1、哈 爾 濱 理 工 大 學畢 業 設 計 題 目： 智能溫度控制系統的研究與設計 院、 系： 榮成學院電氣系電技09-2班 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 王哈力 智能溫度控制系統的研究與設計摘 要隨著微機測量和控制技術的迅速發展與廣泛應用，以單片機為核心的溫度采集與控制系統的研發與應用在很大程度上提高了生產生活中對溫度的控制水平。本設計論述了一種以STC89C52單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統。該控制系統可以實時存儲相關的溫度數據并記錄當前的時間。系統設計了相關的硬件電路和相關應用程序。硬件電路主要包括STC89C52單片機最小系統，測溫電路、實時時鐘電路

2、、LCD液晶顯示電路以及通訊模塊電路等。系統程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，計算溫度子程序、按鍵處理程序、LCD顯示程序以及數據存儲程序等。關鍵詞 STC89C52單片機；DS18B20；顯示電路Intelligent temperature control system research and designAbstractThe main reducing gear assembly transfer the motivity to the conic-gear it meshed. In the structure of the car main reducing gear asse

3、mbly, the beforehand force of the locknut is directly related to the selection of the gasket, when the thickness of gasket is different, the behind force of bearing is different and so is the displacement of the gear. This paper assembly in the structural strength of the problems, after the main bri

4、dge reducer cone assembly in the mechanical assembly technology research, analysis of the main cone assembly of the assemblyprocess,Through analyzing the structure of the main reducer, some mechanical factors, Based on pre-tighten moment in the process of assembly, the analytical model of the main r

5、educe is established through theoretical analysis of the connection between screwed moment and axle force. By using finite element analysis, we obtain stress field and displacement field of the main reducer after assembly by finite element method. As a result, strength evaluation of the main reducer

6、 is performed. Based on these results, some theoretic suggestions for the design and manufacture of the main reducer are provided.Keywords The main reducing gear assembly; Bearing block; Contact Analysis; ANSYS不要刪除行尾的分節符，此行不會被打印目 錄摘要IAbstractII第一章 緒 論 1.1 前言工業控制是計算機的一個重要應用領域，計算機控制系統正是為了適應這一領域的需要而發展起

7、來的一門專業技術，它主要研究如何將計算機技術、通過信息技術和自動控制理論應用于工業生產過程，并設計出所需要的計算機控制系統。隨著微機測量和控制技術的迅速發展與廣泛應用，以單片機為核心的溫度采集與控制系統的研發與應用在很大程度上提高了生產生活中對溫度的控制水平。本設計就是基于單片機STC89C52溫度控制系統的設計，通過本次課程實踐，我們更加的明確了單片機的廣泛用途和使用方法，以及其工作的原理。溫度控制系統廣泛應用于社會生活的各個領域 ,如家電、汽車、材料、電力電子等 ,常用的控制電路根據應用場合和所要求的性能指標有所不同 , 在工業企業中,如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現

8、場技術人員努力解決的問題。這類控制對象慣性大,滯后現象嚴重,存在很多不確定的因素,難以建立精確的數學模型,從而導致控制系統性能不佳,甚至出現控制不穩定、失控現象。傳統的繼電器調溫電路簡單實用 ,但由于繼電器動作頻繁 ,可能會因觸點不良而影響正常工作。控制領域還大量采用傳統的PID控制方式,但PID控制對象的模型難以建立,并且當擾動因素不明確時,參數調整不便仍是普遍存在的問題。而采用數字溫度傳感器DS18B20，因其內部集成了A/D轉換器，使得電路結構更加簡單，而且減少了溫度測量轉換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。數字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳即可與單片機進行通信，大大減少了接線的

9、麻煩，使得單片機更加具有擴展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通過單跳數據線就可以和主電路連接，故可以把數字溫度傳感器DS18B20做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性。更能串接多個數字溫度傳感器DS18B20進行范圍的溫度檢測。1.2 課題的意義隨著社會的發展，溫度的測量及控制變得越來越重要。本文采用單片機STC89C52設計了溫度實時測量及控制系統。單片機STC89C52 能夠根據溫度傳感器DS18B20 所采集的溫度在液晶屏上實時顯示，通過控制從而把溫度控制在設定的范圍之內。所有溫度數據均通過液晶顯示器LCD顯示出來。系統可以根據時鐘存儲相關的數據。通過該課程的學習使我們對

