基于單片機的溫度測量控制系統(tǒng)設(shè)計說明

1、 PAGE26 / NUMPAGES26基于單片機的溫度測量控制系統(tǒng)設(shè)計目錄1引言2 1.1問題的提出21.1.1什么是溫度控制2 1.2設(shè)計目的2 2設(shè)計方案3 2.1硬件設(shè)計方案3 2.2軟件設(shè)計方案3 3硬件設(shè)計5 3.1主控制部分AT89S51的設(shè)計方案5 3.2溫度采集模塊7 3.3顯示模塊7 4軟件設(shè)計9 4.1溫度采集9 4.2鍵盤輸入10 4.3 LCD顯示11 5總結(jié)12 6參考文獻(xiàn)15 附錄1設(shè)計原理圖14 附錄2設(shè)計程序151引言1.1問題的提出溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機械、食品等領(lǐng)域。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)

2、常遇到的過程控制,有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量,因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。1.11什么是溫度控制溫度控制系統(tǒng)由溫控器和熱電偶組成，熱電偶檢測溫度并轉(zhuǎn)換成電信號傳給溫控器，溫控器根據(jù)所設(shè)定的溫度發(fā)出控制信號，溫度高于設(shè)定溫度上限停止加熱系統(tǒng)或開啟降溫系統(tǒng)，低于設(shè)定溫度下線停止降溫系統(tǒng)或開啟加熱系統(tǒng)。1.2設(shè)計目的本設(shè)計以AT89C51單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方法。溫度信號由溫度芯片DS18B20采集，并以數(shù)字信號的方式傳送給單片機。由鍵盤輸入預(yù)設(shè)溫度，比較實際環(huán)境溫度與預(yù)設(shè)溫度再由單片機做出相應(yīng)的處理已以達(dá)到溫度控制的目的。2設(shè)計方

3、案2.1硬件設(shè)計方案本課題設(shè)計的是一種以AT89C51單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以實時存儲相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)。其主要包括：溫度采集模塊、按鍵處理模塊、LCD顯示模塊、通訊模塊以與單片機最小系統(tǒng)。 本系統(tǒng)由溫度傳感器DS18B20、AT89C51、LCD顯示電路、軟件構(gòu)成。DS18B20輸出表示攝氏溫度的數(shù)字量，然后用51單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、譯碼、顯示、報警等。系統(tǒng)框圖如圖2.1所示圖2.1溫度傳感器DS18B20把所測得的溫度以數(shù)字信號的方式發(fā)送到AT89C51單片機上，經(jīng)過51單片機處理，將把溫度在顯示電路上顯示，本系統(tǒng)顯示器為點陣字符LCD，L

4、M016L液晶模塊。本系統(tǒng)除了顯示溫度以外還可以通過鍵盤預(yù)設(shè)一個溫度值，對所測溫度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時，啟動蜂鳴器報警；當(dāng)所測溫度低于設(shè)定溫度時，啟動繼電器2S；當(dāng)所測溫度等于設(shè)定溫度時LED等閃爍。 2.2軟件設(shè)計方案從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、計算、顯示、通訊等。每一個執(zhí)行軟件是一個小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能選

5、擇一種最合適的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)實時性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調(diào)度關(guān)系。主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，在程序運行的過程中必須先經(jīng)過初始化。本設(shè)計的主程序中將傳感器獲取的溫度與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行了比較，并對各種不同的狀態(tài)變化的控制做出了設(shè)定。流程圖如圖2.2所示。系統(tǒng)在初始化完成后就進(jìn)入溫度測量程序，實時的測量當(dāng)前的溫度并通過顯示電路在LCD上顯示。根據(jù)硬件設(shè)計完成對溫度的控制。按下4*3鍵盤上的OK鍵可以便可以輸入預(yù)設(shè)溫度。圖2.23硬件設(shè)計3.1主控制部分AT89S51的設(shè)計方案：AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單

6、片機。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。其主要特性如下：（1） 18位微處理器和控制器，中央處理器是整個單片機的核心部件，能同時 處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 （2）含一個布爾運算器，可直接對數(shù)據(jù)的位進(jìn)行操作和運算，特別適用于邏輯控制。 （3）含4KB可重擦寫的可編程閃爍程序存貯器（EEPROM）。 （4）含128*8位的數(shù)據(jù)存貯器（RAM）。 （5）4個8位(32根)雙向且可獨立尋址的I/O（輸入輸出）接口P0P3。 （6）2個16位的計數(shù)器/定時器。 （7）片振蕩器和時鐘

