期溫度的時候，表示顯示的是預期溫度的發(fā)光二極管點亮。</p><p>　　單片機整個恒溫箱的核心，內部電路設計用匯編語言編寫。它完成了溫度參數(shù)設定，溫度采集計算，溫度顯示，溫度比較，溫度調節(jié)等功能。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)需求分析</p><p>　　在使用中可以將采集來的溫度數(shù)據(jù)計算轉換為我們熟悉的攝氏溫度。</

37、p><p>　　在0~99℃的范圍內，人們可以自由調節(jié)預期達到的溫度。</p><p>　　可以將實時溫度與預期溫度進行比對，以正常調節(jié)溫度。</p><p>　　將設定的預期溫度和實時溫度能顯示出來。</p><p>　　通常顯示實時溫度，當按下顯示切換鍵后能顯示幾秒鐘的預期溫度。</p><p>　　2.3 智能恒溫箱

38、的工作流程</p><p>　　智能恒溫箱的基本工作原理：在使用恒溫箱時，系統(tǒng)會將從溫度傳感器采集來的溫度轉化為攝氏度的形式，與事先設定的預期溫度進行比對，然后根據(jù)比對的結果采取相應的措施（加熱，或制冷）來不斷地接近以至于達到預期的溫度。并且系統(tǒng)能夠顯示實時的溫度和設定的預期溫度。恒溫箱的工作流程如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 恒溫箱工作流程</p><

39、p>　　2.4 恒溫箱的工作過程</p><p>　　設定預期溫度。如果想調節(jié)預期的溫度，先閉合“溫度設定”開關，進入調節(jié)狀態(tài)，此時會顯示設定的溫度值，如果想加一攝氏度就按下“加1℃”鍵，如果想減一攝氏度就按一下“減1℃”鍵，溫度LED顯示器上會顯示改變后的溫度，調整范圍為0~99℃。0℃時再減1℃會跳到99℃，99℃時再加1℃會跳到0℃。要退出調節(jié)狀態(tài)，斷開“溫度設定”開關即可。</p>&

40、lt;p>　　溫度采集和計算。單片機通過與溫度傳感器進行通信，獲取實時溫度信息，并將所獲取的溫度信息數(shù)據(jù)轉化為攝氏溫度的形式存儲起來。</p><p>　　溫度比較和溫度調節(jié)。將存儲的實時攝氏溫度與設定的預期溫度經行比較。如果實時溫度高于設定溫度，則開啟制冷器；如果實時溫度低于設定溫度，則開啟加熱器。</p><p>　　實時溫度顯示。將存儲的實時溫度顯示在LED數(shù)碼管上。</

41、p><p>　　設定溫度顯示。若想查看設定的預期溫度，則需按下“溫度顯示切換”按鍵，然后LED顯示器就會顯示設定預期的溫度，顯示時間為數(shù)秒，跳出預期溫度的顯示。若再想查看預期溫度顯示需再次按下“溫度顯示切換”按鍵。</p><p>　　總而言之，本課題利用80C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的溫度控制系統(tǒng)設計了恒溫箱，該恒溫箱提高了系統(tǒng)的可靠性，簡化了電路結構，節(jié)約了成本，是一個實用的工程設計。&l

42、t;/p><p><b>　　2.5 本章小結</b></p><p>　　本章主要講述了恒溫箱的工作原理和本設計系統(tǒng)的工作流程。在說明工作原理的過程中，突出了電路的組成單元以及這些單元如何實現(xiàn)溫度采集和溫度控制等功能。在說明系統(tǒng)流程時，結合本設計的內容，指出了參數(shù)設置的方法和意義。</p><p>　　智能恒溫箱的硬件設計</p>

43、<p>　　3.1 硬件電路設計概述</p><p>　　本設計分為硬件設計和軟件設計，這兩者相互結合，不可分離：從時間上看，硬件設計的絕大部分工作量是在最初階段，到后期往往還要做一些修改。只要技術準備充分，硬件設計的大量返工是比較少的，軟件設計的任務是貫徹始終的，到中后期基本上都是軟件設計任務，隨著集成電路計數(shù)器的飛速發(fā)展，各種功能很強的芯片不斷出現(xiàn)，使硬件電路的集成度越來越高，硬件設計的工作量在整個

