智能電熱毯的設計論文

1、哈 爾 濱 理 工 大 學畢 業(yè) 設 計 題 目： 基于單片機的智能電熱毯的設計 院、 系： 榮成學院 電氣工程系 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 2014 年 6 月 10 日基于單片機的智能電熱毯的控制摘 要電熱毯控制器從八十年代初控制器只設開、關兩檔、不能調(diào)溫，到80年代中期控制器設高、底、關三檔，具有簡單調(diào)溫功能，90年代研制生產(chǎn)出無級調(diào)溫、自動控溫的電熱毯；目前正向國際先進的定時調(diào)溫、電腦程序控溫和自動恒溫方向發(fā)展。因此要使恒溫電熱毯控制器真正走人千家萬戶，非常有必要設計一個好的溫度控制和控制器對其控制，滿足大眾對其在安全、舒適、操作方便等方面的要求。 本設計為一個基于51單片機

2、控制，可以顯示設定溫度、加熱時間及實際溫度的恒溫電熱毯控制器。本設計中選用了AT89C51由于采用小引腳封裝所以價格僅與低檔單片機相當。本設計采用DS18B20做溫度傳感器。溫度范圍控制在1050范圍內(nèi)，將傳感器輸出的數(shù)字信號經(jīng)由單片機后控制顯示部分及溫度控制部分，從而實現(xiàn)對電熱毯的恒溫控制及室溫顯示。在整個設計中，本人按照系統(tǒng)的功能劃分子系統(tǒng)結構，對系統(tǒng)進行規(guī)劃設計。本論文的結構安排也是按照這樣的流程進行的。關鍵詞 AT89C51；DS18B20；恒溫電熱毯控制器Based on single chip microcomputer control of intelligent electri

3、c blanketAbstractElectric blanket controller from the early eighty s controller set, only two files, not temperature adjustment, By the end of the mid - 80 - s controller set high, and close three gears, with simple temperature adjustment function, In the 90 s, the development and production of step

4、less temperature control, automatic temperature control of electric blanket；Is the timing of the international advanced thermal control, computer program control moderate automatic constant temperature direction. So will make temperature electric blanket really leave home controller, is very necessa

5、ry to design a good temperature control and controller to control, meet the public in the safe, comfortable, convenient operation, etc. This design is based on 51 single chip microcomputer control, Can display the set temperature, heating time and the actual temperature of constant temperature elect

6、ric blanket controller. This design uses AT89C51 as the traditional operas foot encapsulation so price only with cheap single chip microcomputer. This design USES DS18B20 temperature is sensor. Temperature is controled in the range of 10 to 50 . The analog input voltage values into the corresponding

7、 temperature control of electric blanket constant temperature and room temperature display. In the whole design, I according to the system functional division of the subsystem structure, planning and design of system. The structure arrangement of this paper is according to this process.Keywords AT89

8、C51; DS18B20; Blanket controller of temperature controller目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 設計的背景及設計的意義11.2 電熱毯的發(fā)展11.3 本文主要研究內(nèi)容3第2章 設計方案42.1 系統(tǒng)總體設計方案42.2 系統(tǒng)功能模塊方案選擇5 單片機的選擇5 顯示電路的選擇6 鍵盤電路的選擇7 溫度采集電路的選擇7 溫度控制電路的選擇82.3 本章小結9第3章 硬件設計103.1 單片機模塊103.2 電源電路113.3 顯示電路123.4 報警電路133.5 按鍵電路143.6 溫度采集電路153.7 溫度控制電路1

9、63.8 本章小結17第4章 軟件設計184.1 系統(tǒng)軟件功能分析184.2 主程序的設計184.3 子程序設計19 顯示模塊的設計19 按鍵描模塊的設計21 報警模塊的設計234.4 本章小結23結論24致謝25參考文獻26附錄27第1章 緒論1.1 設計的背景及設計的意義隨著科學技術的不斷進步，人類對科技產(chǎn)品的要求已不僅僅是停留在功能性滿足的層次上了。電熱毯的發(fā)展趨勢逐漸轉移到安全、可靠、舒適、耐用、易操作、差異化定制等人性化的角度上來，溫度控制器作為最基本也是最具有改良潛力的部件，越來越受到電熱毯生產(chǎn)企業(yè)的重視。早期的溫度控制器多使用模擬元件，從只有開、關兩檔、不能調(diào)溫，到后來能由控制器

10、設置高、低、關三檔，具有簡單調(diào)溫功能。十幾年的時間內(nèi)，控溫器的結構越來越精簡，功能也越來越強大，但仍舊存在一些不足之處。如果電熱毯一直加熱到天亮，則容易造成被窩溫度過高，使人身體不適甚至生病，如果睡前即關閉電熱毯，則半夜由于氣溫下降使人凍醒，不僅影響睡眠，而且容易感冒，由于不能控制溫度，如果電熱毯一直通電它就會持續(xù)加熱，導致溫度過高而引起火災或燙傷。本作品針對這一實際情況而設計。本作品采電單片機作為控制中心，不斷監(jiān)測床上的溫度，自動關閉或啟動電熱毯的工作，使被窩溫度保持在人的最佳睡眠溫度。并利用單片機作為控制中心，控制即時準確，調(diào)節(jié)方便，可因人而異實現(xiàn)個性調(diào)整。另外，增加了電子時鐘功能，功能較

