1、- i -本科毕业论文（20 届）室内温度智能控制系统的设计与实现所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期- ii -室内温度智能控制系统的设计与实现目 录前言 .1第 1 章 总体方案论证与设计 .2第 1.1 节 主控模块的设计 .2第 1.2 节 显示模块的选型和论证 .2第 1.3 节 温度检测模块的选型和论证 .2第 1.4 节 系统整体设计概述 .3第 2 章 硬件设备设计 .4第 2.1 节 主控模块 .4第 2.2 节 LCD 液晶显示器简介 .7第 2.3 节 键盘模块设计 .9第 2.4 节 语音报警模块设计 .10第 2.5 节 温度检测模块设计 .1
2、2第 2.6 节 加热和冷却模块设计 .15第 3 章 系统的软件设计 .17第 3.1 节 主程序 .17第 3.2 节 读出温度子程序 .17第 3.3 节 温度转换命令子程序 .18第 3.4 节 计算温度子程序 .18第 3.5 节 显示数据刷新子程序 .19第 3.6 节 1602 液晶显示 .19第 3.7 节 程序设计原理 .20第 4 章 系统硬件调试 .21第 4.1 节 设置温度上下线 .21第 4.2 节 低温报警 .22第 4.3 节 高温报警 .23结论 .24参考文献 .25致谢 .26附录 .27附录 1 原理图 .27附录 2 程序 .28第 iii 页室内温度
3、智能控制系统【摘要】：本设计采用现在流行的 AT89S52 单片机，配以 DS18B20 数字温度传感器，该设计可自行设置温度上下限。单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较，由此作判断是否启动继电器以开启设备。本设计还加入了常用的液晶显示及状态显示灯常用电路，使得整个设计更加完整，更加灵活。该设计可应用于室内，可对室内温度进行智能监控。【关键词】：温度箱；单片机；控制；模拟Abstract：The temperature was designed with the now popular AT89S51 SCM, and with DS18B20 digital temperat
4、ure sensor, The temperature sensor can set up their own temperature collars. SCM will detect that the temperature of the input signal and temperature, the lower comparisons this judgment whether to activate the relay to open the equipment. The design also includes commonly used digital display and c
5、ontrol state lights commonly used circuit, making the whole design more flexible. The design has been applied to someone, to someone intelligent temperature control. Key words: Temperature；SCM；Control；Simulation第 1 页前言设计意义和目的：温度控制无论是在工业生产中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使资源失去应有的作用，从而造成资源的巨大浪费。为了保证生
6、产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对温度进监测、显示、控制，使之达到工艺标准，满足需要。由于电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现温度控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。其发展必将带来新一轮的工业化的革命和社会发展的飞跃。国内现状：我国对于温度控制技术的研究较晚，始于 20 世纪 80 年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温度控制技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。温度控制设施计算机应用，在总体上
7、正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温度控制控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，如软硬件资源不能共享和可靠性比较差。国外现状：国外对温度控制技术研究较早，始于 20 世纪 70 年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80 年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化
8、、无人智能化的方向发展。本系统设计制作一个基于单片机的温度控制系统。能实现以下几种功能：（1）键盘扫描，通过单片机检测用户按下的是哪个按键并执行相应的功能。（2）通过液晶显示模块实时显示当前的温度。（3）用户可以设置上限和下限温度，当高于上限温度时单片机通过控制继电器使冷却模块工作，当低于下限温度时单片机通过继电器使加热模块工作。（4）当系统检测到温度超过上限或者下限的时候，单片机会驱动语音芯片语音提示，语音内容可以由用户自行录制。第 2 页第 1 章 总体方案论证与设计第 1.1 节 主控模块的设计方案 1：采用 MSP430 系列单片机，该单片机是 TI 公司 1996 年开始推向市场的一
9、种16 位超低功耗的混合信号处理器。其内部集成了很多模拟电路、数字电路和微处理器，提供强大的功能。不过该芯片昂贵不适合一般的设计开发。方案 2：采用 51 系列的单片机，该单片机是一个高可靠性，超低价，无法解密，高性能的 8 位单片机，32 个 IO 口，且 STC 系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。因此选用方案 2 中的 51 系列单片机作为主控芯片。第 1.2 节 显示模块的选型和论证方案 1：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较合适，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以不用此种作为显示。方案 2：采
