基于80c52單片機的數(shù)字電加熱恒溫控制系統(tǒng)設計(共47頁)

1、密級：公開基于(jy)80C52單片機的電加熱數(shù)字(shz)恒溫(hngwn)控制系統(tǒng)設計Design of Digital Constant Temperature Control System for Electric Heating based on 80C52 MCU學 院：電氣工程學院專 業(yè) 班 級：自動化1104班學 號：110302415學 生 姓 名：劉東洋指 導 教 師：關新 （副教授） 2015年6月 PAGE 11摘 要溫度對日常(rchng)的生活影響極大且無時不在，實現(xiàn)對溫度的控制對生活乃至生產(chǎn)(shngchn)發(fā)展都具有重要的意義。很多生產(chǎn)領域中都需大量的加熱設備來

2、進行生產(chǎn)，如用加熱爐來實現(xiàn)(shxin)熱處理，用坩鍋電阻爐來融化金屬及具有不同用途的溫度控制箱等。用單片機對不同溫度控制箱進行控制在很大程度上為設備控制帶來了方便、使用簡單、控制靈活等特點，同時還可以最大限度地提高溫度參數(shù)的精確程度，保證了生產(chǎn)的穩(wěn)步進行，增加了生產(chǎn)的效率。因此，智能化溫度控制技術的研究有較大的研究意義。 本智能化溫度控制系統(tǒng)的設計采用資料較多的80C52微型控制器，配以DS18B20數(shù)字溫度傳感器及nRF401芯片利用微功率短距離無線通信技術進行遠程溫度控制，該系統(tǒng)能夠在25米以內(nèi)遠程控制溫度。單片機利用檢測到的數(shù)字溫度信號與設定的溫度上、下限值進行對比，由對比結果輸出是否

3、運行半導體制冷器指令以控制設備。本設計添加了普通的數(shù)碼管來顯示溫度值及LED燈來顯示常用電路的工作狀況，增加了系統(tǒng)的靈活性和完整性。關鍵詞：溫度箱；80C52；單片機；控制；模擬AbstractThe temperature has great influence on daily life and has no time, and it has important significance for the control of the temperature to control the life and the development of production. In the field

4、 of production are subject to a lot of heating equipment to produce, such as heating furnace to realize heat treatment, crucible resistance furnace to molten metal and with different uses of the temperature control box. With the chip on the different temperature control box control in a great extent

5、 for the equipment control brought convenient, easy to use, flexible to control, at the same time, it can maximally improve the accurate degree of parameters such as temperature, ensure production steadily, increase the production efficiency. Therefore, the research of the intelligent temperature co

6、ntrol technology has the significance of the research.The intelligent temperature control system design using a lot of materials AT80C52 micro controller and with DS18B20 digital temperature sensor and nRF401 chip with micro power short distance wireless communication technology for remote temperatu

7、re control, the system can in 25 meters remote control asked. Single chip microcomputer is used to detect the digital temperature signal and set the temperature, the lower limit of the comparison, from the results of the comparison of the output of the relay to control equipment. This design adds a

8、common digital tube to display the temperature and LED lamp to show the working condition of the common circuit, and increase the flexibility and integrity of the systemKey word：Temperature；AT80C52；SCM；Control；Simulation目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc423290790 摘 要 PAGEREF _Toc423290790 h I HYPE

9、RLINK l _Toc423290791 Abstract PAGEREF _Toc423290791 h II HYPERLINK l _Toc423290793 第1章 緒論(xln) PAGEREF _Toc423290793 h 1 HYPERLINK l _Toc423290794 1.1 溫度控制系統(tǒng)設計的背景(bijng)、發(fā)展歷史及意義 PAGEREF _Toc423290794 h 1 HYPERLINK l _Toc423290795 1.2 溫度(wnd)控制系統(tǒng)的目的 PAGEREF _Toc423290795 h 1 HYPERLINK l _Toc42329079

10、6 1.3 溫度控制系統(tǒng)完成的功能 PAGEREF _Toc423290796 h 1 HYPERLINK l _Toc423290797 1.4 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc423290797 h 2 HYPERLINK l _Toc423290798 1.5 本章小結 PAGEREF _Toc423290798 h 3 HYPERLINK l _Toc423290799 第2章 總體設計方案 PAGEREF _Toc423290799 h 4 HYPERLINK l _Toc423290800 2.1 方案的系統(tǒng)構想 PAGEREF _Toc423290800 h 4 HYPE

11、RLINK l _Toc423290801 2.2 系統(tǒng)方案的確定 PAGEREF _Toc423290801 h 4 HYPERLINK l _Toc423290802 2.2.1 傳感器方案 PAGEREF _Toc423290802 h 4 HYPERLINK l _Toc423290803 2.2.2 短距離無線通信模塊方案 PAGEREF _Toc423290803 h 5 HYPERLINK l _Toc423290804 2.2.3 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案 PAGEREF _Toc423290804 h 6 HYPERLINK l _Toc423290805 2.3 器件的選

