王健数码管显示的温控电动机设计详解.docx
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王健数码管显示的温控电动机设计详解
1引言
1.1设计任务与要求
(1)使用AT89C51单片机为核心,使用4位集成式数码管显示当前温度,温度传感器使用DS18B20。
(2)用4位集成式数码管显示当前温度,当温度在-200~700范围之外时,直流电动机开始旋转。
1.2实用价值与理论意义
电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中,随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长,越来越多的生产机械要求能实现自动调速。
在现代工业中,电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中,随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长,越来越多的生产机械要求能实现自动调速。
数码管温控电机是多种技术知识的结合,不仅涉及到软件的设计,而且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合,使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点。
电路板的设计技术和机械加工工艺的巧妙结合,使其具备了显示直观、体积做工精细等特点,能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础。
因为经过我们调查发现许多应用场合原来就有测温控温仪器,只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高,以往的那些测温控温的仪器根本不能满足现在的要求。
其中,有部分应用场合对精度提高的幅度要求也不是特别高。
因此,为了提高性价比,我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良,以此为出发点,主要阐述的是一种数码管显示的温控电动机的实现方法。
现代各种家用电器以及生产机械都广泛应用电动机来驱动,电动机的作用是将电能转换为机械能,但是传统的电动机只是机械的按照其工作原理来工作,需要依靠人手动操作电动机的运行、停止、反向等操作,这样需要消耗大量的人力资源,在操作过程中也有很多不便,有时会因为外界环境和温度的因素使电动机造成不必要的损坏。
所以,为了减少这种不必要的损失,在电动机上添加温控装置,可以通过温控装置来监控当前温度,当温度达到要求的温度时,电动机产生相应的操作,以达到工程机械或家用电器的功能要求,而添加数码管可以更加直观的监测当前温度。
2单片机简介
2.1单片机的定义
单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
2.2AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1.主要特性
AT89C51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
2.AT89C51管脚图
图2.1AT89C51管脚图
3Keil软件和Proteus软件简介
3.1Keil软件简介
单片机开发中除必要的硬件外,同样离不开软件,我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法,一种是手工汇编,另一种是机器汇编,目前已极少使用手工汇编的方法了。
机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码,用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51,随着单片机开发技术的不断发展,从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发,单片机的开发软件也在不断发展,Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件,这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(uVision)将这些部份组合在一起。
运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU,16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的,如果你使用C语言编程,那么Keil几乎就是你的不二之选(目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件),即使不使用C语言而仅用汇编语言编程,其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
3.1.1Keil软件系统概述
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发,体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。
另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
下面详细介绍KeilC51开发系统各部分功能和使用。
3.1.2KeilC51单片机软件开发系统的整体结构
C51工具包的整体结构中uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境(IDE),可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。
目标文件可由LIB51创建生成库文件,也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件,以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试,也可由仿真器使用直接对目标板进行调试,也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
使用独立的Keil仿真器时,注意事项:
(1)仿真器标配11.0592MHz的晶振,但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。
(2)仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片,不复位目标系统。
(3)仿真芯片的31脚(/EA)已接至高电平,所以仿真时只能使用片内ROM,不能使用片外ROM;但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连,故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM(其CPU的/EA引脚接至低电平)的目标系统中使用。
3.2Proteus软件简介
Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件,Proteus软件有近20年的历史,在全球广泛使用。
