倉庫管理_基于單片機的倉儲溫度測控系統(tǒng)的設計

畢業(yè)設計說明書基于單片機的倉儲溫度測控系統(tǒng)的設計 學 院： 專 業(yè)： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 2013 年 6 月我們總羨慕別人的幸福，卻常常忽略自己生活中的美好。其實，幸福很平凡也很簡單，它就藏在看似瑣碎的生活中。幸福的人，并非拿到了世界上最好的東西，而是珍惜了生命中的點點滴滴，用感恩的心態(tài)看待生活，用樂觀的態(tài)度闖過磨難。摘 要溫度監(jiān)測與控制是個生產(chǎn)工藝流程極為重要的環(huán)節(jié)，自古以來就受到人們的關注，與人們的生活息息相關。近年來，隨著社會的發(fā)展，人們對溫度監(jiān)控的精度以及范圍等有了更高層次的要求，無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學研究方面，對溫度監(jiān)控都尤為重要。因此對溫度監(jiān)控的研究設計十分必要。本課題介紹了以STC89C52單片機為控制核心，DS18B20作為傳感器的集采集、處理、顯示、自動控制為一體的倉儲溫度測控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)中，以PC作為上位機監(jiān)控模塊，STC89C52單片機作為下位機控制模塊，上位機與下位機數(shù)據(jù)傳輸與交流以串口通信的方式進行。本文采用智能溫度傳感器DS18B20進行溫度的采集與轉(zhuǎn)換，其具有測溫范圍寬，精度高等優(yōu)點，同時具有單總線接口，從而使得電路設計更加簡潔。STC89C52單片機具有運算速度快，處理能力強等特點，使其在溫度測控系統(tǒng)中成為一個極為重要的組成部分，伴隨著電子技術的發(fā)展，利用單片機進行溫度測控，將成為發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)同時設置溫度顯示模塊與報警裝置，可人為地控制溫度上、下限，可自動調(diào)節(jié)溫度，使用戶可以更好的對溫度進行控制。關鍵詞：單片機、DS18B20、溫度監(jiān)控AbstractTemperature monitoring and control is a very important part of the production process, since ancient times by people concerned with peoples lives. In recent years, with the development of society, people on the accuracy of temperature monitoring and scope have higher level requirements, both in industrial and agricultural production, or scientific research, are particularly important for temperature monitoring. So the temperature monitoring study design is necessary.This topic introduces the STC89C52 microcontroller core, DS18B20 sensor set as the collection, processing, display, automatic control as one of the storage temperature monitoring system. Throughout the system, the PC as a PC monitor module, STC89C52 microcontroller as the next-bit machine control module, the PC and the next crew to serial data transmission and exchange of communication manner. In this paper, intelligent sensor DS18B20 temperature acquisition and conversion, which has a wide temperature range, high precision, but also has a single bus interface, which makes circuit design more concise. STC89C52 microcontroller with a computing speed, processing power and other characteristics, so that in the temperature measurement and control systems to become a very important part, along with the development