12、用 PAGEREF _Toc423290805 h 7 HYPERLINK l _Toc423290806 2.3.1 數(shù)字式溫度傳感器的選擇 PAGEREF _Toc423290806 h 7 HYPERLINK l _Toc423290807 2.3.2無線收發(fā)芯片的選擇 PAGEREF _Toc423290807 h 8 HYPERLINK l _Toc423290808 2.3.3 常用的無線收發(fā)芯片 PAGEREF _Toc423290808 h 9 HYPERLINK l _Toc423290809 2.3.4 鍵盤顯示模塊的選擇 PAGEREF _Toc423290809 h 1

13、0 HYPERLINK l _Toc423290810 2.3.5 溫度控制模塊的選擇 PAGEREF _Toc423290810 h 10 HYPERLINK l _Toc423290811 2.4 本章小結 PAGEREF _Toc423290811 h 11 HYPERLINK l _Toc423290812 第3章 硬件電路設計 PAGEREF _Toc423290812 h 12 HYPERLINK l _Toc423290813 3.1 設計原則 PAGEREF _Toc423290813 h 12 HYPERLINK l _Toc423290814 3.2 引腳連接 PAGERE

14、F _Toc423290814 h 12 HYPERLINK l _Toc423290815 3.2.1 晶振電路 PAGEREF _Toc423290815 h 12 HYPERLINK l _Toc423290816 3.3 無線控制接收發(fā)射器 PAGEREF _Toc423290816 h 12 HYPERLINK l _Toc423290817 3.4 單片機最小系統(tǒng)的設計 PAGEREF _Toc423290817 h 13 HYPERLINK l _Toc423290818 3.5 顯示電路 PAGEREF _Toc423290818 h 14 HYPERLINK l _Toc42

15、3290819 3.6 DS18B20溫度傳感器電路(dinl) PAGEREF _Toc423290819 h 14 HYPERLINK l _Toc423290820 3.7 加熱(ji r)電路 PAGEREF _Toc423290820 h 15 HYPERLINK l _Toc423290821 3.7.1 半導體制冷器，工作(gngzu)原理 PAGEREF _Toc423290821 h 15 HYPERLINK l _Toc423290822 3.7.2 比例積分電路 PAGEREF _Toc423290822 h 16 HYPERLINK l _Toc423290823 3.

16、8 報警電路的設計 PAGEREF _Toc423290823 h 20 HYPERLINK l _Toc423290824 3.9 收發(fā)電路設計 PAGEREF _Toc423290824 h 20 HYPERLINK l _Toc423290825 3.10 本章小結 PAGEREF _Toc423290825 h 21 HYPERLINK l _Toc423290826 第4章 系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc423290826 h 22 HYPERLINK l _Toc423290827 4.1 系統(tǒng)軟件設計整體思路 PAGEREF _Toc423290827 h 22 HYPE

17、RLINK l _Toc423290828 4.2 系統(tǒng)程序流圖 PAGEREF _Toc423290828 h 23 HYPERLINK l _Toc423290829 4.2.1 上位機主程序 PAGEREF _Toc423290829 h 23 HYPERLINK l _Toc423290830 4.2.2 下位機主程序 PAGEREF _Toc423290830 h 24 HYPERLINK l _Toc423290831 4.3 收發(fā)控制子程序 PAGEREF _Toc423290831 h 25 HYPERLINK l _Toc423290832 4.3.1 發(fā)送控制子程序 PAG

18、EREF _Toc423290832 h 25 HYPERLINK l _Toc423290833 4.3.2 接收控制子程序 PAGEREF _Toc423290833 h 26 HYPERLINK l _Toc423290834 4.4 溫度控制模塊的設計 PAGEREF _Toc423290834 h 27 HYPERLINK l _Toc423290835 4.4.1 溫度測量子程序 PAGEREF _Toc423290835 h 27 HYPERLINK l _Toc423290836 4.4.2 PID控制子程序 PAGEREF _Toc423290836 h 28 HYPERLI

19、NK l _Toc423290837 4.4.3 讀出溫度子程序 PAGEREF _Toc423290837 h 28 HYPERLINK l _Toc423290838 4.5 子程序流程圖 PAGEREF _Toc423290838 h 30 HYPERLINK l _Toc423290839 4.5.1 復位應答子程序流程圖 PAGEREF _Toc423290839 h 30 HYPERLINK l _Toc423290840 4.5.2 寫入子程序 PAGEREF _Toc423290840 h 31 HYPERLINK l _Toc423290841 第5章 系統(tǒng)的調(diào)試及實驗結果

20、PAGEREF _Toc423290841 h 32 HYPERLINK l _Toc423290842 5.1 調(diào)試步驟 PAGEREF _Toc423290842 h 32 HYPERLINK l _Toc423290843 5.2 實驗結果 PAGEREF _Toc423290843 h 32 HYPERLINK l _Toc423290844 5.3 本章小結 PAGEREF _Toc423290844 h 33 HYPERLINK l _Toc423290845 第6章 結論 PAGEREF _Toc423290845 h 34 HYPERLINK l _Toc423290846 參

21、考文獻 PAGEREF _Toc423290846 h 1 HYPERLINK l _Toc423290847 致謝 PAGEREF _Toc423290847 h 3 HYPERLINK l _Toc423290848 附錄1 PAGEREF _Toc423290848 h 4 HYPERLINK l _Toc423290849 附錄2 PAGEREF _Toc423290849 h 5沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文第1章 緒論(xln)1.1 溫度控制系統(tǒng)設計的背景(bijng)、發(fā)展歷史及意義隨著技術的不斷(bdun)發(fā)展，以及溫度控制在各個領域的廣泛應用應用，智能化的溫度控制系統(tǒng)已成為研究

