基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：隨著社會的發(fā)展，溫度的測量及控制變得越來越重要，溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本文詳細(xì)地講述了基于單片機(jī)AT89S51和溫度傳感器DS18B20的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，數(shù)碼管同步顯示溫度設(shè)定值和當(dāng)前測量值，可通過按鍵以1的步進(jìn)改變溫度設(shè)定值，系統(tǒng)復(fù)位后默認(rèn)設(shè)定溫度值為45。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，單片機(jī)控制繼電器啟動加熱器加熱，同時點(diǎn)亮紅色發(fā)光二極管，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時，加熱器停止加熱，從而實(shí)現(xiàn)了測量和控制溫度的目的。系統(tǒng)稍微改裝可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。系統(tǒng)具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過反復(fù)測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵詞：單片機(jī)溫度控制傳感器數(shù)碼管DesignofTemperatureControlSystemBasedonSingleChipMicrocontrollerUndergraduate：Supervisor:Abstract:Withthedevelopmentofthesociety,thecontroloftemperaturebecomemoreandmoreimportant.Temperatureisaimportantphysicalparametersinproductionprocessandscientificexperiments.ThedesignandimplementationoftemperaturecontrolsystembasedonsinglechipmicrocontrollerAT89C51andDS18B20areintroducedinthispaper.TemperaturedataarecollectedbyDS18B20,Temperaturesettingsandcurrentmeasurementsaredisplayedbydigitaltube；thetemperaturesettingscanbechangeBythekey-presseswith1step.Thedefaulttemperaturevalueis45.Whenthetemperatureisunderthesettings,theheaterstartswiththered-LEDon,oppositely,theheaterstoppedheatingwhenthetemperatureishigherthanthesetvalue.Thesystemiscontrolconvenient,simple,flexibility.Afterrepeatedtesting,thesystemcanoperatestably.Keywords:Singlechipmicrocontroller,Temperaturecontrol，sensor，LED目錄引言.11.概述.21.1課題研究的目的及意義.21.2課題研究現(xiàn)狀分析.21.3技術(shù)指標(biāo).22.總體設(shè)計(jì).32.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證.32.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.33.硬件設(shè)計(jì).33.1元器件的選擇.33.1.1單片機(jī)選擇.33.1.2傳感器選擇.63.2單片機(jī)控制模塊.73.3溫度數(shù)據(jù)采集模塊.83.4顯示模塊.83.5溫度設(shè)置模塊.103.6控制電路.114.軟件設(shè)計(jì).114.1主程序流程圖.114.2溫度傳感器DS18B20工作過程及時序.124.2.1初始化時序.124.2.2寫時序.134.2.3讀時序.145.系統(tǒng)調(diào)試.155.1測試環(huán)境.155.2測量方法.155.3測試結(jié)果.15結(jié)論.16參考文獻(xiàn).17致謝.18附錄.19附錄1系統(tǒng)總原理圖.19附錄2系統(tǒng)PCB圖.20附錄3源程序清單.211引言在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。其中，溫度控制也越來越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制。采用單片機(jī)對溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的控制問題。單片機(jī)是一種集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)等部分于一體的器件，只需要外加電源和晶振就可實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信息的處理和控制。因此，單片機(jī)廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)控制中。隨著“信息時代”的到來，作為獲取信息的手段傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，使得人們可以利用?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動測量、信息處理和自動控制，但是它們都不同程度地存在溫漂和非線性等影響因素。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過對傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例的分析了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合起來，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。另一方面，傳感器的被測信號來自于各個應(yīng)用領(lǐng)域，每個領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時效，各自都在開發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。其發(fā)展速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。為了提高對傳感器的認(rèn)識和了解，尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度監(jiān)控系統(tǒng)。