11、強。當溫度低于溫度控制范圍下限時，應及時啟動電熱毯加熱，而超出上限時及時停止加熱，誤差不得大于1；利用單片機程序控制系統(tǒng)運行，工作安全可靠。采用DS18B20傳感器，對被窩溫度進行實時檢測，工作電壓5V，安全可靠。采用單片機智能化控制，利用傳感器實現(xiàn)了小信號控制大信號，實現(xiàn)了智能化控制。1.2 電熱毯的發(fā)展自從1912年美國人Sidney I.Russell發(fā)明第一條電熱毯以來，電熱毯因其簡單、價廉、實用、省電等優(yōu)點逐漸為廣大消費者所青睞，成為冬季供暖的常用電器之一。雖然電熱毯工作只是基于阻性材料上電發(fā)熱的原理，但是其制造及應用所涉及的技術領域卻涵蓋了諸多方面。在一百多年的歷程里，電熱毯技術的

12、發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個主要階段；20世紀30年代末，第一條肢體覆蓋型保溫毯問世。20世紀50年代末，英國首先將塑料絕緣材料引入電熱毯。1960年，英國發(fā)明單股螺旋發(fā)熱線。1962年，有過熱熔斷保護作用的、雙層包覆的發(fā)熱線(在兩根螺旋繞制的電阻絲間隔有一層熱敏塑料)在英國上市，德、日、韓等國也先后效仿。20世紀80年代后，各國對過熱熔斷保護繼續(xù)改進，控溫保護的概念開始流行。首先引入的是溫度負反饋裝置，而后又對加熱線做進一步改進，增加了溫度傳感功能。目前，我國取得電熱毯產(chǎn)品生產(chǎn)許可證廠家有200多家，年生產(chǎn)量5000萬床左右。近年來，我國電熱毯產(chǎn)、銷量遞增幅度大，2009-2011年全國平均每年遞增率

13、為32%；可見電熱毯的產(chǎn)銷在我國具有旺盛的生命力。目前，具有一定生產(chǎn)規(guī)模的電熱毯企業(yè)有20多家，不少企業(yè)通過生產(chǎn)線的引進和進行技術改造，使產(chǎn)量由較大幅度的增長，質(zhì)量和品種亦相應得到了提高和發(fā)展。一般電熱毯有不帶信號線型及帶信號線型，不帶信號線型用于普通型電熱毯。使用的電熱合金絲有直線狀的，但更多的是呈螺旋狀纏繞在耐熱芯線上，外面涂覆一層耐熱樹脂。帶信號線型用于調(diào)溫型電熱毯中。線芯用玻璃纖維或滌綸絲編成，上面纏繞著柔韌可撓的電熱合金絲（或箔帶），外面包覆一層尼龍感熱層或特種塑料感熱層，再將一種銅合金信號線繞在感熱層外，最外面涂覆一層耐熱樹脂。當電熱毯上任一點處的溫度超過預定值時，該處相應的電熱絲

14、上的感熱層即由絕緣體變?yōu)榱紝w，使控制電路接通，電熱毯斷電，達到控溫和安全防護的目的。采用不帶信號線型電熱元件的普通型電熱毯，如要實現(xiàn)控溫，一般設有兩類控溫元件：一類是過熱安全恒溫器，每床電熱毯約需89個，串聯(lián)在電熱元件上，起安全防護作用；另一類是恒溫器控制器，設在床頭或手邊，起調(diào)節(jié)溫度的作用。采用帶有信號線的電熱元件的電熱毯僅需恒溫控制器。電熱毯一般由電熱線、毯體、電路控制三部分組成。其產(chǎn)生熱量的大小和安全性能的優(yōu)劣主要取決于電熱線和接頭。電熱線：時有電熱絲和外敷的絕緣層組成。常用的電熱絲有鎳鉻合金絲，鐵鉻鋁合金絲、康銅絲、銅絲等。電熱絲的卷繞方式有直線型和螺旋形兩種。目前流行的電熱絲是鎳鉻

15、合金絲，電熱線的形態(tài)是螺旋型。絕緣形式采用雙重絕緣。電熱毯的毯體底料上的布置為波紋迂回方式。接頭：對于電熱毯，最關鍵的工藝師是電源線的鏈接密封問題，接頭的好壞對產(chǎn)品的性能、壽命、安全可靠性有著關鍵性的影響。若接頭不好出現(xiàn)松脫、不能密封或在使用中發(fā)生電源引線脫落等情況，極易引發(fā)火災或者造成觸電事故。電熱毯目前主要是利用發(fā)熱元件來進行工作的，而發(fā)熱部件的主要功能是將電能轉換為熱能。電熱毯的電源是經(jīng)開關和保險絲與電熱線直接相連接的。使用時，插上電源插頭，閉合電源開關，電熱絲加熱升溫，其溫度的調(diào)節(jié)只能靠開關和插拔電源插頭來完成，而現(xiàn)在有很多的電熱毯所采用的發(fā)熱元件是熱敏電阻。熱敏電阻是利用半導體材料的

16、電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。其常用的半導體材料有鐵鎳錳鈷鉬鈦鎂銅等的氧化物或其他氧化物。熱敏電阻具有靈敏度高，電阻溫度系數(shù)比金屬大，體積小，結構簡單，穩(wěn)定性好，機械性能強，價格便宜等優(yōu)點。1.3 本文主要研究內(nèi)容一般電熱毯有高溫、低溫兩檔。使用時，撥在高溫檔，入睡后被熱醒；撥在低溫檔，有時醒來會覺得溫度不夠。隨著人們對電熱毯這種取暖設備的需求的增多，人們對于電熱毯的安全要求及方便程度的需求也不斷提高，智能溫控電熱毯的設計對人們的需求有很大的幫助。有利于解決電熱毯的安全隱患及提供更舒適的溫度。 本文主要針對智能溫控電熱毯的硬件及軟件的設計展開，在基本的電熱毯的基本取暖功能的基礎上增加自動

