溫度控制系統(tǒng)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：水溫控制系統(tǒng)級(jí):自動(dòng)化081號(hào):200808425名:劉帥軍指導(dǎo)教師:董唯光評(píng)語:成績2011 年 7 月 8 日1問題分析及解決方案 11.1題目要求 11.2題目分析 11.3解決方案12. 單片機(jī)選型及硬件配置 22.1單片機(jī)及擴(kuò)展模塊選擇 22.1.1單片機(jī)及輸入輸出模塊選型 22.1.2電源模塊的選擇22.2 I/O地址分配22.3系統(tǒng)硬件原理圖 32.3.1系統(tǒng)原理框圖 32.3.2晶振及復(fù)位電路 32.3.3數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路42.3.4溫度顯示模塊 42.3.5溫度控制系統(tǒng)整體仿真圖 52.3.6 DS18B20溫度傳感器 53. 軟件實(shí)現(xiàn)93.1控制流

2、程圖 93.2軟件代碼93.3程序調(diào)試153.4設(shè)計(jì)結(jié)果153.5結(jié)果分析174. 結(jié)論和體會(huì)174.1結(jié)論174.2心得體會(huì)17參考書目181.11. 問題分析及解決方案題目要求器。要求設(shè)計(jì)一個(gè)水溫控制系統(tǒng)，能正?？刂坪蜏y量溫度范圍，控溫通道輸出為繼電測溫和控溫范圍：室溫80C（實(shí)時(shí)控制）；控溫精度：正負(fù)C。1.2題目分析本系統(tǒng)為水溫控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)作為控制器控制繼電器的導(dǎo)通和關(guān)斷， 利用 溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測水的溫度，通過數(shù)碼管顯示實(shí)際溫度和設(shè)定的目標(biāo)溫度，然后利 用加熱和冷卻裝置進(jìn)行加減溫度， 使水的溫度維持在一定的范圍之內(nèi)。 通過調(diào)節(jié)目標(biāo) 溫度按鈕，可以任意調(diào)節(jié)水的溫度范圍。1.3解

3、決方案根據(jù)題目要求，采用5V電源給單片機(jī)供電。供電電源可以利用 220/9V變壓器 先將220V的電壓將為9V，然后利用7805穩(wěn)壓芯片，得到5V供電電源。在控制環(huán) 節(jié)，利用5551型三極管充當(dāng)開關(guān)，通過單片機(jī)控制三極管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而進(jìn)一 步控制繼電器的開關(guān)，更進(jìn)一步控制加熱、冷卻裝置的工作狀態(tài)。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，通過溫度傳感器（DS18B20），對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行溫度和數(shù)字轉(zhuǎn) 換，由溫度傳感器輸出的溫度信號(hào)經(jīng)過I/O 口，由單片機(jī)讀出數(shù)值，并在數(shù)碼管上顯 示，通過按鍵可以升高或者降低所需的溫度。實(shí)際溫度再經(jīng)過和目標(biāo)溫度進(jìn)行比較， 若所測溫度大于目標(biāo)溫度，則輸出低的門限電壓，即D1燈不亮，不執(zhí)

4、行加熱環(huán)節(jié)，同時(shí)指示燈D4亮，開始執(zhí)行制冷環(huán)節(jié)；反之，若所測電壓小于目標(biāo)電壓，則輸出高 的門限電壓，即D1燈亮，執(zhí)行加熱環(huán)節(jié)這樣就可以把溫度控制在一定的范圍之內(nèi)。2. 單片機(jī)選型及硬件配置2.1單片機(jī)及擴(kuò)展模塊選擇2.1.1單片機(jī)及輸入輸出模塊選型在該題目當(dāng)中，單片機(jī)選用 STC89C52,溫度檢測模塊采用 DS18B20作為溫度 傳感器對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，溫度顯示模塊選用兩個(gè)四位一體共陽極數(shù)碼管， 分別顯 示實(shí)際溫度和目標(biāo)溫度。2.1.2電源模塊的選擇由于單片機(jī)輸出的是TTL電平信號(hào)，因此對(duì)單片機(jī)單獨(dú)提供5V電源。該電源可 以由220V交流電源經(jīng)整流、降壓和穩(wěn)壓后獲得。對(duì)繼電器線圈端子提供經(jīng)

