基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計1.設(shè)計要求要求設(shè)計一個溫度測量系統(tǒng)，在超過限制值的時候能進(jìn)行聲光報警。具體設(shè)計要求如下：數(shù)碼管或液晶顯示屏顯示室內(nèi)當(dāng)前的溫度；在不超過最高溫度的情況下，能夠通過按鍵設(shè)置想要的溫度并顯示；設(shè)有四個按鍵，分別是設(shè)置鍵、加1鍵、減1鍵和啟動/復(fù)位鍵；DS18B20溫度采集；超過設(shè)置值的5時發(fā)出超限報警，采用聲光報警，上限報警用紅燈指示，下限報警用黃燈指示，正常用綠燈指示。2.方案論證根據(jù)設(shè)計要求，本次設(shè)計是基于單片機(jī)的課程設(shè)計，由于實現(xiàn)功能比較簡

2、單，我們學(xué)習(xí)中接觸到的51系列單片機(jī)完全可以實現(xiàn)上述功能，因此可以選用AT89C51單片機(jī)。溫度采集直接可以用設(shè)計要求中所要求的DS18B20。報警和指示模塊中，可以選用3種不同顏色的LED燈作為指示燈，報警鳴笛采用蜂鳴器。顯示模塊有兩種方案可供選擇。方案一：使用LED數(shù)碼管顯示采集溫度和設(shè)定溫度；方案二：使用LCD液晶顯示屏來顯示采集溫度和設(shè)定溫度。LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但在使用時，若用動態(tài)顯示則需要不斷更改位選和段選信號，且顯示時數(shù)碼管不斷閃動，使人眼容易疲勞；若采用靜態(tài)顯示則又需要更多硬件支持。LCD顯示屏可識別性較好，背光亮度可調(diào)，而且比LED數(shù)碼管顯示更多字符，但是編程要求

3、比LED數(shù)碼管要高。綜合考慮之后，我選用了LCD顯示屏作為溫度顯示器件，由于顯示字符多，在進(jìn)行上下限警戒值設(shè)定時同樣可以采集并顯示當(dāng)前溫度，可以直觀的看到實際溫度與警戒溫度的對比。LCD顯示模塊可以選用RT1602C。3.硬件設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，硬件系統(tǒng)主要包含6個部分，即單片機(jī)時鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤接口模塊、溫度采集模塊、LCD顯示模塊、報警與指示模塊。其相互聯(lián)系如下圖1所示：單單片機(jī)時鐘電路復(fù)位電路鍵盤接口模塊溫度采集模塊單 片 機(jī)LCD顯示模塊報警與指示模塊圖1 硬件電路設(shè)計框圖單片機(jī)時鐘電路圖2 單片機(jī)內(nèi)部時鐘方式電路形成單片機(jī)時鐘信號的方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本次設(shè)計采圖2

4、 單片機(jī)內(nèi)部時鐘方式電路單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別為此放大器的輸入端和輸出端，其頻率范圍為12MHz，經(jīng)由片外晶體振蕩器或陶瓷振蕩器與兩個匹配電容一起形成了一個自激振蕩電路，為單片機(jī)提供時鐘源。復(fù)位電路圖3 單片機(jī)按鍵復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其作用是使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，以防止電源系統(tǒng)不穩(wěn)定造成CPU工作不正常。在系統(tǒng)中，有時會出現(xiàn)工作不正常的情況，為了從異常狀態(tài)中恢復(fù)，同時也為了系統(tǒng)調(diào)試方便圖3 單片機(jī)按鍵復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種形式，因為本次設(shè)計要求需

5、要有啟動/復(fù)位鍵，因此本次設(shè)計采用按鍵復(fù)位，如圖3。復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運行時用戶的按鍵復(fù)位功能。鍵盤接口模塊圖4 鍵盤接口模塊本次設(shè)計需要的按鍵有4個，除去一個復(fù)位按鍵外，還有3個功能按鍵，因此選擇獨立式鍵盤。如圖4，將鍵盤直接與單片機(jī)P1口的、相連。3個鍵設(shè)計思路如下：當(dāng)按下S1鍵時，系統(tǒng)進(jìn)入上下限警戒值調(diào)整狀態(tài)；當(dāng)?shù)谝淮伟聪耂1鍵時，進(jìn)行上限警戒值設(shè)定，當(dāng)?shù)诙伟聪耂1鍵時，進(jìn)行下限警戒值設(shè)定，當(dāng)?shù)谌伟聪耂1鍵時，回到正常工作狀態(tài)。在警戒值調(diào)整狀態(tài)下，按下S2鍵，上下限警戒值加1，按下S3鍵，上下限警戒值減1，正常工作狀態(tài)下，按下S圖4 鍵盤接口模塊溫度采集模塊本次設(shè)

