室内温度自动调节控制系统课程设计

室内温度自动调节控制系统摘要 在人们日常生产及生活过程中，经常要用到温度的检测和控制。随着微型计算机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，室内温度自动检测控制方面的研究有了很大进展。同时现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏越来越快。本次课程设计是基于STC89C52单片机基础板所做的温度检测调节系统，不仅对于学习单片机技术等专业知识有实际意义，而且还可以增强动手能力。这次设计的系统，硬件电路主要包括单片机最小系统电路，温度采集电路，显示电路，语音播报电路，按键电路，继电器电路等。软件程序主要包括主程序，读出温度子程序，计算温度子程序，显示温度刷新子程序，语音播报程序等。我们利用DS18B20温度传感器采集温度通过STC89C5单片机系统在应用板上利用LCD1602液晶显示屏显示实时测得的温度 ，通过程序进行语音播报；当温度超过设定的上限时，继电器闭合，并驱动动机工作，以实现降温。经过调试，结果显示LCD屏准确显示了室温，并能进行语音播报。当温度超过设定上限时，继电器闭合，风扇工作，开始降温；实现了系统设计要求的功能。 关键词：室内温度，自动控制，STC89C52单片机，语音播报。目录0 前言11总体方案设计21.1设计方案论证31.2 主控制器31.3 LCD液晶显示31.4 温度传感器32硬件电路设计62.1.主控制器62.1.1 电源部分62.1.2 串口电路72.1.3晶振电路82.1.4复位电路82.2 显示电路92.3 数据采集电路92.4语音电路102.5按键电路113 软件设计123.1 主程序设计123.2 温度转换程序123.3 温度显示程序124 调试分析134.1 硬件调试144.1.1硬件调试方法144.1.2 电源调试144.1.3 语音模块调试144.2 软件调试145 结论14参考文献18附录1 电路原理图19附录2 .PCB图20附录3主程序210 前言在信息高速发展的今天，科学技术日新月异，科技的进步带来了测量技术的发展，现代控制设备发生了翻天覆地的变化。随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中室内温度检测就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。温度是一个永恒的话题和人们生活环境有着密切关系的物理量，是国际单位制的七个基本单位之一，作为各种信息的感知、采集、转换的功能器件温度传感器的作用日显突出，温度的检测与控制是日常生活中比较典型的应用。如在日常生活中测量并记录室内的温度，可以了解室内温度变化情况。而我们所要设计的系统正是进行温度的检测，并实现自动控制室温。1总体方案设计1.1设计方案论证针对本课题的设计任务，进行分析得到：本次设计用温度传感器进行温度的测量，转化了的温度信号由传感器直接得到了数字信号。该数字温度显示电路的设计，在总体上大致可分为以下几个部分组成：1.单片机控制电路；2.温度传感器；3. LCD显示电路。方案一由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。 方案二 进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，DS18B20为常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。所以采用温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。本文设计的室温自动控制系统原理框图如图1所示。图1 系统原理框图1.2 主控制器控制器芯片种类很多，有凌阳公司的16位单片机，也有51系列的单片机。方案一：选用AT89C51，该芯片能使用C语言进行程序的编写，方便阅读。但是，其集成程度低，功能单一，需要使用到其它功能时，只能通过扩展外电路来实现，使得整个电路复杂，成本高，稳定性低。同时，I/O口输出功率小，一般器件都需要加驱动才能够正常使用。方案二： STC89C52RC是微处理器低功耗，超低价高速（ 0 -90M），高可靠5V工作电压单片机，使产品更小，因为本系统要求的性能不是太高，而且处于模拟阶段，利用单片机芯片就可以控制。其中单片机的更轻，功耗更低，如果相关新增功能没有用到，则不需看相应部分。用STC 提供的STC-ISP.exe 工具可以将原有的代码下载进STC 相关的单片机即可，内部Flash 擦写次数为100,000 次以上。用户程序是用ISP/IAP 机制写入，一边校验一边写，无读出命令。综合考虑我们选择方案二STC89C52RC作为我们的主控芯片 。1.3 LCD液晶显示 因为LCD1602液晶显示屏具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特性，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，且1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字），所以选择其进行实时温度显示。 