基于单片机的暖风机设计.docx

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基于单片机的暖风机设计

毕业论文

题目:

基于单片机的暖风机设计

摘要

本文设计了一种以AT89S52单片机为核心的低成本、高精度、微型化LED显示温湿度监测系统，并使用一些常用芯片如：

DS18B20、GHS-20E等。

系统由单片机、温度检测电路、电机驱动电路、报警电路以及显示电路构成。

由芯片AT89S52控制温湿度传感器检测到的温湿度值进行存储转换，从而在显示电路中数码管中显示出来。

本系统具有易安装检测、软件功能完善，工作可靠、准确度高等优点。

本文论述了单片机技术研制成功的暖风机的监测系统的基本原理，温湿度传感器信号采集通过单片机来实现方案。

采用软件校正，提高了测量精度和整机的可靠性。

实际使用表明，极大的提高了安全性、可靠性和准确度。

关键词：

暖风机，温湿度传感器，单片机AT89S52

第1章概述

1.1选题背景

带液晶显示屏的暖风机，越来越受到用户的欢迎，配合液晶屏显示，可显示环境温度及设定状态，大大方便了产品的使用。

目前，各大厂商为了在市场上占有一席之地，纷纷在遥控型暖风机的性能参数标准，重量，体积，厚度，色彩，价格大大下功夫。

如：

海宝驰的奔驰暖风取暖器NSB-200遥控型暖风机，SANYO的三洋暖风机R-P201MR等，样式新颖，都占有很高的性价比。

消费者可以量身挑选适合自己的。

1.2设计过程及工艺要求

一、基本功能

~吹出恒定的暖风

~检测温度

~显示温度

~过限报警

二、主要技术参数

~温度检测范围：

0℃-+50℃

~测量精度：

0.5℃

~检测精度：

1%RH

~显示方式：

温度：

二位显示湿度：

四位显示

~报警方式：

三极管驱动的蜂鸣音报警

1.3设计的重点与难点

本设计的任务是设计一个暖风机系统，可以应用于温湿度有一定要求的区域。

测量时能够清晰稳定地显示出监测结果。

系统组成的设计：

各部分硬件的选取很有讲究，要十分合理。

设计的难点是：

1、温度湿度模块设计

2、电机驱动模块

3、显示电路设计

4、流程图及程序的设计

第2章方案论证与比较

当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。

对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。

传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。

工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

2.1温度传感器的选择

方案一：

采用热电阻温度传感器。

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。

按IEC标准测温范围-200～650℃，XX电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002|t|），B级为±（0.3℃+0.005|t|）。

铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。

在工业中用于-50～180℃测温。

方案二：

采用DS18S20，独特的单线接口，多点能力使分布式温度检测应用简单，不需要外部元件和备份电源，可用数据线供电，测量范围从-55～+125℃，增量值为0.5℃，并且以9位数值方式读出温度且可在1秒内把温度变成数字。

综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。

2.2电机选择与论证

方案一：

采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。

另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。

但是步进电机价格昂贵。

方案二：

采用直流伺服电机，直流伺服电机具有优良的速度控制性能，它输出较大的转矩，直接拖动负载运行，同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节，在很多方面具有优越性，但是直流伺服电机价格昂贵，且不易购买。

方案三:

采用普通的直流电机，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求，且价格实惠，容易购买。

由于普通的直流电机价廉物美，且能完成所需的功能，故我们采用方案三作为小车的动力源。

2.2测速模块：

方案1：

采用采用霍尔开关元器件A44E检测轮子上的小磁铁从而给单片机中断脉冲，达到测量速度的作用。

霍尔元件具有体积小，频率响应宽度大，动态特性好，对外围电路要求简单，使用寿命长，价格低廉等特点，电源要求不高，安装也较为方便。

霍尔开关只对一定强度的磁场起作用，抗干扰能力强，因此可以在车轮上安装小磁铁，而将霍尔器件安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。

