单片机论文-基于单片机的温度控制系统设计.doc
《单片机论文-基于单片机的温度控制系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机论文-基于单片机的温度控制系统设计.doc（37页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
山东大学电气工程学院
毕业设计论文
设计（论文）题目：
基于单片机的温度控制系统设计
学生姓名：
赵洪
学院：
电气工程学院
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2012
指导教师：
颜世刚
2013年6月18日
基于单片机的温度控制系统设计
摘要
温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的参数之一，所以温度测量技术和测量仪器的研究是一个重要的课题。
随着时代的进步和发展，单片机技术已经伸入到各个领域，基于单片机数字温度控制系统与传统的温度控制系统相比，具有读数方便，测温范围广，其输出温度采用数字显示，本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度控制系统。
本文从硬件和软件两方面来讲述学校浴室水温自动控制过程,在控制过程中主要应用AT89S51，通过DS18B20数字温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过四位数码管显示实时温度的一种数字温度控制系统。
软件方面采用汇编语言来进行程序设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。
为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。
[1]
关键词：
单片机；传感器；温度
ThedesignofcontrolsystemoftemperaturebasedonMCU
Abstract
Temperatureisanimportantphysicalquantity,isthemostcommonindustrialproductionprocess,technologyisoneofthemostimportantparameters,sotheresearchontemperaturemeasurementtechnologyandinstrumentsisanimportantsubject.Withtheeraofprogressanddevelopment,SCMtechnologyhasextendedtovariousfields,comparedwiththetraditionalthermometerdigitalthermometerbasedonsingle-chipmicrocomputer,thereadingconvenience,awiderangeoftemperaturemeasurement,digitaloutputtemperaturedisplay,thispaperwillintroduceakindofdigitalthermometerbasedonsinglechipmicrocomputer.Inthispaper,fromtwoaspectsofhardwareandsoftwareaboutschoolbathroomautomatictemperaturecontrolprocess,thecontrolprocessismainlyusedAT89S51,mainlythroughtheDS18B20digitaltemperaturesensortocollecttheenvironmentaltemperature,thesingle-chipmicrocomputerasthecorecontrolcomponent,andthroughfourdigitaltubedisplayreal-timetemperatureofadigitalthermometer.Softwareusingassemblylanguagetoprogramdesign,sothattheinstructionexecutionspeed,savethememoryspace.Inordertofacilitatetheexpansionandthechange,thesoftwaredesignusesthemodularstructure,makethelogicrelationofdesigningprogrammoreconcise,makinghardwaretocoordinatetheoperationunderthesoftwarecontrol.
Keywords:
SCM;sensor;temperature;
I
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 1
第一章绪论 1
1.1课题的背景及其意义 1
1.2课题研究的内容 1
1.3课题实现的控制功能 2
1.4本章小结 2
第二章温度控制系统方案选择 3
2.1方案一 3
2.2方案二 3
2.3方案比较与选择 3
2.4本章小结 4
第三章DS18B20温度传感器简介 5
3.1DS18B20的内部结构及特点 5
3.1.1DS18B20的内部结构 5
3.1.2DS18B20的性能特点 6
3.2DS18B20的工作原理 7
3.2.1DS18B20工作时序 7
3.2.2ROM操作命令 9
3.3DS18B20的测温原理 10
3.3.1DS18B20的测温原理 10
3.3.2DS18B20的测温流程 11
第四章系统硬件电路设计 12
4.1设计原则 12
4.2主板电路设计 12
4.3各部分电路 13
第五章系统软件设计 18
5.1系统软件设计整体思路 18
5.2系统程序流图 18
5.3调试 23
第六章结论 25
参考文献 26
致谢 27
附录 28
1
第一章绪论
1.1课题的背景及其意义
在当今社会，建设工程及日常生活中温度控制都起着重要作用，最早的温度控制应用于工厂生产中，可以起到实时采集温度数据，提高生产效率、产品质量的作用。
