基于單片機(jī)溫度檢測及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目 基于單片機(jī)的溫度檢測及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名 李 海 學(xué) 號 201110114221 年級 2011 指導(dǎo)教師 喻洪平 職稱 副教授 2015年 5月 8日題目：基于單片機(jī)溫度檢測及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)：測控技術(shù)與儀器 學(xué)號：201110114221 學(xué)生: 李 海 指導(dǎo)教師：喻洪平摘要：溫度無論在工業(yè)領(lǐng)域還是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域或是日常生活之中，它都是一個(gè)重要的物理量，因此各個(gè)行業(yè)的工作人員都在進(jìn)行溫度調(diào)控這方面的調(diào)控。采用單片機(jī)進(jìn)行溫度調(diào)控是當(dāng)今溫度控制領(lǐng)域的一種被人喜愛的智能溫度調(diào)控方式。單片機(jī)智能調(diào)控溫

2、度擁有很多優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)智能調(diào)控溫度不僅方便，減少操控人員工作量，同時(shí)可以大大提高溫度調(diào)控的技術(shù)指標(biāo)，加大了智能溫度調(diào)制精度。隨著單片機(jī)行業(yè)的快速發(fā)著，單片機(jī)的應(yīng)用范圍和深度正在逐漸增強(qiáng)，通常在智能操作和測控方面，單片機(jī)通常是整個(gè)系統(tǒng)的核心。 近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動傳統(tǒng)檢測日新月益更新。在現(xiàn)在的應(yīng)用范圍內(nèi)，無論是實(shí)時(shí)檢測還是自動控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)通常在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)著核心的控制地位，但是如果想設(shè)計(jì)好整個(gè)系統(tǒng)，僅僅擁有單片機(jī)的使用技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們同時(shí)要擁有硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識，以及對具體應(yīng)用需求的具體了解，同時(shí)軟件部分需要了解c語言和

3、開發(fā)環(huán)境的使用等基礎(chǔ)知識。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用c語言進(jìn)行編寫，雖然c語言沒有匯編的效率高，但其通用性，可移植性優(yōu)勢非常突出，并且隨著編譯器的提升，轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到非常高的效率。軟件部分我們使用軟件的模塊化設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)可以使軟件設(shè)計(jì)分析時(shí)思路清晰易懂，易于隨著要求的更改而改變程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是將單片機(jī)和溫度傳感器于一體的綜合設(shè)計(jì)。它是以51單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，紅外溫度傳感器采集溫度，鍵盤和led作為io端，調(diào)控風(fēng)扇電機(jī)來進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；c語言；紅外溫度傳感器；風(fēng)扇電機(jī) 成都學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）the design of tempe

4、rature detection and the cooling system based on single chip microcomputerspecialty:measure ement control and instrusemention student number:201110114221 student: li hai supervisor:yu hong ping abstract:temperature both in industry and agriculture, it is an important physical quantity, so the staff

5、in a wide range of industries are to control the temperature of control.by single chip microcomputer temperature control is the temperature control in the field of a kind of intelligent temperature control that is loved by people.single chip microcomputer intelligent control temperature has many adv

6、antages. the single chip microcomputer intelligent control temperature is not only convenient and reduce the workload of operators and can greatly improve the technical index of temperature at the same time and increased the intelligent temperature modulation precision.as the mcu industry developing

7、, mcu application is gradually enhanced in scope and depth. in terms of intelligent operation and control, single-chip computer is usually the core of the whole system.in recent years, with the rapid development of science and technology, muc applications are developing in the depth and drive the tr

8、aditional detection at the same time.system, only with the use of single-chip microcomputer technology is not enough. we want to have the basic knowledge of hardware system design at the same time, as well as the understanding of the specific of the specific application requirements, at the same tim

9、e the software needs to understand the use of c language and the development environment.the paper is based on c language.the c language has a lower efficiency than assembly, but it is general and is easy to transplant.with the development of the compiler, conversion efficiency has been improved. so

10、ftware part is used the modular design. the modular design is clear and transparent. software design can be changed with the change of the requirements.according to the design requirements of this system, the design scheme of this system is the single-chip microcomputer and a temperature sensor in a

11、 bodys comprehensive design.the scheme is based on 51 single chip microcomputer as the control core of the whole system, and also has the infrared temperature sensor acquisition, keyboard and led as io port, regulating the fan motor to adjust the temperature.key words：mcu;c language;infrared tempera

12、ture sensor;fan motor目錄第一章 緒論21.1 本文的研究背景及意義21.2 溫度控制技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀21.3 本文實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)和功能31.4 本文的章節(jié)安排3第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)52.1 虛擬信號發(fā)生器功能簡介52.2 虛擬信號發(fā)生器的總體方案設(shè)計(jì)52.3 本章小結(jié)6第三章 系統(tǒng)硬件簡介73.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)規(guī)劃73.1.1 溫度傳感器的選擇73.1.2 控制核心的選擇83.1.3 溫度顯示器件的選擇83.1.4 調(diào)速方式的選擇93.2 硬件電路設(shè)計(jì)93.2.1 開關(guān)復(fù)位與晶振電路93.2.2 數(shù)碼管顯示電路103.2.3 串口通信113.2.4 按鍵電路設(shè)計(jì)1

