基于单片机STC89C52温度控制系统的设计 毕业设计说明书

基于单片机STC89C52温度控制系统的 毕业设计说明书 目 录 摘要 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1 前言 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 2 室温控制系统的概述 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 3 室温控制系统的选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 3.1 单片机的选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 3.2 温度传感器的选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 3.3 显示器的选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2 3.4 通信的选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2 4 室温控制系统硬件电路的设计 „„„„„„„„„„„„„„„„ 2 4.1 采集终端电路设计 „„„„„„„„„„„„„„„„ 3 4.1.1 单片机最小系统电路 „„„„„„„„„„„„„„„„ 3 4.1.2 温度传感器电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„„4 4.1.3 显示电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 4.1.4 按键接口电路电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 4.1.5 温度控制电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 4.1.6 串口通信电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 4.2 控制终端电路设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 4.2.1 单片机最小系统电路 „„„„„„„„„„„„„„„„ 3 4.2.2 显示电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 4.2.3 按键接口电路电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 4.2.4 串口通信电路 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 5 室温控制系统软件的设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 5 5.1 采集终端软件设计 „„„„„„„„„„„„„„„„ 3 5.1.1 温度检测程序 „„„„„„„„„„„„„„ 3 5.1.2 温度预设程序 „„„„„„„„„„„„„„„„„„4 5.1.3 温度显示程序 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 5.1.4 温度控制程序 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 5.1.5 串口通信程序 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 5.2 控制终端软件设计 „„„„„„„„„„„„„„„„ 3 5.2.1 温度显示程序 „„„„„„„„„„„„„„ 3 5.2.2 温度预设程序 „„„„„„„„„„„„„„„„„„4 5.2.3 温度查询程序 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 5.2.4 串口通信程序 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 结论 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 总结与体会 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 致谢词 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 附录A 使用说明书„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 附录B 系统原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 附录C 系统仿真图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 附录D 系统相关程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 摘 要 本设计以AT89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度 信号由温度芯片DS18B20采集～并以数字信号的方式传送给单片机。文中介绍了该 控制系统的硬件部分～包括:温度检测电路、温度控制电路、PC机与单片机串口 通讯电路和一些接口电路 。单片机通过对信号进行相应处理～从而实现温度控制 的目的。文中还着重介绍了软件设计部分～在这里采用模块化结构～主要模块有: 数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、 超温报警程序。 