室内温度自动调节控制系统课程设计.docx
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室内温度自动调节控制系统课程设计
室内温度自动调节控制系统
摘要
在人们日常生产及生活过程中，经常要用到温度的检测和控制。
随着微型计算机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，室内温度自动检测控制方面的研究有了很大进展。
同时现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏越来越快。
本次课程设计是基于STC89C52单片机基础板所做的温度检测调节系统，不仅对于学习单片机技术等专业知识有实际意义，而且还可以增强动手能力。
这次设计的系统，硬件电路主要包括单片机最小系统电路，温度采集电路，显示电路，语音播报电路，按键电路，继电器电路等。
软件程序主要包括主程序，读出温度子程序，计算温度子程序，显示温度刷新子程序，语音播报程序等。
我们利用DS18B20温度传感器采集温度通过STC89C5单片机系统在应用板上利用LCD1602液晶显示屏显示实时测得的温度，通过程序进行语音播报；当温度超过设定的上限时，继电器闭合，并驱动动机工作，以实现降温。
经过调试，结果显示LCD屏准确显示了室温，并能进行语音播报。
当温度超过设定上限时，继电器闭合，风扇工作，开始降温；实现了系统设计要求的功能。
关键词：
室内温度，自动控制，STC89C52单片机，语音播报。
0前言
在信息高速发展的今天，科学技术日新月异，科技的进步带来了测量技术的发展，现代控制设备发生了翻天覆地的变化。
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中室内温度检测就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
温度是一个永恒的话题和人们生活环境有着密切关系的物理量，是国际单位制的七个基本单位之一，作为各种信息的感知、采集、转换的功能器件温度传感器的作用日显突出，温度的检测与控制是日常生活中比较典型的应用。
如在日常生活中测量并记录室内的温度，可以了解室内温度变化情况。
而我们所要设计的系统正是进行温度的检测，并实现自动控制室温。
1总体方案设计
1.1设计方案论证
针对本课题的设计任务，进行分析得到：
本次设计用温度传感器进行温度的测量，转化了的温度信号由传感器直接得到了数字信号。
该数字温度显示电路的设计，在总体上大致可分为以下几个部分组成：
1.单片机控制电路；2.温度传感器；3.LCD显示电路。
方案一
由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
方案二
进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，DS18B20为常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。
所以采用温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。
从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。
本文设计的室温自动控制系统原理框图如图1所示。
图1系统原理框图
1.2主控制器
控制器芯片种类很多，有凌阳公司的16位单片机，也有51系列的单片机。
方案一：
选用AT89C51，该芯片能使用C语言进行程序的编写，方便阅读。
但是，其集成程度低，功能单一，需要使用到其它功能时，只能通过扩展外电路来实现，使得整个电路复杂，成本高，稳定性低。
同时，I/O口输出功率小，一般器件都需要加驱动才能够正常使用。
方案二：
STC89C52RC是微处理器低功耗，超低价高速（0-90M），高可靠5V工作电压单片机，使产品更小，因为本系统要求的性能不是太高，而且处于模拟阶段，利用单片机芯片就可以控制。
其中单片机的更轻，功耗更低，如果相关新增功能没有用到，则不需看相应部分。
用STC提供的STC-ISP.exe工具可以将原有的代码下载进STC相关的单片机即可，内部Flash擦写次数为100,000次以上。
用户程序是用ISP/IAP机制写入，一边校验一边写，无读出命令。
综合考虑我们选择方案二STC89C52RC作为我们的主控芯片。
1.3LCD液晶显示
因为LCD1602液晶显示屏具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特性，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，且1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字），所以选择其进行实时温度显示。
图2LCD1602液晶显示屏
1.4温度传感器
温度传感器DS18B20结构图如图3所示，引脚左负右正，一旦接反就会立刻发热，有可能烧毁。
同时，接反也是导致该传感器总是显示85℃的原因。
正确接法：
面对着扁平的那一面，左负右正。
DS18B20的性能特点如下[1]：
a．独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
b．多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
c．无须外部器件；
d．可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；
