基于单片机的机械通风控制系统的设计与仿真 毕业设计.docx

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基于单片机的机械通风控制系统的设计与仿真毕业设计

基于单片机的机械通风控制系统的设计与仿真

摘要

本系统是以Atmel公司的AT89C52单片机为控制核心，用DS18B20温度传感器采集温度，然后经过微控制器处理后通过液晶显示出来，并且可以自由设置上限警戒值温度和上限危险值温度，当到达上限警戒值温度或者上限危险值温度时，通过实时控制主副风机进行不同状态工作，可进行实时报警，从而进行调节巷道内通风保持空气流通。

本系统详细研究了智能控制系统的算法，在一定程度上有效解决井内温度以及通风的问题。

关键词：

单片机；智能控制；机械通风

Abstract

ThesystemisbasedonAtmel'sAT89C52microcontrollercore,withatemperaturesensorDS18B20collectingtemperature,andthenprocessedafterthemicrocontrollerthroughtheLCDdisplay,andcanbefreelysetthewarninglimitandupperlimitvalueofthetemperaturevalues​​ofthetemperaturedanger,whenitreachestheupperlimitalertWhentheupperlimitvalueofthetemperatureorthetemperaturedangervaluethroughreal-timecontrolofthemainandauxiliaryfanworkcarriedoutindifferentstates,canbereal-timealarm,therebyadjustingthetunnelventilationtokeeptheaircirculating.Thissystemisadetailedstudyofthealgorithmintelligentcontrolsystem,toacertainextent,aneffectivesolutiontothewelltemperatureandventilationproblems.

Keywords:

MCU;intelligentcontrol;mechanicalventilation

第一章前言

课题研究目的意义及现状

1.1研究目的和意义

煤炭资源为我国的经济建设带来了巨大的帮助，不仅提供了大量的能源补给，也给人们的生活带来诸多益处。

但在煤矿生产中，存在一些安全隐患，为了解决这些安全隐患，保障生产过程的有序安全进行，我们设计了通风机，煤矿通风机是保障安全生产的主要通风设备。

一般在矿道中采用抽出式通风方式，通风机将矿井巷道里的空气抽出，排放到大气中，同时将温度等有害温度排放出来，来保障巷道内空气的安全。

本课题充分利用单片机的强大功能，对温度进行实时采集、数据处理，对温度超过标准值进行及时的报警，对提高温度检测的可靠性和系统的性价比具有十分重要的意义。

1.2国内外研究现状和发展趋势

目前对基于单片机的机械通风控制系统的研究以及进一步对通风机算法的研究还处于研发阶段，可以参考和借鉴的相关文献较少。

在对通风机智能控制上以实现智能自主控制，可以根据生产应用的需要，自由的设计通风机的算法流程，使其安全合理方便地工作。

随着近代超大规模集成电路的出现，微处理器及其外围芯片有了迅速的发展。

集成技术的最新进展之一是将CPU和外围芯片，如程序存储器、数据存储器、并行、串行、I/时／计数器、中断控制器及其他控制部件集成在一个芯片之中，制成单片计算机。

而近年来推出的一些高档单片机还包含有许多特殊功能单元，如 A／D转换器、调制解调器、通信控制器、锁相环、DMA、浮点运算单元等。

因此，只要外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统，如工业控制系统、数据采集系统、自动测试系统、智能仪表、智能接口、功能模块等[3]。

8位单片机，特别是高档8位单片机出现是计算机工程应用史上的一个里程碑，这是因为：

（1）开始结束了计算机专业人员垄断计算机工程应用的时代。

计算机在工程中的应用技术开始为非计算机专业的广大工程技术人员敞开大门。

计算机软、硬件技术的发展使技术人员掌握计算机应用系统设计、组装、调试等变得十分容易。

计算机应用系统有可能成为非计算机专业人员用来实现一些控制功能的常规性工具。

（2）单片机系统的开发、应用会成为计算机工程应用的一个重要领域，特别是工业测控系统不再是通用计算机系统和通用微处理器系统的一统天下。

单片机的结构，外围器件的配套以及如何更好地满足工程领域、高技术领域形形色色的功能要求，会逐渐形成计算机芯片技术发展的一个重要方面。

随着单片机结构的发展与完整，单片机应用系统会向更高层次和更大规模发展。

（3）单片机已成为高科技领域中的有力工具。

目前中、高档单片机，兆位、32位单片机，以及一些专用单片机（如数字信息处理、通信控制等）已开始在工业测控系统，机器视觉系统，行走系统，分布式测控系统，快速多机实时处理系统和图像信息系统中成为不可缺少的重要组成部分。