10、用 LED 数码管动态扫描， LED 数码管价格虽适中，对于显示数字也最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用单片机口线少。但是由于数码管动态扫描需要借助 74LS164 移位寄存器进行移位，该芯片在电路调试时往往有很多障碍，所以不采用 LED 数码管作为显示。方案 3：采用 LCD 液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，对于本设计而言一个 LCD1602 的液晶屏即可，价格也还能接受，需要的借口线较多，但会给调试带来诸多方便。所以本设计中方案 3 中的 LCD1602 液显示屏作为显示模块。第 1.3 节 温度检测模块的选型和论证方案 1： A
11、D590 是美国 ANALOG DEVICES 公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在 4 V 至 30 V 电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为 1 A/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在 298.2K (25C)时输出 298.2 A 电流。由于该芯片输出为模拟量还同时需要 AD转换器对其进行采集。因此不适用于本设计方案 2：DS18B20 数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有 LTM8877，LTM8874 等等。主要根据应用场合的不同而改变其外
12、观。封装后的 DS18B20 可用于电缆沟测温，高炉水循第 3 页环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。因此本设计采用方案 2 中的 DS18B20 芯片进行温度采集第 1.4 节 系统整体设计概述根据以上设计需要，系统拟采用以下方案，系统的结构框图如图 1-1 所示。液晶显示模块LCD1602按键模块 主控模块STC89C52 温度检测模块DS18B20语音报警模块 加热模块 冷却模块图 1-1 系统结构框图系统由单片机 STC89C52、液晶显示模块 LCD1
13、602、温度检测模块、按键模块、语音报警模块、加热模块、冷却模块所组成。系统能完成以下功能，系统采用 DS18B20 对温度进行检测，并且能在 LCD1602 上实时显示温度。用户可以通过按键设置上限和下限温度，当温度超过上限温度时，系统通过继电器使冷却器件导通工作,当温度低于下限温度时，系统通过继电器使加热器件工作。当温度在上限和下限之间时维持原状态。第 4 页第 2 章 硬件设备设计第 2.1 节 主控模块主控模块在整个系统中起着统筹的作用，需要检测键盘，温度传感器等各种参数，同时驱动液晶显示相关参数，在这里我们选用了 51 系列单片机中的 STC89C52 单片机作为本系统统的主控芯片。
14、51 系列单片机最初是由 Intel 公司开发设计的，但后来 Intel 公司把 51 核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如 SST、 Philip、Atmel 等大公司。因此市面上出现了各式各样的均以 51 为内核的单片机。这些各大电子生产商推出的单片机都兼容 51 指令、并在 51 的基础上扩展一些功能而内部结构是与 51 一致的。STC89C52 有 40 个引脚，4 个 8 位并行 I/O 口，1 个全双工异步串行口，同时内含 5个中断源，2 个优先级，2 个 16 位定时/计数器。STC89C52 的存储器系统由 4K 的程序存储器( 掩膜 ROM)，和 128B 的数据存
15、储器(RAM)组成。STC89C52 单片机的基本组成框图见图 2-1。时钟电路 ROM/EPROM/Flash 4KB 定时/计数器 2个RAM12B SFR21 个CPU总线控制中断系统5 个中断源2 个优先级 串行口全双工一个4 个并行口P0 P1 P2 P3VCCVSSXTAL1 XTAL2图 2-1 STC89C52 单片机结构图2.1.1. STC89C52 单片机主要特性1. 一个 8 位的微处理器(CPU)。2. 片内数据存储器 RAM(128B)，用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及将要显示的数据等。3. 片内程序存储器 ROM(4KB)，用以存放程序、一些
16、原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带 ROM/EPROM，如 8031，8032，80C31 等。目前单片机的发展趋势是将第 5 页RAM 和 ROM 都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。4. 四个 8 位并行 IO 接口 P0P3，每个 I/O 口即可以用作输入也可以用作输出。5. 两个定时器计数器，每个定时器计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的 52 系列单片机都会提供 3 个 16 位定时器/计数器。6. 五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片
17、机都不只 5 个中断源，例如SST89E58RD 就有 9 个中断源。7. 一个全双工 UART(通用异步接收发送器)的串行 IO 口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。8. 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为 12MHz。 SST89V58RD 最高允许振荡频率达 40MHz，大大的提高了指令的执行速度。（1）部分引脚说明：1.时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2：XTAL2(18 脚)：接外部晶体和微调电容的一端；片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。XTA
18、L1(19 脚)：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。2.控制信号引脚 RST,ALE,PSEN 和 EA：RST/VPD(9 脚) ：RST 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源的输入端。当主电源 VCC 发生故障，降低到低电平规定值时，将5V 电源自动两个机器周期(24 个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。RST 引脚的第二功能是VPD,即接入 RST 端，为 RAM 提供备用电源，以保证存储在 RAM 中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。ALE/PROG(30 脚)：地址锁存允许信号端。