6、計中的溫度傳感器使用的是DALLAS公司的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，這是一種常用的溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點。DS18B20采用獨特的一線接口，具有只需要一條口線通信多點的能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無需外部元件。可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 V至，測量溫度的范圍為-55至+125 ，在-10至+85范圍內(nèi)精度為。溫度傳感器可編程的分辨率為912位，溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒，用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置，應(yīng)用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、溫度計、或任何熱敏感系統(tǒng)。由于DS18B20是一條口線通信，所以與DS18B20只有一個

7、一條口線連接。因為每一個DS18B20的包含一個獨特的序號，多個DS18B20可以同時存在于一條總線，這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控制，感測建筑物內(nèi)溫設(shè)備或機(jī)器，并進(jìn)行過程監(jiān)測和控制。圖5 DS18B20封裝及引腳DS18B20的核心功能是它的直接讀數(shù)字的溫度傳感器。溫度傳感器的精度為用戶可編程的9、10、11或12位，分別以，和增量遞增。在上電狀態(tài)下默認(rèn)的精度為12位。DS18B20啟動后保持低功耗等待狀態(tài)；當(dāng)需要執(zhí)行溫度測量和AD轉(zhuǎn)換時，總線控制器必須發(fā)出44h命令。在那之后，產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)以兩個字節(jié)的形式被存儲到高速暫存器的溫度寄存器中，DS18B20

8、繼續(xù)保持等待狀態(tài)。當(dāng)DS18B20由外部電源供電時，總線控制器在溫度轉(zhuǎn)換指令之后發(fā)起“讀時序”，DS18B20正在溫度轉(zhuǎn)換中返回0，轉(zhuǎn)換結(jié)束返回1。如果DS18B20由寄生電源供電，除非在進(jìn)入溫度轉(zhuǎn)換時總線被一個強(qiáng)上拉拉高，否則將不會由返回值。在硬件上，DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法：一種是VDD接外部電源，GND接地，DQ與單片機(jī)的I/O口相連；另一種是用寄生電源供電，此時，VDD、GND接地，DQ接單片機(jī)的I/O口。無論是接外部電源還是用內(nèi)部寄生電源，I/O口線要接5k左右的上拉電阻。本次設(shè)計中，采用外部電源方式，其連接方式如圖6所示。單總線DQ端接單片機(jī)的口，DQ端接一個的上拉電

9、阻，這樣單總線DQ在閑置狀態(tài)時為高電平。 圖6 DS18B20外部電源連接方式 LCD顯示模塊在本次設(shè)計中，使用RT1602C字符型液晶顯示模塊(LCM)來設(shè)計當(dāng)前溫度和上下限警戒值的顯示電路。RT1602C字符型液晶顯示模塊是16字2行的采用57點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其引腳定義如圖7所示。引腳號引腳名說 明引腳號引腳名說 明1GND/Vss電源地7D08位雙向數(shù)據(jù)線2Vdd+5V電源8D13VL液晶顯示偏壓信號9D24RS數(shù)據(jù)/命令控制，H/L10D35R/W讀/寫控制，H/L11D46E使能端12D515BLA背光源正極13D616BLK背光源負(fù)極14D7圖

10、7 RT1602C的引腳定義RT1602C的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為3個部分：LCD控制器、LCD驅(qū)動器、LCD顯示器，其中LCD控制器采用的是HD44780。RT1602C與單片機(jī)的連線如圖8所示。圖8 RT1602C與單片機(jī)連線LCM的數(shù)據(jù)總線與單片機(jī)的P0口通過一個上拉電阻排相連，LCM的三條控制線RS、RW、EN分別與單片機(jī)的I/O口、相連，第1、2引腳分別與地、電源相連，第3引腳使用一個10k的可調(diào)電阻對顯示屏的明亮進(jìn)行調(diào)整。報警與指示模塊圖9 報警與指示模塊在本次設(shè)計中，采用LED發(fā)光二極管作為系統(tǒng)指示燈，采用蜂鳴器作為報警鳴笛。當(dāng)溫度高于上限警戒值時，點亮紅色發(fā)光二極管，蜂鳴器發(fā)出響聲；

