一種溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

前言目前關(guān)于單片機溫度控制的應(yīng)用已經(jīng)不斷融入我們的生活的方方面面之中，例如工業(yè)方面的冶金測溫、機房測溫、電纜溝測溫、高爐水測溫等、農(nóng)業(yè)方面的蔬菜大棚、糧倉存儲糧食、日常生活中的空調(diào)、電風(fēng)扇等都需要溫度控制系統(tǒng)，這些例子足以體現(xiàn)出溫度控制系統(tǒng)對于我們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活的重要性。所以本次設(shè)計設(shè)計了一款具有紅外控制、測溫、報警、模擬升溫/降溫的溫度控制系統(tǒng)。以前主要使用熱敏電阻溫度傳感器測溫[1]，它輸出的電壓是隨著溫度變化而變化、例如一個熱敏電阻和一個普通電阻串聯(lián)、一頭接VCC，另一頭接GND，中間的電壓值就會隨著溫度的變化而變化，然后通過AD采集芯片把模擬的電壓值轉(zhuǎn)化為一個通用的字節(jié)或位，把她量化，這樣單片機就可以讀取到溫度值，這種傳感器測量精度較低，A/D轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜，離散性大。而緩慢的溫度響應(yīng)，用起來十分麻煩，而本此設(shè)計用到的溫度傳感器是DS18B20數(shù)字型溫度傳感器，在其中集成了模擬溫度傳感器、微控制器、相當(dāng)于把整個模擬溫度傳感器封裝到其中、然后自動把讀取到的數(shù)據(jù)存在RAM當(dāng)中，然后我們只需要通過引腳與單總線通信協(xié)議把溫度轉(zhuǎn)化讀取出來，而且整個轉(zhuǎn)化的過程都是數(shù)字量輸入輸出，就不需要單片機有AD轉(zhuǎn)換的功能，應(yīng)用起來十分方便，而且它的體積小、功耗低、抗干擾能力強，且造價低，性價比非常高。其次本次設(shè)計多方考慮了用戶的需求，比如報警功能，需要時，可以打開報警功能，當(dāng)環(huán)境溫度超出設(shè)定的閾值時，蜂鳴器就會報警，提醒用戶注意當(dāng)前溫度。還設(shè)計了按鍵功能和遙控功能，可以按按鍵自由調(diào)節(jié)溫度閾值或者遙控遠程調(diào)節(jié)溫度閾值，并且加入了步進電機模擬升溫降溫，當(dāng)溫度超過閾值上限，步進電機順時針轉(zhuǎn)動模擬升溫、溫度超過閾值下限時，步進電機逆時針轉(zhuǎn)動模擬降溫等功能。用C語言編寫程序后使用Proteus軟件設(shè)計仿真圖紙，并且進行測試與調(diào)試，證實本設(shè)計的思路確實可行。第一章緒論第一節(jié)研究背景現(xiàn)如今的科技處于高速發(fā)展階段，社會各個領(lǐng)域都需要具有控制功能的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品遍布在社會在各方面，都極大地促進了社會生產(chǎn)力的發(fā)展，促進了我國的科學(xué)技術(shù)和近代化。但是與此同時，隨著電子產(chǎn)品不斷更新，人們對其的需求量不斷增加，其價格也在不斷上漲。傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足當(dāng)前人們對于電子產(chǎn)品的需求了，因此，電子技術(shù)被廣泛地運用于電子領(lǐng)域。而電子信息技術(shù)則是科技進步的結(jié)果。電子資訊科技日新月異。為適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。為了適應(yīng)社會科技的發(fā)展，對智能溫控系統(tǒng)的研究也應(yīng)該有所加深。隨著前沿技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機也飛速發(fā)展，以微型計算機為核心的技術(shù)革命浪潮也隨之興起，單片機的應(yīng)用已經(jīng)遍布社會工業(yè)生產(chǎn)中的各個領(lǐng)域。傳統(tǒng)的測溫技術(shù)費力勞神，而且準(zhǔn)確度不高，單片機技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展讓測溫技術(shù)和溫度控制技術(shù)變得簡單起來。對于精度要求高，控制速度快等需求，傳統(tǒng)的溫度測量技術(shù)已經(jīng)不能滿足。DS18B20具有很好的應(yīng)用前景，廣泛使用，經(jīng)常用于微處理器的電壓和簡單的界面[3]。其中設(shè)計為單總線結(jié)構(gòu)使它擁有簡單、性價比高的特點。DS18B20的問出傳感范圍為-55℃~+125℃，而且精度±0.5℃。DS18B20由于其"單總線"特性，能夠采用數(shù)字方式進行直接傳送，與以前相比，其抗干擾性得到了極大的改善。采集出的溫度可以直接進行查看，查看模式9~12位數(shù)字值可以根據(jù)實際需要的需求進行簡單的編程程序?qū)崿F(xiàn)，DS18B20的工作電壓范圍為3~5V。采用不同的包裝形式，可以讓系統(tǒng)設(shè)計變得靈活和方便。STC89C52被選中作為主要控制芯片。強大的擴展功能的優(yōu)勢，低成本，許多模型和方便的發(fā)展，STC89C52迅速占領(lǐng)了中國市場。STC89C52有6至8個中斷電源；具有三個16比特(計數(shù))的計時器主頻：0~40m；它具有ISP/IAP等功能，比傳統(tǒng)的51單片機芯片功能更強大。