【关键词】AT89S51单片机 DS18B20温度芯片 温度控制 串口通讯 Abstract This design take at89S51 monolithic integrated circuit as core temperature control system's principle of work and design method. The temperature signal by the temperature chip DS18B20 gathering, and transmits by digital signal's way for the monolithic integrated circuit. In the article introduced this control system's hardware part, including: Temperature examination electric circuit, temperature-control circuit, PC machine and monolithic integrated circuit serial port communication channel and some interface circuit. The monolithic integrated circuit through carries on corresponding processing to the signal, thus realizes the temperature control goal. In the article also emphatically introduced the software design part, uses the modular structure in here, the main module includes: Nixietube display sequence, keyboard scanning and pressed key disposal procedure, temperature signal processing procedure, black-white control procedure, excess temperature warning procedure. 【Key words】AT89S51 Monolithic Integrated Circuit ;DS18B20 Temperature Chip;Temperature Control;Serial Port Communication 1前言 工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领 域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通过信息技 术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。本设计就是基于单片机STC89C52温度控制系统的设计，通过本次课程实践，我们更加的明确了单片机的广泛用途和使用方法，以及其工作的原理。 2室温控制系统的概述 室温控制系统广泛应用于社会生活的各个领域 ,如家电、汽车、材料、电力电子等 ,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同 , 在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电器动作频繁 ,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型 ,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数难以建立 字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。 3室温控制系统方案的选择 3.1 控制器的选择 在本次将要设计的控制系统中，微机控制器无疑使最核心的部分，它的性能将直接关系到是整个控制系统控制功能的实现，运行处理的速度，能力以及控制的精度等问题。因此，选择一款恰当的控制器对于设计者来说是非常重要及必要的。 方案一:采用ARM内核的单片机，这类微处理器的特点是:功耗低，体积小，性能高。它处理能力和控制精度方面都有很高成就，执行速度快，执行效率高，如今的智能手机和平板电脑大多都有此类芯片的参与。因此，该类芯片适用于对控制精度和处理问题能力有着高要求的场合。 方案二:采用STC51系列单片机，该系列单片机是深圳宏晶科技在国内推广的 新型51内核单片机，其性能相对于传统51单片机有了很大的提升，同时保留了51单片机编程简单易学的特点。它的主要特点是:低功耗，高性能，编程简单控制，在生活中使用非常广泛。 对以上两种方案进行比较，结合室温控制系统的控制要求，选择方案二，使用STC89C52单片机。它拥有8K的系统可编程flash存储器，32个通用I/O口，简单易操作等特点，以及其响应速度和控制精度等方面的要求都符合本次控制系统的设计要求。 3.2 温度传感器的选择 由于是室温控制器，因此，温度传感器也是该系统中不可或缺的元件之一。温度的采集和传输室这个系统控制的系统，牵制整个控制系统后续动作。 方案一:采用热敏电阻式温度传感器。其特点是自身的电阻值随温度变化而变化。适用于-100--300?间的温度检测。但其测量不精准，并且要将所测信号经放大及A/D转换才能传给单片机。 方案二:采用热电偶温度传感器。热电偶的测温范围，测温精度都很高，并且其已经实现系列化。标准化，因此在测温领域运用广泛。在测温中，需要对其冷端进行温度补偿。 方案三:采用DS18B20数字传感器。DS16B20是ALLAS公司生产的一款单总线数字温度传感器。