2.3.2方案2：

采用红外传感器进行测速。

但无论是反射式红外传感器还是对射式红外传感器，他们对都对外围环境要求较高，易受外部环境的影响，稳定性不高，且价格较为昂贵。

通过对方案1、方案2的比较其优缺点，综合多方面因素决定选用方案1，其原理图接线如（图5）所示：

（图5）

第3章系统总体设计

3.1系统设计

本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以AT89S52基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、按键及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。

见图3.1所示：

图3.1系统总体框图

本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。

（一）信号采集由红外传感器、DS18B20及TLC549组成；

（二）信号分析由A/D转换器TLC549、单片机89S52基本系统组成；

（三）信号处理由串行口LED显示器和报警系统等组成。

3.2芯片AT89S52介绍

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

由于此单片机应用在仓库温湿度检测上，所以本设计选用了低功耗、高性能、低价格、小管脚（40脚）的AT89S52单片机。

如图3.2所示：

：

图3.2AT89S52芯片引脚图

AT89S52具有以下标准功能：

8k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，AT89S52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。

引脚功能介绍

1.Vcc：

电源电压。

2.GND：

地。

3.P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

4.P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3.1所示:

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

表3.1P1口的第二功能

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

5.P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

6.P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3.2所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

表3.2P3口的第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INTO（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

TO（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

RST——复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG——当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

3.3传感器的介绍

3.3.1传感器的定义及作用

一、广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。

国际电工委员会（IEC:

InternationalElectrotechnicalCommittee）的定义为：

“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。

按照Gopel等的说法是：

“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器”。

传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测信号输入的第一道关口。

二、传感器的作用

1.信息的收集；

2.信息数据的交换；

3.控制信息的采集。

3.3.2传感器的特性

1、灵敏度高、可靠性强、稳定性好；

2、防尘耐湿、耐高低温、耐冲击、耐振动等严酷环境条件；

3、收发兼用，使用方便。

3.3.3温度传感器DS18B20

数字温度传感器DS-18B20是美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

一、主要特性

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温。

这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作，由DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。

数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机。

（1）DS18B20的性能特点如下[9]：

1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

2）多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；

3）无须外部器件；

4）可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V；

5）零待机功耗；

6）温度以3位数字显示；

7）用户可定义报警设置；

8）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；

9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

（2）DS18B20的内部结构

DS18B20采用3脚PR－35封装，DS18B20的内部结构，如图3.3所示

图3.3DS18B20封装

图3.4DS18B20内部结构

二DS18B20的工作原理

1DS18B20的工作时序　　

根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换须经过三个步骤：

1）.每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位；

2）.复位成功后发送一条ROM指令；

3）.最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待15～60微秒左右后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，具体工作方法见图3.5，3.6，3.7所示。

（1）初始化时序

图3.5初始化时序

总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，主机响应应答脉冲。

应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。

主机输出低电平，保持低电平时间至少480us，以产生复位脉冲。

接着主机释放总线，4.7KΩ上拉电阻将总线拉高，延时15～60us，并进入接受模式，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时480us[12]。

（2）写时序

图3.6写时序

写时序包括写0时序和写1时序。

所有写时序至少需要60us，且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间，都是以总线拉低开始。

写1时序，主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us。

写0时序，主机输出低电平，延时60us，然后释放总线，延时2us[8]。

（3）读时序

图3.7读时序

总线器件仅在主机发出读时序是，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。

所有读时序至少需要60us，且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。

每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us。

主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线状态。

主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取总线当前电平，然后延时50us[4]。

2ROM操作命令

当主机收到DSl8B20的响应信号后，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如表3.1.3：

ROM操作命令。

三DS18B20的测温原理

每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。

主机在进入操作程序前必须用读ROM（33H）命令将该DSl8B20的序列号读出。

程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。

DS18B20的测温原理如图3.9所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。

计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图3.5中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。

操作协议为：

初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

见图3.8所示：

图3.8DS18B20测温流程

图3.9测温原理内部装置

3.3.4TLC549特性

一．A/D转换器的特点

TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片.可与通用微处理器控制器通过I/OCLOCKCSDATAOUT三条口线进行串行接口.具有4MHZ片内系统时钟和软.硬件控制电路.转换时间最长45500次/S,TLC549允许的最高转换速率为.40000次/S.TLC549为40000次/S.总失调误差最大为?