图2 LCD1602液晶显示屏1.4 温度传感器温度传感器DS18B20结构图如图3所示，引脚左负右正，一旦接反就会立刻发热，有可能烧毁。同时，接反也是导致该传感器总是显示85的原因。正确接法：面对着扁平的那一面，左负右正。DS18B20的性能特点如下1：a独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；b多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；c无须外部器件；d可通过数据线供电，电压范围为3.05.5；e零待机功耗；f温度以或位数字；g用户可定义报警设置；h报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；i负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；图3 DS18B20的外部封装图DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存的第、字节保留未用，表现为全逻辑。第字节读出前面所有字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第、字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。如图表1，DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若TH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC表1 DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器、温度寄存器中，计数器和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。 减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到时，温度寄存器的值将加，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。2硬件电路设计2.1.主控制器 单片机STC89C52RC具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。STC89C52RC是一种低功耗，高性能的8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH,使得STC89C52RC为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活，超有效的解决方案。该单片机的最小系统包括电源部分，串口部分，单片机部分，晶振电路和复位电路。最小系统原理图如图4所示2。图4 最小系统原理图 2.1.1 电源部分如图5是单片机小系统的电源部分原理图3。 图5 总电源电路通过5V变压器，上图电路是可以为整个设计的各个部分提供电源（+5V），由图可知，电源部分由一个电源插槽J7和电源开关S1、一个发光二极管、一个1K电阻和一个容值为1UF的稳压电容组成。当电源接通后，打开开关，发光二极管会发光。2.1.2 串口电路串口原理图如图6所示。主要作用是进行电平转换，提高信号传输的速度。 图6 串口原理图串口电路是由一个MAX232芯片、5个0.1UF的电容和一个串口组成。电路中的MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电，在电路中的C1C4是必不可少的，缺一不可，具有调节电压值的作用。由图可知，当数据线接上串口DB9时数据经过3号引脚送给MAX232的13号引脚，在经过12号引脚输出将电平转换送往单片机芯片中，在经过一系列单片机讲信号送给11号引脚经过芯片电平转换由14号引脚送给串口的2号引脚，已达到电平转换的作用。2.1.3晶振电路如图7所示，晶振电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，电路选用11.0592MHZ的晶振和容值为22PF的电容，在单片机芯片的18（XTAL1）、19（XTAL2）号引脚之间跨界警惕震荡器和微调电容，就可以构成一个稳定的自激振荡器。 图7 晶振电路图 图8 复位电路 2.1.4复位电路如图8为复位电路，复位主要作用是使CPU和系统中其他功能部件都恢复到确定的初始状态，并从该状态开始工作。复位电路有上电复位和手动复位两种。上电复位：当上电时，电容相当于短路，此时电阻上的电压约等于VCC，经过一段时间后电阻电压逐渐变小直至为零。手动复位：按键后，电容器被短路放电、RST直接和VCC相连，就是高电平，此时进入复位状态。