单片机控制自动恒温箱设计本科毕业设计

单片机控制自动恒温箱设计本科毕业设计内容摘要：

的价格在不断下降，并不一定比若干个普通芯片价格总和高。 （ 2）留有设计余地。 在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。 因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。 （ 3）程序空间。 选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用 80C51 单片机。 （ 4） RAM 空间， 80C51 单片机内部 RAM 不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。 如果系统配置了外部 RAM，则建议多留一些空间。 如果选用8155 作 I/O 接口，就可以增强 256 字节 RAM。 如果有大批数据需要处理，则应配置足够的 RAM，如 626 62256 等。 随着软件设计水平提高，往往只要改变或者增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。 只要在硬件电 路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留有足够的 RAM 空间。 I/O 端口，在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。 如果有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端：有些物理量需要控制，就必须增加输出端。 如果在硬件电路设计就预留出一些 I/O 端口，虽然当时空着没用，那么要用的时候就能派上用场了。 本科生毕业设计（论文） 8 系统功能介绍 根据恒温箱控制器的功能要求，并结合对 51 系列单片机的资源分析，即单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。 所以采用 AT89C51作为电路系统的控制核心。 恒温箱控制器的总体布局如图 31 所示。 按键将设置好的温度值传给单片机，通过温度显示模块显示出来。 初始温度设置好后，单片机开启输出控制模块，使 灯泡 开始加热，同时将从数字温度传感器 DS18B20 测量到的温度值实时的显示出来，当加热到设定温度值时，单片机控制声光报警模块，发出声光报警，同时 发出信号 关闭 灯泡。 当自然冷却到设定温度以下时，单片机再次启动加热器，如此循环反复，以达到恒温控制的目的。 系统结构框图如图 31所示。 图 31 系统结构框图 本 系统是采用模块化设计的智能恒温箱，在生活中有广泛的应用，系统上电后默认设定的恒温温度为 30℃ ，使用时可以自行调节预期的恒温温度，调节范围为 0~125℃。 调节好后 系统会将采集来的实时温度与设定的预期温度进行比较，如果实时温度比设定温度高就关闭加热设备，如果实时温度比预期温度低就开启加热设备。 时钟频率电路设计 单片机必须在时钟的驱动下才能工作，在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定周期的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片的工作频率，时钟电路如图 32 所示。 温度采集 输出控制 声光报警 按键控制 温度显示 微控制器 本科生毕业设计（论文） 9 图 32 时钟电路 一般选用石英晶体振荡器。 此电路大约延迟 10ms 后振荡器起振，在 XTAL2引脚产生幅度为 3V 左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要有石英晶体的频率确定。 电路中两个电容 C C4 的作用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。 C C4 的典型值为 22pF。 单片机工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期，其大小是时钟信号频率的倒数，时钟信号频率常用 fosc 表示。 显示电路的设计 显示电路概述 显示功能 与硬件关系极大，在这里我们使用的是 LCD 显示屏显示，通常在显示上我们采用的方法一般包括两种：一种是静态显示，一种是动态扫描。 其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多；动态扫描的特点是显示稳定程度没有静态显示好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言最大的优点是占用端口资源少。 由于本设计需要较多的端口用于其它的功能因此采用占用端口少的动态扫描显示的办法。 以下将对显示电路的各个部件及整体设计做详细的介绍。 LCD 显示屏 工业字符型液晶，能够同时显示 16x02即 32个字符。 （ 16列 2行） 1602液晶也叫 1602字符型 液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵 型液晶模块。 它由若干个 5X7或者 5X11等 点阵 字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。 1602LCD 是指显示的内容为 16x2，即可以显示两行，每行 16个字符液晶模块 本科生毕业设计（论文） 10 （显示字符和数字）。 本次设计所用的 LCD 显示屏的 引脚如图 33所示。 图 33 LCD 显示屏引脚图 1602采用标准的 16脚接口，其中： 第 1脚： GND 为 电源地 ； 第 2脚： VCC 接 5V 电源正极 ； 第 3脚： VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生 “鬼影 ”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度）。 第 4脚： RS 为 寄存器 选择， 高电平 1时选择 数据寄存器 、低电平 0时选择 指令寄存器。 第 5脚： RW 为读写信号线，高电平 (1)时进行读操作，电平 (0)时进行写操作。 第 6脚： E(或 EN)端为使能 (enable)端 ， 高电平 (1)时读取信息，负跳变时执行指令。 第 7～ 14脚： D0～ D7为 8位双向数据端。 第 15～ 16脚： 空脚 或背灯电源。 15脚背光正极， 16脚背光负极。 1602LCD 有以下特性： 1) 或 5V 工作电压，对比度可调； 2) 内含复位电路； 3) 提供各种控制命令 ， 如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位 等多种功能； 4) 有 80字节 显示数据存储器 DDRAM； 5) 内建有 192个 5x7点阵 的字型的字符发生器 CGROM； 6) 8个可由用户自定义的 5x7的字符发生器 CGRAM。 特征应用 ： 微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常 用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。 