17、控溫的功能，進一步保證安全。首先要選擇合適的溫度傳感器，可以采用一只溫度傳感器DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進行轉換，就可以滿足設計要求對電熱毯周圍的溫度進行實時的監(jiān)控，并有溫控開關。根據(jù)傳感器感應的溫度自動調(diào)節(jié)控制電熱毯的加熱。基于單片機編寫軟件控制程序，實現(xiàn)溫度的智能控制。以確保在人離開時或睡眠時電熱毯不會因為過高溫度而引發(fā)危害，也可以保證睡眠時的溫度不會過高或過低，保證舒適的睡眠。 第2章 設計方案2.1 系統(tǒng)總體設計方案通電后，用戶通過按鍵設定定時時間和需加熱到的溫度，默認先輸入的為加熱的時間。溫度傳感器采集當前溫度的信號，信號再送給單片機，單片機發(fā)出控制指令

18、控制繼電器的通斷，根據(jù)繼電器的通斷來控制電阻絲的加熱，使溫度達到用戶設定值上，且誤差不超過1。當溫度高于設定值時蜂鳴器發(fā)出聲音進行報警并且電熱毯自動停止加熱直至溫度低于設定值。系統(tǒng)整體硬件結構框圖如圖2-1所示，本設計的溫度測量及加熱控制系統(tǒng)以AT89S51單片機為核心部件，外加溫度采集電路、鍵盤及顯示電路、加熱控制電路和越限報警等電路。采用單總線型數(shù)字式的溫度傳感器DS18B20，測溫后由I/O接口讀入CPU，CPU進行數(shù)據(jù)處理。處理后的數(shù)據(jù)，一方面送LED數(shù)碼管顯示；另一方面與檢測開關設定的溫度控制值進行比較，并判斷是否超限，將比較結果返回單片機，現(xiàn)在采用電阻絲加熱，從而進行溫度的調(diào)節(jié)，以

19、保持恒定的溫度1。溫度傳感器單片機系統(tǒng)報警電路繼電器觸發(fā)電路顯示電路鍵盤電路電熱絲圖2-1 系統(tǒng)硬件結構框圖2.2 系統(tǒng)功能模塊方案選擇2.2.1 單片機的選擇單片機的種類繁多，Intel公司的MCS-51 8位單片機系列、MCS-96 16位單片機系列；Atmel的AT89、AVR系列；Philips的P89V51、LPC700/900 8位單片機系列、LPC2000 16/32系列；Motorola公司的MC68HC908 8位單片機系列、DSP型16位單片機。方案一：選擇8031單片機8031單片機是Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機中的一種，除無片內(nèi)ROM外，其余特性與MCS-

20、51單片機基本一樣。采用40個引腳的8031芯片。該芯片有4個8位并行I/O接口：P0、P1、P2、P3，128個字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，但沒片內(nèi)程序存儲器，需擴展，價格便宜。方案二：選擇P89V51RD2單片機采用有40個I/O口的P89V51RD2。P89V51RD2是Philips公司新推出的一款功能非常強大的微處理器。P89V51RD2采用51內(nèi)核，內(nèi)部集成了64kB Flash ROM和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，5V工作電壓，操作頻率為040MHz，并且支持12時鐘(默認)或6時鐘模式(每個機器周期包含6個時鐘)，選擇6時鐘模式時可在相同時鐘頻率下獲得2倍的吞吐量，同時，另一個好處在于

21、，可以在保證處理速度不變的情況下，將時鐘頻率減半，這樣可以極大地降低系統(tǒng)的EMI 。P89V51RD2還集成了SPI(串行外圍接口)，增強型UART，PCA(可編程計數(shù)器陣列)，具有PWM和捕獲比較功能，尤其是P89V51RD2支持在系統(tǒng)軟件調(diào)試和在系統(tǒng)編程的功能，這使得我們在用其開發(fā)產(chǎn)品時可以完全拋開仿真器和編程器，進而大大減少了產(chǎn)品開發(fā)的成本和時間。對于恒溫箱這一控制對象來說，芯片的性能比8031和8051等單片機要優(yōu)越的多，其劣勢在于價格較貴2。方案三：選擇AT89C51單片機AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROMb-Falsh Programmable

22、and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用Atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，Atmel的AT89C51是一種高效微控制器。此外AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件

23、復位為止。考慮到本設計需要單片機的控制更加安全可靠，AT89C51單片機恰好滿足設計需要，所以選擇AT89C51單片機。2.2.2 顯示電路的選擇本設計中的顯示模塊在初始進行時間及溫度設定時先顯示時間后顯示溫度；在使用過程中，主要顯示電熱毯的溫度。在單片機系統(tǒng)中常用的顯示電路有LED顯示、LCD顯示。方案一：選擇LED顯示采用七段碼顯示時，數(shù)碼管中的每一段相當于一個發(fā)光二極管。對于共陽極的數(shù)碼管，內(nèi)部每個發(fā)光二極管的陽極被連在一起，成為該各段的公共選通線，發(fā)光二極管的陰極則成為段選線。對于共陰極數(shù)碼管，則正好相反，內(nèi)部發(fā)光二極管的陰極接在一起，陽極成為段選線。這兩種數(shù)碼管的驅動方式是不同的。當

