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1、I 題目: 基于單片機的倉庫通風控制系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要近年來隨著社會的不斷發(fā)展，倉庫自動通風控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于物品的安全儲存。倉庫通風系統(tǒng)能夠?qū)Ξ斍皞}庫的溫度進行檢測。并且根據(jù)實際溫度啟動風機進行通風降溫，當溫度降低時關(guān)閉風機，停止報警。就目前發(fā)展來看，倉庫自動通風控制系統(tǒng)必然會成為企業(yè)公司貨物管理當中不可缺少的一部份。本文基于 ATmega128 單片機設(shè)計了倉庫通風控制系統(tǒng)，通過將溫度傳感器采集的倉庫內(nèi)溫度同設(shè)定的溫度閾值進行比較實現(xiàn)對溫度的自動控制，鍵盤模塊可完成閾值溫度的調(diào)節(jié)，倉庫內(nèi)的溫度通過數(shù)碼管顯示模塊予以顯示。經(jīng)過測試，本設(shè)計符合預(yù)期要求，可將倉庫溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)，對于
2、倉庫貨物的保存具有良好的輔助作用。本文所設(shè)計的系統(tǒng)包含主控模塊、傳感器模塊、顯示模塊以及報警模塊等六大組成部分。通過對倉庫內(nèi)部溫度的采集和分析，實現(xiàn)通風降溫的目的。本設(shè)計力爭做到準確、實用、操作方便。關(guān)鍵詞：通風；傳感器；DS18B20；單片機IIAbstractIn recent years, with the continuous development of society, the warehouse automatic ventilation control system has been widely used for the safe storage of articles. T
3、he warehouse ventilation system is capable of detecting the temperature of the current warehouse. And start the fan to reduce the temperature according to the actual temperature, turn off the fan when the temperature is lowered, and stop the alarm. As far as the current development is concerned, the
4、 warehouse automatic ventilation control system will inevitably become an indispensable part of the companys cargo management.This paper designs a vegetable greenhouse thermostatic control system based on ATmega128 single-chip microcomputer. By comparing the temperature in the warehouse collected by
5、 the temperature sensor with the set temperature threshold, the temperature is automatically controlled. The keyboard module can adjust the threshold temperature and the temperature in the warehouse can pass. The digital tube display module is displayed. After testing, the design meets the expected
6、requirements, and the warehouse temperature can be controlled within the set range, which has a good auxiliary effect on the storage of warehouse goods. The system designed in this paper consists of six major components: main control module, sensor module, display module and alarm module. Through th
7、e collection and analysis of the internal temperature of the warehouse, the purpose of ventilation cooling is achieved. This design strives to be accurate, practical and easy to operate.Keywords：ventilation; sensor; DS18B20; single-chip microcomputerIII目 錄摘 要 .IAbstract.II目 錄.III第 1 章 緒論.11.1 課題研究背景
8、.11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.11.3 本文組織結(jié)構(gòu).2第 2 章 系統(tǒng)方案設(shè)計.32.1 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇.32.2 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu).32.3 系統(tǒng)工作原理.4第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計.53.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu).53.2 單片機控制電路.53.3 溫度測量電路.93.3.1 DS18B20 簡介.93.3.2 溫度測量電路.123.4 顯示電路.123.4.1 LED 簡介.123.4.2 顯示電路.143.5 按鍵輸入電路.143.5.1 按鍵說明.143.5.2 按鍵消抖.143.5.3 按鍵電路.153.6 通風控制電路.153.6.1 光電耦合器簡介.15IV3.6.2 通風控制電路.16