10、計算機控制系統有一個全面的了解、掌握常規控制算法的使用方法、掌握簡單微型計算機應用系統軟硬的設計方法，進一步鍛煉同學們在微型計算機應用方面的實際工作能力。第二章 硬件電路的設計2.1 系統設計的框架本課題設計的是一種以STC89C52單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統。該控制系統可以實時存儲相關的溫度數據并記錄當前的時間。其主要包括：電源模塊、溫度采集模塊、按鍵處理模塊、實時時鐘模塊、數據存儲模塊、LCD顯示模塊、通訊模塊以及單片機最小系統。STC89C52單片機電源模塊數據存儲模塊溫度采集模塊LCD顯示模塊按鍵處理模塊通訊模塊時鐘模塊圖2-1 系統設計框架2.2

11、單片機最小系統電路在課題設計的溫度控制系統設計中，控制核心是STC89C52單片機，該單片機為51系列增強型8位單片機，它有32個I/O口，片內含4K FLASH工藝的程序存儲器，便于用電的方式瞬間擦除和改寫，而且價格便宜，其外部晶振為12MHz，一個指令周期為1S。使用該單片機完全可以完成設計任務，其最小系統主要包括：復位電路、震蕩電路以及存儲器選擇模式（EA腳的高低電平選擇），電路如下圖2所示：圖2-2 單片機最小系統2.3 單片機的選型本課題設計的溫度控制系統主控制芯片選型為STC89C52單片機，其特點如下：2.3.1 STC89C52單片機簡介目前，51系列單片機在工業檢測領域中得到

12、了廣泛的應用，因此我們可以在許多單片機應用領域中，配接各種類型的語音接口，構成具有合成語音輸出能力的綜合應用系統，以增強人機對話的功能。STC89C52單片機是深圳宏晶科技有限公司生產的一種單片機，在一小塊芯片上集成了一個微型計算機的各個組成部分。每一個單片機包括：一個8位的微型處理器CPU；一個512K的片內數據存儲器RAM；4K片內程序存儲器；四個8位并行的I/O接口P0-P3，每個接口既可以輸入，也可以輸出；兩個定時器/記數器；五個中斷源的中斷控制系統；一個全雙工UART的串行I/O口；片內振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。最高允許振蕩頻率是12MHZ。以上各個部分通過

13、內部總線相連接。2.3.2 STC89C52單片機時序 STC89C52單片機的一個執器周期由6個狀態(s1s6)組成，每個狀態又持續2個震蕩周期，分為P1和P2兩個節拍。這樣，一個機器周期由12個振蕩周期組成。若采用12MHz的晶體振蕩器，則每個機器周期為1us，每個狀態周期為16us；在一數情況下，算術和邏輯操作發生在N期間，而內部寄存器到寄存器的傳輸發生在P2期間。對于單周期指令，當指令操作碼讀人指令寄存器時，使從S1P2開始執行指令。如果是雙字節指令，則在同一機器周期的s4讀人第二字節。若為單字節指令，則在51期間仍進行讀，但所讀入的字節操作碼被忽略，且程序計數據也不加1。在加結束時完

14、成指令操作。多數STC89C52指令周期為12個機器周期，只有乘法和除法指令需要兩個以上機器周期的指令，它們需4個機器周期。 對于雙字節單機器指令，通常是在一個機器周期內從程序存儲器中讀人兩個字節，但Movx指令例外，Movx指令是訪問外部數據存儲器的單字節雙機器周期指令，在執行Movx指令期間，外部數據存儲器被訪問且被選通時跳過兩次取指操作。2.3.3 STC89C52單片機引腳介紹STC89C52單片機的40個引腳中有2個專用于主電源引腳，2個外接晶振的引腳，4個控制或與其它電源復用的引腳，以及32條輸入輸出I/O引腳。下面按引腳功能分為4個部分敘述個引腳的功能。（1）電源引腳Vcc和Vs

15、sVcc（40腳）：接+5V電源正端；Vss（20腳）：接+5V電源正端。（2）外接晶振引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳接地；對于CHOMS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在單片機內部，接至片內振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。對于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。（3）控制信號或與其它電源復用引腳 控制信號或與其它電源復用引腳有RST/VPD、AL

16、E/P、PSEN和EA/VPP等4種形式。（A）RST/VPD（9腳）：RST即為RESET，VPD為備用電源，所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現持續兩個機器周期的高電平，就可實現復位操作，使單片機復位到初始狀態。當VCC發生故障，降低到低電平規定值或掉電時，該引腳可接上備用電源VPD（+5V）為內部RAM供電，以保證RAM中的數據不丟失。（B）ALE/ P （30腳）：當訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存信號）以每機器周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現在P0口的低（C）PSEN(29腳):片外程序存儲器讀選通輸出端,低電平有效。當從外部程序存儲器讀

