基于單片機溫度檢測及散熱系統(tǒng)設計本科畢業(yè)設計

1、 本科畢業(yè)設計題 目 基于單片機的溫度檢測及散熱系統(tǒng)設計 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 測控技術與儀器 學生姓名 李 海 學 號 201110114221 年級 2011 指導教師 喻洪平 職稱 副教授 2015年 5月 8日題目：基于單片機溫度檢測及散熱系統(tǒng)設計專業(yè)：測控技術與儀器 學號：201110114221 學生: 李 海 指導教師：喻洪平摘要：溫度無論在工業(yè)領域還是在農業(yè)領域或是日常生活之中，它都是一個重要的物理量，因此各個行業(yè)的工作人員都在進行溫度調控這方面的調控。采用單片機進行溫度調控是當今溫度控制領域的一種被人喜愛的智能溫度調控方式。單片機智能調控溫度擁有很多優(yōu)點，單片機智能調

2、控溫度不僅方便，減少操控人員工作量，同時可以大大提高溫度調控的技術指標，加大了智能溫度調制精度。隨著單片機行業(yè)的快速發(fā)著，單片機的應用范圍和深度正在逐漸增強，通常在智能操作和測控方面，單片機通常是整個系統(tǒng)的核心。 近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)檢測日新月益更新。在現(xiàn)在的應用范圍內，無論是實時檢測還是自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機通常在整個系統(tǒng)中占據著核心的控制地位，但是如果想設計好整個系統(tǒng)，僅僅擁有單片機的使用技術是遠遠不夠的，我們同時要擁有硬件系統(tǒng)設計的基礎知識，以及對具體應用需求的具體了解，同時軟件部分需要了解c語言和開發(fā)環(huán)境的使用等基礎知識。本

3、系統(tǒng)的設計采用c語言進行編寫，雖然c語言沒有匯編的效率高，但其通用性，可移植性優(yōu)勢非常突出，并且隨著編譯器的提升，轉化效率已經達到非常高的效率。軟件部分我們使用軟件的模塊化設計，模塊化設計可以使軟件設計分析時思路清晰易懂，易于隨著要求的更改而改變程序設計設計要求。根據本系統(tǒng)的設計要求，此系統(tǒng)的設計方案是將單片機和溫度傳感器于一體的綜合設計。它是以51單片機為整個系統(tǒng)的控制核心，紅外溫度傳感器采集溫度，鍵盤和led作為io端，調控風扇電機來進行溫度調節(jié)。關鍵詞：單片機；c語言；紅外溫度傳感器；風扇電機 the design of temperature detection and the coo

4、ling system based on single chip microcomputerspecialty:measure ement control and instrusemention student number:201110114221 student: li hai supervisor:yu hong ping abstract:temperature both in industry and agriculture, it is an important physical quantity, so the staff in a wide range of industrie

5、s are to control the temperature of control.by single chip microcomputer temperature control is the temperature control in the field of a kind of intelligent temperature control that is loved by people.single chip microcomputer intelligent control temperature has many advantages. the single chip mic

6、rocomputer intelligent control temperature is not only convenient and reduce the workload of operators and can greatly improve the technical index of temperature at the same time and increased the intelligent temperature modulation precision.as the mcu industry developing, mcu application is gradual

7、ly enhanced in scope and depth. in terms of intelligent operation and control, single-chip computer is usually the core of the whole system.in recent years, with the rapid development of science and technology, muc applications are developing in the depth and drive the traditional detection at the s

8、ame time.system, only with the use of single-chip microcomputer technology is not enough. we want to have the basic knowledge of hardware system design at the same time, as well as the understanding of the specific of the specific application requirements, at the same time the software needs to unde

9、rstand the use of c language and the development environment.the paper is based on c language.the c language has a lower efficiency than assembly, but it is general and is easy to transplant.with the development of the compiler, conversion efficiency has been improved. software part is used the modu

10、lar design. the modular design is clear and transparent. software design can be changed with the change of the requirements.according to the design requirements of this system, the design scheme of this system is the single-chip microcomputer and a temperature sensor in a bodys comprehensive design.