44、項目中所占的比重逐漸下降，為使硬件電路設計盡可能合理，應注意以下幾個方面：</p><p>　　盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路。功能強的芯片可以代替若干個普通芯片，隨著生產工藝的提高，新型芯片的價格在不斷下降，并不一定比若干個普通芯片價格總和高。</p><p>　　留有設計余地。在設計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。因為很少有一錘定音的電路設計，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為

45、一點小小的修改或擴展而被迫進行全面返工。</p><p>　　程序空間。選用片內程序空間足夠大的單片機，本設計采用80C51單片機。</p><p>　　RAM空間，80C51單片機內部RAM不多，當要增強軟件數(shù)據(jù)處理功能時，往往覺得不足。如果系統(tǒng)配置了外部RAM，則建議多留一些空間。如果選用8155作I/O接口，就可以增強256字節(jié)RAM。如果有大批數(shù)據(jù)需要處理，則應配置足夠的RAM，如

46、6264、62256等。隨著軟件設計水平提高，往往只要改變或者增加軟件中的數(shù)據(jù)處理算法，就可以使系統(tǒng)功能提高很多，而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級換代。只要在硬件電路設計初期考慮到這一點，就應該為系統(tǒng)將來升級留有足夠的RAM空間，哪怕多設計一個RAM插座，暫時不插芯片也好。</p><p>　　I/O端口，在樣機研制出來后進行現(xiàn)場試用時，往往會發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如

47、果有些新的信號需要采集，就必須增加輸入檢測端：有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件電路設計就預留出一些I/O端口，雖然當時空著沒用，那么要用的時候就能派上用場了。</p><p>　　3.2 總體硬件原理圖</p><p>　　總體硬件原理圖如圖3-1所示，圖中主要部分U1芯片為80C51單片機，U2為溫度傳感器DS18B20。溫度傳感器接到單片機的P1.2口。兩個發(fā)光二極管“

48、HEAT”和“COOL”分別表示傳送給加熱器和制冷器的啟動信號，分別接到單片機的P1.0，P1.1口。如果“HEAT”燈點亮表示加熱器在工作；如果“COOL”燈點亮表示制冷器在工作。按鍵“溫度顯示切換”是用于切換顯示預設的溫度的按鍵，接單片機的P2.7口。還有兩個發(fā)光二極管分別是“實時溫度”和“設定溫度”，表示當前數(shù)碼管顯示的是實時溫度還是設定溫度，若“實時溫度”的發(fā)光二極管點亮表示數(shù)碼管顯示的實時溫度，若“設定溫度”的發(fā)光二極管點亮則

49、</p><p>　　圖3-1 總體硬件原理圖</p><p>　　則表示數(shù)碼管當前顯示的是設定溫度。兩個數(shù)碼管分別接單片機的P2.6，P2.5口。圖中有兩個七段共陰數(shù)碼管，它的字段碼信號端口接到單片機的P0.0~P0.6口，公共端接單片機的P2.0和P2.1口。開關“溫度設定”接單片機的P2.2口，按鈕“加1℃”和“減1℃”分別接單片機的P2.3和P2.4口。按閉合“溫度設定”開關進入預

50、期溫度的設定，按“加1℃”，“減1℃”按鈕來加減溫度。</p><p>　　3.3 時鐘頻率電路設計</p><p>　　單片機必須在時鐘的驅動下才能工作，在單片機內部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產生一定周期的時鐘信號送到單片機內部的各個單元，決定單片的工作頻率，時鐘電路如圖3-2 所示。</p><p>　　圖3-2 外部振蕩電路</p>

51、;<p>　　一般選用石英晶體振蕩器。此電路大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL2引腳產生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要有石英晶體的頻率確定。電路中兩個電容C1、C2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調。C1、C2的典型值為30pF。</p><p>　　單片機工作時，由內部振蕩器產生或由外直接輸入的送至內部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期，其大小

52、是時鐘信號頻率的倒數(shù)，時鐘信號頻率常用fosc表示。圖中時鐘頻率為12MHz，即fosc=12MHz，則時鐘周期為1/12μs。</p><p>　　3.4 復位電路設計</p><p>　　單片機的第9腳RST為硬件復位電路，只要在該端加上持續(xù)4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復位，復位后單片機的各個狀態(tài)都恢復到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖3-3所示。</p><p>　　