24、需要點亮共陽極數(shù)碼管的一段時，公共段需接高電平，該段的段選線接低電平。從而該段被點亮。當需要點亮共陰極數(shù)碼管的一段時，公共段需接低電平，該段的段選線接高電平，該段被點亮。方案二：選擇LCD顯示C系列LCD顯示可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。提供三種控制接口，分別是8位微處理器接口，4位微處理器接口及串行接口(OCMJ4X16A/B無串行接口)。所有的功能，包含顯示RAM，字型產(chǎn)生器，都包含在一個芯片里面，只要一個最小的微處理系統(tǒng)，就可以方便操作模塊。內(nèi)置2M-位中文字型ROM (CGROM) 總共提供8192 個中文字型(16x16點陣)，16K位半寬字

25、型ROM(HCGROM) 總共提供126 個符號字型(16x8點陣)，64x16-位字型產(chǎn)生RAM (CGRAM)，另外繪圖顯示畫面提供一個64x256點的繪圖區(qū)域（GDRAM），可以和文字畫面混和顯示。提供多功能指令：畫面清除（Display clear）、光標歸位(Return home)、顯示打開/關閉(Display on/off)、光標顯示/隱藏(Cursor on/off)、顯示字符閃爍(Display character blink)、光標移位(Cursor shift)、顯示移位(Displayshift)、垂直畫面卷動(Vertical line scroll)、反白顯示(B

26、y_line reverse display)、待命模式(Standby mode)。為了較方便的顯示LED，本系統(tǒng)采用了直接三極管驅動LED，然后再接到單片機上去，這大大的降低了成本，也節(jié)省了元器件。它還具有可用程序來實現(xiàn)多種功能、通用性強、使用靈活的特點。如果使用LCD顯示在經(jīng)濟上不能降低成本，編程也比較繁瑣，反而顯得不合理。故選擇用LED作為顯示電路。2.2.3 鍵盤電路的選擇本設計中要通過鍵盤進行設定溫度及時間的加減。一般鍵盤電路有兩種：獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。方案一：選擇獨立式鍵盤 獨立式鍵盤中，各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，每根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它輸入線上的

27、工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易的判斷按鍵是否被按下了。獨立式鍵盤電路配置靈活，軟件結構簡單。但每個按鍵需占用一根輸入線，在按鍵數(shù)量較多時，輸入口浪費大，電路結構顯得很繁雜，故此種按鍵適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。方案二：選擇矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上，分別連接到按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻接到VCC上。平時無按鍵動作時，行線處于低電平狀態(tài)，而當有按鍵按下時，列線電平為低，行線電平為高。這一點是識別矩陣式是否被按下的關鍵所在。因此，各按鍵彼此將相互影響，所以必須將行、列線信號配合起來并作適合的處理，才能確定閉合鍵的位置。很明顯，

28、在按鍵數(shù)量較多的場合，矩陣式鍵盤與獨立式鍵盤相比，要節(jié)省很多的I/O口。由于本系統(tǒng)只有兩個按鍵，每個按鍵都有第二功能，故選擇獨立式鍵盤。2.2.4 溫度采集電路的選擇由于要對電熱毯的溫度進行測量數(shù)據(jù)傳送到單片機進行比較后再發(fā)出相應的指令，此時需要溫度傳感器作為測量原件對電熱毯的溫度進行檢測。溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一類傳感器。常用的溫度傳感器有熱電阻、熱敏電阻和熱電偶。在半導體技術的支持下，本世紀相繼開發(fā)了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。方案一：選擇熱電偶傳感器熱電偶作為測溫原

29、件具有結構簡單、較高的精準度、測量范圍寬、具有良好的敏感度等優(yōu)點，在溫度測量中應用最為廣泛。熱敏電阻是用一種半導體材料制成的敏感原件，其特點是電阻隨溫度變化而顯著變化，能直接將溫度的變化轉換為能量的變化，具有靈敏度高、體積小、較穩(wěn)定、動態(tài)特性好等優(yōu)點，常用于遠距離測量和控制中。方案二：選擇熱電阻傳感器熱電阻在工業(yè)上廣泛應用于測量-200+500范圍的溫度，隨著科技的發(fā)展熱電阻溫度計的測量范圍低溫端可達-272.5左右，高溫端可測到1000。熱電阻溫度傳感器的特點是精度高，適宜測低溫。在560以下的溫度測量中，它的輸出信號比熱電偶容易測量。電熱毯的溫度一般在室溫250范圍內(nèi)，范圍比較窄，也比較低

30、，對精度的要求也比較低，綜合考慮熱電阻、熱電偶和熱敏電阻的特點，選用熱電阻比較好。另外，熱電阻又有鉑電阻、銅電阻、鐵電阻和鎳電阻等，各有其特點，由于鉑電阻穩(wěn)定性好，性能可靠，所以本設計選用了常用的鉑電阻Pt100作為溫度傳感器。方案三：選擇 DS18B20作為傳感器DS18B20主要具有以下優(yōu)點：適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫；DS18B20

31、在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；溫范圍55125，在-10+85時精度為±0.5；可編程的分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫；在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉換為數(shù)字，速度更快；測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作3。由于本設計的控制溫度范圍在253