11、the scheme is based on 51 single chip microcomputer as the control core of the whole system, and also has the infrared temperature sensor acquisition, keyboard and led as io port, regulating the fan motor to adjust the temperature.key words：mcu;c language;infrared temperature sensor;fan motor目錄第一章 緒

12、論21.1 本文的研究背景及意義21.2 溫度控制技術的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀21.3 本文實現(xiàn)的技術指標和功能31.4 本文的章節(jié)安排3第二章 系統(tǒng)總體方案設計52.1 虛擬信號發(fā)生器功能簡介52.2 虛擬信號發(fā)生器的總體方案設計52.3 本章小結6第三章 系統(tǒng)硬件簡介73.1 系統(tǒng)硬件設計規(guī)劃73.1.1 溫度傳感器的選擇73.1.2 控制核心的選擇83.1.3 溫度顯示器件的選擇83.1.4 調速方式的選擇93.2 硬件電路設計93.2.1 開關復位與晶振電路93.2.2 數(shù)碼管顯示電路103.2.3 串口通信113.2.4 按鍵電路設計113.2.5 風扇電機驅動與調速電路123.3 本章小結

13、12第四章 系統(tǒng)軟件設計134.1 軟件開發(fā)平臺和開發(fā)語言134.2 uart串口系統(tǒng)部分實現(xiàn)144.3 spi紅外溫度采集154.4 電機風扇調節(jié)174.5 本章小結17第五章 系統(tǒng)調試與運行185.1 系統(tǒng)調試過程185.2 系統(tǒng)調試結果18第六章 結 論20參 考 文 獻21致 謝22第一章 緒論1.1 本文的研究背景及意義 無論在工業(yè)的生產制造，還是各種儀器的使用或是各種生活電器的使用，溫度是一個非常重要的物理參數(shù)。隨著社會的發(fā)展和技術的進步，人們越來越注重溫度檢測與顯示的重要性。在當今競爭激烈的市場上溫度檢測調控產品已經非常普遍，同時應用的范圍也相當廣泛。溫度檢測及顯示也逐漸采用自動

14、化控制技術來實現(xiàn)監(jiān)控。 風扇是一個十分常見的商品，它無論在工業(yè)制造中還是日常生活中，它都擁有著不可替代的地位，例如在日常生活中，隨處可見人們使用風扇進行降溫，在大大型的工業(yè)制造中廠商采用大型風扇給機器設備進行降溫，同時我們也可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的筆記本個人電腦也廣泛采取風扇降溫策略。在現(xiàn)在的探索中，我們可以發(fā)現(xiàn)使用風扇進行降溫已經起到了明顯的效果，利用風扇我們可以根據溫度的變化調節(jié)風扇，使溫度一直保持在我們所需要的值上，避免因為過熱使機器損壞的情況，這就擺脫了人為控制，達到智能控制的層次。 在本次的設計中，我們綜合實際的設計需求，采用stc公司的51單片機作為本系統(tǒng)的控制核心，使用溫度檢測系統(tǒng)來檢測環(huán)

15、境溫度，同時為了采集者的方便觀察，將數(shù)據通過led進行顯示，我們使用鍵盤作為輸入系統(tǒng)，可以輸入我們的理想目標溫度，根據目標設定溫度，控制器控制風扇電機使之達到目標溫度，當目標溫度達到以后，控制器將停止電機轉動，實現(xiàn)自動化控制，同時可減少電源浪費。1.2 溫度控制技術的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 從近年來的溫控系統(tǒng)發(fā)展來看，在理論上溫度的檢測已經比較成熟，但問題的關鍵在于實際測量和控制，在實際的實現(xiàn)中我們需要保證快速實時地對溫度進行采樣，確保數(shù)據的正確傳輸，并且能夠對所采集的溫度精準的調控，這些都是目前需要解決的問題。溫度的調控技術主要包括溫度的采集技術和溫度的控制技術。在溫度的測量技術史上，接觸式測溫是發(fā)

16、展較早的，同時也是比較成熟的技術，接觸式測溫技術擁有一系列非常好的優(yōu)點，例如方法簡單可靠，經濟成本低廉，并且在測量真實物體的溫度時較準確。但是由于傳感器器件的熱慣性的影響，測量溫度時的響應時間長，對于一些熱容量較小的物體，接觸式難以測得精準溫度，并且如果測量物體帶有腐蝕性，或物體溫度過高，或物體的移動速度過快，使用接觸式都難以準確的測量物體溫度。另外有一種非接觸式的測量溫度的方法，該方法的原理是通過物體向外輻射的能量來測量實際物體的溫度的，這種方法的最大優(yōu)點是可以不破壞測量的溫場，可以測量腐蝕性物體，可以測量高溫物體，可以測量熱容量小的物體，可以測量快速移動的一系列物體。但同時這種方法也不是完

