1、 本科生毕业论文（设计） 题目 :基于单片机的智能温控电机 系统统计 学 院 电子信息工程学院 学科门类 工 学 专 业 电子信息工程 学 号 1308211032 姓 名 郭 标 指导教师 时晶晶 /张元明 2015 年 05 月 06 日合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） I 摘 要 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。本论文介绍了 基于单片机 的温度控制直流电机转速 的基本方法，直流电机调速的相关知识 以 及 PWM 调 速 的基本原理和实现方法。重点介绍了基于 MCS-52
2、 单片机的用软件产生 PWM 信号 以及温度和电机转速的显示 方法。对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。 本设计论述了一种以两个 STC89C52 单片机通信为主控制单元，以 DS18B20 为温度传感器，以软件和 L298N 芯片实现 PWM 直流电机调速的温度控制系统。该控制系统可以实时存储相关的温度数据，并显示 在 LCD 液晶屏上。系统设计了相 关的硬件 电路和相关应用程序。硬 件电路主要包括 STC89C52 单片机最小系统，测温电路、直流电机驱动电路、LCD 液晶显示电路以及双机通讯模块电路等。系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，计算温度子程序、按键处理程序、
3、LCD、 LED 显示程序以及直流电机 PWM 程序等。 关键词： STC89C52； DS18B20； PWM； L298； 显示电路 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） II Abstract With the rapid development and wide application of computer measurement and control technology, development and application of temperature acquisition and control system based on MCU to improve t
4、he control level of the temperature in the production and life to a large extent. This paper also introduces the basic method of DC motor speed control based on single chip microcomputer, the DC motor speed related knowledge as well as the basic principles and implementation methods of PWM speed con
5、trol. Mainly introduced the display method of MCS-52 MCU software produced by the PWM signal and the temperature and motor speed based on. Provides an effective way for the realization of DC motor speed control system. The design of two STC89C52 single chip as the main control unit, using DS18B20 as
6、 the temperature sensor, the temperature control system of DC motor speed control by software and L298N chip PWM. The control system can real-time storage temperature data, and displayed on the LCD screen. The system design of the related hardware circuit and related applications. The hardware circu
7、it mainly includes the STC89C52 MCU minimum system, temperature measurement circuit, DC motor drive circuit, LCD display circuit, double communication circuit. The system program mainly includes the main program, read the temperature subroutine, the calculation of temperature subroutine, key process
