2024年2月21日发(作者：)
陕西理工学院毕业设计
远程温度监测系统设计毕业论文
目录
1 绪论 ......................................................................................................... 1
1.1 选题的目的和意义 .................................................................................. 1
1.2 国内外研究现状 ...................................................................................... 1
1.3 本设计主要研究内容 .............................................................................. 3
2 设计要求与方案论证 ............................................................................ 4
2.1 设计要求 .................................................................................................. 4
2.2 系统基本方案选择和论证 ...................................................................... 4
2.2.1 单片机芯片选择方案与论证 ........................................................... 4
2.2.2 温度采集模块选择方案与论证 ....................................................... 4
2.2.3 无线收发模块的选择方案与论证 ................................................... 5
2.2.4 显示模块的选择方案与论证 ........................................................... 5
2.2.5 报警模块的选择方案与论证 ........................................................... 5
2.3 电路设计最终方案的确定 ...................................................................... 6
3 系统的硬件设计与实现 ........................................................................ 8
3.1 系统硬件概述 .......................................................................................... 8
3.2 主要单元电路的设计 .............................................................................. 8
3.2.1 单片机主控制模块的设计 ............................................................... 8
3.2.2 温度采集电路模块的设计 ............................................................. 10
陕西理工学院毕业设计
3.2.3 无线收发电路模块的设计 ............................................................. 11
3.2.4 显示电路模块的设计 ..................................................................... 13
3.2.5 报警电路模块的设计 ..................................................................... 14
3.2.6 电源电路设计 ................................................................................. 15
3.2.7 电路原理及说明 ............................................................................. 16
4 系统程序的设计 .................................................................................. 17
4.1 主程序的设计 ........................................................................................ 17
4.2 发射系统程序的设计 ............................................................................ 19
4.3 传输程序的设计 .................................................................................... 19
4.4 温度采集程序的设计 ............................................................................ 19
4.5 显示程序的设计 .................................................................................... 20
5 硬件调试及测试结果 .......................................................................... 21
结论 ........................................................................................................... 24
致谢 ........................................................................................................... 25
参考文献................................................................................................... 26
附录A 外文文献 ..................................................................................... 27
附录B 电路图 ......................................................................................... 48
附录C 元件清单 ..................................................................................... 50
附录D 实物图 ......................................................................................... 51
附录E 程序 ............................................................................................. 52
陕西理工学院毕业设计
1 绪论
1.1 选题的目的和意义
温度是工业生产中常见的被控参数之一。从食品生产到化工生产，从燃料生产到钢铁生产等等，无不涉及到对温度的控制，可见，温度控制在工业生产中占据着非常重要的地位，而且随着工业生产的现代化，对温度控制的速度和精度也会越来越高。近年来，温度控制领域发生了很大的变化，工业生产中对温度的控制不再局限于近距离或者直接的控制，而是需要进行远距离的控制，这就产生了远程温度控制。
远程控制的通信方式有多种，如通过微型计算机[1]、有线网络、无线电等等。每一种方式都有其优点和缺点。利用无线电通信，方便、灵活，而且经济。它不需要像有线网络控制耗费巨大的通信[2]资源，也不受网络速度的影响。
在温度控制的方法上，传统的控制方法(包括经典控制和现代控制)在处理具有非线形或不精确特性的被控对象时十分困难[3]。而温度系统为大滞后系统，较大的纯滞后可引起系统不稳定。
在温度采集方法上，通常是利用热电偶把热化为电信号，再通过A/D转换得到温度值。这种方法速度缓慢，而且精度不是很高。综合上面的考虑，本次毕业设计设计了基于无线电通信[4]的远程温度控制系统。
现代工业设计、工程建设、电子技术[5]及日常生活中常常需要用到温度控制，早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。
近年来，单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃发展，单片机已经渗透到工业、农业、国防，科研（遥控电路）[6]以及日常生活等各个领域。传统的温度采集的方法不仅费时，而且精度差满足不了各行业对于温度数据提高精度，设备高可靠性的需求。单片机的出现使得温度数据的采集和处理得到了很好的解决。选择适当的单片机和温度传感器以及前端处理电路，可以获得较高的测量精度，不但方便快捷，成本低廉，省事省力，而且大幅度提高了测量精度。
1.2 国内外研究现状
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎所有的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
目前国内外对于温度监控的研究和应用已非常普遍，但对于无线远程温度监控这方面的研
第 1 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
究和应用还有相当大的提升空间。无线温度监控不仅可以应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都将会见到它的影子，无线远程温度监控将会有更广阔的发展空间。
随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步。温度测量系统主要由两部分组成，一部分是传感器[7]，它将温度信号转换为电信号。另一部分是电子装置，它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。对应于不同的温度段及测量精度要求，测温装置也不尽相同，从传感器方面看，己出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器，也有红外传感器。仪器本身也趋向小型化，多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。目前的温度检测技术原理很多，大致包括以下几种:(1)物体热胀冷缩原理(2)热电效应(3)热阻效应(4)利热辐射原理。