7、電路。 （8）全雙工方式的串行接口(DART)。 (9)兩級中斷優(yōu)先權(quán)的6個中斷源/5個中斷矢量的中斷邏輯。(10)指令集有111條指令，其中64條為單周期指令，支持6種尋址方式。 (11)最高時鐘振蕩頻率可達(dá)12MHz，大部分指令執(zhí)行時間為1us，乘、除指令為4us。 (12)與MCS-51兼容，壽命為1000次寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時間為10年。 (13)低功耗的閑置和掉電模式，可編程串行通道，三級程序存儲器鎖定。 引腳與功能 AT89C51單片機為40腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)。其引腳排列順序與引腳符號如圖3.1所示： 圖3.1 AT89C51管腳圖AT89C51重要管腳說明：Vcc：電源電壓G

8、ND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活部上拉電阻。P1口：P1是一個帶部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”,通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號校驗期間，P1接收低8位地址。表3.1.1為P1口第二功能。 P1口第二功能 表3.1.1端口

9、引腳第二功能P1.5MOSI（用于ISP編程）P1.6MISO（用于ISP編程）P1.7SCK（用于ISP編程）P2口：P2是一個帶有部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”,通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流I。在訪問位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口線上的（也即特殊功能寄存器，在整個訪問期間不改變）。P3口：P3口是一組帶有部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被部上拉電阻拉高

10、并可作為輸入端口。作輸入端口時，被外部拉低的P3口將用P3口的第二功能表 表3.1.2 端口功能第二功能端口引腳第二功能RXD（P3.0）串行輸入口T0（P3.4）定時/計數(shù)器0外部輸入TXD（P3.1）串行輸出口T1（P3.5）定時/計數(shù)器1外部輸入INT0（P3.2）外中斷0WR（P3.6）外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通INT1（P3.3）外中斷1RD（P3.7）外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通上拉電阻輸出電流I。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如表3.1.2。 3.2溫度采集模塊由于DS18B20芯片將溫度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、接口全部集成于一芯片，與

11、單片機連接簡單、方便且化學(xué)性很穩(wěn)定。它能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。在0100攝氏度時，最大線形偏差小于1攝氏度。該芯片直接向單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理與控制。與AD590相比是更新一代的溫度傳感器，所以溫度傳感器采用DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強易配處理器等優(yōu)點，特別適合用于溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號（按9位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片，溫度測量圍55125，可編程為912位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.0625，被測溫度用符號擴展的

12、16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個DS18B20可以并聯(lián)到三根或者兩根線上，CPU只需一根端口線就能與多個DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。從而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于遠(yuǎn)距離多點溫度檢測系統(tǒng)。DS18B20部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM,溫度傳感器,非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL,高速暫存器。在硬件上，DS18B20與單片機的連接有兩種方法，一種是Vcc接外部電源，GND接地，I/O與單片機的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時UDD、GND接地，I/O接單片機I/O。無論

13、是部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5K左右的上拉電阻。 3.3顯示模塊本設(shè)計顯示電路采用LM016L來顯示測量得到的溫度值。LM016L液晶模塊采用HD44780控制器，hd44780具有簡單而功能較強的指令集，可以實現(xiàn)字符移動，閃爍等功能，LM016L與單片機MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式，hd44780控制器由兩個8位寄存器，指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）忙標(biāo)志（BF），顯示數(shù)RAM（DDRAM），字符發(fā)生器ROMA（CGOROM）字符發(fā)生器RAM（CGRAM），地址計數(shù)器RAM(AC)。IR用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出。DR用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由部操作自動寫入

14、DDRAM和CGRAM，或者暫存從DDRAM和CGRAM讀出的數(shù)據(jù)。BF為1時，液晶模塊處于部模式，不響應(yīng)外部操作指令和接受數(shù)據(jù)，DDTAM用來存儲顯示的字符，能存儲80個字符碼。CGROM由8位字符碼生成5*7點陣字符160種和5*10點陣字符32種。CGRAM是為用戶編寫特殊字符留用的，它的容量僅64字節(jié)，可以自定義8個5*7點陣字符或者4個5*10點陣字符，AC可以存儲DDRAM和CGRAM的地址，如果地址碼隨指令寫入IR,則IR自動把地址碼裝入AC，同時選擇DDRAM或CGRAM。LM016L液晶模塊的引腳功能如表3.2所示：LM016L引腳功能表 表3.3引腳符號功能說明1VSS一般