17、美的，它也有一些缺點，此種測量系統(tǒng)的結構復雜，并且價格昂貴。因此，在實際的溫度測量時，我們不能草率的決定采用哪種溫測系統(tǒng)，我們應該根據實際的溫測需求來進行溫度測量的方法的選擇，在滿足測溫需求的同時盡可能降低成本。 溫度調控技術目前根據控制目標標準可以分為兩類：動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動態(tài)溫度跟蹤是指溫度控制系統(tǒng)根據設定好的目標溫度曲線隨著時間的變化而變化的調節(jié)目標溫度，這種溫度調控技術在實際的工程中是經常遇到的，例如在生物工程中的發(fā)酵問題，化學工廠中的化學反應中，以及在冶金工業(yè)中的溫度控制都屬于這一類；橫值溫度控制系統(tǒng)是指被控制的溫度唯一固定值，不隨著時間的變化而變化目標溫度，同時要求溫度

18、的幅值波動要在一定的范圍之內，不允許超過范圍極限。1.3 本文實現(xiàn)的技術指標和功能 溫度測量及調控系統(tǒng)，利用紅外溫度傳感器測量環(huán)境溫度，將溫度采集采集到控制系統(tǒng)內，控制器處理信息數(shù)據，led顯示溫度，控制電機速度來進行降溫，通過按鍵進行溫度設定，進行智能溫度控制。1.4 本文的章節(jié)安排本論文以五章來闡述自己所做的工作，其中各章節(jié)的大致安排如下：第一章為緒論，主要介紹了課題的研究背景與意義、溫度測控的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀以及技術指標和功能。第二章為系統(tǒng)的總體方案設計，介紹了系統(tǒng)應該完成的功能，概括了系統(tǒng)的設計思想，并給出系統(tǒng)的總體方案設計。第三章為系統(tǒng)硬件簡介，主要說明了溫度測控系統(tǒng)中涉及到的硬件

19、原理。第四章為系統(tǒng)軟件設計,這是本文最重要的部分。主要內容有溫度采集，并進行溫度顯示，以及溫度設置和溫度調節(jié)等。第五章為系統(tǒng)調試運行結果，主要展示了系統(tǒng)實現(xiàn)的整體功能。第二章 系統(tǒng)總體方案設計2.1 虛擬信號發(fā)生器功能簡介根據實際需要，本系統(tǒng)主要完成以下功能:1、利用紅外溫度傳感器采集溫度數(shù)據2、通過led進行溫度顯示3、通過鍵盤進行溫度設定4、通過pwm驅動調節(jié)風扇，進行溫度控制2.2 虛擬信號發(fā)生器的總體方案設計本設計的整體思路是：本系統(tǒng)以51單片機為控制核心，將紅外溫度傳感器檢測環(huán)境溫度并直接輸出數(shù)字溫度信號給單片機進行處理，同時利用led數(shù)碼管進行溫度的顯示。同時采用pwm脈寬調制方式

20、來改變直流風扇電機的轉速。并通過一個按鍵實現(xiàn)智能控制和固定轉速切換。系統(tǒng)結構框圖如圖2-1所示。 溫度顯示led 按鍵溫度設定 電動風扇調節(jié)溫度 pwm電機驅動stc89c51rc紅外傳感器溫度采集 圖2-1 系統(tǒng)結構框圖 2.3 本章小結本章只是從總體的思路上進行了一個大體的介紹，分析了其中每個部分的功能作用，為今后的具體涉及做好了基本的框架，其中并沒有涉及到過多的技術內容，下面將從硬件和軟件兩部分進行詳細的介紹。第三章 系統(tǒng)硬件簡介3.1 系統(tǒng)硬件設計規(guī)劃 3.1.1 溫度傳感器的選擇 在本設計中，溫度傳感器的選擇有以下四種方案： 方案一：將熱敏電阻作為溫度檢測的核心，熱敏電阻的阻值會隨著

21、物體溫度的變化而變化，在經過信號通過功率放大器電路將信號放大，進而可產生較大的電壓信號最后通過模數(shù)轉換芯片adc0809將電壓信號模擬量轉化為數(shù)字信號輸入單片機處理。方案二：采用模擬式的集成溫度傳感器lm35作為溫度檢測的核心元件，經模數(shù)轉換芯片adc0809將微弱電壓變化信號轉化為數(shù)字信號輸入單片機處理。 方案三：采用溫度傳感器ds18b20作為溫度采集的核心器件，通過單片機與其進行串口通信可采集數(shù)字溫度數(shù)據方案四：采用紅外溫度傳感器tn901,通過串口通信可以采集溫度數(shù)據。對于方案一，采用熱敏電阻作為溫度檢測元件，有價格便宜，元件易購的優(yōu)點，但熱敏電阻對溫度的細微變化不太敏感，在信號采集、

