冬枣保鲜库恒温控制系统设计方案.docx
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冬枣保鲜库恒温控制系统设计方案
冬枣保鲜库恒温控制系统设计方案
第一章绪论
第一节冬枣保鲜库恒温控制系统概述
本毕业设计的冬枣保鲜库恒温控制系统，是面向冬枣果农的小型保鲜库。
它以单片机为核心，利用其他温度检测元件和执行机构及时、自动地对保鲜库进行温度控制，从而提高保鲜能力，延长保鲜时间，带来更大的经济效益。
该系统有键盘可以进行很方便地控制，实现以下功能：
被控温度设定，控制精度设定，对温度采样点的查询，并能显示数据。
由于是面向普通果农的，考虑果农的实际的可投资额，尽量在不降低系统性能的前提下，采用价格低的元器件，降低了整个系统的造价，节省投资。
该系统采用8031单片机，下面对此做详细介绍。
第二节单片机的特点
所谓单片机，就是把中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）、随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器（ReadOnlyMemory）、定时器／计数器以及I/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义。
单片机的主要功能在于实现计算机控制，现在单片机的应用日益广泛深入，诸如在仪器仪表，家用电器和专用装备的智能化，在过程控制方面单片机也扮演着越来越重要的角色。
单片机是微型机的一个分类，它的应用系统也包括硬件系统和软件系统。
硬件系统和微型机一样。
软件系统只有监控程序和目标码的应用程序。
概括地说，单片机具有以下五个主要特点：
1.受集成度限制，片内存储器容量较小。
一般ROM小于8K字节，RAM小于256字节，但可在外部进行扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64K字节或128K字节。
2.可靠性好。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗干扰优于一般的通用的CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中不易被损坏；许多信号通道均在同一个芯片内，故可靠性高。
3.易扩展。
片内具有计算机正常运行所必须的部件。
芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
4.控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机指令系统中均有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作及位处理功能。
一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。
5.一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置有用户调试好的应用程序。
第三节 单片机在冬枣保鲜库恒温控制系统中的应用
单片机具有功能强、体积小、结构紧凑、性能/价格比高等优点，因此很适合用于智能控制系统。
在冬枣保鲜库恒温控制系统中，单片机的应用主要有以下几点：
1.系统控制与管理
该系统的控制和管理由单片机进行，在测量过程中能够自动启动信号采样，数据处理完毕后，发出信号驱动执行机构动作，并对键盘的命令及时响应、识别和处理。
2.数据处理
数据处理是计算机的独特功能，是其它各种仪器设备无法实现的。
在测量过程中，单片机承担了全部的计数、计时和数据处理任务，并存储重要的设定值和精度值。
第二章 方案构思与选择
方案构思与选择是本设计中十分重要的一环，是影响性能/价格的主要因素。
在进行方案构思与选择时，应考虑到如下几个方面的问题：
1. 采用新颖测量方法。
首先必须选择最合适的测量原理，以充分利用微机的运算和控制功能，从而简化其他硬件电路，提高测量精度和仪器性能
2. 操作性要好。
操作性好，包括两个方面含义，即使用方便和维护容易。
3. 可靠性高。
可靠性高是对系统设计最重要的一个基本要求。
4. 价格要便宜。
在满足精度、速度等同等条件下，尽可能采用价格低的元器件，以降低整个系统的费用。
第一节 设计目的
冬枣的保鲜期短，常温下仅能保鲜6-7天，超期则变软，失去经济价值，为了提高市场竞争能力，需要延长保鲜期，故一个合适的保鲜库是很重要的。
既要满足保鲜的要求而且果农能负担得起投资，并有较高的效益。
有资料显示，保鲜库温度控制16℃以下，冬枣可贮存1个月；用0.03mmPVE塑料袋包装，温度控制在0-1℃，可贮存2个月。
因此，在计算机技术广泛应用的现在，我们不难设计一个以微处理器为核心的数字式恒温控制系统，以对温度进行测量，这样不但测量结果精确，而且可靠性高，控制及时，价格便宜，使用起来灵活方便，降低人工强度。