显示电路整体设计 显示电路如图 34 所示： 本科生毕业设计（论文） 11 图 34 显示电路 图中 VEE 接一外接电阻 R4， VDD 接电源， VSS 接地， RS、 RW、 E 分别接单片机的 、 、 ，而单片机的 ~ D0~D7。 开关键盘设计 按键开关为机械弹性开关，当按下键帽时，按键内的复位弹簧片被压缩，动片触电与静片触电相连，键盘的两个引脚被接通；松手后，复位弹簧将动片弹开，使动片与静片脱离接触，键盘的两个引脚被断开。 由于机械接触点的弹性作用，一个按键从开始接上至接触稳定要经过 5~10ms 的抖动时间，在此期间，有抖动发生。 按键抖动波形如图 35 所示。 理 想 按 键 电 压 波 形按 下 释 放实 际 按 键 电 压 波 形前 沿抖 动后 沿抖 动稳 定 闭 合 图 35 按键抖动电压波形 按键开关输入需要解决的两个主要问题是判断是否有按键按下和消除按键抖本科生毕业设计（论文） 12 动的影响。 按键的确认反映在电压上，就是和按键相连的引脚呈现出高电平还是低电平。 消除按键的抖动通常有硬件、软件两种消除方法。 一般在按键较多时，采用软件的方法消除抖动，即在第一次检测到有按键按下时，执行一段延时12~15ms 的子程序后，再确认该键电平是否任保持为闭合状态电平，如果保持为闭合状态电平就可以确认真有按键按下，从而消除抖动的影响。 一般电子装置中都设计有按键 输入，用以控制程序执行时数据的输入或是特殊功能的设置及操作。 在控制电路中，如果按键数不多 时 可以使用一个按键对应一条输入位线控制，即独立式按键。 这种接法，一根输入线上的按键是否被按下，不会影响其他输入线上的工作状态。 因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断哪个键按下了。 独立式按键可以用单稳态锁存器消除抖动。 如果监控程序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便可直接插入读键过程中。 如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的 时间间隔来完成抖动处理。 按键电路如图 36 所示。 图 36 按键电路 温度报警电路设计 报警电路如图 37 所示，该电路采用一个小功率三极管 Q2 驱动蜂鸣器SPEAKER， 当单片机接收到超额温度信号或危险信号时 ， 输出脚 SPEAKER 输出高点平 ， Q2 导通，致使蜂鸣器 SPEAKER 得电工作，发出报警声。 同时，电路中的发光二极管指示出电路的工作状态。 本科生毕业设计（论文） 13 图 37 温度报警电路 温度采集电路 DS18B20 测温电路 DS18B20 数字温度计是 Dallas 公司生产的 1－ Wire 器件 ， 即单总线器件。 与传统的热敏电阻有所不同， DS18B20 可直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理 ， 具有连线简单、微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、精度高等特点。 因此用它来组成一个测温系统，具有电路简单，在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 目前已被众多行业进行广泛的运用（锅炉、温控表粮库、冷库、工业现场温度监控、仪器仪表温度监控、农业大棚温度监控等）。 通过编程， DS18B20 可以实现 9～ 12 位 的温度读数。 信息经过单线接口送入DS18B20 或从 DS18B20 送出，因此从微处理器到 DS18B20 仅需连接一条信号线和地线。 读、写和执行温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。 每片 DS18B20 在出厂时都设有唯一的产品序列号，因此多个 DS18B20 可以挂接于同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度传感器，特别适合于构成多点温度测控系统。 DS18B20 的特点介绍 （ 1） 独特的单线接口方式，与单片机通信只需一个引脚， DS18B20 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实 现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 （ 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： +～ + V。 （ 4）测温范围为 55 ～ +125 ℃。 在 10～ +85℃ 范围内误差为 ℃。 本科生毕业设计（论文） 14 （ 5）通过编程可实现 9～ 12 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，通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接，多个 DS18B20 可以并联在唯一的线上，简化了分布式温度检测的应用，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。 （ 9）告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出预设告警界限的器件。 单线（ 1wire）技术 目前常用的微机和外设之间数据传输的串行总线有 I2C 总线、 SPI 总线等，其中， I2C 总线采用同步串行两线（一根时钟线、一根数据线）方式，而 SPI 总线采用同步串行三线（一根时钟线、一根输入线和一根数据出线）方式。 这两种总线需要至少两根或两根以上的信号线。 美国达拉斯半导体公司推出了一项特有的单线（ 1wire）技术。 该技术与上述总线 不同，它采用单根信号线，即可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单线技术具有线路简单、硬件开销少、成本低廉、便于扩展的优点。 单线技术适用于单主机系统，单主机能够控制一个或多个从机设备。 主机可以是微控制器，从机可以是单线器件，它们之间的数据交换、控制都由这根线完成。 主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放该线，而让其他设备使用。 单线通常要外接一个约 5KΩ 的上拉电阻，这样，当该线闲置时，其状态为高电平。 主机和从机之间的通信主要分 3 个步骤：初始化单线器 件、识别单线器件和单线数据传输。 由于只有一根线通信，所以它们必须是严格的主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，主机访问每个单线器件必须严格遵循单线命令序列，即遵守上述 3 个步骤的顺序。 如果命令序列混乱，单线器件将不会响应主机。 所有的单线器件都要遵循严格的协议，以保证数据的完整性。 1wire 协议由复位脉冲、应答脉冲、写 0、写 读 0 和读 1 这几种信号类型组成。 这些信号中，除了应答脉冲，其他均由主机发起，并且所有命令和数据都是字节的地位在前。 DS18B20 的引脚及功能介绍 DS18B20 的外形及 TO92 封装引脚排列见图 38，其引脚功能描述见表 31。 本科生毕业设计（论文） 15 图 38 DS18B20。