畢業(yè)論文：基于單片機溫室溫度控制系統(tǒng)研究

1、畢業(yè)論文：基于單片機溫室溫度控制系統(tǒng)研究 1 引言11溫室溫度控制系統(tǒng)設計的意義隨著社會的發(fā)展科技的進步以及測溫儀器在各個領域的應用智能化已是現(xiàn)代發(fā)展的主流方向單片機在電子產(chǎn)品中的應用已經(jīng)越來越廣泛在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度控制隨著溫度控制器應用范圍的日益廣泛和多樣各種適用于不同場合的智能溫度控制器應運而生ad轉(zhuǎn)換后就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理在顯示電路上就可以將被測溫度顯示出來這種設計需要用到ad轉(zhuǎn)換電路感溫電路比較麻煩22 方案二 考慮使用溫度傳感器結(jié)合單片機電路設計采用一只ds18b20溫度傳感器直接讀取被測溫度值之后進行轉(zhuǎn)換依次完成設計要求 圖1電路總體設計方案 1 控制

2、部分單片機at89s51具有低電壓供電和體積小等特點四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設計需要很適合便攜手持式產(chǎn)品的設計使用系統(tǒng)應用三節(jié)電池供電 2 顯示部分顯示電路采用3位共陽led數(shù)碼管從p0口送數(shù)p2口掃描 3 溫度采集部分ds18b20溫度傳感器是美國dallas半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比它能直接讀出被測溫這一部分主要完成對溫度信號的采集和轉(zhuǎn)換工作由ds18b20數(shù)字溫度傳感器及其與單片機的接口部分組成數(shù)字溫度傳感器ds18b20把采集到的溫度通過數(shù)據(jù)引腳傳到單片機的p10口單片機接受溫度并存儲此部分只用到ds18b20和單片機硬件很

3、簡單a ds18b20的性能特點如下1 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信2 多個ds18b20可以并聯(lián)在惟一的三線上實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能3 無須外部器件4 可通過數(shù)據(jù)線供電電壓范圍為3055v5 零待機功耗6 溫度以3位數(shù)字顯示7 用戶可定義報警設置8 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度溫度報警條件的器件9 負電壓特性電源極性接反時溫度計不會因發(fā)熱而燒毀但不能正常工作 b ds18b20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)ds18b20采用3腳pr35封裝如圖2所示ds18b20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示圖2 ds18b20封裝cds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成51 64位光刻rom開始8位是產(chǎn)品類型的編號接著

4、是每個器件的惟一的序號共有48位最后8位是前56位的crc校驗碼這也是多個ds18b20可以采用一線進行通信的原因64閃速rom的結(jié)構(gòu)如下8b檢驗crc48b序列號8b工廠代碼10h msb lsb msb lsb msb lsb圖3 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)2 非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器th和tl可通過軟件寫入用戶報警上下限值3 高速暫存存儲byte0溫度測量值lsb50hbyte1溫度測量值msb50he2prombyte2th高溫寄存器 - th高溫寄存器byte3tl低溫寄存器 - tl 低溫寄存器byte4配位寄存器 - 配位寄存器byte5預留ffhbyte6預留0chbyte7預留io

5、hbyte8循環(huán)冗余碼校驗crc圖4 ds18b20內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)ds18b20出廠時該位被設置為0用戶要去改動r1和r0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)來設置分辨率如圖4tm r1r0 1 1 1 1 1圖5 ds18b20字節(jié)定義由表1可見分辨率越高所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長因此在實際應用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權衡考慮高速暫存ram的第678字節(jié)保留未用表現(xiàn)為全邏輯1第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的crc碼可用來檢驗數(shù)據(jù)從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性當ds18b20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后開始啟動轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第12字節(jié)單片機可以通過單線接口讀出

6、該數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)時低位在先高位在后數(shù)據(jù)格式以00625lsb形式表示當符號位s0時表示測得的溫度值為正值可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制當符號位s1時表示測得的溫度值為負值要先將補碼變成原碼再計算十進制數(shù)值表2是一部分溫度值對應的二進制溫度數(shù)據(jù)6表1 ds18b20溫度轉(zhuǎn)換時間表表2一部分溫度對應值表溫度二進制表示十六進制表示1250000 0111 1101 000007d0h850000 0101 0101 00000550h2506250000 0001 1001 00000191h101250000 0000 1010 000100a2h050000 0000 0000 00100008h0