11、當(dāng)溫度低于下限警戒值時，點亮黃色發(fā)光二極管，蜂鳴器發(fā)出響聲；溫度在正常范圍內(nèi)時，點亮黃色發(fā)光二極管。整個報警與指示電路如圖9所示，其中綠、紅、黃色指示燈分別接單片機(jī)、口，電平拉低時點亮LED，蜂鳴器電路接單片機(jī)的口，圖9 報警與指示模塊至此便完成了整個硬件電路的設(shè)計工作，整個系統(tǒng)的原理圖見附錄二，系統(tǒng)I/O分配表如下：I/O口功能說明I/O口功能說明LCM數(shù)據(jù)口LCM讀/寫控制鍵盤輸入LCM使能DS18B20溫度采集LED信號輸出LCM數(shù)據(jù)/命令控制報警信號輸出4.軟件設(shè)計單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計中，軟件設(shè)計占有重要的位置。在本次設(shè)計中，根據(jù)功能要求，可以把系統(tǒng)程序劃分為5個模塊，即主程序模塊、顯

12、示模塊、溫度測量模塊、鍵盤掃描模塊、其它子程序模塊，如圖10所示。主程序模塊顯 示 模 塊主程序模塊顯 示 模 塊溫 度 測 量 模 塊鍵 盤 掃 描 模 塊其 它 子 程 序主程序設(shè)計開始初始化溫度傳感器初始化單片機(jī)初始化顯示模塊鍵盤掃描讀取溫度顯示字形轉(zhuǎn)換顯示主程序的內(nèi)容包括單片機(jī)初始化、相關(guān)開始初始化溫度傳感器初始化單片機(jī)初始化顯示模塊鍵盤掃描讀取溫度顯示字形轉(zhuǎn)換顯示/*主程序*/void main(void)P1=0 xff; 圖11 主程序流程圖開圖11 主程序流程圖開始寫顯示命令定位顯示位置寫顯示字符結(jié)束顯示圖12 顯示程序流程圖YN開始讀DS18B20序列號初始化DS18B20D

13、S18B20存在？溫度轉(zhuǎn)換發(fā)跳過ROM指令讀取溫度返回開始發(fā)ROM指令初始化發(fā)功能指令結(jié)束圖14 溫度測量程序流程圖圖13 單總線命令序列延時去抖動開始初始化DS18B20有鍵按下？讀取鍵值Y執(zhí)行鍵功能程序返回有鍵按下？NNY圖15 鍵盤掃描程序流程圖在本次的設(shè)計中，使用了Proteus仿真軟件進(jìn)行了功能測試，具體仿真步驟及分析如下。(1)按照原理圖，從Proteus元件庫中找出對應(yīng)元件，搭建硬件仿真電路，將程序燒寫到單片機(jī)中，仿真圖見附錄三。(2)點擊運行按鈕開始仿真，初始上下限值為90和10，當(dāng)前溫度為25，當(dāng)前模式為N正常工作，綠燈亮，蜂鳴器不響，如圖16。圖16 正常模式下仿真圖(3)

14、按下S1鍵，進(jìn)入上限警戒值設(shè)置模式H，此時按S2、S3鍵可以進(jìn)行上限值設(shè)定，同時溫度正常顯示，設(shè)置上限值80，如圖17。圖圖17 上限值設(shè)定仿真圖(4)再次按下S1鍵，進(jìn)入下限警戒值設(shè)置模式L，此時按S2、S3鍵可以進(jìn)行下限值設(shè)定，同時溫度正常顯示，設(shè)置下限值20，如圖18。圖18 下限值設(shè)定仿真圖(5)再次按下S1鍵，返回正常模式N，調(diào)節(jié)DS18B20溫度，測量溫度隨之改變，降低溫度，超過下限值5以下時，黃燈亮，蜂鳴器報警，如圖19。圖19 下限報警仿真圖圖20 上限報警仿真圖(6)升高溫度，超過上限值5以上時，黃燈亮，蜂圖20 上限報警仿真圖(7)按下S4鍵，單片機(jī)復(fù)位。在本次仿真中，可以