17、取指令或常數期間，每個機器周期PESN兩次有效，以通過數據總線口讀回指令或常數。當訪問外部數據存儲器期間，PESN信號將不出現。（D）EA/Vpp（31腳）：EA為訪問外部程序儲器控制信號，低電平有效。當EA端保持高電平時，單片機訪問片內程序存儲器4KB（MS52子系列為8KB）。若超出該范圍時，自動轉去執行外部程序存儲器的程序。當EA端保持低電平時，無論片內有無程序存儲器，均只訪問外部程序存儲器。對于片內含有EPROM的單片機，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源Vpp。 （4）輸入/輸出（I/O）引腳P0口、P1口、P2口及P3口(A).P0口（39腳22腳）：P0.0P0.

18、7統稱為P0口。當不接外部存儲器與不擴展I/O接口時，它可作為準雙向8位輸入/輸出接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O口時，P0口為地址/數據分時復用口。它分時提供8位雙向數據總線。對于片內含有EPROM的單片機，當EPROM編程時，從P0口輸入指令字節，而當檢驗程序時，則輸出指令字節。(B).P1口（1腳8腳）：P1.0P1.7統稱為P1口，可作為準雙向I/O接口使用。對于MCS52子系列單片機，P1.0和P1.1還有第2功能：P1.0口用作定時器/計數器2的計數脈沖輸入端T2；P1.1用作定時器/計數器2的外部控制端T2EX。對于EPROM編程和進行程序校驗時，P0口接收輸入的低8位地址

19、。(C).P2口（21腳28腳）：P2.0P2.7統稱為P2口，一般可作為準雙向I/O接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O接口且尋址范圍超過256個字節時，P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對于EPROM編程和進行程序校驗時，P2口接收輸入的8位地址。(D).P3口（10腳17腳）：P3.0P3.7統稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準雙向I/O接口，也可以將每1位用于第2功能，而且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。P3口的第2功能見下表 表1 單片機P3.0管腳含義引腳第2功能P3.0RXD（串行口輸入端0）P3.1TXD（串行口輸出端）P3.2IN

20、T0（部中斷0請求輸入端，低電平有效）P3.3INT1（中斷1請求輸入端，低電平有效）P3.4T0（時器/計數器0計數脈沖端）P3.5T1（時器/計數器1數脈沖端）P3.6WR（部數據存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效）P3.7RD（部數據存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效）綜上所述，MCS51系列單片機的引腳作用可歸納為以下兩點：1).單片機功能多，引腳數少，因而許多引腳具有第2功能；2).單片機對外呈3總線形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時復用作為數據總線。2.4 溫度傳感器電路DS18B20溫度傳感器是美國達拉斯(DALLAS)半導體公司推出的應用單總線技術的數字溫度傳

21、感器。該器件將半導體溫敏器件、A/D轉換器、存儲器等做在一個很小的集成電路芯片上。本設計中溫度傳感器之所以選擇單線數字器件DS18B20，是在經過多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因：（1）系統的特性：測溫范圍為-55+125 ，測溫精度為士0.5；溫度轉換精度912位可變，能夠直接將溫度轉換值以16位二進制數碼的方式串行輸出；12位精度轉換的最大時間為750ms；可以通過數據線供電，具有超低功耗工作方式。（2）系統成本：由于計算機技術和微電子技術的發展，新型大規模集成電路功能越來越強大，體積越來越小，而價格也越來越低。一支DS18B20的體積與普通三極管相差無幾，價格只有十元人民

22、幣左右。（3）系統復雜度：由于DS18B20是單總線器件，微處理器與其接口時僅需占用1個I/O端口且一條總線上可以掛接幾十個DS18B20，測溫時無需任何外部元件，因此，與模擬傳感器相比，可以大大減少接線的數量，降低系統的復雜度，減少工程的施工量。（4）系統的調試和維護：由于引線的減少，使得系統接口大為簡化，給系統的調試帶來方便。同時因為DS18B20是全數字元器件，故障率很低，抗干擾性強，因此，減少了系統的日常維護工作。DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：單線數據傳輸總線端口DQ ，外供電源線VDD，共用地線GND。DS18B20有兩種供電方式：一種為數據線供電方式，此時VDD接地，它是

23、通過內部電容在空閑時從數據線獲取能量，來完成溫度轉換，相應的完成溫度轉換的時間較長。這種情況下，用單片機的一個I/O口來完成對DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，相應的完成溫度測量的時間較短。在本設計中采用外部供電方式實現DS18B20傳感器與單片機的連接，其接口電路如圖2-4所示。圖2-4 溫度傳感器接口2.5 系統電源電路的設計本系統采用電源穩壓芯片是LM2596，該開關電壓調節器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅動電流，輸入電壓是+5v,輸入電壓是+24v,同時具有很好的線性和負載調節特性。該器件內部集成頻率補償和固定頻率發生器，開關頻率為150