7、0000 0000 0000 10000000h-051111 1111 1111 0000fff8h-101251111 1111 0101 1110ff5eh-2506251111 1110 0110 1111fe6fh-551111 1100 1001 0000fc90h4 crc的產(chǎn)生 64 b rom的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼crc主機根據(jù)rom的前56位來計crc值并和存入ds18b20中的crc值做比較以判斷主機收到的rom數(shù)據(jù)是否正確 物質(zhì) 的熱脹冷縮開始水銀溫度計至今仍是各種溫度測量的計量標準可是它的缺點是只能近距離觀測而且水銀有毒玻璃管易碎代替水銀的有酒精溫度計和

8、金屬簧片溫度計它們雖然沒有毒性但測量精度很低只能作為一個概略指示不過在居民住宅中使用已可滿足要求在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中為了配合遠傳儀表指示出現(xiàn)了許多不同的溫度檢測方法常用的有電阻式熱電偶式pn結(jié)型輻射型光纖式及石英諧振型等它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù) 如電阻值熱電勢等 的變化的原理隨著大規(guī)模集成電路工藝的提高出現(xiàn)了多種集成的數(shù)字化溫度傳感器32 ds18b20工作原理321 ds18b20的工作時序根據(jù)ds18b20的通訊協(xié)議主機控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟每一次讀寫之前都要對ds18b20進行復位復位成功后發(fā)送一條rom指令最后發(fā)送ram指令這樣才能對ds18b20進

9、行預定的操作復位要求主cpu將數(shù)據(jù)線下拉500微秒然后釋放ds18b20收到信號后等待1560微秒左右后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖主cpu收到此信號表示復位成功 圖6 初始化時序總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的主機響應應答脈沖應答脈沖使主機知道總線上有從機設備且準備就緒主機輸出低電平保持低電平時間至少480us以產(chǎn)生復位脈沖接著主機釋放總線47k上拉電阻將總線拉高延時1560us并進入接受模式以產(chǎn)生低電平應答脈沖若為低電平再延時480us12b寫時序圖7 寫時序 寫時序包括寫0時序和寫1時序所有寫時序至少需要60us且在2次獨立的寫時序之間至少需要1us的恢復時間都是以總線拉低開始寫

10、1時序主機輸出低電平延時2us然后釋放總線延時60us寫0時序主機輸出低電平延時60us然后釋放總線延時2us8c讀時序 圖8 讀時序總線器件僅在主機發(fā)出讀時序是才向主機傳輸數(shù)據(jù)所以在主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后必須馬上產(chǎn)生讀時序以便從機能夠傳輸數(shù)據(jù)所有讀時序至少需要60us且在2次獨立的讀時序之間至少需要1us的恢復時間每個讀時序都由主機發(fā)起至少拉低總線1us主機在讀時序期間必須釋放總線并且在時序起始后的15us之內(nèi)采樣總線狀態(tài)主機輸出低電平延時2us然后主機轉(zhuǎn)入輸入模式延時12us然后讀取總線當前電平然后延時50us4322 rom操作命令3當主機收到dsl8b20 的響應信號后便可以發(fā)出rom

11、操作命令之一這些命令如表3rom操作命令33 ds18b20的測溫原理331 ds18b20的測溫原理6每一片dsl8b20在其rom中都存有其唯一的48位序列號在出廠前已寫入片內(nèi)rom 中主機在進入操作程序前必須用讀rom 33h 命令將該dsl8b20的序列號讀出程序可以先跳過rom啟動所有dsl8b20進行溫度變換之后通過匹配rom再逐一地讀回每個dsl8b20的溫度數(shù)據(jù)ds18b20的測溫原理如圖所示圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小1高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩2的脈沖輸入圖中還隱含著計數(shù)門當計數(shù)ds18b20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)進而完成溫度測量-

12、55 所對應的基數(shù)1和溫度寄存器中減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55 所對1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)當減法計數(shù)器10時溫度寄存器的值將加1減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入減法計數(shù)器1重2計數(shù)到0時中的斜率累加器用ds18b20的測溫原理另外由于ds18b20單線通信功能是分時完成的他有嚴格的時隙概念因此讀寫時序很重ds18b20的各種操作必須按協(xié)議進行操作協(xié)議為初始化ds18b20發(fā)復位脈沖rom功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)圖9 測溫原理內(nèi)部裝置332 ds18b20的測溫流程圖10 ds18b20測溫流程4單片機接口設計ds18b20可以采用兩種方式供電一種是采用電源