由于此测量装置是以单片计算机8031为处理器，具有工业上稳定和可靠的优点，因此具有适合恶劣的工作环境的特点。
第二节 设计要求
在进行设计时把要实现的任务与功能合理的分配给硬件和软件。
这其中既要考虑到满足精确性、可靠性、实时性的要求，又要做到硬件软件合理，尽可能地提高性能/价格比。
硬件的设计主要采用大规模集成电路，软件的设计主要采用MCS―51汇编语言。
第三节 硬件的选择
根据设计要求，本系统所要求的控制精度不是很高，所以在选择硬件时选用了一些价格低廉性能基本符合要求的元器件。
选用8031单片机、2764ROM、A/D转换器ADC0809、LED显示电路和热敏电阻及声光报警器等元器件达到设计要求。
该系统的适时数据处理量不大，所以没有选用外部RAM，A/D转换器也只是8位转换。
在此控制系统中，应用8031最小系统对各采样点、设定值、精度值的温度及时、准确的储存和数据处理控制。
通常的单片机应用系统中，使用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。
由于只是对温度值进行显示，所以选择LED显示器进行数字显示即可。
对最主要的控制对象——温度，采用四个热敏电阻分布式采样，用A/D转换器ADC0809进行模／数转换。
当系统发现被控温度异常时，声光报警器及时发出信号。
由于本次设计是理论设计，故对热敏电阻、声光报警器等没有具体指明是何种器件。
第四节 软件的设计
由于温度对象是比较难控制的，滞后很大，而且保鲜库现场的环境封闭性较高，因此在对温度的检测和控制上结合实际情况以方便编程为主，对可能发生的环境温度进行测量和显示，并在温度异常时报警。
以负反馈控制理论为指导，当库内的温度与设定值的偏差在经过控制算法计算后超过控制精度二倍的时候，发出控制信号，采取相应的升温或降温手段，单片机不断地对四路采样信号进行采样和计算，在库温与设定值还存在较小偏差时，停止升温或降温动作，防止调节过度。
软件设计的具体程序图和详细说明请参照第四章：
冬枣保鲜库恒温控制系统软件设计。
第三章 冬枣保鲜库恒温控制系统硬件电路介绍
冬枣保鲜库恒温控制系统硬件电路大体上可分为四个部分，即8031最小系统、热敏电阻温度传感部分、LED显示器、A/D转换器。
下面分别介绍这几部分的结构原理。
第一节8031最小系统
一、8031最小应用系统的构成
8031是片内无程序存储器的供应状态芯片，因此其最小应用系统必须在片外扩展EPROM。
图3-1为外接程序存储器的最小应用系统。
片外8K字节单元地址要求地址线13根（A0~A12），它由P0口和P2.0~P2.4组成。
地址锁存信号为ALE。
程序存储器的选取信号为PSEN，由于程序存储器只有一片，故其片选信号直接接地。
8031芯片本身的连接除EA必须接地，表明选择外部存储器外，还必须有复位和时钟电路。
二、8031单片机的基本组成
8031单片机的基本组成见图3-2。
`
各部分介绍如下：
1.中央处理器（CPU）
中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。
8031的CPU能处理8
位的二进制数或代码。
2.内部程序存储器（内部RAM）
8031芯片内部共有256个RAM单元，但其中后128个单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128个单元，用于存放可读写的数据。
因此通常所说的内部数据存储器是指前128单元，简称内部RAM。
3.内部程序存储器（内部ROM）
8031内部没有专用的程序存储器，必须依靠外部芯片来扩展其程序存储器。
4.定时器/计数器
8031共有2个16位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计时结果对计算机进行控制。
5.并行I/O口
8031共有四个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入输出。
6.串行口8031单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。
该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。
7.中断控制系统
8031单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。
8031共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。
全部中断分为高级和低级共二个优先级别。
8.时钟电路
8031芯片内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。
系统允许的最高晶振频率为12MHz。
从上述内容可以看出，8031虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此实际上它已是一个简单的微型计算机了。
