毕业设计单片机毕业设计温度控制外文翻译.docx

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摘要

随着科学技术的发展，监控系统对人们的生活影响越来越大。

在生活中的各个方面都涉及到监控技术。

在本设计中，是以温度为监控研究对象并结合单片机及接口技术,采用部分边沿科技设计的一个温度监控系统。

利用温度数字传感器DS18B20采集温度，利用CPU处理后,通过74LS47将其显示在数码管上。

且可以通过串口设定密码和温度的上下限,当所测温度低于设定温度时，利用加热器加热；当所测温度高于设定温度时,发出报警,并给出一定的控制信号.

本文主要阐述了温度采集模块，显示模块，控制隔离模块设计，温度采集模块采用数字传感器DS18B20；显示模块由三个八段数码管，74LS47，ADC0808等组成；控制隔离模块由光电隔离器，双向可控硅整流桥、变压器等组成。

最后针对温控系统进行了实验仿真，通过对仿真的分析表明本文所述的基于单片机的温控系统的设计的合理性和有效性。

关键字:

单片机、传感器DS18B20、温度监控系统、控制隔离电路

Abstract

Alongwiththedevelopmentofscienceandtechnology,thelifeinfluenceofmonitoringsystemforpeoplearefarther.Intheaspectofeachlifepeopleareconcernedwithmonitoringtechnology.Inthedesign,itisatemperaturemonitoringsystemwhichistotaketemperatureastomonitortheresearchobject,andcombineMCUandtheinterfacetechniques.Inthesystem,weadoptthepartialedgedesignofscienceandtechnology.passingthrough74LS47itisabletoshowittothefigurestubeupafterusingCPUhandling.Thesystemcansetthelastlowerlimitofcipherandtemperaturethroughbutton,whenthetemperaturemeasuredislowtosetstemperature,weareusingheatertoheatup.Whenthetemperaturemeasuredishigherthansettemperature,thedevicegeneratestoalarm,andgivescertaincontrolsignal.

Thisarticlemainlyelaboratedthetemperaturegatheringelectriccircuit,thedisplaycircuit,thecontrolisolationcircuitdesign,thegatheringelectriccircuitbyDS18B20sensor,threeeight-digital,74LS47,ADC0808components;thecontrolisolationcircuitbythephotoelectricisolator,atwo-waySCRcomponents.Finally,temperaturecontrolsystemfortheexperimentalsimulation,theanalysisofsimulationdescribedinthisarticleshowsthatthedesignoftemperaturecontrolsystembasedonMicrocontrollerisavailabilityandrationality.

Keywords:

MCU、sensor、temperaturemonitorsystemDS18B20、controlisolationcircuit

1.2系统的控制回路设计..........................................3

6.1PCB版的设计................................................21

6.2PROTEUS仿真调试............................................22

谢辞..............................................................27

绪论

实际生活和生产中许多方面都涉及到监控技术,在本设计中是以温度监控为研究对象。

结合单片机技术及接口技术,并采用部分边沿科技设计的一个温度监控系统。

主要利用传感器采集温度信号,经过CPU处理后,将其显示在数码管上，且可以通过键盘设定温度的上下限,当所测温度不在所设定的范围内时,发出报警,并给出一定的控制信号。

温度是工业对象中主要的被控参数之一，在冶金、机械、食品、化工等各类企业中国广泛使用的各种加热炉、热处理器、反应炉等，对产品的加工、处理，对温度都要求严格控制，因为温度的控制直接影响到产品的质量、产量。

随着社会科技的不断发展，人们对温度控制系统的要求也在不断提高，与之相对应的系统规模和复杂程度也在扩大和提高。

采用单片机来对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活等特点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量和数量。

单片机在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器、输入输出部件和时钟电路等。

单片机具有如下特点和趋势：

单片机的低功耗COMS化、单片机的微型化、单片机的抗干扰性和稳定性好，因而由它构成的应用系统具有体积小、集成度高、功能强、成本低、使用灵活、性能好、易于产品化、系统的分布性高等特点。