13、供電方式此時ds18b20的1腳接地2腳作為信號線3腳接電源另一種是寄生電源供電方式如圖11所示單片機端口接單線總線為保證在有效的ds18b20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流可用一個mosfet管來完成對總線的上拉本設計采用電源供電方式 p1口接單線總線為保證在有效的ds18b20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流可用一個mosfet管和8951的p10來完成對總線的上拉當ds18b20處于寫存儲器操作和溫度ad變換操作時總線上必須有強的上拉上拉開啟時間最大為10 s采用寄生電源供電方式是vdd和gnd端均接地由于單線制只有一根線因此發(fā)送接收口必須是三的主機控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟初始化

14、rom操作指令存儲器操作指令 圖11 ds18b20與單片機的接口電路5系統(tǒng)整體設計51系統(tǒng)硬件電路設計511 主板電路設計 如附錄2 單片機的p10接ds18b20的2號引腳p0口送數(shù)p2口掃描p11p12控制加熱器和電風扇的繼電器512 各部分電路 1 顯示電路顯示電路采用了7段共陰數(shù)碼管掃描電路節(jié)約了單片機的輸出端口便于程序的編寫圖12 顯示電路圖 2 單片機電路圖13單片機電路引腳圖 3 at89sisp下載口電路圖14 下載口電路引腳圖此電路連接單片機 4 ds18b20溫度傳感器電路圖15 溫度傳感器電路引腳圖 5 繼電器電路圖中p11引腳控制加熱器繼電器p12引腳控制電風扇繼電器

15、給p11低電平三極管導通電磁鐵觸頭放下來開始工作同樣給p12低電平三極管導通電磁鐵觸頭放下來開始工作圖16 繼電器電路圖 6 晶振控制電路圖17 晶振控制電路圖 7 復位電路圖18復位電路圖52 系統(tǒng)軟件設計521 系統(tǒng)軟件設計的整體思想一個應用系統(tǒng)要完成各項功能首先必須有較完善的硬件作保證同時還必須得到相應設計合理的軟件的支持尤其是微機應用高速發(fā)展的今天許多由硬件完成的工作都可通過軟件編程而代替甚至有些必須采用很復雜的硬件電路才能完成的工作用軟件編程有時會變得很簡單如數(shù)字濾波信號處理等因此充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源和軟件資源采用與s51系列單片機相對應的51匯編語言和結(jié)構(gòu)化程序設計方法進行

16、軟件編程程序設計語言有三種機器語言匯編語言和高級語言機器語言是機器唯一能懂的語言用匯編語言或高級語言編寫的程序稱為源程序最終都必須翻譯成機器語言的程序成為目標程序計算機才能看懂然后逐一執(zhí)行高級語言是面向問題和計算過程的語言它可通過于各種不同的計算機用戶編程時不必仔細了解所用的計算機的具體性能與指令系統(tǒng)而且語句的功能強常常一個語句已相當于很多條計算機指令于是用高級語言編制程序的速度比較快也便于學習和交流但是本系統(tǒng)卻選用了匯編語言原因在于本系統(tǒng)是編制程序工作量不大規(guī)模較小的單片機微控制系統(tǒng)使用匯編語言可以不用像高級語言那樣占用較多的存儲空間適合于存儲容量較小的系統(tǒng)同時本系統(tǒng)對位處理要求很高需要解決

17、大量的邏輯控制問題mcs51指令系統(tǒng)的指令長度較短它在存儲空間和執(zhí)行時間方面具有較高的效率編成的程序占用內(nèi)存單元少執(zhí)行也非常的快捷與本系統(tǒng)的應用要求很適合而且mcs51指令系統(tǒng)有豐富的位操作或稱位處理指令可以形成一個相當完整的位操作指令子集這是mcs51指令系統(tǒng)主要的優(yōu)點之一對于要求反應靈敏與控制及時的工控檢測等實時控制系統(tǒng)以及要求體積小系統(tǒng)小的許多電腦化產(chǎn)品可以充分體現(xiàn)出匯編語言簡明整齊執(zhí)行時間短和易于使用的特點本裝置的軟件包括主程序讀出溫度子程序復位應答子程序?qū)懭胱映绦蛞约坝嘘Pds18b20的程序初始化子程序?qū)懗绦蚝妥x程序等主程序的功能是啟動ds18b20測量溫度將測量值與給定值進行比較若