三、 8031的信号引脚
8031是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请见图3-3。
1.信号引脚介绍
P0.0~P0.7P0口8位双向口线
P1.0~P1.7P1口8位双向口线
P2.0~P2.7P2口8位双向口线
P3.0~P3.7P3口8位双向口线
ALE地址锁存控制信号
在系统扩展时，ALE用于控制把
P0口输出的低8位地址送锁存器锁存
起来以实现低位地址和数据的隔离。
此外由于ALE是以晶振频率六分之一
的固定频率输出的正脉冲，因此可作
为外部时钟或外部定时脉冲使用。
PSEN外部程序存储器读选通信
号在读外部ROM时PSEN有效，以实
现外部ROM单元的读操作。
EA访问程序存储器的控制信号
当EA信号为低电平时，对ROM
的读操作是从内部程序存储器开始，并
可延至外部程序存储器。
RST复位信号
当输入的复位信号延续2个机器周
期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。
XTAL1和XTAL2外接晶体引线端
当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
Vss地线
Vcc+5V电源
以上就是8031单片机芯片40引脚的定义及简单功能说明。
2.信号引脚的第二功能
由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限的。
例如8031系列把芯片引脚数目限定为40条，但单片机为实现其功能所需要的数目却远远超过此数目，因此就出现了需要与可能的矛盾。
如何解决这个矛盾？
“兼职”是唯一可行的办法，即给一些信号引脚赋以双重功能。
如果把前述的信号定义为引脚的第一功能的话，则根据需要再定义的信号就是它的第二功能。
下面介绍xx些信号引脚的第二功能。
口线
第二功能
信号名称
P3.0
RxD
串行数据接收
P3.1
TxD
串行数据发送
P3.2
INT0
外部中断0申请
P3.3
INT1
外部中断1申请
P3.4
T0
定时器/计数器0计数输入
P3.5
T1
定时器/计数器1计数输入
P3.6
WR
外部RAM写选通
P3.7
RD
外部RAM读选通
表3-1P3口的第二功能
（1）P3口线的第二功能
P3口的8条口线都定义有第二功能，详见表3-1。
（2）EPROM存储器程序固化所需要的信号
有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉和编程电源，这些信号也是由信号引脚以第二功能的形式提供的，即：
编程脉冲：
30脚（ALE/PROG）
编程电压（25V）31脚（EA/Vpp）
（3）备用电源引入
8031单片机的备用电源也是以第二功能的方式由9脚（RST/VPD）引入的。
当电源发生故障电压下降到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。
以上把8031单片机的全部信号，分别以第一功能和第二功能的形式给出。
对于9、30和31各引脚，由于第一功能信号第二功能信号是计算机在不同工作方式下的信号，因此不会发生使用上的矛盾。
但是P3口的情况却有所不同，，它的第二功能信号都是单片机的重要控制信号。
因此在实际使用时，都是先按需要选用第二功能信号，剩下的口线才以第一功能的身份作数据位的输入输出使用。
四、8031的复位工作方式
8031单片机共有复位、程序执行、单步执行、掉电保护、低功耗以及EPROM编程和校验等6种工作方式。
这里只介绍复位方式。
1.复位操作
复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统进入死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动。
除了PC之外，复位操作还对一些专用寄存器有影响，它们的复位状态如下：
PC0000HTCON00H
ACC00HTL000H
PSW00HTH000H
SP00HTL100H
DPTR0000HTH100H
P0~P3FFHSCON00H
IP××000000BSBUF不定
IE0×000000BPCON0×××0000B
TMOD00H
复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响。
2.复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即2个机器周期以上），若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
整个复位电路包括芯片内外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送史密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对史密特触发器的输出进行采样。