+-0.5LSB.典型功耗值为6MW采用差分参考电压高阻输入.抗干扰.可按比例量程校准转换范围。

为了把湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理，本系设计选用了A/D转换器TLC549，它片型小.采样速度快.功耗低.价格便宜.控制简单。

二．TLC549转换器件简介

TLC549的内部框图和引脚名称如图3.10所示:

图3.10TLC549转换器的内部逻辑框图

TLC549均有片内系统时钟.该时钟与I/OCLOCK是独立工作的.无须特殊的速度或相位匹配"其工作时序如图3.11所示,当CS为高时.数据输出.（DATAOUT）.端处于高阻状态.此时I/OCLOCK不起作用"这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时.共用以减少多路.片A/D并用时的I/O控制端口.一组通常的控制时序为:

（1）.将CS置低"内部电路在测得£³下降沿后.再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后.然后确认这一变化.最后自动将前一次转换结果的最高位（D7）位输出到DATAOUT端上.

（2）前四个I/OCLOCK周期的下降沿依次移出第2.3.4和第5个位（DD6.D5D4.D3）片上采样保持电路在第4个I/OCLOCK下降沿开始采样模拟输入.

（3）接下来的3个I/OCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8（D2、D1、D0）个转换位

图3.11工作时序图

（4）最后.片上采样保持电路在第8个I/OCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8（D2、D1、D0）个转换位"保持功能将持续4个内部时钟周期，.然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换"第8个I/OCLOCK后CS必须为高.或I/OCLOCK保持低电平.这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成"如果CS为低时I/OCLOCK上出现一个有效干扰脉冲.则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步.若CS为高时出现一次有效低电平.则将使引脚重新初始化.从而脱离原转换过程。

在36个内部系统时钟周期结束之前.实施步骤

（1）~~（4）,可重新启动一次新的A/D转换.与此同时.正在进行的转换终止.此时的输出是前一次的结果而不是正在进行的转换结果。

若要在特定的时刻采样模拟信号应使第8个I/OCLOCK时钟的下降沿与该时刻对应.因为芯片虽在第4个I/OCLOCK时钟下降沿开始采样.却在第8个I/OCLOCK的下降沿开始保存。

3.5显示电路的设计

LED数码显示管有两种，一种是共阳极数码管，其内部是由八个阳极相连接的发光二极管组成；另一种是共阴极数码管，其内部是由四个阳极相连接的发光二极管组成。

二者原理不同但功能相同。

其外形和内部结构如下图3.13所示：

图3.13LED的管脚和电路原理

共阳极LED数码显示管是将二极管的阳极连接在一起，形成共阳极LED数码显示块的公共端，该公共端接+5v，在共阳极LED数码显示块中如某个发光二极管的阴极为低电平时，该发光二极管被点亮；而共阴极LED数码显示块的发光二极管阴极连接在一起，形成该模块的公共端（通常称为位选端），因此称为共阴极LED数码显示器，8个数码管的另一端通常称为段选端，当显示器的公共端接低电平，某个发光二极管的阳极接高电平时，该发光二极管被点亮。

用单片机驱动LED数码管分为静态显示和动态显示。

静态显示就是显示驱动电路具有锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下次显示时再传送一次新的显示数据。

静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。

静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口，该接口用于笔划段字型代码。

这样单片机只要把显示的字形代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字形。

要显示新的数据时，单片机再发送新的数据。

另一种方法是动态扫描显示。

由于单片机本生具有较强的逻辑控制能力，所以采用动态扫描软件译码并不复杂。

而且软件译码其译码逻辑可随意编程设定，不受硬件译码逻辑限制。

采用动态扫描软件译码地方式能大大简化硬件电路结构，降低系统成本。

它用分时地方法轮流控制各个显示器地COM端，使各个显示器轮流点亮。

在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。

静态显示数据稳定，占用很少的CPU时间，但