8、ing program, LCD, LED display program and the DC motor PWM program. Key Words： STC89C52; DS18B20; PWM; L298; display circuit 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . III 1. 引 言 . 1 1.1 研究的背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 本论文设计内容 . 2 2. 总体方案的分析与论证 . 2 2.1 设计任务及要求 . 2 2.2 设计方案的比较与选择 .
9、3 3. 系统硬件的设计 . 4 3.1 MCU 的简介 . 4 3.2 MCU 的选择 . 5 3.2.1 STC89C52 的简介 . 5 3.2.2 STC89C52 的主要参数 . 5 3.2.3 STC89C52 的引脚 . 5 3.3 温度采集模块 . 8 3.3.1 温度传感器的介绍 . 8 3.3.2 DS18B20 的工作原理 . 9 3.4 温度显示器模块 . 10 3.5 电机转速显示模块 . 11 3.6 电机驱动模块 L298N 芯片 . 12 3.7 直流电机 . 13 3.8 PWM 调速原理 . 14 3.9 系统硬件原理图 . 14 4. 软件设计及系统调试
10、. 16 4.1 软件设计主程序流程图 . 16 4.2 系统仿真软件介绍 . 17 4.3 系统调试 . 19 4.3.1 Proteus 仿真调试 . 19 4.3.2 系统整体调试及操作 . 19 5. 总 结 . 21 参考文献 . 23 致 谢 . 24 附 录 . 25 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 1 1. 引 言 1.1 研究的背景和意义 随着社会的发展和科技的进步， 温度控制系统 以及测温仪器已经 广泛应用于社会生活的各个领域 ，尤其是 在工业自动化控制中占有非常重要的地位 。温度是一个在日常生活和生产过程甚至科学实验中普遍而且重要的物理参数。近年来，人们通
11、过温度计来采集温度，经过人工操作进行加热、通风和降温。从而来控制温度，但是对于 这 些 控制对象惯性大 ，滞后 性 严重 ，而且还 存在 有许 多不定 的 因素 ，从而根本 难以建立精确的数学模型 。这样不仅控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大，并且有许多工业生产环节是人们不能直接介入的。因此智能化已然成为现代温度控制系统发展的主流方向。针对这一种实际情况，设计个温度控制系统，具有非常广泛的 应用前景和实际意义 1。 随着电子信息技术和微型计算机技术的飞速发展。单片机技术也得到了飞速的发展。尤其是在高集成度、高速度、低功耗还有高性能方面取得了巨大的进展。使得单片机在电子产品当中的应用
12、越来越广泛。使用单片机对温度进行控制的技术也油然而生。它不仅可以克服温度控制系统中存在的严重的滞后现象，同时还可以在提高采样频率的基础上很大程度的提高控制的效果和控制的精度。并且随着技术日益发展和完善，相信越来越能显现出它的优越性 2。 1.2 国内外研究现状 温度控制已经成为一门广泛应用于很多领域。像化工、电力 、冶金、石油、机械制造、航空航天、粮食存储、酒类生产等。 温度控制系统虽然在国内各行各业的应用已十分广泛，但是从温度控制器的生产角度来看，总体的发展水平仍不高。跟美德日等先进国家相比，仍有差距。温度控制和常规的控制器占领了成熟产品的主体份额。但它只可以适用于一般的温度控制系统，难于控
13、制、复杂、滞后、时变的温度控制系统。此外，适合应用控制场合的智能化等仪器仪表，目前在国内还没有取得较好的研究成果。并且，一些先进国家虽已经有一批成熟的产品 3。可是，由于国外对于先进技术的保密和国内开发起步的滞后，导致至今国 内还没有开发出一套拥有可靠性能的自主软件。因此大多需要依靠人为的现场调试来确定控制的参数。当下，国外温度控制系统的发展依旧迅速，且在智能化和自适应还有参数自整定等方面均取得了显著的成果。其中以美德日瑞典等国尤为突出，都已生产出了一批商品化且具有高性能的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业都有广泛应用。当下，国外温度控制系统及仪表正合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计
14、） 2 朝向高精度、智能化、小型化等方面快速发展 4。 1.3 本论文 设计内容 在本次的设计研究当中，本次设计需要设计一个 数字温度计控制的电机。它是由STC89C52单片机为核心，通过 DS18B20数字式温度传感器进行温度的采集，再由 LCD1602液晶显示器直观的展现出来，根据温度的高低来控制电机的转速。它在 正常工作的时候直接显示当前温度，当温度的变化超出或低于所设定的警戒值时，系统就会通过两个通信端口传输到另一个单片机上，从而提醒注意温度变化来控制电机的运转。并且将电机的转速显示在四位共阳的数码管上。通过人为的设置温度警戒值的上下限，来适用于不同场合的需要。由于单片机的工作电压是
