机电一体化系统课程 课程设计说明书 设计题目：电子锁的设计 机械设计专业 2 班 学 生：刘天成 指导教师：赵 洁 2010年11月28日 成都大学工业制造学院 成都大学 机械制造机电一体化系统课程 任务书 设计题目：电子锁的设计 设计技术参数： 测温范围在0℃～90℃，选择合适的温度传感器检测温度信号，经测量电路送入单片机； 设定30℃为下限温度，60℃为上限温度，当温度低于30℃时，用电阻丝加热，当温度高于60℃时，断开电阻丝； 用四个指示灯分别表示温度为30℃、40℃、50℃、60℃时的状态。 完成期限：自2010年12月20日至2011年 1 月 5日 设计指导老师： 赵洁 设计成绩：_________ 目录 第一章 绪论 3 1.1课题研究的目的和意义 3 1.2温度数据采集现状以及发展方向 4 第二章 系统总体方案设计 4 2.1课程设计目标 4 2.2方案比较 5 2.2.1 主控芯片 5 2.2.2温度采集模块 5 第三章 系统主要元件介绍 6 3.1温度传感器DS18B20 6 3.1.1 DS18B20简介 6 3.1.2 DS18B20的内部结构 7 3.2AT89S52单片机 9 第四章 系统总体方案设计 10 4.1 AT89S52单片机 10 4.2 系统各个部分电路设计 11 4.2.1 单片机主控电路设计 11 4.2.2 温度检测电路 12 4.2.3 继电器控制电阻丝加热 12 4.2.4 发光二极管指示温度 13 第五章 系统调试 13 结论 14 第一章 绪论 1.1课题研究的目的和意义 温度控制广泛应用于社会生活的各个领域如家电汽车材料电力电子等常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同在工业企业中如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题这类控制对象惯性大滞后现象严重存在很多不确定的因素难以建立精确的数学模型从而导致控制系统性能不佳甚至出现控制不稳定失控现象传统的继电器调温电路简单实用但由于继电器动作频繁可能会因触点不良而影响正常工作控制领域还大量采用传统的PID控制方式但PID控制对象的模型难以建立并且当扰动因素不明确时参数调整不便仍是普遍存在的问题。1.2温度数据采集现状以及发展方向 最早的也是最简单的实现对温度的监测是采用人工的方式，这种方式不仅效率低，劳动时间长，而且会由于抽样的不具代表性使得监测结果失去其原有的意义。该方式还有一个弊端——其应用场所有很大的局限性，提取存有炸药等危险品的仓库温度数据的工作人员还要承担一定的风险。 后来随着电子技术的出现与进步，科研人员开始采用温度传感器代替原始的温度计，开发出了以单片机为核心的监测系统，并佐以接口芯片将结果显示在LED 数码显示管上，单片机可直接控制打印监测数据。这种方式在很大程度上提高了工作效率，并扩展了应用范围。 第二章 系统总体方案设计 如下图所示此温度控制系统先是温度感应原件进行温度采集，A/D转换后送入到单片机然后显示输出和智能温度报警，如果需要修改温度参数或者是查看设置和其他功能，则由键盘控制电路输入。 2.1课程设计目标 设计工业温度控制系统，应可实现实时温度检测，近程和远程数据传输，液晶显示，键盘控制电路，可设定监控温度上下限，过限报警电路，过压保护，可持续工作，掉电复位，具有高可靠性和低生产成本，低功耗，高精度等特性。 2.2方案比较 2.2.1 主控芯片 方案一：采用数字逻辑电路。本系统有功能设置、数据装入、定时、显示、声音提示多个功能模块。系统的逻辑状态以及相互转移更是复杂，用纯粹的数字电路或小规模的可编程逻辑电路实现该系统有一定的困难，需要用中大规模的可编程逻辑电路。这样，系统复杂且难以实现。因此，本设计并未采用这种方案。 方案二：采用单片机作为整个控制系统的核心。鉴于市场上常见的51系列8位单片机的售价比较低廉，本设计采用了AT89S52单片机系统。具体方案如下：首先，利用单片机多中断源的协调处理能力，利用中断动态扫描控制显示电路，用单片机I/O口控制外部继电器以及提示电路。 由此可知，采用方案二较为合理，降低开发难度。 2.2.2温度采集模块 方案一 低电压10位数字温度传感器AD7314 ADI公司新近推出的AD7314是一种采用8引脚μSOIC封装的完整温度监测系统。它包含一个带隙式温度传感器和10位模数转换器（ADC），具有温度监测的能力，其数字化温度读数分辨率为0.25℃。AD7314带有一个与SPI，QSPI和MICRO-WIRETM协议兼容的灵活串行接口，允许它与数字信号处理器（DSP）和大多数微控制器方便地连接。