然后得到内部复位操作所需要的信号。
3.复位方式
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通实现的，而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。
五、8031的时钟电路
在8031芯片内部有一个高增利益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。
而在芯片外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路。
时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频后，才成为单片机的时钟脉冲信号。
一般电容C1和C2取30pF左右。
晶体的振荡频率范围是1.2MHz~12MHz。
晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运转速度也就快。
但反过来运行速度快对存储器的要求就高，对印刷板的工艺要求也高（线间寄生电容要小）。
8031在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体，而12MHz主要是在高速串行通信的情况下才使用。
六、8031的定时器/计数器
1.定时方法概述
在单片机的应用中，可供选择的定时方法有：
（1）软件定时
软件定时是靠执行一个循环程序以进行时间延迟。
软件定时的特点是时间精
确，且不需外加硬件电路。
但软件定时需占用CPU从而增加CPU开销，因此软件定时的时间不宜太长。
此外软件定时方法在xx些情况下无法使用。
（2）硬件定时
对于时间较长的定时，常使用硬件电路来完成。
硬件定时方法的特点是定时功能完全由硬件电路完成，不占CPU时间。
但通
过改变电路中的元件参数来调节定时时间，在使用上不够灵活方便。
（3）可编程定时器定时
这种定时方法是通过对系统时钟脉冲的计数来实现的。
计数值通过程序来设
定，改变计数值，也就改变了定时时间，使用起来既灵活又方便。
此外，由于采
用计数方法来实现定时，因此可编程定时器都兼有计数功能，可以对外部脉冲进行计数。
在单片机应用中，定时与计数的需求较多，为了使用方便并增加单片机的功能，就把定时电路集成在芯片中，称之为定时器/计数器。
8031单片机内部有两个定时器/计数器。
2. 定时器/计数器的定时计数功能
作为基本内容，8031单片机共有两个可编程的定时器/计数器，分别称定时器/计数器0和定时器/计数器1。
它们都是16位加法计数结构，分别由TH0和TL0及TH1和TL1两个8位计数器构成。
8031的每个定时器/计数器都具有定时和计数两种功能。
（1）计数功能
所谓计数是指对外部事件进行计数。
外部事件的发生以输入脉冲表示，因此
计数功能的实质就是对外来脉冲进行计数。
8031芯片有T0（P3.4）和T1（P3.5）两个信号引脚，分别是这两个计数器的计数输入端。
外部输入的脉冲在负跳变时有效，进行计数器加1。
计数方式下，单片机在每个机器周期的S5P2节拍对外部计数脉冲进行采样。
如果前一个机器周期采样为高电平，后一个机器周期采样为低电平即为一个有效的计数脉冲。
在下一机器周期的S3P1进行计数。
可见采样计数脉冲是在二个机器周期进行的。
鉴于此，计数脉冲的频率不能高于振荡脉冲频率的1/24。
（2）定时功能
定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过这时的计数脉冲来自单机内
部，即每个机器周期产生一个计数脉冲。
也就是每个机器周期计数器加1。
由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。
如果单片机采用12MHz晶振，则计数频率为1MHz。
即每微秒计数器加1。
这样不但可以根据计数值计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的预置值。
3.定时器/计数器控制寄存器
与定时器/计数器有关的控制寄存器有：
（1）定时器控制寄存器（TCON）
TCON寄存器既参与中断控制又参与定时控制。
其中有关定时的控制位有四位：
TF0（TF1）——计数溢出标志位
当计数器溢出（计满）时，该位置1。
使用查询方式时，此位作状态位供查询，但应注意查询有效后应以软件方法将该位清0；使用中断方式时，此位作中断标志位，在转向中断服务程序时由硬件自动清0。
TR0（TR1）——定时器运行控制位
TR0（TR1）=0停止定时器/计数器工作
TR0（TR1）=1启动定时器/计数器工作
该位根据需要以软件方法使其置1或清0。
（2）工作方式控制寄存器（TMOD）
TMOD寄存器是一个专用寄存器，用于控制两个定时器/计数器的工作方式。
但TMOD寄存器不能位寻址，只能用字节传送设置其内容。
各位定义如下：
位序