22、發(fā)展的方向1。尤其近年來，在我們生活得各個領域溫度控制系統(tǒng)都取得了廣泛的應用，可是溫度控制領域卻一直沒有得到很好的開發(fā)，針對這種情況，設計一個簡單適用的溫度控制系統(tǒng)，具備普遍的使用前景與實際意義。溫度是科學研究中占有重要的地位，物理、化學、生物等學科與溫度都息息相關。近年來的實驗研究中，像電力領域、化工領域、石油領域、冶金領域、航空控制領域、機械設備制造領域、糧食存儲領域、酒場生產(chǎn)領域內(nèi)，溫度的控制往往是該領域生產(chǎn)過程中最重要的控制指標之一2。例如，發(fā)電廠中鍋爐的溫度只能控制在我們需要的范圍之內(nèi)；許多化學反應的條件是適當?shù)臏囟认拢粺捰瓦^程中，原油的提煉也是在溫度和壓力不同的條件下提煉出汽油、柴

23、油、煤油等。如果沒有標準的溫度狀態(tài)，很多的電子設備很難正常運行，如果沒有合適的溫度，那些農(nóng)民種出來的糧食就很容易變質(zhì)，靠其生產(chǎn)的酒類的品質(zhì)也就沒有了保障。所以，溫度對于各行各業(yè)都非常重要。目前單片機廣泛的應用于各類電子產(chǎn)品，當前的電子設備中大量的使用溫度檢測與溫度控制系統(tǒng)。隨著溫度控制器應用范圍的擴大和需求的多樣，各種智能的溫度控制系統(tǒng)被人們開發(fā)。1.2 溫度控制系統(tǒng)的目的設計的溫度控制系統(tǒng)具體的內(nèi)容有：當給定的溫度處于最低狀態(tài)時，控制系統(tǒng)自動啟動半導體制冷器器用來給環(huán)境加溫，當溫度緩慢上升并超過設定的下限值時，溫控系統(tǒng)停止加溫；當實際溫度高于設定的溫度上限值時，報警器報警，同時系統(tǒng)自動啟動半

24、導體制冷器給系統(tǒng)降溫，使溫度降落到上限溫度以下。當溫度下降到上限溫度以下時，停止降溫。溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，加溫降溫系統(tǒng)不工作。設計的LED數(shù)字顯示當前的溫度，數(shù)值精確度為小數(shù)點一位。1.3 溫度控制系統(tǒng)完成的功能本系統(tǒng)設計目的是對溫度進行高精度控制與實時監(jiān)測，設計的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫度準確控制：當溫度低于給定最低溫度時，控制系統(tǒng)自動啟動半導體制冷器器用來給環(huán)境加溫，當溫度逐漸上升到給定下限溫度以上時，停止加溫；當溫度高于設定上限溫度時，報警器報警，同時系統(tǒng)自動啟動半導體制冷器給系統(tǒng)降溫，使溫度降落到上限溫度以下。當溫度下降到上限溫度以下時，停止降溫。溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，加溫降溫系統(tǒng)不工作。

25、LED即時顯示溫度，精確到小數(shù)點一位。1.4 國內(nèi)外發(fā)展(fzhn)現(xiàn)狀隨著(su zhe)信息技術的不斷進步，人們?yōu)榱?wi le)將人類從繁重、危險的工作環(huán)境中解脫出來，對已經(jīng)有的技術運用到人們生活的各個領域。隨著移動通信需求和遠程數(shù)據(jù)采集量的增加，加之有線傳輸?shù)馁M用日益增長，人們正逐漸認識到在許多檢測領域采用無線傳輸?shù)谋匾?,5。在過去的幾年中，無線通訊領域取得了很大的進展，這其中包括數(shù)字電路和射頻電路制作工藝的進步、低功耗電路、高能電池以及微電子技術的采用。以上諸多方面的發(fā)展使移動通信設備更加靈巧、經(jīng)濟、可靠。與上述技術一樣，數(shù)字通信技術和數(shù)字調(diào)制技術的發(fā)展也發(fā)揮了很大的作用，他們使

26、無線通信網(wǎng)絡向更加經(jīng)濟、更加容易操作的方向發(fā)展。所以如果我們能夠很好地了解無線通信的基本原則以及這些技術的特點，就能更好地理解并完成傳感數(shù)據(jù)的無線采集。無線數(shù)據(jù)通信技術可分為兩大類：一是基于蜂窩的接入技術，如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)(CDPD)，通用分組無線傳輸技術(GPRS) 、EDGE 等。二是基于局域網(wǎng)的技術，如 IEEE802.11 WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距離無線通信技術等6。與目前已經(jīng)具備相當規(guī)模的無線長距離通信網(wǎng)絡(如蜂窩移動通信網(wǎng))相比，短距離無線通信系統(tǒng)在基本結構、服務范圍、應用層次及通信業(yè)務(數(shù)據(jù)、話音)上，均有很大的不同。在2.4GHz非授