24、KHz，與低頻開關調節器相比較，可以使用更小規格的濾波元件。 該器件還有其他一些特點：在特定的輸入電壓和輸出負載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內；可以用僅80A的待機電流，實現外部斷電；具有自我保護電路（一個兩級降頻限流保護和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護電路）在該溫度控制系統中，其電源電路設計如下圖2-5所示。圖2-5 系統電源模塊圖2-6 液晶顯示接口電路2.6 LCD顯示電路本課題設計的溫度控制系統是采用液晶屏128*64作為顯示模塊，其接口原理圖如下圖2-6所示：2.7串口通訊電路本課題設計的通訊采用的是常見的串口

25、通訊，協議轉換芯片是采用MAX232A，其接口原理圖如下圖2-7所示：圖2-7 串口通訊接口電路2.8 按鍵接口電路本課題設計采用的鍵盤模塊，單片機應用系統中除了復位按鍵有專門的復位電路,以及專一的復位功能外,其它的按鍵或鍵盤都是以開關狀態來設置控制功能或輸入數據。 鍵開關狀態的可靠輸入 ：為了去抖動我采用軟件方法，它是在檢測到有鍵按下時，執行一個10ms的延時程序后，再確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態電平，如保持閉合狀態電平則確認為真正鍵按下狀態，從而消除了抖動影響在這種行列式矩陣鍵盤非編碼鍵盤的單片機系統中，鍵盤處理程序首先執行等待按鍵并確認有無按鍵按下的程序段。當確認有按鍵按下后，下一步就

26、要識別哪一個按鍵按下。對鍵的識別通常有兩種方法：一種是常用的逐行掃描查詢法；另一種是速度較快的線反轉法。對照圖示的4*4鍵盤，說明線反轉法工作原理。首先辨別鍵盤中有無鍵按下，有單片機I/O口向鍵盤送全掃描字，然后讀入行線狀態來判斷。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部列線置為低電平，然后將列線的電平狀態讀入累加器A中。如果有按鍵按下，總會有一根行線電平被拉至低電平從而使行線不全為1。判斷鍵盤中哪一個鍵被按下是通過將列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態來實現的。方法是：依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態，如果全為1，則所按下的鍵不在此列；如果不全為1，則所按下的鍵必在此列，而且是在與零電平

27、行線相交的交點上的那個鍵。鍵盤共有16個按鍵，用于方便設定溫度。90 ， 數字按鍵，輸入數字0-9；確認 ， 設置的確認，修改設置溫度時進行確認；清除 設置的清除，修改設置溫度時進行刪除；開啟 開啟電源關閉 關閉電源F1 顯示及設置轉換到溫度點1，按此按鍵后，顯示預設置溫度的數碼管閃爍；F2顯示及設置轉換到溫度點2，按此按鍵后，顯示預設置溫度的數碼管閃爍；圖2-8 鍵盤模塊電路2.9 DS1302時鐘電路本課題設計的時鐘是采用時鐘芯片DS1302，其接口原理圖如下圖2-9所示：圖2-9 時鐘接口電路 第三章 系統軟件設計3.1 主系統設計系統的軟件主要是采用C語言，對單片機進行變成實現各項功能

28、。主程序對模塊進行初始化，而后調用讀溫度、處理溫度、顯示、鍵盤等模塊。用的是循環查詢方式，來顯示和控制溫度，主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值并負責調用各子程序,其程序流程如圖3-1系統程序流程圖。 初始化 啟動DB18B20讀溫度計算溫度LCD顯示 圖3-1系統程序流程圖 3.2 子程序設計 3.2.1 溫度子程序 圖3-2 讀溫度流程圖 讀出溫度子程序的主要功能包括初始化,判斷DS18B20是否存在,若存在則進行一系列的讀操作若不存在則返回。程序流程圖如圖3-2所示。3.2.2 按鍵處理子程序主程序每循環一次都要對按鍵進行掃描,操作如圖3-3所