未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围,以及智能化、网络化等方面。
随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种: 热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。
21世纪科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的主流之一，被广泛地应用于生产的各个领域。
随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日益突出，成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。本设计就是为了满足人们在生活生产中对温度测量系统方面的需求。
远程控制所实现的作用如下：
1.采集与处理功能作用：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况。
2.监督功能作用：将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历史数据加以存储。
3.管理功能作用：利用己有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊断、险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警。
4.控制功能作用：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。
因此，现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。
第 2 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
1.3 本设计主要研究内容
本设计是基于单片机[8]的无线温度监控系统，经过大量查阅资料和研究，最终确定采用AT89S51为主控芯片，DS18B20作为温度采集芯片，NRF24L01作为无线接收和发射模块，采用LCD1602液晶屏进行显示。该系统由发射系统和接收系统组成，发射系统进行温度采集以及数据发射，接收系统作为主系统，对数据接收处理并显示出来。该系统具有温度过限报警功能，设有4个独立按键，分别进行温度高低限定值的选择、设定，清除报警声和报警灯。
该系统具有操作方便，远距离操控，功能多样，电路简洁，成本低廉等优点，符合电子技术的发展趋势，有很广阔的市场前景。
经过设计和一系列的调试，测试结果基本达到了该设计预期制定的各项要求，顺利地完成了本次毕业设计的目标。
第 3 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
2 设计要求与方案论证
2.1 设计要求
（1）温度监测范围：室温-55.0～125.0℃；
（2）接收系统显示温度实际值，收发距离：20米以内（以测试值为准）；
（3）可以人工设定报警温度上、下限定值；
（4）超过温度限定值时蜂鸣器报警和发光报警。
2.2 系统基本方案选择和论证
2.2.1 单片机芯片选择方案与论证
方案一：采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。FPGA可实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并可用EDA软件仿真、在线调试，易于进行功能扩展，响应速度快。但成本高，同时由于引脚较多，电路板的布线比较复杂，加重了电路设计[9]和实现焊接的工作。因此不采取此方案。
方案二：采用8位单片机作为主要的控制芯片。8位单片机具有价格比较便宜，并且技术比较成熟，低功耗，易于购买等优点，但是8位机程序执行速度比较慢，内部资源比16位单片机少很多。考虑到本系统对程序运行速度的要求不高以及成本问题，最后选择用8位单片机，由于AT89S51单片机比其他8位单片机价格便宜，并且其内部具有丰富的资源，故采用AT89S51单片机作为本系统主控制芯片。单片机内部微机控制技术[10]执行程序的过程，实际上就是执行所编制程序的过程。即逐条指令的过程。计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令-----分析指令-----执行指令。取指令的任务是：根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。
分析指令阶段的任务是：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。
计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令可循环等待指令。可采取此方案。
2.2.2 温度采集模块选择方案与论证
方案一：使用热敏电阻作为传感器[11]，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。此设计方案需用A/D转换电路，增加了线路的复杂程度，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。因此此方案不可行。
方案二：采用DS18B20。DS18B20的数字温度输出通过1-Wire总线，又称为“一线”总线，这种独特的方式可以使多个DS18B20方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大的可能性。它在测温精度、转换时间、测数距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。DS18B20
第 4 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
直接输出数字温度值，不需要校正，因此选择此方案。
2.2.3 无线收发模块的选择方案与论证
方案一：采用TX315A-T01和TX315A-R01的无线收发模块。应用目前最先进的声表面波器件和数据专用ASK超外差式单片接收电路开发生产了TX315系列模块电路，其中含有RF、TF、DATA等高频、中频、数字处理电路。TX315A可应用于无线遥控、数据传送、自动抄表系统、无线键盘操作系统、警戒系统。TX315A由TX315A-T01发射组件和TX315A-R01接收组件两部分组成，因其频率绝对一致，故在使用时可随意增加发射和接收组件，以组成所需的功能系统。此系统用此模块很好，但是这个模块的价格太昂贵，所以放弃此方案。
方案二：采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。
方案三：采用一对NRF24L01作为无线收发模块。NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型Shock Burst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便，而且价格相对其他无线模块较低，易于购买，因此选择此方案。
2.2.4 显示模块的选择方案与论证
方案一：采用数码管显示，成本低、亮度高。但本系统所要实现较多的内容，硬件电路设计会比较复杂，而且功耗大，所以不适合本设计。
方案二：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，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。
方案三：采用LCD1602液晶屏显示，显示内容较多，方便组合，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强，调用方便简单，而且可以节省软件中断资源。系统中需要显示温度和上限温度等信息，要求显示内容丰富。
比较上述三种方案，方案三电路简单、显示信息量大、能很好的满足题目要求，因此采用方案三 。
2.2.5 报警模块的选择方案与论证
方案一：采用555定时器构成蜂鸣器，常用于定时报警，非常实用，其时间可控，但本设计报警时间是随机的，取决于试验现场的温度，因此不可行。
方案二：采用9012三极管驱动蜂鸣器，当达到温度上下限值，就会给三极管一个高电平驱动蜂鸣器，实现声音报警，并且可以接个发光二级管，同时点亮二极管，实现发光报警。此方案实行起来方便，电路也简单，因此选用此方案。
第 5 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
2.3 电路设计最终方案的确定
由以上讨论的各种方案最终得出本次设计的方案为：采用单片机芯片AT89S51作为主控制芯片，DS18B20数字温度传感器，NRF24L01作为无线收发模块，LCD1602作为显示模块，采用蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。
系统的核心是AT89S51单片机，系统通过控制选择某一个DS18B20，并把其检测到的温度数据
送到单片机进行处理，在把处理后的温度送到数码管显示，并显示是那个点的温度，系统也可以
多点温度循环扫描显示。
该系统主要由AT89S51单片机，nRF24L01无线射频模块，液晶显示，温湿度传感器，时钟模块和电源模块组成如图2-1。
液晶显示
AT89S51
nRF24Lo1
电源
电源模块
图2-1 接收端系统原理图
发射模块即下图2-2所示。
第 6 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
电源模块
温湿度传感器
AT89S51
nRF24Lo1
时钟模块
图2-2 发射端系统原理图
复位电路电路图：
复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种方式，按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位。而本次设计选择按键电平复位，按复位键后复位端通过电阻与VCC电源接通。如图3-2所示，因为采用了12MHz,每机器周期为1us，则只需要2us以上时间的高电平，在RST引脚（在电容器C3的负端）出现高电平后的第二个机器周期执行复位，利用电容充电来实现，在接电的瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降，当按下RESET键，此时电源VCC经过电阻R1、R2分压，在RESET端产生复位高电平。该系统硬件包括微控制器，温度检测电路，键盘控制电路，时钟电路，显示，报警，驱动电路和外部RAM。基于AT89S51单片机，DS18B20的将温度信号传送到数字信号的检测。
第 7 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
3 系统的硬件设计与实现
系统硬件电路主要分为：单片机AT89S51主、从系统、显示电路、接收电路、键盘电路、发射电路、温度采集电路。设计总框图如图3-1所示。
AT89S51单片机（副）
温度采集 无线发射
液晶显示
声光报警
AT89S51单片机（主）
无线接收
独立键盘
图3-1 总设计框图
3.1 系统硬件概述