13、13.2.5 風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動與調(diào)速電路123.3 本章小結(jié)12第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)134.1 軟件開發(fā)平臺和開發(fā)語言134.2 uart串口系統(tǒng)部分實(shí)現(xiàn)144.3 spi紅外溫度采集154.4 電機(jī)風(fēng)扇調(diào)節(jié)174.5 本章小結(jié)17第五章 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行185.1 系統(tǒng)調(diào)試過程185.2 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果18第六章 結(jié) 論20參 考 文 獻(xiàn)21致 謝22第一章 緒論1.1 本文的研究背景及意義 無論在工業(yè)的生產(chǎn)制造，還是各種儀器的使用或是各種生活電器的使用，溫度是一個(gè)非常重要的物理參數(shù)。隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們越來越注重溫度檢測與顯示的重要性。在當(dāng)今競爭激烈的市場上溫度檢測調(diào)控產(chǎn)品已經(jīng)非常普遍

14、，同時(shí)應(yīng)用的范圍也相當(dāng)廣泛。溫度檢測及顯示也逐漸采用自動化控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。 風(fēng)扇是一個(gè)十分常見的商品，它無論在工業(yè)制造中還是日常生活中，它都擁有著不可替代的地位，例如在日常生活中，隨處可見人們使用風(fēng)扇進(jìn)行降溫，在大大型的工業(yè)制造中廠商采用大型風(fēng)扇給機(jī)器設(shè)備進(jìn)行降溫，同時(shí)我們也可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的筆記本個(gè)人電腦也廣泛采取風(fēng)扇降溫策略。在現(xiàn)在的探索中，我們可以發(fā)現(xiàn)使用風(fēng)扇進(jìn)行降溫已經(jīng)起到了明顯的效果，利用風(fēng)扇我們可以根據(jù)溫度的變化調(diào)節(jié)風(fēng)扇，使溫度一直保持在我們所需要的值上，避免因?yàn)檫^熱使機(jī)器損壞的情況，這就擺脫了人為控制，達(dá)到智能控制的層次。 在本次的設(shè)計(jì)中，我們綜合實(shí)際的設(shè)計(jì)需求，采用stc公司的

15、51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制核心，使用溫度檢測系統(tǒng)來檢測環(huán)境溫度，同時(shí)為了采集者的方便觀察，將數(shù)據(jù)通過led進(jìn)行顯示，我們使用鍵盤作為輸入系統(tǒng)，可以輸入我們的理想目標(biāo)溫度，根據(jù)目標(biāo)設(shè)定溫度，控制器控制風(fēng)扇電機(jī)使之達(dá)到目標(biāo)溫度，當(dāng)目標(biāo)溫度達(dá)到以后，控制器將停止電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)自動化控制，同時(shí)可減少電源浪費(fèi)。1.2 溫度控制技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 從近年來的溫控系統(tǒng)發(fā)展來看，在理論上溫度的檢測已經(jīng)比較成熟，但問題的關(guān)鍵在于實(shí)際測量和控制，在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)中我們需要保證快速實(shí)時(shí)地對溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并且能夠?qū)λ杉臏囟染珳?zhǔn)的調(diào)控，這些都是目前需要解決的問題。溫度的調(diào)控技術(shù)主要包括溫度的采集技

16、術(shù)和溫度的控制技術(shù)。在溫度的測量技術(shù)史上，接觸式測溫是發(fā)展較早的，同時(shí)也是比較成熟的技術(shù)，接觸式測溫技術(shù)擁有一系列非常好的優(yōu)點(diǎn)，例如方法簡單可靠，經(jīng)濟(jì)成本低廉，并且在測量真實(shí)物體的溫度時(shí)較準(zhǔn)確。但是由于傳感器器件的熱慣性的影響，測量溫度時(shí)的響應(yīng)時(shí)間長，對于一些熱容量較小的物體，接觸式難以測得精準(zhǔn)溫度，并且如果測量物體帶有腐蝕性，或物體溫度過高，或物體的移動速度過快，使用接觸式都難以準(zhǔn)確的測量物體溫度。另外有一種非接觸式的測量溫度的方法，該方法的原理是通過物體向外輻射的能量來測量實(shí)際物體的溫度的，這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以不破壞測量的溫場，可以測量腐蝕性物體，可以測量高溫物體，可以測量熱容量小的物