18、測得溫度小于設定值則進入加熱階段置p11為低電平這期間繼續(xù)對溫度進行監(jiān)測直到溫度在設定范圍內(nèi)置p11為高電平斷開可控硅關閉加熱器等待下一次的啟動命令當測得溫度大于設定值則進入降溫階段則置p12為低電平這期間繼續(xù)對溫度進行監(jiān)測直到溫度在設定范圍內(nèi)置p12為高電平斷開關閉風扇等待下一次的啟動命 522 系統(tǒng)程序流程圖系統(tǒng)程序主要包括主程序讀出溫度子程序復位應答子程序?qū)懭胱映绦虻?主程序主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示讀出并處理ds18b20的測量的當前溫度值溫度測量每1s進行一次這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度其程序流程見圖19所示通過調(diào)用讀溫度子程序把存入內(nèi)存儲中的整數(shù)部分與小數(shù)部分分開存

19、放在不同的兩個單元中然后通過調(diào)用顯示子程序顯示出來圖19 主程序流程圖2讀出溫度子程序 讀出溫度子程序的主要功能是讀出ram中的9字節(jié)在讀出時需進行crc校驗校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫 圖20 讀出溫度子程序 ds18b20的各個命令對時序的要求特別嚴格所以必須按照所要求的時序才能達到預期的目的同時要注意讀進來的是高位在后低位在前共有12位數(shù)小數(shù)4位整數(shù)7位還有一位符號位3復位應答子程序圖21復位應答子程序4寫入子程序圖22 寫入子程序5 系統(tǒng)總的流程圖圖23系統(tǒng)總的流程圖6 總結(jié)與體會 經(jīng)過將近三周努力完成了溫室溫度控制系統(tǒng)的設計達到預計的設計目標從心底里說非常高興通過這次設計將硬軟件做

20、了出來并能按照預定的要求工作了但高興之余不得不深思呀在本次設計的過程中我發(fā)現(xiàn)很多的問題雖然以前沒有獨立做過這樣的設計但這次設計真的讓我長進了很多單片機課程設計重點就在于軟件算法的設計需要有很巧妙的程序算法雖然以前寫過幾次程序但我覺的寫好一個程序并不是一件簡單的事舉個例子以前寫的那幾次數(shù)據(jù)加減時我用的都是bcd碼這一次我全部用的都是16進制的數(shù)直接加減顯示處理時在用除法去刪分感覺效果比較好有好多的東西只有我們?nèi)ピ囍隽瞬拍苷嬲恼莆罩粚W習理論有些東西是很難理解的更談不上掌握從這次的設計中我真真正正的意識到在以后的學習中要理論聯(lián)系實際把我們所學的理論知識運用到實際當中學習單機片機更是如此程序只有在

21、經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高這就是我在這次設計中的最大收獲通過對多種溫度控制系統(tǒng)的分析研究本論文自行設計并實現(xiàn)了一種溫度測試控制系統(tǒng)該系統(tǒng)基于51系列單片機的控制通過at89s51處理溫度傳感器檢測的數(shù)字信號從而控制固態(tài)繼電器的打開和關閉實現(xiàn)對溫度的控制同時配合按鍵的手動控制使得系統(tǒng)操作更加方便人性化通過對硬件與軟件的調(diào)試情況系統(tǒng)基本能實現(xiàn)論文所預期的設計功能不過系統(tǒng)仍然存在一些不足之處有待改進從設計方案的選擇到最終系統(tǒng)功能的實現(xiàn)我在這個過程中學到了許多新的知識首先是閱讀了一些參考文獻使我對溫度控制系統(tǒng)有了全新的認識在這次系統(tǒng)設計的過程中遇到了很多困難但通過自己的努力都一一克服了這次設計我不光

22、在硬件方面有很大提高在理論上也學到了很多當然由于自己前一段時間不抓緊搞的到最后幾天拼命趕論文弄的自己很狼狽這是我以后要吸取教訓的地方凡事都得有計劃7 結(jié)束語本設計使用的溫度控制器結(jié)構(gòu)簡單測溫準確具有一定的實際應用價值該智能溫度控制器只是ds18b20在溫度控制領域的一個簡單實例還有許多需要完善的地方例如可以將測得的溫度通過單片機與通訊模塊相連接以手機短消息的方式發(fā)送給用戶使用戶能夠隨時對溫度進行監(jiān)控此外還能廣泛地應用于其他一些工業(yè)生產(chǎn)領域如建筑倉儲等行業(yè)本溫度控制系統(tǒng)可以應用于多種場合像溫室的溫度育嬰房的溫度水溫的控制用戶可靈活選擇本設計的用途有很強的實用價值8 致謝大學四年的學習和生活就要隨