硬件电路是由单片机芯片AT89S51为控制核心，具有在线编程，丰富的中断源、灵活性强、低功耗等功能，能在3V低压工作；温度的采集由DS18B20来构成，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片；无线收发模块用NRF24L01，工作于2.4GHz～2.5GHz ISM频段，NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便；显示部份由1602 LCD来完成；声光报警电路可以采用三极管驱动蜂鸣器及发光二极管来实现。
3.2 主要单元电路的设计
3.2.1 单片机主控制模块的设计
主控单片机是以集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力的微处理器（CPU）,随机存取RAM(数据存储器)，ROM(只读程序存储器)，I/O(输入输出电路)，可能还包括定时计数器，SCI(串行通信口），显示驱动电路（LED驱动电路），模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。
单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序机控制系统。
[1214]，它便是一个最小的、完整的微
第 8 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
AT89S51单片机为40引脚双列直插芯片, 如图3-2所示。有四个I/O口P0,P1,P2,P3,每一条I/O线都能独立地作输出或输入。AT89S51具有以下标准功能：4k字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S51可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，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。AT89S51单片机的管脚图如图3-2。
图3-2 AT89S51管脚图
其引脚分配如下：
P3.0：RXD,串行输入。
P3.1：TXD,串行输出。
P3.2：INT0,外部中断0输入。
P3.3：INT1,外部中断1输入。
P3.4：T0，计时计数器0输入。
P3.5：T1，计时计数器1输入。
P3.6：WR,外部数据存储器的写信号。
P3.7：RD,外部数据存储器的读信号。
单片机[15]主控制电路即包括了单片机的复位电路和时钟电路。本设计采用的是内部时钟电路及所需的C语言程序[16]。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，18引脚XTAL1是放大器的输入端，19引脚XTAL2是放大器的输出端，这两个引脚之间跨接的晶振和微调电容作为反馈元件一起构成一个稳定的自激振荡器。9引脚是单片机的复位输入端，接上电容，电阻及电阻和按钮组成手动复位电路。如图3-3所示。
第 9 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
图3-3 单片机复位和时钟电路
3.2.2 温度采集电路模块的设计
在20世纪90年代中期温度传感器问世了。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化和网络化的方向飞速发展。在人民的日常生活和工农业生产中，数字式温度传感器DS18B20正是朝着精度准、功能完整、总线标准化、安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。因此。我们的已经离不开对温度上的控制了。
它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较都有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果。可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。
温度采集电路如图3-4所示。我们取用数字式温度传感器DS18B20，DS18B20是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，具有微小型化、低功耗、高性能、搞干扰能力很强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。它具有3引脚TO－92小体积封装形式，温度测量范围为一般在－55℃～＋125℃，可编程的位数在9位～12位A/D转换精度，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到2根及多根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。它具有测量精度高，电路连接简单特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使用 P10与DS18B20的I/O口连接，VCC接电源,GND接地。DS18B20的内部结构图示3-5。
第 10 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
图3-4 温度传感器应用电路
存储器和控制器
电源检测
64位ROM和单线接口
低温触发器
高速缓存器
高温触发器
8位CRC生成器
配置寄存器
图3-5 DS18B20内部结构
3.2.3 无线收发电路模块的设计
NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强Shock Burs技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。NRF24L01主要特性有GFSK调制：硬件集成OSI链路层；具有自动应答和自动再发射功能；片内自动生成报头和CRC校验码；数据传输率为l Mb/s或2Mb/s；SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s；125个频道：与其他NRF24系列射频器件相兼容；QFN20引脚4mm×4mm封装；供电电压为1.9V～3.6V。NRF14L01引脚排列如图3-6所示。
第 11 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
图3-6 NRF24L01管脚图
CE：使能发射或接收;
CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01：
IRQ：中断标志位；
VDD：电源输入端；
VSS：电源地；
XC2，XC1：晶体振荡器引脚;
VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V；
ANT1,ANT2：天线接口；
IREF：参考电流输入。
第 12 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
NFR24L01模块采用3.3V电压供电，其应用电路及电源转换电路如图3-7所示。
图3-7 NRF24L01应用电路
3.2.4 显示电路模块的设计
如图3-8所示，采用1602 LCD显示。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，具体各个脚的功能如表3-1。
表3-1 LCD引脚功能表
引脚 符号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
VSS
VDD
V0
RS
R/W
E
DB0
DB1
DB2
DB3
DB4
DB5
DB6
DB7
功能说明
一般接地
接电源（+5V）
LCD对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高
RS为寄存器选择，高电平时选数据寄存器、低电平时选指令寄存器。
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
E(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。
底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）
底4位三态、 双向数据总线 1位
底4位三态、 双向数据总线 2位
底4位三态、 双向数据总线 3位
高4位三态、 双向数据总线 4位
高4位三态、 双向数据总线 5位
高4位三态、 双向数据总线 6位
高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）
第 13 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
由于1602 LCD具有功耗低、寿命长、体积小、显示内容丰富、接口控制方便等优点。因此在各类电子产品中被广泛的推广和使用。本系统采用它来作为显示器件，不仅简化了硬件电路，而且极大的提高了系统的可靠性。如图3-9所示。1602 LCD与单片机AT89S51的连接电路很简单。
图3-8 LCD1602管脚图
图3-9 LCD1602应用电路
3.2.5 报警电路模块的设计
我们采用的蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，而不是555定时器，我们采用的蜂鸣器用直流电压供电，应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 三极管工作属电流放大状态（就是射极跟随器)，三极管的C极接地，其电压永远为0，e极电压跟随基级输入电压的变化而变化，Ue=Ub+0.7V：
当基级输入高电平时，三极管的e极电压为高电平，喇叭里没有（或很小）电流通过；
第 14 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
当基级输入为低电平时，三极管的e极电压为低电平，喇叭里有电流（Vb越低就越大）通过。
这里的三极管接法为射极跟随器，和普通的开关工作的三极管工作（e极接地，c极输出）有所不同。
射极跟随器的输出电压是跟随基极电压变化而变化的（Ue=Ub+0.7V），尽管当基极电压很高（Ub>Ue-0.7V）时，三极管确实是截止了（因为这时基极没有电流）；而基极低电平最低的时候（输入端为0），三极管工作只能是接近于饱和状态，仍然属于放大状态（因为Ue=Ub+0.7V）。
本设计应用三极管驱动蜂鸣器同时点亮发光二极管实现报警，其应用电路如图3-10所示。
图3-10 报警电路
3.2.6 电源电路设计
供电电路采用USB接口。USB已经是一个业内标准了。电压是5～5.2V 电流300mA～500mA接口靠两端的是正负极，中间两条是数据的正负极，只要你的设备不接触“数据线”电脑不会识别为移动设备。（业内的标准数据线是“红、白、绿、黑”分别是5V+、DAT-、DAT+、5V-、高档型外加屏蔽层）如果只用提供电源，只用两条引线，设计产品额定用电不超过5V,电流不超500mA即可。该型产品已经很多很成熟。NRF24L01所需的电压是3.3V，所以中间采用了稳压芯片AMS1117。AMS1117是一款低压差的线性稳压器，当输出1A电流时，输入输出的电压差典型值1.2V。AMS1117除了能提供多种固定电压版本外（Vout＝1.8V,2.5V,2.85V,3.3V,5V），还提供可调端输出版本，该版本能提供的输出电压范围为1.25V~13.8V。能（AS1117正常工作环境温度范围极宽，为-50℃～140℃），确保芯片和电源系统的稳定性。同时在产品生产中应用先进的修正技术，确保输出电压和参考源精度在±1%的精度范围内。