of electronic technology, the use of single-chip temperature measurement and control, will become a trend. The system is also set temperature display module and alarm device, can artificially control the temperature, the lower, it can automatically adjust the temperature, so that users can better control the temperature.Keywords: microcontroller, DS18B20, temperature monitoring.目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 緒 論11.1課題背景及意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3研究內(nèi)容21.3.1設計指標與參數(shù)21.3.2設計目標22.1方案選擇32.2方案論證42.3系統(tǒng)工作原理概述5第三章 硬件電路設計63.1 單片機的設計63.1.1 單片機的選擇63.1.2 STC89C52單片機功能特性63.1.3 引腳功能(摘自參考目錄中單片機原理及應用一書）73.2 溫度傳感器的設計93.2.1 DS18B20溫度傳感器的特點93.2.2 DS18B20引腳定義93.2.3 DS18B20工作原理103.2.4 DS18B20與單片機連接113.3 串口通信123.4 輸入模塊123.5 顯示電路133.5.1 數(shù)碼管的選擇133.5.2 LED數(shù)碼管工作原理133.5.3 LED數(shù)碼管顯示方式143.6 蜂鳴報警器設計153.7 繼電器電路設計163.8 電源電路設計16第四章 系統(tǒng)軟件設計184.1 軟件設計原則184.2 程序結構分析184.3 溫度信號處理子程序204.4 鍵盤輸入模塊掃描子程序214.5 數(shù)碼管顯示子程序224.6 繼電器控制子程序224.7 報警子程序234.8 串口通信子程序23總 結25參考文獻26附 錄28第一章 緒 論1.1課題背景及意義溫度是一個普遍但又極為重要的參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)，科學研究等諸多領域?qū)囟鹊目刂婆c檢測都有極高的要求。在日常生活中，人們時刻都在關注溫的變化，但在不同的歷史時期，或不同的生產(chǎn)科研領域，對溫度的測量精度，測量方法都有不同的要求，因此所用到的測量元件，測量系統(tǒng)就有所差異。隨著社會的發(fā)展，人們對測溫精度、控制范圍的要求也越來越高，有時極小的溫度差異也會對工業(yè)生產(chǎn)，科研等帶來極大地影響。在倉儲環(huán)境中，對環(huán)境溫度的檢測控制顯得尤為重要。傳統(tǒng)的溫度測量方法即使用溫度計對環(huán)境溫度進行測量，然后根據(jù)環(huán)境對溫度的要求再選擇加熱或降溫處理，這種測控方法不僅流程繁瑣，需要大量的人力物力，又不能對超出控制范圍的情況作出即時反應，對生產(chǎn)、儲藏帶來極大的影響，同時，滿足不了當今社會人們對溫度檢測控制精度的要求，給生產(chǎn)、科研等帶來不必要的麻煩。因此，這就要求有一種新的，能夠?qū)囟茸兓龀黾磿r反應的高精度溫度測控系統(tǒng)。近年來，隨著電子技術和微型計算機技術的迅速發(fā)展，利用微機以及電子技術進行測控的應用也得到了長足的進步。運用計算機、單片機等進行度溫度測量與控制，不僅可以節(jié)省大量時間，人力物力等，且更能夠達到當今社會人們對溫度精度的要求，這將逐漸成為溫度測控的主流方法。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)在世界各國溫度測控系統(tǒng)技術發(fā)展很快，很多國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。伴隨著科學技術的發(fā)展，利用單片機，傳感器進行溫度測控將越來越多的得到應用。近年來溫度檢測在理論上發(fā)展較成熟，但是在實際應用中，如何保證實時的，快速的對溫度進行檢測，傳輸，并能夠快速的做出響應控制，仍是需要解決的問題。溫度檢測技術中，接觸式測量發(fā)展較早，同時檢測精度也較高，操作簡單，但卻不能實時的進行數(shù)據(jù)傳輸，使得響應速度慢，不能更好的控制溫度，難以滿足現(xiàn)代科學技術對溫度快速控制的要求?，F(xiàn)代信息技術基礎是信息采集、信息傳輸、信息處理，而傳感器則是信息采集的尖端技術，尤其是溫度傳感器被廣泛應用于各生產(chǎn)工藝中，數(shù)量高居各傳感器之首。國際上，新型傳感器正從模擬式向數(shù)字式，由集成化向智能化網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。