27、權頻段上，目前已經(jīng)云集了藍牙、Wi-Fi、Zigbee等多個標準無線協(xié)議。，具有帶寬高（ 2Mbps），雙向傳輸，抗干擾性強，傳輸距離遠（短距離無線技術范圍），耗電少的優(yōu)點，用于無線鍵鼠等室內(nèi)場合7。Nordic公司等公司已成功推出nRF401芯片，2.4G全球開發(fā)ISM頻段免許可證使用。同時許多公司也相繼推出基于nRF401的無線傳輸模塊。nRF401模塊是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM頻段8,9。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF401功耗低

28、，在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA;接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設計更方便。至此這種基于此頻段的通信方式已日漸趨向成熟10。同樣隨著傳感器及電子電路的發(fā)展，集成的溫度檢測器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。類似美國DALLAS公司推出的數(shù)字測溫芯片DS18B20層出不窮，國內(nèi)外的研究在這方面的研究也趨近完善13。進入(jnr)21世紀后，智能(zh nn)溫度控制器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬溫度控制器和網(wǎng)絡溫度控制器、研制單片測溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。（1）提高溫度(wnd)控制

29、器測溫精度和分辨力在20世紀90年代中期最早推出的智能溫度控制器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到2C。目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是912位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達0.50.0625C。為了提高多通道智能溫控器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器11。（2）增加溫度控制器測試功能新型智能溫度控制器的測試功能也在不斷增強。例如，采用DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘（RTC），使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲器，可存儲用戶的短信息。另外，智能溫

30、度控制器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件15,16。智能溫度控制器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機模式，有的還增加了低溫極限擴展模式，操作非常簡便。對某些智能溫度控制器而言，主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設定其A/D轉(zhuǎn)換速率，分辨力及最大轉(zhuǎn)換時間。1.5 本章小結本系統(tǒng)介紹的設計是用于日常生活較常用的系統(tǒng)來實現(xiàn)溫度的無線控制，可以實現(xiàn)當前溫度的測量并顯示當前的溫度值，同時可實現(xiàn)對需求溫度的調(diào)節(jié)。該設計的優(yōu)點在于控制簡單方便，也充分利用了單片機的控制優(yōu)勢。第2章 總體設計方案溫濕度的檢測(jin

31、c)有許多方法，可供選擇的器件(qjin)和運用的技術也有多種。因此，系統(tǒng)的總體設計方案應在滿足系統(tǒng)整體(zhngt)性能指標的前提下，充分考慮系統(tǒng)使用的環(huán)境，所選的結構要盡量簡單實用、易于實現(xiàn)，器件的選用要著眼于合適的參數(shù)、穩(wěn)定的性能、較低的功耗、低廉的成本以及較好的互換性能。2.1 方案的系統(tǒng)構想本系統(tǒng)設計的目的在于控制花房溫度。能夠在遠距離控制溫度。為了達到目的應該有如下幾個模塊：收發(fā)模塊；溫度采集模塊；制冷加熱模塊；中央處理模塊；溫度報警模塊；顯示模塊。實現(xiàn)方案設想：溫度采集模塊將溫度信號采集經(jīng)過轉(zhuǎn)換將溫度信號傳給cpu，并由收發(fā)電路發(fā)送給中央處理單元，如果溫度不在給定范圍之內(nèi)，報警器

32、報警。同時單片機發(fā)出指令給半導體制冷加熱器件調(diào)整溫度。以控制溫度在合理的范圍內(nèi)，達到對溫度的控制目的。2.2 系統(tǒng)方案的確定2.2.1 傳感器方案傳統(tǒng)的模擬式傳感器具有測量轉(zhuǎn)換速度快，溫度測量范圍寬的優(yōu)點。但是模擬傳感器的模擬信號需要先經(jīng)過取樣、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理，再將轉(zhuǎn)換得到的表示溫濕度值的數(shù)字信號交由微處理器或 DSP 處理。被測信號從敏感元件接收的非電物理量開始，到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號之間，設計者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應測試裝置中元器件數(shù)量難以下降，隨之影響產(chǎn)品的可靠性及小型化。而且模擬信號在長距離傳輸過程中，容易受到電磁干擾而導致誤差產(chǎn)生。在多點溫濕度檢測的場合，各被測

33、點到測試裝置之間引線距離往往不同，各敏感元件參數(shù)的不一致性，都將會導致誤差的產(chǎn)生，并且難以完全清除。另外，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度也不可能很高，存在一定非線性，互換性較差。采用具有直接數(shù)字量輸出的傳感器能夠避免上述問題。數(shù)字式傳感器能把被測模擬量直接換成數(shù)字量輸出，可以直接與數(shù)字設備（計算機，計數(shù)器，數(shù)字顯示系統(tǒng)等）相聯(lián)，用微控制器、DSP 或計算機進行信號的處理、濾波、壓縮。它的信號原則上不受放大器和信號處理系統(tǒng)的溫度漂移的影響，具有極高的抗干擾能力1718。數(shù)字式傳感器具有高的測量精度和分辨率，穩(wěn)定性好，信號易于處理、傳送和自動控制，便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀，安裝方便，維護簡單，工作可靠性高