9、3.7 報警電路.163.8 系統(tǒng)整體電路.17第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計.184.1 主程序.184.2 溫度測量子程序.184.3 按鍵識別子程序.194.4 顯示子程序.20第 5 章 系統(tǒng)仿真與總結(jié).225.1 仿真軟件簡介.225.2 系統(tǒng)仿真.225.3 總結(jié).24參考文獻.26致 謝.271第 1 章 緒論1.1 課題研究背景溫度作為生產(chǎn)生活中的重要參數(shù)對于指導(dǎo)生產(chǎn)而言具有舉足輕重的作用。溫度變化體現(xiàn)在物質(zhì)的物理和化學反應(yīng)變化過程之中，隨著人們對于生產(chǎn)工業(yè)要求的不斷提升，對溫度控制的必要性也隨之升高生，因此怎樣實現(xiàn)溫度的精確控制成為學術(shù)界專家學者研究的重點之一。對于不同場景下所采用
10、的加熱和控制方式均有所差異。近年來，隨著單片機的快速發(fā)展，利用單片機作為主控模塊構(gòu)建溫度控制系統(tǒng)成為研究者研究熱點之一，單片機作為主控單元具有功耗低、性能高、體積小等諸多優(yōu)勢，可滿足實際生產(chǎn)需求。對于倉庫而言，溫度和濕度的控制對于延長倉庫內(nèi)物品的儲存時間而言顯得尤為重要，所以開發(fā)實用而且可靠的倉庫自動通風控制系統(tǒng) 是一件很有必要的事。伴隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，貨物的流通量越來越大，在貨物的中轉(zhuǎn)倉庫中往往是成千上萬件貨物存放在一起，如果倉庫內(nèi)部的溫度和濕度不能控制在一定的條件之中，就會影響貨物的長期儲存，給企業(yè)和社會帶來巨大損失。在糧倉中儲存糧食時，糧倉的溫度和濕度是影響糧食安全的重要影響因素，在進
11、行儲存時，若溫濕度發(fā)生異常，則會造成糧食腐敗或者出現(xiàn)病蟲害等影響糧食質(zhì)量的現(xiàn)象。除此之外，糧食的儲存也受到糧倉內(nèi)氣體，微生物等的影響。在目前，糧食保質(zhì)保量的存儲仍然是一個不容易達到的目標，為保證糧食倉庫中的溫度和濕度保持在一個正常的水平，對倉庫環(huán)境的溫濕度的監(jiān)控是必不可缺少的。溫度的監(jiān)控在工業(yè)界的應(yīng)用也十分廣泛，當倉庫內(nèi)部溫度超過正常水平的時候，儲存物品就會發(fā)霉變質(zhì)或者包裝變形，所以隨時監(jiān)控倉庫內(nèi)部溫度的變化，具有非常重要的實際意義，倉庫溫度監(jiān)控系統(tǒng)就是為倉庫內(nèi)的溫度變化而設(shè)計的。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀溫度檢測控制技術(shù)是倉庫通風降溫的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前，國內(nèi)已有多家公司和企業(yè)生產(chǎn)倉庫自動溫度檢
12、控產(chǎn)品。雖然這些產(chǎn)品品種繁多，但他們的基本功能是一致的。多是通過對倉庫內(nèi)外的溫度進行檢測和分析，然后通過機械通風的方式來對溫度進行控制。在這些產(chǎn)品的設(shè)計過程中會考慮環(huán)境，成本等因素的不同會采用不同的溫度傳感器和主控電路隨著微型計算機和傳感器技術(shù)的逐漸成熟，在工業(yè)上自動化程度也越來越高。自動監(jiān)測和控制技術(shù)也被廣泛應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)當中，大大提高生產(chǎn)的效率和安全性。同時倉庫的溫度自動控制方面也有了明顯的進展。國外的倉庫監(jiān)控設(shè)備進二十幾年的發(fā)展十分迅速，他們結(jié)合本國的工業(yè)的條件設(shè)計出具有特色的工業(yè)成就。他們2設(shè)計的倉庫監(jiān)控產(chǎn)品具有較高的技術(shù)水準，但是他們生產(chǎn)的產(chǎn)品價格往往比較昂貴。近年來我國引進
13、國外多家公司生產(chǎn)的倉庫環(huán)境控制系統(tǒng)，吸收了國外大量先進成熟的技術(shù)，有效的推動了我國的環(huán)境溫濕度自動監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。但存在的如，造價高，功耗大，不能與我國工業(yè)產(chǎn)品配套等問題，并未有使我國環(huán)境調(diào)控技術(shù)有根本的變革。當前，我國的工業(yè)水平并不發(fā)達。中國的倉庫環(huán)境調(diào)控技術(shù)的發(fā)展應(yīng)符合自己工業(yè)化道路，先引進國外的先進技術(shù)加以消化，再改進創(chuàng)新發(fā)展出既能符合我國經(jīng)濟發(fā)展水平，又能適應(yīng)各種環(huán)境，具有國際先進水平的倉庫環(huán)境檢控系統(tǒng)，同時還因研制具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品和技術(shù)。集成智能傳感器是一個新興的發(fā)展領(lǐng)域，具有很好的發(fā)展前途和廣大的市場。這需要先進集成電路和微機械加工技術(shù)，我國技術(shù)水平還很落后 。所以我們要
14、在集成電路工藝和微機械加工方面獨辟蹊徑，讓智能傳感器的研制和生產(chǎn)具有一定的能力，為傳感器的智能化和集成化奠定基礎(chǔ)。電子自動化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展為傳感器的發(fā)展提供了廣闊的市場并對傳感器的發(fā)展提出了更高的要求。這促進了傳感器智能化，集成化技術(shù)的日益成熟。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外的一些大公司和高等院校也開始投入大量人力物力對溫濕度傳感器進行研究，大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展在很大程度上為集成式傳感器的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，使傳感器朝著集成化，智能化的方向不斷發(fā)展，成為新的發(fā)展潮流1.3 本文組織結(jié)構(gòu)倉庫自動控制通風系統(tǒng)主要用于保證倉庫內(nèi)部溫度處于安全值以內(nèi)。本文基于此主要研究了倉庫自動通風降溫的設(shè)計與實現(xiàn)。