第 15 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
3.2.7 电路原理及说明
将以上各个电路模块连接起来，即构成无线远程监控系统，总系统工作原理如下：温度传感器对实验现场的温度进行采集，副控芯片AT89S51[17]对采集温度数据进行处理，将有用数据送给发射模块NRF24L01，主系统的接受模块NRF24L01接受数据送给主控芯片AT89S51，AT89S51对数据进行分析处理，对现场实际温度进行显示；另外，可以人工通过独立键盘对所测温度进行监控，先设定好规定的温度范围，当采集的温度超过此范围时，蜂鸣器响，同时点亮发光二极管，通过按键选择，可以独立实现声音报警、发光报警及声光同时报警；当检测温度不在设定范围内时，系统正常运行，时刻显示着现场的温度值。
由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。
最后，传感器可直接通过1C总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。在AT89S51单片机[18]和温度传感器DS18B20的基础上，系统环境温度智能控制。温度可设定在一定范围内动任意。该系统可以显示在液晶显示屏的时间，并保存监测数据，并自动地控制温度，当环境温度超过上限和下限的值。
2
第 16 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
4 系统程序的设计
4.1 主程序的设计
主程序包括主系统程序设计，发射系统程序设计和报警程序设计。
主系统程序负责键盘设定值的检测，上下门限设定值的显示，通过无线[19]模块接收发射系统发送来的数据并显示在LCD上，并且判断接收的温度是否超出门限值，如果超出就进行报警操作。主系统流程即图4-1所示。
开始
键盘设定值检测
设定值显示
接收副系统数据
实际值显示
温度是否超出？
Y
N
结束
报警
图4-1 主系统程序流程图
发射系统负责对温度的数据采集，经过处理后通过无线模块发送出去。发射系统程序流程图如图4-2所示。
第 17 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
开始
温度采集
数据处理
实际值发送
返回
图4-2 发射系统程序流程图
报警程序通过对接收到的实际值与设定值进行比较，当温度小于报警下限值时，进行报警下限处理，当温度大于报警上限值时，进行报警上限处理。报警程序流程图如图4-3所示。
开始
设定值与实际值比较
温度小于报警下限？
N
Y
温度大于报警上限？
Y
报警上限处理
N
报警下限处理
返回
图4-3 温度报警子程序流程图
第 18 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
主程序首先对LCD进行初始化，然后进行按键扫描，设定温度上下限值，接着初始化无线接收模块，然后温度数据，并判断是否超出设定范围，超过则启动报警程序，不超过则继续判断，如此循环。
4.2 发射系统程序的设计
发射端主程序开始后先进行初始化设置。初始化的过程包括给相应的字符名称赋值，STC单片机的初始化，NRF24L01和DS18B20[20]的初始化。没有中断的时候，发射端子系统处于等待状态，直到有中断需要响应时，单片机进入相应的中断服务程序。发射端单片机向DS18B20发送温度检测指令，然后接收DS18B20检测到的温度数据，转换成十进制数据，最后将NRF24L01置发射模式，将温度数据传输给接收端。
4.3 传输程序的设计
传输程序包括发送数据和接收数据，即无线收发模块之间进行数据通信通信地址和通信协议，即可实现数据的正确传送。
本系统接收端采用NRF24L01无线模块接收发送端传来的温度数据，经单片机AT89S51在LCD1602液晶显示器上显示。温度过高则报警电路工作。其中包括NRF24L01模块和LCD1602液晶显示器的初始化。
当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则NRF24L01写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。
4.4 温度采集程序的设计
温度采集程序主要是对温度传感器DS18B20编程，向1-线总线上写字节，传送字节和读字节，然后将采集的数据交给单片机进行处理。
DS18B20只有3个引脚除去电源与地外，它采用独特的单线接口方式，在与单片机连接时它只需要一条信号线便可与控制器实现双向通信。DS18B20 的封装：DQ为数字信号输入、输出端，GND为电源地，VDD为外部供电电源端（寄生电源接线方式时接地）。
与DS18B20的所有通讯都是由一个单片机的复位脉冲和一个DS18B20的应答脉冲开始的。单片机先发一个复位脉冲，保持低电平时间最少480μs，最多不能超过960μs。然后，单片机释放总线，等待DS18B20的应答脉冲。DS18B20在接受到复位脉冲后等待15～60μs才发出应答脉冲。应答脉冲能保持60～240μs。单片机从发送完复位脉冲到再次控制总线至少要等待480μs。
第 19 页 共 55 页
[22][21]，设定好对应的进入空闲模式1。在
陕西理工学院毕业设计
4.5 显示程序的设计
LCD1602显示程序，首先进行1602的初始化，然后就是执行写命令和写数据这两个子函数，实现温度数据的实时显示和按键操作的动态显示。
LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
接收端主程序开始后先进行初始化设置。初始化的过程包括给相应的字符名称赋值，STC单片机的初始化，LCD1602液晶的初始化。NRF24L01置接收模式，实时检测数据，当检测到温度数据之后，通过单片机计算处理，将完整的温度在液晶上显示。
第 20 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
5 硬件调试及测试结果
在没通电之前，先用万用表检查线路的正确性，并核对元器件的型号、规格是否符合要求。特别注意电源的正负极以及电源之间是否有短路，并重点检查地址总线、数据总线、控制总线是否存在相互间的短路或其他信号线的短路。晶体振荡器和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好是保证振荡器稳定和可靠地工作。在本系统中我们都进行了仔细的检杏，所以此步骤不会发生故障，这一步如果检查不细通电后可能会造成不可想象的后果，所以这一步也至关重要。
通电后检查各器件引脚的电位，仔细测量各点电位是否正常，尤其应注意单片机的插座上的各点电位，若有高压，将有可能损坏单片机仿真器。同样，如果电压过低就没有能力驱动其负载。
在断电的情况下，除单片机以外，用仿真插头将所连接电路与单片机仿真器的仿真接口相连，为软件调试做好准备。
其中遇到的问题很多，如印制电路线不合格，中间有些许断路，造成调试的失败。还有USB电源供电电压不足的问题，电源电压经过供电给负载，电压下降0.5V，致使单片机不工作的问题。
设置当前的温度上下限范围(0～29.0℃)，测得当前试验室温度值为27.6℃。测试结果得表格。
表5-1
增加温度值
27.6℃
28.6℃
29.5℃
30.0℃
经过反复测试，系统温度设定范围为-55～125℃，试验室的温度范围0～29℃，以便观察测试结果。最小区分度为0.1℃，温度控制的误差≤1℃；能够测量并用数码管显示当前实际温度值；通过复位键可以使系统设定温度还原默认值，通过加一键和减一键可以以1℃步进设置预定温度；环境温度高于设定温度时，红色发光二极管点亮。达到了课题要求的技术指标。试验测试图示。
报警（是/否）
否
否
是
是
第 21 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
图5-1 试验室温度
图5-2 增加室内温度
第 22 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
图5-3 超出温度范围（报警）
图5-4 超出温度范围（报警）
第 23 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
结论
本设计以单片机AT89S51为开发平台，NRF24L01无线收发模块，DS18B20温度传感器及LCD1602的特性及工作原理进行了深入研究。通过软件硬件相结合而设计了远程温度显示，远程温度报警系统。AT89S51单片机的采用，不仅便于数据采集，而且扩展了各种功能，比如显示、外部中断等。NRF24L01无线收发模块集成度高，集合了编码解码，发射接收功能，使用方便，使得系统的硬件和软件简单了许多。“一线”数字温度传感器DS18B20与软件处理相结合，进一步提高了系统的测温精度。在电路的设计中充分考虑了系统的可靠性和安全性。该系统具有操控简单方便、显示直观、功能多样、精确度高、电路简洁、成本低廉等诸多优点。对于单片机爱好者来说，也可以在系统的基础上进行其它功能的开发。
经过，各项性能指标基本达到预期要求，也遇到一些问题，给系统上电后，液晶屏初始化失败，经检查发现，设计电路中液晶屏的8个数据端口少接了上拉电阻，并且主芯片的31管脚没有接电源，导致无法访问片内存储器，经过修改后，再次上电后，初始化成功。
第 24 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
致谢
毕业论文是在贾建科老师的指导下完成的，在毕设的设计过程中，老师对我们的指导起到了至关重要的作用，给我们找文献，找资料，耐心的指导我们各个模块的构成及其作用。
我要由衷感谢一起在实验室奋斗、探讨的同学们，正是由于他们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至毕业设计的顺利完成。
感谢所有慷慨提供文献的编写者，你们前人栽树后人乘凉的无私精神，让我能在原本磕磕绊绊的研讨撰写道路上，找到通往终点的最快捷径。
感谢曾经帮助过我的所有老师，衷心地感谢为评阅本论文而付出宝贵时间和辛勤劳动的老师们。
第 25 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
参考文献
[1]于海生,潘松峰,于培仁.微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社,2009.
[2]徐炜,姜晖,崔琛.通信电子技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.
[3]朱定华.微机原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,2010.
[4]李斯伟,雷新生.数据通信技术[M].北京:人民邮电出版社,2009.
[5]谢自美.电子线路设计实验测试[M].武汉:华中科技大学出版社,2010.
[6]梁廷贵.遥控电路可控硅触发电路语音电路分册[M].北京:科学技术文献出版社,2011.
[7]黄贤武,郑筱霞.传感器原理及其应用[M].成都:电子科技大学出版社, 2010.
[8]俞国亮.MCS-51单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2010.
[9]夏路易,石宗义.Protell99SE设计教程[M].北京:北京希望电子出版社,2009.
[10]王用伦.微机控制技术[M].重庆:重庆大学出版社,2010.