53、圖3-3中由按鍵以及電容C1、電阻R1、R2構成上電復位及手動電路。由于單片機是高電平復位，所以上電復位時，接通電源即可，當上電后，由于電容C1開始緩緩充電，則圖中電路由5V電源到電容到電阻R1和地之間形成一個通路，由于在R1上產生電壓降，則單片機的RST腳上為高電平，經過一段時間后電容的電充滿，此時C1處可視為斷路，單片機RST腳處電壓逐漸降為0V，即處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時單片機完成上電復位，程序從0000H開始執(zhí)行。手動復位時，

54、按一下圖中的按鈕即可，當按鍵按下的時候，單片機的9腳RST管腳處于高電平，此時單片機處于復位狀態(tài)。</p><p>　　值得注意的是，在設計當中使用到了硬件復位電路和軟件復位兩種功能，由上面所述的硬件復位之后的各狀態(tài)可知，寄存器的值都恢復到了初始值，而前面的功能介紹中提到了倒計時時間的記憶功能，該功能實現(xiàn)的前提條件就是不能對單片機進行硬件復位，所以設定了軟件復位功能。軟件復位實際上就是當程序執(zhí)行完畢之后，將程序指

55、針通過一條跳轉指令讓它跳轉到程序執(zhí)行的起始地址。</p><p>　　圖3-3 硬件復位電路</p><p>　　3.5 顯示電路的設計</p><p>　　3.5.1 顯示電路概述</p><p>　　示功能與硬件關系極大，在這里我們使用的是七段數(shù)碼管顯示，通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)掃描。其中靜態(tài)顯示

56、的特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多；動態(tài)掃描的特點是顯示穩(wěn)定程度沒有靜態(tài)顯示好，程序編寫復雜，但是相對靜態(tài)顯示而言最大的優(yōu)點是占用端口資源少。由于本設計需要較多的端口用于其它的功能因此采用占用端口少的動態(tài)掃描顯示的辦法。以下將對顯示電路的各個部件及整體設計做詳細的介紹。</p><p>　　3.5.2 七段LED數(shù)碼管的原理</p><p>　　LED數(shù)碼管顯示器由8個

57、發(fā)光二極管中的7個長條發(fā)光二極管（稱七筆段）按a、b、c、d、e、f、g順序組成“8”字形，另一個點形的發(fā)光二極管放在右下方，用來顯示小數(shù)點。數(shù)碼管按內部連接方式又分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。若內部8個發(fā)光二極管的陽極連在一起接電源正極，就成為共陽極數(shù)碼管；若8個發(fā)光二極管的陰極連在一起接地，測稱為共陰極數(shù)碼管。</p><p>　　本次設計所用的到的共陰極數(shù)碼管的引腳如圖3-4所示，外部有10個引腳，其

58、中1和6引腳連通，作為公共端接地。</p><p>　　圖3-4 一位共陰極數(shù)碼管引腳圖</p><p>　　從LED數(shù)碼的結構可以看出，不同筆段的組合就何以構成不同的字符，例如筆段b、c被點亮時，就可以顯示數(shù)字1：當筆段a、b、c被點亮時，就可以顯示數(shù)字7；只要控制7個發(fā)光二極管按一定要求亮與滅，就能顯示出十六進制字符0~F。將控制數(shù)碼管顯示字符的各字段代碼稱為顯示代碼或字段碼。<

59、/p><p>　　數(shù)碼管顯示碼是表述二進制數(shù)與數(shù)碼管所顯示字符的對應關系的，如表3-1所示。對于共陰極數(shù)碼管，由于8個發(fā)光二極管的陰極已連在一起接地，所以，只要控制各字段的正極，就可以控制發(fā)光二極管的亮與滅。</p><p>　　表3-1 七段顯示譯碼器的真值表及段碼表</p><p>　　3.5.3 顯示電路整體設計</p><p>　　顯示電