34、。雖然存在反應速度較慢，溫度測量的范圍不寬的缺點，數(shù)字式傳感器技術的發(fā)展仍受到人們越來越多的重視?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點及發(fā)展狀況，確定溫度傳感器采用數(shù)字式。2.2.2 短距離無線通信模塊(m kui)方案藍牙技術作為(zuwi)一種近距離無線連接的全球性開放規(guī)范，已經(jīng)得到(d do)了全球眾多大企業(yè)的支持。藍牙技術同時支持語音和數(shù)據(jù)傳輸，使用跳頻擴頻技術，本身包括糾錯機制，可靠性高，藍牙規(guī)范的核心部分協(xié)議允許多個設備進行相互定位、連接和交換數(shù)據(jù)，并能實現(xiàn)互操作和交互式應用。但是藍牙設備價格昂貴，通訊距離近，藍牙 RF 定義了三種功率等級（100mw、25mw 和 1 mw），

35、當藍牙設備功率為1 mw 時，其發(fā)射范圍一般為10m19。紅外線傳輸是使用紅外線波段的電磁波來進行較近距離的傳輸。IrDA具有技術成熟、體積小、功率低、傳輸速率高、連接方便、簡單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、保密性強、成本低廉等優(yōu)點。也存在著只能視距傳輸、移動時不能傳輸、LED 易磨損等缺點。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，世界上主要的芯片廠商都推出了無線收發(fā)芯片。短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都集成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構成專用或通用無線通信模塊。所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界干擾。射頻芯片一般

36、采用 FSK 調(diào)制方式，工作于 ISM 頻段，通信模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設置完成，用戶不用對無線通信原理和工作機制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進行操作即可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。新一代短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設備中，實現(xiàn)設備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡，在工業(yè)、民用領域得到較為廣泛的應用20?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟性、傳輸距離，確定該部分電路設計使用無線收發(fā)芯片。無線收發(fā)芯片的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，通訊協(xié)議簡單透明

37、，技術成熟。使用該種方案無線通訊接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口電路設計簡單。2.2.3 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案溫度數(shù)據(jù)在采集后通常要進行數(shù)據(jù)處理，以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的記錄、顯示和對測控系統(tǒng)的控制。對于一般的工業(yè)測量與控制，多采用專用計算機系統(tǒng)進行測控。專用計算機系統(tǒng)是把采集系統(tǒng)作為一個獨立完整(wnzhng)的功能實體，用單片機或 DSP 來控制整個系統(tǒng)。最主要(zhyo)的特征是系統(tǒng)軟、硬件規(guī)模完全根據(jù)應用系統(tǒng)的要求配置，獨立性、可擴展性好，因此(ync)系統(tǒng)具有較高的性價比。根據(jù)微處理器的不同，專用計算機應用系統(tǒng)可分為 DSP 應用系統(tǒng)和單片機應用系統(tǒng)21,22。DSP 和單片機都是構成專用計算機

38、系統(tǒng)的核心芯片，DSP 主要用于復雜的數(shù)字信號處理，DSP 芯片中具有各種特殊功能的計算模塊，采用流水線結構，提高了 DSP 的運行速度。由于 DSP 主要應用于高速數(shù)據(jù)處理，因此外部 I/0 接口比較少，不便于系統(tǒng)擴展，因此多數(shù) DSP 系統(tǒng)還要通過單片機來進行外部接口擴展，這導致了 DSP 的成本較高，另外，DSP 具有一定的專用性，開發(fā)過程比較復雜，不便于通用。單片機是把微型機的主要部分集中在一個芯片上的單芯片微型計算機。由于它的結構與指令都按照工業(yè)控制要求設計的，故又稱微控制器（Microcontroller Unit），也可稱微型計算機（Single Chip Microcomput

39、er）。通常由微型計算機和外圍設備組成，包括微處理器（CPU）、存儲器（存放程序指令或數(shù)據(jù)指令的ROM、RAM 等）、輸入/輸出接口（I/O）及其它功能部件如定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。單片機受集成度限制，片內(nèi)存儲容量較小，一般 ROM 只有 48K 字節(jié)，RAM 小于256 字節(jié)，通過外部擴展，ROM、RAM 可擴展至 64K 字節(jié)。與通用計算機系統(tǒng)相比，具有系統(tǒng)簡單、功能易擴展、測控能力強、可靠性高。單片機應用系統(tǒng)正在被各個領域廣泛應用23,24。采用單片機具有系統(tǒng)簡單、開發(fā)容易，功能易擴展、測控能力強、可靠性高的特點。尤其適用于系統(tǒng)中沒有復雜的計算處理、對采集速度要求不高的數(shù)據(jù)采集處理系

40、統(tǒng)。對于不要求高速的一般的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，采用 DSP 是不經(jīng)濟的方案。在單片機能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度要求的情況下，單片機無異是首選的信息處理單元。2.3 器件的選用2.3.1 數(shù)字式溫度傳感器的選擇隨著溫度傳感器智能化、集成化技術的進步，數(shù)字式溫度傳感器也得到了快速發(fā)展，世界上許多公司推出了新型的數(shù)字溫度傳感器系列。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)極大的豐富了設計工程師的選擇對象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件，應該把握以下幾點：外圍電路應該盡量簡單；測溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)成本；溫度傳感器采用的總線負載能力如何，能否滿足多點測溫的需要；占用MCU 的I/O 引腳數(shù)