15、接地2VDD接電源（+5V）3VEE液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高4RSRS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。5R/WR/W為讀寫信號線，高電平(1)時進(jìn)行讀操作，低電平(0)時進(jìn)行寫操作。6EE(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0位（最低位）8DB1低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1位9DB2低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2位10DB3低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位11DB4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位12DB5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位13DB6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)

16、據(jù)總線 6位14DB7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）4、軟件設(shè)計4.1溫度采集CPU對DS18B20的訪問流程是：先對DS18B20初始化，再進(jìn)行ROM操作命令，最后才能對存儲器操作，數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時序和通信協(xié)議。如主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)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(jìn)行預(yù)定的操作。流程圖如圖4.1所示圖4.14.2鍵盤輸入3*4的鍵盤與單片機I/O口相連。采用列掃描的方式掃描鍵盤，按下鍵盤，

17、則該按鍵出行列接通，I/O口輸入為低電平，則此時便可將所按鍵的值輸入單片機，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后便可輸出顯示在LCD上。因為鍵盤的制造工藝不同，在按下鍵盤過程中，若手一晃，結(jié)果按鍵就會抬起極小的一段時間，此時單片機檢測到的就是有一個抬手后又按了一個鍵子，這是我們所不希望的，所以在鍵盤輸入時加個按鍵延時以消除抖動。即按鍵后，過一段時發(fā)現(xiàn)還是按鍵的就認(rèn)為一直是按鍵的，此時單片機可以寫程序此為一次按鍵。所以要加除抖是用來防止失誤或手抖造成的錯誤按鍵。圖4.24.3 LCD顯示LM016L的寄存器選擇控制表如表4.3所示LM016L選擇控制表 表4.3RSR/W操作說明00寫入指令寄存器（清除屏等）01都bu

18、sy flag（DB7），以與讀取位址計數(shù)器（DB0DB6）值10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等）11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)注：關(guān)于E=H脈沖開始時初始化E為0，然后置E為1，再清0。LM016L顯示的流程圖如圖4.3所示圖4.35總結(jié)本次課程設(shè)計完成了基于單片機AT89C51的溫度測量與控制系統(tǒng)的設(shè)計方案與軟硬件實現(xiàn)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機控制模塊，顯示模塊和溫度設(shè)置模塊，報警模塊和LED顯示模塊六個部分。文中對每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。完成了課題既定的任務(wù)，基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。能夠進(jìn)行兩位數(shù)溫度的測定與控制。 該系統(tǒng)在輸入了預(yù)設(shè)溫度后將預(yù)設(shè)溫度與測定溫度進(jìn)行比較，當(dāng)測定溫度高

19、于預(yù)設(shè)溫度是蜂鳴器啟動一段時間進(jìn)行報警；當(dāng)測定溫度等于預(yù)設(shè)溫度時LED燈閃爍提醒；當(dāng)測定溫度低于傳感器溫度是繼電器啟動2S。其仿真圖如下圖所示：系統(tǒng)具有如下特點：.采用智能溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，簡化了硬件電路設(shè)計，溫度采集數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)；.AT89C51單片機的采用，有利于功能擴展；.電路設(shè)計充分考慮了系統(tǒng)可靠性和安全性。本次課設(shè)軟件和硬件相結(jié)合，有相當(dāng)大的難度，同時也有很大的實用性。在做課程設(shè)計的過程中，我的理論和實踐水平都有了較大的提高。并且我熟練掌握了單片機硬件設(shè)計和接口技術(shù)，同時對溫度傳感器的原理與應(yīng)用有了一定的了解，掌握了各種控制電路與其相關(guān)元器件的使用。圖5.1 測定

20、溫度高于預(yù)設(shè)溫度圖5.2 測定溫度等于預(yù)設(shè)溫度圖5.3測定溫度低于預(yù)設(shè)溫度通過此次對溫度測量與控制系統(tǒng)的設(shè)計，我們學(xué)會了怎樣把所學(xué)的書本知識應(yīng)用于實踐中去，并學(xué)會了如何去思考整個控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。實踐過程中我們遇到了一些困難，但在解決問題的過程中，我們學(xué)會了團(tuán)隊合作精神和怎樣發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，進(jìn)而解決問題。此次課程設(shè)計不僅增強了我們學(xué)習(xí)專業(yè)課的興趣，而且給了我們勇氣和信心，更重要的是它為我們以后的學(xué)習(xí)指明了方向。6參考文獻(xiàn)1雄壯.策.程序設(shè)計技術(shù)（第三版）M.：大學(xué).2008.02 2毅剛. 單片機原理與應(yīng)用設(shè)計M. ：電子工業(yè)，2008年3參考網(wǎng)頁資料doc88./p-22.html