[11]李大寨.传感器电子制作DIY[J].北京:科学出版社,2011.
[12]谭浩强.C语言程序设计教程[M].北京:高等教育出版社,2010.
[13]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.
[14]候殿有.单片机C语言设计[M].北京:人民邮电出版社,2010.
[15]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2010.
[16]姜志海,赵艳雷.单片机的C语言[M].北京:电子工业出版社,2008.
[17]郑锋,王巧芝,程丽平.51单片机典型应用开发实例大全[M].北京:中国铁道工业出版社,2011.
[18]杜洋.爱上单片机[M].北京:人民邮电出版社,2011.
[19]Pottie G. Power-conscious design of wireless circuits and systems[C]. Proceedings of the IEEE，88(10)： 1528-1545..
[20]Dallas Semiconductor 18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital
Thermometer[P].Product Datasheet.2002.
[21]喻金钱,喻斌.短距离无线通信详解:基于单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.
[22]谭晖.nRF无线SOC单片机原理与高级应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.
第 26 页 共 55 页
， 2000
陕西理工学院毕业设计
附录A 外文文献
Temperature Control Using a Microcontroller
Abstract
This paper describes an interdisciplinary design project which was done under the
author’s supervision by a group of four senior students in the Department of Engineering
Science at Trinity University. The objective of the project was to develop a temperature
control system for an air-filled chamber. The system was to allow entry of a desired chamber
temperature in a prescribed range and to exhibit overshoot and steady-state temperature error
of less than 1 degree Kelvin in the actual chamber temperature step response. The details of
the design developed by this group of students, based on a Motorola MC68HC05 family
microcontroller, are described. The pedagogical value of the problem is also discussed
through a description of some of the key steps in the design process. It is shown that the
solution requires broad knowledge drawn from several engineering disciplines including
electrical, mechanical, and control systems engineering.
1 Introduction
The design project which is the subject of this paper originated from a real-world
application. A prototype of a microscope slide dryer had been developed around an
OmegaTM model CN-390 temperature controller, and the objective was to develop a custom
temperature control system to replace the Omega system. The motivation was that a custom
controller targeted specifically for the application should be able to achieve the same
functionality at a much lower cost, as the Omega system is unnecessarily versatile and
equipped to handle a wide variety of applications.
The mechanical layout of the slide dryer prototype is shown in Figure 1. The main
element of the dryer is a large, insulated, air-filled chamber in which microscope slides, each
with a tissue sample encased in paraffin, can be set on caddies. In order that the paraffin
maintain the proper consistency, the temperature in the slide chamber must be maintained at a
desired (constant) temperature. A second chamber (the electronics enclosure) houses a
resistive heater and the temperature controller, and a fan mounted on the end of the dryer
blows air across the heater, carrying heat into the slide chamber. This design project was
carried out during academic year 1996–97 by four students under the author’s supervision as a
Senior Design project in the Department of Engineering Science at Trinity University. The
purpose of this paper is
第 27 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
to describe the problem and the students’ solution in some detail, and to discuss some of the
pedagogical opportunities offered by an interdisciplinary design project of this type. The
students’ own report was presented at the 1997 National Conference on Undergraduate
Research [1]. Section 2 gives a more detailed statement of the problem, including
performance specifications, and Section 3 describes the students’ design. Section 4 makes up
the bulk of the paper, and discusses in some detail several aspects of the design process which
offer unique pedagogical opportunities. Finally, Section 5 offers some conclusions.
2 Problem Statement
The basic idea of the project is to replace the relevant parts of the functionality of an Omega
CN-390 temperature controller using a custom-designed system. The application dictates that
temperature settings are usually kept constant for long periods of time, but it’s nonetheless
important that step changes be tracked in a “reasonable” manner. Thus the main requirements
boil down to
·allowing a chamber temperature set-point to be entered,
·displaying both set-point and actual temperatures, and
·tracking step changes in set-point temperature with acceptable rise time, steady-state
error, and overshoot.
第 28 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
Although not explicitly a part of the specifications in Table 1, it was clear that the
customer desired digital displays of set-point and actual temperatures, and that set-point
temperature entry should be digital as well (as opposed to, say, through a potentiometer
setting).
3 System Design
The requirements for digital temperature displays and setpoint entry alone are enough to
dictate that a microcontrollerbased design is likely the most appropriate. Figure 2 shows a
block diagram of the students’ design.
第 29 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
The microcontroller, a MotorolaMC68HC705B16 (6805 for short), is the heart of the
system. It accepts inputs from a simple four-key keypad which allow specification of the
set-point temperature, and it displays both set-point and measured chamber temperatures
using two-digit seven-segment LED displays controlled by a display driver. All these inputs
and outputs are accommodated by parallel ports on the 6805. Chamber temperature is sensed
using a pre-calibrated thermistor and input via one of the 6805’s analog-to-digital inputs.
Finally, a pulse-width modulation (PWM) output on the 6805 is used to drive a relay which
switches line power to the resistive heater off and on.
Figure 3 shows a more detailed schematic of the electronics and their interfacing to the
6805. The keypad, a Storm 3K041103, has four keys which are interfaced to pins PA0{ PA3
of Port A, configured as inputs. One key functions as a mode switch. Two modes are
supported: set mode and run mode. In set mode two of the other keys are used to specify the
set-point temperature: one increments it and one decrements. The fourth key is unused at
present. The LED displays are driven by a Harris Semiconductor ICM7212 display driver
interfaced to pins PB0{PB6 of Port B, configured as outputs. The temperature-sensing
thermistor drives, through a voltage divider, pin AN0 (one of eight analog inputs). Finally, pin
PLMA (one of two PWM outputs) drives the heater relay.
第 30 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
Software on the 6805 implements the temperature control algorithm, maintains the
temperature displays, and alters the set-point in response to keypad inputs. Because it is not
complete at this writing, software will not be discussed in detail in this paper. The control
algorithm in particular has not been determined, but it is likely to be a simple proportional
controller and certainly not more complex than a PID. Some control design issues will be
discussed in Section 4, however.
4 The Design Process
Although essentially the project is just to build a thermostat, it presents many nice
pedagogical opportunities. The knowledge and experience base of a senior engineering
undergraduate are just enough to bring him or her to the brink of a solution to various aspects
of the problem. Yet, in each case, realworld considerations complicate the situation
significantly.
Fortunately these complications are not insurmountable, and the result is a very beneficial
design experience. The remainder of this section looks at a few aspects of the problem which
present the type of learning opportunity just described. Section 4.1 discusses some of the
第 31 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
features of a simplified mathematical model of the thermal properties of the system and how it
can be easily validated experimentally. Section 4.2 describes how realistic control algorithm
designs can be arrived at using introductory concepts in control design. Section 4.3 points out
some important deficiencies of such a simplified modeling/control design process and how
they can be overcome through simulation. Finally, Section 4.4 gives an overview of some of
the microcontroller-related design issues which arise and learning opportunities offered.
4.1 MathematicalModel
Lumped-element thermal systems are described in almost any introductory linear control
systems text, and just this sort of model is applicable to the slide dryer problem. Figure 4
shows a second-order lumped-element thermal model of the slide dryer. The state variables
are the temperatures Ta of the air in the box and Tb of the box itself. The inputs to the system
are the power output q(t) of the heater and the ambient temperature T¥. ma and mb are the
masses of the air and the box, respectively, and Ca and Cb their specific heats. μ1 and μ2 are
heat transfer coefficients from the air to the box and from the box to the external world,
respectively.