其因接口电路简单，测温以及工作温度范围广等优点，而得到广泛的运用。 由于热敏电阻温度传感器和热电偶温度传感器都需要将所测信息进行放大处理，然后在通过A/D转换后在传给单片机，过程较为复杂，加上三种温度传感器的优缺点进行比较后，选择操作较简单的DS18B20作为此次温度控制系统的测温元件，即选择方案三。 3.3 显示器的选择 显示是温度控制系统中的另一个重要的环节。它作为人机交流的一个平台，可以让用户更好的了解所测温度情况，以及根据自身要求对控制系统进行更恰当的命令。 方案一:采用四位一体的共阳极数码管。它的显示亮度高，响应的速度快，接线简单。但是只能显示数字和相应的字母。不过其性价比高，是非常常用显示器件。 方案二:采用LCM1602液晶显示器。LCM是将LCD、驱动以及控制电路组合成的模块。可以显示两行数据，数据类型为字符，即可以显示数字，也可以显示字母。用于对显示要求较高的场合。 对以上的两种显示方案的比较。因为本此设计的系统分为数据采集终端和控制终端，对两个模块的显示要求不同，因此采用不同的显示方案。在数据采集终端，只需要显示温度值即可，数码管就能满足，故数据采集终端采用方案一。而控制终端需要显示多个数据采集终端回馈的情况，因此LCM1602符合这一要求，所以控制终端选择方案二。 3.4 通信协议的选择 因为这次要设计的温度控制系统有多个数据采集终端，所以用串行通信更合适，在此选择RS485串行通信方式。这种通信方式可以实现多点通信，是半双工的双线通信协议，抗干扰能力非常高。 4室温控制系统硬件电路的设计 室温控制系统由多个数据采集终端及控制终端组成，控制终端与数据采集终端利用RS485总线通信，进行信息的交流。 室温控制系统的总设计构想是，控制终端与数据采集终端之间采用主从式多机通信方式，即控制终端为主机，数据采集终端为从机，控制终端能发送信息给每一个采集终端或指定的数据采集终端，各数据终端发送的信息只能被控制终端接收，而数据采集终端之间不能互相通信。 主从式室温控制系统连接框图如图8.1所示。 TXD RXD 8 89C52 控制终端 TXD RXD TXD RXD TXD RXD „ 89C52 89C52 89C52 2# 数据终端 N# 数据终1# 数据终端 端 图4.1系统控制框图 4.1 采集终端电路设计 设计的室温控制系统中，数据采集终端使用STC89C52单片机作为微处理机，温度传感器选择的是DS18B20，温度值是通过4位一体的共阳极数码管来完成显示，加热和制冷设备的运行是运用继电器的开断加以控制，而与控制终端的信息交流则是利用RS485总线方式实现。 数据采集终端的系统框图如图4.2所示。 测温模块 显示模块 DS18B20 数码管 8 键盘模块 9 通信模块 RS485 C 继电器 5 2 加热制冷 控制终端 设备 图4.2数据采集终端系统框图 4.1.1 单片机最小系统电路 目前，51系列单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用系统，以增强人机对话的功能。STC89C52单片机是深圳宏晶科技有限公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括:一个8位的微型处理器CPU;一个512K的片内数据存储器RAM;4K片内程序存储器;四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出;两个定时器/记数器;五个中断源的中断控制系统;一个全双工UART的串行I/O口;片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是12MHZ。以上各个部分通过内部总线相连接。 2.STC89C52单片机时序 STC89C52单片机的一个执器周期由6个状态(s1—s6)组成，每个状态又持续2个震荡周期，分为P1和P2两个节拍。这样，一个机器周期由12个振荡周期组成。若采用12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期为1us，每个状态周期为1,6us;在一数情况下，算术和逻辑操作发生在N期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从S1P2开始执行指令。如果是双字节指令，则在同一机器周期的s4读人第二字节。若为单字节指令，则在51期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加1。在加结束时完成指令操作。多数STC89C52指令周期为1—2个机器周期，只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需4个机器周期。 对于双字节单机器指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节，但Movx指令例外，Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令，在执行Movx指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。 3.STC89C52单片机引脚介绍 STC89C52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。 下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。 (1)电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚):接+5V电源正端; Vss(20脚):接+5V电源正端。 (2)外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1(19脚):接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地;对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。 