基于單片機(jī)的溫度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)(論文)題 目 名 稱 基于單片機(jī)的溫度測(cè)量裝置 課 程 名 稱 單片機(jī)原理及應(yīng)用 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 11413040 系 、專 業(yè) 信息工程系、電子科學(xué)與技術(shù) 指 導(dǎo) 教 師 2013年6月30日摘要隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們需要對(duì)各中加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)他們控制不僅具有控制方便，簡(jiǎn)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。在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常要用到溫度的檢測(cè)及控制，溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)之一。在生產(chǎn)過(guò)程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)它的主要參數(shù)

2、，如溫度、壓力、流量等進(jìn)行有效的控制。溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例。溫度測(cè)量是溫度控制的基礎(chǔ)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。傳統(tǒng)的測(cè)溫元件有熱電偶和二電阻。而熱電偶和熱電阻測(cè)出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度，這些方法相對(duì)比較復(fù)雜，需要比較多的外部硬件支持。我們用一種相對(duì)比較簡(jiǎn)單的方式來(lái)測(cè)量。 本文介紹一種基于AT89C51單片機(jī)的一種溫度測(cè)量及報(bào)警電路,該電路采用DS18B20作為溫度監(jiān)測(cè)元件，測(cè)量范圍0+120，使用數(shù)碼管模塊顯示，能設(shè)置溫度報(bào)警上下限。正文著重給出了軟硬件系統(tǒng)的各部分電路，介紹了集成溫度傳感器DS18B20的原理，AT89C51單片機(jī)功能和應(yīng)用。該電路設(shè)計(jì)新穎、功能強(qiáng)大、結(jié)

3、構(gòu)簡(jiǎn)單。關(guān)鍵字：溫度測(cè)量；AT89C51；DS18B20目錄1 概述12 設(shè)計(jì)方案12.1 設(shè)計(jì)目的12.2 設(shè)計(jì)任務(wù)23 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)23.1 溫度測(cè)量電路23.2 A/D轉(zhuǎn)換電路33.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)43.4 數(shù)碼管顯示電路43.5 報(bào)警器電路54 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序設(shè)計(jì)54.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)64.3 顯示子程序設(shè)計(jì)85 性能分析與系統(tǒng)仿真10總結(jié)11參考文獻(xiàn)12致 謝13附錄: 程序清單14 1 概述 隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近年來(lái)單片機(jī)發(fā)展十分迅速，一個(gè)以微機(jī)應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各個(gè)

4、行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度差，單片機(jī)的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問(wèn)題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對(duì)象中的一個(gè)重要的被控參數(shù)。然而所采用的測(cè)溫元件和測(cè)量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)的控制方式以不能滿足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大，由于他主要通過(guò)控制接觸器的通斷時(shí)間比例來(lái)達(dá)到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來(lái)快速發(fā)展了多種先進(jìn)的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大

5、大的提高了控制精度，不但使控制變得簡(jiǎn)便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)所使用的加熱器件是電爐絲，功率為三千瓦，要求溫度在4001000。靜態(tài)控制精度為2.43。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為核心進(jìn)行控制。單片機(jī)具有集成度高，通用性好，功能強(qiáng)，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。2 設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是在校大學(xué)生素質(zhì)教育的重要環(huán)節(jié)，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的橋梁和紐帶。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生更多的完成軟硬件結(jié)合的動(dòng)手實(shí)踐方案，解決目前學(xué)生課程設(shè)計(jì)過(guò)程中普遍存在的缺乏動(dòng)手能力的現(xiàn)象。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)

6、是繼C語(yǔ)言課程設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)后的一門實(shí)踐環(huán)節(jié)課程，其目的和任務(wù)是訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用已學(xué)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)工作，掌握單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)、分析及調(diào)試檢測(cè)。并且鞏固、加深和擴(kuò)大大學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用方面的知識(shí)，提高綜合及靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工業(yè)控制問(wèn)題的能力。2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)溫度測(cè)量范圍：0120；測(cè)量精度：1；用單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換芯片，將模擬電位05V用數(shù)碼管對(duì)應(yīng)顯示成0120，溫度變化時(shí)能顯示對(duì)應(yīng)的溫度。 溫度測(cè)量方案如圖所示，溫度傳感器TC輸出信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大到05V，放大器輸出送ADC0831進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送單片機(jī)進(jìn)行處理，最后將所測(cè)