15、看出，本次設(shè)計的硬件電路和軟件程序均能成功仿真出來，設(shè)計要求的各種功能均已達(dá)到。6.總結(jié)本次課程設(shè)計為期一周，到此已全部結(jié)束?；叵胍恢苤械脑O(shè)計過程，我深深感覺收獲良多。由于從前只是在理論上學(xué)習(xí)了單片機(jī)以及各種其它知識，即使是實驗也只是按照實驗指導(dǎo)書進(jìn)行操作，并沒有實際的獨立設(shè)計一個系統(tǒng)，因此在剛開始接觸本次課程設(shè)計時，有一點無從下手的感覺。后來通過查閱相關(guān)資料，漸漸開始了解課程設(shè)計的一般過程，開始明白一些元器件的相關(guān)作用與編程實現(xiàn)方法，并在此期間通過不斷深入的學(xué)習(xí)和鍛煉，開始漸漸能熟練運用和熟練編程起來。通過本次計算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計，我更深層次的把理論知識和實際設(shè)計結(jié)合在一起，鍛煉了我的綜

16、合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識和解決實際工程問題的能力。同時也提升了我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他知識能力水平。對各種系統(tǒng)的適用條件，各種設(shè)備的選用標(biāo)準(zhǔn)，各種管道的安裝方式，我都是隨著設(shè)計的不斷深入而逐漸熟悉并學(xué)會應(yīng)用的。并且，通過對整體的掌控，對局部的取舍，對細(xì)節(jié)的斟酌處理，以及繪圖的技巧都使我在設(shè)計領(lǐng)域的能力得到了鍛煉，得到了較豐富經(jīng)驗。?最后，通過這次的課程設(shè)計，我也深刻地認(rèn)識到，只有將書本與具體的實踐相結(jié)合，才會有真正的收獲，才能鞏固自己的所學(xué)，認(rèn)識到自己的不足，同時我們也要有一種積極學(xué)習(xí)的態(tài)度，時代在進(jìn)步我們也要跟著時代前進(jìn)，要不斷學(xué)習(xí)，不斷創(chuàng)新，用自己的知識與行動來

17、證明自己的價值。本次課程設(shè)計以單片機(jī)為核心，介紹了用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，并將其傳輸給AT89C51單片機(jī)進(jìn)行處理再送到LCD顯示屏顯示。在此期間可以通過按鍵進(jìn)行上下限警戒值設(shè)置，通過LED和蜂鳴器進(jìn)行指示和報警。本文是采用模塊化的方式進(jìn)行敘述，對各模塊的設(shè)計進(jìn)行了比較詳細(xì)地闡述，并著重分析硬件搭建過程和系統(tǒng)軟件的設(shè)計過程，使用單片機(jī)C語言進(jìn)行程序沒計。本次設(shè)計的基于DS18B20的溫度測量系統(tǒng)是一個分布式的溫度測量系統(tǒng)，它可以遠(yuǎn)程對溫度實現(xiàn)測量和監(jiān)控，廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)、煤礦、森林、火災(zāi)、高層建筑等場合。本設(shè)計應(yīng)用性比較強(qiáng)，可以應(yīng)用在倉庫溫度、大棚溫度、機(jī)房溫度、水池等的監(jiān)控

18、。當(dāng)然，本次設(shè)計還存在一些不足，例如在本次設(shè)計中，由于時間較短，警戒值只是在199之間，沒有能夠擴(kuò)展到負(fù)溫度和100以上；在本次設(shè)計中只是用了4個獨立按鍵，實現(xiàn)簡單的上下限警戒值設(shè)定，操作較麻煩，如果能夠設(shè)計出多按鍵的矩陣式鍵盤，則能夠?qū)囟冗M(jìn)行很方便的設(shè)定。此外如果把本設(shè)計方案擴(kuò)展為多點溫度控制，加上上位機(jī)，則可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)，將具有更大的應(yīng)用價值。7.參考文獻(xiàn)1 潘新民，王燕芳. 微型計算機(jī)控制技術(shù) M. 北京：電子工業(yè)出版社，20142 王迎旭. 單片機(jī)原理與應(yīng)用 M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20133 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ) M. 北京：高等教育出版社，20134 周正華，唐寧