22、放大以及轉換的過程中還會產生失真和誤差，并且由于熱敏電阻的r-t關系的非線性，其自身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路來修正，但這不僅將使電路變得更加復雜，而且在人體所處環(huán)境溫度變化過程中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統(tǒng)。 對于方案二，雖然模擬式集成溫度傳感器lm35的高度集成化，大大降低了外接放大轉化等電路的誤差因數(shù)，溫度誤差變得很小，但由于其檢測溫度結果以電壓形式輸出，需要使用數(shù)模轉換芯片adc0809轉換為數(shù)字信號，此過程較為繁瑣。并且由于lm35對溫度變化產生的電壓變化較小，系統(tǒng)易受干擾。故該方案不適合本系統(tǒng)。對于方案三，雖然數(shù)字式集成溫度傳感器ds18b2

23、0的高度集成化，通過串口可以采集到數(shù)字量數(shù)據，但如果將ds18b20應用在高精端儀器的溫度采集，并且對溫度調節(jié)的實時性較高的系統(tǒng)中，ds18b20溫度傳感器的性能就無法達到設計的要求。因此該方案不適合本次系統(tǒng)設計。對于方案四，特點tnm 紅外溫度計模塊采用高靈敏度、高精度、的功耗的設計，保證了采用的優(yōu)良特性。mems 熱電堆可以準確的測量出環(huán)境溫度，采用溫度補償技術在 tnm 紅外溫度計模塊 上。zytemp 開發(fā)出獨有的集成了所有硬件的集成電路的組成了紅外片上系統(tǒng)。應用該創(chuàng)造 性的紅外片上系統(tǒng)（soc）技術，tnm 紅外溫度模塊具有很高的集成度和性價比。zytemps 的產品可以承受 10的

24、熱沖擊。我們的產品擅長在寬范圍溫度變化環(huán)境中保 持精度。例如：傳統(tǒng)的紅外測溫儀溫度變化帶來的誤差達到 1.6，需要 30 分鐘的穩(wěn)定 時間；而 zytemps tnm 產品誤差僅僅是 0.7 ，僅需要 7 分鐘的穩(wěn)定時間.tnm 產品只需要 3 伏電源供電，而多數(shù)其他紅外溫度計需要9 伏電壓供電zytemp 保證溫度標準溯源倒 nist 或者國際測量實驗室. 所有的 tnm 產品經過溯源 的紅外溫度標準源校準，校準的數(shù)據和產品的序列號保存在模塊上eeprom 內。紅外溫度傳感器tn901的溫度測量范圍大，精確度高，響應時間快，抗干擾能力強，并且tn901屬于數(shù)字量信號傳感器，可以通過spi串口

25、采集出數(shù)據信號，避免了a/d轉換部分，因此本次系統(tǒng)設計采用紅外溫度傳感器tn901。圖3-1為紅外溫度傳感器tn901的最小單元模塊。 圖3-1 tn901最小單元模塊 3.1.2 控制核心的選擇在本設計中采用stc89c51rc單片機作為控制核心，通過軟件編程的方法進行溫度檢測和判斷，并在其i/o口輸出控制信號。stc89c51rc單片機工作電壓低，性能高，片內含8k字節(jié)的只讀程序存儲器rom和512字節(jié)的隨機數(shù)據存儲器ram，它兼容標準的mcs-51指令系統(tǒng)，性價比高，適合本設計系統(tǒng)。 3.1.3 溫度顯示器件的選擇 在本次設計中溫度顯示器的選擇方案共有兩套，分別是：方案一：應用動態(tài)掃描的