XTAL2(18脚):接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。 (3)控制信号或与其它电源复用引脚 控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。 (A)(RST/VPD(9脚):RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。 当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。 (B)(ALE/ P (30脚):当访问外部存储器时，ALE(允许地址锁存信号)以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低 (C)(PSEN(29脚):片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。 (D)(EA/Vpp(31脚):EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB(MS—52子系列为8KB)。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。 (4)输入/输出(I/O)引脚P0口、P1口、P2口及P3口 (A).P0口(39脚,22脚):P0.0,P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。 对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。 (B).P1口(1脚,8脚):P1.0,P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能:P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2;P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。 (C).P2口(21脚,28脚):P2.0,P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。 (D).P3口(10脚,17脚):P3.0,P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。P3口的第2功能见下表 表1 单片机P3.0管脚含义 引脚 第2功能 P3.0 RXD(串行口输入端0) P3.1 TXD(串行口输出端) P3.2 INT0(部中断0请求输入端，低电平有效) P3.3 INT1(中断1请求输入端，低电平有效) P3.4 T0(时器/计数器0计数脉冲端) P3.5 T1(时器/计数器1数脉冲端) P3.6 WR(部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效) P3.7 RD(部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效) 综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点: 1).单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能; 2).单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线;由P0口分时复用作为数据总线。 在课题设计的温度控制系统设计中，控制核心是STC89C52单片机，该单片机为51系列增强型8位单片机，它有32个I/O口，片内含4K FLASH工艺的程序存储器，便于用电的方式瞬间擦除和改写，而且价格便宜，其外部晶振为11.0592MHz，一个指令周期为1μS。使用该单片机完全可以完成设计任务，其最小系统主要包括:复位电路和震荡电路电路。 复位操作完成单片机片内电路的初始化，是单片机从一种确定的状态开始工作。将单片机的复位引脚RST保持两个机械周期的高电平能使单片机复位。复位操作通常有两种基本形式:上电复位和按钮复位。这两种形式在本系统中都有采用，以方便系统的操作。 手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平(图1)。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平 就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。 这是一个上电复位电路，原理是突然给电后，VCC对电容充电，充电的过程中，复位信号电压随着充电时间而逐渐变低，直到电容充满时，复位信号电压完全降到0V，而电阻R2决定了电容充电的时间，R2越大则充电时间长，复位信号从VCC回落到0V的时间也长，而复位引脚在给2.5V以上时处于复位状态，而在2.5V以下则才正常工作，89S51的典型复位时间需要1ms，可长不可短，所以R2的值是由已知条件1ms，和电容22uF决定，T=RC/2，R=2T/C，可以负责的告诉你，你不需要仔细计算这里的复位时间，因为可长不可短，典型电路是C=10uF，R2=10k，电容可以大于这个值，电阻也可以大于这个值，但是不能再小，会不保险。另外R1的电阻起的作用是，当你按下强制复位按钮后，电容通过R1放电，为了让按键按下后有一段延时才能复位，为了让按键跟可靠。 单片机的时钟信号由内部震荡电路得到，即引脚XTAL1和XTAL2外接晶振体振荡器，构成内部振荡电路。电容C1，C2起稳定振荡频率，快速起振的作用，电容值一般在5pF--30pF。由于本系统要采用串口通信，晶振使用11.0592MHZ。