然而随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。
因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。
温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。
温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。
由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。
而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展，单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛。
利用单片机对温度进行控制的技术也随之而生，并日益发展和完善，且越来越显示出它的优越性。
[2]
1.2课题研究的内容
本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示、控制，实现了温度的实时显示及控制。
水箱水温控制部分，提出了用DS18S20、AT89S51单片机及LED的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对浴室水箱温度实时控制。
由DS18S20检测水箱出水口温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在LED中显示。
DS18B20芯片具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于温度测控系统，而且DS18S20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。
控制器是用AT89S51单片机，用PID算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构，控制水箱内温度。
而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。
1.3课题实现的控制功能
1.能够连续测量水的温度值，用十进制数码管来显示水的实际温度。
2.能够设定水的温度值，设定范围是20℃～70℃。
3.能够实现水温的自动控制，如果设定水温为60℃，则能使水温保持恒定在60℃的温度下运行。
4.用单片机AT89S51控制，通过按键来控制水温的设定值，数值采用数码管显示。
1.4本章小结
本章首先介绍了课题的背景和研究意义，并对课题的主要内容进行了综述，最后对课题实现的具体控制功能做了一个简要的介绍。
第二章温度控制系统方案选择
2.1方案一
系统的硬件电路包括微控制器部分（主机），温度检测，人机对话（键盘/显示）三个主要部分。
温度检测部分采用传统的热敏电阻，热敏电阻的阻值随环境温度变化而变化，变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压信号，经A/D转换器将其转换为单片机可识别得二进制数字量，单片机主要控制LED显示器显示正确的温度值，LED显示器实现显示功能。
2.2方案二
考虑使用温度传感器，结合单片机电路设计，采用一只DS18B20温度传感器，直接读取被测温度值，之后进行转换，依次完成设计要求。
2.3方案比较与选择
方案1与方案2的主要区别在温度检测部分，方案1是采用热敏电阻检测温度，然后利用A/D转换器将温度模拟量转换为二进制数供单片机处理。
方案2主要利用DS18B20这块芯片进行温度检测，并将采集到的模拟量转换为单片机识别的二进制数。
方案1与方案2相比，它最大的特点就是它能检测的温度范围很大，热敏电阻的性能决定了整个设计的所能检测的温度范围。
方案2的温度检测范围已经由系统中的DS18B20的特性所决定，它能检测的温度范围为-55℃到120℃，虽然其温度检测范围很窄，但已足够满足一般测量需要，从整体上来看方案2比方案1更简单，因为我们方案2是利用现有的智能温度传感芯片DS18B20，他无需A/D转换，直接输出数字量。
所以本设计中所使用的温度测量电路是方案2的电路。
在本系统的电路设计方框图如图1.1所示，它由三部分组成:
①温度采集部分采用DS18B20温度传感器。
②控制部分主芯片采用单片机AT89S51；③显示部分采用3位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示；
加热继电器
单片机
DS18B20
LED显示
指示灯
图2－1温度计电路总体设计方案
1.温度采集部分
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温。
这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作，由DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。
数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.0口，单片机接受温度并存储。
此部分只用到DS18B20和单片机，硬件很简单。
2.控制部分
单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用，系统应用三节电池供电。
[3]
3.显示部分
显示电路采用3位共阳LED数码管，从P0口送数，P2口扫描。
[4]
2.4本章小结
本章介绍了两种测温方法的基本原理及实现方式，给出了最优的控制方案，并讨论了控制器及执行机构各部分的工作方式。
第三章DS18B20温度传感器简介
3.1DS18B20的内部结构及特点
3.1.1DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成
1）64位光刻ROM。
开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
64位闪速ROM的结构如下.