在許多領(lǐng)域，如工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、人民生活等，嚴(yán)格控制和檢測的溫度是非常重要的。為此，設(shè)計了基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有環(huán)境溫度實時檢測和調(diào)節(jié)的優(yōu)點[2]。適用于一般工業(yè)和農(nóng)業(yè)的場合，具有一定的的實際應(yīng)用意義。第二節(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國的溫度測控技術(shù)取得了一些成果，但主要是針對單一環(huán)境要素的控制。在我國的溫度測控領(lǐng)域中，計算機的應(yīng)用已經(jīng)從簡單的應(yīng)用轉(zhuǎn)向了復(fù)合的、實際的應(yīng)用，但是從某些方面來看與外國來比技術(shù)水平還有很大懸殊，大部分情況下只能把握比較單一的環(huán)境溫度。單片機受到關(guān)注和歡迎后，近年來不斷改進，價格也在逐年下降，因此單片機溫控系統(tǒng)將得到廣泛發(fā)展及其應(yīng)用前景。近年來，溫度監(jiān)測系統(tǒng)無線收發(fā)設(shè)備的開發(fā)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但在實際測控中，溫度采集具有實時性、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性、溫度控制與測量等特點。被測物體與傳感器之間產(chǎn)生熱電勢；需要對傳感器進行加熱或冷卻。這樣會降低測溫準(zhǔn)確度和提高能耗。但它也存在著一些缺點：傳感元件的響應(yīng)時間較長，不能直接用來測量熱容量和腐蝕性介質(zhì)等。無接觸測溫儀不受目標(biāo)表面輻照的影響，具有較高的測溫場精度，適合于測量微小目標(biāo)的熱容，尤其適合于移動目標(biāo)；其不足之處在于，難以控制溫度場，反應(yīng)速度較慢；測量誤差主要來自于設(shè)備示值、表面溫度等因素。而非接觸型測溫方法由于其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，越來越受到人們重視。但是，非接觸測溫也存在著一些缺點：受環(huán)境干擾大；不能對高溫進行精確定位等等。因材施教，根依據(jù)不同的測量目標(biāo)，選擇合適的方法來確保測量的準(zhǔn)確性。所以，傳感器的研究重點逐漸轉(zhuǎn)向非接觸型的智能型傳感器。隨著微電子技術(shù)及計算機應(yīng)用水平的提高，特別是以微處理器為核心的數(shù)字信號處理器(DSP)的出現(xiàn)和迅速普及。目前，新型的測溫技術(shù)正在向模擬、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。九十年代初，我國已開發(fā)出首個智能測溫裝置，但由于采用傳統(tǒng)的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換方式，其測溫精度及分辨率均不能滿足要求。目前市面上已有一些高精度、高分辨率的9-12位ADC，分辨率在0.0625-50%之間。溫度控制系統(tǒng)是溫度控制技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一，從七十年代開始發(fā)展至今已經(jīng)有了很大進步。隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，以單片機為核心的智能控制器得到了廣泛的應(yīng)用。它能實現(xiàn)對各種被控對象進行實時監(jiān)控，并根據(jù)實際需要輸出不同形式的信號來達到所需目的。在世界各地，溫度測量與控制技術(shù)發(fā)展迅速的同時，一些國家的溫度檢測與控制技術(shù)也逐漸朝著無人化方向發(fā)展。第三節(jié)本設(shè)計的主要工作內(nèi)容溫度傳感器作為整個檢測裝置中最基本的傳感器之一，它的性能好壞直接影響著整個系統(tǒng)能否正常工作和數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，通過DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，輸入STC89C52芯片，以提高測量精度。用單片機進行數(shù)據(jù)的應(yīng)答，當(dāng)讀取到的溫度數(shù)據(jù)超過所預(yù)設(shè)的溫度范圍時,溫度控制系統(tǒng)可以自發(fā)報警,并且對步進電機進行對應(yīng)操作,通過模擬升溫/降溫功能使溫度值恢復(fù)到預(yù)先所設(shè)定的范圍內(nèi)，實現(xiàn)自動控制，其中,溫度控制系統(tǒng)在讀出的溫度值小于設(shè)置的溫度范圍時，觸發(fā)警報，即蜂鳴器，利用單片機實現(xiàn)步進電機的順時針轉(zhuǎn)動，模擬升溫操作；當(dāng)檢測到的溫度超過設(shè)定值時，溫度控制器會觸發(fā)報警，由單片機將步進電機的逆時針方向旋轉(zhuǎn)。模擬降溫操作；當(dāng)檢測到的溫度超過設(shè)定值時，溫度控制器會觸發(fā)報警，由單片機將步進電機的逆時針方向旋轉(zhuǎn)。蜂鳴器組件與步進馬達組件分離；LCD1602是一種低功耗、低功耗的LCD1602LCD顯示器。無輻射等特點。