1、控制系统 综合课程设计报告 第 1 页 共 19 页 题目：利用单片机或 ARM（任选）作为主控芯片，根据实际应用状况设计家用空气调节器系统，功能需包括：系统启停、温度检测、温度设定、风速选择和工作模式选择（配合电机控制）、定时、显示等。要求：在 Proteus 平台下完成硬件电路的设计，在 Keil 平台下完成软件编程，并与硬件联调。 本文主要介绍采用单片机作为主控芯片的空气调节系统。系统采用 AT89c51 单片机 ,通过 A/D 转换器将温度传感器采集来的温度数据送入单片机，单片机将采集的数据与设定温度相比较决定电机的转速，进而调节室内温度。控制系统 综合课程设计报告 第 2 页 共 1
2、9 页 1 硬件介绍 本章 介绍系统硬件的基本功能，包括主控芯片 AT89c51，电机驱动芯片 L298，温度传感器 DS18B20，以及液晶显示屏 LM016L 等。 1 1 主控芯片 AT89c51 1.1.1 性能特点 【 1】 AT89C51 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM） 。 该器件采用 ATMEL 高密度 ， 非易失存储技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多 功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，
3、ATMEL 的 AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C51 内部 有 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口；同时内含 2个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口。 AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反 复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。采用单片 AT89C51 模块组成的控制电路，它具有可编程，功能强，控制简单，集成度高等诸多优点。 AT89C51 具有 PDIP、 PQFP/TQ
4、FP 及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性如下： （ 1） 兼容 MCS 51 指令系统 ； 全静态操作 0-24MHz； 4k 可反复擦写 (1000 次） Flash ROM； 可编程串行通道 ； 128 8bit 内部 RAM； 1 个串行中断 ； 3 级加密位 。 （ 2） 32 个双向 I/O 口 ； 2 个外中断口； 2 个 16 位可编程定时计数器； 2 个全双工串行通信口。 （ 3） 可直接驱动 LED； 低功耗空闲和掉电模式 ； 软件设置睡眠和唤醒功能 。 1.1.2 引脚功能 AT89C51 有 40 个引脚，其引脚分布如图 1.1 所示。 控制
5、系统 综合课程设计报告 第 3 页 共 19 页 图 1.1 at89c51 引脚图 引脚功能如下： VCC： 接 5V。 GND：接地。 P0 口： P0 口为 8 位漏极开路双向 I/O 口，每引脚可吸收 8 个 TTL 门电流。 P1 口： P1 口是从内部提供上拉电阻器的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收和输出 4 个 TTL 门电流。 P2 口： P2 口为内部上拉电阻器的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收和输出 4个 TTL 门电流。 P3 口： P3 口是 8 个带内部上拉电阻器的双向 I/O 口，可接收和输出 4 个 TTL 门电流， P3 口也可作
6、为 AT89C51 的特殊功能口。 RST：复位输入。当振荡器复位时，要保持 RST 引脚 2 个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时， 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节 。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 。 要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过 1 个 ALE 脉冲。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。由外部程序存储器取指期间，每个机器周期2 次 PSEN 有效，但在访问外部数据存储器时，这 2 次有效的
7、PSEN 信号将不出现。 EA/VPP：当 EA 保持低电平时，外部程序存储器地址为（ 0000H FFFFH）不管 是否有内部程序存储器。 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 1.1.3 工作原理 AT89C51 P0口为三态双向 I/O口。对于内部有程序存储器的单片机基本系统， P0控制系统 综合课程设计报告 第 4 页 共 19 页 口可以为输入 /输出口使用，直接连外部的输入 /输出设备； P0 口也可以作为系统扩展的地址 /数据总线口。 P0 口的输出
8、驱动器中有两个场效应管 T1 和 T2，上管导通下管截止时输出高电平，下管导通上管截止时输出低电平，上下管都 截止时输出引脚浮空。 P0口的输出驱动器中也有一个多路电子开关。输出驱动器转接至口锁存器的 Q端时， P0口作为双响向 I/O口使用， P0口的锁存器为“ 1”时，输出驱动器中的两个场效应管均截止，引脚浮空；而写入“ 0”时，下管道导通输出低电平。一般情况下， P0 作为输入 /输出口时应外接拉高电阻。当输出驱动器转换至地址 /数据时， P0口作为地址 /数据总线口使用，分时输出外部存储器的低 8位地址 A0 A7和传送数据D0 D7。低 8 位地址由地址允许锁存信号 ALE 锁存到外
9、部的地址锁存器中，接着 P0口便输入 /输出数据信息。 1 2 温度传感器 DS18B20 【 2】 DS18B20是由 DALLAS公司生产的 一种新型的单线数字温度传感器。，其体积小、适用于多种场合、并且适用电压较宽、更为经济。数字化温度传感器 DS18B20是世界上第一种支持“一线总线”接口的温度传感器。其温度测量范围为 -55 +125，可编程为 9位 12位转换精度，测温分辨率可达 0.0625。其分辨率设定参数以及手动设定的恒定温度值和定时时间值存储在 EEPROM 中，掉电后仍然保存。被测温度以符号扩展的 16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可通过采用寄 生电源