60、路如圖3-5 所示：</p><p><b>　　圖3-5 顯示電路</b></p><p>　　圖中RP1為電阻盒，相當于8個獨立的電阻的一端接在一起并接電源，另外一端分別接出引線，在顯示電路中作為上拉電阻。圖中有2個七段LED數(shù)碼管，它們的公共端1、2分別接到單片機的P2.0、P2.1口，單片機的這2個I/O口輸出位選信號用于動態(tài)掃描。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用

61、分時的方法，輪流控制各個LED數(shù)碼管的公共端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間是極為短暫的（約1ms），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。而單片機的P0.0~P0.6口則負責將字段碼數(shù)據(jù)傳送給LED數(shù)碼管。</p><p>　　3.6 開關鍵盤設計</p>

62、;<p>　　3.6.1 指撥開關</p><p>　　指撥開關面板上通常會標有“ON”或其他記號，若將開關撥到“ON”的一邊，則接點接通（on），撥到另一邊則為斷開（off）。若要以開關作為輸入電路，通常會接一個電阻到Vcc或GND，做上拉電阻或下拉電阻，如圖3-6所示有兩種開關電路可供選擇。</p><p><b>　　b)</b></p>

63、;<p><b>　　圖3-6 開關電路</b></p><p>　　本設計的溫度設定允許和退出按鍵是選用如圖3-6中a)所示的設計，低電平為進入溫度設定，高電平為退出溫度設定。</p><p>　　3.6.2 按鍵開關</p><p>　　按鍵開關為機械彈性開關，當按下鍵帽時，按鍵內的復位彈簧片被壓縮，動片觸電與靜片觸電相連，鍵

64、盤的兩個引腳被接通；松手后，復位彈簧將動片彈開，使動片與靜片脫離接觸，鍵盤的兩個引腳被斷開。由于機械接觸點的彈性作用，一個按鍵從開始接上至接觸穩(wěn)定要經過5~10ms的抖動時間，在此期間，有抖動發(fā)生。按鍵抖動波形如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7按鍵抖動電壓波形</p><p>　　按鍵開關輸入需要解決的兩個主要問題是判斷是否有按鍵按下和消除按鍵抖動的影響。按鍵的確認反映在電壓上

65、，就是和按鍵相連的引腳呈現(xiàn)出高電平還是低電平。消除按鍵的抖動通常有硬件、軟件兩種消除方法。一般在按鍵較多時，采用軟件的方法消除抖動，即在第一次檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一段延時12~15ms的子程序后，再確認該鍵電平是否任保持為閉合狀態(tài)電平，如果保持為閉合狀態(tài)電平就可以確認真有按鍵按下，從而消除抖動的影響。</p><p>　　一般電子裝置中都設計有按鍵輸入，用以控制程序執(zhí)行時數(shù)據(jù)的輸入或是特殊功能的設置及操作。在

66、控制電路中，如果按鍵數(shù)不多是可以使用一個按鍵對應一條輸入位線控制，即獨立式按鍵。這種接法，一根輸入線上的按鍵是否被按下，不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷哪個鍵按下了。獨立式按鍵可以用單穩(wěn)態(tài)鎖存器消除抖動。</p><p>　　如果監(jiān)控程序中的讀鍵操作安排在主程序（后臺程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中，則該延時子程序便可直接插入讀鍵過程中。如果讀鍵過程安排在定時中斷

67、子程序中，就可省去專門的延時子程序，利用兩次定時中斷的時間間隔來完成抖動處理。</p><p><b>　　3.7 指示燈電路</b></p><p>　　在實時溫度和設定溫度切換時，為了明白LED數(shù)碼管顯示的是哪種溫度，可以用兩個發(fā)光二極管來指示，如果標有“實時溫度”標記的發(fā)光二極管點亮，則表示數(shù)碼管顯示的是實時溫度，如果標有“設定溫度”標記的發(fā)光二極管點亮，則表示

68、數(shù)碼管顯示的是設定溫度。這樣就不至于混淆了。如圖3-9所示為溫度指示燈電路。</p><p>　　圖3-9 溫度指示燈電路</p><p>　　圖中兩個發(fā)光二極管分別與單片機的P2.6，P2.5口相連，單片機把顯示何種溫度的信號送給這兩個口，對應的發(fā)光二極管就會點亮，信號為低電平有效。</p><p>　　3.8 溫度采集電路</p><p>