It’s not hard to show that the (linearized) state equationscorresponding to Figure 4 are
Taking Laplace transforms of (1) and (2) and solving for Ta(s), which is the output of
interest, gives the following open-loop model of the thermal system:
where K is a constant and D(s) is a second-order polynomial.K, tz, and the coefficients of
D(s) are functions of the variousparameters appearing in (1) and (2).Of course the various
第 32 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
parameters in (1) and (2) are completely unknown, but it’s not hard to show that, regardless of
their values, D(s) has two real zeros. Therefore the main transfer function of interest (which is
the one from Q(s), since we’ll assume constant ambient temperature) can be written
Moreover, it’s not too hard to show that 1=tp1 <1=tz <1=tp2, i.e., that the zero lies
between the two poles. Both of these are excellent exercises for the student, and the result is
the openloop pole-zero diagram of Figure 5.
Obtaining a complete thermal model, then, is reduced to identifying the constant K and
the three unknown time constants in (3). Four unknown parameters is quite a few, but simple
experiments show that 1=tp1 _ 1=tz;1=tp2 so that tz;tp2 _ 0 are good approximations. Thus
the open-loop system is essentially first-order and can therefore be written
(where the subscript p1 has been dropped).
Simple open-loop step response experiments show that,for a wide range of initial
temperatures and heat inputs, K _0:14 _=W and t _ 295 s.1
4.2 Control System Design
Using the first-order model of (4) for the open-loop transfer function Gaq(s) and
assuming for the moment that linear control of the heater power output q(t) is possible, the
block diagram of Figure 6 represents the closed-loop system. Td(s) is the desired, or set-point,
temperature,C(s) is the compensator transfer function, and Q(s) is the heater output in watts.
第 33 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
Given this simple situation, introductory linear control design tools such as the root locus
method can be used to arrive at a C(s) which meets the step response requirements on rise
time, steady-state error, and overshoot specified in Table 1. The upshot, of course, is that a
proportional controller with sufficient gain can meet all specifications. Overshoot is
impossible, and increasing gains decreases both steady-state error and rise time.
Unfortunately, sufficient gain to meet the specifications may require larger heat outputs
than the heater is capable of producing. This was indeed the case for this system, and the
result is that the rise time specification cannot be met. It is quite revealing to the student how
useful such an oversimplified model, carefully arrived at, can be in determining overall
performance limitations.
4.3 Simulation Model
Gross performance and its limitations can be determined using the simplified model of
Figure 6, but there are a number of other aspects of the closed-loop system whose effects on
performance are not so simply modeled. Chief among these are
·quantization error in analog-to-digital conversion of the measured temperature and
· the use of PWM to control the heater.
Both of these are nonlinear and time-varying effects, and the only practical way to study
them is through simulation (or experiment, of course).
Figure 7 shows a SimulinkTM block diagram of the closed-loop system which incorporates
these effects. A/D converter quantization and saturation are modeled using standard Simulink
quantizer and saturation blocks. Modeling PWM is more complicated and requires a custom
S-function to represent it.
This simulation model has proven particularly useful in gauging the effects of varying the
第 34 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
basic PWM parameters and hence selecting them appropriately. (I.e., the longer the period,
the larger the temperature error PWM introduces. On the other hand, a long period is desirable
to avoid excessive relay “chatter,” among other things.) PWM is often difficult for students to
grasp, and the simulation model allows an exploration of its operation and effects which is
quite revealing.
4.4 The Microcontroller
Simple closed-loop control, keypad reading, and display control are some of the classic
applications of microcontrollers, and this project incorporates all three. It is therefore an
excellent all-around exercise in microcontroller applications. In addition, because the project
is to produce an actual packaged prototype, it won’t do to use a simple evaluation board with
the I/O pins jumpered to the target system. Instead, it’s necessary to develop a complete
embedded application. This entails the choice of an appropriate part from the broad range
offered in a typical microcontroller family and learning to use a fairly sophisticated
development environment. Finally, a custom printed-circuit board for the microcontroller and
peripherals must be designed and fabricated.
Microcontroller Selection. In view of existing local expertise, the Motorola line of
microcontrollers was chosen for this project. Still, this does not narrow the choice down much.
A fairly disciplined study of system requirements is necessary to specify which
microcontroller, out of scores of variants, is required for the job. This is difficult for students,
as they generally lack the experience and intuition needed as well as the perseverance to wade
through manufacturers’ selection guides.
Part of the problem is in choosing methods for interfacing the various peripherals (e.g.,
what kind of display driver should be used?). A study of relevant Motorola application notes
[2, 3, 4] proved very helpful in understandingwhat basic approaches are available, and what
microcontroller/peripheral combinations should be considered.
The MC68HC705B16 was finally chosen on the basis of its availableA/D inputs and
PWMoutputs as well as 24 digital I/O lines. In retrospect this is probably overkill, as only one
A/D channel, one PWM channel, and 11 I/O pins are actually required (see Figure 3). The
decision was made to err on the safe side because a complete development system specific to
the chosen part was necessary, and the project budget did not permit a second such system to
be purchased should the first
prove inadequate.
Microcontroller Application Development. Breadboarding of the peripheral hardware,
development of microcontroller software, and final debugging and testing of a custom
printed-circuit board for the microcontroller and peripherals all require a development
environment of some kind. The choice of a development environment, like that of the
第 35 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
microcontroller itself, can be bewildering and requires some faculty expertise. Motorola
makes three grades of development environment ranging from simple evaluation boards (at
around $100) to full-blown real-time in-circuit emulators (at more like $7500). The middle
option was chosen for this project: the MMEVS, which consists of _ a platform board (which
supports all 6805-family parts), _ an emulator module (specific to B-series parts), and _ a
cable and target head adapter (package-specific). Overall, the system costs about $900 and
provides, with some limitations, in-circuit emulation capability. It also comes with the simple
but sufficient software development environment RAPID [5].
Students find learning to use this type of system challenging, but the experience they gain
in real-world microcontroller application development greatly exceeds the typical first-course
experience using simple evaluation boards.
Printed-Circuit Board. The layout of a simple (though definitely not trivial)
printed-circuit board is another practical learning opportunity presented by this project. The
final board layout, with package outlines, is shown (at 50% of actual size) in Figure 8. The
relative simplicity of the circuit makes manual placement and routing practical—in fact, it
likely gives better results than automatic in an application like this—and the student is
therefore exposed to fundamental issues of printed-circuit layout and basic design rules. The
layout software used was the very nice package pcb,2 and the board was fabricated in-house
with the aid of our staff electronics technician.
5 Conclusion
The aim of this paper has been to describe an interdisciplinary, undergraduate
engineering design project: a microcontroller- based temperature control system with digital
set-point entry and set-point/actual temperature display. A particular design of such a system
has been described, and a number of design issues which arise—from a variety of engineering
disciplines—have been discussed. Resolution of these issues generally requires knowledge
beyond that acquired in introductory courses, but realistically accessible to advance
第 36 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
undergraduate students, especially with the advice and supervision of faculty.