文中傳感器理論與單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)地講述了基于單片機(jī)AT89S51和溫度傳感器DS18B20的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)控制模塊，顯示模塊和溫度設(shè)置模塊，驅(qū)動電路五個部分。文中對每個部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，系統(tǒng)稍微改裝可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。21.概述1.1課題研究的目的及意義隨著社會的發(fā)展，溫度的測量及控制變得越來越重要。溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度，壓力，流量，速度等進(jìn)行有效的控制。其中溫度的控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確測量和有效控制溫度是優(yōu)質(zhì)，高產(chǎn)，低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。在工業(yè)的研制和生產(chǎn)中，為了保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運(yùn)行并提高控制精度，采用微電子技術(shù)是重要的途徑。它的作用主要是改善勞動條件，節(jié)約能源，防止生產(chǎn)和設(shè)備事故，以獲得好的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。本課題采用51單片機(jī)來對溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)。作為控制系統(tǒng)中的一個典型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用了微機(jī)原理、自動控制原理、傳感器原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、鍵盤顯示技術(shù)等諸多方面的知識，是對所學(xué)知識的一次綜合測試。1.2課題研究現(xiàn)狀分析由于現(xiàn)代工藝越來越多的需要對實(shí)時溫度進(jìn)行監(jiān)測和控制，而且需要的精度越來越高。所以溫度控制系統(tǒng)國內(nèi)外許多有關(guān)人員的重視，得到了十分廣泛的應(yīng)用。溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，而且成果顯著。由于單片微處理器的性能日益提高、價(jià)格又不斷降低，使其性能價(jià)格比的優(yōu)勢非常明顯。因此，如何將單片微處理器應(yīng)用到鍋爐溫度自動控制領(lǐng)域，為越來越多的生產(chǎn)廠家所重視。目前先進(jìn)國家各種爐窯自動化水平較高，裝備有完善的檢測儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已采用集散系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的形式，大部分配有先進(jìn)的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標(biāo)。單片微型計(jì)算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路的技術(shù)的發(fā)展而誕生的。由于它具有體積小，功能強(qiáng)，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表，家用電器，節(jié)能裝置，軍事裝置，機(jī)器人，工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化，智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量又降低了成本，簡化了設(shè)計(jì)。1.3技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)并制作一個基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，能夠?qū)t溫進(jìn)行控制。爐溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在爐溫變化時實(shí)現(xiàn)自動控制。若測量值高于溫度設(shè)定范圍，由單片機(jī)發(fā)出控制信號，經(jīng)過驅(qū)動電路使加熱器停止工作。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，單片機(jī)發(fā)出一個控制信號，啟動加熱器。通過繼電器的反復(fù)開啟和關(guān)閉，使?fàn)t溫保持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。溫度設(shè)定范圍為099，最小區(qū)分度為1，溫度控制的誤差1能夠用數(shù)碼管精確顯示當(dāng)前實(shí)際溫度值3按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、加一鍵、減一鍵越限報(bào)警2.總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證實(shí)現(xiàn)溫度控制的方法主要有以下幾種。方案一：采用純硬件的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于速度較快，但可靠性比較差控制精度比較低、靈活性小、線路復(fù)雜、調(diào)試、安裝都不方便。且要實(shí)現(xiàn)題目所有的要求難度較大。方案二：FPGA/CPLD或采用帶有IP內(nèi)核的FPGA/CPLD方式。即用FPGA/CPLD完成采集，存儲，顯示及A/D等功能，由IP核實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及信號測量分析等功能。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的測量與與控制，操作方便；缺點(diǎn)是調(diào)試過程復(fù)雜，成本較高。方案三：單片機(jī)與高精度溫度傳感器結(jié)合的方式。即用單片機(jī)完成人機(jī)界面，系統(tǒng)控制，信號分析處理，由前端溫度傳感器完成信號的采集與轉(zhuǎn)換。這種方案克服了方案一、二的缺點(diǎn)，所以本課題任務(wù)是基于單片機(jī)和溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對溫度的控制。