松手后，电源开始对电容器充电，此时，充电电源在电阻上，形成高电平送到RST，仍然是复位状态，稍后充电结束，电流降为零，RST降为低电平，开始正常工作。本系统的复位电路采用的是手动复位的方式5。 2.2 显示电路 动态显示电路使用STC89C52RC的P0.0至P0.7端口作为LED的字段输出口，P2.4至P2.7作为LED的位选控制口，采用PNP管9012驱动共阳LED显示器的第3引脚公共极COM，显示器从最左边的位开始点亮LED。其接口原理图如下图9所示： 图9 显示电路2.3 数据采集电路数据采集电路如图10所示。DS18B20的内部结构主要包括：寄生电源，温度传感器，64位激光ROM和单总线接口，存放中间数据的高速暂存器RAM,用于存储用户设定温度上下限值得TH和TL触发器，存储和逻辑控制，8位循环冗余码发生器等七部分。DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术，将被测温度转换成数值信号，测量结果将存入温度寄存器中。 图10 数据采集电路2.4语音电路WT588D模块内部包含了FLASH存储器和相关的外围电路，只需要在外部接上控制端、电源及扬声器，就能进行工作。BUSY指示：BUSY端接上发光二极管就能显示语音的播放状态，可以从电脑软件上设置为语音播放时点亮或语音播放时熄灭。供电：模块在5V供电时，串两个二极管到VCC端，模块在3V供电时，可直接把电源接到VCC端。 PWM音频输出：直接驱动扬声器的方式，扬声器两端接PWM+和PWM-，此状态输出时，PWM+/PWM-两端不可短路、不可接电容电阻到地。如需采用此状态外接功放，可用差分方式输出到功放。 DAC音频输出：外接功放驱动扬声器方式，不可直接驱动扬声器。PWM+/DAC端做音频输出，PWM-端腾空。DAC端需接一个1.2K电阻和104电容到地，再把音频输出给功放。 本次设计的系统采用的是DAC音频输出语音电路如图11所示。图11 语音电路2.5按键电路本文设计的按键电路如图13所示。采用独立按键的结构形式，每个按键相互独立，分别与单片机的一根输入线相连，配置灵活，软件简单，适用于按键较少的场合。当按键开关未按下时，开关处于断开状态，单片机I/O口为高电平；当按键开关按下时，开关处于闭合状态，单片机I/O口为低电平。由于按键开关闭合和断开瞬间都会产生510ms的抖动，对于单片机来说完全可以感应到，因此采用软件消除抖动。图12按键电路3 软件设计3.1 主程序设计如图13为主系统原理图，系统的主程序主要用来初始化一些参数，对DS18B20的配置数据进行一系列的设定。另外对DS18B20的状态不断的查询，以读取当前的温度值，并对温度进行处理，温度值的BCD码处理后，将其段码送显示缓冲区，以备定时扫描服务程序处理。图13 主程序流程图3.2 温度转换程序 读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图14所示。 图14 温度转换流程图 图15温度显示流程3.3 温度显示程序此程序是将采集到得数据用LED数码管显示，然后将实际温度与设置的报警上下限进行比较，决定是否发出报警信号。由于T为实际温度的绝对值，TH,TL也是温度的绝对值，因此判断大小关系时，要通过正负号来确定。其程序流程图如图15所示。4 调试分析4.1 硬件调试单片机应用系统的硬件和软件调试是交叉进行的，但通常是先排除样机中明显的硬件故障，尤其是电源故障，才能安全地和仿真器相连，进行综合调试。4.1.1硬件调试方法 在样机加电之前，首先用万用表等工具，根据硬件电器原理图和装配图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。应特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查扩展系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互间的短路或与其它信号线的短路。第二步是加电后检查各个插件上引脚的电位，仔细测量各点电位是否正常，尤其应注意单片机插座上的各点电位，若有高压，联机时将会损坏仿真器。第三步是在不加电情况下，除单片机以外，插上所有的元器件，最后用仿真适配器将样机的单片机插座和仿真器的仿真接口相连，为联机调试做准备6。4.1.2 电源调试 用数字万用表电压档测量电池输出的电压值是否正常,如果显示不正常，将数字电压表打到蜂鸣器挡，用两个表笔检测电路是否短路或断路。4.1.3 语音模块调试将所需要的语音录入语音芯片中，通过按键看是否播放录音。4.2软件调试本次设计采用的是keil仿真器进行软件调试，此系统可以开发应用软件，以及对硬件电路进行诊断、调试等。它的具体功能是可以进行CPU仿真，可以单步、跟踪、断点和全速运行，而且，程序的编译过程中，可以对设计软件进行自诊断，并自动给出故障原因。同时用户调试程序时，可以通过窗口观察寄存器的工作状况，以便及时发现和排除编程中可能出现的错误。软件的调试是利用keil软件，模块化调试，通过观察存储单元数据的变化，查找并解决程序的语法和逻辑错误，具体的调试步骤如下：1. 