本系統(tǒng)還可以通過K1~K4獨立按鍵設(shè)置所需溫度范圍、是否開始報警和控制溫度功能。第四節(jié)本章小結(jié)本章從研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與本次設(shè)計的主要工作內(nèi)容等出發(fā)，通過研究背景可以得出現(xiàn)在社會在方方面面都需要智能溫度控制系統(tǒng)，比如在醫(yī)療方面的醫(yī)院、農(nóng)業(yè)方面的蔬菜大棚、糧倉，還有工業(yè)生產(chǎn)方面對于溫度把控的精確度也是十分關(guān)鍵的，這些內(nèi)容都表明我國在研究溫度控制技術(shù)方面需要持續(xù)推進，溫度控制技術(shù)的市場、應(yīng)用場景與社會意義都非常巨大。最后闡述了本設(shè)計的主要工作內(nèi)容，能夠讓本文的結(jié)構(gòu)更加清晰。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計本設(shè)計的核心是STC89C52芯片，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，當(dāng)采集到的環(huán)境溫度不在設(shè)置的溫度閾值內(nèi)時。蜂鳴器就會出現(xiàn)聲音報警信號提醒用戶。用戶通過獨立按鍵和紅外遙控選擇自己想要設(shè)置的閥值，然后輸入需要改變的參數(shù)后即可顯示出來。DS18B20可以將所測溫度數(shù)據(jù)直接變換為數(shù)字信號，并將其傳輸至微處理器；STC89C52進行一系列處理，即通過比對傳感器采集的溫度和預(yù)先設(shè)置的溫度范圍來判斷是否需要進行報警和升溫/降溫操作，使報警模塊工作，并控制步進電機，從而使相應(yīng)的設(shè)備調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，更改設(shè)置的范圍，方法如下：本文的研究思路和方法是：預(yù)設(shè)控制范圍：根據(jù)人們?nèi)粘Ｉ盍?xí)慣所需要的溫度，結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖獾纫蛩貙κ覂?nèi)溫度的影響確定一個系統(tǒng)的控制范圍。DS18B20測溫傳感器對當(dāng)前環(huán)境溫度進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至微處理器，CPU通過一系列處理后將數(shù)字溫度值顯示在LCD1602顯示屏上，并且對此時的溫度進一步判斷與分析，以便管理員做出相應(yīng)決策。單片機的控制：單片機根據(jù)接收到的溫度值及傳感器測得的溫度值，驅(qū)動步進電機按順時針或逆時針方向轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對空調(diào)的開啟和關(guān)閉以及室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。溫度范圍可調(diào)節(jié)：根據(jù)設(shè)備的位置、當(dāng)前環(huán)境、當(dāng)?shù)貧夂虻认嚓P(guān)因素，每天室內(nèi)活動所需的溫度會有所不同，所以設(shè)計一個按鍵模塊，供用戶調(diào)節(jié)所需溫度。系統(tǒng)總體框圖如圖2.1所示：圖2.1系統(tǒng)總流程圖第一節(jié)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計一、溫度檢測模塊傳感器的選擇本文主要對DS18B20傳感器進行設(shè)計仿真，并重點研究其性能。DS18B20溫度傳感器與傳統(tǒng)溫度檢測方法相比有著很多優(yōu)點，例如：靈敏度高，響應(yīng)快，可靠性好等。同時也可以實現(xiàn)遠距離測溫，并且在一定程度上解決了高溫測量問題。DS18B20應(yīng)用廣泛，可以用在冷凍倉庫，存儲倉庫，機房和電纜線槽內(nèi)，以及空間狹小的工業(yè)設(shè)備中，例如：軸瓦、紡織機器、及空調(diào)等、可用于各種金屬或非金屬材料的表面溫度測量，如冰箱、冷柜等，中低溫干燥箱等小類工業(yè)領(lǐng)域測溫操控；可應(yīng)用于家庭/單位用熱量計量。它采用了先進的集成電路和電子元器件技術(shù)?？煽慷雀摺８哽`敏度，低功耗；抗干擾能力強，精度高，使用壽命長，可靠，測量范圍廣泛[6]。具有廣泛的測量范圍和較高的分辨率。耐磨耐碰，小巧、易操作、多種包裝方式，適合于數(shù)碼控制的各類空間裝置。傳感器DS18B20的簡介1)引腳圖如2.2圖所示圖2.2DS18B20引腳圖2)DS18B20的工作原理從如上圖所示，當(dāng)我們面向傳感器剖面時，傳感器插針的位置按從左至右排列，這表示傳感器與PCB之間有一個連接導(dǎo)線。在電路板上，這個連接線就是用來傳輸信號和控制電流的。它分為三個部分：即管腳1管腳2和管腳3。引腳1為GND，引腳2為數(shù)據(jù)DQ，引腳3為VDD。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.3所示：圖2.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在ROM中，64比特的序號可以看作是DS18B20的一個地址序號。光刻只讀存儲器是為了讓DS18B20的每一個都有差別，從而可以將多個DS18B20附加到總線上。