在20世紀90年代中期最早推出的智能化溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度低分辨率只能達到1。國外已相繼推出多種高精度、高分辨率的智能溫度傳器，其中DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的適配微處理器的改進型智能溫度傳感器。目前，物聯(lián)網(wǎng)概念的逐漸普及，基于單片機的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，已在各領域得到廣泛應用。相對于國外，國內(nèi)在溫度控制系統(tǒng)的研究方面起步較晚，與國外發(fā)展水平還有相當大的差距，但是，國內(nèi)具有最大的市場，如果，大中型企業(yè)將溫度控制系統(tǒng)引入生產(chǎn)，可以降低消耗，控制成本，極大的提高生產(chǎn)效率。1.3研究內(nèi)容隨著電子技術的發(fā)展，溫度監(jiān)控領域也發(fā)生了翻天覆地的變化，基于單片機的溫度監(jiān)控系統(tǒng)因其操作簡單，性價比高，同時具有極高的精確度和分辨率，使得傳統(tǒng)的測控技術將被逐漸取代。本設計主要任務是以單片機為核心器件設計出能對倉儲溫度進行實時的檢測與控制的系統(tǒng)，設計要求不僅能正確的顯示即時溫度，而且還要求在溫度值超出所規(guī)定的溫度范圍時要由相應的溫度控制模塊對倉庫內(nèi)的溫度進行及時的降溫或升溫處理，以維持溫度在所要求的范圍內(nèi)。1.3.1設計指標與參數(shù)溫度測量范圍：-30+50；測量精度：0.5；顯示方式：分時四位顯示；報警方式：三極管驅(qū)動的蜂鳴音報警。1.3.2設計目標根據(jù)設計要求，設計出能對倉庫進行實時檢測與控制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能精確測量采集倉庫內(nèi)溫度，并能夠?qū)?shù)據(jù)送至單片機中進行處理，通過相應的溫度控制模塊對倉庫內(nèi)溫度進行升溫或降溫，使倉庫內(nèi)溫度能夠保持在規(guī)定范圍內(nèi)，同時，系統(tǒng)還設有顯示模塊與報警模塊，鍵盤輸入模塊，使對溫度的監(jiān)控更加方便與靈活。第二章 系統(tǒng)總體設計2.1方案選擇1.方案一選用傳統(tǒng)的溫度傳感器，用電位器設定溫度上下限，將反饋的溫度值與設定的溫度值進行比較，通過負載進行加熱或降溫處理。此方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，采用模擬電路，其特點是電路結構簡單，易于實現(xiàn)，但是易受環(huán)境影響，并且不能實現(xiàn)復雜的控制算法，調(diào)節(jié)頻繁，不穩(wěn)定，精確度不高，不能用數(shù)碼管顯示溫度值，不能用鍵盤輸入。工作原理框圖如圖2-1所示。繼電器信號放大比較器溫度傳感器溫度預置負載信號放大圖2-1 方案一原理框圖2.方案二采用傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同，但是采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高。這種方案還是模擬控制方式，因此也不能實現(xiàn)復雜的控制算法使控制精度更高，而且不能用數(shù)碼管顯示。其工作原理圖如圖2-2所示。負載固態(tài)繼電器信號處理上限比較信號放大信號采集溫度預置下限比較圖2-2 方案二原理框圖3.方案三采用智能溫度傳感器DS18B20，將采集到的信息直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，通過單片機控制溫度上下限，用外部電路產(chǎn)生顯示和控制加熱及降溫，并設置鍵盤輸入模塊，LED顯示模塊，溫度控制模塊，報警模塊等，便于溫度控制。其原理框圖如圖2-3所示。LED顯示模塊下位機控制模塊(STC89C52)通信模塊上位機監(jiān)控系統(tǒng)溫度檢測模塊繼電器鍵盤輸入模塊報警模塊溫度控制器圖2-3 方案三原理框圖2.2方案論證方案三中采用STC89C52單片機作為控制器，單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程來實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。同時單片機系統(tǒng)可用數(shù)碼管顯示倉庫內(nèi)實際溫度，可用鍵盤輸入所需要的控制值。不需要外擴展存儲器，使系統(tǒng)設計更為簡單。DS18B20溫度傳感器是一種分布式溫度測量系統(tǒng)智能溫度傳感器，提供9位（二進制）溫度讀數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，因此從處理器到DS18B20僅需要一條線，減少系統(tǒng)布線。另外，其電源可有數(shù)據(jù)線提供而不需要外接電源，使的系統(tǒng)設計更加簡單清晰。與其他方案相比，方案三不易受到周圍環(huán)境的干擾，且測量精度高，系統(tǒng)電路設計相對簡單，成本較低，能夠達到任務要求，所以本次設計采用方案三。