单片机的出现，并在各个技术领域中得到如此迅猛的发展，与单片机构成计算机应用系统所形成的下述特点有关[4]：

（1）单片机构成的应用系统有较大的可靠性。

这些可靠性的获得除了依靠单片机芯片本身的高可靠性以及应用系统有最少的联接外，还可以方便地采用软、硬件冗余技术。

（2）系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统，应用系统有较高的软、硬件利用系数。

（3）由于构成的应用系统是一个计算机系统，相当多的测、控功能由软件实现，故具有柔性特征，不须改变硬件系统就能适当地改变系统功能。

（4）有优异的性能、价格比。

本文主要以单片机为控制核心，通过实时采集巷道内温度，并实时控制通风机使巷道内温度保持在安全值以下，保障正常的生产活动。

通过检测温度和标准值进行比较，当温度气体浓度高过一定浓度值时候，由单片机控制进行相应的声音报警。

本设计其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的设定。

在系统构建时选取了ATMEL公司提供的AT89C52芯片作为该控制系统的核心。

1.3本章小结

本章主要研究了在矿井巷道内检测温度的目的和意义，详细说明了通风机算法的研究在国内外的发展趋势，并提出了基于单片机的机械通风控制系统的研究。

第二章设计要求及模块方案

2.1设计要求

（1）实现测量温度。

（2）实时通过液晶显示温度。

（3）设置温度范围，并进行实时比较。

（4）实时根据温度，对主副风机进行控制。

（5）实时采集温度，超过范围实时进行报警提示。

2.2设计思路

根据功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用51单片机为主控机。

通过扩展必要的外围接口电路，实现对温度进行测量和实时报警以及进行实时控制通风机通风。

该系统以AT89C52单片机为核心，由温度采集传感器,显示模块LCD,按键检测模块，报警指示模块，控制模块，电源模块，电机驱动模块等共同组成。

在系统中，温度大小显示、控制参数的设置、运行及复位等功能由键盘及显示电路完成。

2.2.1微控制器模块

方案一：

采用FPGA作为系统的控制器。

FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。

FPGA的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时其芯片引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。

方案二：

应用单片机作为控制器。

我们使用了ATMEL公司的AT89C52单片机，它也同样具有很强的信息处理功能，易于操作使用，具有8k的程序存储器，频率最大支持33MHZ，体积小，需要电压小，功耗低，价格便宜等优点，更适于本系统的要求。

经过比较后选择方案二。

2.2.2液晶显示模块

方案一用数码管进行显示。

由于数码管显示速度快，编程简单，显示效果简洁，但体积较大，显示大量字符时不实用，并且其特殊符号或图案也往往难以显示。

方案二采用LCD液晶显示。

LCD液晶显示模块虽然占用I/O口多，控制复杂，但其功能强大，显示内容丰富、清晰，显示信息量大。

并且能够提示操作语句，这大大提高了系统的人性化设计。

经过比较分析选择方案二。

2.3本章小结

本章主要讲述了通风机系统的算法研究的设计要求和硬件设计方案模块的选择比较，最终综合选择了以AT89C52单片机为控制核心，采用温度传感器读取温度变化，并实时传给单片机，采用液晶进行实时显示。

第三章系统硬件设计

在此系统中，通过采集温度将温度大小通过AD转换为数字信号送至单片机，单片机也会进行将数据转换为对应的温度显示在LCD上，通过比较采集值与设置的正确值、警戒值、危险值。

控制系统主要由单片机AT89C52，LCD显示电路，电机驱动电路，温度采集电路，蜂鸣器报警系统以及键盘组成。

3.1主控板模块简介

1、微控制器模块简介

（1）AT89C52简介

AT89C52单片机是现在最常用的单片机之一。

它采用静态CMOS工艺制造，最高工作频率为24MHz，其PDIP/DIP封装如图所示。

除了PDIP封装之外，还有PQFP/TQFP和PLCC/LCC等2种不同的封装，用户可以根据不同的场合进行选择。

AT89C52是一种带4K字节闪烁，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

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AT89C52是一种高效微控制器，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。