表3－1ROM结构
8b检验CRC
48b序列号
8b工厂代码（10H）
MSBLSBMSBLSBMSBLSB
图3－1DS18B20内部结构
2）非挥发的温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限值。
3）高速暂存存储，可以设置DS18B20温度转换的精度。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PRAM。
头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。
第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
表3－2DS18B20内部存储器结构
Byte0
温度测量值LSB（50H）
Byte1
温度测量值MSB（50H）
E2PROM
Byte2
TH高温寄存器
ß----à
TH高温寄存器
Byte3
TL低温寄存器
ß----à
TL低温寄存器
Byte4
配位寄存器
ß----à
配位寄存器
Byte5
预留（FFH）
Byte6
预留（0CH）
Byte7
预留（IOH）
Byte8
循环冗余码校验（CRC）
4）CRC的产生
在64bROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。
主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作按协议进行。
操作协议为：
初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理[5]
3.1.2DS18B20的性能特点
DS18B20的性能特点如下：
1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
2）多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
3）无须外部器件；
4）可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V；
5）零待机功耗；
6）温度以3位数字显示；
7）用户可定义报警设置；
8）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作[6]
3.2DS18B20的工作原理
3.2.1DS18B20工作时序
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
1.每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位；
2.复位成功后发送一条ROM指令；
3.最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待15～60微秒左右后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，具体工作方法如图3-2，3-3，3-4所示。
（1）初始化时序
图3－2初始化时序
总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，主机响应应答脉冲。
应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。
主机输出低电平，保持低电平时间至少480us，以产生复位脉冲。
接着主机释放总线，4.7KΩ上拉电阻将总线拉高，延时15～60us，并进入接受模式，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时480us
。
（2）写时序
图3－3写时序
写时序包括写0时序和写1时序。
所有写时序至少需要60us，且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间，都是以总线拉低开始。
写1时序，主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us。
写0时序，主机输出低电平，延时60us，然后释放总线，延时2us。
（3）读时序
图3－4读时序
总线器件仅在主机发出读时序是，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。
所有读时序至少需要60us，且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。
每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us。
主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线状态。
主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取总线当前电平，然后延时50us[7]
3.2.2ROM操作命令
当主机收到DSl8B20的响应信号，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如下表[8]。
表3－3ROM操作命令
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS18B20ROM中的编码
符合ROM
55H
发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该编码相对应的DS18B20使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备
搜索ROM
0F0H
用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作好准备
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令，适用于单片工作。
续表3－3
告警搜索
命令
0ECH
执行后，只有温度超过设定值上限或者下限的片子才做出响应
温度变换
44H
启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500MS，结果存入内部9字节RAM中
读暂存器
0BEH
读内部RAM中9字节的内容
写暂存器
4EH
发出向内部RAM的第3，4字节写上、下限温度数据命令，紧跟读命令之后，是传送两字节的数据
复制暂存器
48H
将E2PRAM中第3，4字节内容复制到E2PRAM中
重调E2PRAM
0BBH
将E2PRAM中内容恢复到RAM中的第3，4字节
读供电
方式
0B4H
读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送“0”，外接电源供电DS18B20发送“1”
3.3DS18B20的测温原理
3.3.1DS18B20的测温原理
DSl8B20在ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前就已经写入片内ROM中。
主机在进入操作程序之前必须用读ROM（33H）命令将该DSl8B20的序列号读出。
程序也可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，再通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。
DS18B20的测温原理如图3-4所示，低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振受温度变化影响很大，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
其中还隐含着计数门，计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。
计数门开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值.[9]
减法计数器
斜坡累加器
减到0
减法计数器
预置
低温度系数
振荡器
高温度系数
振荡器
计数比较器
预置
温度寄存器
减到0
图3-4DS18B20的测温原理
3.3.2DS18B20的测温流程
初始化
DS18B20
跳过ROM
匹配
温度变换
延时1S
跳过ROM
匹配
读暂存器
转换成显示码
数码管显示
图3－5DS18B20测温流程
第四章系统硬件电路设计
4.1设计原则
DS18B20的供电方式有两种。
第一种是用电源供电，此时DS18B20的引脚1接地，引脚2作为信号线，引脚3接电源。
另一种是寄生电源供电方式，如图4.1所示单片机端口接单线总线，为了在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用MOSFET管来完成对总线的上拉。
此次设计采用电源供电方式，P1.1口接单线总线来保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，用MOSFET管和89S51的P1.0来完成对总线的上拉。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强大的上拉电阻，上拉开启时间最大为10μs。
寄生电源供电方式是VDD和GND端都接地。
因为单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三状态的。
主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：
（1）初始化
（2）ROM操作指令
（3）存储器操作指令[10]
4.2主板电路设计
单片机的P1.0接DS18B20的2号引脚，P0口送数P2口扫描，P1.1、P1.2控制加热器和电风扇的继电器。
ALE引脚悬空，复位引脚接到复位电路、VCC接电源、VSS接地、EA接电源。
图4-1主电路图
4.3各部分电路
1.DS18B20与单片机的接口电路
P0口接9个2.2K的排阻然后接到显示电路上。
P1.0接温度传感器DS18B20。
P1.1和P1.2引脚接继电器电路的4.7K电阻上，P1口其他引脚悬空。
P2口中P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别接到显示电路的4.7K电阻上，P2.5接蜂鸣器电路，其他引脚悬空。
P3口中P3.5、P3.6、P3.7接到按键电路。
如图4-2所示。
18B20
单片机
P1.0
VCC
GND
图4－2DS18B20与单片机的接口电路
2.显示电路
显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序的编写。
图4－3显示电路图
3.单片机电路
图4
升级会员 