e．零待机功耗；
f．温度以９或１２位数字；
g．用户可定义报警设置；
h．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；
i．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；
DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。
因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８字节保留未用，表现为全逻辑１。
第９字节读出前面所有８字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第１、２字节。
单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。
当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。
如图表1，DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。
若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。
因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。
主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
保留
保留
CRC
表1
DS18B20的测温原理是这这样的,器件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振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。
器件中还有一个计数门，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℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，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计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。
2硬件电路设计
2.1.主控制器
单片机STC89C52RC具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
STC89C52RC是一种低功耗，高性能的8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STC89C52RC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。
该单片机的最小系统包括电源部分，串口部分，单片机部分，晶振电路和复位电路。
最小系统原理图如图4所示[2]。
图4最小系统原理图
2.1.1电源部分
如图5是单片机小系统的电源部分原理图[3]。
图5总电源电路
通过5V变压器，上图电路是可以为整个设计的各个部分提供电源（+5V），由图可知，电源部分由一个电源插槽J7和电源开关S1、一个发光二极管、一个1K电阻和一个容值为1UF的稳压电容组成。
当电源接通后，打开开关，发光二极管会发光。
2.1.2串口电路
串口原理图如图6所示。
主要作用是进行电平转换，提高信号传输的速度。
图6串口原理图
串口电路是由一个MAX232芯片、5个0.1UF的电容和一个串口组成。
电路中的MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电，在电路中的C1～C4是必不可少的，缺一不可，具有调节电压值的作用。
由图可知，当数据线接上串口DB9时数据经过3号引脚送给MAX232的13号引脚，在经过12号引脚输出将电平转换送往单片机芯片中，在经过一系列单片机讲信号送给11号引脚经过芯片电平转换由14号引脚送给串口的2号引脚，已达到电平转换的作用。
2.1.3晶振电路
如图7所示，晶振电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，电路选用11.0592MHZ的晶振和容值为22PF的电容，在单片机芯片的18（XTAL1）、19（XTAL2）号引脚之间跨界警惕震荡器和微调电容，就可以构成一个稳定的自激振荡器。
图7晶振电路图图8复位电路
2.1.4复位电路
如图8为复位电路，复位主要作用是使CPU和系统中其他功能部件都恢复到确定的初始状态，并从该状态开始工作。
复位电路有上电复位和手动复位两种。
上电复位：
当上电时，电容相当于短路，此时电阻上的电压约等于VCC，经过一段时间后电阻电压逐渐变小直至为零。
手动复位：
按键后，电容器被短路放电、RST直接和VCC相连，就是高电平，此时进入复位状态。
松手后，电源开始对电容器充电，此时，充电电源在电阻上，形成高电平送到RST，仍然是复位状态，稍后充电结束，电流降为零，RST降为低电平，开始正常工作。
本系统的复位电路采用的是手动复位的方式[5]。
2.2显示电路
动态显示电路使用STC89C52RC的P0.0至P0.7端口作为LED的字段输出口，P2.4至P2.7作为LED的位选控制口，采用PNP管9012驱动共阳LED显示器的第3引脚公共极COM，显示器从最左边的位开始点亮LED。
其接口原理图如下图9所示：