2.3系統(tǒng)工作原理概述本課題中所使用的溫度控制系統(tǒng)是以單片機為核心控制器的單總線控制系統(tǒng)。以PC機作為上位機檢測模塊，單片機作為下位機控制模塊，同時外圍模塊包括鍵盤輸入模塊，智能溫度傳感器DS18B20，溫度控制模塊，報警模塊，LED顯示模塊以及串口通信模塊。通過智能溫度傳感器對倉庫內(nèi)的溫度進行采集，并將溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，直接傳送至單片機中，通過由鍵盤輸入模塊輸入的溫度范圍進行計較，如當前溫度超出了所要求的溫度范圍，報警器會立即報警，同時單片機驅(qū)動溫度控制模塊進行相應的升溫或降溫操作，并將數(shù)據(jù)儲存在單片機中，而且單片機還會通過串口通信的方式把數(shù)據(jù)傳送至PC機中，將數(shù)據(jù)保存在上位機中，顯示模塊則負責對倉庫內(nèi)溫度的實時顯示。第三章 硬件電路設計3.1 單片機的設計3.1.1 單片機的選擇STC89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存儲器（RAM），器件采用STC公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置8位中央處理器和Flash存儲單元，在電子行業(yè)中有著廣泛應用。其管腳圖如圖3-1所示。圖3-1 STC89C52單片機管腳圖3.1.2 STC89C52單片機功能特性 1、兼容MCS51指令系統(tǒng)。2、8KB可反復擦寫Flash ROM。3、32個雙向I/O口。4、2568bit內(nèi)部RAM。5、3個16位可編程定時/計數(shù)中斷。 6、時鐘頻率0-24MHz。 7、4個外部中斷源，一個7向量4級中斷結構。 8、2個讀寫中斷口線，3級加密。3.1.3 引腳功能(摘自參考目錄中單片機原理及應用一書）STC89C52為8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能與通用的8xc52相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40 腳）和GND（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0-P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義。P0口：P0口是一個8位漏極開路雙向I/O口，每個管腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳寫“1”時，被定義為高阻輸入。也可定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。Flash編程過程中，P0作為原碼輸出口，校驗時，會由P0口輸出原碼，但是這時需要拉高P0外部電源。P1口：P1口是一個8位雙向I/O口，可以由內(nèi)部提供上拉電阻。P1口緩沖器能接受輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入“1”后，電位被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這時由于內(nèi)部上拉的緣故。在Flash編程和校驗時，P1口作為第八位地址接受。與AT89C51不同之處是，P1.0 和P1.1 還可分別作為定時/計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接受，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳電位被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入，此時，P2口的管腳電位被外部拉低，輸出電流。P2口也可用作外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，他利用內(nèi)部上拉的優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在Flash編程和校驗時接受高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶有內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接受輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入時，由于外部下拉為低電平，P3口會輸出電流。當P3口作為特殊功能口時，其具體功能如表3-1所示。表3-1 P3口的第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口） P3.1TXD（串行輸出口） P3.2INT0(外中斷0) P3.3INT1(外中斷1) P3.4T0（定時/計數(shù)器0外部輸入） P3.5T1（定時/計數(shù)器1外部輸入） P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在Flash編程期間，用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。