基于單片機(jī)室內(nèi)恒溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

演講者：張浩博基于單片機(jī)室內(nèi)恒溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)-目錄基于單片機(jī)室內(nèi)恒溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述Part1概述4在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。溫度是工業(yè)生產(chǎn)和生活中常見的參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密相關(guān)，因此溫度檢測和監(jiān)控是生產(chǎn)自動化的重要任務(wù)。隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步，以及測溫儀器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，智能化是現(xiàn)代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近幾年來，溫度控制系統(tǒng)早已應(yīng)用到人們生活的各個方面此次介紹一種基于AT89C51單片機(jī)的溫度測量及報(bào)警系統(tǒng)，該電路采用DS18B20作為溫度監(jiān)測元件，使用LED數(shù)碼管作為模塊顯示，能設(shè)置溫度報(bào)警上下限。當(dāng)超出報(bào)警值時，會有LED等和蜂鳴器的聲光報(bào)警提示，同時還有升溫和降溫裝置工作，使得溫度恒定在一個范圍之內(nèi)概述國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國外對溫度控制技術(shù)研究較早，始于20世紀(jì)70年代先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指示、記錄和控制80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)目前正開發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)90年代中期，智能溫控儀問世，它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)的結(jié)晶目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫控產(chǎn)品系列，智能溫控器內(nèi)部包含溫度傳感器、AD轉(zhuǎn)換器、信號處理器和接口電路，有的產(chǎn)品還有多路選擇器、中央控制器、隨機(jī)存儲器和只讀存儲器等現(xiàn)在世界各國的溫度測控技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實(shí)現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展概述國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀我國對于溫度測控技術(shù)的研究較晚，始于20世紀(jì)80年代我國工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國家溫度測控技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了溫度室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于對溫度的單項(xiàng)環(huán)境因子的控制我國溫度測控設(shè)施計(jì)算機(jī)應(yīng)用，在總體上正從消化吸收、簡單應(yīng)用階段向?qū)嵱没⒕C合性應(yīng)用階段過渡和發(fā)展在技術(shù)上，以單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)，與發(fā)達(dá)國家相比，存在較大差距我國溫度測量控制現(xiàn)狀還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到工廠化的程度，生產(chǎn)實(shí)際中仍然有許多問題困擾著我們，存在著裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化程度低，環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點(diǎn)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)Part2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)方案選擇方案一：采用模擬集成溫度傳感器，模擬集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器采用DSP作為系統(tǒng)控制器。DSP(digitalsignalprocessor)是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件方案二：采用數(shù)字單片智能溫度傳感器，數(shù)字溫度傳感器包含A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路等模塊采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)具有可靠性強(qiáng)、性價比搞、電壓低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)得到迅猛發(fā)展和大范圍推廣，單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)比較以上方案，由于DS18B20將溫度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、接口全部集成于一芯片，與單片機(jī)連接簡單、方便。與AD590相比是更新一代的溫度傳感器，所以溫度傳感器采用DS18B20通過以上兩種方案論證和比較，從設(shè)計(jì)的實(shí)用性，方便性和成本出發(fā)，選擇了以AT89C51單片機(jī)作為中央處理單元進(jìn)行溫度計(jì)的設(shè)計(jì)最終采用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)Part3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述整個系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心器件，配合電阻電容晶振等器件，構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。其它個模塊圍繞著單片機(jī)最小系統(tǒng)展開。其中包括，傳感器采用DS18B20，負(fù)責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)后發(fā)給單片機(jī)。顯示設(shè)備采用4位共陰數(shù)碼管，顯示檢測到的溫度值。按鍵模塊，主要是進(jìn)行報(bào)警值的設(shè)置。