5、 5V放大 后的8V電源供電，觸頭端子直接接入 220V電源。2.2 I/O地址分配將單片機(jī)P0 口作為實(shí)際水溫的段選端，P2 口作為目標(biāo)水溫的段選端。P1作為 位選端，其中P1.0-P1.3作為實(shí)際水溫位選，P1.4 P1.7作為目標(biāo)水溫位選。P3 口 主要作為信號(hào)指示以及讀取溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)使用。單片機(jī)引腳分配圖如圖2-1所示：11和2 3331455616 7m 8FAIML1XTAL2PO1MD1 P02/AD2 PC 旳 D3RSTP0.4AD4 POS/ADS P0J&TAD6 P07/AD7P2.O/A8P2 1jA9PSEN ALEP2.2/A10rx. JJAl 1 P2

6、.4/A12EArjf.a/Al JP27/A1SP1.0P3.0ff?XDrl .1rd.1 JIXDPI 2P3.2ffljrro_PI .3P3.3JIN 11Pi .4PI .r35/T1Fl .QPI .7P3.7ru)U19 *片丹戶Ei圖2-1單片機(jī)引腳圖35 PP0101112131422 P2J23P2224咧25 Pd26 PH27 P2E28 卩 2?P2.3系統(tǒng)硬件原理圖2.3.1系統(tǒng)原理框圖該系統(tǒng)的原理框圖如圖2-2所示:圖2-2系統(tǒng)原理框圖2.3.2晶振及復(fù)位電路該系統(tǒng)中單片機(jī)外部晶振選為 11.0592MHZ,通過兩個(gè)電容和XTAL1和XTAL2 引腳連接構(gòu)成單片

7、機(jī)的外部時(shí)鐘電路如圖 2-3所示。C320pF C1X1CRYSTAL uTEXTn20pF圖2-3單片機(jī)外部時(shí)鐘電路復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。該系統(tǒng)復(fù)位電路由RC微分電路產(chǎn)生的脈沖來實(shí)現(xiàn)，電路如圖2-4所示，按下開關(guān)即可產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，通過導(dǎo)線 引入單片機(jī)RST引腳即可發(fā)生復(fù)位。VCCC222UF邑1匚程R51k TEXO卒D315ETH06 圖2-4單片機(jī)復(fù)位電路2.3.3數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路該系統(tǒng)選擇四位一體的共陽極數(shù)碼管作為溫度顯示元件。 通過測試，我們發(fā)現(xiàn)單 片機(jī)上電后輸出電流不能達(dá)到要求， 導(dǎo)致數(shù)碼管顯示亮度不夠，因此在本電路中對(duì)位 選端加了三極管驅(qū)動(dòng)電路。如圖 2-5

8、所示：圖2-5數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路2.3.4溫度顯示模塊由P0 口控制實(shí)際水溫的段選，P2 口控制目標(biāo)水溫的段選。P1 口作為位選端, 其中P1.0- P1.3作為實(shí)際水溫位選，P1.4 P1.7作為目標(biāo)水溫位選。顯示模塊如圖 2-6所示。實(shí)際水溫目標(biāo)溫度圖2-6溫度顯示模塊2.3.5溫度控制系統(tǒng)整體仿真圖同時(shí)還利用Protues對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真圖如圖2-7所示:圖2-7 Protues仿真圖實(shí)際水溫冃標(biāo)溫度R3L RL1 亠L(fēng)1| fa 尢一用2.3.6 DS18B20溫度傳感器1. DS18B20的主要特性1、 適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍為3.05.5V,在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供 電

9、2、獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在和微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí) 現(xiàn)微處理器和DS18B20的雙向通訊3、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形 如一只三極管的集成電路內(nèi)4、溫范圍55C+ 125C，在-10+85C時(shí)精度為)5C5、 可編程的分辨率為912位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 0.5C、0.25C、0.125C和0.0625C，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫&在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在 750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快7、測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以一線總線串行傳送給CPU，同時(shí)可傳 送CRC校