10、方式产生。多个 DS18B20可以同时并联到 3根或 2根线上， CPU只需要一根端口线就能与诸多 DS18B20 进行 通信，所占用的微处理器端口较少，可以节省大量的引线和设计电路。因此用它来组成一个测温系统，线路简单，且在一根通信线上可以挂多个这样的数字温度计，使用十分方便。 图 12 DS18B20图 1.2.1 DS18B20 温度传感器工作原理 DS18B20的 测温原理：低温系数晶振的振荡率受温度影响很小，用于产生固定频率脉冲信号送给 计数器 1；高温系数晶振随温度变化其振荡频率改变明显，所产生的控制系统 综合课程设计报告 第 5 页 共 19 页 信号作为计数器 2的输入脉冲。首
11、先计数器 1和温度寄存器预置在 55所对应的一个基数值。开始时计数器 1对低温系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1的预置值减为 0时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1的预置将被重新装入，随后计数器 1重新开始对低温系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器 2计数到 0，停止温度寄存器值的累加，此刻温度寄存器中的数值即为所测温度。 1.2.2 DS18B20温度传感器工作特点 - (1).采用单总线技术，与单片机 通信只需要一根 I/O线； (2). DS18B20具有一个独有不变的 64位序列号，可以根据序列号访问相应的器件； (3).低压供电，供电电源范围为 35V，
12、可以直接从数据线上转接电源（即为寄生电源方式）； (4).测温范围为 -55 +125 ,在 -10 85范围内误差为 0.5； (5).可编程数据为 912位，转换 12位温度最大时间为 750ms； (6).可以自行手动设定报警上下限温度； (7).报警搜索命令可识别是否温度超出预定值； (8).DS18B20的分辩率可以自行通过 EEPROM设置为 912位。 (9).DS18B20可将测得的温度值直接转化为数字量，并可以通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。 1 3 电机驱动芯片 L298 【 3】 L298的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用 15脚封装。主要特点是：工作
13、电压高， 最高工作电压可达 46V； 输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A；额定功率 25W。内含两个 H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下 允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用 L298芯片驱动电机，该芯片可以驱动两台直流电机。 L298内部电路原理图，如下 控制系统 综合课程设计报告 第 6 页 共 19 页 图 1.3 L298原理图 1 4 液晶显示屏 LM0
14、16L LM016L液晶模块采用 HD44780控制器， hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能， LM016L与单片机 MCU通讯可采用 8位或 4位并行传输两种 方式， hd44780 控制器由两个 8 位寄存器，指令寄存器（ IR）和数据寄存器（ DR）忙标志（ BF），显示数 RAM（ DDRAM），字符发生器 ROMA（ CGOROM）字符发生器 RAM（ CGRAM），地址计数器 RAM(AC)。 IR 用于寄存指令码，只能写入不能读出， DR 用于寄存数据，数据由内部操作自动写入 DDRAM和 CGRAM,或者暂存从 DDRAM和 CGRAM读出的
15、数据， BF 为 1 时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM 用来存储显示的字符，能存储 80 个字符码 . 2 硬件系统的整体结构 本设计的统硬件体系可以分为三部分，第一部分为微控制器组成的控制核心电路，第二部分为电动机驱动模块组成的电动机接口电路，第三部分为键盘输入模块和液晶显示模块组成用户接口电路。 2 1 系统硬件的整体结构 控制系统 综合课程设计报告 第 7 页 共 19 页 图 2.1 系统总体结构图 2 2 基本硬件组成 2.2.1 时钟电路 如图 3.4 所示， at89c5 芯片的振荡器的主要器件是一个反相放大器，从 XTAL1端输入，从 XTAL
16、2 端输出，电路时钟能够由内部设备或者外接设备产生，从 XTAL1和 XTAL2 引脚上连接某个定时器件 ，其内置的振荡电路就能产生相应的自激振荡。该系统的并联谐振电路采用石英晶体和电容器。电路的晶振频率选择的是11.0592MHZ，电容器 C1、 C2 的电容均取值 30pF，电容的大小可频率进行微调。 图 2.2 时钟电路图 2.2.2 键盘输入电路 控制系统 综合课程设计报告 第 8 页 共 19 页 本系统采用的是 4 4 矩阵键盘，接到 at89c51 的 P1.0-P1.7 口而实现 图 2.3 键盘输入电路图 2.2.3 显示 电路 显示电路采用 的是 LCD 功能组件 （ LM
17、016L）， 用来显示 温度测量值 跟 设定值。显示电路如图所示。 图 2.4 显示电路图 2.2.4 温度检测 电路 本设计采用的是 DS1820 传感器，如图所示。因为仿真过程不可能实际采样到温度，我们才用 DS18B20 传感器，通过手动调节来仿真温度。 图 2.5 温度检测电路图 2.2.5 电机驱动电路 控制系统 综合课程设计报告 第 9 页 共 19 页 图 2.6 电机驱动电路图 2.2.6 火灾报警 电路 图 2.7 火灾报警电路图 3 软件设计 3 1 系统软件的整体结构 控制系统 综合课程设计报告 第 10 页 共 19 页 图 3.1 结构框 图 3 2 基本模块设计 简
18、单介 绍各个模块基本函数及原理， LCD 显示、电机驱动以及报警模块比较简单，不再一一赘述。 3.2.1 温度检测显示模块 温度检测显示模块的全部函数在下表列出： 表 3.1 温度检测显示模块函数 表 函数名称 函数功能描述 dsInit() 初始化 DS18B20,上升沿启动 dsWait() 等待 DS18B20 应答 readBit() 向 DS18B20 读取一位数据 unsigned char readByte() 读取一字节数据 , 调用 readBit()来实现 void writeByte(unsigned char dat) 向 DS18B20 写入一字节数据 void sendChangeCmd() 向 DS18B20 发送温度转换命令 void sendReadCmd() 向 DS18B20 发送读取数据命令 int getTmpValue() 获取当前温度值 void display(int v) 显示温度 主要介绍获取当前温度值和显示温度函数。 a）获取当前温度值 getTmpValue() int getTmpValue()