15、論文的主要研究內(nèi)容安排介紹如下：第 1 章，對本系統(tǒng)的研究背景以及當前國內(nèi)外對倉庫通風控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行了說明。第 2 章，在本章節(jié)實現(xiàn)了基于單片機的倉庫通風控制系統(tǒng)總體方案的選擇和確定。第 3 章，實現(xiàn)了基于單片機的倉庫通風控制系統(tǒng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計。第 4 章，實現(xiàn)了基于單片機的倉庫通風控制系統(tǒng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計。第 5 章，對基于單片機的倉庫通風控制系統(tǒng)功能進行測試，并評價系統(tǒng)時會否達到預(yù)期功能。3第 2 章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇本文基于 ATmega128 單片機設(shè)計了倉庫通風控制系統(tǒng)，通過將溫度傳感器采集的倉庫內(nèi)溫度同設(shè)定的溫度閾值進行比較實現(xiàn)對溫度的自動控制，鍵盤模塊可完成
16、閾值溫度的調(diào)節(jié)，倉庫內(nèi)的溫度通過數(shù)碼管顯示模塊予以顯示。經(jīng)過測試，本設(shè)計符合預(yù)期要求，可將倉庫溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)，對于倉庫貨物的保存具有良好的輔助作用。本文所設(shè)計的系統(tǒng)包含主控模塊、傳感器模塊、顯示模塊以及報警模塊等六大組成部分。通過對倉庫內(nèi)部溫度的采集和分析，實現(xiàn)通風降溫的目的。在主控模塊采用 ATmega128 單片機，該單片機系統(tǒng)體積小，系統(tǒng)的可靠性高，系統(tǒng)的成本低的優(yōu)勢它可稱為世界上最小的應(yīng)用系統(tǒng)。溫度采集模塊采用 DS18B20 溫度傳感器，DS18B20數(shù)字溫度計測量范圍廣，傳輸信息是利用單線接口來進行的，因此和 CPU 之間只存在一個接地連接。溫度測量范圍為-40+120C
17、，誤差為百分之五 不需要外部電源供電。溫度的顯示部分采用 LED 顯示模塊完成，當溫度超過設(shè)定的閾值時單片機會驅(qū)動蜂鳴器進行報警，在內(nèi)部溫度超過預(yù)設(shè)值的時候發(fā)出警報聲。用戶輸入模塊就采用簡單的機械按鍵來對系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值進行加減。電機通風電路就采用光電耦合電路對通風電動機進行驅(qū)動，在超過預(yù)設(shè)溫度開始工作。2.2 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，將系統(tǒng)電路劃分為六大部分，分別是：ATmega128 核心模塊、用戶輸入模塊、顯示電路、溫度采集模塊、電動機驅(qū)動模塊和聲音報警模塊。系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖 2-1 所示。 報警電路電機電路顯示電路主 控 系 統(tǒng)溫度采集電路按鍵電路圖 2-1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)各模塊具體說明
18、如下：（1）ATmega128 核心模塊包括一個“最小”ATmega128 的應(yīng)用系統(tǒng)，最小系統(tǒng)是核心控制模塊。4（2）顯示模塊主要用于顯示當前系統(tǒng)所檢測的溫度信息和預(yù)置的溫度。（3）用戶輸入模塊主要用于用戶的輸入，對警報溫度進行調(diào)節(jié)。（4）溫度采集模塊主要用于采集當前的溫度數(shù)據(jù)。（5）電動機驅(qū)動模塊對風扇電動機進行驅(qū)動。（6）聲音報警模塊提供報警聲音。 2.3 系統(tǒng)工作原理本文是基于 ATmega128 單片機的倉庫通風控制系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)通過新型的溫度傳感器 DS18B20 對倉庫內(nèi)部進行多點測溫。將數(shù)據(jù)傳遞給核心控制器，并在 LED 上顯示當前溫度值。如果溫度超過預(yù)設(shè)值，就開啟蜂鳴器報警
19、并啟動電動機進行通風降溫。系統(tǒng)初始化用戶修改修改預(yù)設(shè)溫度讀取當前溫度對比預(yù)設(shè)溫度報警開啟風機停止報警，關(guān)閉風機 超過 低于圖 2-2 系統(tǒng)工作流程圖 5第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)對所要研究的倉庫通風控制系統(tǒng)進行仔細的研究和分析，對整個系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計如下圖所示。Atmega128DS18B20電動機通風LED顯示蜂鳴器按鍵輸入圖 3-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖3.2 單片機控制電路在單片機模塊的選擇中，對比了幾個可行的方案，發(fā)現(xiàn)該型號的單片機除了穩(wěn)定性強、低功耗、低價格成本以外，還因為該單片機的封裝工藝，使得通過自身的兩列管腳直接插入到設(shè)備的底座上。該型號的單片機的輸入輸出端口多
20、，具有P0、P1、P2、P3 四個端口，后三個是雙向端口，而第一個端口則需要外接上拉電阻才能當常規(guī) I/O 口使用。該型號的單片機的制度存儲器能夠根據(jù)使用需要進行擴展，支持的最大擴展內(nèi)存為 64KB，而系統(tǒng)的隨機存儲器大小為 256 字節(jié)。經(jīng)過以上的對比和總結(jié)，系統(tǒng)的主控模塊選擇 ATmega128 單片機。該單片機多級中斷,可以 64KB 范圍內(nèi)尋址，都具有片內(nèi)程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器的容量也有了加大，有的還自帶片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這類單片機的性價比很高現(xiàn)在也被較多的使用。高集成單片機階段，陸續(xù)有16 位和 32 位單片機推出。集成電路技術(shù)也得到了空前的發(fā)展，許多新型高集成的單片機進入市場，單片機