26、方式，采用led共陰極數(shù)碼管顯示溫度。 方案二：采用lcd液晶顯示屏顯示溫度。 對于方案一，該方案成本很低，顯示溫度明確醒目，即使在黑暗空間也能清楚看見，功耗極低，同時溫度顯示程序的編寫也相對簡單，因而這種顯示方式得到了廣泛應用。但不足的地方是它采用動態(tài)掃描的顯示方式，各個led數(shù)碼管是逐個點亮的，因此會產生閃爍，但由于人眼的視覺暫留時間為20ms，故當數(shù)碼管掃描周期小于這個時間時人眼不會感覺到閃爍，因此只要描頻率設置得當即可采用該方案。 對于方案二，液晶顯示屏具有顯示字符優(yōu)美，其不僅能顯示數(shù)字還能顯示字符甚至圖形，這是led數(shù)碼管無法比擬的。但是液晶顯示模塊的元件價格昂貴，顯示驅動程序的編寫

27、也較復雜，從簡單實用的原則考慮，本系統(tǒng)采用方案一。 3.1.4 調速方式的選擇 方案一：采用數(shù)模轉換芯片dac0832來控制，由單片機根據當前環(huán)境溫度值輸出相應數(shù)字量到dac0832中，再由dac0832產生相應模擬信號控制晶閘管的導通角，從而通過無級調速電路實現(xiàn)風扇電機轉速的自動調節(jié)。 方案二：采用單片機軟件編程實現(xiàn)pwm（脈沖寬度調制）調速的方法。pwm是英文pulse width modulation的縮寫，它是按一定的規(guī)律改變脈沖序列的脈沖寬度，以調節(jié)輸出量和波形的一種調節(jié)方式，在pwm驅動控制的調節(jié)系統(tǒng)中，最常用的是矩形波pwm信號，在控制時需要調節(jié)pwm波得占空比。占空比是指高電平

28、持續(xù)時間在一個周期時間內的百分比。在控制電機的轉速時，占空比越大，轉速就越快，若全為高電平，占空比為100%時，轉速達到最大 。用單片機i/o口輸出pwm信號時，有如下三種方法： (1) 利用軟件延時。當高電平延時時間到時，對i/o口電平取反，使其變成低電平，然后再延時一定時間；當?shù)碗娖窖訒r時間到時，再對該i/o口電平取反，如此循環(huán)即可得到pwm信號。 (2) 利用定時器。控制方法與(1)相同，只是在該方法中利用單片機的定時器來定時進行高低電平的轉變，而不是用軟件延時。在本設計中應用了此方法。 (3) 利用單片機自帶的pwm控制器。在stc12系列單片機中自身帶有pwm控制器，但本系統(tǒng)所用到得

29、stc89系列單片機無此功能。 對于方案一，該方案能夠實現(xiàn)對直流風扇電機的無級調速，速度變化靈敏，但是d/a轉換芯片的價格較高，與其溫控狀態(tài)下無級調速功能相比性價比不高。 對于方案二，相對于其他用硬件或者軟硬件相結合的方法實現(xiàn)對電機進行調速而言，采用pwm 用純軟件的方法來實現(xiàn)調速過程，具有更大的靈活性，并可大大降低成本，能夠充分發(fā)揮單片機的功能，對于簡單速度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種有效的途徑。綜合考慮選用方案二。3.2 硬件電路設計 3.2.1 開關復位與晶振電路 在單片機應用系統(tǒng)中，除單片機本身需要復位以外，外部擴展i/o接口電路也需要復位，因此需要一個包括上電和按鈕復位在內的系統(tǒng)同步復位

30、電路。單片機上的xtal1和xtal2用來外接石英晶體和微調電容，即用來連接單片機片內osc的定時反饋回路。本設計中開關復位與晶振電路如下圖所示，當按下按鍵開關s1時，系統(tǒng)復位一次。晶振為11.0592mhz。圖3-2為復位和晶振電路。 圖3 -2復位和晶振電路 3.2.2 數(shù)碼管顯示電路 本設計制作中選用2位共陰極數(shù)碼管作為顯示模塊，它和單片機硬件的接口如圖3-3所示。用于顯示溫度傳感器實時檢測采集到的溫度，可精確到1攝氏度，顯示范圍為099攝氏度。2位數(shù)碼管的段選a、b、c、d、e、f、g、d、p線分別與單片機的p0.0p0.7口連接，其中p0口需接一1k的上拉電阻，并串聯(lián)74hc573作

31、為驅動電路，以使led能夠獲得較大電流。2位數(shù)碼管的位選分別與單片機的p2.0p2.1口相連接，只要p2.0p2.1中任一位中輸出低電平，則選中與該位相連的數(shù)碼管。 圖3-3 led數(shù)碼管顯示電路 3.2.3 串口通信為了方便調試我們需要通過串口使pc機和單片機通信。單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和計算機之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，計算機的串口是rs232電平的，而單片機的串口是ttl電平的，兩者之間必須有一個電平轉換電路，采用專用芯片max232進行轉換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。采用三線制連接串口，也就是說