17、體，可以測量快速移動的一系列物體。但同時(shí)這種方法也不是完美的，它也有一些缺點(diǎn)，此種測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且價(jià)格昂貴。因此，在實(shí)際的溫度測量時(shí)，我們不能草率的決定采用哪種溫測系統(tǒng)，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的溫測需求來進(jìn)行溫度測量的方法的選擇，在滿足測溫需求的同時(shí)盡可能降低成本。 溫度調(diào)控技術(shù)目前根據(jù)控制目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)可以分為兩類：動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動態(tài)溫度跟蹤是指溫度控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的目標(biāo)溫度曲線隨著時(shí)間的變化而變化的調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度，這種溫度調(diào)控技術(shù)在實(shí)際的工程中是經(jīng)常遇到的，例如在生物工程中的發(fā)酵問題，化學(xué)工廠中的化學(xué)反應(yīng)中，以及在冶金工業(yè)中的溫度控制都屬于這一類；橫值溫度控制系統(tǒng)是指被控制的溫度

18、唯一固定值，不隨著時(shí)間的變化而變化目標(biāo)溫度，同時(shí)要求溫度的幅值波動要在一定的范圍之內(nèi)，不允許超過范圍極限。1.3 本文實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)和功能 溫度測量及調(diào)控系統(tǒng)，利用紅外溫度傳感器測量環(huán)境溫度，將溫度采集采集到控制系統(tǒng)內(nèi)，控制器處理信息數(shù)據(jù)，led顯示溫度，控制電機(jī)速度來進(jìn)行降溫，通過按鍵進(jìn)行溫度設(shè)定，進(jìn)行智能溫度控制。1.4 本文的章節(jié)安排本論文以五章來闡述自己所做的工作，其中各章節(jié)的大致安排如下：第一章為緒論，主要介紹了課題的研究背景與意義、溫度測控的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀以及技術(shù)指標(biāo)和功能。第二章為系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，介紹了系統(tǒng)應(yīng)該完成的功能，概括了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，并給出系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。第

19、三章為系統(tǒng)硬件簡介，主要說明了溫度測控系統(tǒng)中涉及到的硬件原理。第四章為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),這是本文最重要的部分。主要內(nèi)容有溫度采集，并進(jìn)行溫度顯示，以及溫度設(shè)置和溫度調(diào)節(jié)等。第五章為系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行結(jié)果，主要展示了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整體功能。第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 虛擬信號發(fā)生器功能簡介根據(jù)實(shí)際需要，本系統(tǒng)主要完成以下功能:1、利用紅外溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)2、通過led進(jìn)行溫度顯示3、通過鍵盤進(jìn)行溫度設(shè)定4、通過pwm驅(qū)動調(diào)節(jié)風(fēng)扇，進(jìn)行溫度控制2.2 虛擬信號發(fā)生器的總體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的整體思路是：本系統(tǒng)以51單片機(jī)為控制核心，將紅外溫度傳感器檢測環(huán)境溫度并直接輸出數(shù)字溫度信號給單片機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)利

20、用led數(shù)碼管進(jìn)行溫度的顯示。同時(shí)采用pwm脈寬調(diào)制方式來改變直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。并通過一個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)智能控制和固定轉(zhuǎn)速切換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。 溫度顯示led 按鍵溫度設(shè)定 電動風(fēng)扇調(diào)節(jié)溫度 pwm電機(jī)驅(qū)動stc89c51rc紅外傳感器溫度采集 圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2.3 本章小結(jié)本章只是從總體的思路上進(jìn)行了一個(gè)大體的介紹，分析了其中每個(gè)部分的功能作用，為今后的具體涉及做好了基本的框架，其中并沒有涉及到過多的技術(shù)內(nèi)容，下面將從硬件和軟件兩部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹。第三章 系統(tǒng)硬件簡介3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)規(guī)劃 3.1.1 溫度傳感器的選擇 在本設(shè)計(jì)中，溫度傳感器的選擇有以下四種方案： 方

21、案一：將熱敏電阻作為溫度檢測的核心，熱敏電阻的阻值會隨著物體溫度的變化而變化，在經(jīng)過信號通過功率放大器電路將信號放大，進(jìn)而可產(chǎn)生較大的電壓信號最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adc0809將電壓信號模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單片機(jī)處理。方案二：采用模擬式的集成溫度傳感器lm35作為溫度檢測的核心元件，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adc0809將微弱電壓變化信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單片機(jī)處理。 方案三：采用溫度傳感器ds18b20作為溫度采集的核心器件，通過單片機(jī)與其進(jìn)行串口通信可采集數(shù)字溫度數(shù)據(jù)方案四：采用紅外溫度傳感器tn901,通過串口通信可以采集溫度數(shù)據(jù)。對于方案一，采用熱敏電阻作為溫度檢測元件，有價(jià)格便宜，元件易購

