恒温箱模拟设计温度报警器.docx

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恒温箱模拟设计温度报警器

题目：

温度报警器

摘要

摘要：

在现代工业的生产生活中，温度是常用的测量机被控参数。

随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。

本水温控制系统采用美国ATMEL公司生产的AT89S51单片机为核心控制器件，实现水温30度到100度的自动控制，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统，光电耦合器MOC3041和双向可控硅构成主控制电路。

该系统可以实时存储相关的温度数据并记录显示温度。

硬件控制电路主要包括AT89S51单片机最小系统，测温点路，时钟电路，8段数码晶体管显示电路。

系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，计算温度子程序，按键处理程序，8段数码晶体管显示程序以及数据存储程序等等。

关键词：

AT89C52单片机，DS18B20温度传感器，BTA16-600B双向晶闸管，8段数码晶体管显示电路，水温自动控制。

Abstract:

inmodernindustrialproductionandlife,temperatureisacommonmeasuringmachinewasaccusedofparameters.Withtherapiddevelopmentofmicrocomputermeasurementandcontroltechnologyandwidelyused,withthesinglechipprocessorasthecoretemperaturegatheringandcontrolsystemofresearchandapplicationtoalargeextent,improvetheproductioncontrolofthetemperaturelevelinthelife.ThewatertemperaturecontrolsystemadoptstheATMELcompanyproducestheAT89S51asthecorecontroldevicetoachievetheautomaticcontrolwatertemperature30degreesto100degrees,thetemperaturecontrolsystembasedonDS18B20temperaturesensor,photoelectriccouplerMOC3041andbidirectionalthyristorconstitutethemaincontrolcircuit.Thesystemcanreal-timetemperaturedatastorageandrecordaccordingtotemperature.HardwarecontrolcircuitmainlyincludestheAT89S51minimumsystem,temperaturemeasuringpoints,theclockcircuit,section8ofdigitaltransistordisplaycircuit.Systemprogrammainlyincludesthemainprogram,readtemperaturesubroutine,calculatingtemperaturesubroutine,buttonhandler,section8ofdigitaltransistordisplayprogramanddatastorageandsoon.

Keywords:

singlechipmicrocomputerAT89C52,DS18B20temperaturesensor,twowaythyristorBTA16-600-b,8periodofdigitaldisplaycircuit,transistorwatertemperatureautomaticcontrol.

目录

1前言（绪论）1

2系统总体方案设计2

3单元模块设计3

3.1各单元模块功能介绍4

3.1.１单片机最小系统电路4

3.1.2按键电路4

3.1.3报警模块5

3.1.4显示模块5

3.1.５测温模块5

3.2元器件选择6

3.3特殊器件6

3.３.151单片机6

3.３.2温度传感器8

3.３.3LCD1602液晶9

3.３.4排阻9

3.4各部分的连接10

4软件设计11

4.1软件设计原理及设计所用工具11

4.2软件设计结构图12

5系统调试14

5.1系统电路的portues的仿真与调试14

5.2硬件调试16

6系统功能、指标参数17

6.1说明系统能实现的功能17

6.2系统指标参数测试17

6.3系统功能及指标参数分析17

7结论18

8总结与体会19

9参考文献20

附录一：

实物图21

附录二：

仿真图22

附录三：

部分代码23

1前言（绪论）

1.1课题研究目的与意义：

在现代的各种工业生产中，很多地方都需要用到温度控制系统。

而智能化的控制系统是一种发展的趋势。

本文所阐述的基于AT89S51单片机的温度控制系统。

本温度控制系统适用于温度-55度到125度之间（传感器的测温范围），可以调整不同液体的温度自动控制范围为其常温到沸点之间；可以根据需求通过搭配不同配件实现不同的功能，既可以实现只加热和只制冷，或者即可以加热又可以制冷，广泛应用于生产生活中等，且该控制系统可移植性好，成本低，电路简单，方便使用。

1.2应用领域：

家电，生产，化工，人工智能，食品加工，电力系统

1.3设计要求：

（1）用数字温度传感器检测温度，要求线路尽可能简单

（2）无竞争冒险，无抖动

（3）实时显示温度和实时可调

（4）温度可调

1.4技术指标：

温度显示误差不超过1度

1.5优点：

结构简单，低成本，实用性强，可移植性好，可方便的用于家电生产生活化工食品加工等等。

具体应用；

（1）温度可调且保温的热得快（可与目前市面上的电热得快兼容）。

（2）简易热水器，控制模块可用于目前电热水器的控制模块的维修与替换。

（3）电冰箱（主电路接压缩机实现制冷、冷冻）（6）化工产品的恒温水浴加热（-30度到110度之间）。

（7）蒸馏分离沸点在-30度--+110度之间的多种液体，如分离酒精和水（用于作坊式谷物酒精生产等）。

（8）电气设备和工作平台的散热（主电路接风扇）

（9）通过修改程序和增加一个输出引脚可以同时实现加热和制冷，如用于饮水机的加热和制冷（成本较目前市场上的饮水机的控制电路的制造成本要低且结构简单，易于维护功能更强大）