32、和計算機的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的gnd、第2腳的rxd、第3腳的txd。電路如圖3-4所示，max232的第11腳和單片機的11腳連接，第12腳和單片機的10腳連接，第15腳和單片機的20腳連接。 圖3-4 uart串口電路 3.2.4 按鍵電路設計本次設計為了以后的方便調試，我們需要設計4*4鍵盤設計，按鍵采用價格廉價的普通四腳按鍵，4*4鍵盤設計完成后會出現(xiàn)8個接口，只需要將8個鍵盤接口接到單片機的普通接口即可。圖3-5為4*4鍵盤電路。 圖3-5 4*4鍵盤電路該實驗使用的8位數(shù)碼管顯示電路和44矩陣鍵盤電路?，F(xiàn)將這二部分的電路工作原理進行簡單的介紹：44矩陣鍵盤的工作原理

33、矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是用4條i/o線作為行線，4條i/o線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點上，設置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個數(shù)是44個。這種行列式鍵盤結構能夠有效地提高單片機系統(tǒng)中i/o口的利用率。圖3-5為矩陣鍵盤電路圖，行線接p1.4p1.7，列線接p1.0p1.3。 3.2.5 風扇電機驅動與調速電路本設計中由單片機的i/o口輸出pwm脈沖，通過一個達林頓反向驅動器uln2803驅動5v直流無刷風扇電機以及實現(xiàn)風扇電機速度的調節(jié)。 由單片機通過p2.2口輸出與轉速相應的pwm脈沖，經過uln2803驅動風扇直流電機控制電路，實現(xiàn)電機轉速控制。當環(huán)境溫度升高時，直流

34、電機的轉速會相應按照設定提高，反之亦然；當環(huán)境溫度低于設置溫度時或高于預設溫度時，電機保持恒定轉速。 電路如圖3-6所示，風扇電機的一端接5v電源，另一端接uln2803的out3引腳，uln2803的in3引腳與單片機的p2.2引腳相連，通過控制單片機的p2.2引腳輸出pwm信號，由此控制風扇直流電機的速度與啟停。 圖3-6 電機驅動電路3.3 本章小結本章主要介紹溫度調控系統(tǒng)的硬件部分，本章節(jié)主要分成兩部介紹了各部分的組成，首先根據實際要求制定出各部分的選擇方案，然后確定最佳方案，之后根據選定方案進一步實現(xiàn)硬件電路，硬件系統(tǒng)主要由單片機最小單元，led顯示單元，按鍵設置單元和電機風扇模塊組

35、成。第四章 系統(tǒng)軟件設計 軟件設計部分是關鍵的一部分，在進行具體的編程實現(xiàn)之前，我們需要對總體結構進行分析，然后制定出總體流程圖，軟件測試平臺的程序流程圖如圖4-1所示。 檢測按鍵輸入 采集溫度溫度顯示溫度調控定時器初始化led初始化開始spi初始化初始化uart串口片nt901初始化4-1 軟件系統(tǒng)流程圖4.1 軟件開發(fā)平臺和開發(fā)語言此部分的軟件平臺是以51單片機為控制核心的裝置，這部分的軟件設計部分的開發(fā)工具使用keil平臺，keil平臺是一個非常成熟的開發(fā)平臺，keil平臺提供了各種單片機的啟動程序，這使得開發(fā)人員可以把大部分的主要精力用在具體的功能設計實現(xiàn)上，減小了開發(fā)人員的開發(fā)阻力，

36、并且在開發(fā)的過程中我們需要進行程序的測試，而keil平臺恰恰能滿足這一功能的需求，keil平臺提供了各種調試工具，調試工具使我們可以快速的進行程序調試，同時由于keil平臺的流行，有很多的第三方庫可以使用，資源非常豐富。在進行51單片機的開發(fā)中，我們可以采用匯編語言或者高級語言c語言。匯編語言實質上機器語言的助記符。cpu只能運行它所支持的指令集，而這些指令集當中的每天條指令都是一些二進制數(shù)的序列，也就是“0”和“1”的有序組合；2.“0”和“1”的組合不便于程序員的記憶因此有了“mov a 0x40”等這樣的助記符，也就是說在程序員編寫程序的時候，用“mov a 0x40”來代替一串“0”和