報(bào)警模塊采用蜂鳴器+LED的模式，超出報(bào)警范圍則進(jìn)行聲光報(bào)警，同時還有升溫和降溫裝置工作，使得溫度恒定在一個范圍之內(nèi)系統(tǒng)框圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)AT89C51簡介概述AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的AT89C51單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合AT89C51有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計(jì)數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線。AT89C51有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8k可反復(fù)擦寫(>1000次)FlashROM32個雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個16位可編程定時/計(jì)數(shù)器中斷時鐘頻率0-24MHz2個串行中斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要功能特性可編程UART串行通道2個外部中斷源共8個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)電路AT89C51的最小系統(tǒng)如圖3-3所示，整個最小系統(tǒng)由三個部分組成，晶振電路部分、復(fù)位電路部分、電源電路等三個部分組成晶振電路包括2個30pF的電容C2和C3，以及12M的晶振X1。電容的作用在這里是起振作用，幫助晶振更容易的起振，取值范圍是15-33pF。晶振的取值也可以是24M，晶振的取值越高，單片機(jī)的執(zhí)行速度越快。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時候，晶振部分越靠近單片機(jī)越好系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)DS18B20傳感器電路DS18B20簡介概述DS18B20(圖3-4)是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的第一片支持"一線總線"接口的溫度傳感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干擾能力強(qiáng)，易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號處理器處理。測量的溫度范圍是-55~125℃，測溫誤差0.5℃?？删幊谭直媛?~12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。相較熱電偶傳感器而言可實(shí)現(xiàn)高精度測溫特性獨(dú)特的1-Wire總線接口僅需要一個管腳來通信每個設(shè)備的內(nèi)部ROM上都燒寫了一個獨(dú)一無二的64位序列號系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無需外圍元件多路采集能力使得分布式溫度采集應(yīng)用更加簡單溫度可測量范圍為：-55℃至+125℃(-67℉至+257℉)供電范圍為3.0V至5.5V內(nèi)部溫度采集精度可以由用戶自定義為9-Bits至12-Bits溫度范圍超過-10℃至85℃之外時具有+-0.5℃的精度用戶自定義非易失性的的溫度報(bào)警設(shè)置溫度轉(zhuǎn)換時間在轉(zhuǎn)換精度為12-Bits時達(dá)到最大值750ms與DS1822程序兼容定義了溫度報(bào)警搜索命令和當(dāng)溫度超過用戶自定義的設(shè)定值時系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域該產(chǎn)品適用于冷凍庫，糧倉，儲罐，電訊機(jī)房，電力機(jī)房，電纜線槽等軸瓦，缸體，紡機(jī)，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設(shè)備測溫和控制汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等供熱/制冷管道熱量計(jì)量，中央空調(diào)分戶熱能計(jì)量和工業(yè)領(lǐng)域測溫和控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)DS18B20模塊電路圖DS18B20的模塊電路圖如圖所示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示模塊數(shù)碼管簡介數(shù)碼管是一類價格便宜使用簡單，通過對其不同的管腳輸入相對的電流，使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字能夠顯示時間、日期、溫度等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)的器件。在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，如顯示屏、空調(diào)、熱水器、冰箱等等LED數(shù)碼管(LEDSegmentDisplays)由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成"8"字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。數(shù)碼管實(shí)際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個"2"字，那么應(yīng)當(dāng)是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。數(shù)碼管的外形如圖所示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)數(shù)碼管驅(qū)動方式的分類LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)LED數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動動態(tài)顯示，LED數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)數(shù)碼管驅(qū)動電路本設(shè)計(jì)由于采用了4位數(shù)碼管，如果采用靜態(tài)驅(qū)動的話，將會占用單片機(jī)32個IO口，導(dǎo)致單片機(jī)IO口不夠用，因此采用數(shù)碼管的動態(tài)驅(qū)動方式，電路如圖所示，把數(shù)碼管的數(shù)據(jù)口接到單片機(jī)的PO口上，位選端則由單片機(jī)的P27、P26、P25、P24進(jìn)行控制只需12個IO口，就可以控制4位數(shù)碼管的顯示。在程序中需要輪流點(diǎn)亮每位數(shù)碼管，并且保持一定的點(diǎn)亮?xí)r間，由于人眼存在短暫的視覺停留，所以最終看起來的效果就好像是數(shù)碼管同時發(fā)亮顯示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)NEXT蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成此外，蜂鳴器還有有源蜂鳴器與無源蜂鳴器的區(qū)別。