21、的性能更加優(yōu)越產(chǎn)品也更加豐富多彩。在幾十年里單片機就經(jīng)歷了 4 位、8 位、16 位、32 位幾個階段，并廣泛的應(yīng)用于我們生活的各個方面，大到飛機火箭，小到手機玩具，單片機與我們的生活密切相關(guān)，單片機的應(yīng)用也在逐漸進入新的階段。Tmega128 是 AVR 系列中功能最強大的單片機,具有如下主要技術(shù)特點:(1)它是 8051 單片機的升級優(yōu)化版本，所以擁有更加強勁的 CPU;(2)P3.0/P3.1 端口負責芯片的程序編任務(wù);(3)單片機的的工作電壓分為 3 和 5V 兩種;(4)存儲器通過片上集成最高達到 1280 字節(jié);6(5)設(shè)備的輸入輸出端口眾多;(6)設(shè)備的時鐘輸出有 3 路;(7)
22、互在系統(tǒng)中可以直接編輯聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)商; 該型號的單片機本身已經(jīng)提供了大量的輸入輸出接口，但是當需要的輸入的數(shù)據(jù)路數(shù)很多時，還可以通過串行口方式根據(jù)需要進行擴展。并且在系統(tǒng)運行時不會出現(xiàn)占用的情況，是比較經(jīng)濟實用的擴展方式。圖 3-2 ATmega128 的引腳表 3-1 TAmega128 的引腳功能引腳引腳功能VCC，GND數(shù)字電路電源和接地端A 口（PA7PA0）B 口（PB7PB0）C 口引口是一個 8 位的雙向 I/O 口，端口也和其他的引腳一樣可以作為一個 8 位雙向 I/O 口，引腳的內(nèi)部有可以選擇的上拉電阻，輸出緩沖也同樣有對稱的驅(qū)動特性 ，包括輸入電流與輸出電流。當引腳作為輸入端使
23、用的時候，如果拉低了它的外部，會因為上拉電阻的存在，引腳將輸出電流。在復(fù)位過程中，接口為三態(tài)，這個時候時鐘還未起振。（A，B，C，D，E 具有的相同功能）7（PC7PC0）D 口（PD7PD0）E 口（PE7PE0）F 口（PF7PF0）F 口是 A/D 轉(zhuǎn)換的模擬入口。但不使用轉(zhuǎn)換器等時候，F(xiàn) 口也和其他的引腳一樣可以作為一個 8 位雙向 I/O 口，引腳的內(nèi)部有可以選擇的上拉電阻，輸出緩沖也同樣有對稱的驅(qū)動特性 ，包括輸入電流與輸出電流。當 F 口作為輸入端使用的時候，如果拉低了它的外部，會因為上拉電阻的存在，引腳將輸出電流。在復(fù)位過程中，F(xiàn) 口為三態(tài)，即使此時時鐘還未起振。如果JTAG
24、接口使能，即使復(fù)位發(fā)生，PF7（TD1），PF5（TMS）和PF4（TCK）上的上拉電阻將被激活，F(xiàn) 口也具有 JTAG 接口的功能G 口（PG4PG0）5 位的雙向 I/O 口，內(nèi)部有可以編程的上拉電阻。其輸出緩沖器可以輸出和吸收大電流 它也是具有對稱性。作為輸入使用時，如果片內(nèi)的上拉電阻使能，那么在外部拉低的情況下，端口就會輸出電流。復(fù)位發(fā)生時端口 G 為三態(tài)。RESET復(fù)位輸入引腳。系統(tǒng)復(fù)位的條件是超過的低電平的輸入。低于最小門限時間脈沖并不能保證可靠復(fù)位。XTAL1主要作為反向振蕩器及片內(nèi)時鐘操作電路的輸入XTAL2反向振蕩器放大器的輸出AVCC作為端口 F 和轉(zhuǎn)化起的電源端，需要與
25、VCC 相連接，即使沒有使用 ADC也應(yīng)該如此。在使用 ADC 轉(zhuǎn)換器的時候與 ACC 連接要通過一個低通的濾波器。AREFADC 轉(zhuǎn)換器 的模擬基準輸入引腳。PENSPI 串行下載的使能引腳。在上電復(fù)位過程中保持 PEN 為低電平將使器件進入 SPI 串行，在正常工作狀態(tài)下該 引腳沒有其他功能ATmega128 單片機同其他機型的單片機類似，端口具有第二功能，根據(jù)設(shè)置的不同功能就不同。表 3-2 B 口的第二功能引腳第二功能8PB7OC2/OC1C（T/C2 的輸出比較和 PWM 輸出，或是 T/C1 的輸出比較和 PWM）PB6OC1B（T/C1 的輸出比較和 PWM 輸出 B）PB5OC
26、1A（T/C1 的輸出比較和 PWM 輸出 A）PB4OC0（T/C0 的輸出比較和 PWM 輸出）PB3MISO（SPI 總線的主機輸入/從機輸出信號）PB2MOSI（SPI 總線的主機輸入/從機輸出信號）PB1SCK（SPI 總線的串行時鐘）PB0SS（SPI 從機選擇引腳）表 3-3 D 口的第二功能引腳第二功能PD7T2（T/C2 的時鐘輸入）PD6T1（T/C1 的時鐘輸入）PD5XCK1（USART1 的外部時鐘輸入/輸出）PD4ICP1（T/C1 輸入捕捉的觸發(fā)引腳）PD3INT3/TXD1（外部中斷 3 的輸入引腳，或是 UART1 發(fā)送引腳）PD2INT2/RXD1（外部中斷
27、 2 的輸入引腳，或是 UART1 接收引腳）PD1INT1/SDA（外部中斷 1 的輸入引腳，或是 TW1 的串行數(shù)據(jù)）PD0INT0/SCL（外部中斷 0 的輸入引腳，或是 TW1 的串行數(shù)據(jù)）表 3-4 E 口的第二功能引腳第二功能PE7INT7/IC3（外部中斷 7 的引腳入口，或是 T/C3 輸入捕捉觸發(fā)引腳）PE6INT6/T3（外部中斷 6 的輸入引腳，或是 T/C3 的時鐘輸入）PE5INT5/OC3C（外部中斷 5 的輸入引腳，或是 T/C3 的輸入比較和 PWM 輸出 C 引腳）PE4INT4/OC3B(外部中斷 4 的輸入引腳，或是 T/C3 的輸入比較和9PWM 輸出
28、B 引腳)PE3ALN1/OC3A（模擬比較器負輸入端或是 T/C3 的輸入比較和PWM 輸出 A 引腳)）PE2ALNO/XCK0（模擬比較器正輸入端，或是 USARTO 的外部輸入/輸出時鐘）PE1PDO/TXD0（編程數(shù)據(jù)輸出，或是 USART0 的發(fā)送引腳）PE0PD1/RXD0（編程數(shù)據(jù)輸出，或是 USART0 的接收引腳）3.3 溫度測量電路本次設(shè)計需要及時得到倉庫的溫度信息，并把得到的數(shù)據(jù)信息傳遞到主控系統(tǒng)。所以本次設(shè)計我們需要用到溫度傳感器，DS18B20 溫度傳感器是溫度采集電路用來來實現(xiàn)功能的，該傳感器的第一引腳是用來接地，第二引腳是用來進行數(shù)據(jù)輸入輸出的功能，接一個 4.