DS18B20的溫度傳感器有一個超高速暫存器和一個非易失性EEPROM，用于存儲高低溫觸發(fā)TH，TL和配置寄存器[7]，該EEPROM用于測定諸如配置寄存器之類的溫度和數(shù)字變換。結(jié)構(gòu)圖如表2.4所示：表2.4寄存器結(jié)構(gòu)圖11111R1,R0表示DS18B20的精度。可用在9、10、11或12位的環(huán)境中，對應(yīng)于0.5℃、0.25℃、0.125℃、分辨率為0.0625℃。在圖2.5中顯示了R0和R1的結(jié)構(gòu)：表2.5R1和R0配置圖00s(tCONV/8)01(tCONV/4)10(tCONV/2)10(tCONV)初始狀態(tài)下的默認(rèn)精度為12、R0=1和R1=1。在系統(tǒng)運行時，如果需要提高精度，可以通過調(diào)整高速緩存來實現(xiàn)。本文給出了一種新方法：用一個16位RAM作為高速緩存器，它具有較高的讀寫速度和數(shù)據(jù)存儲容量。由九個字節(jié)構(gòu)成的高速臨時存儲器，它的指派比特如圖2.6所示:表2.6高速暫存存儲器分配位溫度值低位(LSByte)0溫度值高位(MSByte)1高溫限值(TH)2低溫限值(TL)345678當(dāng)發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令(44H)時，在高速暫時存儲器中以字節(jié)0和1的形式存儲轉(zhuǎn)換后的溫度值，并且以2字節(jié)的形式進行補充[8]。當(dāng)需要對某一數(shù)值進行修改時，將此數(shù)據(jù)存貯在高速暫存存儲器中的相應(yīng)位置上并按一定規(guī)則輸出，從而實現(xiàn)了對某一值的任意更改。兩個字節(jié)的存儲，前五個字節(jié)的高字節(jié)是一個符號比特S，單片機可以從一個單行接口中讀出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如表2.7所示:表2.7數(shù)據(jù)格式圖bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit02-12-22-3LSByteMSBytebit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8SSSSS若測量的溫度超過0，則五個比特是0，用0.0625乘以測量值即可求出真實的溫度；若溫度低于0，則5比特為1，測量結(jié)果要用1和0.0625相乘。在表2.8中顯示了溫度和數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系：表2.8溫度/數(shù)據(jù)關(guān)系11101000025℃110010001+10.125℃0101000100.5℃00000000100000000000-0.5℃0h-10.125℃0h0625℃h55℃hDS18B20的溫度讀出程序為：重設(shè)→SKIPROM指令(0XCC)→啟動轉(zhuǎn)換指令(0X44)→延遲→重設(shè)→傳送SKIPROM指令(0XCC)→發(fā)送讀內(nèi)存指令(0XBE)→重復(fù)2字節(jié)的數(shù)據(jù)(即溫度)→完成.DS18B20溫度傳感器的原理圖如圖2.4所示：圖2.4DS18B20原理圖二、單片機控制模塊單片機STC89C52的引腳圖如圖2.5所示：圖2.5STC89C52引腳圖內(nèi)部時鐘電路設(shè)計如下圖所示STC89C52微處理器XTAL1與外晶體振蕩器一端相連，XTAL2與其另一端相連[9]。再將一個串行到MCU上電阻R8，并將該電阻接入晶振的正端。當(dāng)晶振正端的電壓為零時，則構(gòu)成串聯(lián)的諧振回路。采用晶振方式將C2、C3串聯(lián)起來，構(gòu)成了單片機的時鐘電路。圖2.6本設(shè)計所用時鐘電路：圖2.6單片機時鐘電路復(fù)位電路設(shè)計本系統(tǒng)使用復(fù)位按鍵來進行系統(tǒng)復(fù)位，電路圖如圖2.7所示：圖2.7單片機復(fù)位電路單片機最小系統(tǒng)電路該微處理器的最小系統(tǒng)包括一個復(fù)位電路和一個時鐘電路，如圖2.8所示：圖2.8最小系統(tǒng)電路STC89C52內(nèi)部結(jié)構(gòu)STC89C52單片機的結(jié)構(gòu)組成如圖2.9所示：圖2.9STC89C52內(nèi)部結(jié)構(gòu)三、報警電路模塊為了警示用戶，本系統(tǒng)設(shè)計了一個報警模塊，報警方式位聲音報警，當(dāng)溫度過高或過低時，首先輸出脈沖信號，三極管通過導(dǎo)通和截止，讓蜂鳴器開始工作，發(fā)出報警信號，從而達到提醒用戶的目的。其具體電路圖2.10如下圖2.10報警電路四、顯示模塊顯示模塊用于顯示當(dāng)前溫度和所設(shè)置的溫度范圍。LCD1602是一種能夠顯示ASCII代碼標(biāo)準(zhǔn)字符以及其他一些內(nèi)置的特定字符的字符[11]。它具有低功耗、空間小、顯示清晰等優(yōu)點，而且無需外界驅(qū)動電路，顯示16x2位的存儲空間，5x7的點陣。在圖2.11中顯示了LCD1602LCD的插腳圖：圖2.11LCD1602引腳圖顯示模塊電路圖如圖2.12所示：圖2.12顯示模塊電路圖LCD1602一共可以顯示32個字符，分兩行顯示，如圖2.13所示圖2.13LCD1602實物圖引腳圖五、按鍵模塊為了保證自然環(huán)境和實際生活中的天氣對室內(nèi)溫度有很大的影響，系統(tǒng)考慮到手動設(shè)置的控制范圍不會太多，所以設(shè)計時只需要使用幾個按鈕就可以完成控制范圍的設(shè)置，因此系統(tǒng)設(shè)計了一個手動按鍵來改變系統(tǒng)所控制的室內(nèi)溫度。