晶振电路中如何选择电容C1，C2? (1):因为每一种晶振都有各自的特性，所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件。 (2):在许可范围内，C1，C2值越低越好。C值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。 (3):应使C2值大于C1值，这样可使上电时，加快晶振起振。 4.1.2 温度传感器电路 采用一线制数字温度传感器DS18B20来作为本课题的温度传感器。传感器输出信号进4.7K的上拉电阻直接接到单片机的P1.0引脚上。 DS18B20温度传感器是美国达拉斯(DALLAS)半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件DS18B20，是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以下几方面的原因: (1)系统的特性:测温范围为-55?,+125? ，测温精度为士0.5?;温度转换精度9,12位可变，能够直接将温度转换值以16位二进制数码的方式串行输出;12位精度转换的最大时间为750ms;可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式。 (2)系统成本:由于计算机技术和微电子技术的发展，新型大规模集成电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格也越来越低。一支DS18B20的体积与普通三极管相差无几，价格只有十元人民币左右。 (3)系统复杂度:由于DS18B20是单总线器件，微处理器与其接口时仅需占用1个I/O端口且一条总线上可以挂接几十个DS18B20，测温时无需任何外部元件，因此，与模拟传感器相比，可以大大减少接线的数量，降低系统的复杂度，减少工程的施工量。 (4)系统的调试和维护:由于引线的减少，使得系统接口大为简化，给系统的调试带来方便。同时因为DS18B20是全数字元器件，故障率很低，抗干扰性强，因此， 减少了系统的日常维护工作。 DS18B20温度传感器只有三根外引线:单线数据传输总线端口DQ ，外供电源线VDD，共用地线GND。DS18B20有两种供电方式:一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。这种情况下，用单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD接+5V)，相应的完成温度测量的时间较短。 DS18B20的工作电流约为1mA，VCC一般为5V，则电阻R=5V/1mA=5KΩ，目前用的电阻一般不是可调电阻，只是固定阻值，市场上有的就那么几个型号，跟5V接近的有4.7K、5.1K的，所以就选4.7K，或者相近的电阻。 在本设计中采用外部供电方式实现DS18B20传感器与单片机的连接，其接口电路如图4所示。 4.1.3 显示电路 led数码管(LED Segment Displays)由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。 当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的2 个8数码管字样了。如:显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。 常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。每位元数码管的点亮时间为1,2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢:)，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示 LED数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1,2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只 要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。 本系统利用动态显示温度值，其原理接线图如下图所示。 4.1.4 键盘接口电路电路 键盘接口电路是单片机系统设计非常重要的一环，作为人机交互界面里最常用的输入设备。我们可以通过键盘输入数据或命令来实现简单的人机通信。在设计键盘电路与程序前，我们需要了解键盘和组成键盘的按键的一些知识。是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等;另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键(如本学习板上所采用按键)。一般来说，按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等;另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键(如本学习板上所采用按键)。 按键按照接口原理又可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别， 非编码键盘主要是由软件来实现键盘的识别。全编码键盘由专门的芯片实现识键及输出相应的编码，一般还具有去抖动和多键、窜键等保护电路，这种键盘使用方便，硬件开销大，一般的小型嵌入式应用系统较少采用。非编码键盘按连接方式可分为独立式和矩阵式两种，其它工作都主要由软件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中(本学习板也采用非编码键盘)。 