Desirable features of the problem, from a pedagogical viewpoint, include the use of a
microcontroller with simple peripherals, the opportunity to usefully apply introductorylevel
modeling of physical systems and design of closed-loop controls, and the need for relatively
simple experimentation (for model validation) and simulation (for detailed performance
prediction). Also desirable are some of the technologyrelated aspects of the problem including
practical use of resistive heaters and temperature sensors (requiring knowledge of PWM and
calibration techniques, respectively), microcontroller selection and use of development
systems, and printedcircuit design.
References
[1] M. Langsdorf, M. Rall, D. Schuchmann, and P. Rinehart,“Temperature control of a
microscope slide dryer,” in 1997 National Conference on Undergraduate Research,
(Austin, TX), April 1997. Poster presentation.
[2] Motorola, Inc., Phoenix, AZ, Temperature Measurement and Display Using the
MC68HC05B4 and the MC14489,1990. Motorola SemiconductorApplicationNote AN431.
[3] Motorola, Inc., Phoenix, AZ, HC05 MCU LED DriveTechniques Using the
MC68HC705J1A, 1995. MotorolaSemiconductor Application Note AN1238.
[4] Motorola, Inc., Phoenix, AZ, HC05MCU Keypad DecodingTechniques Using the
MC68HC705J1A, 1995. Motorola Semiconductor Application Note AN1239.
[5] Motorola, Inc., Phoenix, AZ, RAPID Integrated Development Environment User’s
Manual, 1993. (RAPID was developed by P & E Microcomputer Systems, Inc.).
第 37 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
译文：
单片机温度控制
[摘要]
本文所描述的是作者领导由四个三一大学高年级学生组成的团队进行的一个跨学科工程项目的设计。该项目的目标是设计一个气室内温度控制系统。该系统的要求是：当实际气室的温度阶跃响应时，规定范围内的温度进入气室后，稳定时的温度误差和超调量必须少于一个绝对温度。本组学生开发设计是基于摩托罗拉MC68HC05系列单片机。该问题的教学价值也通过某些步骤的关键描述在本文说明。研究结果表明，解决该方案需要具有广泛的工程学科知识，包括相关电子、机械和控制系统工程的知识。
1 引言
该设计项目来自一个实际应用问题，一个关于显微镜载玻片干燥剂温控器[1]——欧米茄CN-390温度控制器，而这个设计的目标是研发一个自定义的通用温度控制系统取代欧米茄系统、一个以更低的成本实现相同功能的自定义控制器，就像欧米茄系统一样，并不需要能够全方位的处理各种问题。
该载玻片干燥机的机械布局如图1所示。干燥机的主体是一个足够大的绝缘充气室，里面依次存放着薄纸包着的石蜡。为了使石蜡保持适当稳定性，载玻片气室的温度必须维持稳定。第二个气筒（电子围绕元件）设有一个电阻加热器、一个温度控制器以及一个安装在干燥机上的风扇，是为了把风吹过加热器，把热量带到载玻片气室。
图1-1 载玻片干燥机的机械布局
自1996-97学年来，本文作者带领四位三一大学工程科学系的高年级学生开展此项目的研究。本文的目的说明了提出一些问题并详细阐述学生的一些解决方案，而且讨论了这种类型的跨学科设计项目在教学方面应用的问题。这份学生报告曾经在1997年全国本科毕业生研讨会上提出过并讨论过。第2节给出该设计的更多详细情况，包括性能规格。第3节具体 学生的设计。第4节是论文的主体，讨论该设计在教学应用方面的实施问题。最后，第5节全文总结。
第 38 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
2 问题阐述
该项目基本的思想是设计一个自定义温度控制系统来取代相关的欧米茄CN-390温度控制器。温度时通常保持在一个稳定的常数，但重要的是阶跃变化可以被“合理”的跟踪。因此主要要求如下：
·可以对空气室的温度进行设定，
·同时显示设定值和实际温度，
·以及在设定温度值情况下，可接受范围内的跟踪阶跃变化，稳态误差，超调量。
表1
设定温度接口
设定温度显示
室内温度显示
范围
精度
准确度
室内温度阶梯响应
范围（稳定状态）
精度（稳定状态）
最大超调
设定时间（到±1°）
精确的规格说明
60-99
1°C
±1°C
60-99
±1°C
1°C
120s
尽管表1部分说明并不明确，但是它清楚的反映了人们对数字显示器在设定值和实际温度的要求和温度应该通过数值输入来设定（而不是，通过电位器设置）。
3 系统设计
根据微控设计，数字温度显示和单点输入的要求可能是最合适的。图2为学生的设计框图。
图2-2 温度控制器硬件结构图
第 39 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
摩托罗拉MC68HC705B16（简称6805），是系统的核心。它通过一个简单的4键小键盘对温度进行设定，同时使用两个显示驱动控制7段LED数码管来显示定值和气室温度的测量值。所有这些，输入和输出信号与6805的并行口相连。气室的温度值使用预校准热敏电阻测量，并通过6805的数模转换输入。最后，6085的脉冲宽度调制（PWM）输出用来驱动一个继电器，以控制线性电阻加热器的闭合和断开。
图3更详细的显示了6805的接口和电子器件。使用暴风3K041103型号四键键盘，通过PA0-PA3端口进行数据输入。其中一个重要的功能是进行模式切换。两种模式：固定模式和运行模式。在固定模式下，其他两个键用于设定温度，一个增加，一个减少，第四个按键暂无作用。LED显示屏由哈里斯半导体ICM7212进行驱动，通过PB0-PB6端口与芯片相连，作为输出。热敏电阻由电压分频器驱动，通过AN0针脚（八个模拟输入端口中的一个）相连。最后，PLMA针脚（两个PWM输出端口中的一个）驱动加热继电器。
图2-3 单片机原理图
图3单片机原理图是关于用软件实现温度控制算法、保持温度显示以及改变键盘输入响应，这将不会在本文详细讨论，因为这并不是本文的重点，也没有编译完成。软件部分还没有确定控制算法，但很可能是一个简单的比例控制，比PID算法简单。一些控制设计的问题将在第四节讨论。
第 40 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
4 设计过程