該系統(tǒng)采用四個按鍵，一個為復(fù)位鍵，K1為菜單鍵，按下K1首先進入設(shè)計溫度下限的界面，再次按下K1進入設(shè)置溫度上限，按K2代表溫度加，K4代表溫度減，可以自由設(shè)置溫度閾值，當(dāng)在非設(shè)置界面時，按K2控制蜂鳴器與步進電機的開關(guān)。按鍵部分的電路如圖2.14所示：圖2.14按鍵模塊電路六、步進電機模塊步進電動機也叫脈沖電動機，是根據(jù)電磁體的最基礎(chǔ)原理，采用電磁體的運動方式，通過改變空氣間隙磁導(dǎo)，產(chǎn)生電磁力矩。與其他控制目的馬達相比，步進馬達最大的不同在于，它接受并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角度或線性位移的數(shù)字控制信號(電脈沖信號)，其自身為執(zhí)行單元，以完成數(shù)字圖形轉(zhuǎn)換[10]。步進馬達精度高，響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可靠性高，維護方便等優(yōu)點。特別適用于高速高精度的場合，如精密定位與加工、自動化生產(chǎn)設(shè)備以及數(shù)控機床等[12]。所以在很多方面都得到了廣泛的應(yīng)用。圖2.15顯示了混合步進電動機的構(gòu)成：圖2.15混合式步進電機步進電機工作原理：步進電動機的轉(zhuǎn)子一般為永久磁鐵，在流經(jīng)定子繞組時，定子繞組將產(chǎn)生向量磁場。磁場在轉(zhuǎn)子上分布不均勻，在轉(zhuǎn)子上存在一對互相垂直的磁場，這兩種磁場的強度與定子的磁場是不同的[13]；該定子形成向量場；同時，轉(zhuǎn)子的步距角度也發(fā)生了變化。在此過程中產(chǎn)生了一個電脈沖，驅(qū)動電動機向前移動一步。角度位移與脈沖的數(shù)量和速度呈正相關(guān)，而與脈沖的頻率呈反比關(guān)系。如果在定子上施加電壓和電流值相同，則電動機將停止運轉(zhuǎn)；若相反，電動機將繼續(xù)工作。這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)原理。繞組在電機中分布均勻。因此，能夠控制電動機的脈沖數(shù)目、頻率和電動機各個相繞組的通電次序，從而實現(xiàn)對步進電動機的旋轉(zhuǎn)控制[14]。在給定參數(shù)下，可以使電動機獲得最大轉(zhuǎn)矩和最小損耗。具體如圖2.16所示：圖2.16混合式步進電機切面圖里圈：里面有六個齒輪，依次標(biāo)注位0~5，由于要旋轉(zhuǎn)，所以叫轉(zhuǎn)子，每一個齒都有一個永久磁鐵。外圈：由于要保持不動，因此叫做定子，和步進電動機的殼體是一體的，共有八個齒輪，每一個都有一個線圈。兩個直角上的線圈是串連在一起的。也就是說，在4相圖中，兩個線圈始終處于接通和斷開狀態(tài)，從而構(gòu)成ABCD[15]。為了電機的正常啟動，需要每秒給550個步進脈沖，表2-21中的啟動頻率P.P.S就表示起動所需的脈沖數(shù)量。表格中的減速比率是1:64，表示轉(zhuǎn)子要旋轉(zhuǎn)64次才能完成一次旋轉(zhuǎn)。表2-2128BYJ-48步進電機參數(shù)表P.P.S4如圖2.17步進電動機控制線路，通過在各相控線上增設(shè)三極管，以改善步進電動機的起動性能。通過對以上因素的分析，得出了八節(jié)拍的IO控制代碼數(shù)組：{0xE、0xC、0xD0x9、0xB、0x3、0x7、0x6}圖2.17步進電機控制電路七、紅外遙控模塊設(shè)計紅外遙控模塊是考慮到當(dāng)用戶不方便使用獨立按鍵時，可以通過紅外遙控模塊直接修改送風(fēng)系統(tǒng)的溫度上下限，以及開啟或關(guān)閉報警與送風(fēng)功能。紅外遙控是利用紅外光進行通訊的設(shè)備，本質(zhì)上是一種通信，把從紅外遙控器按下的鍵碼通過紅外的方式發(fā)送到接收機上，接收機器接收到信號后則知道我們按了哪個按鍵，可以進行相應(yīng)的操作，紅外遙控是由紅外LED將調(diào)制后的信號發(fā)出，紅外LED與普通LED的區(qū)別為紅外LED發(fā)出紅外光，而普通LED發(fā)出可見光，光出紅外光后需要進行調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制后紅外光增強了抗干擾性，然后由專用的紅外接收頭進行調(diào)節(jié)輸出，紅外接收頭中包含了一個紅外接收管以及一個集成電路，集成電路中又包含放大器、濾波器等，用來進行紅外線的解調(diào)，我們只需要進行信號的讀取即可[16]。通訊方式為單工(只能由發(fā)送LED發(fā)送，接收頭接收)、異步(沒有共同的時鐘，接收頭不知道紅外LED什么時候發(fā)送)。紅外LED協(xié)議波長為940nm，此波段的紅外光人眼不可見。通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為NEC標(biāo)準(zhǔn)。這是我國常用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。圖2.18從從左到右依次為紅外遙控器、紅外發(fā)送LED、紅外接收頭。