19、当 8051 上电正常工作后，ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率 FOSC 的 1/6。CPU 访问片外存储器时，ALE 输出信号作为锁存低 8 位地址的控制信号。PSEN(29 脚)：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引肢接 EPROM 的 OE 端(见后面几章任何一个小系统硬件图) 。PSEN 端有效，即允许读出 EPROMROM 中的指令码。PSEN 端同样可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。要检查一个 8051/8031 小系统上电后 CPU 能否正常到第 6 页EPROMROM 中读取指令码，也可用
20、示波器看 PSEN 端有无脉冲输出。如有则说明基本上工作正常。EA/VPP (31 脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当 EA 引脚接高电平时，CPU 只访问片内 EPROM/ROM 并执行内部程序存储器中的指令，但当PC(程序计数器 )的值超过 0FFFH(对 8751/8051 为 4K)时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。当输入信号 EA 引脚接低电平(接地)时，CPU 只访问外部 EPROM/ROM 并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内 ROM 的8031 或 8032,需外扩 EPROM，此时必须将 EA 引脚接地。此引脚的
21、第二功能是 VPP 是对 8751 片内 EPROM 固化编程时，作为施加较高编程电压(一般 12V21V)的输入端。3.输入/输出端口 P0/P1/P2/P3：P0 口(P0.0P0.7 ，3932 脚)：P0 口是一个漏极开路的 8 位准双向 I/O 口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。当 P0 口作为输入口使用时，应先向口锁存器( 地址 80H)写入全 1,此时 P0 口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写 1,这就是准双向口的含义。在 CPU 访问片外存储器时，P0 口分时提供低 8 位地址和 8 位数据的复用总线。在此期间，P0
22、口内部上拉电阻有效。P1 口(P1.0P1.7 ，18 脚 )：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。P1口每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。在 P1 口作为输入口使用时，应先向 P1 口锁存地址(90H)写入全 1,此时 P1 口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。P2 口(P2.0P2.7 ，2128 脚)：P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。P2 口每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。在访问片外 EPROM/RAM 时，它输出高 8 位地址。P3 口(P3.0P3.7 ，1017 脚)：P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I
23、/O 口。P3 口每位能驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。P3 口与其它 I/O 端口有很大的区别，它的每个引脚都有第二功能，如下：P3.0：(RXD)串行数据接收。P3.1：(RXD)串行数据发送。P3.2：(INT0#) 外部中断 0 输入。P3.3：(INT1#) 外部中断 1 输入。P3.4：(T0) 定时/计数器 0 的外部计数输入。P3.5：(T1) 定时/计数器 1 的外部计数输入。P3.6：(WR#)外部数据存储器写选通。P3.7：(RD#)外部数据存储器读选通。2.1.2. STC89C52 单片机的中断系统第 7 页STC89C52 系列单片机的中断系统有 5 个中断源
24、，2 个优先级，可以实现二级中断服务嵌套。由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器 IE 控制 CPU 是否响应中断请求；由中断优先级寄存器 IP 安排各中断源的优先级；同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等；也经常要对外部事件进行计数。STC89C52 单片机内集成有两个可编程的定时/计数器：T0 和 T1，它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1还可以作为串行口的波特率发生器。2.1.3. 单片机最小系统设计 P1.034MOSI6CK8RET9XALVNU冷+
25、YHZpFW-Bu图 2-2 单片机最小系统电路图图 2-2 为单片机最小系统电路图，单片机最小系统有单片机、时钟电路、复位电路组成，时钟电路选用了 12MHZ 的晶振提供时钟，作用为给单片机提供一个时间基准，其中执行一条基本指令需要的时间为一个机器周期，单片机的复位电路，按下复位按键之后可以使单片机进入刚上电的起始状态。图中 10K 排阻为 P0 口的上拉电阻，由于 P0 口跟其他 IO 结构不一样为漏极开路的结构，因此要加上拉电阻才能正常使用。第 2.2 节 LCD 液晶显示器简介由于本设计中要求显示界面显示一些参数，因此这里选用了 LCD1602 作为界面显示，可以把一些相关的参数进行显示。 2.2.1. 液晶原理介绍液晶显示器(LCD) 英文全称为 Liquid Crystal Display，它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。和 CRT 显示器相比， LCD 的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问