图9显示电路
2.3数据采集电路
数据采集电路如图10所示。
DS18B20的内部结构主要包括：
寄生电源，温度传感器，64位激光ROM和单总线接口，存放中间数据的高速暂存器RAM,用于存储用户设定温度上下限值得TH和TL触发器，存储和逻辑控制，8位循环冗余码发生器等七部分。
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术，将被测温度转换成数值信号，测量结果将存入温度寄存器中。
图10数据采集电路
2.4语音电路
WT588D模块内部包含了FLASH存储器和相关的外围电路，只需要在外部接上控制端、电源及扬声器，就能进行工作。
BUSY指示：
BUSY端接上发光二极管就能显示语音的播放状态，可以从电脑软件上设置为语音播放时点亮或语音播放时熄灭。
供电：
模块在5V供电时，串两个二极管到VCC端，模块在3V供电时，可直接把电源接到VCC端。
PWM音频输出：
直接驱动扬声器的方式，扬声器两端接PWM+和PWM-，此状态输出时，PWM+/PWM-两端不可短路、不可接电容电阻到地。
如需采用此状态外接功放，可用差分方式输出到功放。
DAC音频输出：
外接功放驱动扬声器方式，不可直接驱动扬声器。
PWM+/DAC端做音频输出，PWM-端腾空。
DAC端需接一个1.2K电阻和104电容到地，再把音频输出给功放。
本次设计的系统采用的是DAC音频输出语音电路如图11所示。
图11语音电路
2.5按键电路
本文设计的按键电路如图13所示。
采用独立按键的结构形式，每个按键相互独立，分别与单片机的一根输入线相连，配置灵活，软件简单，适用于按键较少的场合。
当按键开关未按下时，开关处于断开状态，单片机I/O口为高电平；当按键开关按下时，开关处于闭合状态，单片机I/O口为低电平。
由于按键开关闭合和断开瞬间都会产生5~10ms的抖动，对于单片机来说完全可以感应到，因此采用软件消除抖动。
图12按键电路
3软件设计
3.1主程序设计
如图13为主系统原理图，系统的主程序主要用来初始化一些参数，对DS18B20的配置数据进行一系列的设定。
另外对DS18B20的状态不断的查询，以读取当前的温度值，并对温度进行处理，温度值的BCD码处理后，将其段码送显示缓冲区，以备定时扫描服务程序处理。
图13主程序流程图
3.2温度转换程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。
其程序流程图如图14所示。
图14温度转换流程图图15温度显示流程
3.3温度显示程序
此程序是将采集到得数据用LED数码管显示，然后将实际温度与设置的报警上下限进行比较，决定是否发出报警信号。
由于T为实际温度的绝对值，TH,TL也是温度的绝对值，因此判断大小关系时，要通过正负号来确定。
其程序流程图如图15所示。
4调试分析
4.1硬件调试
单片机应用系统的硬件和软件调试是交叉进行的，但通常是先排除样机中明显的硬件故障，尤其是电源故障，才能安全地和仿真器相连，进行综合调试。
4.1.1硬件调试方法
在样机加电之前，首先用万用表等工具，根据硬件电器原理图和装配图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。
应特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查扩展系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互间的短路或与其它信号线的短路。
第二步是加电后检查各个插件上引脚的电位，仔细测量各点电位是否正常，尤其应注意单片机插座上的各点电位，若有高压，联机时将会损坏仿真器。
第三步是在不加电情况下，除单片机以外，插上所有的元器件，最后用仿真适配器将样机的单片机插座和仿真器的仿真接口相连，为联机调试做准备[6]。
4.1.2电源调试
用数字万用表电压档测量电池输出的电压值是否正常,如果显示不正常，将数字电压表打到蜂鸣器挡，用两个表笔检测电路是否短路或断路。
4.1.3语音模块调试
将所需要的语音录入语音芯片中，通过按键看是否播放录音。
4.2软件调试
本次设计采用的是keil仿真器进行软件调试，此系统可以开发应用软件，以及对硬件电路进行诊断、调试等。
它的具体功能是可以进行CPU仿真，可以单步、跟踪、断点和全速运行，而且，程序的编译过程中，可以对设计软件进行自诊断，并自动给出故障原因。
同时用户调试程序时，可以通过窗口观察寄存器的工作状况，以便及时发现和排除编程中可能出现的错误。
软件的调试是利用keil软件，模块化调试，通过观察存储单元数据的变化，查找并解决程序的语法和逻辑错误，具体的调试步骤如下：
1.把系统的各个模块在仿真软件中逐个调试，如数据采集模块、显示模块等。
2.对各个需要赋值模块调试时，赋入初值，单步调试，观察数据窗口，看输出结果是否为设计时想要的结果。
3.把各个模块组合起来，全速运行，看程序是否能流畅的，是否能实现设计的系统
调试的图片如下图16所示：
图16STC—ISP界面图
2.软件调试过程：
首先接上USB——RS232C信号线，安装串口驱动程序；然后打开STC——ISP界面，进行软件调试。
按下面顺序：
1）选择自己的CPU型号STC89C52RC
2）选择自己的端口：
根据之前安装的串口驱动程序，右键——我的电脑——属性——硬件——COM查看自己的输出端口号
3）选择波特率、最高、最低
4）打开程序文件
5）自己编写的程序编译后生成的.Hex文件
6）点击、下载程序至单片机，调试
7）重复2和5
注意：
在调试程序时，要把拨码开关拨到相对应的ON状态。
如下图17为系统调试完成后，正常运行的现场图