虽然该项目的本质是建立一个恒温器，但它有许多很好的契机可以供教学借鉴。高级工程本科教育的知识只是能够让学生们具有解决问题的能力。然而，很多情况下，实际情况却和理论有些不同。不过，这些不是问题，参与这个项目的设计，将获得很多设计方面的宝贵经验。本节的其余部分着眼于其他的几个方面：4.1节讨论系统的一些特征，简化系统热性能的数学模型，以及一些简单理论的证明。4.2节介绍确定实际控制算法。4.3节指出控制设计程序的一些不足，并通过模拟环境，指出怎样克服问题。4.4节给出单片机的一些设计相关概述，以及出现问题和值得借鉴之处。
4.1数学模型
集总元件热系统符合线性控制，适用于载玻片干燥机的问题。图4显示了二阶集总元件热量模型的载玻片干燥机。状态变量是温度，Ta是箱内空气的温度，Tb是箱子本身的温度。该系统输入功率等于q(t)的热量和环境温度T的和。ma，mb分别对应空气和箱子的质量。
Ca和Cb则分别是其对应热量。m1和m2分别是空气与箱子间以及箱子与外界间的传热系数。
图4-1 集总元件热模型
由图4可以推出（线性）状态方程
拉普拉斯变换(1)和(2)等式，并整理Ta(s)。有趣的是，可以推出一个开环的热系统方程。
其中K是一个常数，D(s)是一个二阶的多项式。K,tz,以及系数D(s)和在(1)和(2)等式中出现的系数功能相近。当然，在(1)和(2)等式中各种参数在未知的情况下，不难证明D(s)与其他参数的值无关，具有两个零点。因此传递函数可以写成（我们假设环境温度为常数）
此外,可以推出1/tp1<1/tz<1/tp2,即，零点在两极之间。开环零极点如图5所示。
第 41 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
图4-2 Gaq(s)的零极点
为了获取完整的热模型，从(3)式中除去常数K和3个未知的时间常数。四个未知参数并不少，但由简单的实验表明，1/tp1<<1/tz，1/tp2统基本上是一阶函数，且tz,tp2近似为0。因此，开环系可以写成：
(下标p1已经被去掉了)
过初始温度和热量值大范围内的设置，简单的开环阶跃响应实验结果表明，K≈0.14o/W，τ≈295S。
4.2控制系统设计
使用(4)式的一阶开环传递函数Gaq(s)，并且假定加热器的输出函数q(t)为线性，图6是系统框图代表闭环系统。Td(s)是设定温度的函数，C(s)是传递函数，Q(s)是热量输出，单位是瓦特。
图6简化的闭环系统框图鉴于这种简单情况，前面所指的线性控制设置，例如，根轨迹法设计法可以使C(s)中符合要求的阶跃响应对应的上升时间、稳态误差和超调量符合表格1所示。当然，一个有足够增益的比例控制器就可以满足各种要求。超调量改变是不可能既增加增益又减少稳态误差和上升时间的。不幸的是，如果要获得足够增益，需要生产超过实际生产能力的大容量加热器。这是本系统的实际问题，将会致使上升时间不符合要求。这要求学生们如何利用这个经过仔细计算的简化模型，在整体性能上达到最佳控制。
4.3模型仿真
该设计的大部分性能和限制功能，应该可以使用图6简化模型来完成。但有一个数据对闭环系统其他方面的影响并非能够如此简单的仿真。其中最主要的是：
·量化误差的模拟和数模转换，
·测量温度和使用PWM控制加热器。
这两种都是非线性的、时变的。所以唯一切实可行的方法就是通过仿真（或实验）加以研究。
图7Simulink仿真闭环系统框图显示了Simulink情况下的闭环系统框图，其中包括A/D转换和使用标准Simulink量化饱和块建立的饱和量化模型。建立PWM调制模型比较复杂，需要一个自定义的S函数来表示。
第 42 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
图4-3 仿真闭环系统框图
这种仿真模型已经被证明在衡量不同的PWM基本参数对设计的影响以及适当参数的选择中特别有用。（即时间越长，PWM调制会产生更多温度误差。另一方面，时间越长，继电器抖动机率越小。）PWM调制方法往往很难让学生掌握，并且仿真模型允许研究测试运行和明显的影响。
第 43 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
4.4单片机
简单的闭环控制、键盘输入和显示控制是经典单片机应用技术，这个设计项目包含上述三个方面。因此这是一个优秀的全面的单片机应用练习。
此外，由于该项目是来源于现实，它不会是一个简单的输入输出设计就能完成的。相反，这个项目需要制定一个完整的嵌入式应用。这需要从大量的单片机型号中选取适当的芯片并学着使用一个相当复杂的开发环境。最后，必须设计和选取印刷电路板和单片机，以及外接元件。
单片机选择
从现有的实际经验来看，经常选用摩托罗拉公司的单片机。不过，芯片的选择不应该局限于此。研究表明，系统要求符合工作需求的单片机。这对学生很困难，因为他们缺乏良好的经验与判断能力，只能通过制造商的产品选择指南决定单片机的选择。部分问题是各种外围设备（例如，应该使用哪种显示驱动程序？）连接方法的选择。摩托罗拉的相关应用研究[23]中的证明是非常有用的，基本阐述了可实用性的连接方法以及单片机和外围连接的组合方式。在最终要求的基础上，选择MC68HC705B16，其现有A/D输入和PWM输出以及24个数字I/O线。这样选择是有必要的，因为此项目需要一个A/D通道、一个PWM通道和11个I/O引脚（见图3）。该决定为了安全方面，因为选择一个完整的开发系统是有必要的，该项目预算中没有足够的资金再次购买元件。
单片机应用开发
外围设备的电路硬件、软件的开发、最终调试、单片机的自定的印刷电路板和外设都需要某种形式的发展环境。
如同单片机本身，一个开发环境的选择是令人困惑并需要一些教师的专业知识。摩托罗拉三级发展环境，包括从简单的评估板（在约100美元）到全面的实时在线仿真器（在大约7500元）。中间选项被选为本项目的MMEVS，其中包括：
·平台板（支持所有6805-family部分），
· 模拟器模块（具体到B系列部分），
· 电缆头和目标适配器（简明包装）。
总体而言，该系统的成本为900美元，并且在一定局限下，提供了在线仿真能力。它还配备了简单但足够的软件开发环境RAPID[5]。
学生发现学习使用这类系统的挑战。但他们在现实世界的微控制器应用获得的经验大大超过了第一使用典型的简单评估板的经验。
第 44 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
印刷电路板
一个简单的（虽然布局绝对不平凡）印刷电路板是这个工程提供的另一个现实学习的机会。图8显示最后的板布局与包轮廓（50%实际大小）。相对简单的电路使手工安置和路由实践方面更实际，它有可能提供更好的结果比一个这样的应用程的自动性。学生因此接触到基本印刷电路布局问题和基本的设计规则。本排版软件使用的是非常漂亮的包装印刷电路板，板制作是在内部电子技术员的帮助下完成的。
图4-4 单片机印刷版布局
第 45 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
5 结论
本文的目的是描述一个跨学科的本科工程设计项目：一个基于单片机的温度控制系统，包括设定点输入数字与设定值/实际温度显示。本文已描述了这样系统的一个设计，并且讨论了许多来自工程的问题。这些问题的解决通常需要入门课程要求的知识，尤其是在老师的建议和监督下，实际上可以促进大学生发展。
从教学方法观点看，问题的理想特征包括微控制器和外围设备的简单使用，有效地运用导论水平的物理系统建模和设计闭环控制。并需要相对简单的实验和模拟（详细的性能预测）。并可取的是一些技术相关方面的问题，包括热敏电阻和温度传感器（分别需要知识脉宽调制和校准技术）的实际使用、单片机选择和开发系统的使用以及并印制电路设计。
第 46 页 共 55 页
陕西理工学院毕业设计
参考文献
[1]朗斯道夫，M.拉尔，D.舒克曼，和P.莱因哈特，“显微镜载玻片干燥剂温控器，”1997届全国大学生研究，（奥斯汀，德克萨斯州），四月1997。海报介绍。
[2]摩托罗拉公司，凤凰城，亚利桑那，温度测量和使用它的显示mc68hc05b4和mc14489，
1990。摩托罗拉semiconductorapplicationnote an431。
[3]摩托罗拉公司，凤凰城，亚利桑那，hc05单片机驱动技术使用mc68hc705j1a，1995。摩托罗拉半导体应用笔记an1238。
[4]摩托罗拉公司，凤凰城，亚利桑那，hc05mcu键盘解码技术使用mc68hc705j1a，1995。摩托罗拉半导体应用笔记an1239。
[5]摩托罗拉公司，凤凰城，亚利桑那，快速集成开发环境用户手册，1993。（快速是由宝洁微机系统，有限公司。）
第 47 页 共 55 页
发布评论