注意這里的"源"不是指電源，而是指震蕩源。也就是說，有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要一通電就會叫；而無源內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號無法令其鳴叫，必須用2K-5K的方波去驅(qū)動它。本設(shè)計(jì)使用的是有源蜂鳴器由于蜂鳴器工作時，需要的電流比較大，單片機(jī)的IO口輸出的電流又比較小，所以這里利用三極管的開關(guān)管功能來控制蜂鳴器發(fā)音，本設(shè)計(jì)選用的三極管型號是PNP三極管S8550，而且本設(shè)計(jì)選用的蜂鳴器屬于有源蜂鳴器，即在蜂鳴器內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)置了震蕩電路系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)無需連續(xù)發(fā)出高低電平來驅(qū)動它，而只要輸出高(或低)電平即可，這大大簡化了單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)。由于選用的是PNP型而單片機(jī)上電IO口默認(rèn)是高電平的，所以上電時蜂鳴器是不會發(fā)出鳴叫的。蜂鳴器電路圖所示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)NEXT鍵盤是人與單片機(jī)打交道的主要設(shè)備。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的立場上來看，僅僅完成鍵盤掃描，讀取當(dāng)前時刻的鍵盤狀態(tài)是不夠的，還有不少問題需要妥善解決，否則，人們在操作鍵盤就容易引起誤操作和操作失控現(xiàn)象在單片機(jī)應(yīng)用中鍵盤用得最多的形式是獨(dú)立鍵盤及矩陣鍵盤。它們各有自己的特點(diǎn)，其中獨(dú)立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設(shè)計(jì)上也不復(fù)雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中矩陣鍵盤與獨(dú)立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨(dú)立鍵盤復(fù)雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢得多，因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過程中產(chǎn)生的"毛刺"現(xiàn)象這里采用最常用的方法，即延時重復(fù)掃描法，延時法的原理為：因?yàn)?毛刺"脈沖一般持續(xù)時間短，約為幾ms，而我們按鍵的時間一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個時間,所以當(dāng)單片機(jī)檢測到有按鍵動靜后再延時一段時間后再判斷此電平是否保持原狀態(tài),如果是則為有效按鍵，否則無效系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)LED顯示電路發(fā)光二極管簡稱為LED。由含鎵(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。當(dāng)電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光，氮化鎵二極管發(fā)藍(lán)光系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過二極管的電流本設(shè)計(jì)中采用了2顆LED燈，分別為紅色和綠色，紅色代表溫度過高，綠色則代表溫度過低繼電器電路繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量(激勵量)的變化達(dá)到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路)之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種"自動開關(guān)"。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用按繼電器的工作原理或結(jié)構(gòu)特征分類的不同，大致可將繼電器分為電磁繼電器、固體繼電器、溫度繼電器、舌簧繼電器、時間繼電器、高頻繼電器、極化繼電器、光繼電器、聲繼電器、熱繼電器、儀表式繼電器、霍爾效應(yīng)繼電器、差動繼電器等本設(shè)計(jì)中采用的繼電器屬于電磁式繼電器。電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的繼電器電路軟件設(shè)計(jì)Part5軟件設(shè)計(jì)C語言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，它既具有高級語言的特點(diǎn)，又具有匯編語言的特點(diǎn)。它由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的DennisM.Ritchie于1972年推出，1978年后，C語言已先后被移植到大、中、小及微型機(jī)上，它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序它的應(yīng)用范圍廣泛，具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到C語言，適于編寫系統(tǒng)軟件、三維、二維圖形和動畫，具體應(yīng)用例如單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用程序語言及開發(fā)環(huán)境軟件設(shè)計(jì)0101Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍軟件設(shè)計(jì)程序流程圖設(shè)計(jì)總體程序流程圖設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件流程圖如所示。最開始先進(jìn)行定時器的初始化，本設(shè)計(jì)利用定時器實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)掃描。接著就進(jìn)入一個死循環(huán)，死循環(huán)執(zhí)行以下內(nèi)容：1讀取當(dāng)前的溫度值；2顯示檢測到的溫度值；3判斷檢測到的溫度是否超出設(shè)置的上下限，是的話則啟動聲光報(bào)警，還有模擬恒溫裝置；4延時并進(jìn)行按鍵掃描，若檢測到按鍵按下，則進(jìn)入溫度上下限設(shè)置的狀態(tài)軟件設(shè)計(jì)溫度傳感器程序設(shè)計(jì)首先是初始化傳感器，相當(dāng)于是一次復(fù)位的過程，由于本設(shè)計(jì)只接了一個傳感器，因此無需區(qū)別傳感器的序列號，直接發(fā)一個指令0xcc跳過ROM尋找，接著發(fā)一個0x44的指令給傳感器，讓傳感器啟動溫度轉(zhuǎn)換。然后再次復(fù)位傳感器,接著還是一樣的跳過ROM指令0xcc，再往下就是發(fā)0xbe給傳