37、“1”的序列，這樣一看就知道是吧“0x40”單元中的數(shù)據搬到累加器a當中來。而如果是用0”和“1”的序列，毫無特征，很難被程序員記住。這也是為什么要有匯編語言產生的原因了。根據以上部分的解釋，我們可知匯編語言編譯成cpu可執(zhí)行的機器語言其實只要做一個翻譯的動作就好了，因為，助記符與對應的二進制指令是一一對應的。因此匯編程序的效率非常高，但實際上匯編語言會因為各種控制器的不同，匯編語言會出現(xiàn)不同，從而導致程序十分難移植，通用性差。c語言屬于高級語言，但為了達到高效率和通用性之間的優(yōu)秀折中，c語言并不是向c+、c#那樣的面向對象的高級語言，它屬于面向過程的編程語言，c語言在單片機編程方面的最大優(yōu)勢

38、是通用性，在面向不同的單片機時，我們不必重新學習其語言，并且之前的其他程序可以完美的移植，同時隨著編譯器的逐漸發(fā)展，再將c語言編譯成匯編語言時的效率高達70%，并且隨著編譯器的發(fā)展，效率還會提高。 綜合上述考慮我們本次的設計選擇在keil平臺進行開發(fā)，并且我們選擇c語言作為開發(fā)語言。4.2 uart串口系統(tǒng)部分實現(xiàn)uart串口是異步串行傳輸串口,該總線雙向通信，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。uart串口是一種非常方便的串口，并且51單片機自帶uart串口，我們僅需了解即可應用，我們可以不用普通io口來模擬uart產口時序，為了與pc機通信我們需要將uart串口轉為usb串口。圖4-2為uart轉u

39、sb串口線。51單片機的設置如下tmod=0x20; /設定t1定時器工作方式2th1=0xfd; /t1定時器裝初值，12m晶振時為0xfd,32m晶振時為0xf7tl1=0xfd; /t1定時器裝初值，12m晶振時為0xfd,32m晶振時為0xf7ea=1; /開總中斷es=1; /開串口中斷et1=0; tr1=1; /啟動t1定時器sm0=0; /設置串口工作方式1sm1=1; /設置串口工作方式1scon |= 0x50; /控制寄存器，用來設定串口的工作方式、接受/發(fā)送控制及設置狀態(tài)標志等ren=1;由于uart串口是異步串口，在接收數(shù)據時我們需要利用中斷，并且在中斷處理函數(shù)中接收

40、數(shù)據。 圖4-2 uart轉usb串口4.3 spi紅外溫度采集spi（serial peripheral interface-串行外設接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口，它可以使mcu與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。spi總線系統(tǒng)可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘線（sck）、主機輸入/從機輸出數(shù)據線miso、主機輸出/從機輸入數(shù)據線mosi和低電平有效的從機選擇線ss（有的spi接口芯片帶有中斷信號線int或int、有的spi接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數(shù)據線mosi）。紅外溫度傳感器tn901是標準的spi接口，但是51單片機自

41、身并沒有spi接口，因此我們需要利用51單片機的普通io口來模擬標準spi串口的時序。在通過軟件模擬spi串口之前，我們首先需要認真的研究spi串口的時序，然后根據串口的時序圖編寫各個部分的函數(shù)。spi接口在內部硬件實際上是兩個簡單的移位寄存器,傳輸?shù)臄?shù)據為8位，在主器件產生的從器件使能信號和移位脈沖下，按位傳輸，高位在前，低位在后。如下圖4-3所示，在sclk的下降沿上數(shù)據改變，上升沿一位數(shù)據被存入移位寄存器。 圖4-3 spi時序圖 根據以上的時序圖分析，我們需要首先編寫初始化spi串口函數(shù)void spi_init()，根據發(fā)送和接收時序圖，我們編寫了最基本的spi字節(jié)的發(fā)送和接收函數(shù)驅

42、動void io_send_byte(uint8 dataout)和uint8 io_receive_byte()，同時在使用spi傳輸數(shù)據完成后，我們需要結束傳送void spi_end()，使用這些基本的驅動函數(shù)即可與傳感器通信來采集數(shù)據。tn901的數(shù)據格式信息格式itemmsblsbsumcr其中各含義如下item ：“l(fā)”(4ch): tobj (目標溫度) “f”(66h): tamb (環(huán)境溫度)msb：8 bit data 最高有效位lsb：8 bit data最低有效位sum：item+msb+lsb=sumcr：0dh, 結束信息4.4 電機風扇調節(jié)電機風扇的轉速快慢可以直