29、7K 的上拉電阻，第三引腳用來接一個電源 VCC.3.3.1 DS18B20 簡介1、DS18B20 的主要技術(shù)特點DS18B20 相較于其他溫度傳感器而言具有更為明顯的優(yōu)勢，這體現(xiàn)在 DS18B20 具有更為廣泛的測量范圍和精度、可選更小的封裝方式，符合構(gòu)建經(jīng)濟且可靠性高的系統(tǒng)，這也是產(chǎn)品設(shè)計者們做出選擇的重要原因。2、DS18B20 的引腳和封裝 圖 3-3 引腳圖 圖 3-4 封裝圖表 3-5 DS18B20 的引腳說明引腳序號說明1GND接地102DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出腳，一線輸出，漏極開關(guān)3VDD可選的 VDD 引腳3、DSA18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DSA18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3-5
30、 所示。圖 3-5 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖根據(jù)上圖可知 DSA18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含四大部分，分別為配置寄存器、溫度傳感器、觸發(fā)器以及 64 位 ROM。ROM 中序列號在出廠時已被刻好，可將其視為地址序列碼，不同 DS18B20 的序列碼均不同。ROM 的作用是保證每個 DS18B20 具有其自身的工作特性，因此可在相同的總線上掛接多個溫度傳感器，實現(xiàn)多點溫度的測量。4、DS18B20 通信協(xié)議DS18B20 采用一線通信接口，采用該通信結(jié)構(gòu)首先需要完成 ROM 設(shè)定，使其具備控制和記憶功能。在程序執(zhí)行之后 DS18B20 傳感器可實現(xiàn)外部溫度信息的實時測量，測量數(shù)據(jù)會儲存在 DS1
31、8B20 存儲器當中。用一個控制命令來控制 DS18B20 完成溫度測量工作，所測得的數(shù)據(jù)信息儲存于溫度傳感器的內(nèi)部存儲單元中，除此之外還可完成記憶功能命令執(zhí)行，溫度報警器的觸發(fā)包含一字節(jié) EEPROM 數(shù)據(jù)。EEPROM 是非易失性記憶體，可以長期存放需要保存的數(shù)據(jù)，這些寄存器可以存儲一般的數(shù)據(jù)信息，還可以通過一個記憶功能命令來完成片上的字節(jié)配置。5、DS18B20 測溫原理11圖 3-6 DS18B20 溫度傳感器測量原理控單元借助于 Scratchpad 存儲模塊對溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進行讀取以及調(diào)用，還可以使用功能指令完成數(shù)據(jù)格式的調(diào)整。圖中低溫系數(shù)晶振不會隨溫度的變化改變。高溫系數(shù)晶
32、振主要作為計數(shù)器二的輸入信號脈沖，它的振蕩率隨溫度變化會出現(xiàn)較大的起伏。DS18B20 必須經(jīng)過三次轉(zhuǎn)化才能把芯片所測實時溫度轉(zhuǎn)化。如果要對存儲和數(shù)據(jù)進行操作，必須先對 DS18B20 進行初始化，然后再進行 RPM 操作命令。 6、DS18B20 注意事項（1）在對溫度傳感器進行程序編寫之前需要保證溫度傳感器模塊時序正常，否則該模塊將不能達到預(yù)期的測溫效果，在程序編寫的過程中最好采用匯編語言完成，一期增強系統(tǒng)的響應(yīng)速度。（2）通過微處理器總線驅(qū)動解決單總線連接點過多問題。（3）在 DS18B20 測溫程序時，要延時一段時間并等待傳感器信號返回，否則將可能進入死循環(huán)，由此可知在進行設(shè)計時應(yīng)當予
33、以重視3.3.2 溫度測量電路測溫系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，它的系統(tǒng)設(shè)計簡單，有較高的精度，無需外部DS18B20電路，范圍也符合一般的要求，可以用于多種的測溫系統(tǒng)當中。 在本文中，的主要功能是采集倉庫內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)，然后傳遞到單片機DS18B20種進行分析。溫度采集模塊電路圖如下所示：12圖 3-7 DS18B20 與單片機連接電路3.4 顯示電路3.4.1 LED 簡介溫度顯示一般采用 LED（Light-Emitting Diode）和 LCD。LED（Light-Emitting Diode）：LED 即發(fā)光二極管，是生產(chǎn)生活中常見的半導(dǎo)體元件，發(fā)光二極管的主要工作原理是通過載流子復(fù)合效應(yīng)實現(xiàn)
34、發(fā)光。發(fā)光二極管可發(fā)出的顏色包含常見的紅黃藍白等多種。LED 照明產(chǎn)品即使用半導(dǎo)體發(fā)光二極管制造的照明設(shè)備，用于生產(chǎn)生活的照明領(lǐng)域之中。LED 由 GaAs 以及 GaAsP 等半導(dǎo)體制作而成，在半導(dǎo)體材料之中會通過摻雜工藝使 LED 發(fā)光二極管產(chǎn)生 P、N 結(jié)。至此二極管便具有伏安特性，在特殊條件下還具有發(fā)光特性。 圖 3-8 共陽極和共陰極 LED 圖 3-9 典型的七段 LEDLED 數(shù)碼管要加上對應(yīng)的驅(qū)動電路后才能實現(xiàn)正常顯示，根據(jù)驅(qū)動方式的不同可將其分為兩種類型，其一為靜態(tài)形式，其二為動態(tài)顯示。1、靜態(tài)顯示靜態(tài)驅(qū)動方式也稱之為直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動指的是數(shù)碼管每個段碼均連接單片機的輸入輸