圖2.18紅外遙控器、紅外發(fā)送LED、紅外接收頭硬件電路發(fā)送部分：其中包括兩個三極管開關(guān)、一個紅外發(fā)光二極管、一個限流電阻，上方是兩個串聯(lián)的三極管開關(guān)，只有這兩個開關(guān)同時打開的時候下方的LED才發(fā)光[13]。第一個三極管開關(guān)為38千赫茲的調(diào)制頻率，這個頻率代表會一直輸入一個38千赫茲的方波，IN口用來接收波形。三極管是低電平導(dǎo)通，所以可以得出當(dāng)?shù)碗娖綍r，LED燈是以38千赫茲的頻率閃爍，這么做的好處是自然界中沒有以38千赫茲殺閃爍的光，從而提高抗干擾能力，即這就是調(diào)制的過程。圖2.24紅外發(fā)送部分電路接收部分：近年來，大部分的紅外接收機都是由成品的紅外接收機完成的，完成后的紅外接收機主要有兩種：一種是帶金屬外殼的紅外接收機，一種是塑料包裝的[18]。紅外線接收機可以將所接收的信號直接進行輸出，從而獲得所需的高度和高度。由于紅外信號發(fā)送的很快，每次遙控按鍵按下會出現(xiàn)很多高低電平，這些高低電平會在幾十毫秒內(nèi)跑完，為了更快的處理，需要把OUT引腳連接到外部中斷引腳上，如果產(chǎn)生下降沿，則立馬進入中斷進行及時處理，由此可以提高即時性。將紅外接收頭接受的部分進行解碼，讀取其中的鍵碼值圖2.19紅外接收電路硬件電路紅外接收頭引腳功能簡介如下：OUT(1腳)：對應(yīng)的紅外接收頭接收到遙控信號輸出的轉(zhuǎn)換信號。連接到單片機P3.2。GND(2腳)：接地。VCC(3腳)：電源引腳。圖2.20為紅外信號的調(diào)制與解調(diào)圖2.20調(diào)制與解調(diào)第二節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計一、主程序設(shè)計系統(tǒng)主程序的工作順序為：通電以后各個模塊初始化，然后DS18B20開始采集環(huán)境溫度，把采集到的數(shù)據(jù)傳送到STC89C52中，然后將溫度信息顯示到LCD1602上。然后檢測按鍵模塊是否開啟報警功能與升溫/降溫功能。如果已經(jīng)開啟報警與升溫/降溫功能，且當(dāng)前環(huán)境溫度高于或低于設(shè)置的閾值，則調(diào)用報警模塊與步進電機模塊。大概流程圖如圖2.21所示：圖2.21主程序流程二、溫度子程序設(shè)計由于DS18B20的溫度傳感器內(nèi)置A/D變換器，因此，在進行溫度測量時需要有一小段時間，然后將采集到的溫度傳輸?shù)叫酒小Ｆ淞鞒虉D如圖2.22所示：圖2.22檢測部分的程序流程圖三、報警子程序設(shè)計把采集到的溫度與閾值進行對比，超出閾值時，蜂鳴器開始報警。程序流程圖如圖2.23所示：圖2.23報警子程序流程圖四、按鍵子程序設(shè)計硬件方面通過三個按鍵，掃描子程序提供軟件支持。按一次K1為設(shè)置溫度下限，按兩次K1為設(shè)置溫度上限，K2和K4分別為溫度加、溫度減，當(dāng)在非設(shè)置溫度閾值模式時，按下K2鍵可以控制蜂鳴器與步進電機的開啟與關(guān)閉。圖2.24按鍵子程序流程圖第三節(jié)本章小結(jié)通過介紹溫度檢測模塊的硬件電路設(shè)計可以知曉溫度傳感器工作的原理，工作的過程、以及工作的調(diào)節(jié)，通過介紹單片機控制模塊可以得知單片機最小系統(tǒng)是什么，最小系統(tǒng)的組成等。為了實現(xiàn)超出溫度閾值報警功能，加入了蜂鳴器模塊，并且通過報警電路模塊可以知道本系統(tǒng)的報警方式、以及了解什么是蜂鳴器、以及蜂鳴器的工作方式等。為了顯示溫度信息、溫度閾值信息等，使用LCD1602，并介紹相關(guān)知識。為了實現(xiàn)設(shè)置溫度范圍設(shè)計的功能，加入了按鍵模塊以及紅外遙控模塊，用戶可以使用按鍵和紅外遙控設(shè)施溫度閾值，通過介紹按鍵模塊和紅外遙控模塊可以了解到這兩個模塊的工作原理、如何工作等。最后為了實現(xiàn)模擬升溫/降溫，采用了五線四相步進電機，通過使用它正傳反轉(zhuǎn)的功能，來模擬升溫降溫，通過步進電機模塊可以知道它的工作原理。通過系統(tǒng)軟件設(shè)計我們可以知道主程序與各個子程序之間的運行流程，也從中可以了解到整個系統(tǒng)是如何運行的。第三章PROTEUS仿真第一節(jié)本設(shè)計仿真結(jié)果采用PROTEUS軟件進行仿真，用KEILC51軟件編寫此設(shè)計程序，調(diào)試完成后進行編譯，生成目標(biāo)文件，并把文件添加到芯片中，仿真圖如下：圖3.1仿真圖一、仿真設(shè)計元器件介紹①LCD1602仿真設(shè)計，第一行顯示當(dāng)前溫度值，蜂鳴器與步進電機的開關(guān)狀態(tài)，第二行顯示當(dāng)前設(shè)置的溫度閾值。當(dāng)進入設(shè)置溫度閾值狀態(tài)時候，分別顯示設(shè)置低溫度范圍與高溫范圍的圖像，其中左側(cè)連接一個電位器用來調(diào)整屏幕對比度。圖3.2LCD1602仿真圖3.3LCD1602仿真圖3.4LCD1602仿真②升溫/降溫模塊，包括ULN2003A和一個四相五線步進電機，其中ULN2003A用來驅(qū)動步進電機，它有著500mA額定集電機電流，其中ULN2003的1B-4B與單片機的P1.0-P1.3相連，對應(yīng)輸出的是1C-4C，電機的一根線連接在電源上，另一根線連接在ULN2003A的輸出端，可以通過單片機的P1.0口輸出高電平控制電機旋轉(zhuǎn)，輸出低電源控制電機停止。當(dāng)溫度超出溫度范圍時，輸出一個數(shù)據(jù)類ULN2003從而實現(xiàn)向步進電機發(fā)送一個脈沖，步進電機就開始旋轉(zhuǎn)，其中程序中定義一個變量，當(dāng)變量改變時步進電機的轉(zhuǎn)動方向也會發(fā)生改變。