15、+5V，而实际生活中并没有直接提供 +5V 的干电池，所以本次设计就通过外接了一个外设的 USB 接口。 2. 总体方 案的分析与论证 2.1 设计任务及要求 本次设计的硬件部分是以 STC89C52 单片机为核心，通过 DS18B20 温度传感器进行温度的测量，根据温度的高低来控制电机的转速。并将测量结果显示出来 5。 图 2-1 系统设计框图 首先由 DS18B20 温度传感器进行采集当前温度，然后传输到 STC89C52 单片机中，再由 LCD1602 液晶显示器显示出，当测温超出本次设计预设的警告值时，电机加速旋转并且电机的转速最终控制在一百。当测温低于预设的警告值时，电机减速旋转并且
16、直到电机的转速为零。从而组成一个 具有高低温的温度控制电机旋转检测系统，具体系统设计框图显示电机转速 显示温度 L298 DS18B20 STC89C52单片机 STC89C52单片机 电机 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 3 如图 2-1 所示 6。 2.2 设计方案的比较与选择 本次设计有两种方案可供选择。 (1) 方案一 由于是测温电路的设计，所以可以用热敏电阻之类的器件。利用它的感温效应，在将随被测温度的变化而产生变化的电压或电流采集过来。并 用 具 有 A/D 通道的单片机， 再 进行 A/D 转换 之 后，就 能 用单片机 来实行 数据处理， 之后在显示电路上 将被
17、测 的 温度显示出来。 但是， 这种设计需要使用到 A/D转换电路，并且其中还牵涉到了电阻和温度之间对应值的计算。感温电路不仅比较麻烦。而且所采 集到的信号进行放大的时候容易受到温度的影响从而出现较大的偏差 7。 (2) 方案二 利用数字式温度传感器 DS18B20来进行测量温度。由于它的输出信号全数字化，所以便于单片机的处理和控制，并且还能省去传统测温方法中很多外围的电路。而且它的物理和化学性都很稳定，更加适用于做工业测温。此外它的精确度也很高，在 -10 85 范围内可以精确到 0.5 。完全满足设计要求。关键 DS18B20 的最大的特点之一就是它采用了单总线形式的数据传输。由数字温度传
18、感器 DS18B20和单片机 STC89C52构成的数字温度计，它能够输出温度信号。如此，温度测控系统就简化了很多。使用 52单片机进行温度和电机控制，软件编程的应用空间很大，能通过编程的方式来实现多种的逻辑控制。而且它体积小、硬件实现方便、组合安装简单。既能单独的对多个 DS18B20控制，还能够与 PC机进行数据通信。 此系统采用 STC89C52单片机来控制数字温度传感器 DS18B20从而进行实时温度的检测与显示，不仅可以实现快速测量环境温度，还能够根据需要进行设定上下限报警温度的范围。此外这个系统的扩展性也十分强，如它能够在设计的时候加入时钟芯片从 而来获取时间数据，达到在温度处理的
19、同时显示时间。从而满足多方面的设计要求。 这样的设计就能够不使用 A/D转换器，从而不仅能令系统提高精确度，还可以大大节约单片机的系统资源 8。 所以经过上述两种方案的对比，本次设计挑选方案二来作为设计方案。因为方案二与方案一对比，它不仅硬件系统更为简单，并且实现功能却更加强大，而且方案二本身模块化的设计又让它的系统通用性远远高于方案一。所以在最终的对比下选择方案二。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 4 3. 系统硬件的设计 硬件设计器件主要有 ： MCU、 DS18B20、 LCD1602、四位共阳数码管、 L298N、直流电机 等 硬件系统 9。以下是对 硬件 的 功能与原
20、理 简介。 3.1 MCU 的简介 单片机集成了一个完善的中央处理单元。它是由 CPU、 RAM 存储器、 ROM 存储器、I/O 接口，还有可能包括定时 /计数器、串行通信口、显示电路（ LCD 和 LED 电路）、脉宽调制电路、模拟转换器等多种电路均集成在了同一个单块芯片之上，从而，构成了一个最小但完善的单片机任务。因此，它的处理功能强。在中央处理单元之中集成了既方便又灵活的专用寄存器，这让人们使用单片机得到了很大的便利。它把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片之上，从而让 数据的传送距离大大的缩短了，运行的速度加快了，可靠性提高了，抗干扰能力加强了。因为它是属于芯片化的微型计算机，所以每
21、个功能部件在芯片上的布局与结构都得到最优化，使得工作也相对稳定。 52 单片机的优势在于它价钱便宜并 I/O 口多且程序存储空间大。所以，在测控系统中，使用 52 单片机是最为理想的选择。由于单片机是属于最为典型的一种嵌入式系统，因此它是低端控制系统中最佳的器件 10。 单片机的基本结构 1、 运 算器 运算器 是将来自于累加器和数据寄存器的数据进行计算或者逻辑运算。其 有两个功能如下 ： (1) 执行各种算术 运算。 (2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。 2、 控制器 控制器 是 协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有： (1) 从内存中取出一条指令，并指
