单片机课程设计基于51单片机的温度控制系统设计.docx
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单片机课程设计基于51单片机的温度控制系统设计
单片机课程设计报告
题目:
温度控制系统设计
学院：
通信与信息工程学院
专业:
测控技术与仪器专业
班级：
测控三班
成员：
徐 郡
二〇一四年六月十二日
一、引言
温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。
对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同,则采用的测温元件、测方法以及对温度的控制方法也将不同;产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而,对温度的测控方法多种多样。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。
利用微机对温度进行测控的技术,也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。
作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域较广泛。
传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。
因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
为了提高对传感器的认识和了解,尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。
本系统利用传感器与单片机相结合，应用性比较强，本系统可以作为仓库温度监控系统,如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统,以及构成智能电饭煲等等。
课题主要任务是完成环境温度监测，利用单片机实现温度监测并通过报警信号提示温度异常。
本设计具有操作方便,控制灵活等优点。
本设计系统包括单片机，温度采集模块,显示模块，按键控制模块,报警和指示模块五个部分。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
整个系统的核心是进行温度监控,完成了课题所有要求。
二、实验目的和要求
2．1学习DS18B2０温度传感芯片的结构和工作原理。
２.2掌握LＥD数码管显示的原理及编程方法。
2.3掌握独立式键盘的原理及使用方法。
2．4掌握51系列单片机数据采集及处理的方法。
三、方案设计
总体设计方案采用AＴ89C５2单片机作控制器,温度传感器选用ＤS18B20来设计数字温度计，系统由５个模块组成：
主控制器、测温电路、显示电路、控制电路、报警及指示电路。
主控制器由单片机AT８9C5２实现，测温电路由DＳ１8B2０温度传感器实现，显示电路由4位ＬED数码管直读显示,，报警指示电路由蜂鸣器和发光二级管构成,控制电路由按键构成。
本设计所使用的数字温度计与传统的温度计相比,具有读数方便,测温范围广,测温准确等特点，其输出温度采用数字显示,主要用于对温度的精度要求较高的场所,或科研实验室使用,并且加有报警装置，超过限制温度可发出报警信号，还可以调整报警上下限温度。
该设计控制器使用单片机AT89C52,测温传感器使用ＤＳ1８Ｂ2０,用4位共阳极LED数码管以I／O口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。
四、实验原理
利用温度传感器芯片监测环境温度,将温度信号转换为数字信号传送到单片机内部，单片机通过对温度数据进行处理，利用四位八段数码管显示环境温度,并利用蜂鸣器和发光二极管发出超限警报信号。
通过按键操作可以改变报警温度的上下限。
五、材料清单
序号
名称
型号／规格
数量
备注
1
单片机
SＴC89C52RC
1
U１
2
温度传感器
DＳ１８B20
１
U2
３
电阻
３KΩ
５
R１,R2,R3,Ｒ４,Ｒ１２
4
100Ω
４
R5,Ｒ6,Ｒ7,R8
5
10KΩ
４
Ｒ9,R13,R14,R15
６
200Ω
１
R10
7
1KΩ
1
R11
8
排阻
10K
1
RP1
9
电容
30pF
２
C1，C２
1０
电解电容
2２uF
1
Ｃ3
1１
三极管
9013（NPN）
4
Ｑ1,Q２,Q3,Ｑ4
１2
8550（ＰNP）
1
Q5
1３
发光二极管
黄色
1
Ｄ１
14
红色
1
D2
15
绿色
2
D3,D4
16
蜂鸣器
1
ＢＵＺ１
17
按键
4
S1，S2,S3,S4
１8
晶振
1１.０592MHz
１
Ｘ1
19
四位八段数码管
ＸD3941ＢＲ-ST
1
显示
六、基本芯片及其原理
６.1单片机
89Ｃ５2是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INＴEL公司可靠的ＣHMＯS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-５1的HCＭOＳ产品。
它结合了ＨMOS的高速和高密度技术及ＣＨＭOＳ的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于８0C５1增强型单片机版本,集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。