它除了具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外,其革命性的功能是,它的电路仿真是交互的,可视化的,针对微处理器的应用,还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,并实现软件源码级的实时调试,如有显示及输出,还能看到运行后输入输出的效果,配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等,可以测量仿真的波形及记录仿真数据。
在不需要硬件设备投入的情况下,Proteus软件可以建立完整的电子学习设计开发环境,缩短研发周期,并且降低开发成本。
3.2.1Proteus软件的构成
Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。
此系统受益于多年来的持续开发,被《电子世界》在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品—“TheRoutetoPCBCAD”。
Proteus产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。
用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。
其功能模块:
—个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具;PROSPICE混合模型SPICE仿真;ARESPCB设计。
PROSPICE仿真器的一个扩展PROTEUSVSM:
便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。
此外,还可以结合微控制器软件使用动态的键盘,开关,按钮,LED甚至LCD显示CPU模型。
3.2.2Proteus的主要特征
(1)支持许多通用的微控制器,如ARM、PIC、AVR、以及8051。
(2)交互的装置模型包括:
LED和LCD显示、RS232终端、通用键盘。
(3)强大的调试工具,包括寄存器和存储器、断点和单步模式。
(4)IARC-SPY和KeiluVision2等开发工具的源层调试。
(5)应用特殊模型的DLL界面-提供有关元件库的全部文件。
4DS18B20的软件设计
4.1DS18B20的简介
4.1.1DS18B20的主要特性
1.适应电压范围更宽,电压范围:
3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。
2.独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
3.DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温。
4.DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
5.温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃。
6.可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温。
7.在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快。
8.测量结果直接输出数字温度信号,以"一线总线"串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力。
9.负压特性:
电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
4.1.2DS18B20的外形和内部结构
1.DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
2.DS18B20的外形及管脚排列如下图4.1:
图4.1DS18B20外形及引脚排列图
3.DS18B20引脚定义
(1)DQ为数字信号输入/输出端;
(2)GND为电源地;
(3)VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。
DS18B20寄生电源供电方式电路图如下面图4所示,在寄生电源供电方式下,DS18B20从单线信号线上汲取能量:
在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作,直到高电平到来再给寄生电源(电容)充电。
独特的寄生电源方式有三个好处:
1)进行远距离测温时,无需本地电源。
2)可以在没有常规电源的条件下读取ROM。
3)电路更加简洁,仅用一根I/O口实现测温。
要想使DS18B20进行精确的温度转换,I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量,由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA,当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时,只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量,会造成无法转换温度或温度误差极大。
因此,图4电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用,不适宜采用电池供电系统中。
并且工作电源VCC必须保证在5V,当电源电压下降时,寄生电源能够汲取的能量也降低,会使温度误差变大。
图4.2DS18B20寄生电源工作方式(电源从IO口上获得)
图4.3DS18B20外接电源工作方式
4.2单片机实现温度转换流程图
单片机实现温度转换读取温度数值程序的流程如图4.4所示
否
否
是
是
图4.4单片机实现温度转换读取温度数值程序的流程图
5数码管显示的温控电动机
5.1设计要求
(1)使用AT89C51单片机为核心,使用4位集成式数码管显示当前温度,温度传感器使用DS18B20。
(2)用4位集成式数码管显示当前温度,当温度在
范围之外时,直流电动机开始旋转。
5.2设计过程
5.2.1设计程序及编写
先建立一个新的工程,保存到一个位置,如图5.1所示:
图5.1新建工程
接下来会弹出如下对话框,选择处理器,这里选择AT89S51或AT89S52。
图5.2选择处理器
接下来对话框提示是否把StartupCode加入到工程,选否即可。
工程就建立完了。
图5.3对话框提示
接下来可以新建一个文档用来编辑程序。
图5.4新建文档
将数码管显示的温控电动机的程序输入到新建文档中,编辑完存为.asm(汇编源文件)或.h(C语言头文件)或.c(C语言实现文件)即可。
图5.5编辑程序
接下来把保存的.asm,.c或.h文件加入到工程里即可。
如图5.6所示:
图5.6将文件加入工程
下面进行工程配置。
点击Project菜单下的OptionsforTarget‘Target1’。
在弹出对话框的Target项里输入晶振为12M,然后勾上UseOn-chipROM。
图5.7工程配置
(1)
在Output项里勾上CreateHEXFile。
这就是产生要烧写的.hex文件。
图5.8工程配置
(2)
然后点击Project菜单里的buildtarget或Rebuildalltargetfiles以编译要烧写的.hex文件。
编译完会在下面OutputWindow里显示编译成功与否的信息和错误提示。
图5.9程序编译
5.2.2电路绘制及调试
添加元件,单击“P”按钮
,在对话框的KEYWORDS中输入AT89C51,得到以下结果:
图5.10查找元件
单击OK,关闭对话框,这时元件列表中列出AT89C51,用同样的方法找出其他元件。