2系统总体方案设计

2.1工作原理：

2.1.1方案一

以单片机为核心，通过温度传感器DS18B20对当前温度的检测送到单片机进行处理与系统设定温度的比较控制主电路双向晶闸管的导通与关断，同时送显示电路显示当前温度。

通过按键输入电路复位控制电路和设定要达到的温度并且送显示电路显示，电源电路提供控制电路所需要的工作电压。

图2.1.1系统方框图

本方案通过温度传感器来测量温度，对周围环境温度进行一个直观的显示。

其原理是采用DS18B20温度传感器进行测温然后用单片机STC89C52来进行数据的处理。

在显示器上，选用LCD1602液晶显示屏幕进行显示，通过处理后的数据与设定值进行比较，超过设定温度即进行自动报警，如图2.1.1。

2.1.2方案二

图2.1.2方案二硬件结构图

本设计的思路是采取温度测量，其原理是采用DS18B20温度传感器进行测温然后用单片机STC89C52来进行数据的处理。

在显示器上，选用LCD1602液晶显示屏幕进行显示，通过处理后的数据与设定值进行比较，超过设定温度即进行自动报警，如图2.1.2。

2.2方案选择

以上两个方案，都能满足设计的需要。

在方案一中对温度的测量、显示等都相对于方案二中来说都更好。

综合考虑选着方案一。

3单元模块设计

3.1各单元模块功能介绍

3.1.１单片机最小系统

本设计中采用AT89C51单片机作为主控电路此部分电路包括了AT89C51一片,12M晶振一个,30PF的电容2个,10UF的电容一个,1K的电阻，以及设计的复位电路，通过按键来进行电路的复位。

利用芯片内部的振荡器，然后再引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路，如右图所示。

内部时钟电路外接晶振时，C1和C2的值通常选择为30pF左右。

C1、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2-13MHZ之间选择。

图3.1.1最小系统模块图

3.1.2按键电路

在此次设计中设计了三个按键，分别用于设置温度的上限下限。

图3.1.2按键模块图

3.1.3报警模块

此模块接入单片机P2.1端口，单片机通过数据处理，判断是否超过警戒值，如果超过了将会使P2.1端口变为高电平，使此模块电路导通，蜂鸣器通电报警。

图3.1.3报警模块图

3.1.4显示模块

设计中用1602LCD液晶显示，使用P2口输入，显示电路使用并口显示，对液晶进行初始化。

图3.1.４显示模块图

3.1.５测温模块

运用ＤＳ１８Ｂ２０测室温，用于对ＤＳ１８Ｂ２０进行初始化。

图3.1.５测温模块图

３.２元器件选择

１．最小系统电路：

此部分电路包括了AT89C51一片,12M晶振一个,30PF的电容2个,10UF的电容一个,1K的电阻

２．按键电路：

用三个按键进行极限温度的设置；

３．显示电路：

选择排阻与1602LCD连接进行显示当前温度；

４．报警电路：

选择了一个三极管驱动蜂鸣器与ＬＥＤ灯进行报警

５．测温电路：

选择ＤＳ１８Ｂ２０

3.３特殊器件

AT89C5１主要管脚为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

3.３.151单片机

图３.３.１

（1）P0口

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

（2）P1口

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。

（3）P2口

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

（4）P3口

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

（5）RST

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

（6）ALE/PROG

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

（7）PSEN

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

（8）EA/VPP

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

（9）XTAL1

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入。

（10）XTAL2

振荡器反相放输出端

3.３.2温度传感器

此次设计选用DS18B20

１.各脚功能描述如下：

DQ:

数字信号输入/输出端

GND：

电源地端

VDD：

外接供电电源输入端（在寄生电源接线时此脚应接地）

２.特点：

（1）.单线结构，只需一根信号线和CPU相连。

（2）.不需要外部元件，直接输出串行数据。

图３.３.２

（3）.可不需要外部电源，直接通过信号线供电，电源电压范围为3.3V～5V。

（4）.测温精度高，测温范围为：

一55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±O.5

℃。

（5）.测温分辨率高，当选用12位转换位数时，温度分辨率可达0．0625℃。

（6）.数字量的转换精度及转换时间可通过简单的编程来控制：

9位精度的转换时间为93．75ms：

10位精度的转换时间187.5ms：

12位精度的转换时间750ms。

（7）.具有非易失性上、下限报警设定的功能，用户可方便地通过编程修改上、下限的数值。

（8）.可通过报警搜索命令识别哪片DS18820采集的温度超越上、下限。

３.DS18B20简介：

DS18820中的温度传感器完成对温度的测量，输出格式为：

16位符号扩展的二进制补码。

当测温精度设置为12位时，分辨率为O.0625℃，即O.0625℃／LSB。

DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：

ROM只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后48位是芯片唯一序列号，最后8位是以上56位的CRC码。

设置在出产数据时不是由用户更改的。

DS18B20共64位ROM。

RAM数据暂存器，用于数据存取和内部计算，断电或失电时导致数据丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。