19、 RT1602C與FPGA接口技術(shù) J. 中國科技信息，2008(10)5 廖琪梅，韓彬等. 基于DS18B20的溫度測量儀 J. 國外電子元器件，2008(2)附錄一：程序清單#include#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define BUSY 0 x80void Delay(uint);void init_LCD(void);void LCD_Command(uchar,uchar);void LCD_Data(uchar);void ReadyLCD(void);void Disp

20、lay_char(uchar,uchar,uchar);void Display_str(uchar,uchar,uchar code *Data);void Change(void);void Display(void);void init_18B20(void);uchar Read_18B20(void);void Write_18B20(uchar);void Read_temp(void);void Delay_us(uchar i);void Key_scan(void);void Key_set(void);void Key_inc(void);void Key_dec(void

21、);void Alarm(void);sbit LCD_RS=P20;sbit LCD_RW=P21;sbit LCD_EN=P22;sbit DQ=P17;sbit Normal=P24;sbit Alarm_H=P25;sbit Alarm_L=P26;sbit Alarm_BEEP=P27;uchar Set_flag=0;uchar Temp_mea,Temp_set1,Temp_set2;uchar Temp_high_1,Temp_high_2;uchar Temp_low_1,Temp_low_2;uchar Temp_true_1,Temp_true_2;extern ucha

22、r code str0=High: C Low: C;extern uchar code str1=Mode: Deg: C;extern uchar code str2= Hellow! ;extern uchar code mode=NHL;/*主程序*/void main(void)P1=0 xff;P2|=0 x70;P2&=0 x7f;Temp_set1=90; /上限報警溫度初值90Temp_set2=10; /下限報警溫度初值10Delay(500); /延時500ms啟動init_LCD(); /LCD初始化init_18B20(); /DS18B20初始化Display_st

23、r(0,0,str2); /開機(jī)界面Display_str(0,1,str2); /開機(jī)界面Delay(2000);Display_str(0,0,str0);Display_str(0,1,str1);while(1)Key_scan(); /掃描鍵盤Read_temp(); /讀取溫度Change();Display(); /顯示Alarm(); /指示燈與報警程序Delay(1000);/*延時kms*/void Delay(uint k)uint i,j;for(i=0;ik;i+)for(j=0;j60;j+);/*顯示模塊*/*LCD初始化*/void init_LCD(void)

24、P0=0;Delay(15);LCD_Command(0 x38,0);Delay(5);LCD_Command(0 x38,0);Delay(5);LCD_Command(0 x38,0);Delay(5);LCD_Command(0 x38,1); /8位數(shù)據(jù)傳送，2行顯示，5*7字形LCD_Command(0 x08,1); /關(guān)閉顯示LCD_Command(0 x01,1); /清屏LCD_Command(0 x06,1); /顯示光標(biāo)右移設(shè)置LCD_Command(0 x0c,1); /顯示屏打開，光標(biāo)不顯示不閃爍/*寫指令數(shù)據(jù)到LCD*/void LCD_Command(uchar

25、 LC,uchar BC)if(BC) ReadyLCD();P0=LC;LCD_RS=0; /選中指令寄存器LCD_RW=0; /寫模式LCD_EN=1;_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EN=0;/*寫顯示數(shù)據(jù)到LCD*/void LCD_Data(uchar LD)ReadyLCD();P0=LD;LCD_RS=1; /選中數(shù)據(jù)寄存器LCD_RW=0; /寫模式LCD_EN=1;_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EN=0;/*檢測LCD忙狀態(tài)*/void ReadyLCD(void)P0=0 xff;LCD_EN=1;LCD_RS=0;LCD_

26、RW=1;_nop_();while(P0&BUSY)LCD_EN=0;_nop_(); _nop_();LCD_EN=1;_nop_(); _nop_(); LCD_EN=0;/*顯示一個字符*/void Display_char(uchar X,uchar Y,uchar Data)Y&=0 x01;X&=0 x0f;if(Y) X|=0 x40;X|=0 x80;LCD_Command(X,0);LCD_Data(Data);/*顯示一串字符*/void Display_str(uchar X,uchar Y,uchar code *Data)uchar List=0;Y&=0 x01;X&=0 x0f;while(X0;i-)DQ=0;_nop_();dat=1;DQ=1;Delay_us(1);if(DQ) dat|=0 x80;Delay_us(10);return(dat);/*向DS18B20寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)*/void