在单片机应用系统中，通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。此外，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能。因此，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。 对于一组键或一个键盘，通过接口电路与单片机相连。单片机可以采用查询或中断方式了解有无按键输入并检查是哪一个按键按下，若有键按下则跳至相应的键盘处理程序处去执行，若无键按下则继续执行其他程序机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图1(a)所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5,10 ms。从图中可以看出，在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。一般来说，在键数较/O口线浪费较大。对于比较复杂的系统或按键比较多的场合，可以用到矩阵键盘，图2(b)中所示的为4×4的矩阵式键盘，其他矩阵式键盘的设计方法类似。 4×4的矩阵式键盘由4根行线和4根列线交叉构成，按键位于行列的交叉点上，这样就构成了16个按键。其中交叉点的行列线是不连接的，当按键按下的时候，此交叉点处的行线和列线导通。图2(b) 行线通过上拉电阻接到VCC上。当无键按下时，行线处于高电平状态;当有键按下时，行、列线在交点导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的每条行线与4条列线相交，交点的按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，键分析时必须将行线、列线信号配合起来作 适当处理，才能确定闭合键的位置。 值得注意的是本文介绍的矩阵键盘，在传统的矩阵键盘的输出端加了一个四输入与门芯片74HC21。当四路输入有一个为低电平的时候，输出为低电平。将74HC21的输出端接到单片机的外部中断0(P32管脚)上，这样在实时性要求较高的情况下，设P00~P03为全低等待按键触发，当任何一个按键按下的情况下，系统都会进入中断服务程序，提高了键盘响应时间，在系统实时性要求较高的情况下非常实用。 原理图如下图所示: 4.1.5 温度控制电路 一般要校核转向轮本设计是用单片机控制继电器达到以弱控强的电路，下面再来介绍一下单片机和强电之间的桥梁----电磁继电器。 电磁继电器是有触点电继电器的一种。它是利用电磁效应实现电路开、关控制作用的元件，广泛应用在电子设备、仪器仪表及自动化设备中。在各种自动控制设备中，都要求用一个低压电路提控制一个高压的电气电路。这样不仅可以为电子线路和电气电路提供良好的电隔离，还可以保护电子电路和人员安全。 首先看看继电器的驱动 这是典型的继电器驱动电路图，这样的图在网络上随处可以搜到，并且标准教科书上一般也是这样的电路图。 单片机是一个弱电器件，一般情况下它们大都工作在5V甚至更低。驱动电流在mA级以下。而要把它用于一些大功率场合，比如控制电动机，显然是不行的。所以， 就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动”。继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。在这里，继电器驱动含有两个意思:一是对继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件:还有就是继电器去驱动其他负载，比如继电器可以驱动中间继电器，可以直接驱动接触器，所以，继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口。这个很重要，因为，一直让我们的电气工程师(我指的是那些没有学习过相应的电子技术的)感到迷惑不解的是:一个小小的芯片，怎么会有如此强大的威力来控制像电动机这样强大的东西, 怎么样理解这个电路图, 要理解这个电路，其实也比较容易。那么请您按照我的思路来，应该没有问题: 首先的，里面的三极管很重要。三极管是电子电路里很重要的一个元件。怎么样理解三极管呢, 简单的来说三极管有两个作用一个是放大作用，一个是开关作用。(严格来讲开关作用是放大作用的极限情况，不过没关系，把两者分开，更便于理解它的工作原理)。在这里，我们只了解它跟本电路有关的开关作用 首先把三极管想成一个水龙头 上面的VCC就是水池，继电器是一个水轮机，下面的GND是比水池低的任何一点。刚才说过，三极管就是水龙头，它的把手就是那个带有电阻的引脚。 现在，单片机的某一个需要控制这个继电器电路的输出引脚就是一只“手”，当单片机的这个引脚输出低电平的时候，就像“手”在打开三极管“水龙头”，水就从上往下流，继电器“水轮机”就开始转起来了。反之，如果是输出高电平，"手”就开始关“水龙头”，继电器”水轮机”因为没有水流下来，就会停止。 这就是三极管的开关作用简单的理解和记忆就是:三极管是一个开关器件，其实你真的可以将它看成是一个开关，只不过它不是用手来控制，而是用电压(电流)来控制的，因此，三极管有些时候也被称做电子开关(与机械开关相区别)。图上还有一个东西，是保护二极管，如果不需要深入理解的话，你大可不必追就为什么有它存在， 原理图如下图所示: 4.1.6 串口通信电路 一般要校核转向轮智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。1. RS-485的电气特性:采用差分信号负逻辑，逻辑"0”以两线间的电压差为+(2~6)V表示;逻辑"1"以两线间的电压差为-(2~6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。 2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。 