B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
B0
位符号
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
从寄存器的位格式中可以看出，它的低半字节定义定时器/计数器0，高半字节定义定时器/计数器1。
其中：
GATE——门控位
GATE=0以运行控制位TR0（TR1）启动定时器
GATE=1以外中断请求信号（INT0或INT1）启动定时器
C/T——定时方式或计数方式选择位
C/T=0定时工作方式
C/T=1计数工作方式
M1M0——工作方式选择位
M1M0=00方式0
M1M0=01方式1
M1M0=10方式2
M1M0=11方式3
（3）中断允许寄存器（IE）
EA——中断允许总控制位
ET0（ET1）——定时/计数中断允许控制位
ET0（ET1）=0禁止定时/计数中断
ET0（ET1）=1允许定时/计数中断
七、8031定时器计数器工作方式
8031的定时器计数器共有四种工作方式，在冬枣保鲜库恒温控制系统的设计中主要应用了定时器的工作方式1，下面主要介绍方式1。
方式1是16位计数结构的工作方式，计数器由低8位TL和高8位TH构成。
图3-4是定时器/计数器0在工作方式1的逻辑结构（定时器/计数器1也与此相同）。
如图所示，当C/T=0时，多路开关接通振荡脉冲的十二分频输出，16位计数器以此计数，这就是定时工作方式。
当C/T=1时，多路开关接通计数引脚（T0），外部计数脉冲由引脚T0输入。
当计数脉冲发生负跳变时，计数器加1，这就是计数工作方式。
不管是哪种工作方式，当TL的计数溢出时，就会向TH进位，而全部16位计数溢出时，则向计数溢出标志位TF进位。
这里说明一下工作方式控制寄存器中门控位（GATE）的功能。
当GATE=0时，由于GATE信号封锁了或门，使引脚INT0无效。
而这时或门输出端的高电平状态却打开了与门，因此可以由TR0的状态来控制计数脉冲的接通与断开。
这时如果TR0=0，则断开模拟开关，停止计数，定时器/计数器不能工作。
因此在单片机的定时或计数应用中要注意GATE位的清0。
当GATE=1，同时又TR0=1时，有关电路的或门和与门全部打开，计数脉冲的接通与断开由外引脚INT0控制。
当该信号为高电平时计数器工作，而当该信号为低电平时计数器停止工作。
当为计数工作方式时，计数值的范围是：
1~65526（216）
当为定时工作方式时，定时时间计算公式为：
（216－计数初值）×晶振周期×12
或（216－计数初值）×机器周期
其时间单位与晶振周期或机器周期相同。
八、74LS373简介
74LS373是八D锁存器，对于置数全部并行存取。
三态输出控制、允许。
其功能表如下：
三态允许控制端
锁存允许端
D
输出
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
×
Q0
H
×
×
Z
表3-274LS373功能表
74LS373的引脚如图3-5所示。
这个八位的寄存器的特点是
专为驱动大电容或相对低阻抗的
负载而设计的三态输出，高阻抗
的第三状态被提高的逻辑电平驱
动，给这一寄存器提供如下能力：
即不需要接口上拉部件。
在总线
结构中，74LS373可以直接接到
总线上，并驱动总线。
对于用作
缓冲寄存器、I/O通道、双向总
线驱动器及工作寄存器，特别有
吸引力。
LS373是透明D型锁存器，即当允许端（G）为高电平时，Q输出将随数据（D）输入。
当允许端为低电平时，输出端将被锁存在已经建立起的数据电平上。
九、2764EPROM存储器
2764是一种8K×8位的紫外线电擦除可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75ma，维持电流为35ma，读出时间最大为250ns。
2764为28线双列直插式封装，其管脚配置如图3-6所示。
第二节LED显示电路
通常的七段LED显示块中有七个发光
二极管构成，因此也称之为七段LED显示
器，其排列见图3-7。
此外，显示器中还有一个圆点型发光
二极管（在图中以dp表示），用于显示小
数点。
通过七段发光二极管亮暗的不同组
合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。
第三节A/D转换器
一、A/D转换器概述
A/D转换器用于实现模拟量到数字量的转换，按转换原理可分为四种，即：
计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。
目前最常用的是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。
双积分A/D转换器的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜；但转换速度较慢。
因此这种转换器主要用于速度要求不高的场合
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