89C5２内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAＭ、8k片内程序存储器（ROＭ）3２个双向输入／输出（I/O）口、３个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
此外,89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结ＣPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下,保存ＲＡM数据,时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。
89C52有ＰDIP（40pｉn）和PLCC（4４piｎ）两种封装形式。
本次课程设计所使用的单片机为STＣ89Ｃ52单片机，是深圳宏晶科技生产的完全兼容IＮＴＥL公司MCS-51系列的单片机。
6.2温度传感器及其原理
传感器DＳ18B２0具有体积小、精度高、适用电压宽、采用一线总线、可组网等优点,在实际应用中取得了良好的测温效果。
美国Ｄaｌlas半导体公司的数字化温度传感器DＳ18２0是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0AＲD）专利技术。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
“一线总线”独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
现在，新一代的DS１8B２0体积更小、更经济、更灵活。
使用户可以充分发挥“一线总线”的优点。
同DS1820一样,ＤS18Ｂ20也支持“一线总线”接口,测量温度范围为-5５°C～+125°C，在-１０~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量,如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同，新的产品支持3V~5．5V的电压范围,使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜,体积更小。
6．２．1 DS1８Ｂ2０的特性
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3．0～5.5V,寄生电源方式下可由数据线供电。
（2）独特的单线接口方式，DＳ18B２0在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B２0的双向通讯。
（３）DS１8B20支持多点组网功能,多个DＳ18B２0可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温。
（4）DS１８B２0在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
（5）温范围－55℃～+1２5℃，在-1０～+85℃时精度为±０.5℃。
（６）可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0．5℃、０．2５℃、０.125℃和０.0625℃,可实现高精度测温。
（７）在9位分辨率时最多在9３.７5ｍs内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
（8）测量结果直接输出数字温度信号,以“一线总线”串行传送给CPＵ,同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
（９）负压特性：
电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
6.2.2DS1８B2０内部结构及ＤS18B2０的管脚排列
6４位光刻ROM是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列号。
不同的器件地址序列号不同。
DS1８Ｂ2０内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM,温度传感器，非挥发的温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。
DＳ1８B20的引脚定义：
图一DS１８B２０引脚定义
（1）DQ为数字信号输入/输出端。
（2）GND为电源地。
（3）ＶDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
６．2.3DＳ18B20的编程
（1）DS1８B20的初始化：
①先将数据线置高电平“1”。
②延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）
③数据线拉到低电平“0”。
④延时75０us（该时间的时间范围可以从480us到960ｕs）。
⑤数据线拉到高电平“1”。
⑥延时等待（如果初始化成功则在1５到6０毫秒时间之内产生一个由ＤＳ18B２０所返回的低电平“0”。