32、5， DS18B20傳感器為數(shù)字式傳感器，不需要A/D轉換，信號采集傳遞都比較方便，所以采用方案三。2.2.5 溫度控制電路的選擇在使用電熱毯時人們對于溫度有不同的需求，因此就要求可以對溫度進行靈活的控制，控制電熱毯是否加熱及需要達到的溫度，在低于設定值時接通電源進行加熱，高于設定值時則自動停止加熱。方案一：選擇晶閘管控制當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通；當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導通；晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通；若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加和外電路的作用

33、使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值一下。方案二：選擇繼電器控制控制繼電器是一種自動電器，它適用于接通和分斷交、直流小容量控制電路，并在電力驅動系統(tǒng)中供控制、保護及信號轉換用?？刂评^電器的輸入量通常是電流、電壓等電量，也可以是溫度、壓力、速度等非電量，輸出量則是觸點動作時發(fā)出的電信號或輸出電路的參數(shù)變化?？刂评^電器的特點是當其輸入量的變化達到一定程序時，輸出量才會發(fā)生階躍性的變化。根據(jù)它們的特性和用途，還有本設計的特點，繼電器方便控制，實現(xiàn)起來簡單，所以本設計采用繼電器控制。2.3 本章小結本章主要介紹系統(tǒng)設計方案的選擇以及各個模塊的設計。根據(jù)設計要求本設計采用AT89C51型號的單片機；

34、為了降低成本節(jié)省元器件它還具有可用程序來實現(xiàn)多種功能、通用性強、使用靈活的特點所以本系統(tǒng)采用了直接三極管驅動LED；鍵盤電路選用獨立式鍵盤電路；DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)所以應用DS18B20溫度傳感器；對于溫度控制電路要求要控制方便為此選用繼電器控制。第3章 硬件設計3.1 單片機模塊單片機是本設計的核心，溫度傳感器將檢測到的數(shù)字信號傳遞給單片機，由單片機進行比較并發(fā)出相應的控制指令，單片機控制著繼電開關的通斷、顯示部分顯示的內(nèi)容等，單片機起著主要的控制作用。最小系統(tǒng)主要由晶振電路和復位電路組成，圖3-1是傳統(tǒng)AT89C5

35、1的最小系統(tǒng)電路。在電路設計中，要注意以下幾點：VSS是電源，必須保證穩(wěn)定可靠；管腳不可懸空，必須連到VSS，或者通過上拉電阻接到VSS；復位電路采用傳統(tǒng)的RC復位，并多帶一個復位按鍵，以方便操作；晶振的頻點不是任意的，這里使用12MHz；AT89C51單片機是最新的一種低功耗、高性能內(nèi)含字節(jié)閃電存儲器的位微控制器,其片內(nèi)閃電存儲器的編程與擦除完全用電實現(xiàn),數(shù)據(jù)不易揮發(fā),編程擦除速度快,它的主要特點有內(nèi)部程序存儲器為電擦除可編程只讀存儲器,內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量不包括專用寄存器,外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間,外部程序存儲器尋址空間有三個位的定時器計數(shù)器可利用兩根口線作為全雙工的串行口, 有四種工作方式,

36、可通過編程選定內(nèi)部中開辟了四個通用工作寄存器區(qū),共個通用寄存器,以適應多種中斷或子程序嵌套的情況內(nèi)部有個中斷源,分為二個優(yōu)先級,每個中斷源優(yōu)先級是可編程的堆棧位置是可編程的,采用時,的狀態(tài)周期為一有個中斷源兩個外部中斷和,三個定時中斷定時器、和一個串行中斷。每個中斷源都可以通過置位或清除特殊寄存器中的相關中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無效。還包括一個中斷允許總控制位,它能一次禁止所有中斷。定時器可以被寄存器中的和的或邏輯觸發(fā)。程序進入中斷服務后,這些標志位都可以由硬件清除4。復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤消復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)過一定的

37、延時才能撤消復位信號，以防電源開關或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度晶體呈感性。振蕩器的振蕩頻率主要取決于晶體 。在應用時為了保證正常起振，振蕩器的位置要最接近單片機，且連線要最短。如圖3-1AT89C51單片機最小系統(tǒng)所示，外部振蕩器電容C1和C2，用于振蕩頻率微調(diào)或振蕩器匹配，并可用于調(diào)整起振時間，復位電路由C3

38、和S1組成，為了防止抖動現(xiàn)象5。圖3-1 AT89C51單片機最小系統(tǒng)3.2 電源電路單片機的工作電壓為5V，所以要將220V的家用電壓變?yōu)?V才能使單片機正常工作。該設計輸入家用220V交流電，經(jīng)過全橋整流，穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的5v，直流電最大輸出電流為1A，電路能帶動一定的負載。如圖3-2電源電路所示，變壓器輸入端經(jīng)過一個保險連接電源插頭,如果變壓器或后面的電路發(fā)生短路，保險內(nèi)的金屬細絲就會因大電流引發(fā)的高溫溶化后斷開。 變壓器后面由4個二極管組成一個橋式整流電路，整流后就得到一個電壓波動很大的直流電源。 變壓器輸出端的9V電壓經(jīng)橋式整流并電容濾波，再在這里接一個三端穩(wěn)壓器