22、的優(yōu)點(diǎn)，但熱敏電阻對溫度的細(xì)微變化不太敏感，在信號采集、放大以及轉(zhuǎn)換的過程中還會產(chǎn)生失真和誤差，并且由于熱敏電阻的r-t關(guān)系的非線性，其自身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路來修正，但這不僅將使電路變得更加復(fù)雜，而且在人體所處環(huán)境溫度變化過程中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統(tǒng)。 對于方案二，雖然模擬式集成溫度傳感器lm35的高度集成化，大大降低了外接放大轉(zhuǎn)化等電路的誤差因數(shù)，溫度誤差變得很小，但由于其檢測溫度結(jié)果以電壓形式輸出，需要使用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片adc0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，此過程較為繁瑣。并且由于lm35對溫度變化產(chǎn)生的電壓變化較小，系統(tǒng)易受干擾。故該方案不適合

23、本系統(tǒng)。對于方案三，雖然數(shù)字式集成溫度傳感器ds18b20的高度集成化，通過串口可以采集到數(shù)字量數(shù)據(jù)，但如果將ds18b20應(yīng)用在高精端儀器的溫度采集，并且對溫度調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性較高的系統(tǒng)中，ds18b20溫度傳感器的性能就無法達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。因此該方案不適合本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對于方案四，特點(diǎn)tnm 紅外溫度計(jì)模塊采用高靈敏度、高精度、的功耗的設(shè)計(jì)，保證了采用的優(yōu)良特性。mems 熱電堆可以準(zhǔn)確的測量出環(huán)境溫度，采用溫度補(bǔ)償技術(shù)在 tnm 紅外溫度計(jì)模塊 上。zytemp 開發(fā)出獨(dú)有的集成了所有硬件的集成電路的組成了紅外片上系統(tǒng)。應(yīng)用該創(chuàng)造 性的紅外片上系統(tǒng)（soc）技術(shù)，tnm 紅外溫度模塊具有很高

24、的集成度和性價(jià)比。zytemps 的產(chǎn)品可以承受 10的熱沖擊。我們的產(chǎn)品擅長在寬范圍溫度變化環(huán)境中保 持精度。例如：傳統(tǒng)的紅外測溫儀溫度變化帶來的誤差達(dá)到 1.6，需要 30 分鐘的穩(wěn)定 時(shí)間；而 zytemps tnm 產(chǎn)品誤差僅僅是 0.7 ，僅需要 7 分鐘的穩(wěn)定時(shí)間.tnm 產(chǎn)品只需要 3 伏電源供電，而多數(shù)其他紅外溫度計(jì)需要9 伏電壓供電zytemp 保證溫度標(biāo)準(zhǔn)溯源倒 nist 或者國際測量實(shí)驗(yàn)室. 所有的 tnm 產(chǎn)品經(jīng)過溯源 的紅外溫度標(biāo)準(zhǔn)源校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的序列號保存在模塊上eeprom 內(nèi)。紅外溫度傳感器tn901的溫度測量范圍大，精確度高，響應(yīng)時(shí)間快，抗干擾能力強(qiáng)

25、，并且tn901屬于數(shù)字量信號傳感器，可以通過spi串口采集出數(shù)據(jù)信號，避免了a/d轉(zhuǎn)換部分，因此本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用紅外溫度傳感器tn901。圖3-1為紅外溫度傳感器tn901的最小單元模塊。 圖3-1 tn901最小單元模塊 3.1.2 控制核心的選擇在本設(shè)計(jì)中采用stc89c51rc單片機(jī)作為控制核心，通過軟件編程的方法進(jìn)行溫度檢測和判斷，并在其i/o口輸出控制信號。stc89c51rc單片機(jī)工作電壓低，性能高，片內(nèi)含8k字節(jié)的只讀程序存儲器rom和512字節(jié)的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器ram，它兼容標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令系統(tǒng)，性價(jià)比高，適合本設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 3.1.3 溫度顯示器件的選擇 在本次設(shè)計(jì)中溫度

26、顯示器的選擇方案共有兩套，分別是：方案一：應(yīng)用動態(tài)掃描的方式，采用led共陰極數(shù)碼管顯示溫度。 方案二：采用lcd液晶顯示屏顯示溫度。 對于方案一，該方案成本很低，顯示溫度明確醒目，即使在黑暗空間也能清楚看見，功耗極低，同時(shí)溫度顯示程序的編寫也相對簡單，因而這種顯示方式得到了廣泛應(yīng)用。但不足的地方是它采用動態(tài)掃描的顯示方式，各個(gè)led數(shù)碼管是逐個(gè)點(diǎn)亮的，因此會產(chǎn)生閃爍，但由于人眼的視覺暫留時(shí)間為20ms，故當(dāng)數(shù)碼管掃描周期小于這個(gè)時(shí)間時(shí)人眼不會感覺到閃爍，因此只要描頻率設(shè)置得當(dāng)即可采用該方案。 對于方案二，液晶顯示屏具有顯示字符優(yōu)美，其不僅能顯示數(shù)字還能顯示字符甚至圖形，這是led數(shù)碼管無法比