把系统的各个模块在仿真软件中逐个调试，如数据采集模块、显示模块等。2. 对各个需要赋值模块调试时，赋入初值，单步调试，观察数据窗口，看输出结果是否为设计时想要的结果。 3. 把各个模块组合起来，全速运行，看程序是否能流畅的，是否能实现设计的系统 调试的图片如下图16所示：图16 STCISP界面图2.软件调试过程： 首先接上USBRS232C信号线，安装串口驱动程序；然后打开STCISP界面，进行软件调试。按下面顺序：1)选择自己的CPU型号STC89C52RC2）选择自己的端口：根据之前安装的串口驱动程序，右键我的电脑属性硬件COM查看自己的输出端口号3）选择波特率、最高、最低4）打开程序文件5）自己编写的程序编译后生成的.Hex文件6)点击、下载程序至单片机，调试7)重复2和5注意：在调试程序时，要把拨码开关拨到相对应的ON状态。 如下图17为系统调试完成后，正常运行的现场图 图17 系统工作现场图5 结论 经过了四个星期的课程设计，让我对以前学的理论知识有了较深的体会，学习用理论指导实践，在实践中发现了自己有很多不足之处，并不断完善自己。因为前两周准备考研，没做多少东西，但这次的课程设计还是让我体会到很多东西，不仅仅是知识本身的，更多的是自己动手能力和逻辑思维能力的锻炼。同时，也知道自己还有许多要学的东西。在以后的工作中，单片机是必须掌握的基础工具，所以我们认真学习单片机的知识，这对我们找工作是很有帮组的，遇到问题并不可怕关键是我们要找到方法去解决问题，一定要勤于动手，这样自己才会有提高。另外，对温度传感器的认识也不仅仅只停留在书本上了，亲身体会到了LCD显示屏和灯的应用。当然在这次宝贵的课程设计活动中，经验才是对于我们最大的收获，而且还增强了自身对未知问题以及对知识的深化认识的能力，用受益匪浅这个词语来概括这次难忘的活动我觉得再合适不过了。在和同学的协作中去完成电路原理图的绘制，焊接电路板，最后进行调试，当然这些过程都离不开老师的悉心指导；这些工作必须按部就班，有计划保质量地完成，否则后面的工作就无法进行。 最后特别要感谢老师及同学在这四个星期对我的帮助。参考文献1唐文彦 传感器（第四版）M，北京：机械工业出版社,20062夏路易：Protel 99SEM，第一版，北京：北京希望电子出版社，20023王俊峰：电工技术基础M，第二版，北京：电子工业出本社，20104谭浩强：C程序设计M，第四版，北京：清华大学出版社,20105谢自美：电子线路设计测试与应用M,第二版,武汉：华中理工大学出版社,20046蔡美琴：MCS-51系列单片机系统及其应用，第二版，北京：高等教育出版社，2008附录1 电路原理图附录2 .PCB图附录3主程序/*温度控制语音播报操作方法：将POWER SUPPLY SWITCH 中的1602开关打开,用杜邦 线将驱动板上的VCC和GND连在基础板的OUT POWER上， 用杜邦线将驱动板RST和DATA与P34和P35连接，用杜 邦线将驱动板DS与P20连接起来，DC与P05连接，把 温度传感器插在驱动板U1上 */#include #include #includesbit rs=P20;sbit wr=P21;sbit lcden=P22;sbit DC=P05; /电动机控制bit flag0;uchar display2;uchar bai,shi,ge;uchar num=0;void delayus(uint s)uint i;for(i=0; is; i+);for(i=0; i0;x-) for(y=110;y0;y-); void write_com(uchar com) /液晶写指令 rs=0; P1=com; lcden=0; delay(5); lcden=1 ; delay(5); lcden=0; void write_data(uchar date) /液晶写数据 rs=1; P1=date; lcden=0; delay(5); lcden=1; delay(5);lcden=0; void init() /液晶初始化 wr=0; write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01); write_com(0x80); void distwo(uchar add,uchar temp)/液晶显示两位数字 uchar shi,ge; shi=temp/10; ge=temp%10; write_com(0x80+add); write_data(shi|0x30); write_data(ge|0x30); void diszifu(uchar add,uchar *temp) uchar i; write_com(0x80+add);for(i=0;tempi!=0;i+) write_data(tempi);delay(5); void distemp(uchar add,uint temp) bai=temp/100; shi=temp%100/10; 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