所以他可以用于對外部輸出的脈沖或用于定時。需要注意的是：當作為外部數(shù)據(jù)存儲器使用時，將跳過一個ALE脈沖。如果禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0.此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令時ALE才起作用。另外，該管腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，則置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號，當外部程序存儲器進行讀取指令時，每個機器周期兩次/PSEN有效。然而，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效信號是無效的。EA/VPP在/EA是低電平時，這時外部程序存儲器，無論有沒有內(nèi)部程序存儲器。/EA在加密方式為1時將會鎖定RESET；另一方面，/EA是高電平時，內(nèi)部程序存儲器。當在進行FLASH時，也可用作12V電源。3.2 溫度傳感器的設計3.2.1 DS18B20溫度傳感器的特點1、 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。2、 測溫范圍 55+125，固有測溫誤差0.5。3、 支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。4、 可以直接通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍是3.0V到5.5V。5、 DS18B20是可編程的，分辨率為9到12位，12位最多在750ms內(nèi)吧溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。6、 負電壓特性，當接反電源極性時，溫度計不會因為發(fā)熱而燒毀，但此時不能正常工作，接反是導致該傳感器總是顯示85的原因。3.2.2 DS18B20引腳定義1、 DQ：數(shù)字信號的輸出/輸入端。2、 GND：接地。3、 VDD：當采用寄生電源工作方式時，接地；當采用外接供電電源工作方式時，作為輸入端。3.2.3 DS18B20工作原理智能溫度傳感器DS18B20主要由64位ROM、溫度傳感器、高速緩存器、配置寄存器等部分組成。因為晶振的溫度系數(shù)比較低，所以振蕩頻率受溫度變化的影響不大，生成的脈沖信號的頻率是固定不變的，并會將此脈沖信號傳送給減法計數(shù)器1；另一方面，當晶振的溫度系數(shù)比較高時，所受到的溫度的變化的影響就會比較大，會將生成的脈沖信號傳送給減法計數(shù)器2，當打開計數(shù)門之后，DS18B20就會開始對由低溫度系數(shù)振蕩器所產(chǎn)生的時鐘脈沖計數(shù)，從而完成對溫度的測量。高溫度系數(shù)振蕩器決定著計數(shù)門的開啟時間，溫度測量前，-55所對應的基數(shù)會被分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1主要的工作是對低溫度系數(shù)晶振所產(chǎn)生的固定頻率的脈沖信號實施減法計數(shù)，減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值加1，這時減法計數(shù)器的預置將會被重新裝入，減法計數(shù)器1又會重新開始對脈沖信號計數(shù)，此后會一直循環(huán)此過程，直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0，這時才會終止溫度存儲器的累加，溫度寄存器中的數(shù)值就是當時所測得的溫度值。斜率累加器的主要工作是修正并且補償溫度測量過程中的非線性，斜率累加器的輸出可以修正減法計數(shù)器 的預置值，重復以上過程直到計數(shù)器關閉，當溫度寄存器的值到達被測溫度時測量過程停止。其工作原理如圖3-2所示。存儲器和控制器64位ROM和單線接口溫度靈敏元件高速緩存存儲器低溫觸發(fā)器TL電源檢測高溫觸發(fā)器TH配置寄存器8位CRC生成器圖3-2 DS18B20工作原理圖3.2.4 DS18B20與單片機連接DS18B20有兩種工作方式，一種是寄生電源工作方式，在這種供電方式下，GND管腳和VDD管腳都要接地，DS18B20從單線信號線上汲取能量：在信號線DQ處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。在溫度轉(zhuǎn)換期間，DS18B20工作電流可達1mA，因此，當多個傳感器使用同一根I/O線時，只靠4.7k上拉電阻不足以提供相應的能量，造成較大誤差。另一種連接方式為外部電源供電，傳感器工作電源由VDD引腳接入，GND接地，DQ管腳與單片機連接。此時I/O不需要強上拉，沒有電源欠流問題，可以保證測量精度。