它具有低的电源电流特性，这使其适合各种应用，包括个人计算机、办公设备和消费类电子。它的另一个特点是包含一个内部温度传感器，在－35℃～＋85℃温度范围内测量精度为±2℃，电源电压范围为2.65V～2.9V，并且采用小外形8引脚μSOIC封装。另外，它还具有待机工作方式的特点，可将功耗电流进一步降低到最大值为1μA。AD7314非常适合那些低功耗、低电压是主要考虑因素的便携式和电池供电的应用场合。这些应用包括移动电话、消费类电子、个人计算机和过程控制设备。缺点是价格比较昂贵。 方案二 热电偶传感器 热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽(通常从- 50～ + 1600 ℃)及反应快速的优点。热电偶传感器输出的电压信号较为微弱(只有几毫伏到几十毫伏) , 因此在进行A/ D 转换之前必须进行信号调理, 由高放大倍数的电路将它放大到A/ D 转换器通常所要求的伏特级电平。一般采用热电偶调理模板或调理模块来完成这项工作最为便捷, 而自行设计、制作仪表放大器则较为繁琐且较难保证精度。 方案三 可编程分辨率一线 是由美国DALLAS 公司提供的一种单总线系统的数字温度传感器,它可提供二进制9 位温度信息,分辨率为0. 5 ℃,可在- 55～ + 125 ℃的范围内测量温度。从中央处理器到DS18B20 仅需连接一条信号线和地线,其指令信息和数据信息都经过单总线 完成读、写和温度变换所需的电源可以由数据线本身提供,也可以由外部供给。并且,每个DS18B20 有唯一的系列号,因此同一条单总线 ,构成主从结构的多点测温传感器网络。此特性可普遍应用在包括环境监测、建筑物和设备内的温度场测量,以及过程监视和控制中的温度检测中。 由比较可知，选用方案二相对比较便宜的DS18B20更好，能提高A/ D 转换精度的同时确保信号完整性，较少开发难度。 第三章 系统主要元件介绍 3.1温度传感器DS18B20 系统中温度测试点的数据采集由 Dallas 公司的单总线小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。 3.1.1 DS18B20简介 （1）独特的单线接口方式，只需一个接口引脚即可通信； （2）每一个 DS18B20 都有一个唯一的 64 位 ROM 序列码； （3）在使用中不需要任何外围元件； （4）可用数据线℃ ～+125 ℃，在-10℃～+85℃范围内精度为±0.5℃，分辨率 0.0625℃。等效的华氏温度范围是-67°F～+257°F； （6）通过编程可实现 9～12 位的数字读数方式。温度转换成 12 位数字信号所需时间最长为 750ms，而在 9 位分辩模式工作时仅需 93.75ms； （7）用户可自设定非易失性的报警上下限值； （8）告警搜索命令可识别和定位那些超过报警限值的 DS18B20； （9）支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。 （10）电源极性接反时，DS18B20 不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 3.1.2 DS18B20的内部结构 DS18B20 采用 3 引脚 TO－92 小体积封装，其内部结构如下图所示，主要由 4 部分组成：64 位 ROM 序列码、温度传感器、非易失性的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 ROM 中的 64 位序列码是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码，每个 DS18B20 的 64 位序列码均不相同。如下图所示，64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位是单线产品系列编码（比如 DS18B20 的编码是 28h，DS1820 的编码是 10h，DS2438 的编码是 26h），同一型号的单总线器件的编码相同。接着的 48 位是该 DS18B20唯一的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。单总线器件的序列号唯一性特点，保证了在一根总线上可以挂接多个单总线位产品系列编码 MSB LSB MSB LSB MSB LSB (最高有效位) (最低有效位) 如下图所示，DS18B20 的内部存储器包括一个高速暂存（便笺式）RAM 和一个非易失性 EEPROM（高温触发器 TH、低温触发器 TL 和配置寄存器）。暂存存储机制有利于在单线通信时确保数据的完整性。