如图5.11所示:
图5.11所需元件
放置元件,在元件列表中左键选取AT89C51,在原理图编辑窗口中单击左键,这样AT89C51就被放到原理图编辑窗口中了,用同样的方法放置其他元件,如图5.12所示:
图5.12放置元件
按照数码管显示的温控电动机的原理连接电路,如图5.13所示:
图5.13电路原理图
完成控制电路的绘制,将Proteus与Keil开发工具结合,搭建单片机开发平台,实现二者的联调,然后仿真出控制电路,如图5.14所示:
图5.14电路原理图
6结论
本课程设计阐述了以AT89C51单片机为核心,使用DS18B20温度传感器以及4位集成式数码管显示温度的数码管显示的温控电动机。
实现了通过数码管监测温度,当温度在
范围之外时,直流电动机开始旋转的要求。
本设计着重运用单片机原理设计数码管显示的温控电动机的程序,并用Keil软件编写程序,用Proteus软件进行控制电路的仿真操作。
在课程设计过程中,遇到一些问题,例如:
从网上查找到相关程序和本设计题目一样,但是用到这个程序是出现错误,自己查找不出错误所在,最后经过问老师得到了解决。
设计过程中由于对单片机理论知识的欠缺,使得对一些指令不是很了解,导致程序编写错误,期间花费了大量时间找资料和同学探讨调试,最终编写出正确的程序;此外,由于初次接触Proteus软件,对其使用不是很熟悉,又查阅了大量该软件的资料和使用教程来完成控制电路的绘制;在进行控制电路仿真过程中最重要的就是Keil软件和Proteus软件的联调,对此我也查阅了很多相关资料,以保证该课程设计的正确性和可行性。
附录A:
设计所用的C语言程序清单
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitDS=P1^6;
sbitIN1=P1^0;//P1.0与电机驱动IN1相连
sbitIN2=P1^1;//P1.1与电机驱动IN2相连
sbitENA=P1^4;
uinttemp,t;
ucharflag,count;
uchardatadis_buf[8];
uchardatadis_digit,dis_index;
ucharcodetable[]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,
0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f
};
ucharcodetable1[]={
0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,
0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef
};
voiddelay(uintms)
{
uinti,j;
for(i=ms;i>0;i--)
for(j=110;j>0;j--);
}
voidinit()
{
TMOD=0x11;
TH0=(65536-1000)/256;
TL0=(65536-1000)%256;
TH1=(65536-5000)/256;
TL1=(65536-5000)%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
ET1=1;
TR1=1;
flag=0;
ENA=0;
count=0;
}
voiddsreset(void)
{
uinti;
DS=1;
i++;
DS=0;
i=103;
while(i>0)i--;
DS=1;
i=4;
while(i>0)i--;
DS=1;
}
bittmpreadbit(void)
{
uinti;
bitdat;
DS=1;
DS=0;i++;i++;
DS=1;i++;
dat=DS;
i=8;while(i>0)i--;
return(dat);
}
uchartmpread(void)
{
uchari,j,dat;
dat=0;
for(i=1;i<=8;i++)
{
j=tmpreadbit();
dat=(j<<7)|(dat>>1);
}
return(dat);
}
voidtmpwritebyte(uchardat)
{
uinti;
ucharj;
bittestb;
for(j=1;j<=8;j++)
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if(testb)//write1
{
DS=0;
i++;i++;
DS=1;
i=8;while(i>0)i--;
}
else
{
DS=0;
i=8;while(i>0)i--;//write0
DS=1;
i++;i++;
}
}
}
voidtmpchange(void)
{
dsreset();
delay
(1);
tmpwritebyte(0xcc);
tmpwritebyte(0x44);
}
uinttmp()
{
floattt;
uchara,b,b1;
dsreset();
delay
(1);
tmpwritebyte(0xcc);
tmpwritebyte(0xbe);
a=tmpread();
b=tmpread();
temp=b;
b1=b;
temp<<=8;
temp=temp|a;
if(b1<8)
{
flag+=1;
tt=temp*0.0625;
temp=tt*10+0.5;
dis_buf[0]=0;
}
else
{
flag-=1;
temp=~temp;
temp=temp+1;
tt=temp*0.0625;
temp=tt*10+0.5;
dis_buf[0]=0x40;
}
returntemp;
}
voiddisplay(uinttemp)
{
ucharA1,A2,A3;
A1=temp/100;
A2=temp%100/10;
A3=temp%10;
t=A1*10+A2;
dis_buf[3]=table[A3];
dis_buf[2]=table1[A2];
dis_buf[1]=table[A1];
}
voidTurn_t(void)
{
ENA=0;
IN1=0;
IN2=0;
}
voidTurn_z(void)
{
ENA=1;
IN1=1;
IN2=0;
}
voidmain()
{
init();
dis_buf[7]=table[0];
dis_buf[6]=table[0];
dis_buf[5]=table[0];
dis_buf[4]=table[0];
dis_buf[3]=table[0];
dis_buf[2]=table[0];
dis_buf[1]=table[0];
dis_buf[0]=table[0];
dis_digit=0xfe;
dis_index=0;
while
(1)
{
if(flag==1)
{
flag=0;
if(t>=70)
Turn_z();
else
Turn_t();
}
else
if(flag==-1)
{
flag=0;
if(t>20)
Turn_z();
else
Turn_t();
}
}
}
voidtimer0()interrupt1
{
TH0=(65536-500)/256;
TL0=(65536-500)%256;
P2=0xff;
P0=dis_buf[dis_index];
P2=dis_digit;
dis_digit=_crol_(dis_digit,1);
dis_index++;
dis_index&=0x07;
}
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