27、擬的。但是液晶顯示模塊的元件價(jià)格昂貴，顯示驅(qū)動程序的編寫也較復(fù)雜，從簡單實(shí)用的原則考慮，本系統(tǒng)采用方案一。 3.1.4 調(diào)速方式的選擇 方案一：采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片dac0832來控制，由單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度值輸出相應(yīng)數(shù)字量到dac0832中，再由dac0832產(chǎn)生相應(yīng)模擬信號控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而通過無級調(diào)速電路實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)。 方案二：采用單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)pwm（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速的方法。pwm是英文pulse width modulation的縮寫，它是按一定的規(guī)律改變脈沖序列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)節(jié)方式，在pwm驅(qū)動控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，最常用的是矩形波pwm

28、信號，在控制時(shí)需要調(diào)節(jié)pwm波得占空比。占空比是指高電平持續(xù)時(shí)間在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)的百分比。在控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，占空比越大，轉(zhuǎn)速就越快，若全為高電平，占空比為100%時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大 。用單片機(jī)i/o口輸出pwm信號時(shí)，有如下三種方法： (1) 利用軟件延時(shí)。當(dāng)高電平延時(shí)時(shí)間到時(shí)，對i/o口電平取反，使其變成低電平，然后再延時(shí)一定時(shí)間；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)時(shí)間到時(shí)，再對該i/o口電平取反，如此循環(huán)即可得到pwm信號。 (2) 利用定時(shí)器?？刂品椒ㄅc(1)相同，只是在該方法中利用單片機(jī)的定時(shí)器來定時(shí)進(jìn)行高低電平的轉(zhuǎn)變，而不是用軟件延時(shí)。在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用了此方法。 (3) 利用單片機(jī)自帶的pwm控制器。在st

29、c12系列單片機(jī)中自身帶有pwm控制器，但本系統(tǒng)所用到得stc89系列單片機(jī)無此功能。 對于方案一，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)對直流風(fēng)扇電機(jī)的無級調(diào)速，速度變化靈敏，但是d/a轉(zhuǎn)換芯片的價(jià)格較高，與其溫控狀態(tài)下無級調(diào)速功能相比性價(jià)比不高。 對于方案二，相對于其他用硬件或者軟硬件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速而言，采用pwm 用純軟件的方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)速過程，具有更大的靈活性，并可大大降低成本，能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的功能，對于簡單速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。綜合考慮選用方案二。3.2 硬件電路設(shè)計(jì) 3.2.1 開關(guān)復(fù)位與晶振電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，除單片機(jī)本身需要復(fù)位以外，外部擴(kuò)展i/o接口電路也需

30、要復(fù)位，因此需要一個(gè)包括上電和按鈕復(fù)位在內(nèi)的系統(tǒng)同步復(fù)位電路。單片機(jī)上的xtal1和xtal2用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接單片機(jī)片內(nèi)osc的定時(shí)反饋回路。本設(shè)計(jì)中開關(guān)復(fù)位與晶振電路如下圖所示，當(dāng)按下按鍵開關(guān)s1時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位一次。晶振為11.0592mhz。圖3-2為復(fù)位和晶振電路。 圖3 -2復(fù)位和晶振電路 3.2.2 數(shù)碼管顯示電路 本設(shè)計(jì)制作中選用2位共陰極數(shù)碼管作為顯示模塊，它和單片機(jī)硬件的接口如圖3-3所示。用于顯示溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測采集到的溫度，可精確到1攝氏度，顯示范圍為099攝氏度。2位數(shù)碼管的段選a、b、c、d、e、f、g、d、p線分別與單片機(jī)的p0.0p0.7口連接

31、，其中p0口需接一1k的上拉電阻，并串聯(lián)74hc573作為驅(qū)動電路，以使led能夠獲得較大電流。2位數(shù)碼管的位選分別與單片機(jī)的p2.0p2.1口相連接，只要p2.0p2.1中任一位中輸出低電平，則選中與該位相連的數(shù)碼管。 圖3-3 led數(shù)碼管顯示電路 3.2.3 串口通信為了方便調(diào)試我們需要通過串口使pc機(jī)和單片機(jī)通信。單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件，計(jì)算機(jī)的串口是rs232電平的，而單片機(jī)的串口是ttl電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，采用專用芯片max232進(jìn)行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個(gè)三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，但