圖3.5ULN2003A和步進電機仿真③報警模塊仿真設(shè)計，這里采用了一塊有源蜂鳴器作為報警器，當(dāng)溫度超出設(shè)置的閾值時且開啟報警模式時，蜂鳴器會發(fā)出警。這個蜂鳴器驅(qū)動是通過三極管把電流放大然后再驅(qū)動蜂鳴器，這樣單片機的IO口提供非常少點電流就可以控制蜂鳴器，圖3.6蜂鳴器仿真④溫度采集模塊仿真設(shè)計，這里采用了DS18B20元器件作為仿真，可以從圖中看到其中VCC連接電源正極，DQ連接單片機P3.7,GND接地，右邊顯示當(dāng)前設(shè)置的溫度，下方有兩個按鈕可以用來調(diào)高或者降低溫度。它的作用是用來模擬采集環(huán)境溫度。圖3.7DS18B20仿真⑤紅外遙控模塊，由于仿真中沒有紅外遙控器，所以這里使用一個紅外接收頭和一個紅外發(fā)射頭，還有按鍵進行模擬。左邊的是紅外接收頭，右側(cè)是紅外發(fā)射頭。其中紅外接收的OUT腳接在MCU的P3.2上。圖3.8紅外接收頭與發(fā)射頭仿真圖3.9紅外按鍵仿真⑥單片機最小系統(tǒng)模塊，其中包括電源、晶振電路、復(fù)位電路。圖3.10單片機最小系統(tǒng)仿真第二節(jié)仿真案列溫度范圍溫度：10℃~30℃；(1)溫度超限①溫度低于10℃：檢測溫度為5℃；仿真結(jié)果：LCD顯示結(jié)果：溫度5.0℃；報警模塊：蜂鳴器響；步進電機模塊：步進電機順時針轉(zhuǎn)動模擬升溫操作。②溫度高于30℃：檢測溫度為35℃；仿真結(jié)果：LCD顯示結(jié)果：溫度35.0℃；報警模塊：蜂鳴器報警；步進電機模塊：步進電機逆時針轉(zhuǎn)動模擬降溫操作。第三節(jié)程序編寫與調(diào)試本次程序編寫與編譯主要使用KEILC51軟件，這是一個支持8051微控制器的專業(yè)發(fā)開工具，支持所有8051系列的芯片。仿真設(shè)計使用Proteus軟件，當(dāng)繪制好原理圖后，將編譯好的目標(biāo)文件代碼調(diào)入，就可以在Proteus的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。最后使用STC-ISP燒錄軟件，將編譯好的目標(biāo)代碼燒錄到單片機，單片機實物就可以運行了，它支持STC89系列、12C2052系列和12C5410系列的單片機，使用起來十分便捷。第四節(jié)本章小結(jié)本章描述的是仿真與測試，仿真用的元器件分別有、AT89C51芯片、晶振電路、電源電路、ULN2003A芯片、步進電機、蜂鳴器電路、LCD1602、DS18B20、按鍵等，并且分別介紹了它們的使用方式，然后通過多次仿真測試證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可行性、準(zhǔn)確性，最后編寫了仿真測試案例，還介紹了本次系統(tǒng)編寫、編譯、調(diào)試與仿真過程中使用的KeilC51軟件、Proteus軟件以及、STC-ISP燒入軟件等。結(jié)語此次設(shè)計的是溫控系統(tǒng)，這次我收到了大量的知識，在生產(chǎn)時，必須對每一個工作環(huán)節(jié)進行認(rèn)真的檢查，以保證系統(tǒng)最后的順利完成。這個項目花了三個多月的時間，從最初的研究，到后來的理論學(xué)習(xí)，再到最近幾天的系統(tǒng)調(diào)試，讓我的理論和實踐能力都得到了極大的提升。該系統(tǒng)的硬件部分主要包括：步進電機模塊、板載按鍵設(shè)置模塊、報警模塊、溫度檢測模塊、紅外遙控模塊，而軟件部分采用C語言編寫，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的實時性和靈活性，同時也充分考慮到了用戶的需要。該系統(tǒng)具有如下的許多功能：溫度顯示系統(tǒng)可以不斷檢測環(huán)境溫度，并實時顯示溫度與溫度閾值信息。報警當(dāng)環(huán)境溫度參數(shù)超出設(shè)置上限或下限時，將觸發(fā)報警。自動降溫(升溫)當(dāng)系統(tǒng)受到溫度影響啟動報警后系統(tǒng)會在設(shè)定的時間內(nèi)，自動開啟控制系統(tǒng)進行加溫和冷卻。按鍵與遙控設(shè)置目標(biāo)溫度可以通過板載按鍵與紅外遙控設(shè)置溫度閾值，控制報警模塊與升溫降溫模塊的開關(guān)。本次設(shè)計的智能溫度控制系統(tǒng)最大的重難點是對于溫度傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用等各個方面重新學(xué)習(xí)，以及電路的實現(xiàn)過程和怎么通過單片機來間接地控制。智能溫度控制系統(tǒng)具有廣闊的市場前景，可以應(yīng)用在各個生產(chǎn)行業(yè)當(dāng)中。不過，在使用方便上，還有很大的改進余地，以后會繼續(xù)對智能溫控系統(tǒng)進行改進和改進。參考文獻[1]袁銘,李浩光,臧可欣,等.基于模糊控制與物聯(lián)網(wǎng)的智慧水族箱系統(tǒng)設(shè)計[J].價值工程,2019,038(017):247-251.[2]朱世勇.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].決策探索(中),2019,No.609(03):61-61.[3]王順喜,張光杰.畜禽舍溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].