35、出接口并進行驅(qū)動，或使用 BCD 碼進行驅(qū)動，靜態(tài)驅(qū)動具有編程簡單、顯示效果清晰等諸多優(yōu)勢，但是占用的端口較多，因此會增加硬件電路的復(fù)雜性。 2、動態(tài)顯示LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示方式是當前 LED 中使用最多的形式之一，相較于靜態(tài)顯示方式而言，具有占用接口少以及效率高等多種優(yōu)勢，在動態(tài)顯示中數(shù)碼管是依次點亮的，因此只要系統(tǒng)刷新夠快，由于視覺存在暫留，人眼看到的畫面是十分穩(wěn)定的。因此動態(tài)顯示與靜態(tài)顯示具有相同的效果，但是動態(tài)顯示功耗更低。3.4.2 顯示電路此次設(shè)計采用七段數(shù)碼管予以顯示，具體電路圖如下：13圖 3-10 顯示電路3.5 按鍵輸入電路3.5.1 按鍵說明按鍵是外部命令的觸發(fā)點，一個
36、按鍵從按下到松開是一個外部命令輸入的過程，精確完成不同按鍵動作的實時判別對于系統(tǒng)正常運行而言具有重要作用。當前大多數(shù)開關(guān)為機械彈性開關(guān)，一次電平變化即一次命令轉(zhuǎn)換，但是在實際工作過程中鍵盤可能會出現(xiàn)抖動，按鍵信號有誤差，因此在進行按鍵電路設(shè)計時要將干擾信號去除，在本文中通過在按鍵電路中加上電容來去除干擾信號，通常而言這樣做會增加成本，但是可使得電路更快進入穩(wěn)定狀態(tài)。按鍵按下到松開的波形如下圖。 圖 3-11 實際波形 圖 3-12 理想波形3.5.2 按鍵消抖軟件消抖：此次系統(tǒng)中選擇的是獨立按鍵去進行各類參數(shù)設(shè)置；主要的工作機理為：一但按鍵被按下，就開始實施實施首次抖動檢測，方法為延時一段時間
37、去判定是不是為有效按鍵，等待之后依舊有按鍵按下就說明是，此時賦予其相應(yīng)的鍵值。程序中就能夠采用鍵值去判定相應(yīng)的執(zhí)行操作。確認按鍵狀態(tài)后進入后面的處理程序了。硬件消抖：利用 RC 積分電路消除抖動對按鍵電路造成的影響。3.5.3 按鍵電路本次設(shè)計中的用戶輸入模塊采用普通的機械按鍵對預(yù)設(shè)溫度值進行加減，本次設(shè)計的用戶輸入電路如圖 3-13 所示。14圖 3-13 按鍵電路3.6 通風控制電路3.6.1 光電耦合器簡介光電耦合器件的主要功能是將發(fā)光元件和光敏元件進行組裝，并實現(xiàn)光信號和電信號的轉(zhuǎn)換。光電耦合器和根據(jù)其原理和結(jié)構(gòu)形式的不同分為多種類型，下圖為最常見的三極管型光電耦合器示意圖。圖 3-1
38、4 常用的三極管型光電耦合器原理圖光電耦合器由兩大部分組成，其一為輸入部分，其二為輸出部分，當輸入單有信號輸入時二極管正向?qū)?，此時發(fā)光，光敏元件感應(yīng)光照，光電耦合器開始工作。在沒有輸入電流的時候，二極體因為沒有電流的作用不會變亮，光敏三極管截止，則 CE不導(dǎo)通。也就是說，如果輸入的是低電平的時候，光敏三極管截止，引腳輸出信號檢測為高電平，當輸入為高電平，此時三極管導(dǎo)通，引腳輸出端信號檢測為低電平。這種光耦器件有著很高的可靠性和強大的性能受到設(shè)計者們的喜愛。光電耦合器具有良好的精度和抗干擾能力其主要原因體現(xiàn)在下述幾個方面：（1）輸入阻抗比較小，但干擾源阻抗通常而言較大，當存在干擾電壓時，即使干
39、擾電壓的幅度很大。（2）輸入回路與輸出回路之間不存在電氣聯(lián)系，因此也不存在共地；光電耦合器的絕緣電阻較大，分布電容很小，因此回路產(chǎn)生的干擾信號不會傳遞到另一回路之中，避免了干擾信號的產(chǎn)生。（3）有很強的可靠性，因此安全性較好，當外部設(shè)備故障時儀表也不會損害，因此光耦合器件輸入輸出回路之間所承受的電壓值較高。 15（4）回應(yīng)延遲時間較低，僅為 10s 左右 ，因此回路具有較快的響應(yīng)速度，適用于對于回路要求較高的系統(tǒng)之中。3.6.2 通風控制電路通風控制電路采用光電耦合器作為驅(qū)動電路，如圖 3-15 所示。圖 3-15 通風控制電路3.7 報警電路在本文所設(shè)計的基于單片機的倉庫通風控股之系統(tǒng)匯總，
40、采用蜂鳴器進行報警，當傳感器檢測的溫度信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和濾波后傳入單片機，此時單片機將溫度信號同設(shè)定的閾值予以比較，若超過設(shè)定閾值則發(fā)出報警，否則為正常值，并將當前倉庫溫度信息輸出到顯示模塊中予以顯示。 圖 3-16 報警電路 圖 3-17 蜂鳴器實物圖3.8 系統(tǒng)整體電路系統(tǒng)整體電路如圖 3-18 所示。16圖 3-18 系統(tǒng)整體電路圖17第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 主程序硬件電路是整個設(shè)計的基礎(chǔ)。而軟件部分則是整個設(shè)計的靈魂部分，通過軟件的驅(qū)動才可以是整個系統(tǒng)工作起來，達到設(shè)計的目的。軟件部分是驅(qū)動硬件的重要部分，用戶通過軟件來實現(xiàn)與系統(tǒng)的交互，在進行軟件系統(tǒng)設(shè)計時需要將軟硬件之間相互