7、的溫度在LED數(shù)碼管上顯示。A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)數(shù)碼管顯示溫度測(cè)量報(bào)警器圖2.1 基于單片機(jī)的溫度測(cè)量方案3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 溫度測(cè)量電路溫度測(cè)量電路要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：將0120溫度通過(guò)溫度傳感器測(cè)量，運(yùn)算放大器放大得到05V的電壓信號(hào)。溫度的測(cè)量是采用溫度傳感器，就是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化。溫度傳感器選用Pa-t傳感器，放大器采用OP07E放大器，溫度信號(hào)輸入采用差動(dòng)放大形式，設(shè)計(jì)電路如圖所示，放大器輸出為： 由V0=(R3/R1)*Vi 得 V0=（20000/200）Vi=100Vi 即圖3.1中放大倍數(shù)為100倍。圖3.1溫度測(cè)量電路 在Protues中實(shí)測(cè)放大器輸出數(shù)據(jù)如表3.1所

8、示。表3.1 放大器輸出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)溫度0102030405060708090100110120電壓0.000.430.831.241.662.072.492.913.333.754.174.585.003.2 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換的目標(biāo)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在本次課程設(shè)計(jì)中，選用ADC0831串行A/D轉(zhuǎn)換芯片作為溫度測(cè)試系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器，如圖所示。 由于設(shè)計(jì)誤差要求為1，1對(duì)應(yīng)的輸入電壓為（1/120）*5=0.04167V，8位A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率為1/256*5V=0.019531V,從而說(shuō)明選用8位的A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量誤差要小于1。另外，之所以選用串行芯片，理由是串行的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)

9、單，并且在性能上滿足要求。 圖3.2 ADC0831芯片3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)就是支持主芯片正常工作的最小電路部分，包括主控芯片、復(fù)位電路和晶振電路。主控芯片選取AT89C51芯片，因其具有良好的性能及穩(wěn)定性，價(jià)格便宜應(yīng)用方便，可直接用USB線下載代碼。晶振選取12MHz，晶振旁電容選取20pF。采用按鍵復(fù)位電路，電阻分別選取100和10K，電容選取0.1F。以下為單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件電路圖：圖3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件電路3.4 數(shù)碼管顯示電路 本課程設(shè)計(jì)采用八位數(shù)碼管顯示，為了節(jié)約I/O口資源，從而采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，P0口段選，P2位選，由于是P0口段選所以要接上拉電阻，顯示

10、電路部分如下： 圖3.4 數(shù)碼管顯示硬件電路圖3.5 報(bào)警器電路 當(dāng)溫度大于80時(shí)，藍(lán)燈亮，當(dāng)溫度小于等于80時(shí)，綠燈亮。 圖4.5 報(bào)警器電路圖3.5 報(bào)警器電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序設(shè)計(jì)主程序既把以上各子程序串連成一個(gè)整體，使整個(gè)程序循環(huán)運(yùn)行。主程序一直調(diào)用顯示電路，若溫度改變，則會(huì)進(jìn)入以下的主程序部分執(zhí)行相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換操作并作出相應(yīng)的處理。通過(guò)轉(zhuǎn)換后，顯示的值也會(huì)同時(shí)發(fā)生改變。之后再返回到程序始端，如此反復(fù)運(yùn)行，就構(gòu)成了程序的整體。開始初始化開計(jì)數(shù)器T0讀TL0數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換調(diào)用顯示程序 圖4.1 主程序流程圖4.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)這次課程設(shè)計(jì)采用的是8位串行A/D轉(zhuǎn)換芯

11、片ADC0831，每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)下降沿開始，輸出一位數(shù)據(jù)，直到8位數(shù)據(jù)全部輸完為止，輸出的順序是從最高位到最低位。A/D轉(zhuǎn)換子程序的工作原理：開啟A/D轉(zhuǎn)換芯片，將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送進(jìn)位C，然后左移A寄存器，直到8位數(shù)全部送到A寄存器，關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換，最后將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到30H單元。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換8送R0AD轉(zhuǎn)換結(jié)果送AR0-1=0？關(guān)閉AD轉(zhuǎn)換NY圖4.2 AD轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序如下：AD_CONY: SETB CS CLR CLK NOP NOP CLR CS NOP NOP SETB CLK NOP NOP CLR CLK NOP NOP SETB CLK NOP NOP C

12、LR CLK MOV R0,#08HAD_READ: CLR CLK MOV C,DO RLC A SETB CLK NOP NOP DJNZ R0,AD_READ SETB CS MOV AD_TMP,A RET4.3 顯示子程序設(shè)計(jì)100送BA除以B商存百位存儲(chǔ)單元B送A10送B商存十位存儲(chǔ)單元余數(shù)存?zhèn)€位存儲(chǔ)單元AD轉(zhuǎn)換結(jié)果送ARET將AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果送A寄存器，將100送B寄存器，然后A除以B，得到的商存到百位存儲(chǔ)單元。再將B寄存器里的數(shù)送A寄存器，把10送B寄存器，再A除以B，得到的商存十位存儲(chǔ)單元，余數(shù)存?zhèn)€位單元。圖4.3 顯示子程序流程圖顯示子程序如下：DISPLAY: MOV A,