22、出下一条指令在内存中的位置。 (2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。 (3) 指挥并控制 CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。 3、 主要寄存器 (1) 累加器 A (2) 数据寄存器 DR (3) 指令寄存器 IR 和指令译码器 ID 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 5 (4) 程序计数器 PC (5) 地址寄存器 AR 3.2 MCU 的选择 本系统主要以单片机为设计核心，而市场上单片机主要有 51 基本型和 52 增强型。考虑到 52 型有更强大的功能， ROM 和 RAM 有更大的存储空间等优点，同时， 52 型还兼容5
23、1 型指令系统。出于对本设计内容的需要， 经过 综合考虑过后，我们选择单片机 STC89C52作为本系统的控制中心。此外， STC89C52 具有无法解密低功耗，超低价高速，可靠性强，抗静电，超强的抗干扰力和功能强大等优点 11。 3.2.1 STC89C52 的简介 STC89C52 是功耗 低 、性能 高 CMOS8 位微 型 控制器， 拥有 8K 在系统可编程 Flash。拥有 8 位 CPU 和可编程 Flash， 使得 STC89C52 在 控制 系统 提供 使用范围广 、有效的方案。基本参数 ： 8K 字节 Flash， 512 字节 RAM， 32 位 I/O 接口 ，内置三个
24、16 位计数器 /定时器，一个 6 向量 多 级中断结构。 当处于 空闲 状态时 ， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz。 3.2.2 STC89C52 的主要参数 1、 工作电压： 5.5V3.3V/3.8V2.0V。 2、 工作频率范围： 040MHz。 3、 通用 I/O 口（ 32 个），复位后为： P1/P2/P3 是准双向口 /弱上拉 ， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不加上拉电阻，作为 I/O 口 使 用时，
25、 要加 上拉电阻。 4、 ISP/IAP， 不需要专门的 编程器，可 直接 通过串口直接 烧 程序， 下载非常的快速。 5、 具有 EEPROM 功能。 6、 共 3 个 16 位计数器 /定时器 ，为 T0、 T1、 T2 定时器。 7、 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路， Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式 唤醒。 3.2.3 STC89C52的引脚 STC89C52 共有 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出 (I/O)端口， 3 个 16 位可编程定时器， 2 个外中端口， 2 个全双工串行通信口， 2 个读写口线。片内振荡器及时钟电路 12。
26、 STC89C52 有两种编程方法，既可以按照常规编程，同时又可以在线编程。 芯片的引脚图如图 3-1 所示： 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 6 图 3-1 STC89C52 引脚 STC89C52 主要 引脚 功能 说明 ： VCC(40 引脚 )：电源电压。 VSS(20 引脚 )：接地。 P0 端口 (P0.0P0.7)： P0 口是一 个漏极开路的 8 位双向 I/O 口。 P1 端口 (P1.0P1.7)： P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 另 外， P1.0 口和 P1.1 还 具有引脚功能复用， 具体参数见表 3-1： 表 3-1 P1.
27、0 和 P1.1 引脚功能复用 引脚号 功能特性 P1.0 T2（定时器 /计数器 2） P1.1 T2EX（定时器 /计数器 2 捕获 /重装触发控制方向） P2 端口 (P2.0P2.7)： P2 口是一个带内部上拉电阻 8 位双向 I/O 端口。 在访问外部和 16 位地址存储器时， P2 端口 送出高 8 位地址。在访问 8 位地址的外部存储器时， P2 口引脚上的 信息 在整个访问其不变。 对于 Flash ROM 编程和校检期间， P2也 会 接受高位 的 地址和一些控制 信息 。 P3 端口 (P3.0P3.7)： P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。 P3 的输出缓冲器可驱动 (吸收或输出电流方式 )4 个 TTL 输入。 P3 端 口 还 具有 一些其他复用 的 功能。如表3-2 所示 ： RST(9 引脚 )：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来 完 成单片机的复位初始化操作。看门狗计时 之 后， RST 引脚 随后 输出 具有 96 个晶振周期的高电