41、結(jié)合，滿足用戶要求。根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計主程序流程如下圖所示。初始化ATmega128初始化DS18B20延 時讀取數(shù)據(jù)溫度顯示數(shù)據(jù)溫度顯示設(shè)置數(shù)據(jù)驅(qū)動電機和蜂鳴器外部中斷1外部中斷2增加設(shè)置溫度減少設(shè)置溫度圖 4-1 主程序流程圖4.2 溫度測量子程序 DS18B20 必須經(jīng)過三次轉(zhuǎn)化才能把芯片所測實時溫度轉(zhuǎn)化。每次開始工作前都需要對芯片進行復(fù)位操作，成功后分別發(fā)送一條 ROM 和 RAM 指令，這時候才可以對芯片進行提前的設(shè)定。復(fù)位要求處理器將數(shù)據(jù)線拉低 500 微秒，釋放，芯片收到信號后隨機等待一到六十微秒左右，然后發(fā)出六十微秒的低脈沖，單片機收到該信號證明復(fù)位成功。18DS18B20 功能
42、命令在該步驟中完成環(huán)境溫度的轉(zhuǎn)化、寫暫存寄存器、讀暫存寄存器、拷貝暫存寄存器、裝載暫存器寄存器、讀供電模式命令。如果要對存儲和數(shù)據(jù)進行操作，必須先對 DS18B20 進行初始化，然后再進行 RPM 操作命令。DS18B20 有其嚴格的工作時序和通信協(xié)議，每一步操作都要遵循該協(xié)議。主控單元借助于存儲模塊對溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進行讀取以及調(diào)用，還可以使用功能指令完成數(shù)據(jù)格式的調(diào)整。 表 4-1 DS18B20 溫度存儲Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0LSB262524232221202-1Bit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8M
43、SBSSSSSSSS溫度測量子程序流程如圖 4-2 所示。初始化DS18B20發(fā)送跳過ROM指令發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令延時等待溫度轉(zhuǎn)化完畢發(fā)送復(fù)位指令發(fā)送匹配ROM指令發(fā)送指令64位序列號發(fā)送讀取ROM指令讀取匹配的溫度值全部DS18B20結(jié) 束圖 4-2 溫度測量子程序流程圖4.3 按鍵識別子程序按鍵是系統(tǒng)重要的輸入設(shè)備，通過按鍵我們可以調(diào)節(jié)溫度的預(yù)設(shè)值來控制倉庫。當前大多數(shù)開關(guān)為機械彈性開關(guān)，一次電平變化即一次命令轉(zhuǎn)換，但是在實際工作過19程中鍵盤可能會出現(xiàn)抖動，按鍵信號有誤差，因此在進行按鍵電路設(shè)計時要將干擾信號去除，在本文中通過在按鍵電路中加上電容來去除干擾信號，通常而言這樣做會增加成本，但
44、是可使得電路更快進入穩(wěn)定狀態(tài)。軟件消抖：此次系統(tǒng)中選擇的是獨立按鍵去進行各類參數(shù)設(shè)置；主要的工作機理為：一但按鍵被按下，就開始實施實施首次抖動檢測，方法為延時一段時間去判定是不是為有效按鍵，等待之后依舊有按鍵按下就說明是，此時賦予其相應(yīng)的鍵值。程序中就能夠采用鍵值去判定相應(yīng)的執(zhí)行操作。確認按鍵狀態(tài)后進入后面的處理程序了。硬件消抖：利用 RC 積分電路消除抖動對按鍵電路造成的影響。子程序流程如下。 鍵盤掃描有鍵閉合延時消抖鍵盤掃描找到閉合鍵計算鍵值閉合鍵斷開建立有效標志返 回建立無效標志NNYY圖 4-3 按鍵輸入子程序流程圖204.4 顯示子程序?qū)囟葌鞲衅髂K所采集的溫度信息在顯示模塊中予以
45、顯示，進而幫助用戶判斷當前倉庫溫度是否處于合理范圍之內(nèi)。顯示子程序流程圖。開始初始化讀取預(yù)設(shè)讀取DS18B20有鍵按下顯示信息結(jié) 束N 圖 4-4 顯示子程序流程圖21第 5 章 系統(tǒng)仿真與總結(jié)系統(tǒng)測試分為硬件部分和軟件部分測試。硬件部分測試主要是檢測硬件電路有無設(shè)計錯誤、電路有無斷路或短路、各個焊點有無虛焊等問題，保證在軟件部分調(diào)試的時候能夠排除因硬件電路問題所帶來的干擾。本次測試先采用 Proteus 仿真軟件來模擬測試系統(tǒng)，做出參考電路，再進行實際測試。5.1 仿真軟件簡介本文采用 Proteus 軟件進行仿真，該軟件可完美的仿真出來系統(tǒng)工作狀況。在仿真調(diào)試時，我們不用再過于關(guān)心程序執(zhí)行
46、時，寄存器或存儲器的內(nèi)容，可以直觀的觀察工程學角度的電路工作情況。好比以前人們使用匯編操作空間來實現(xiàn)功能，現(xiàn)在人們使用 C+描述事件來達到同樣的目的。Proteus 可完成模擬電路、控制電路系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，除此之外還可實現(xiàn) PCB 設(shè)計等多種功能，該軟件也是當前可對不同類型的微處理器完成動態(tài)仿真，實現(xiàn)在無目標原型條件下的系統(tǒng)仿真和調(diào)試。Proteus 軟件提供了 30 多個元器件文庫、7000 余種元器件。元器件設(shè)計電阻、電容、二極管、三極管、變壓器、繼電器、各種放大器、各種激勵源、各種微控制器、各種門電路和各種終端等。Proteus 還提供由交直流電壓器、邏輯分析儀、示波器、定時/計數(shù)器和信