41、情況如何，因為MCU 的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道有限，多點溫度測量時，如果測量的點數(shù)超過了輸入通道時，就要添加多路復用器，這將增加成本和開發(fā)時間，應盡量節(jié)約；與 MCU 的通信協(xié)議應盡量簡單，溫度測量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小。目前在數(shù)字溫度傳感器中采用的串行總線主要有Philips公司的I2C總線，Motorola 公司的 SPI 總線，National Semiconductor 公司的 Microwireplus總線，Dallas Semiconductor 公司的 1-Wire 總線和 Siemens 公司的 Profibus總線等。常用的數(shù)字溫度傳感器主要有：（1）AD7418

42、是是美國模擬器件公司（ADI）推出的單片溫度測量與控制用集成電路(jchng-dinl)。其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。測溫范圍為-55+125，具有10 位數(shù)字輸出(shch)溫度值，分辨率為0.25，精度(jn d)為2，轉(zhuǎn)換時間為1530ms。具有體積小、編程簡單、使用容易、測量精度高，并且不易受環(huán)境千擾等優(yōu)點。AD7418 可以級聯(lián)至多8 片在同一個 I2C 總線上16。（2）LM74 是美國國家半導體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、-型 A/D 數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有 SPI/Microwire 兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。具有抗干擾能力強、分辨力高、線性度好、

43、成本低等優(yōu)點。在傳感器通電工作后自動按一定速率對溫度進行檢測，并在片內(nèi)寄存器中存儲轉(zhuǎn)換的溫度值，主機可以在任意時刻讀出傳感器溫度值。LM74 具有休眠模式，在休眠時消耗的電流不超過 10A，適用于對功率消耗有嚴格限制的系統(tǒng)。 LM74 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 12 位外加符號位，因此在其有效工作范圍內(nèi)可達 0.0625的分辨率，轉(zhuǎn)換時間為425ms。（3） MAX6575L/H 是美國 MAXIM 公司的一種單總線式數(shù)字溫度傳感器，具有較好的線性、較低的功耗，而且編程簡單，調(diào)試容易，使用方便。測溫范圍為-40+125，其誤差范圍：在 25時優(yōu)于3， 在 85時優(yōu)于4.5，在 125時優(yōu)于5。但是 MA

44、X6575L/H 在其測溫范圍內(nèi)非線性誤差較大，因此，當它用于高精度溫度測量時，必須對其進行非線性補償。它最多允許在一根 MCU 的I/O 總線上同時掛接8 個 MAX6575L/H 進行多點溫度測量。為了避免多個傳感器同時測溫時有重疊的現(xiàn)象，MAX6575 提供了“L”和“H”兩種型號的傳感器，它們的使用方法相同，而且每一種型號的傳感器又可以通過時間選擇引腳。但是，MAX6575L 的遠距離傳輸特性并不理想，傳輸范圍只能在5m 以內(nèi)，超過此范圍將采集不到被測溫度數(shù)據(jù)，這也是這種器件的一個弊端。（4） DS18B20是美國(mi u)Dallas半導體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器，它具有(jy

45、u)獨特的單總線接口方式，即允許在一條(y tio)信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的 A/D 轉(zhuǎn)換器及其它復雜外圍電路的缺點，而且，可以通過總線供電，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。DS18B20 的測溫范圍-55+125，最高分辨率可達0.0625，由于每一個 DS18B20 出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其ROM 中，因此 CPU 可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。Dallas 公司的單總線技術具有較高的性能價格比，有以下特點：1）適用于低速

46、測控場合，測控對象越多越顯出其優(yōu)越性；2）性價比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好；3）具有 CRC 校驗功能，可靠性高；4）軟件設計規(guī)范，系統(tǒng)簡明直觀，易于掌握。由于 DS18B20 獨特的單總線接口方式在多點測溫時有明顯的優(yōu)勢，占用 MCU 的 I/O 引腳資源少，和 MCU 的通信協(xié)議比較簡單，成本較低，傳輸距離遠，所以，選用 DS18B20 做為溫度測量的傳感器。無線收發(fā)芯片的選擇無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，在設計中選擇合適芯片可以提高產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本。在選擇時，應主要參考以下幾點：(1) 收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高

47、的技巧和經(jīng)驗，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩话銉H能達到標稱速率的 1/3，而采用串口傳輸?shù)男酒?，應用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率，編程方便。(2) 收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量芯片外圍元器件的數(shù)量直接關系到系統(tǒng)的復雜程度和成本，因此應該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。(3) 功耗大多數(shù)無線收發(fā)芯片是應用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品(4) 發(fā)射功率在同等條件下，為了保證(bozhng)有效和可靠的通信，應該選用(xunyng)發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。(5) 收發(fā)(shuf)芯片的封裝和管腳數(shù)較少的管腳以

48、及較小的封裝，有利于減少 PCB 面積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設計，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。2.3.3 常用的無線收發(fā)芯片nRF903 單片射頻收發(fā)器芯片工作在 915MHz 國際通用的 ISM 頻段；GMSK/GFSK 調(diào)制和解調(diào)， 抗干擾能力強；采用 DDS+PLL 頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達-100dBm ， 最大發(fā)射功率達+10dBm；數(shù)據(jù)速率可達 76.8 Kbit/s；170 個頻道，適合需要多信道工作的特殊場合；可方便地嵌入各種測量和控制系統(tǒng)中進行無線數(shù)據(jù)雙向傳輸，在儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計算機遙測遙控系統(tǒng)等中應用。TH72011 是Melexis 公