39、的元件。 三端穩(wěn)壓器是一種集成電路元件，內(nèi)部由一些三極管和電阻等構成，在分析電路時可簡單的認為這是一個能自動調(diào)節(jié)電阻的元件，當負載電流大時三端穩(wěn)壓器內(nèi)的電阻自動變小，而當負載電流變小時三端穩(wěn)壓器內(nèi)的電阻又會自動變大，這樣就能保持穩(wěn)壓器的輸出電壓保持基本不變6。 圖3-2電源電路3.3 顯示電路由于需要設定溫度及時間，所以需要顯示電路來顯示，以便更加方便準確的控制溫度，更好的達到恒溫的效果；因此，顯示電路要能在初始階段顯示設定的溫度及時間，在工作階段準確的顯示實時測定的溫度。LED數(shù)碼管顯示有所用數(shù)碼管是共陰管、還是共陽管，由數(shù)碼轉換為筆劃信息借軟件譯碼、還是硬件譯碼，以及顯

40、示掃描采用動態(tài)掃描、還是靜態(tài)掃描等種種區(qū)別。本設計中的LED數(shù)碼管采用共陽極的連接方式，共陽極接法中發(fā)光二極管必須外接電阻。動態(tài)掃描各數(shù)碼管是輪流點亮的，由于視覺的暫留現(xiàn)象，卻好像都點亮著。實際控制數(shù)碼管點亮的位選信號是依次逐一送出的，而各個數(shù)碼管應顯示數(shù)碼的筆劃信息則與其位選信號同時送給，于是各管將按序一一亮出自己的數(shù)碼；待各管都輪到后，又再從頭輪起，反復不已。對于動態(tài)掃描，輪到某管、等待該管點亮必須留給一段恰當?shù)臅r間。時間過短，數(shù)碼管來不及點亮；時間過長，其他數(shù)碼管將熄滅、不能顯示。靜態(tài)掃描無位選信號，各數(shù)碼管是同時點亮的；每個數(shù)碼管應顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時送給。當選用共陰極的LED

41、顯示管時，所有發(fā)光二極管的陰極連在一起接地，當某個發(fā)光二極管的陽極加入高電平時，對應的二極管點亮。因此要顯示某字形就應使此字型的相應段的二極管點亮，實際上就是送一個用不同電平組合代表的數(shù)據(jù)字來控制LED的顯示，此數(shù)據(jù)稱為字符的段碼7。下圖即為顯示接口電路如圖3-3所示。圖3-3LED顯示接口電路3.4 報警電路基于安全性能的考慮，在溫度控制出現(xiàn)故障或由于其他原因引起溫度超限時很容易引起火災，因此需要一個安全防護，加入一個報警電路，在溫度超限時不僅能起到提醒的作用還能自動斷電，起到保護的作用。蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅動它，單

42、片機IO引腳輸出的電流較小，單片機輸出的TTL電平基本上驅動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。蜂鳴器的正極接到VCC(5V)電源上面，蜂鳴器的負極接到三極管的發(fā)射極E，三極管的基級B經(jīng)過限流電阻R1后由單片機的P2.2引腳控制，當P2.2輸出高電平時，三極管Q5截止，沒有電流流過，蜂鳴器不發(fā)聲；當P2.2輸出低電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制P2.2腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關閉8。當溫度超出設定值時要有警報，這樣才不至于造成危害。本文中所設計的報警電路較為簡單,蜂鳴器報警電路由晶體管和蜂鳴器組成。只要在蜂鳴器兩端加上超過5V 的電

43、壓，在我們所要求的溫度達到一定的上時，蜂鳴器就會叫個不停，由單片機I/O口輸出信號控制晶體管的導通或截止, 晶體管導通, 則蜂鳴器報警。通過單片機來控制蜂鳴器產(chǎn)生報警聲音。如圖3-4報警電路所示。圖3-4報警電路3.5 按鍵電路本系統(tǒng)鍵盤共由二個控制按鍵組成，一個接在中斷口，另一個接在普通的I/O口。由于按鍵只有二個，采用矩陣式鍵盤。鍵盤一端接地，另一端分別接在單片機的P2.3、P2.4端口，電路如圖3-5鍵盤電路所示。如果只按下中斷口的按鍵，就是要設定溫度，如果同時按下，就是要設定時間。在系統(tǒng)正常的運行過程中，可以通過溫度/時間按鍵查看實時溫度和剩余時間。復位或停止后，系統(tǒng)處于設定狀態(tài)，其功

44、能是監(jiān)測鍵盤輸入，接收溫度設定，定時和啟動鍵等。每一個鍵都具有第二功能，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，按鍵實現(xiàn)不同的功能。復位或停止后，時間/溫度選擇鍵處于時間設定狀態(tài)，此時按下+1/+min鍵或+10/+h是設置時間，若按下時間/溫度選擇鍵，系統(tǒng)將工作于溫度設定狀態(tài)，此時再按下+1/+min或+10/+h則是設置溫度。時間/溫度選擇鍵還可以在系統(tǒng)加熱狀態(tài)下對顯示時間還是顯示溫度進行選擇。加熱/停止鍵在每次按下后，會改變系統(tǒng)狀態(tài)標志，主程序會根據(jù)這個標志使系統(tǒng)工作在相應的狀態(tài)下9。圖3-5鍵盤電路3.6 溫度采集電路要達到恒溫控制的效果就要能夠實時的采集溫度，以方便調(diào)節(jié)控制以達到一個比較合適舒適的溫度，在此

45、溫度采集電路就顯得相對重要，且溫度采集的準確程度也有一定的要求，DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。DS18B20的測溫原理為低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將25所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和