47、號發(fā)生器等虛擬測試信號工具。Proteus 主要由兩個設(shè)計平臺組成：ISIS 和 ARESProteus 軟件所提供的調(diào)試手段 ：Proteus 提供豐富的測試信號實現(xiàn)電路的調(diào)試，該信號包含模擬信號以及數(shù)字信號等等，對于本文所設(shè)計的軟件和硬件電路，Proteus 具有兩種調(diào)試方法進行調(diào)試，其一為總體執(zhí)行、其二為分布執(zhí)行。就前者而言，只要執(zhí)行 Debug 菜單下的 Excute 即可.5.2 系統(tǒng)仿真以下為本次設(shè)計的仿真圖。圖中的數(shù)碼管用來顯示預(yù)設(shè)的溫度值和當前倉庫的溫度值，溫度預(yù)設(shè)值通過外部的 k1，k2 按鍵來增加和減小預(yù)設(shè)值。按下 k1 鍵預(yù)設(shè)值增加，如圖 5-2。按下 k2 鍵減小預(yù)設(shè)值
48、，如圖 5-3。22圖 5-1 達到設(shè)定溫度圖 5-2 提高設(shè)定溫度23圖 5-3 降低設(shè)定溫度5.3 總結(jié)這幾個月準備畢業(yè)設(shè)計的時間匆匆就過去了。剛開始選題的時候，我自以為選一個自己感興趣的領(lǐng)域做畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成，于是剛開始定了一個相對沒那么容易的題目。雖然有所挑戰(zhàn)，但我還是以為這個設(shè)計還是可以接受的，畢竟是基于單片機的畢業(yè)設(shè)計，在以前的課程中我們大家都有學習過，也有專門的實驗課做單片機的實踐內(nèi)容，我自認為學的也還可以，所以比較有信心能夠順利完成本次畢業(yè)設(shè)計。在畢業(yè)設(shè)計的這幾個月里，我學到了很多新的知識，也全面復(fù)習了大學四年來學習過的重要的專業(yè)課，同時也有很多以前沒有過的感受，比如說自己
49、的專業(yè)知識不夠扎實，常常感覺到書到用時方恨少，遇到困難缺乏戰(zhàn)勝的勇氣等等。由于自己以前就學習過運用 Proteus 等相關(guān)軟件來進行過課程設(shè)計，雖說也有了一段時日沒運用過了，但只要稍微復(fù)習一下，就能夠重新?lián)炱饋?。所以只要搞清楚了系統(tǒng)的需求和構(gòu)成，利用 Proteus 軟件畫出電路圖還是很容易的。了解了系統(tǒng)整體的要求后，我便開始查看相關(guān)芯片的資料以及書籍，還到各種電子論壇上尋求幫助，找到一些前輩的單片機溫度仿真的實例進行參考，慢慢去摸索每個模塊的設(shè)計思路以及每一個元器件的作用是什么，遇到不懂的地方首先多問自己幾個為什么，實在想不明白再去向別人尋求幫助，使自己的設(shè)計思路一步步清晰起來，同時自己的論
50、文也一步步完24善起來，每一次改進我都能獲益匪淺，此刻我才真正發(fā)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計的樂趣所在。雖然我的論文還有許多不足之處，但是整篇論文都是自己親手完成的，我認為能讓我學到知識才是最重要的。這次畢業(yè)設(shè)計對于我來說收獲是巨大的，首先我學習到了一種全新的學習方法，即養(yǎng)成獨立的思考習慣，遇事都問自己幾個為什么，我相信這樣一種習慣對于我來說終生都能受益。同時我充分感受到了當你認真去做一件事的時候，你就可以把做好，每一個出來的成果都能讓自己快樂，這也對我以后的努力有了一個前進的例子，相信自己的能力，并且變得越來越好。25參考文獻1 張毅剛，彭喜元單片機原理及接口技術(shù)M人民郵電出版社，2008-112 江世明.
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52、2007.8 任文霞, 呂文哲, 王彥朋. 電子電路仿真技術(shù)M. 中國電力出版社, 2009.9 劉涇. 電路和模擬電子技術(shù)實驗指導(dǎo)M. 西南交通大學出版社, 2011.10 郭天祥. 新概念 51 單片機 C 語言教程M. 電子工業(yè)出版社, 2009.11 夏明娜, 高玉芝. 單片機系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用M. 北京理工大學出版社, 2012.12 張毅剛. 單片機原理及接口技術(shù) C51 編程M. 人民郵電出版社, 2011.13 劉海成. 單片機及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計原理與實踐M. 北京航空航天大學出版社, 2009.14 張溪單片機電子產(chǎn)品設(shè)計高等教育出版社M200815 賀靜凱, 劉德新, 管明祥. 單
53、片機系統(tǒng)設(shè)計、仿真與應(yīng)用基于 Keil 和 Proteus 仿真平臺M. 西安電子科技大學出版社, 2011.26致 謝四年的時間時光轉(zhuǎn)眼間就要過去，在我學生生涯即將結(jié)束時，我將交上最后這一份答卷。本論文是我在袁帥老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。特別是在我論文完成的這段時間里，袁老師對我提出的每個問題都詳細解答，為我解惑，在課題遇到困難時，袁老師以認真嚴謹?shù)目蒲凶黠L和執(zhí)著的追求精神影響和鼓勵著我，在他身上，我不僅學到了扎實的專業(yè)知識，而且還學到一種勤奮嚴謹?shù)闹螌W精神和不少的社會知識。在這里我要特別感謝袁老師。學習的道路是漫長的，這只是我人生的一個階段性的總結(jié)，謹以此報答我的父母二十多年辛苦養(yǎng)育。同時感謝我同宿舍的其他同學還有那些幫助過我的老師和同學，謝謝他們在這大學四年里給我的幫助和關(guān)心。
基于單片機的倉庫通風控制系統(tǒng)的設(shè)計電氣自動化專業(yè)