单片机的主要特性有4K字节可编程闪烁存储器、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。

单片机的主要特性有4K字节可编程闪烁存储器、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路　　　

引脚说明

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能，如下：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2（外部中断0）

P3.3（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6（外部数据存储器写选通）

P3.7（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

（2）单片机最小系统

图1单片机最小系统原理图

2、液晶显示模块

LCD1602为液晶显示模块指令功能强：

可组合成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求；

接口简单方便：

可与8位微处理器或微控制器相联；

液晶板上排列着若干5×7或5×10点阵的字符显示位,每个显示位可显示1个字符，从规格上分为每行8、16、20、24、32、40位，有一行、两行及四行三类。

外围电路连接:

我用P0口来给控制数据及命令传输，因为PO口没有接上拉，我们在外围电路上接4.7千欧的上拉电阻，提高推拉电流的能力。

电路如图：

图:

2外围电路连接图

3、按键控制模块

根据需要，数据需要进行相关的设置和控制，设置了这款电路，因为该电路比较简单，运用了独立键盘，来扫描每个IO口的状态，进行判断，同时我们在软件进行了消抖处理。

电路如图所示；

图3按键电路图

4、蜂鸣器报警模块

为了更加直观，我们在上面加了蜂鸣器报警和LED灯来指示电路的工作，具体电路如图所示：

图4蜂鸣器报警指示电路图

5、电源模块

在系统中需要5V的单片机供电，我们之间用了稳压模块LM7805用来提供相应的电压5V电压，电路图如图所示：

图5LM7805提供5V电压电路

3.2DS18B20温度传感器

（1）简介

我们直接选用了数字温度传感器DS18B20来测试温度，Dallas半导体公司的单线数字温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，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，支持3V~5.5V的电压范围，DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。

读出及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外的电源。

DS18B20提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。

数字单总线温度传感器是目前最新的测温器件，它集温度测量，A/D转换于一体，具有单总线结构，数字量输出，直接与微机接口等优点。

既可用它组成单路温度测量装置，也可用它组成多路温度测量装置，文章介绍的单路温度测量装置已研制成产品,产品经测试在-10℃-70℃间测得误差为0.25℃,80℃≤T≤105℃时误差为0.5℃,当T>105

℃误差为增大到1℃左右。

（2）DS18B20的技术性能：

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。

测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。

工作电源:

3-5V/DC。

在使用中不需要任何外围元件。

测量结果以9-12位数字量方式串行传送。

不锈钢保护管直径Φ6。

适用于DN15-25,DN40-DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。

标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2任选。

PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。

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。

（3）温度传感器DS18B20特点

单线接口，仅需一根口线与CPU连接可以实现双向通信

无需外围元件

由总线提供电源，电压范围3.0V5.5V

调温范围为-55℃~125℃，固有测温分辨率为0.5℃

通过编程可以实现九位数字温度读数

负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧坏，但不能正常工作。

（4）温度传感器DS18B20内部结构

温度传感器DS18B20内部结构：

DS18B20采用三脚PR35封装如图3-7所示，其内部框图如3-8所示[5]。

64位的ROM开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的唯一的序号共计48位，最后8位是前56位的CRC校验码。

高速缓存器存储器包含一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EP2RAM。

配置寄存器为高速缓存器中的第五个字节，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，各位字节的定义如表3-1示：

表3-1各位字节的定义

TM

R1

R0

1

1

1

1

1

后五位一直是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是测试模式，在DS18B20出厂时被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，也就是设置分辨率。