在本次的設計中，采用的就是外接電源的工作方式，因為要對溫度進行多點檢測，所以要使用多個傳感器，以便對倉庫內(nèi)不同的地點采集溫度，在本次設計中使用了兩個智能溫度傳感器，智能溫度傳感器之間通過DQ管腳并聯(lián)在一起，每個傳感器的VDD管腳都與5V電源相連，GND管腳接地。當DS18B20完成對溫度的采集之后，會在內(nèi)部將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后通過DQ管腳將數(shù)字量直接傳送到單片機中，單片機就會對傳送來的數(shù)字信號進行處理。其與單片機的連接電路圖如圖3-3所示。圖3-3 DS18B20與單片機連接原理圖3.3 串口通信設計中，需要實現(xiàn)單片機與上位機之間的信息傳輸，所以需要設計專門的通信模塊。計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳輸方式有串行通信和并行通信兩種，串行通信方式相對占用的線路比較少，成本也相對的比較低，所以串行通信的方式被廣泛采用，在串行通信中，為了使不同的設備之間可以方便的連接起來，因此通訊雙方必須采用一個標準接口。其中，RS-232串行接口是目前使用最為廣泛的通信接口。串口通信電路如圖3-4所示。由于單片機的串口是TTL電平的，信號電壓是+5V，而上位機的串口是RS-232電平，信號電壓+10-10V，所以，為了使兩者之間能完成正常的通信，采用MAX232電平轉(zhuǎn)換電路進行電平轉(zhuǎn)換，MAX232是美信公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片。STC89C52圖3-4 串口通信電路圖3.4 輸入模塊單片機系統(tǒng)中，按鍵式鍵盤是最常用的，行線上輸出電壓的高低電平反應出鍵的閉合與否，如果輸出低電平表示按鍵斷開，反之為閉合。通過檢測行線高低電平，來確認按鍵是否閉合。鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤，非編碼鍵盤有兩種結構：獨立式鍵盤和矩陣鍵盤。獨立式鍵盤的特點是一鍵一線，每個按鍵分別接一條I/O口線，每個鍵之間是相互獨立的，相互之間沒有影響，通過檢測各I/O口線的電平狀態(tài)即可判斷按鍵是否被按下。按鍵的開關通過一定電路轉(zhuǎn)換為高，低電平狀態(tài)，閉合過程在相應的端口形成一個負脈沖。但是，按鍵的閉合與釋放都需要一定的過程才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時處于閉合與釋放之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為抖動，為了避免多次處理一次按鍵閉合，應該采取措施消除抖動。本次設計采用獨立式鍵盤，四個按鍵控制系統(tǒng)程序的運行，溫度控制調(diào)節(jié)與顯示等。其工作原理圖如圖3-5所示。圖3-5 鍵盤輸入模塊電路圖3.5 顯示電路3.5.1 數(shù)碼管的選擇LED數(shù)碼管以其低廉的價格，穩(wěn)定的顯示效果，被廣泛應用在顯示模塊中。同時其具有使用靈活，顯示清晰，設計簡單等特點，并符合本設計顯示要求，因此，本設計中采用LED數(shù)碼管顯示器作為顯示電路。3.5.2 LED數(shù)碼管工作原理LED數(shù)碼管是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，根據(jù)內(nèi)部發(fā)光二極管的接線形式，LED數(shù)碼管可以分為共陽極和共陰極兩種，共陽極LED顯示器的發(fā)光二級管的陽極連接在一起，此共陽極接正電壓，當某個發(fā)光二級管的陰極處于低電平時，相應的發(fā)光二級管就會發(fā)亮，從而相應的段被顯示出來。共陰極LED顯示器則與共陽極恰好相反，共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，共陰極接地，若發(fā)光二級管的陽極為高電平，那么這個二極管就會發(fā)亮，相應的段就會被顯示出來，由此起到顯示電路的功能。在本次設計中采用的是共陽極LED數(shù)碼管顯示器。3.5.3 LED數(shù)碼管顯示方式用單片機驅(qū)動LED顯示，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機將要顯示的數(shù)據(jù)輸出后就不再管，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新是時，再傳送一次數(shù)據(jù)，此種顯示方式顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，同時占用很少的CPU時間。而動態(tài)顯示則需要CPU時刻對顯示數(shù)據(jù)進行刷新，顯示數(shù)據(jù)具有閃爍感，占用的CPU時間多。兩種顯示方式各有利弊，靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用CPU時間少，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅(qū)動電路，占用硬件資源較多，且不能實時的對數(shù)據(jù)進行顯示。