46、溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在25 所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就DS18B20的測溫原理10。下圖3-6 DS18B20連接圖即為DS18

47、B20溫度傳感器與單片機AT89C51的電路連接圖。圖3-6 DS18B20連接圖3.7 溫度控制電路單片機在接收到溫度傳感器采集到的信號并將采集到的溫度與設定的溫度進行比較，并將比較結果輸出控制繼電器的通斷進而控制電阻絲加熱。如圖3-7繼電器觸發(fā)電路圖所示。單片機通電工作后，對時鐘振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號進行計數(shù)和分頻處理，當延時接通時間（等待時間）結束時或測量溫度低于設定值時，P2.0端輸出高電平，使三極管V導通，繼電器K吸合，將負載的工作電源接通。與此同時，單片機又開始對定時工作時間（工作動作時間）進行計數(shù)，當定時工作時間結束時，P2.0端變?yōu)榈碗娖?，使三極管V截止，繼電器K釋放，負載斷電；

48、同時計數(shù)器復位，進入下一個定時周期。在加熱過程中若溫度高于設定值時單片機發(fā)出指令使P2.0端變?yōu)榈碗娖?，電阻絲停止加熱。如此周而復始，使負載按設定的時間間歇地通電工作。圖3-7 繼電器觸發(fā)電路原理圖3.8 本章小結本章主要介紹該設計的硬件部分的設計，根據(jù)設計要求在設計單片機時要求單片機要能夠完成信號的處理，在溫度采比較后要做出相應的指令控制繼電器控制電路的通斷，進而控制電阻絲的加；并且要有定時的功能，當溫度低于設定值時電熱毯開始加熱達到設定的加熱時間或達到設定的溫度值時停止加熱。為了更好的維持恒溫，傳感器的工作準確度要高，能實時的檢測溫度并將信號傳遞給單片機由單片機進行處理發(fā)布指令。對于鍵盤的

49、設計是要能夠調(diào)節(jié)設定值，及開關的功能。顯示部分實時的顯示檢測到的溫度，方便與調(diào)節(jié)。并且當溫度過高時要有報警功能，提示用戶注意安全，及時關閉電熱毯。系統(tǒng)的總電路圖見附錄。第4章 軟件設計4.1 系統(tǒng)軟件功能分析對于單片機系統(tǒng)的設計，設計好了硬件，只是完成了一半工作，沒有軟件，硬件是沒有意義的。因此必須設計出相關的程序，通過應用程序把器件與器件之間、器件與人之間建立起溝通和相關聯(lián)系，才能發(fā)揮系統(tǒng)應有的作用。電熱毯在上電復位后，處于停止加熱狀態(tài)，此時通過按鍵來設定預置溫度和定時時間。初始溫度和定時時間設定好后，開始加熱，并實時的檢測恒溫箱的溫度并將信號傳遞給單片機，從而控制繼電器的導通和關斷時間，以

50、達到控制溫度的目的。當電熱毯的溫度達到設定溫度后，在單片機的控制下處于恒溫，若超出設定值，蜂鳴器提示，停止加熱12。根據(jù)上面對系統(tǒng)的分析，可實現(xiàn)下面幾個功能：1.系統(tǒng)初始化：對系統(tǒng)進行初始化。2.設定溫度控制值和加加熱時間，控制系統(tǒng)轉入相應的加熱或恒溫階段。3.檢測恒溫箱溫度輸入單片機進行處理。4.實現(xiàn)定時功能，定時時間到，則開始加熱。4.2 主程序的設計主程序主要進行初始化，分配內(nèi)存單元及設置定時器參數(shù)，以便為系統(tǒng)正常工作創(chuàng)造條件。由于本系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)為12位(字節(jié))，加上一些給定值，如溫度上限報警值，所以內(nèi)存單元比較多，故本系統(tǒng)將同時使用內(nèi)部RAM及外部RAM。主程序流程如圖4-1所示，本系

51、統(tǒng)的采樣周期為5s，采用兩個定時器串聯(lián)的方法，即設T0為定時方式，設T1為計數(shù)方式。設T0為定時方式1，定時的時間間隔為100ms，時鐘頻率選6MHz。設T1為計數(shù)方式2，計數(shù)值為50。當按下了啟動/停止鍵后，系統(tǒng)進入加熱狀態(tài)，每次的循環(huán)，系統(tǒng)除了執(zhí)行鍵掃描、顯示程序外，還會執(zhí)行溫度采集、溫度控制以及定時程序。系統(tǒng)會根據(jù)采集到的實際溫度值，再與設定溫度值進行比較，發(fā)出是否加熱的指令。定時程序則會計算出剩余的定時時間，并在定時時間到時，控制繼電器觸發(fā)電路的通斷13。若是在加熱狀態(tài)下，按下了啟動/停止鍵，系統(tǒng)將進入停止狀態(tài)，程序跳到系統(tǒng)初始化處，重新初始化，同時蜂鳴、加熱都會停止，重新回到設否是否