数据通常首先写入暂存存储器，在那里它可以被读回。当数据被校验后，复制暂存存储器的命令把数据传送到非易失性 EEPROM。这一过程确保了更改存储器时数据的完整性。同时非易失性 EEPROM 也保证了 TH、TL 与配置寄存器内容的掉电不丢失，器件每一次上电时这三个字节的内容被重置到高速暂存 RAM 对应的空间。 高速暂存存储器是按9个8位字节存储器来组织的。其中第 0、1个字节为只读型字节，分别包含测得温度信息的低位和高位字节，第 2 和第 3 个字节是 TH 和 TL 的易失性拷贝，在每一次上电复位时被刷新。如果在使用 DS18B20 的过程中不对其施加告警搜索命令，则第 2 和第 3 个字节可用作通用用户存储器，在本系统中即作为通用存储器使用，定义这两个字节存储该温度传感器在系统中的序号，为每个温度传感器分配的序号在系统中是唯一的。第 4 个字节为配置寄存器，接着的三个字节为器件内部使用而保留，不可对其施加写命令。第8 个字节为只读型字节，它是前面所8个字节的循环冗余校验字节（CRC）。 Bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 0 R1 R0 1 1 1 1 1 其中配置寄存器的结构如上图，R1 和 R0 用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20 工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。如下表所示（DS18B20 出厂时被设置为 12 位）。 R1 R0 分辨率 最大的温度转换时间 0 0 9-bit 93.75ms 0 1 10-bit 187.5ms 1 0 11-bit 375ms 1 1 12-bit 750ms 由上表可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。本系统中对于各 DS18B20 的配置寄存器都没有进行修改，即采用其出厂时的配置，使得采集到的温度值分辨率可达到 12bit。 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 0，1 字节。主机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以 0.0625 ℃/LSB 形式表示。 3.2AT89S52单片机 为适应系统的模块化设计，本系统控制芯片采用了intel公司的51系列高性能单片机，为了满足大内存，高速率和通用性等要求，选择了AT89S52单片机。 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。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线 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。 下图为单片机AT89S52的引脚图，AT89S52为40引脚芯片，采用直插式封装，其中20引脚接地线引脚接供电电源，其它引脚功能略。 AT89S52主要性能 与MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz～33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 第四章 系统总体方案设计 4.1 AT89S52单片机 系统采用主要通过18B20温度传感器对温度进行实时检测，当温度低于30度时通过继电器的接通控制热电阻丝进行加热。当温度加热到60度时断开继电器停止加热。加热过程中通过四个发光二极管分别亮灭提示30度、40度、50度、60度的水温。 在实际环境中，我们就要注意此时环境温度已经超过了我们预定值，为了不造成损失我们要做好必要的防范措施。 4.2 系统各个部分电路设计 4.2.1 单片机主控电路设计 单片机主控电路如上图所示包括电源复位电路和晶体振动电路。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。当开关RST闭合后经过一小段时间的延时后单元稳定，RST端口变为高电平，产生复位信号，单片机复位。 晶振电路（如上图）： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生偕波(也就是不希望存在的其他频率的波),这个波对电路的影响不大,但会降低电路的时钟振荡器的稳定性. 