32、是還是用專用芯片更簡單可靠。采用三線制連接串口，也就是說和計(jì)算機(jī)的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的gnd、第2腳的rxd、第3腳的txd。電路如圖3-4所示，max232的第11腳和單片機(jī)的11腳連接，第12腳和單片機(jī)的10腳連接，第15腳和單片機(jī)的20腳連接。 圖3-4 uart串口電路 3.2.4 按鍵電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)為了以后的方便調(diào)試，我們需要設(shè)計(jì)4*4鍵盤設(shè)計(jì)，按鍵采用價(jià)格廉價(jià)的普通四腳按鍵，4*4鍵盤設(shè)計(jì)完成后會出現(xiàn)8個(gè)接口，只需要將8個(gè)鍵盤接口接到單片機(jī)的普通接口即可。圖3-5為4*4鍵盤電路。 圖3-5 4*4鍵盤電路該實(shí)驗(yàn)使用的8位數(shù)碼管顯示電路和44矩陣鍵盤電路?，F(xiàn)將這二

33、部分的電路工作原理進(jìn)行簡單的介紹：44矩陣鍵盤的工作原理矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是用4條i/o線作為行線，4條i/o線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個(gè)交叉點(diǎn)上，設(shè)置一個(gè)按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個(gè)數(shù)是44個(gè)。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中i/o口的利用率。圖3-5為矩陣鍵盤電路圖，行線接p1.4p1.7，列線接p1.0p1.3。 3.2.5 風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動與調(diào)速電路本設(shè)計(jì)中由單片機(jī)的i/o口輸出pwm脈沖，通過一個(gè)達(dá)林頓反向驅(qū)動器uln2803驅(qū)動5v直流無刷風(fēng)扇電機(jī)以及實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。 由單片機(jī)通過p2.2口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的pwm脈沖，經(jīng)過uln2803驅(qū)動風(fēng)扇直

34、流電機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速會相應(yīng)按照設(shè)定提高，反之亦然；當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)置溫度時(shí)或高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，電機(jī)保持恒定轉(zhuǎn)速。 電路如圖3-6所示，風(fēng)扇電機(jī)的一端接5v電源，另一端接uln2803的out3引腳，uln2803的in3引腳與單片機(jī)的p2.2引腳相連，通過控制單片機(jī)的p2.2引腳輸出pwm信號，由此控制風(fēng)扇直流電機(jī)的速度與啟停。 圖3-6 電機(jī)驅(qū)動電路3.3 本章小結(jié)本章主要介紹溫度調(diào)控系統(tǒng)的硬件部分，本章節(jié)主要分成兩部介紹了各部分的組成，首先根據(jù)實(shí)際要求制定出各部分的選擇方案，然后確定最佳方案，之后根據(jù)選定方案進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)硬件電路，硬件系統(tǒng)主要由單片

35、機(jī)最小單元，led顯示單元，按鍵設(shè)置單元和電機(jī)風(fēng)扇模塊組成。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)部分是關(guān)鍵的一部分，在進(jìn)行具體的編程實(shí)現(xiàn)之前，我們需要對總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然后制定出總體流程圖，軟件測試平臺的程序流程圖如圖4-1所示。 檢測按鍵輸入 采集溫度溫度顯示溫度調(diào)控定時(shí)器初始化led初始化開始spi初始化初始化uart串口片nt901初始化4-1 軟件系統(tǒng)流程圖4.1 軟件開發(fā)平臺和開發(fā)語言此部分的軟件平臺是以51單片機(jī)為控制核心的裝置，這部分的軟件設(shè)計(jì)部分的開發(fā)工具使用keil平臺，keil平臺是一個(gè)非常成熟的開發(fā)平臺，keil平臺提供了各種單片機(jī)的啟動程序，這使得開發(fā)人員可以把大部分的主要

36、精力用在具體的功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上，減小了開發(fā)人員的開發(fā)阻力，并且在開發(fā)的過程中我們需要進(jìn)行程序的測試，而keil平臺恰恰能滿足這一功能的需求，keil平臺提供了各種調(diào)試工具，調(diào)試工具使我們可以快速的進(jìn)行程序調(diào)試，同時(shí)由于keil平臺的流行，有很多的第三方庫可以使用，資源非常豐富。在進(jìn)行51單片機(jī)的開發(fā)中，我們可以采用匯編語言或者高級語言c語言。匯編語言實(shí)質(zhì)上機(jī)器語言的助記符。cpu只能運(yùn)行它所支持的指令集，而這些指令集當(dāng)中的每天條指令都是一些二進(jìn)制數(shù)的序列，也就是“0”和“1”的有序組合；2.“0”和“1”的組合不便于程序員的記憶因此有了“mov a 0x40”等這樣的助記符，也就是說在程序員編寫

37、程序的時(shí)候，用“mov a 0x40”來代替一串“0”和“1”的序列，這樣一看就知道是吧“0x40”單元中的數(shù)據(jù)搬到累加器a當(dāng)中來。而如果是用0”和“1”的序列，毫無特征，很難被程序員記住。這也是為什么要有匯編語言產(chǎn)生的原因了。根據(jù)以上部分的解釋，我們可知匯編語言編譯成cpu可執(zhí)行的機(jī)器語言其實(shí)只要做一個(gè)翻譯的動作就好了，因?yàn)椋浄c對應(yīng)的二進(jìn)制指令是一一對應(yīng)的。因此匯編程序的效率非常高，但實(shí)際上匯編語言會因?yàn)楦鞣N控制器的不同，匯編語言會出現(xiàn)不同，從而導(dǎo)致程序十分難移植，通用性差。c語言屬于高級語言，但為了達(dá)到高效率和通用性之間的優(yōu)秀折中，c語言并不是向c+、c#那樣的面向?qū)ο蟮母呒壵Z言，它