第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM的镜像。

在上电复位时其值将被从新写入。

第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。

第6、7、8个字节为计数寄存器，可以使用户得到更高温度分辨率，单元计算的暂存、同时也是内部温度转换。

第9个字节为前8个字节的CRC码。

EEPROM非易失性记忆体，用于长期存放需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，用以方便用户的操作。

DS18820中的低温触发器TL、高温触发器TH，用于设置低温、高温的报警数值。

DS18820完成一个周期的温度测量后，将测得的温度值和TL、TH相比较，如果小于TL，或大于TH，则表示温度越限，将该器件内的告警标志位置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。

需要修改上、下限温度值时，只需使用一个功能命令即可对TL、TH写入，十分方便。

3.３.３LCD1602液晶

图３.３.３

１．特征

　3.3V或5V工作电压，对比度可调内含复位电路提供各种控制命令,如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能有80字节显示数据存储器DDRAM内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM

２．引脚

　1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地

第2脚：

VCC接5V电源正极

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端,高电平

（1）时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

3.３.４排阻

此次选用９脚排阻

图３,３.４

1.作用

内存芯片下方均匀分布的“芝麻粒”，实际上是位于内存颗粒和金手指之间的“排阻”。

排阻，是一排电阻的简称。

我们知道，内存在处理、传输数据时会产生大小不一的工作电流。

而在内存颗粒走线的必经之处安装一排电阻，则能够帮助内存起到稳压作用，让内存工作更稳定。

从而提升内存的稳定性，增强内存使用寿命。

内存右边角上的“小绿豆”，我们一般称之为SPD。

SPD是一存储体，它存储了厂商对内存的详细配置信息：

如内存的工作电压，位宽，操作时序等。

每次开机后自检时，系统都会首先读取内存SPD中的相关信息，来自动配置硬件资源，以避免出错。

上拉、限流。

和普通电阻一样，相比而言简化了PCB的设计、安装，减小空间，保证焊接质量。

２.特点

排阻具有方向性，与色环电阻相比具有整齐、少占空间的优点。

排阻引脚说明：

1与a2与b3与c4与d之间的电阻都是10欧，与其它的管脚没有任何关系．就是一排电阻，做在了一个原件上．有的还有一个公脚，就是为了方便使用，拿万用表量一下就会发现所有脚对公共脚的阻值均是标称值，除公共脚外其它任意两脚阻值是标称值的两倍，很明显任意两脚是通过公共脚串联的，应用在有很多上下拉电阻的场合特方便，比如并行通讯线上，还节省空间。

3.４各部分的连接

1.显示电路与最小系统的连接：

排阻与液晶对应连接，单片机的４０脚与排阻的１脚以及液晶的２脚接正５Ｖ电压，液晶的２.３脚接地，４．５．６脚分别与单片机的２１以及２２和２３脚连接。

图３.４.１

2.报警电路与单片机的连接：

三极管的Ｂ端接在单片机的７脚，ＬＥＤ接在单片机的８脚

图３.４.２

3.测温电路部分与单片机的连接：

ＤＳ１８Ｂ２０的１脚接地，２脚接单片机的２８脚，３脚接５Ｖ电压。

图３.４.３

4软件设计

4.1软件设计原理及设计所用工具

要使单片机系统按照人的意图办事，需设法让人与计算机对话，并听从人的指挥。

程序设计语言是实现人机交换信息的最基本工具，可分为机器语言、汇编语言和高级语言。

机器语言用二进制编码表示每一条指令，是计算机能直接识别和执行的语言。

用机器语言编写的程序成为机器语言程序或者指令程序（机器码程序）。

因为机器只能识别和执行这种机器码程序，所以又称它为目标程序。

用机器语言编写程序不易记忆、不易查错、不易修改。

为了克服机器语言的上述缺点，可采用有一定含义的符号，即指令助记符来表示，一般都采用某些有关的英文单词的缩写。

这样就出现了另一种程序语言—汇编语言。

汇编语言是用助记符、符号和数字等来表示指令的程序语言，容易理解和记忆，它与机器语言指令是一一对应的。

汇编语言不像高级语言（如BASIC）那样通用型强，而是属于某种计算机所独有，与计算机的内部硬件结构密切相关。

用汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。

以上两种语言都是低级语言。

尽管汇编语言有不少优点，但它仍存在着机器语言的某些缺陷：

与CPU的硬件结构密切相关，不同的CPU其汇编语言是不同的。

这使得汇编语言程序不能移植，使用不便；其次，要使用汇编语言进行程序设计必须了解所使用CPU硬件的结构与性能，对程序设计人员有较高的要求。

为此，又出现了对单片机进行编程的高级语言，如PL\M，C等。

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

经分析综合得知，本课题采用C语言进行编程。

单片机应用软件系统设计包括功能模块划分、程序流程确立、模块接口设计以及程序代码编写。

我们依据系统的功能要求，将整体软件系统分割成若干个独立的程序模块。

这些程序模块可以是几条语句的集合、功能函数或程序文件。

随后，根据个程序模块的实现功能写出流程，一般需要写出具体的实现功能描述。

程序代