49、司的單片射頻發(fā)射芯片，頻率范圍380MHz450MHz，采用VCO+PLL 頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好；FSK 調(diào)制方式，抗干擾能力強；FSK 頻偏和中心頻率可獨立調(diào)節(jié)；寬電壓范圍1.95.5V，靜態(tài)電流小，工作電流可在3.5mA10.7 mA 調(diào)節(jié)；發(fā)射功率可在-12 dBm+10dBm 調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)速率可達40Kbit/s?？汕度敫鞣N測量和控制系統(tǒng)中進行無線數(shù)據(jù)傳輸，在保安系統(tǒng)、微功耗遙測遙控系統(tǒng)等中應用。nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的單芯片 RF 收發(fā)機，專為在 433MHz ISM (工業(yè)、科研和醫(yī)療) 頻段工作而設計。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL 合

50、成、FSK 調(diào)制、FSK 解調(diào)、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點。nRF401 的外圍元件很少，僅10 個左右。只包括一個 4MHz 基準晶振(可與MCU 共享)、一個PLL環(huán)路濾波器和一個VCO 電感，收發(fā)天線合一，沒有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。基于nRF401成本低、可靠性高、外圍設計簡單的優(yōu)點，本系統(tǒng)將nRF401 做為無線收發(fā)芯片的首選23。2.3.4 鍵盤顯示模塊的選擇顯示單元是人機交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測數(shù)據(jù)的關鍵性設備，通常的顯示器件有液晶顯示器（LCD）和數(shù)碼管顯示器（LED）。液晶顯示器在使用(shyng)中有許多注意事項：不

51、能對它長期施加直流電，否則(fuz)易造成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過大的壓力；對于使用的環(huán)境溫度要特別注意，溫度不能太高也不能太低；防止(fngzh)紫外線的直接照射；要特別注意防靜電，焊接顯示器時烙鐵要接地。可見液晶顯示器在使用中有眾多的限制條件，但它同時也有一定的優(yōu)勢，其中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是 pA 級的。數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器，它對電源沒有特殊要求，受環(huán)境溫度的影響不大，不怕陽光的照射，也沒有嚴格的防靜電要求，而且它的顯示亮度要比液晶顯示器亮許多，適于安裝在室內(nèi)、室外、黑暗和光線強的各種環(huán)境中，但它的耗電量明顯高于液晶顯示器。本系統(tǒng)由于要適合在不同環(huán)境條件

52、下使用，所以選用數(shù)碼管顯示器。本系統(tǒng)采用3位數(shù)碼管動態(tài)顯示當前溫度。在本系統(tǒng)中，鍵盤由四個鍵組成，即溫度增加鍵、溫度減小鍵、確認鍵和取消鍵。因按鍵很少，所以采用獨立式鍵盤。2.3.5 溫度控制模塊的選擇溫度控制單元是系統(tǒng)的執(zhí)行器件，是系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)中最重要的一部分。目前制冷系統(tǒng)主要包括空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)、使用氨水的吸收式制冷系統(tǒng)和近幾年發(fā)展起來的半導體制冷系統(tǒng)。目前制熱技術主要有太陽能吸收熱量、煤炭燃燒制造熱量、熱泵和近幾年發(fā)展起來的半導體制熱系統(tǒng)。其中半導體制冷制熱是利用特種半導體材料通過直流電時產(chǎn)生低溫高溫的一種制冷制熱方式，由于它彌補了其它制冷制熱方式不足，

53、在當今世界的人下制冷制熱技術中占有獨特的地位。所以本系統(tǒng)選擇半導體制冷制熱器件。2.4 本章小結針對設計的溫度控制系統(tǒng)的目的，對各部分所需的硬件進行選擇，分析其經(jīng)濟效益，選擇最合適的器件用來進行硬件電路圖的繪制。第3章 硬件電路設計3.1 設計(shj)原則DS18B20采用單總線接口(ji ku)模式，可以只用一條線就可以與單片機相連(xin lin)實現(xiàn)雙向通訊。其測量范圍在55+125之間，測量精度在10+85內(nèi)精度是0.5，并且其能夠并聯(lián)8個，能夠?qū)崿F(xiàn)多點測量。使溫度精度更加準確25。在溫度控制上，采用半導體制冷器作為調(diào)節(jié)溫度的器件。 HYPERLINK /view/212653.ht

54、m t _blank 珀爾帖效應使其控制溫度的方式就是調(diào)節(jié)其倆端的電流大小和方向，從而達到控制溫度加熱還是制冷的目的。3.2 引腳連接3.2.1 晶振電路為使單片機能夠高效的工作，加上的晶振振蕩器電路，其中晶振是12MHZ，并聯(lián)電容是47uf。完成晶振振蕩電路。圖3.1晶振電路3.3 無線控制接收發(fā)射器nRF401作為單芯片RF 收發(fā)機，設計的工作頻段在433MHz ISM。該芯片采用FSK調(diào)制解調(diào)技術，其工作速率最高為20K，它的天線設計為差分天線。因此它能使用價格相對便宜的pcb天線，在市場上性價比非常高nRF401 僅 10 個左右外圍元件。只包括一個 4MHz 基準晶振(可與 MCU