38、屬于面向過程的編程語言，c語言在單片機(jī)編程方面的最大優(yōu)勢是通用性，在面向不同的單片機(jī)時(shí)，我們不必重新學(xué)習(xí)其語言，并且之前的其他程序可以完美的移植，同時(shí)隨著編譯器的逐漸發(fā)展，再將c語言編譯成匯編語言時(shí)的效率高達(dá)70%，并且隨著編譯器的發(fā)展，效率還會提高。 綜合上述考慮我們本次的設(shè)計(jì)選擇在keil平臺進(jìn)行開發(fā)，并且我們選擇c語言作為開發(fā)語言。4.2 uart串口系統(tǒng)部分實(shí)現(xiàn)uart串口是異步串行傳輸串口,該總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。uart串口是一種非常方便的串口，并且51單片機(jī)自帶uart串口，我們僅需了解即可應(yīng)用，我們可以不用普通io口來模擬uart產(chǎn)口時(shí)序，為了與pc機(jī)通信我們

39、需要將uart串口轉(zhuǎn)為usb串口。圖4-2為uart轉(zhuǎn)usb串口線。51單片機(jī)的設(shè)置如下tmod=0x20; /設(shè)定t1定時(shí)器工作方式2th1=0xfd; /t1定時(shí)器裝初值，12m晶振時(shí)為0xfd,32m晶振時(shí)為0xf7tl1=0xfd; /t1定時(shí)器裝初值，12m晶振時(shí)為0xfd,32m晶振時(shí)為0xf7ea=1; /開總中斷es=1; /開串口中斷et1=0; tr1=1; /啟動t1定時(shí)器sm0=0; /設(shè)置串口工作方式1sm1=1; /設(shè)置串口工作方式1scon |= 0x50; /控制寄存器，用來設(shè)定串口的工作方式、接受/發(fā)送控制及設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志等ren=1;由于uart串口是異步串口

40、，在接收數(shù)據(jù)時(shí)我們需要利用中斷，并且在中斷處理函數(shù)中接收數(shù)據(jù)。 圖4-2 uart轉(zhuǎn)usb串口4.3 spi紅外溫度采集spi（serial peripheral interface-串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使mcu與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。spi總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（sck）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線miso、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線mosi和低電平有效的從機(jī)選擇線ss（有的spi接口芯片帶有中斷信號線int或int、有的spi接口芯片沒有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線mosi）。紅外

41、溫度傳感器tn901是標(biāo)準(zhǔn)的spi接口，但是51單片機(jī)自身并沒有spi接口，因此我們需要利用51單片機(jī)的普通io口來模擬標(biāo)準(zhǔn)spi串口的時(shí)序。在通過軟件模擬spi串口之前，我們首先需要認(rèn)真的研究spi串口的時(shí)序，然后根據(jù)串口的時(shí)序圖編寫各個(gè)部分的函數(shù)。spi接口在內(nèi)部硬件實(shí)際上是兩個(gè)簡單的移位寄存器,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位，在主器件產(chǎn)生的從器件使能信號和移位脈沖下，按位傳輸，高位在前，低位在后。如下圖4-3所示，在sclk的下降沿上數(shù)據(jù)改變，上升沿一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器。 圖4-3 spi時(shí)序圖 根據(jù)以上的時(shí)序圖分析，我們需要首先編寫初始化spi串口函數(shù)void spi_init()，根據(jù)發(fā)送和接

42、收時(shí)序圖，我們編寫了最基本的spi字節(jié)的發(fā)送和接收函數(shù)驅(qū)動void io_send_byte(uint8 dataout)和uint8 io_receive_byte()，同時(shí)在使用spi傳輸數(shù)據(jù)完成后，我們需要結(jié)束傳送void spi_end()，使用這些基本的驅(qū)動函數(shù)即可與傳感器通信來采集數(shù)據(jù)。tn901的數(shù)據(jù)格式信息格式itemmsblsbsumcr其中各含義如下item ：“l(fā)”(4ch): tobj (目標(biāo)溫度) “f”(66h): tamb (環(huán)境溫度)msb：8 bit data 最高有效位lsb：8 bit data最低有效位sum：item+msb+lsb=sumcr：0dh