10、驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力2.指令約定代碼操作說明DS18B20的初始化(1) 先將數(shù)據(jù)線置高電平“ 1”(2) 延時(shí)(該時(shí)間要求的不是很嚴(yán)格，但是盡可能的短一點(diǎn))(3) 數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”(4) 延時(shí)750微秒(該時(shí)間的時(shí)間范圍可以從480到960微秒)。(5) 數(shù)據(jù)線拉到高電平“ 1”(6) 延時(shí)等待(如果初始化成功則在15到60毫秒時(shí)間之內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由DS18B20所返回的低電平 “0”據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應(yīng)注意不能 無限的進(jìn)行等待，不然會(huì)使程序進(jìn)入死循環(huán)，所以要進(jìn)行超時(shí)控制)。(7) 若CPU讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0后，還要做延時(shí)，其延時(shí)的時(shí)間從發(fā)出的高電平算起(第

11、(5)步的時(shí)間算起)最少要 480微秒。(8)將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“1后結(jié)束/*DS18B20初始化*/In it_DS18B20(void) un sig ned char x=0;DQ = 1;delay(8);DQ = 0;delay(80);DQ = 1; delay(14);x=DQ;delay(20);DS18B20的寫操作/DQ復(fù)位/稍做延時(shí)/單片機(jī)將DQ拉低精確延時(shí)大于 480us/拉高總線稍做延時(shí)后如果 x=0則初始化成功(1) 數(shù)據(jù)線先置低電平 “0。(2) 延時(shí)確定的時(shí)間為 15微秒(3) 按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)(一次只發(fā)送一位)。(4) 延時(shí)時(shí)間為45微秒。(

12、5) 將數(shù)據(jù)線拉到高電平。(6) 重復(fù)上(1 )到(6)的操作直到所有的字節(jié)全部發(fā)送完為止(7) 最后將數(shù)據(jù)線拉咼。/*向DS18B20寫命令*/Write On eChar( un sig ned char dat)un sig ned char i=0;for (i=8; i0; i-)DQ = 0;DQ = dat&0x01;delay(5);DQ = 1;dat=1;/dela y；DS18B20的讀操作(1) 將數(shù)據(jù)線拉高 “ 1”(2) 延時(shí)2微秒。(3) 將數(shù)據(jù)線拉低 “0”(4) 延時(shí)15微秒。(5) 將數(shù)據(jù)線拉高 “ 1。(6) 延時(shí)15微秒。(7) 讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個(gè)狀

13、態(tài)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。(8) 延時(shí)30微秒。DS18B20溫度值格式表，如表2-1所示。這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二 進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測得的溫度大于 0,這5位為0,只要將測到的數(shù) 值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0,這5位為1,測到的數(shù)值需要取 反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際 溫度。例如+125T的數(shù)字輸出為 07D0H， +25.0625C的數(shù)字輸出為0191H, -25.0625C的數(shù)字輸出為 FE6FH，-55C的數(shù)字輸出 為 FC90H 。表2-1 DS18B20溫度值格式表Hl 7bit 65bj

14、(4bit 5bi t 2bit LS Byte丄|壬1| tI cT1V22寸已btt 1$bil LIhit13畫12bit IIbA 10bit 9biLSMS Byw| S1 1|負(fù)S2*/DS18B20程序讀取溫度ReadTemperature(void)un sig ned char a=0;un sig ned char b=0;un sig ned int t=0;In it_DS18B20();Write On eChar(0xCC);/跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作Write On eChar(0x44);/ 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換In it_DS18B20();Write On eChar(

15、0xCC);/跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作Write On eChar(0xBE);讀取溫度寄存器等(共可讀9個(gè)寄存器)前兩個(gè)就是溫度a=ReadO neChar();/ 低八位b=ReadO neChar();/ 高八位t=b;t=8;t=t|a;/合并高八位和低八位return(t);此函數(shù)得到的值為溫度值，最小分度為0.0625，其中低四位為小數(shù)部分，(即：把一度分為16等分)。中間七位為其整數(shù)部分，高五位為符號(hào)位，若高五位為0，則說明得到的溫度為正數(shù)。若高五位為1，則說明得到的溫度為負(fù)數(shù)3. 軟件實(shí)現(xiàn)3.1控制流程圖程序控制流程圖如圖3-1所示:開始圖3-1程序流程圖單片機(jī)I/O 口初始化3.