52、否否否是是是系統(tǒng)初始化是否有中斷時間設置超出設定溫度報警、停止恒溫控制當前溫度、定時時間顯示溫度采集低于設定溫度控制開始溫度設定？定狀態(tài)。圖4-1 主程序流程圖4.3 子程序設計4.3.1 顯示模塊的設計顯示方式為動態(tài)顯示，動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位數(shù)碼管，這種逐位點亮的方式稱為位掃描。動態(tài)方式顯示時各數(shù)碼管分時輪流選通，要使其穩(wěn)定顯示必須采用動態(tài)掃描方式，即在每一時刻只選通一位數(shù)碼管，并送出相應的段碼，在另一時刻選通另外一位數(shù)碼管，并送出相應的碼段14。流程圖如圖4-2顯示流程圖所示。否是開始計算十位上數(shù)字數(shù)碼管地位個位數(shù)字計算個位上數(shù)字延時Shiwei>0數(shù)碼管高位顯示十位數(shù)字

53、延時結束圖4-2顯示程序流程圖雖然這些字符是在不同的時刻分別顯示，但是由于人眼存在視覺暫留效應，只要每位顯示間隔足夠短就可以給人以數(shù)碼管同時顯示的感覺。LED數(shù)碼管采用共陽極的連接方式，共陽極接法中發(fā)光二極管必須外接電阻。動態(tài)掃描各數(shù)碼管是輪流點亮的，由于視覺的暫留現(xiàn)象，卻好像都點亮著。實際控制數(shù)碼管點亮的位選信號是依次逐一送出的，而各個數(shù)碼管應顯示數(shù)碼的筆劃信息則與其位選信號同時送給，于是各管將按序一一亮出自己的數(shù)碼；待各管都輪到后，又再從頭輪起，反復不已。在程序中要顯示數(shù)字09，只要從查出對應的端口輸出數(shù)據(jù)，再把該數(shù)字送到P1口輸出就顯示了。顯示模塊功能由函數(shù)DisplayLed( )實現(xiàn)

54、，數(shù)碼管的更新采用P2.0、P2.1、P2.2和P2.3控制，分別對應著數(shù)碼管的DS1，DS2，DS3，DS4，每個時刻指令某一位為0，在顯示完后要對該位進行復位。其顯示程序流程圖如圖4-3。由于數(shù)碼管的數(shù)據(jù)位同時接到P2口，所以選通某一個數(shù)碼管后一定要禁止顯示。在選通下一位數(shù)碼管時P2口上的電平發(fā)生變化，如果不禁止上一位則發(fā)生兩位同時顯示當前P2端口數(shù)據(jù)的情況。在選通一個數(shù)碼管，并把數(shù)據(jù)送給P2口后，要經(jīng)過一段時間延時后，才能禁止其顯示。因為，人眼睛視神經(jīng)的反應速度是有限的，如果不加延時，人眼可能還沒感知到數(shù)碼管顯示就已經(jīng)關掉了15。4.3.2 按鍵描模塊的設計鍵盤與單片機的接口有查詢方式和

55、中斷方式，查詢方式比較簡單、可靠性比較高，但是效率低；而中斷方式則效率比較高、系統(tǒng)資源占用較少、同時可以保證實時性的要求。本軟件由于按鍵較少，在效率上和系統(tǒng)資源占用上與中斷方式差別不大，所以采用查詢方式比較簡單。有鍵按下時，P0相應口的電平會被拉低，只要程序循環(huán)得讀P0口的電平，就可以判斷哪個鍵被按下。由于按鍵抖動現(xiàn)象的存在，按鍵一次按下或釋放會被錯誤的認為是多次操作，這顯然是不允許的，為了消除這種情況，程序采用軟件去抖動，即在每次檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10ms左右的延時程序后，再執(zhí)行鍵按下后的操作16。復位或停止后，系統(tǒng)處于設定狀態(tài)，其功能是監(jiān)測鍵盤輸入，接收溫度設定，定時和啟動鍵等。

56、每一個鍵都具有第二功能，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，按鍵實現(xiàn)不同的功能。復位或停止后，時間/溫度選擇鍵處于時間設定狀態(tài)，此時按下+1/+min鍵或+10/+h是設置時間，若按下時間/溫度選擇鍵，系統(tǒng)將工作于溫度設定狀態(tài)，此時再按下+1/+min或+10/+h則是設置溫度。設定溫度或時間時，程序會根據(jù)情況，使溫度和時間設定值設定在要求的范圍之內(nèi)17。時間/溫度選擇鍵還可以在系統(tǒng)加熱狀態(tài)下對顯示時間還是顯示溫度進行選擇。加熱/停止鍵在每次按下后，會改變系統(tǒng)狀態(tài)標志，主程序會根據(jù)這個標志使系統(tǒng)工作在相應的狀態(tài)下。鍵掃描模塊流程圖如圖4-3按鍵掃描程序流程圖所示。是否否是是是否否否否否否否是是是是是溫度設定加1K

57、ey_0=0&Key)1=1Key_0=0&Key)1=1Key_0=1&Key)1=0Key_0=0&Key)1=1Key_0=0&Key)1=0Key_0=0&Key)1=0Key_0=1&Key)1=1Key_0=1&Key)1=0Flag_TimeSet=0?開始溫度設定減1數(shù)碼管顯示設定溫度時間設定加1時間設定減1數(shù)碼管顯示設定時間確定確定結束圖4-3按鍵掃描程序流程圖4.3.3 報警模塊的設計當高于設定溫度時，將影響恒溫箱的質(zhì)量。因此，將恒溫箱定一個溫度上限。檢測到溫度超限，應進行報警處理。報警子程序流程如圖4-4報警程序流程圖所示18。是否開始溫度處理子程序報警處理送溫度正常信號溫度高于設定值返回圖4-4報警程序流程圖4.4 本