3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分,接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。 4. RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100KpbS的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。RS485 接口组成的半双工网络，一般是两线制(以前有四线制接法，只能实现点对点的通信方式，现很少采用)，多采用屏蔽双绞线传输。这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9(孔)，与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9(针)。 另有一个问题是信号地，上述连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因:(1)共模干扰问题: RS-485接口采用差分方式传输信号，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7,+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。(2)EMI(电磁兼容性)问题:发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，信号中的共模部分就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。 由于PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路:(1)通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离栅的产品。(2)通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 市场上一般RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。RS232,RS422,RS485是电气标准，主要区别就是逻辑如何表示。 RS232使用-12V表示逻辑1，12V表示逻辑0，全双工，最少3条通信线(RX,TX,GND)，因为使用绝对电压表示逻辑，由于干扰，导线电阻等原因，通讯距离不远，低速 时几十米也是可以的。 RS422，在RS232后推出，使用TTL差动电平表示逻辑，就是两根的电压差表示逻辑，RS422定义为全双工的，所以最少要4根通信线(一般额外地多一根地线)，一个驱动器可以驱动最多10个接收器(即接收器为1/10单位负载)，通讯距离与通讯速率有关系，一般距离短时可以使用高速率进行通信，速率低时可以进行较远距离通信，一般可达数百上千米。 RS485，在RS422后推出，绝大部分继承了422，主要的差别是RS485可以是半双工的，而且一个驱动器的驱动能力至少可以驱动32个接收器(即接收器为1/32单位负载)，当使用阻抗更高的接收器时可以驱动更多的接收器。所以现在大多数全双工485驱动/接收器对都是标:RS422/485的，因为全双工RS485的驱动/接收器对一定可以用在RS422网络。 (1)485通讯接口一个对通讯接口的硬件描述，它只需要两根通讯线，既可以在两个或两个以上的设备之间进行数据传输。这种数据传输的连接，是半双工的通讯方式。在某一个时刻，一个设备只能进行发送数据或接收数据。 (2)硬件通讯接口建立后，在进行数据传输的仪表之间需要约定一个数据协议，以使接收端能够解析收到的数据，这便是“协议”的概念。 (3)通讯协议有统一标准的协议格式，如“ModBus”协议，标准的协议全面，包含的内容很多，但不易理解。由此，可以定义了一种协议，简单实用，这便是“自定义协议”。 (4)包括ModBus协议、自定义协议。气涡轮兼容两种协议格式。 原理图如下图所示: 4.2 控制终端电路设计 一般要校核转向轮 4.2.1 单片机最小系统电路 一般要校核转向轮 4.2.2 显示电路 LCM(LCD Module)即LCD显示模组，是指将液晶显示器件、连接件、控制与驱动等外围电路，PCB电路板，背光源，结构件等装配在一起的组件。LCM提供用户一个标准的LCD显示驱动接口，用户按照接口要求进行操作来控制LCD正确显示。LCM是一种相对更高集成度的LCD产品，对小尺寸LCD显示，LCM是一种省电的显示装置，LCM可以比较方便地与各种微控制器(比如单片机)连接，作为简易的人机接口。 其中，MCS-51单片机作为LCM1602显示控制系统的核心部件。它由中央处理器(CPU)、存储器(ROM与RAM)、输入/输出单元(I/O)三大基本部分构成。单片机具有高性能、低价格;体积小，集成度高，可靠性和抗干扰能力强;较低工作电压(1.8,5V)，低功耗等优点。 并且，只要在单片机的外围适当加一些必要的扩展电路及通道接口，就可以构成各种应用系统，如工业控制系统、数据采集系统、自动控制系统、自动测试系统、检测监视系统、智能仪表、功能模块等。因此单片机广泛应用于便携式智能产品与家电消费品，以及工业控制，国防装备等领域。 总之，该LCM1602液晶显示控制系统具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势。LCM1602是2 行×16 个字符的字符型液晶显示模块。它由32 个字符点阵块组成，每个字符点阵块由5×7 或5×10 个点阵组成，可以显示ASCII 码表中的所有可视的字符。 原理图如下图所示: 4.2.3 按键接口电路电路 原理图如下图所示:对于4×4键盘，共有十六个按键。如果每个按键与单片机的一个引脚相连，就会占用16个引脚，这样会使的单片机的接口不够用(即使够用，也是对单片机端口的极大浪费)。因此我们应该行列式的接法。