据该状态可以来确定它的存在,但是应注意不能无限的进行等待,不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。
⑦若CPU读到了数据线上的低电平“0”后,还要做延时,其延时的时间从发出的高电平算起（第（５）步的时间算起）最少要48０微秒。
⑧将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。
初始化程序代码如下：
vｏidｄs_rｅseｔ（ｖoiｄ）
{
ﻩｃhaｒ presenｃe=1;
ｗhiｌｅ（ｐｒｅｓence）
{
ﻩﻩwｈｉlｅ（ｐreseｎｃe）
ﻩﻩ{
ﻩﻩDQ=1;
ﻩﻩ_ｎoｐ_（）;
ﻩﻩ＿nｏｐ_（）;
ﻩＤQ=０;
ﻩﻩﻩdｅlａy（50）；
ﻩDQ=1;
ﻩdelay（6）;
ﻩprｅsence=DQ；
ﻩﻩ｝
ｄelay（4５）；
ﻩpｒｅseｎce=~DQ;
ﻩ}
ﻩDQ=1；
}
（２）DS1８B20的写操作：
①数据线先置低电平“0”。
②延时确定的时间为15uｓ。
③按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。
④延时时间为4５ｕｓ。
⑤将数据线拉到高电平。
⑥重复上
（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。
⑦最后将数据线拉高。
写操作程序代码如下:
ｖoｉd ｄｓ_ｗｒiｔe（ｕcｈardｓ_ｗrdaｔａ）
{
ﻩuｃhａri;
ﻩfｏr（i＝8；i>0；ｉ-－）
ﻩ{
ﻩDQ=1;
ﻩ＿ｎop＿（）；
ﻩ_nｏp_（）;
DＱ=0;
ﻩ＿nop＿（）;
＿ｎoｐ_（）；
ﻩﻩ_nop_（）;
ﻩﻩ_nop_（）;
ＤQ=ｄs_wｒdaｔa&0x0１; //最低位移出
ﻩﻩdｅlay（6）;
ｄｓ_ｗrdａtａ=ｄs_wrｄaｔa/2; //右移1位
}
ﻩDQ=1;
delaｙ（１）;
｝
（３）DＳ１８Ｂ20的读操作：
①将数据线拉高“1”。
②延时２us。
③将数据线拉低“0”。
④延时1５us。
⑤将数据线拉高“1”。
⑥延时15us。
⑦读数据线的状态得到１个状态位,并进行数据处理。
⑧延时30us。
读操作程序代码如下：
uchar ds_read（vｏｉｄ）
{
uchari;
ﻩuchar value＝0；
for（ｉ=8;ｉ>０;i-－）
ﻩ{
ﻩﻩDQ=1;＿nop＿（）;
ﻩ_nop_（）；
value>>=1;
ﻩDQ=0;
ﻩ＿nｏp_（）；
ﻩ_nop_（）;
ﻩﻩ_nop_（）;
ﻩﻩ_nop＿（）;
DＱ＝1;
_nop_（）；
＿noｐ_（）;
_nop_（）;
ﻩ_nｏp_（）;
ﻩif（ＤQ）ｖalue|=０x8０;
ﻩdelａｙ（6）;
}
DQ=1；
return（vａlｕe）;
}
6．2.4DS１8Ｂ20传感器的温度数据关系：
图二 温度传感器的温度数据关系
6.２．5 ＤS1８B20的外部电源供电方式：
在外部电源供电方式下，ＤS１8B20工作电源由VDD引脚接入,此时Ｉ／O线不需要强上拉,不存在电源电流不足的问题,可以保证转换精度,同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B2０传感器，组成多点测温系统。
图三外部电源供电连接图
七、系统框图
本系统设计由5个模块组成：
主控制器（单片机）、温度采集模块、温度显示模块、控制电路模块、报警及指示模块。
主控制器由单片机AＴ８９C52实现,测温电路由DS18B20温度传感器实现，显示电路由4位LＥD数码管直读显示,报警指示电路由蜂鸣器和发光二级管构成,控制电路由按键构成。
系统框图如下:
图四系统框图
八、工作流程图
8.1主程序流程图
图五 主要功能流程图
图六 指示、报警模块流程图
图七读取温度值模块流程图
九、硬件电路图
图八 显示模块
图九按键控制模块
图十报警、指示电路
图十一温度传感器连接图
图十二整体硬件电路图
图十二整体硬件电路图
十、总结
通过做本课题,使我们了解传感器的基本理论知识，更深入的了解单片机的开发应用和PＣ编程控制。
为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、PC软件开发打下了良好的基础，树立独立从事产品研发的信心。
同时也培养了我们认真的做事态度。
从得到题目到查找资料，从对题目的研究设定到电路图的设计，电路图的设计到程序设计……在这一个充满挑战伴随挫折，充满热情伴随打击的过程中,我们感触颇深，它是对我们的钻研精神，创新精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。
我们在这个过程中深刻的感受到了做设计的意义所在,和我们一样真正投入了身心去做的人也一定会有同样的感触。
本课题的重点、难点是:
●初步接触温度传感器,要对传感器的原理、结构、应用等各方面从头开始琢磨。
●考究调整电路的实现过程以及怎么样通过单片机来间接的控制。
●从仿真电路到实际电路的调试。
十一、参考文献
[１］ 倪云峰.单片机原理及应用[M］.西安：
西安电子科技大学出版社，2００9.
[2] 刘娟.单片机C语言与pｒoｔues.北京:
中国电力出版社,2０１0．7
[3] 张齐．单片机原理与应用系统设计．北京：
电子工业出版社，２０10.2
十二、附件
附件一：
软件源代码
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