16、2軟件代碼在整碼如下:DS18B20初始化數(shù)碼管顯示初始化C語言編程，所用的編程環(huán)境是Keil 2。該程序源代#in clude#def in e賣取Un的實(shí)際溫gped int#defi ne uchar| un sig ned char sbit PNsbit數(shù)碼管1斷碼控制P13=P1Asbit標(biāo)溫度?控制繼電器導(dǎo)A4,進(jìn)行加熱A0;sbitP實(shí)際溫度是否低于目sbitsbitPitsbitsbit啟動(dòng)報(bào)警裝置P3同:時(shí)控制繼電器關(guān)/蜂鳴器 sbit P31斷進(jìn)街降溫/繼電器控制位NP15=P1A$;1A6;YP34=P3A4;設(shè)定的最大溫度?控制繼電器關(guān)斷，進(jìn)行降溫NY啟動(dòng)報(bào)警裝置，同

17、時(shí)控制繼電器導(dǎo) 通進(jìn)行加熱2段電源指示燈實(shí)際溫度是否低于設(shè)定的最小溫度?sbitsbitsbitsbitup=P3A7;ldown=p3A6;結(jié)束P35=P35；DQ =P3A3;/* *按鍵操作端口-加熱指示燈端口溫度傳感器端口溫度小數(shù)部分表* */結(jié)束uchar code ditab16=0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;/* *共陽極數(shù)碼管顯示表*/un sig ned char code dua n1=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0, 0x99,0x92

18、,0x82,0XD8, 0x80,0x90,0x88,;/* 共陽極數(shù)碼管(帶小數(shù)點(diǎn))顯示表*/un sig ned char code dua n2=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78, 0x00,0x10,;void delay_1( uint z);intb=0,k,we ndu_1,mubiao=200;char pwm=0,r=0,q=0;uint t=0;/*延時(shí)函數(shù)*/void delay (un sig ned int i)while(i-);/* *ds18B20初始化*/In it_DS18B20(void)un sig ned

19、char x=0;DQ = 1;DQ 復(fù)位delay(8);/稍做延時(shí)DQ = 0;單片機(jī)將DQ拉低delay(80);精確延時(shí)大于480usDQ = 1;/拉高總線delay(14);x=DQ;稍做延時(shí)后如果x=0則初始化成功x=1則初始化失敗delay(20);/* 從 DS18B20 讀入數(shù)據(jù) */ReadO neChar(void) uchar i=0;uchar dat = 0;for(i=8;i0;i-)DQ = 0;/給脈沖信號(hào)dat=1;DQ = 1;/給脈沖信號(hào) if(DQ) dat|=0x80; delay(4); return(dat);/*向 DS18B20 寫命令 *

20、/Write On eChar( un sig ned char dat)uchar i=0;for(i=8;i0;i-)DQ = 0;DQ = dat&0x01;delay(5);DQ = 1;dat=1;*/*DS18B20 程序讀取溫度 *ReadTemperature(void) uchar a=0;uchar b=0;uint t=0;In it_DS18B20();/跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作/啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換WriteO neChar(0xCC);WriteO neChar(0x44);In it_DS18B20();/跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作/讀取溫度寄存器等，前兩個(gè)就是溫度/低八位/高八位

21、合并高八位和低八位WriteO neChar(0xCC);WriteO neChar(0xBE); a=Read On eChar(); b=Read On eChar();t=b;t400|mubiao0)P35=1;P31=1;P34=0;/實(shí)際溫度高于目標(biāo)溫度，紅色指示燈發(fā)光，加熱器加熱elseP35=0;P31=0;P34=1;/實(shí)際溫度低于目標(biāo)溫度，指示燈不發(fā)光，不加熱void delay_1( uint z)uint x,y; for(x=z;x0;x_)for(y=110;y0;y-);3.3程序調(diào)試在整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試過程中，由于時(shí)間倉促?zèng)]有來得及做實(shí)物。最終通過Protues仿真