29、示。 圖3-3 溫度轉換流程圖3.2.3 顯示數據刷新子程序顯示數據刷新子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數據進行刷新操作，最高顯示位為0時符號顯示位移入下一位。程序流程圖如圖3-4。圖3-4 數據刷新子程序3.5 溫度測試單元采用溫度芯片DS18B20。使用集成芯片，能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，簡化電路的結構。 3.5.1 溫度控制器件電路單片機通過三極管控制繼電器的通斷，最后達到控制電熱器的目的。當溫度未達到要求時，單片機發送高電平信號使三極管飽和導通，繼電器使電源與電熱器接通，電熱器加熱。溫度慢慢升高。當溫度上升到預定溫度時，單片機發送低電平信號三極管進入截止狀態，繼電器的彈

30、片打到另一側，使電熱器與電源斷開，電熱器停止加熱。繼電器電路中有一個三極管8050的保護電路，即將一個二極管反向接到三機管的兩端。連接方法如圖3-5所示。圖3-5 單片機控制信號 其原理是：當繼電器突然斷電時，繼電器產生很大的反向電流。二極管的作用是將反向電流分流，使流過三級管8050的電流比較小，達到保護三極管8050的作用。3.6 七段數碼管顯示單元 本部分電路主要使用七段數碼管和移位寄存器芯片74LS164。單片機通過I2C總線將要顯示的數據信號傳送到移位寄存器芯片74LS164寄存，再由移位寄存器控制數碼管的顯示，從而實現移位寄存點亮數碼管顯示。由于單片機的時鐘頻率達到12M，移位寄存

31、器的移位速度相當快，所以我們根本看不到數據是一位一位傳輸的。從人類視覺的角度上看，就仿佛是全部數碼管同時顯示的一樣。當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QAQH）均為低電平。 串行數據輸入端（A，B）可控制數據。當 A、B 任意一個為低電平，則禁止新數據輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下 Q0 為低電平。當 A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數據，并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀態，邏輯封裝圖如圖3-6：圖3-6 邏輯封裝圖引出端符號：CLOCK 時鐘輸入端；CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效）；A，B 串行數據輸入端；QAQH 輸出端。真值表如圖3-

32、4-1所示。表3-4-1 真值表第四章 元器件調試4.1 調試產品 4.1.1 測試環境及工具 測試溫度：20.045.0 攝氏度。（模擬多點不同溫度值環境） 測試儀器:，溫度計0100 攝氏度，keil 51 軟件。測試方法：目測。4.1.2 溫度檢測部分測試 當環境溫度低于25 攝氏度是，蜂鳴器開始以慢“滴”聲報警，并且伴隨著P10口發光二極管閃爍（模擬開啟制熱設備），當環境溫度繼續降低到22 攝氏度時，蜂鳴器伴隨P10 和P11 口發光二極管一起閃爍（模擬加大制熱功率）。當環境溫度高于35攝氏度是，蜂鳴器開始以慢“滴”聲報警，并且伴隨著P12 口發光二極管閃爍（模擬開啟制熱設備），當環境

33、溫度繼續升高到37 攝氏度時，蜂鳴器伴隨P12 和P13 口發光二極管一起閃爍（模擬加大制熱功率）。4.1.3 電路主板測試我將電路主板通電后，發現電路不工作。于是我又測量AT89C51 芯片20 腳和40腳之間發現無5V 電壓。由此可見，電源回路有問題。于是我仔細檢查了回路發現20腳的地線沒有與其他地線相連，將其接好發現工作正常。結 論在工業生產和日常生活中，對溫度控制系統的要求，主要是保證溫度在一定溫度范圍內變化，穩定性好，不振蕩，對系統的快速性要求不高。在論文中簡單分析了單片機溫度控制系統設計過程及實現方法。本系統的測溫范圍為-1040，溫度檢測系統根據用戶設定的溫度范圍完成一定范圍的溫

34、度控制。89S51的時鐘最高可達12M，I/O口可達32個，高的時鐘頻率和豐富的I/O，都為我們實現電路功能提供了非常有利的條件。同時也因為開發環境友好，易用，方便，大大加快本系統設計開發。本制作的設計中使用了繼電器控制的只是插座電路，因此，該系統的可擴展性很強。隨著插入插座的電器的不同，可以實現許多其它功能的電路。 通過此次畢業論文的課題設計，我們學會了怎樣把所學的書本知識應用于實踐中去，并學會了如何去思考整個控制系統的軟硬件設計。實踐過程中我們遇到了一些困難，但在解決問題的過程中，我們學會了團隊合作精神和怎樣發現問題、分析問題，進而解決問題。此次課程設計不僅增強了我們學習專業課的興趣，而且給了我們勇氣和信心，更重要的是它為我們以后的學習指明了方向。致 謝本論文是在我的指導老師密切關心和悉心指導下完成的。老師在論文寫作的過程中給予了我許多指導，導師總是以認真負責、一絲不茍的工作態度閱讀并修改文