行列式非编码键盘是一种把所有按键排列成行列矩阵的键盘。在这种键盘中，每根行线和列线的交叉处都接有一个按键，每当某个按键被按下时，与这个按键相连的行线和列线就会接通，否则是断开状态。因此4×4行列式非编码键盘只需4条行线和4条列线，总共占用8条I/O端口线。大大减少了I/O端口线的利用。 若没有按键按下时，单片机从P1口读得的引脚电平为“1”;若某一按键被按下，则该键所对应的端口线变为地电平。因此0xEX(X表示任意一个十六进制数)表示4×4键盘的第一行中的某个按键被按下，相应的0xDX、0xBX、0x7X(X表示任意一个十六进制数)分别表示键盘的第二行、第三行、第四行;0xXE、0xXD、0xXB、0xX7(X表示任意一个十六进制数)则分别表示键盘的第一列、第二列、第三列和第四列。例如0xD7是键盘的第二行第四列的按键。 4.2.4 串口通信电路 电路图如下图所示: 5 室温控制系统软件的设计 5.1 采集终端软件设计 流程图如下图所示 5.1.1 温度检测程序 流程图如下图所示: 5.1.2 温度预设程序 流程图如下图所示: 5.1.3 温度显示程序 流程图如下图所示: 5.1.4 温度控制程序 流程图如下图所示: 5.1.5 串口通信程序 流程图如下图所示: 5.2 控制终端软件设计 流程图如下图所示: 5.2.1 温度显示程序 流程图如下图所示: 5.2.2 温度预设程序 流程图如下图所示: 开始 退出判断输入 数字1到9 显示地址 退出 输入预置值 输入数字 退出 是否确定 确定 显示预设值并延时 结束 5.2.3 温度查询程序 流程图如下图所示: 5.2.4 串口通信程序 流程图如下图所示: 结论 本设计是以AT89S51为核心，利用软硬件相结合的自动控制的典型例子。在单片机自动控制已经广泛的应用于人们的生产和生活的今天，传统用模拟电路来控制温度的做法，已经逐渐被淘汰。这个系统的实现，改变了传统的温度控制方法，为温度的控制开辟了一条新的道路。根据我国的科技和工业水平，这个系统的设计是符合工业生产的需要。实现我国的工业化，自动控制是其中的一个重要目标，自动控制系统正广泛的应用于工业生产和人们的日常生活。本系统的设计成功知识实现自动控制的“冰山一角”，但它为以后更加智能化、人性化的自动控制系统的设计，作了铺垫。因此这种系统的设计具有比较好的社会效益。 经过四个多月的方案论证、系统的硬件和软件的设计、系统的调试。查阅了大量的关于传感器、单片机及其接口电路、以及控制方面的理论。经过了一番特殊的体验后，经历了失败的痛苦，也尝到了成功的喜悦。第一次靠用所学的专业知识来解决问题。检查了自己的知识水平，使我对自己有一个全新的认识。通过这次毕业设计，不仅锻炼自己分析问题、处理问题的能力，还提高了自己的动手能力。这些培养和锻炼对于我们这些即将走向工作岗位的大学生来说，是很重要的。 这次毕业设计基本的完成了任务书的要求，实现了温度的控制。通过测试表明系统的设计是正确的，可行的。但是由于设计者的设计经验和知识水平有限，系统还存在许多不足和缺陷。 总结与体会 通过此次毕业论文的课题设计，我们学会了怎样把所学的书本知识应用于实践中去，并学会了如何去思考整个控制系统的软硬件设计。实践过程中我们遇到了一些困难，但在解决问题的过程中，我们学会了团队合作精神和怎样发现问题、分析问题，进而解决问题。此次课程设计不仅增强了我们学习专业课的兴趣，而且给了我们勇气和信心，更重要的是它为我们以后的学习指明了方向。 致谢词 在宋昌林老师的指导下，我最终完成了我的毕业设计。四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。在这三年的求学生涯中师长、亲友给与了我大力支持，在这个翠绿的季节我将迈开脚步走向远方，怀念，思索，长长的问号一个个在求学的路途中被知识的举手击碎，而人生的思考才刚刚开始。感谢我教书育人的老师，我不是你们最出色的学生，而你们却是我最尊敬的老师。大学时代的老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了对待知识，走向社会的思考方式。在这里尤其要感谢宋老师，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。 感谢父母，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报;感谢同学在我遇到困境时向我伸出援助之手，同窗之谊我们社会再续;感谢这段时间对我帮助给与关怀的叔叔，阿姨，是你们让我看到了人间真情暖人心，激励我时时刻刻努力，奋发向上，排除万难勇往直前。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意～ 同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。 【参考文献】 [1] 严洁《单片机原理及其接口技术》机械工业出版社.2010 [2] 范红刚《51单片机自学笔记》北京航空航天大学出版社.2009 [3] 高云《基于MSP430的温室多路数据采集系统农机化研究》.2009 [4] 常铁原，王欣，陈文军 《多路数据采集系统的设计电子技术应用》.2008 [5] 叶红海，李丽敏《基于单片机的多路数据采集系统的设计与实现》.2008 [6] 彭伟《单片机C语言程序设计实训100例》电子工业出版社.2009 [7] 杨居义，杨晓琴，王益斌等《单片机课程设计指导》清华大学出版社.2009 [8] 刘刚，秦永左，朱杰斌《单片机原理及应用》北京大学出版社.2006 [9] 林祝亮，武林，杨金华《基于双单片机的多路数据采集系统设计》仪器仪表学报.2006 [10] 元增民，张文希《单片机原理与应用基础》国防科技大学出版社.2006 [11] 李广弟，朱月秀，王秀山.《单片机基础》北京航空航天大学出版社，2001. 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