43、接調節(jié)溫度的升降，因此我們可以利用單片機來對風扇的快慢進行調節(jié)，電機風扇的轉速原理是通過調節(jié)電機的pwm的占空比來進行調速，pwm占空比的實際是我們平常所見的方波的占空比，通過調節(jié)占空比來調節(jié)電機的轉速的原理是調節(jié)電機的平均電壓的大小。高端單片機自帶pwm功能，但是51單片機并不自帶其功能成，我們在本次論文中采用軟件模擬pwm，其中利用單片機中的定時器功能，利用定時器功能可以準確的定位pwm的周期和pwm的占空比，這回使溫度調節(jié)系統(tǒng)響應時間快切溫度調節(jié)準。在這次的軟件模擬中，關于頻率和占空比的確定，對于12m晶振，假定pwm輸出頻率為1khz,這樣定時中斷次數(shù)設定為c=10，即0.01ms中斷

44、一次，則th0=ff,tl0=f6;由于設定中斷時間為0.01ms，這樣可以設定占空比可從1-100變化。即0.01ms*100=1ms。th0和tl0是計數(shù)器0的高8位和低8位計數(shù)器，工作模式選擇，0x01表示選用模式1,它有16位計數(shù)器，最大計數(shù)脈沖為65536,最長時。4.5 本章小結系統(tǒng)軟件的設計是本系統(tǒng)設計的重中之重，控制軟件完美的將軟件程序與硬件設備結合，完成了對電機風扇的控制。軟件編程的編程模型采用單元化和層次化，這樣可以加大程序的可重用度和程序的可調試，當出現(xiàn)錯誤或程序需要功能需要更改時，我們只需要簡單更改程序即可避免了大規(guī)模重寫程序。第五章 系統(tǒng)調試與運行5.1 系統(tǒng)調試過程

45、系統(tǒng)調試的目的是驗證系統(tǒng)能否完成設計要求的功能，并且在實際情況下能否持續(xù)良好的運轉。系統(tǒng)調試的主要步驟大致分為以下幾步：一、設備檢測。在進行調試之前需要進行整體設備的檢測，確保電路各個部分接觸完好，不要出現(xiàn)短路和斷路現(xiàn)象，以免在測試的工程中出現(xiàn)了電路連電現(xiàn)象，使整個電路系統(tǒng)燒毀，在檢測時應該注意共地問題，以免在測試工程中數(shù)據出現(xiàn)不正確。二、按鍵和led顯示檢測。按鍵是關鍵的輸入部分，led是顯示部分的核心，分別擔任輸入和輸出的功能，這兩部分應該進行仔細的調試，避免出現(xiàn)輸入或顯示不正確現(xiàn)象。三、紅外溫度傳感器測試。在整個溫度調試系統(tǒng)中，紅外溫度傳感器是溫度采集的核心部分，只用溫度數(shù)據采集正確才能

46、進行之后的數(shù)據處理和溫度調試。四、電機調試。電機調試是關鍵部分，又由于pwm模塊使用軟件模擬，我們應該用示波器測試出pwm波形，之后在進行電機風扇的驅動，不要直接卻動電機，避免波形不對燒毀電機。5.2 系統(tǒng)調試結果系統(tǒng)總體原理圖如圖5-1所示檢測結果及錯誤如下：1、設備檢測：在設備檢測時，一開始電路無反應，經測試后沒有任何芯片燒毀，后用萬用表測得為器件沒有焊好。2、按鍵和led顯示檢測：按鍵輸入有錯誤，經網上查找程序后發(fā)現(xiàn)，按鍵程序沒有去抖，后在程序中加入延時去抖功能，led按循環(huán)掃描顯示正常，沒有出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。3、紅外溫度傳感器測試：開始時紅外傳感器采集數(shù)字沒有任何反應，檢查硬件連接一切正常，最后請教同學和用示波器觀測，發(fā)現(xiàn)時鐘序列不對，后調試改正后正常一切。4、電機調試：在進行電機調試之前，先將之前調試完畢，并且吸收經驗，用示波器 圖5-1 系統(tǒng)總體原理圖觀測引腳輸出波形，在檢測成功之后連接電機后發(fā)現(xiàn)一切正常。第六章 結 論 溫度測試與溫度調節(jié)是當今世界的