13、AD_TMP MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR CJNE A,#80,S1 SJMP S3 S1: JNC S2 SJMP S4 S2: CLR P3.0 SJMP S4 S3: SETB P3.0 S4: MOV B,#100 DIV AB MOV AD_TMP_1,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV AD_TMP_2,A MOV AD_TMP_3,B MOV DPTR,#TAB MOV A,AD_TMP_1 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A SETB P2.1 LCALL DLY CLR P2.1 MOV A,AD_TMP_2

14、MOVC A,A+DPTR MOV P0,A SETB P2.2 LCALL DLY CLR P2.2 NOP NOP MOV A,AD_TMP_3 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A SETB P2.3 LCALL DLY CLR P2.3 RET5 性能分析與系統(tǒng)仿真在Proteus中進(jìn)行仿真，改變溫度傳感器的設(shè)置值，觀察到LED數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)隨之變化。圖5.1所示為系統(tǒng)仿真結(jié)果。仿真時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表8.2所示。圖5.1 溫度測(cè)量系統(tǒng)仿真結(jié)果表5.1 測(cè)量數(shù)據(jù)溫度010304060708090100110120電壓0.000.431.241.662.492.913.333.75

15、4.174.585.00顯示000010030040060070080090100110120總結(jié)通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)單片機(jī)方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了一些問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過(guò)親自動(dòng)手制作，使我們掌握的知識(shí)不再是紙上談兵。過(guò)而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷提高。最終這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，最后在老師的指導(dǎo)下，終于游逆而解。在今后社會(huì)的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，一定要不懈努力，不能遇到問(wèn)題就想

16、到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠(yuǎn)不可能得到社會(huì)及他人對(duì)你的認(rèn)可!回顧起此課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。參考文

17、獻(xiàn)1張?chǎng)? 單片機(jī)原理及應(yīng)用（第2版）M. 電子工業(yè)出版社，2010年.2張毅剛. 單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)M. 電子工業(yè)出版社，2008年.3胡漢才. 單片機(jī)原理及其接口技術(shù)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與實(shí)踐教程M. 清華大學(xué)出版社，2010年.4張義和. 例說(shuō)51 單片機(jī)（C 語(yǔ)言版）M. 人民郵電出版社，2008年.5張培仁等. 基于C語(yǔ)言編程MCS-51 單片機(jī)原理與應(yīng)用M.清華大學(xué)出版社，2003年.致 謝 本次單片機(jī)課題設(shè)計(jì)的選題與制作都是在彭老師的指導(dǎo)下完成的，所以首先要感謝我們的彭老師，在他身上我學(xué)到了很多東西。在這些天的合作中，我深深體會(huì)到雖然他對(duì)我們要求比較嚴(yán)格，檢查了幾次。但從另一個(gè)角度折射出，

18、老師對(duì)工作負(fù)責(zé)的態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)，一絲不茍。老師給我們充分的時(shí)間，自己選題，并親自給我們指出錯(cuò)誤，讓我們盡量將自己的設(shè)計(jì)做得更好，讓我們深刻明白，對(duì)待每一件事情都要認(rèn)真、負(fù)責(zé)。同時(shí)，也為我們以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。其次，我要感謝的是我們的同學(xué)，在此次設(shè)計(jì)中，我們不僅鍛煉合作的能力，還知道的互幫互助的重要性，一起研究，一起探討，對(duì)課本知識(shí)有力更加深刻的理解。不僅完成了此次設(shè)計(jì)，而且，同學(xué)之間有了更好的交流，增進(jìn)了同學(xué)之間的友情。在此，我由衷的感謝同學(xué)和老師對(duì)我的幫助！附錄：程序清單 CS BIT P1.7 CLK BIT P1.0 DO BIT P1.1 AD_TMP EQU 30H AD_TMP_1

19、 EQU 31H AD_TMP_2 EQU 32H AD_TMP_3 EQU 33H AD_TMP1 EQU 34H ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0030HMAIN: CLR P2.0START: LCALL AD_CONY LCALL DISPLAY LJMP STARTAD_CONY: SETB CS CLR CLK NOP NOP CLR CS NOP NOP SETB CLK NOP NOP CLR CLK NOP NOP SETB CLK NOP NOP MOV R0,#08HAD_READ:CLR CLK MOV C,DO RLC A SETB CLK NOP

20、NOP DJNZ R0,AD_READ SETB CS MOV AD_TMP,A RETDISPLAY:MOV A,AD_TMP MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR CJNE A,#80,S1 SJMP S3 S1: JNC S2 SJMP S4 S2: CLR P3.0 SJMP S4 S3: SETB P3.0 S4: MOV B,#100 DIV AB MOV AD_TMP_1,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV AD_TMP_2,A MOV AD_TMP_3,B MOV DPTR,#TAB MOV A,AD_TMP_1 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A SETB P2.1 LCALL DLY CLR P2.1 MOV A,AD_TM