23、著這篇論文的答辯而結(jié)束了有許許多多的舍不得也有許許多多的感謝要說首先要衷心感謝的是我感謝所有教育過我的老師你們傳授給我的專業(yè)知識是我不斷成長的源泉也是完成本論文的基礎安徽機電學院學報20027胡振宇劉魯源杜振輝ds18b20接口的c語言程序設計j單片機與20028金偉正單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應用j電子技術用2000im 公司 1-wire 單總線的基本原理 eb ol 10馬云峰陳子夫李培全 數(shù)字溫度傳感器ds18b20 的原理與應用 eb ol 11dallas corpds18b20 eb ol 12李 鋼1-wire總線數(shù)字溫度傳感器ds18b20原理及應用現(xiàn)代電子技術j200510

24、 附錄附錄11下載線插接說明兩排十針下載口板圖上都有一個小方框為1號引角下載線的凸口為正方向凸口的右側(cè)邊的第一個插孔為1號引角這一點一定要切記不然的話程序下載不進去2電源線插接說明所提供的電池盒紅線為正黑線為負板子所留出來的電源插口用vcc表示電源正和gnd表示電源負標明若沒有標明我們會刻有記號刻有號處為電源正附錄2主板電路圖附錄3程序代碼org 0000htemper_l equ 29htemper_h equ 28hflag1 equ 38h是否檢測到ds18b20標志位a_bit equ 20h 數(shù)碼管個位數(shù)存放內(nèi)存位置b_bit equ 21h 數(shù)碼管十位數(shù)存放內(nèi)存位置xs equ 3

25、0hmov a00hmov p2amainlcall get_temper調(diào)用讀溫度子程序mov a29hmov baclr crlc aclr crlc aclr crlc aclr crlc aswap amov 31hamov abmov c40h將28h中的最低位移入crrc amov c41hrrc amov c42hrrc amov c43hrrc amov 29halcall display調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序ajmp main 這是ds18b20復位初始化子程序init_1820setb p10nopclr p10主機發(fā)出延時537微秒的復位低脈沖mov r13tsr1mov

26、r0107djnz r0djnz r1tsr1setb p10然后拉高數(shù)據(jù)線nopnopnopmov r025htsr2jnb p10tsr3等待ds18b20回應djnz r0tsr2ljmp tsr4 延時tsr3setb flag1 置標志位表示ds1820存在ljmp tsr5tsr4clr flag1 清標志位表示ds1820不存在ljmp tsr7tsr5mov r0117tsr6djnz r0tsr6 時序要求延時一段時間tsr7setb p10ret 讀出轉(zhuǎn)換后的溫度值get_tempersetb p10lcall init_1820先復位ds18b20jb flag1tss2

27、ret 判斷ds1820是否存在若ds18b20不存在則返回tss2mov a0cch 跳過rom匹配lcall write_1820mov a44h 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令lcall write_1820這里通過調(diào)用顯示子程序?qū)崿F(xiàn)延時一段時間等待ad轉(zhuǎn)換結(jié)束12位的話750微秒lcall displaylcall init_1820準備讀溫度前先復位mov a0cch 跳過rom匹配lcall write_1820mov a0beh 發(fā)出讀溫度命令lcall write_1820lcall read_18200 將讀出的溫度數(shù)據(jù)保存到35h36h ret寫ds18b20的子程序 有具體的時序要求

28、write_1820mov r28一共8位數(shù)據(jù)clr cwr1clr p10mov r36djnz r3rrc amov p10cmov r323djnz r3setb p10nopdjnz r2wr1ret 讀ds18b20的程序從ds18b20中讀出兩個字節(jié)的溫度數(shù)據(jù) read_18200mov r42 將溫度高位和低位從ds18b20中讀出mov r129h 低位存入29h temper_l 高位存入28h temper_h re00mov r28數(shù)據(jù)一共有8位re01clr csetb p10nopnopclr p10nopnopnopsetb p10mov r39re10 djnz

29、r3re10mov cp10mov r323re20 djnz r3re20rrc adjnz r2re01mov r1adec r1djnz r4re00retdisplayclr csubb a 30jnb cy t1mov a bclr csubb a25jnb cy xianshiclr p11ljmp xianshit1clr p12xianshimov abmov b10 10進制10 10進制div abmov b_bita 十位在amov a_bitb 個位在bmov r04 clr c多加的dpl1 mov r1250 顯示1000次dplopmov dptrnumtab1mov aa_bit 取個位數(shù)mo