動態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用CPU時間較多，但是占用硬件資源少，能節(jié)省線路板空間，且可以實時的顯示動態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)碼管顯示需要對單片機出來的數(shù)據(jù)進行譯碼后才能顯示，本設計使用74LS138譯碼器進行譯碼。同時因驅(qū)動能力的限制，本設計采用MC1413驅(qū)動器進行驅(qū)動。74LS138 為3線8線譯碼器，當一個選通端（E1）為高電平，另兩個選通端（(/E2)和/(E3)）為低電平時，可將地址端（A0、A1、A2）的二進制編碼在Y0至Y7對應的輸出端以低電平譯出。MC1413工作電壓高，工作電流大，灌電流可以達到500mA,并且能夠在關態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。根據(jù)設計要求，顯示模塊要做到四位實時顯示，若采用靜態(tài)顯示方式，不僅電路設計復雜，還不能實時的顯示溫度數(shù)據(jù)，所以采用動態(tài)顯示方式，而因為閃爍頻率和人眼視覺暫留效應，并沒有較高的閃爍感，同時，節(jié)省了硬件資源，降低成本。其電路原理圖如圖3-6所示。本設計采用4位數(shù)碼管顯示，由按鍵控制分時顯示實時溫度或設定溫度值。4位數(shù)碼管顯示可由單片機控制顯示3050之間的溫度范圍，精度可達到0.5，數(shù)碼管第一位顯示正負號，后三位顯示溫度值大小。圖3-6 LED 數(shù)碼管與單片機連接電路圖3.6 蜂鳴報警器設計報警電路設計較為簡單，主要由三極管、蜂鳴器、發(fā)光二極管組成。以單片機的一個引腳作為驅(qū)動來源，智能溫度傳感器采集到不同地點的溫度值，下位機控制系統(tǒng)通過掃描方式獲得各點溫度值，處理后送至上位機監(jiān)控模塊判斷是否超出控制范圍，如果溫度超出了允許范圍，上位機會通過串口將相應的數(shù)據(jù)傳送至單片機中，這時，單片機的P1口就會輸出一個低電平，從而三極管得以導通，蜂鳴報警器開始報警，同時，發(fā)光二級管發(fā)光。相反，如果溫度在要求范圍之內(nèi)，報警電路不會發(fā)出報警信號。報警電路圖如圖3-7所示。圖3-7 報警電路圖3.7 繼電器電路設計繼電器是一種電控制器件，是當輸入量（激勵量）的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預定的階躍變化的一種電器。電磁繼電器因其簡單的原理以及方便的操作而得到廣泛應用。所謂電磁繼電器就是利用輸入電路內(nèi)電路在電磁鐵鐵芯與銜鐵之間產(chǎn)生的吸引力而工作的一種電氣繼電器。設計中使用P0.4口和P0.5口來控制繼電器，繼電器在電路中起到開關的作用，當溫度超出控制范圍時，分別由單片機控制兩個繼電器閉合與斷開，繼電器控制之后的接線端P1，負載通過接線端與電磁繼電器相連，進行加熱或降溫處理。其電路圖如圖3-8所示。圖3-8 繼電器電路設計3.8 電源電路設計本次設計需要5V直流電源，但倉庫內(nèi)輸入電壓為220V的電網(wǎng)電壓，需要自己設計。其原理圖如圖3-9所示。電網(wǎng)電壓經(jīng)變壓器、整流電路、濾波電路以及穩(wěn)壓電路輸出5V直流電壓。變壓器設計較為簡單，即將220V電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為5V交流電。下一步整流電路采用單向橋式整流電路，單向橋式整流電路利用二極管的單向?qū)ㄐ允顾膫€二極管交替導通，從而輸出一個單向脈沖電壓。下一步由濾波電路對得到的脈沖電壓進行濾波，濾波電路是由電容來實現(xiàn)的，當脈沖電壓加載到電容兩端時，對電容進行充電，相反的，電容放電，由此，電容充放電過程減緩了脈沖的變化幅度，起到濾波的作用。選擇LM7805作為穩(wěn)壓電路的集成穩(wěn)壓器。LM7805操作簡單，價格低廉，是我們最常使用的穩(wěn)壓芯片，其內(nèi)部設有過流保護、過熱保護，而且設計5V電源的電路比較簡單，所以在本次設計中被作為穩(wěn)壓電源。圖3-9 電源電路圖第四章 系統(tǒng)軟件設計4.1 軟件設計原則為了能正確的的完成對軟件部分的設計編程，盡可能的提高程序和硬件系統(tǒng)的可運行性，軟件設計遵循以下原則：提高單片機的抗干擾性，單片機的抗干擾性直接關系到整個系統(tǒng)的抗干擾性，單片機最常見的干擾現(xiàn)行就是復位，為了解決這一問題，可以在系統(tǒng)的設計過程中專門設計一個“看門狗”監(jiān)控模塊，以便在系統(tǒng)出現(xiàn)干擾現(xiàn)象時，將系統(tǒng)重啟，并在斷點處繼續(xù)執(zhí)行重啟前的指令。提高代碼的使用效率，代碼的使用效率是軟件設計中一個很重要的衡量指標。代碼的使用效率可以通過試驗每條C語言編譯以后所對應的匯編語言的語句數(shù)量來表示。