43、, 結(jié)束信息4.4 電機(jī)風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速快慢可以直接調(diào)節(jié)溫度的升降，因此我們可以利用單片機(jī)來對風(fēng)扇的快慢進(jìn)行調(diào)節(jié)，電機(jī)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速原理是通過調(diào)節(jié)電機(jī)的pwm的占空比來進(jìn)行調(diào)速，pwm占空比的實(shí)際是我們平常所見的方波的占空比，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的原理是調(diào)節(jié)電機(jī)的平均電壓的大小。高端單片機(jī)自帶pwm功能，但是51單片機(jī)并不自帶其功能成，我們在本次論文中采用軟件模擬pwm，其中利用單片機(jī)中的定時(shí)器功能，利用定時(shí)器功能可以準(zhǔn)確的定位pwm的周期和pwm的占空比，這回使溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快切溫度調(diào)節(jié)準(zhǔn)。在這次的軟件模擬中，關(guān)于頻率和占空比的確定，對于12m晶振，假定pwm輸出頻率為1k

44、hz,這樣定時(shí)中斷次數(shù)設(shè)定為c=10，即0.01ms中斷一次，則th0=ff,tl0=f6;由于設(shè)定中斷時(shí)間為0.01ms，這樣可以設(shè)定占空比可從1-100變化。即0.01ms*100=1ms。th0和tl0是計(jì)數(shù)器0的高8位和低8位計(jì)數(shù)器，工作模式選擇，0x01表示選用模式1,它有16位計(jì)數(shù)器，最大計(jì)數(shù)脈沖為65536,最長時(shí)。4.5 本章小結(jié)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重，控制軟件完美的將軟件程序與硬件設(shè)備結(jié)合，完成了對電機(jī)風(fēng)扇的控制。軟件編程的編程模型采用單元化和層次化，這樣可以加大程序的可重用度和程序的可調(diào)試，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或程序需要功能需要更改時(shí)，我們只需要簡單更改程序即可避免了大

45、規(guī)模重寫程序。第五章 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行5.1 系統(tǒng)調(diào)試過程系統(tǒng)調(diào)試的目的是驗(yàn)證系統(tǒng)能否完成設(shè)計(jì)要求的功能，并且在實(shí)際情況下能否持續(xù)良好的運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)調(diào)試的主要步驟大致分為以下幾步：一、設(shè)備檢測。在進(jìn)行調(diào)試之前需要進(jìn)行整體設(shè)備的檢測，確保電路各個(gè)部分接觸完好，不要出現(xiàn)短路和斷路現(xiàn)象，以免在測試的工程中出現(xiàn)了電路連電現(xiàn)象，使整個(gè)電路系統(tǒng)燒毀，在檢測時(shí)應(yīng)該注意共地問題，以免在測試工程中數(shù)據(jù)出現(xiàn)不正確。二、按鍵和led顯示檢測。按鍵是關(guān)鍵的輸入部分，led是顯示部分的核心，分別擔(dān)任輸入和輸出的功能，這兩部分應(yīng)該進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)試，避免出現(xiàn)輸入或顯示不正確現(xiàn)象。三、紅外溫度傳感器測試。在整個(gè)溫度調(diào)試系統(tǒng)中，紅外

46、溫度傳感器是溫度采集的核心部分，只用溫度數(shù)據(jù)采集正確才能進(jìn)行之后的數(shù)據(jù)處理和溫度調(diào)試。四、電機(jī)調(diào)試。電機(jī)調(diào)試是關(guān)鍵部分，又由于pwm模塊使用軟件模擬，我們應(yīng)該用示波器測試出pwm波形，之后在進(jìn)行電機(jī)風(fēng)扇的驅(qū)動，不要直接卻動電機(jī)，避免波形不對燒毀電機(jī)。5.2 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果系統(tǒng)總體原理圖如圖5-1所示檢測結(jié)果及錯(cuò)誤如下：1、設(shè)備檢測：在設(shè)備檢測時(shí)，一開始電路無反應(yīng)，經(jīng)測試后沒有任何芯片燒毀，后用萬用表測得為器件沒有焊好。2、按鍵和led顯示檢測：按鍵輸入有錯(cuò)誤，經(jīng)網(wǎng)上查找程序后發(fā)現(xiàn)，按鍵程序沒有去抖，后在程序中加入延時(shí)去抖功能，led按循環(huán)掃描顯示正常，沒有出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。3、紅外溫度傳感器測試：開始時(shí)紅外傳感器采集數(shù)字沒有任何反應(yīng)，檢查硬件連接一切正常，最后請教同學(xué)和用示波器觀測，發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘序列不對，后調(diào)試改正后正常一切。4、電機(jī)調(diào)試：在進(jìn)行電機(jī)調(diào)試之前，先將之前調(diào)試完畢，并且吸收經(jīng)驗(yàn)，用示波器 圖5-1 系統(tǒng)總體原理圖觀測引腳輸出波形，在檢測成功之后連接電機(jī)后發(fā)現(xiàn)一切正常。第六章 結(jié) 論 溫度測試與溫度調(diào)節(jié)是當(dāng)今