为了电路的稳定性起见,ATMEL公司建议在晶振的两引脚处接入两个10pf-50pf的瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响,晶振所配的电容在10pf-50pf之间都可以。在许可范围内,C1,C2值越低越好，C值偏大虽有利于振荡器的稳定,但将会增加起振时间。应使C2值大于C1值,这样可使上电时,加快晶振起振。C1,C2不是必须的，很多三脚的贴片晶振或陶振内部有集成电容。 4.2.2 温度检测电路 如上图所示，温度检测器件DS18B20通过数据线口，Vdd接电源正极，通过R3连接到P1.0口。这是传感器外接电源的接法，另一种接法是直接DS连接P1.0，VCC和GND接地，这个叫做寄生电源，即DS18B20的供电电源是单片机的P1.0口，但是这样接法要保证DS18B20在温度转换的时候P1.0必须为高电平，而且要至少持续500ms，也就是说，P1.0口在DS18B20数据转换的时候就不能传送任何数据。相对来说运用外接电源的方法，P1.0数据线就可以在任何时候不受限制的传送数据。另外由图可见外接了一个4.7K的电阻R3，这个主要是因为在DS18B20温度转换（执行Convert T命令）的时候最少要消耗1MA的电流，这时候P1.0口可能没有足够的能量提供，就需要外接的VCC通过R3提供能量。 4.2.3 继电器控制电阻丝加热 主要通过18B20温度传感器对温度进行实时检测，当温度低于30度时通过继电器的接通控制热电阻丝进行加热。当温度加热到60度时断开继电器停止加热。低于30度时通过P1.1口输出高电平开启继电器使加热电路导通，高于60度时通过P1.1口输出低电平断开继电器使加热电路断开停止加热。 4.2.4 发光二极管指示温度 加热过程中通过四个发光二极管分别亮灭提示30度、40度、50度、60度的水温。在30度时单片机P3.2输出低电平使发光二极管D1亮。在40度时单片机P3.3输出低电平使发光二极管D2亮。在50度时单片机P3.4输出低电平使发光二极管D3亮。在60度时单片机P3.5输出低电平使发光二极管D4亮。 第五章 系统调试 在完成硬件电路设计和软件设计后，对系统进行了调试，以测试整个信号采集系统的性能并对其进行优化，使其可以进行正常可靠的工作。 调试分为硬件调试和软件调试两大模块。软件是根据硬件设计而定的。因此，硬件是基础。如果硬件存在问题，就进行软件调试，会降低系统调试效率。因为调试过程中碰到的问题需要确认是硬件问题还是软件问题。因此，系统调试先进行硬件调试，尽量完善硬件设计，排除错误，为软件调试创造一个良好的环境。 硬件调试的主要任务是检查设计错误。排除错误，为软件调试做好准备工作。根据硬件电路原理图，用万用表检查电路的正确性，核对元器件的型号，规格，极性是否正确。检测器件是否损坏（如数码管，电阻等）。确保没有虚焊，漏焊。仔细检查电路的电源系统，防止电源短路和极性接反。然后上电检测，测量AT89C52的插座引脚电位是否正常。键盘部分主要检查的就是按键有没有插稳，插座有没有虚焊，如果有虚焊或者没有插稳，那将对整个系统的工作产生影响，所以，一定要非常认真地完成硬件的焊接调试工作，确保每一个器件的每一个引脚的物理连接，用万用表测试后没有发现任何问题，就可以进入软件调试阶段了。 在硬件调试过程中，检查出来了很多问题，比如虚焊，插座松动，接触不良等等，通过万用表的排查，基本都得到了解决。原理设计上的一些小问题，也通过对插座针脚的一些调整顺利地解决了。 硬件部分的调试成功，使得软件调试变的异常顺利。几乎未进行多少改动，程序顺利通过测试。 结论 本次智能温度控制系统实现了模块化，高精度，低成本，可扩展性等思想。首先是模块化方面，本设计的硬件电路都尽量采用了模块化设计，如温度采集电路，液晶显示电路，智能报警电路等等，各个电路模块负责不同的功能，分工明确，因此布局走线也十分简单。在软件设计方面也采用了模块化的思想，方法是每个功能子程序化，主程序只对各个功能模块的标志位进行判断，依据标志位来决定程序的走向。同时，不使用的模块进入停止状态，极大限度的降低了功耗。在降低成本方面，本系统采用了较为廉价的单片机AT89S52其程序存储器有8K之多，在众多单片机中有着最高性价比，数字温度传感器DS18B20也比较廉价，而且最重要的还是它不用外加电路进行A/D转换，大大提高了精度，报警方面采用了最为廉价而且方便的蜂鸣器。本系统的应用范围也十分的宽广，温度传感器DS18B20的测量范围-55℃到120℃。因此，系统不仅适合比较低温的北方室外，也适合比较高温的地方，日常室内，绿化温室，生物培养园，工厂等地方也十分适用。 2
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