69、;　　溫度采集電路如圖3-10所示：</p><p>　　圖3-10 溫度采集電路</p><p>　　圖中U2為溫度采集電路的核心部件，溫度傳感器DS18B20，下面將詳細介紹它的參數(shù)和用法。</p><p>　　DS18B20內部的低溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率對溫度很

70、敏感的振蕩器，為計數(shù)器2提供一個頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。初始時，溫度寄存器被預置成-55℃，每當計數(shù)器1從預置數(shù)開始減計數(shù)到0時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加1℃，這個過程重復進行，直到計數(shù)器2計數(shù)到0時便停止。初始時，計數(shù)器1預置的是與-55℃相對應的一個預置值。以后計數(shù)器1每一個循環(huán)的預置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預置數(shù)也隨溫度相應變化。計數(shù)器1的預置數(shù)也就是在給定溫度處使溫

71、度寄存器寄存值增加1℃計數(shù)器所需要的計數(shù)個數(shù)。DS18B20內部的比較器以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計數(shù)器2停止計數(shù)后，比較器將計數(shù)器1中的計數(shù)剩余值轉換為溫度值后與0.25℃進行比較，若低于0.25℃，溫度寄存器的最低位就置0；若高于0.25℃，最低位就置1；若高于0.75℃時，溫度寄存器的最低位就進位然后置0。這樣，經過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最后</p><

72、p>　　表3-2 DS18B20暫存器字節(jié)分配</p><p>　　上表是DS18B20溫度采集轉化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于或等于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。溫度轉換計算方法舉例：例如當DS1

73、8B20采集到+125℃的實際溫度后，輸出為07D0H，則：實際溫度=07D0H╳0.0625=2000╳0.0625=125.0℃。例如當DS18B20采集到-55℃的實際溫度后，輸出為FC90H，則應先將11位數(shù)據(jù)位取反加1得370H（符號位不變，也不作為計算），則：實際溫度=370H╳0.0625=880╳0.0625=55.0℃。</p><p><b>　　3.9 本章小結<

74、/b></p><p>　　本章詳細的講述了以80C51為核心元件的恒溫箱的硬件電路具體設計過程，分析了具體電路的工作原理。在設計過程中，實現(xiàn)溫度控制的是通過編寫程序的方法集成在80C51內部。接著將程序下載到硬件電路中，配合周邊的溫度采集電路，時鐘電路，溫度控制電路，顯示電路等，制作出符合設計要求的恒溫箱。</p><p><b>　　軟件設計</b><

75、/p><p>　　4.1 軟件任務分析</p><p>　　軟件任務分析和硬件電路設計結合進行，哪些功能由硬件完成，哪些任務由軟件完成，在硬件電路設計基本定型后，也就基本上決定下來了。</p><p>　　軟件任務分析環(huán)節(jié)是為軟件設計做一個總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質性的功能，如測量，計算，顯示，打印，輸出控制和通信等；另一類

76、是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調各執(zhí)行模塊和操作者的關系，使在系統(tǒng)軟件中充當組織調度角色的軟件。這兩類軟件的設計方法各有特色，執(zhí)行軟件的設計偏重算法效率，與硬件關系密切，千變萬化。</p><p>　　軟件任務分析時，應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在對各執(zhí)行模塊進行定義時，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。</p><p>　　

77、各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以設計監(jiān)控程序了。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤設置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結構。相對來講，執(zhí)行模塊任務明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。這如同當一名操作工人比較容易，而當一個廠長就比較難一樣。</p><p>　　軟件任務分析的另一個內容是如何安排監(jiān)控軟件和執(zhí)行模塊。整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序（背景程序）和前臺程序。后臺程序指主程序及其調用的子程序，這類程序對實時性要求不是太高，延時

78、幾十毫秒甚至幾百毫秒也沒關系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內容，如定時系統(tǒng)和外部中斷。也可以將全部程序均安排在前臺，后臺程序為“使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。</p><p><b>　　4.2 程序流程圖</b></p><p>　　在本程序中包括了以

79、下主要的程序，主程序，溫度設定子程序，溫度讀取及轉換子程序，顯示溫度子程序，比較溫度子程序，顯示切換子程序。</p><p>　　主程序流程圖如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖</p><p>　　溫度設定子程序流程圖如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2 溫度設定子程序流程圖</p><