图6DS18B20三脚PR35封装

图7DS18B20内部结构图

在温度进行计算时，以12位转换位数为例：

对于正的温度，只要将

测到的数值整数部分取出，转换为十进制，再将小数部分乘以0.0625就可以将得到的十进制的小数位的温度值了。

而对于负的温度，则需要将采集到的数值取反加1，即可以得到实际温度的十六进制表示。

在按照正温度的计算方法就可以得出十进制的负的温度了[6]。

（4）外围电路设计

DS18B20外围只有一条数据线，电路设计简单，只需要跟单片机控制器一个IO口连接即可，主要需要在上面加一个10千欧的上拉电阻。

图8DS18B20电路连接图

3.3交流电机驱动模块简介

采用LM393组成双电压比较器集成电路，通过单片机发出控制信号，通过控制信号驱动主副电机进行工作。

图9蜂鸣器报警指示电路图

3.4本章小结

本章主要讲述了通风机智能系统设计的硬件设计方案，详细介绍了微控制器模块，显示模块，采集模块，电源模块，电机驱动模块等，为后面软件算法的实现搭建了平台。

第四章系统研究及实现

4.1该系统的工作原理

机械通风机控制系统是以单片机AT89C52为控制核心，通过读取温度并进行实时显示，从而控制电机变化。

具体工作过程：

1）通过传感器检测温度发送到液晶上，在液晶上实时显示出来;

2）设置温度范围；

3）判读温度是否超过设置的告警温度，并发出相应的指令。

4）系统根据指令做出相应的显示，控制通风机进行工作。

当气体浓度在正常值时，主风机以低速转动，副风机不工作。

当气体浓度达警戒值时，主风机加速达中速运转，副风机开始转动同时也达到中速。

当气体浓度达危险值时，警报器发出警报，主风机与副风机均加速以最高速度运转。

当气体浓度低于危险值，高于警戒值时，主风机与副风机均减速并以中速运转。

当气体浓度低于警戒值时，主风机减至低速转动，副风机停止转动。

另外我可以通过手动设置报警温度。

使用液晶实时显示当前的温度，准确显示当前接收到的温度。

4.2该系统的相关流程

图8整体程序流程图

工作流程：

通过温度传感器采集温度大小，读取温度大小数值，将采集到的温度与设定的警戒值温度和危险值温度进行实时比较，如果超过，则进行声光报警并通过控制通主副风机进行通风。

各按键设置功能：

按键1：

一个功能键，主要用来调整温度，当按下此键以后，则开始进行检测，在各进程之间转化，设置温度警戒值和温度危险值。

按键2：

主要用来控制范围温度设置数值的增加：

并作相应的处理。

按键3：

主要用来控制范围温度设置数值的减小：

并作相应的处理。

算法详细工作流程如下：

（a）系统进行初始化；

（b）通过按键设定上限警戒值和上限危险值；

（c）中断触发信号；

（d）巷道内温度变化；

（e）通过AD转换巷道内温度为数字信号；

（f）引起触发单片机工作读取数据；

（g）单片机读取数据控制液晶显示，同时进行与设定的数值进行比较：

（1）实际值在正常值范围内；

（2）实际值大于警戒值小于危险值；

（3）实际值大于危险值。

（h）单片机控制主副风机进行变化；超过危险值进行声光报警；

（i）将变化之后的温度实时读取返回给单片机。

4.3主要代码分析

#include

#include"lcd1602.h"

#include"pcf8591.h"

以上三个为头文件，本系统算法主要分为三个部分，液晶显示工作部分、温度模数转换部分、主函数部分。

主函数模块负责调用液晶显示模块和模数转换模块并进行数值比较，实时控制主副通风机和蜂鸣器报警工作。

sbitjingbao=P2^7;

intmoshi=6,flag-error=0;

以上两段代码，主要用于定义蜂鸣器报警引脚和对各种模式数值进行初始化。

voidseries_inint（）

{

EX0=1;

IT0=1;

EA=1;

}

以上代码为初始化，开总中断，开外部中断，开定时器中断，用于触发中断信号。

main（）

{

intflag=6;

unsignedcharnongdu;

series_init（）;

LCD_Init（）;

LCD_Clear（）;

LCD_Disp_String（0,0,"NongDu;

Write_PCF8591（0,0）;

Write_PCF8591（1,0）;

以上部分位于主函数当中，主要是用于系统初始化，液晶初始化，模数初始化以及设定显示等。

第五章系统算法软件测试

5.1软件调试

所谓软件调试，是将编制的程序投入实际运行前，用手工或编译程序等方法进行测试，修正语法错误和逻辑错误的过程。

这是保证单片机正确运行的必不可少的步骤。

编完单片机程序，必须送入单片机中测试。

我把软件调试过程分为两步。

第一步，使用KeiluVision4软件调试程序。

将编辑好的C语言程序进行编译连接，消除基本的语法错误