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)控制模塊，顯示模塊和溫度設(shè)置模塊，驅(qū)動電路五個部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)框圖其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)實(shí)時采集溫度數(shù)據(jù)，采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，由單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)送顯示部分顯示。設(shè)置模塊可設(shè)置預(yù)定溫度，當(dāng)檢測到的溫度低于設(shè)定溫度時，單片機(jī)控制驅(qū)動電路啟動加熱，并發(fā)出報(bào)警聲；當(dāng)檢測溫度高于設(shè)定溫度時，停止加熱。3.硬件設(shè)計(jì)3.1元器件的選擇3.1.1單片機(jī)選擇單片機(jī)的選擇在整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，要滿足大內(nèi)存、高速率、通用性、溫度傳感器單片機(jī)鍵盤控制復(fù)位電路顯示電路報(bào)警電路控制電路4價(jià)格便宜等要求，本課題選擇AT89S51作為主控芯片。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51芯片具有以下特性：指令集和芯片引腳與Intel公司的8051兼容；4KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程Flash程序存儲器；時鐘頻率為033MHz；128字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲器（RAM）；32個可編程輸入/輸出引腳；2個16位定時/計(jì)數(shù)器；6個中斷源，2級優(yōu)先級；全雙工串行通信接口；監(jiān)視定時器；2個數(shù)據(jù)指針。AT89S51單片機(jī)的40個引腳中有2個專用于主電源引腳，2個外接晶振的引腳，4個控制或與其它電源復(fù)用的引腳，以及32條輸入輸出I/O引腳。1.電源引腳Vcc和VssVcc（40腳）：接+5V電源正端；Vss（20腳）：接+5V電源正端。2.外接晶振引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成采用外部時鐘時，對于HMOS單片機(jī)，該引腳接地；對于CHOMS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時鐘時，對于HMOS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。對于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。3.控制信號或與其它電源復(fù)用引腳有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4種形式。RST/VPD（9腳）：RST即為RESET，VPD為備用電源，所以該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)復(fù)位到初始狀態(tài)。當(dāng)VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時，該引腳可接上備用電源VPD（+5V）為內(nèi)部RAM供電，以保證RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。ALE/P（30腳）：當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存信號）以每機(jī)器周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現(xiàn)在P0口的地址信號。5PSEN(29腳):片外程序存儲器讀選通輸出端,低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間，每個機(jī)器周期PESN兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間，PESN信號將不出現(xiàn)。EA/Vpp（31腳）：EA為訪問外部程序儲器控制信號，低電平有效。當(dāng)EA端保持高電平時，單片機(jī)訪問片內(nèi)程序存儲器4KB（MS52子系列為8KB）。若超出該范圍時，自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部程序存儲器的程序。當(dāng)EA端保持低電平時，無論片內(nèi)有無程序存儲器，均只訪問外部程序存儲器。對于片內(nèi)含有EPROM的單片機(jī)，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源Vpp。4.輸入/輸出（I/O）引腳P0口、P1口、P2口及P3口P0口（39腳22腳）：這8條引腳有兩種不同功能，分別適用于兩種不同情況。第一種情況是89S51不帶片外存儲器，P0口可以作為通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)。第二種情況是89S51帶片外存儲器，P0.0-P0.7在CPU訪問片外存儲器時用于傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。P1口（1腳8腳）：這8條引腳和P0口的8條引腳類似，P1.7為最高位，P1.0為最低位。當(dāng)P1口作為通用I/O口使用時，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。P2口（21腳28腳）：這組引腳的第一功能和上述兩組引腳的第一功能相同，既它可以作為通用I/O口使用。它的第二功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址。P3口（10腳17腳）：P3.0P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準(zhǔn)雙向I/O接口，也可以將每1位用于第2功能，而且P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。P3口的第2功能見表1。表1單片機(jī)P3口管腳第2功能引腳第2功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行口輸入端0）TXD（串行口輸出端）INT0（部中斷0請求輸入端，低電平有效）INT1（中斷1請求輸入端，低電平有效）T0（時器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖端）T1（時器/計(jì)數(shù)器1數(shù)脈沖端）WR（部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效）RD（部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效）6EA/VP31X119X218RESE