80、p>　　溫度采集計算子程序如圖4-3所示：</p><p>　　圖4-3 溫度采集計算子程序流程圖</p><p>　　溫度比較處理子程序流程圖如圖4-4所示</p><p>　　圖4-4 溫度比較處理子程序流程圖</p><p>　　溫度顯示子程序如圖4-5所示：</p><p>　　圖4-5 溫度顯示子程序&

81、lt;/p><p>　　根據(jù)這些流程圖編寫出的最終源程序見附錄D</p><p><b>　　4.3 本章小結</b></p><p>　　本章是恒溫箱的軟件設計，實現(xiàn)恒溫箱的主要功能是通過編寫程序的方法集成在80C51內部。將程序下載到硬件電路中，實現(xiàn)溫控功能。</p><p><b>　　結論與展望</b

82、></p><p>　　三個多月的畢業(yè)設計即將結束了，我深刻感受到專業(yè)知識的缺乏，同時，在整個設計過程中我也感受到自身知識的進步，特別是在單片機控制系統(tǒng)方面。</p><p>　　設計是以80C51單片機為核心進行的，數(shù)據(jù)采樣模塊采用可直接輸出數(shù)字量的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，使系統(tǒng)的軟、硬件都簡化了很多；采用繼電器驅動模塊作為為系統(tǒng)的降溫部分，大大地簡化了系統(tǒng)硬件電路。通過對風

83、機的控制可實現(xiàn)糧庫溫度的自動控制。由于采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集溫度，所以，詳細介紹了DS18B20的運用；軟件設計方面采用匯編語言對系統(tǒng)的軟件編程，為了便于編寫、調試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設計方法。</p><p>　　鑒于溫度控制的發(fā)展趨勢，在以后的實踐中對系統(tǒng)還要做進一步的改進：硬件方面，采用DSP, ARM或者利用第一章提到的片上系統(tǒng)SOC對系統(tǒng)的硬件進行重新設計，軟件方面，

84、摒棄傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)軟件編程模式，改用基于實時操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件開發(fā)；控制算法方面，嘗試采用現(xiàn)在得到快速發(fā)展的智能控制方法，如模糊控制、神經網(wǎng)絡控制和模糊PID控制等等。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本課題是在代廣珍導師的悉心指導下完成的，從論文的選題、系統(tǒng)設計、到修改定稿都沒有離開xx老師的無私幫助，通過本次設計，本人在代老師的

85、指引下學到了許多知識，這些是在平時的學習中得不到的知識，他嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的學識和悉心的指導使我受益非淺。在此，向xx老師表以崇高的敬意和由衷的感謝！還要感謝各位評閱老師，經過你們的認真評閱和指正，將會使我的設計的系統(tǒng)更加完善。在此，我向你們致以最誠摯的謝意！</p><p>　　xx電氣工程學院的老師們，在平時嚴謹?shù)闹螌W和勤懇的教育，讓我在平時打下堅實的基礎，才能順利完成本次設計，可以說沒有你們的教誨和指導

86、，我們也不會取得今天的成績。我想對他們說一聲：感謝你們的教導和關心，您們辛苦了！</p><p>　　本次課程設計的完成還離不開我身邊同學和一些老師的幫忙，在系統(tǒng)軟件設計方面同學給了我很大的幫助，因為期間我一直在外實習工作，許多事都要麻煩在校的老師和同學幫忙，在此，向他們表示感謝！</p><p>　　鑒于本人所學知識有限，經驗不足，又是初次研究這種復雜的設計，在此過程中難免存在一些錯誤和

87、不足之處，懇請各位老師給予批評和指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 何立民. 單片機高級教程應用與設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.1</p><p>　　[2] 胡漢才.單片機原理及接口技術[M].北京：清華大學出版社，1999</p><p>

88、　　[3]歐陽文.ATMEL89系列單片機的原理與開發(fā)實踐[M].北京：中國電力出版社，2007.6 </p><p>　　[4]樊尚春.傳感器技術及應用[M].北京航空航天大學出版社，2004.8</p><p>　　[5]高鵬等.Protel99入門與提高[M].人民郵電出版社,2000.</p><p>　　[6]劉亮.先進傳感器及應用[M].化學工業(yè)出版社，