55、共享)、一個 PLL環(huán)路濾波器和一個 VCO 電感，收發(fā)天線合一，沒有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便9 10?；?jy)nRF401性價比，其優(yōu)異(yuy)的性能，我認為適合本系統(tǒng)(xtng)設計及研發(fā)。適合做無線收發(fā)裝置，用于對溫度的遠程控制。3.4 單片機最小系統(tǒng)的設計在選擇CPU時，針對本系統(tǒng)只是對溫度的控制，集成性不高，可以采用單片機作為系統(tǒng)的CPU。其性價比要高于其他復雜的pc機。再考慮成本時，由于本系統(tǒng)是適用于花房、糧倉等不需要運算速度特別快。精度特變高的系統(tǒng)。所以單片機完全能夠完成其功能。由設計的要求，只要做很小集成度的最小系統(tǒng)應用在一些小的控制單元。其應用特點是:（

56、1）全部I/O口線均可供用戶使用； （2）內(nèi)部存儲器容量有限（只有4KB地址空間）； （3）應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。圖 3-2 最小系統(tǒng)圖單片機最小系統(tǒng)如圖3-2所示，本系統(tǒng)采用的是AT80C52單片機。其特點是一個低電壓，高性能 HYPERLINK /view/22318.htm t _blank CMOS 8位 HYPERLINK /view/1012.htm t _blank 單片機，具有8KB可反復擦寫的ROM，及256BRAM。和其他CMOS單片機相似，具有40個引腳。其中32個雙向I/O口，含有2個中斷源，3個十六位可編寫計數(shù)器，其中P3口可作為第二功能引腳實現(xiàn)其他功能。而且其內(nèi)存

57、單元可以擴展。AT80C52 中有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器可以與晶振構成單片機的自激振蕩電路，也是單片機能夠?qū)崿F(xiàn)工作的前提，其晶振頻率越高，單片機的運算速度越快。本系統(tǒng)采用頻率為12MHZ的晶振與電容并聯(lián)構成震蕩電路。雖然對電容要求不大，但是電容的大小影響單片機工作的穩(wěn)定性，在選擇電容式由于晶振選用的是陶瓷晶振，所以在用電容時使用2個47uf的電容與其并聯(lián)構成單片機最小電路。3.5 顯示(xinsh)電路在選擇顯示電路時考慮選用(xunyng)利用74l47驅(qū)動3個共陽極數(shù)碼管，掃描(somio)方式為動

58、態(tài)掃描，這樣節(jié)省了單片機I/O口資源的占用。圖33 顯示電路圖3.6 DS18B20溫度傳感器電路圖3-4 溫度傳感器電路引腳圖3.7 加熱電路3.7.1 半導體制冷(zhlng)器，工作(gngzu)原理在本系統(tǒng)中溫度控制采用(ciyng)半導體制冷器。為了使半導體制冷器（TEC）能夠正常運行，必須保證單電源驅(qū)動電路不僅能夠提供足夠大的功率，而且還能改變方向。這就需要功率放大電路：橋式推挽電路（BTL），其工作特點是在理想條件下其電流波形為正弦波。如圖3-5當輸入電壓0時管Q1、Q4導通似的負載TEC上獲得正半周電壓，當輸入端為負電壓時，管Q2、Q3導通，使得負載TEC上獲得負半周電壓。由于

59、其采用電橋式的聯(lián)接方式，其目的是為了提高電源利用率。與OCL和OTL功放相比，BTL在同等電壓負載條件下能夠把輸出功率提高3到4倍，達到75%。相對系統(tǒng)來說，不僅僅要求能夠達到要求還有要能夠省電。為此我是用BTL電路作為TEC的驅(qū)動電路26。半導體制冷器的工作特點是，其制冷加熱的條件是通過電流的正反方向進行調(diào)節(jié)，在溫度控制上，采用半導體制冷器作為調(diào)節(jié)溫度的器件。它是典型的 HYPERLINK /view/212653.htm t _blank 珀爾帖效應器件，其利用N型半導體與P型半導體的熱量傳遞造成溫度差，用來升高溫度或者降低溫度11。其控制溫度的方式就是調(diào)節(jié)其倆端的電流大小和方向，從而達到

60、控制溫度加熱還是制冷的目的。整個電路采用的是對稱的結構，U3A 和 U3B 分別接成同相放大器和反向放大器，放大倍數(shù)均為 ；Q1Q4 選用相同參數(shù)的場效應管，跨導為gm；電阻 R1R6 的阻值均為 R；ZD1、ZD2 為穩(wěn)壓管，其穩(wěn)壓值為Uz，正向?qū)〞r壓降為UD。當輸入端的信號為正時，運放 U3A 的輸出為正，U3B 的輸出為負，場效應管 Q1、Q3 導通，Q2、Q4 截止，電流從 TEC 的“+”端流向“-”端；當輸入端信號為負時，運放 U3A 的輸出為負，U3B 的輸出為正，場效應管Q2、Q4 導通，Q1、Q3 截止，電流從TEC 的“-”端流向“+”端。實現(xiàn)了對通過 TEC 電流方向的