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基于51单片机的温度控制直流电动机转速系统设计.doc
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基于51单片机的温度控制直流电动机转速系统设计.doc
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1
第一章 系统方案设计
1.1 系统的设计要求及主要技术指标
本论文要求使用单片机进行电路设计,同时单片机部分应带有显示功能。单片机
对某个位置进行温度监控,当外部温度≥45℃时,电动机加速正转,当温度≥75℃时,
电动机全速正转;当外部温度≤10℃时,电动机加速反转,当温度≤0℃时,电动机全
速反转;当温度回到 10℃~45℃之间时电动机逐渐停止转动。
1.2 系统总体方案
系统总体方案设计,如下图 1.1
图 1.1 系统总体方案图
1.3 总体方案论述
该系统采用 AT89C51 单片机为核心,通过 DS18B20 进行温度采集,送入单片机,
经过软件编程进行温度的比较和范围划定,然后通过程序控制由单片机产生不同的
PWM(脉冲宽度调制)信号,送给电机驱动芯片 L298 的使能端口,通过 L298 驱动芯
片来控制直流电机的启动、速度、方向的变化;单片机将温度数据传送给 LM016L 显
示温度。整个电路设计包括温度采集模块,单片机控制模块,温度显示模块,和电机
及电机驱动模块。
单
片
机
温度显示
温度采集
DS18B20
PWM 输
出
电机驱动
L298
直流电动
机
系统供电
2
第二章 硬件电路设计
2.1 单片机的选择
2.1.1 AT89C51 单片机
AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压高性能 CMOS 8 位单片机,片内含
4Kbytes 的可反复檫写的只读程序存储器(PEROM)和 128 bytes 的随机存取数据存储
器(RAM), 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准
MSC-51 指令系统,片内置通用 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元,功能强
大 AT89C51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领
域。
2.1.2 单片机晶振电路
单片机系统里都有晶振,如图 2.1 所示(左图为内部振荡方式,右图为外部振荡
方式)在单片机系统里晶振作用非常大,全程叫晶体振荡器,他结合单片机内部电路
产生单片机所需的时钟频率,单片机晶振提供的时钟频率越高,那么单片机运行速度
就越快,单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
图 2.1 晶振电路
在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更
高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率,称为压控振荡器(VCO)。
晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定,精
确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振,
便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电子调整
频率的方法保持同步。
当采用内部时钟时,片外连接石英晶体(或陶瓷振荡器)和微调电容 C1、C2 接在
放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容 C1、C2 起稳定振荡频率、快速
起振的作用。虽然没有十分严格的要求但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、
3
振荡工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性,如果使用石英晶体,推荐使用
30pf±10pf,而如使用陶瓷振荡器最好选择 40pf±10pf,产生原始的振荡脉冲信号。
采用外部时钟时, XTAL1 输入即内部时钟发生器的输入端外部时钟脉冲信号,
XTAL2 悬空。仿真如图 2.1 所示。
2.1.3 单片机复位电路
复位是单片机的初始化操作。单片机启运运行时,都需要先复位,其作用是使
CPU 和系统中其他部件处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。因而,
复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的,必须配合相应
的外部电路才能实现。
根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式:上电复位和手动复位。
上电复位:上电瞬间,电容充电电流最大,电容相当于短路,RST 端为高电平,
自动复位;电容两端的电压达到电源电压时,电容充电电流为零,电容相当于开路,
RST 端为低电平,程序正常运行。
手动复位:首先经过上电复位,当按下按键时,RST 直接与 VCC 相连,为高电
平形成复位,同时电解电容被短路放电;按键松开时,VCC 对电容充电,充电电流
在电阻上,RST 依然为高电平,仍然是复位,充电完成后,电容相当于开路,RST
为低电平,正常工作,仿真如图 2.2 所示。
图 2.2 Protues 仿真的晶振及复位图
2.2 温度采集模块设计
温度是一种最基本的环境参数,在工农业生产及日常生活中对温度的测量及控制
具有重要意义。本模块的功能是进行温度采集,获取温度数据然后经过单片机处理,
由单片机来控制 PWM 的输出。
2.2.1 方案论证:
方 案一
4
由于本模块是测温电路,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 , 其中还涉及到电阻与温度的对应值的计算,感温电路比较麻烦。而且在对采
集的信号进行放大时容易受温度的影响出现较大的偏差。
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,所以这
是非常容易想到的,所以可以采用一只温度传感器 DS18B20,此传感器,可以很容
易直接读取被测温度值,进行转换,电路简单,精度高,软硬件都以实现,而且使用
单片机的接口便于系统的再扩展,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,费用较低,可靠性
高,软件设计也比较简单,故采用了方案二。
该模块通过 AT89C51 单片机驱动数字温度传感器 DS18B20,进行温度数据采集、
读取、处理,并通过 LCD 显示出来。
温度传感器是该模块的关键器件,本系统选用的是美国 Dallas 半导体公司生产
的数字化温度传感器 DS18B20。DS18B20 支持“一线总线”接口,测量温度范围为
-55℃~+125℃,被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出,在-10~+85℃
范围内,精度为±0.5℃。DS18B20 采集到的现场温度直接以先进的单总线数据通信
方式传输,大大提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境的现场温度测量,如:环境
控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。DS18B20 可程序设定 9~12 位的
分辨率,精度可达±0.5℃。DS18B20 具有内置的 EEPROM,用户设定的分辨率和报
警温度都可存储在其中,且掉电后依然存在。
2.2.2 DS18B20 的内部结构
DS18B20 内部结构由 64bit 闪速 ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器
TH 和 TL 配置寄存器等 4 个数字器件组成,如图 2.3。
图 2.3 DS18B20 的内部结构
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图 2.4 DS18B20 测温原理图
DS18B20 的管脚排列如下图 2.5 所示:
图 2.5 18B20 管脚图
DQ 为数字信号输入/输出端;GND 为电源地;VCC 为外接供电电源输入端(在
寄生电源接线方式时接地)。
光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该 DS18B20 的
地址序列码。64 位光刻 ROM 的排列是:开始 8 位(28H)是产品类型标号,接着的
48 位是该 DS18B20 自身的序列号,最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码
(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同,这样
就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。
DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量,以 12 位转化为例:用 16 位符号
扩展的二进制补码读数形式提供,以 0.0625℃/LSB 形式表达,其中 S 为符号位。
表 2.1 DS18B20 的 RAM
这是 12 位转化后得到的 12 位数据,存储在 DS18B20 的两个 8 比特的 RAM 中
如图 7 所示,二进制中的前面 5 位是符号位,如果测得的温度大于 0,这 5 位为 0,
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