糧油加工(電子版),1995.[4]韓悅.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].城市建設(shè)理論研究:電子版,2014,000(006):1-5.[5]楊日容[1].基于STM32和手機APP的智能血壓計監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2019(2):2.[6]李榮學(xué),游少華.機械手單片機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2013(12):56-61.[7]李君霖.基于無線網(wǎng)絡(luò)的靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].硅谷,2013(21):2.[8]董秀潔,趙程程.基于AT89S52和nRF905的無線遙控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].中原工學(xué)院學(xué)報,2010,21(4):3.[9]張菁.單片機溫度控制系統(tǒng)方案的研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2007,41(1):142-144.[10]張開生,郭國法.MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].微計算機信息,2005,21(06Z):3.[11]劉軍,李建偉,李慧琴.基于模糊PID的通用中檔單片機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2007,7(15):3.[12]明德剛.DS18B20在單片機溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].貴州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2006,23(1):5.[13]李曉妮.單片機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].九江學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2005,20(2):4.[14]盧思祺.MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技致富向?qū)?2013(17):2.[15]龔紅軍.單片機溫度控制系統(tǒng)[J].電氣時代,2002.

附件一、源程序#include<reg51.h>#include"lcd.h"#include"temp.h"sbitK1=P2^4;//按鍵1sbitK2=P2^5;//按鍵2sbitK3=P2^6;//按鍵3sbitK4=P2^7;//按鍵4sbitK_OUT1=P2^3;sbitbeep=P1^6;sbitENLED=P1^4;ucharstate=0;ucharwar=25;//溫度范圍低ucharwar2=31;//溫度范圍高ucharcodezz[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};//正轉(zhuǎn)ucharcodefz[]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};//反轉(zhuǎn)uintTime=1;//延時時間inttemp;voidLcdDisplay(int);voiddelay(uintms)//延時，用于調(diào)速{uintt;while(ms--)for(t=0;t<80;t++);}voidfengming(ucharx)//蜂鳴器{uchari,j;for(i=0;i<200;i++){beep=~beep;for(j=0;j<x;j++);}beep=1;}voidmotor_zz()//正傳函數(shù){uinti,j;for(i=0;i<64;i++){for(j=0;j<8;j++){P1=zz[j];delay(Time);}}fengming(60);}voidmotor_fz()//反轉(zhuǎn)函數(shù){uinti,j;for(i=0;i<64;i++){for(j=0;j<8;j++){P1=fz[j];delay(Time);}}fengming(60);}voidDelay10ms(unsignedintc)//誤差0us{unsignedchara,b;for(;c>0;c--)for(b=38;b>0;b--)for(a=130;a>0;a--);}voidmain(void){floattp;K_OUT1=0;ENLED=0;tp=Ds18b20ReadTemp();LcdInit();//初始化LCD1602Delay10ms(100);TMOD=0X01;TH1=(65536-2000)/256;TL1=(65536-2000)%256;EA=1;LcdWriteCom(0x88+2);//寫地址80表示初始地址LcdWriteData('C');LCDWrite_String(0,1,"FanWei:");LcdWriteCom(0xc2+8);LcdWriteData('-');LcdWriteData('-');tp=Ds18b20ReadTemp();temp=Ds18b20ReadTemp();LcdDisplay(temp);while(1){if(K1==0)//設(shè)置溫度范圍{wa