图17系统工作现场图
5结论
经过了四个星期的课程设计，让我对以前学的理论知识有了较深的体会，学习用理论指导实践，在实践中发现了自己有很多不足之处，并不断完善自己。
因为前两周准备考研，没做多少东西，但这次的课程设计还是让我体会到很多东西，不仅仅是知识本身的，更多的是自己动手能力和逻辑思维能力的锻炼。
同时，也知道自己还有许多要学的东西。
在以后的工作中，单片机是必须掌握的基础工具，所以我们认真学习单片机的知识，这对我们找工作是很有帮组的，遇到问题并不可怕关键是我们要找到方法去解决问题，一定要勤于动手，这样自己才会有提高。
另外，对温度传感器的认识也不仅仅只停留在书本上了，亲身体会到了LCD显示屏和ＬＥＤ灯的应用。
当然在这次宝贵的课程设计活动中，经验才是对于我们最大的收获，而且还增强了自身对未知问题以及对知识的深化认识的能力，用受益匪浅这个词语来概括这次难忘的活动我觉得再合适不过了。
在和同学的协作中去完成电路原理图的绘制，焊接电路板，最后进行调试，当然这些过程都离不开老师的悉心指导；这些工作必须按部就班，有计划保质量地完成，否则后面的工作就无法进行。
最后特别要感谢老师及同学在这四个星期对我的帮助。
参考文献
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机械工业出版社,2006
[2]夏路易：
Protel99SE[M]，第一版，北京：
北京希望电子出版社，2002
[3]王俊峰：
电工技术基础[M]，第二版，北京：
电子工业出本社，2010
[4]谭浩强：
C程序设计[M]，第四版，北京：
清华大学出版社,2010
[5]谢自美：
电子线路设计测试与应用[M],第二版,武汉：
华中理工大学出版社,2004
[6]蔡美琴：
MCS-51系列单片机系统及其应用，第二版，北京：
高等教育出版社，2008
附录1电路原理图
附录2.PCB图
附录3主程序
/********************************************************
温度控制语音播报
操作方法：
将POWERSUPPLYSWITCH中的1602开关打开,用杜邦
线将驱动板上的VCC和GND连在基础板的OUTPOWER上，
用杜邦线将驱动板RST和DATA与P34和P35连接，用杜
邦线将驱动板DS与P20连接起来，DC与P05连接，把
温度传感器插在驱动板U1上
********************************************************/
#include
#include
#include<588.c>
sbitrs=P2^0;
sbitwr=P2^1;
sbitlcden=P2^2;
sbitDC=P0^5;//电动机控制
bitflag0;
uchardisplay[2];
ucharbai,shi,ge;
ucharnum=0;
voiddelayus（uints）
{
uinti;
for（i=0;ifor（i=0;i}
voiddelay（uintz）//延时函数
{
uintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
voidwrite_com（ucharcom）//液晶写指令
{
rs=0;
P1=com;
lcden=0;
delay（5）;
lcden=1;
delay（5）;
lcden=0;
}
voidwrite_data（uchardate）//液晶写数据
{
rs=1;
P1=date;
lcden=0;
delay（5）;
lcden=1;
delay（5）;
lcden=0;
}
voidinit（）//液晶初始化
{
wr=0;
write_com（0x38）;
write_com（0x0c）;
write_com（0x06）;
write_com（0x01）;
write_com（0x80）;
}
voiddistwo（ucharadd,uchartemp）//液晶显示两位数字
{
ucharshi,ge;
shi=temp/10;
ge=temp%10;
write_com（0x80+add）;
write_data（shi|0x30）;
write_data（ge|0x30）;
}
voiddiszifu（ucharadd,uchar*temp）
{
uchari;
write_com（0x80+add）;
for（i=0;temp[i]!
='\0';i++）
{
write_data（temp[i]）;
delay（5）;
}
}
voiddistemp（ucharadd,uinttemp）
{
bai=temp/100;
shi=temp%100/10;
ge=temp%100%10;
write_com（0x80+0x40+add）;
write_data（bai|0x30）;
write_data（shi|0x30）;
write_data（0x2e）;
write_data（ge|0x30）;
write_data（0x43）;
display[2]=（bai<<4）|（shi）;
display[1]=ge;
display[0]=0x22;
}
voidsound_temp（）//温度播报函数
{
send_oneline（bai）;
delay（500）;
send_oneline（10）;
delay（500）;
if（shi!
=0）
{
send_oneline（shi）;
delay（500）;
}
if（ge!
=0）
{
send_oneline（11）;
delay（500）;
send_o
升级会员 