89、2005 </p><p>　　[7]潘永雄.新編單片機原理與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003</p><p>　　[8]徐鳳霞，趙成安.AT89C51單片機溫度控制系統(tǒng)[J].齊齊哈爾大學學報，2004,3</p><p>　　[9]樓然苗.51系列單片機設計實例[M].北京航空航天大學出版社2003.03</p><p>

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91、5</p><p>　　[13]Design And Implementation of Temperature & Humidity Control System Based on AT89C51 [J], 2007 </p><p>　　[14]The Temperature Intelligence Control System Based on Single-Chip-Mi

92、croprocessor [J].2003</p><p>　　[15]Anti-interference Measures for the Controlling System of Single-chip Microcomputer[J].2003</p><p>　　[16] ATMEL ,AT89S51 8-Bit Microcontroller wi

93、th 4 Kbytes Flash. 2007, 12</p><p>　　附錄A PROTUES仿真圖</p><p>　　硬件原理圖附錄B 一篇引用的外文文獻及其譯文</p><p><b>　　英文原文：</b></p><p><b>　　80C51</b>&l

94、t;/p><p>　　8051 single-chip micro-computer, referred to as microcontrollers, there are known as micro-controller, a micro-computer re -To branch. SCM is developed in the mid 70s a large-scale integrated circui

95、t chip, a CPU, RAM, ROM, I / O interfaces and interrupt system on the same silicon device. Since the 80s, Microcontroller rapid development, all kinds of new products are constantly emerging, there have been many high-pe

96、rformance of new models now become the field of factory automation and control of</p><p>　　Pin Function:</p><p>　　MCS-51 is a standard 40-pin DIP IC chip, pin distribution ---- microcontroller p

97、in diagram please refer to: P0.0 ~ P0.7 P0 port 8-bit bidirectional port lines (in the pin 39 to No. 32 terminal). P1.0 ~ P1.7 P1 port 8-bit bidirectional port line (pin 1 in the No. 8 terminal). P2.0 ~ P2.7 P2 por

98、t 8-bit bidirectional port lines (in the pin terminal 21 ~ 28). P3.0 ~ P3.7 P3 port 8-bit bidirectional port lines (in the pin terminal 10 ~ 17).</p><p>　　This four I / O port has not exactly the same func

99、tion, we can get to learn, and other books though, but written in too deep, difficult to understand for beginners, here are according to my own expression to write the I believe that you can understand.</p><p&

100、gt;　　P0 port has three functions:</p><p>　　1, external expansion memory, as the data bus (Figure 1 in D0 ~ D7 of data bus interface)2, external expansion memory, as the address bus (Figure 1 in A0 ~ A7 to

101、address bus interface)3, is not extended, it can do a general I / O to use, but within the supreme pull-up resistor, as an input or output should be connected to an external pull-up resistor.P1 port Zhizuo I / O port t

102、o use: its internal pull-up resistor.P2 port has two functions:1,An extended external memory when used as an addres</p><p>　　P3 port has two functions:As well as I / O using the external (the internal pul

103、l-up resistor), there are some special features, from a special register to set the specific features please refer to our explanation behind the pin. Internal EPROM of the microcontroller chip (for example, 8751), for

104、the writing process required to provide specialized programming and programming pulse power, these signals are also provided in the form from the signal pin, and Namely: programming pulse: 30 feet (AL</p><p>

105、;　　In introducing the four I / O port referred to a "pull-up resistor" Then, pull-up resistor is what Dongdong do? What role does he play? Said the resistance that is of course, is a resistor, when as an input,

106、 the pull-up resistor pulled its potential, if the input is low you can provide a current source; Therefore, if the P0 port as long as the input, in the high impedance state, only an external pull-up resistor to be effec

107、tive.</p><p>　　ALE / PROG address latch control signal: in a system is extended, ALE is used to control the P0 port output low 8-bit address latch latch get together in order to achieve low address and data

108、segregation. (In the back on the expansion of the curriculum, we will see the 8051 expansion of EEPROM circuit, the ALE and the 74LS373 in Figure G-latches connected to the external CPU to access when the time to lock th