提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性可以通過上電、掉電測試，單片機功能的完善性與系統(tǒng)的損耗性來評估。4.2 程序結構分析設計中，主程序共調(diào)用7個子程序，分別是溫度信號處理程序、鍵盤輸入模塊的掃描程序、數(shù)碼管顯示程序、繼電氣控制程序、報警程序、單片機和上位機的串口通信程序。主程序作為整個檢測系統(tǒng)的監(jiān)控程序，對整個程序進行協(xié)調(diào)運行。運行開始，首先對整個程序進行初始化處理，之后調(diào)用溫度信號處理程序，對周圍溫度進行測量，同時讀取環(huán)境溫度值，并將信號送至單片機，再經(jīng)過串口通信的方式傳送至上位機，同時由溫度顯示模塊將測得的溫度實時顯示出來，通過對溫度上下限的對比，來確定是否要發(fā)出報警信號，通過調(diào)用繼電器控制子程序來啟動制冷或加熱設備。其具體的主程序流程圖如下圖4-1所示。 開始 系統(tǒng)初始化 測試子程序 溫度送至上位機 是否按下測溫鍵 顯示溫度清楚顯示子程序 是否按下清除鍵 清楚顯示子程序 繼電器控制 圖4-1 系統(tǒng)主流程圖4.3 溫度信號處理子程序智能溫度傳感器DS18B20是單總線元件。首先，DS18B20進行復位，并寫入跳過ROM的字節(jié)命令，0XCC，寫入進行轉(zhuǎn)換的功能命令，0X44，延遲750900ms。然后對DS18B20進行復位，并寫入跳過ROM的字節(jié)命令0XCC，隨后寫入讀取暫存的功能命令0XBE，讀入第0個字節(jié)轉(zhuǎn)換結果的低八位和第1個字節(jié)的轉(zhuǎn)換結果的高八位，所有操作完成后，DS18B20就會再次復位，讀暫存數(shù)據(jù)結束。之后整合以上操作所讀入的兩個字節(jié)，并判斷出數(shù)據(jù)的正負情況，轉(zhuǎn)化為10進制。其流程圖如圖4-1所示。 開始 DS18B20 初始化 溫度轉(zhuǎn)換 溫度值譯碼 結束圖4-2 溫度信號處理子程序4.4 鍵盤輸入模塊掃描子程序設計采用獨立式掃描鍵盤，獨立式鍵盤的按鍵相互獨立，每個按鍵接一個I/O口線，一根I/O口線上的工作狀態(tài)不會影響其他口線狀態(tài)。因此，通過檢測I/O口線的電平狀態(tài)，即可判斷那個按鍵被按下。程序設計通常采用查詢法，假設鍵盤掃描子程序應具有以下功能：1、 判定有無按鍵動作。2、 去抖動。3、 確定是否真正有閉合鍵。4、 判定閉合鍵是否釋放。開始5、 恢復閉合鍵鍵碼。N有鍵按下Y去抖動N確實按下Y 計算保存鍵值N調(diào)用延時按鍵釋放Y 恢復鍵值返回圖4-3 鍵盤輸入掃描子程序框圖4.5 數(shù)碼管顯示子程序本設計可以實時的顯示倉庫內(nèi)溫度，用到顯示模塊控制子程序。同時本設計使用了MC1413作為LED的驅(qū)動器。首先，要完成對5個控制寄存器的初始化，即完成對譯碼寄存器、顯示亮度寄存器、掃描范圍寄存器，關閉寄存器、顯示測試寄存器的初始化。然后送18個顯示數(shù)據(jù)，在傳送完控制字后，可以根據(jù)實際需要改變數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容，MC1413則會按照顯示亮度等初始化的規(guī)定與需要顯示的數(shù)據(jù)自動掃描顯示。數(shù)碼顯示模塊的流程圖如圖4-4所示。 開始 串行口初始化 數(shù)據(jù)送至緩沖區(qū) 查斷碼 顯示溫度值 結束 圖4-4 數(shù)碼管顯示子程序框圖4.6 繼電器控制子程序單片機對傳感器采集到的溫度與設定值比較，若超出溫度控制范圍，則控制相應的繼電器對溫度進行加熱或降溫處理。4.7 報警子程序當由溫度傳感器測得的溫度值傳送到單片機中后，單片機會與用戶設定的溫度值對比，只要所測溫度不在設定的溫度范圍內(nèi)，就會向報警模塊發(fā)出信號，報警模塊隨之報警。4.8 串口通信子程序溫度檢測系統(tǒng)通過串口通信的方式與上位機傳送信息，以此能夠?qū)崟r向上位機傳送溫度值，以便對溫度實時監(jiān)測并控制。單片機和上位機進行通信時，首先要設置串行口的波特率，一般情況下設置為9 600 bs，1位停止位，無奇偶校驗。串口通信程序可以采用中斷和查詢的方式，因為單片機采用中斷和查詢的方式發(fā)送子程序所占用的資源是一樣的，故發(fā)送采用查詢，接收采用中斷的方式。系統(tǒng)通過串口與上位及通信，可以實時向上位機傳送溫度值實物中通過RS232總線與計算機連接。串口通信模塊的流程圖如圖4-5所示。開始初始化溫度上下限初始化采樣和串口周期向下位機發(fā)出請求發(fā)送命令開始接收是否接收到數(shù)據(jù)協(xié)議是否正確數(shù)據(jù)是否為溫度值處理信息，顯示溫度值是否超出范圍將溫度情況顯示出來返回顯示出錯情況顯示出錯信息否是 否否圖4-5 串口通信子程序流程圖總 結本設計本著方便、實用性、易于擴展的指導思想，采用STC89C52為中央處理器加上各種外圍電路構成了整個單片機控制系統(tǒng)。在設計中運用溫度傳感器采集溫度，通過轉(zhuǎn)換、處理與設定值進行比較，得到控制信號用以控制溫度，實現(xiàn)了溫度顯示和報警控制功能。主要完成的任務：（1） 系統(tǒng)整體設計，根據(jù)設計要求，選擇合理可