21、4參考網(wǎng)頁資料 wenku.baidu./view/2daeb1abdd3383c4bb4cd2d7.html5參考網(wǎng)頁資料wenku.baidu./view/9b7f2f59f01dc281e53af0aa.html6參考網(wǎng)頁資料wenku.baidu./view/3b62db6448d7c1c708a1450d.html7參考網(wǎng)頁資料wenku.baidu./view/6e0ed079a26925c52cc5bfb0.html8胡壽松自動控制原理：國防工業(yè)，20005王錦標(biāo).方崇智過程計算機控制：清華大學(xué).1997附錄1設(shè)計原理圖附錄2設(shè)計程序#include#include #defin

22、e uchar unsigned char#defineuint unsigned int#define key_port P1sbit buzzer=P04;sbit led=P01;sbit relay=P00;sbit dq=P05;sbit rs=P32;sbit rw=P31;sbit e=P30;uchar table=0,0,0,0;/0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90;uchar table1=Ceding_T: ;uchar table2=Yuse_T: ;uchar m,flag,shand

23、eng,k;uchar j,temp1,temp2,i;uchar ReadOneChar(void);uchar readtemperature(void);uint mi(uchar a);char biao3;void write_(uchar );void write_dat(uchar dat); /延時程序void delay(uint i)while(i-);void delay_50us(uint i) uchar j;for(;i0;i-)for(j=19;j0;j-); void delay_50ms(uint i) uint j;for(;i0;i-)for(j=6245

24、;j0;j-); /LCD程序void init_lcd(void)/lcd初始化delay_50us(300);write_(0 x38);delay_50us(100);write_(0 x38);delay_50us(100);write_(0 x38);write_(0 x38);write_(0 x08);write_(0 x01);write_(0 x06);write_(0 x0c); void write_(uchar ) /寫指令e=0;rs=0;rw=0;P2=;delay_50us(10);e=1;delay_50us(20);e=0; void write_dat(uc

25、har dat)/寫數(shù)據(jù)e=0;rs=1;rw=0;P2=dat;delay_50us(10);e=1;delay_50us(20);e=0;/鍵盤掃描程序 /ds18b20程序void init_ds18b20(void) /ds18b20初始化uchar n;dq=1;delay(8);dq=0;delay(80);dq=1;delay(8);n=dq;delay(100);dq=1;void WriteOneChar(uchar dat)uchar i;for(i=0;i=1;delay(4);uchar ReadOneChar(void)uchar i,value;for(i=0;i=

26、1;dq=1;if(dq)value|=0 x80;delay(4);return value;uchar readtemperature(void) /讀溫度函數(shù)uchar a,b;init_ds18b20();WriteOneChar(0 xcc);/跳過ROMWriteOneChar(0 x44);/啟動溫度測量delay(300);init_ds18b20(); WriteOneChar(0 xcc);WriteOneChar(0 xbe); /讀溫度a= ReadOneChar();b= ReadOneChar();b4;return b;void jianpan(void) uns

27、igned char temp,a,sign;key_port=0 xff; /寫1初始化key_port=0 xf0; /寫判斷按下初值temp=key_port; /讀狀態(tài)a=0; if(temp&0 xF0) != 0 xF0) / 只要有鍵按下，temp!=0 xf0 delay_50us(50);/ 延時去抖動 if(temp&0 xF0) != 0 xF0) key_port=0 xfe; temp=key_port;switch(temp) case(0 xee):a=1;break; case(0 xde):a=2;break; case(0 xbe):a=3;break; c

28、ase(0 x7e):a=4;break; key_port=0 xfd;temp=key_port;switch(temp) case(0 xed):a=5;break; case(0 xdd):a=6;break; case(0 xbd):a=7;break; case(0 x7d):a=8;break; key_port=0 xfb; temp=key_port;switch(temp) case(0 xeb):a=9;break; case(0 xdb):a=10;break; case(0 xbb):a=11;break; case(0 x7b):a=12;break; switch(a)case(0):sign=N;break;case(1):sign=1;break;case(2):sign=2;break;case(3):sign=3;break;case(4):sign=0;break;case(5):sign=4;