22、軟件進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果和預(yù)想的結(jié)果一致。調(diào)試步驟如下：1. 先在Protues仿真軟件中搭建硬件電路；2. 根據(jù)設(shè)計(jì)思想和硬件電路在Keil 2中編寫程序代碼，調(diào)試通過并生成.hex文 件；3. 雙擊Protues仿真電路中的單片機(jī)，將.hex文件下載到單片機(jī)中，然后運(yùn)行觀 察結(jié)果。3.4設(shè)計(jì)結(jié)果在該電路中，D1代表加熱指示燈，D2代表電源指示燈，D4代表冷卻指示燈， D5代表報(bào)警指示燈，利用燈泡L1代表加熱器，電動(dòng)機(jī)代表冷卻裝置。整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果 分為三個(gè)部分，分別是實(shí)際溫度高于設(shè)定的目標(biāo)溫度、實(shí)際溫度低于目標(biāo)溫度、目標(biāo)溫度高于或低于設(shè)定的溫度范圍。1. 當(dāng)水的實(shí)際溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)，指示燈D

23、1亮，加熱器開始加熱，同時(shí)將單 片機(jī)P3.4 口置0,使三極管斷開，關(guān)閉D4及冷卻裝置。仿真結(jié)果如圖3-2所示。實(shí)際水溫 J.-Wait*3!的 *2.if A*!*町 BFKX Fj.vrwp rjjfinp F3JIITTKTAL1KTAL3AfifTF31H 51TEL1U 口C-ICSMLT 盟益:誥 EECECECEfl s- J B- -5 fl JL -圖3-2實(shí)際溫度高于目標(biāo)溫度時(shí)的工作狀態(tài)2.當(dāng)水的實(shí)際溫度高于目標(biāo)溫度時(shí),指示燈D1不亮，加熱器停止加熱，同時(shí)將 單片機(jī)P3.4 口置1,使三極管導(dǎo)通，點(diǎn)亮D4指示燈，電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，對(duì)水進(jìn)行降 溫處理。仿真結(jié)果如圖3-3所示：實(shí)

24、際水溫RigR19R5rurOCi-111zinL1KZV Ton3HWIzSm LrarrrairTfcCFu 5*.4.TEJ-e uTM*J RJ.3k口 Rrdc+,Ji”Jri rS醫(yī)i吐,涔TfCl r IHazbr _C2=_時(shí)5F3BM卜 KTa.LTuaME#a.i/Abi Q2iZXFXL3 J.4M AST*n.as.ia- fDJMbTPZJVaS FZ.W- zjywiuFOCfHH.K-IP2A*.i3*M.I riP2J!#.iC- 口JlfRXD IQF I IF3 M-KliFMlfE*I3oiflrn tpi r/wtr j a r 罕J-fc F2+Mb

25、fA -r? F3s JM mrdp ih Z冃標(biāo)溫度冃標(biāo)溫度J圖3-3實(shí)際溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)的工作狀態(tài)3.當(dāng)設(shè)定的目標(biāo)溫度超過或者低于設(shè)定的溫度范圍時(shí)（2040C）,啟動(dòng)報(bào)警裝置，同時(shí)報(bào)警指示燈D5發(fā)光，并且啟動(dòng)制冷裝置。仿真結(jié)果如圖3-4所示：實(shí)際水溫K13D1 raiwi DK目標(biāo)溫度rn 珂 d+ raiMKOfc KUW FUT4j*D7FfOrHXV2 g rzsAm ra-RMii maMt2 rzjfA 13 P3-A-A1-L F3.TM1fEinViFJ.1rt2jfcJjrfTTO ra+rrn raariPS ACTE PJ.lflTUQT IDS3R3圖3-4目標(biāo)溫度低于設(shè)定的溫度范圍時(shí)的工作狀態(tài)3.5結(jié)果分析能夠從溫度傳感器中獲得溫度數(shù)據(jù)， 并且能通過按鍵糾正目標(biāo)溫度，程序能正常 執(zhí)行，電阻絲也能按目標(biāo)溫度的高低調(diào)整自身的工作狀態(tài)。效果還行，不過其一精度不高，存在