所以单片机具有强大的控制功能，在工业控制、家用电器、军事装置等方面得到广泛的应用。

因此，单片机对温度控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

论文分析了单片机温度控制系统的工作原理，完成了以AT89C51单片机为核心，外装置数字温度传感器、串口与显示电路、光报警电路，实现了数据采集、处理、显示、系统的故障自诊断等功能。

1系统概述

1.1系统功能描述

在实际生活和生产中，有很多场合需要对温度进行监测和控制。

如水温检测和控制、空气温度检测和控制等。

我们利用单片机，完成一个完整的温度测控系统，包括：

温度采集、温度控制策略、工作点温度限设定、实时监测温度的变化情况并显示、存储相关数据、报警输出等。

该温度监控系统的工作原理为：

所测量的温度信号直接通过数字温度传感器检测到温度后，送到单片机中，单片机把检测的温度同串口设定的温度进行比较，并显示在显示器上，再由单片机根据控制策略给出控制量，然后将控制量送驱动电路、去驱动电源装置，从而构成温度控制系统。

硬件部分内容分为：

单片机应用系统架构的设计、信号输入模块的设计（包括温度传感器选择及应用）、串口电路的设计、监控显示电路的设计、报警电路的设计、控制算法的选择、控制量的输出模块设计（包括信号的隔离、放大及输出）。

系统结构框图如下图所示。

图1-1系统结构方框图

在本次设计中,我们选用单片机AT89C51作为主机芯片，抗干扰监控电路采用的MAX1232芯片,报警电路主要采用的是发光二极管,显示器采用的是74LS47驱动的3位数码管显示,数字温度传感器采用的是DS18B20。

在本论文中主要阐述了温度采集模块，显示模块，控制隔离模块的设计。

1.2系统的控制回路设计

温度控制采用PID单回路控制经行调节，比例积分微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果。

在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。

因此，PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。

对系统而言，单回路控制是一种有效的控制方法，它的结构框图如下：

图1-2单回路控制图

本系统单回路控制的原理：

温度控制系统用温度传感器获取所测温度值，根据温度给定值和稳定测量值的偏差，经过PID运算来处理相应的调节控制量，从而达到温度控制的目的。

1.3硬件设计概述

系统包括主控芯片、数字温度传感器、串口通信模块、抗干扰监控模块、报警模块、控制隔离量输出模块等。

温度监控系统总原理图如下:

图1-3温度监控系统总原理图

下面我们对主控芯片AT89C51做一下简略介绍：

AT89C51是由北京集成电路设计中心在MCS-51基础上精心设计，由美国生产的高性能八位单片机。

它是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4K字节的在线可重复编程快擦快写程序内存，能重复写入/擦除10000次，数据保存时间为十年。

它与MCS-51系列单片机在指令系统上完全兼容，不仅可完全替代MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。

AT89C51无需外扩程序内存和数据存储器，就可构成真正的单片机最小应用系统，从而缩小系统的体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。

只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。

可用5V电压编程，而且擦写时间仅需l0ms，仅为8751/87C51擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写时间相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不必拨下芯片，适合许多嵌入式控制领域。

工作电压范围2.7～6V,全静态工作，工作频率宽，在6MHz～24MHz，比8751/87C51等51系列的6MHz～24MHz更具有灵活性，系统能快能慢。

AT89C51单片机的封装管脚排列如图1-3所示：

图1-3AT89C51管脚图

在本设计中P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.5、P2.6及P2.7口用作与芯片（74LS47）和数码管片选的连接，其中P2.0～P2.3口用于输出串行数据，P2.5～P2.6口用于数码管的片选，P1.0口和P1.1口用于报警电路的连接，P1.2口用于数字温度传感器DS18B20的连接。

P2.7口用于监控电路的监控信号的输出，如P2.7口的输出信号显示出不正常的情况，监控电路通过RESET引脚对AT89C51进行复位，P0.0口主要用于控制隔离量输出模块。

本设计中所采用的是6MHz的外部晶振。

其中部分用于控制信号线的端口功能如下：

·RST---复位输入信号,高电平有效.在振荡器稳定工作时,在RST脚施加两个机器周期（即24个晶振周期）以上的高电平,将器件复位。

·EA/Vpp---外部程序内存访问允许信号EA。

当EA信号接地时，对ROM的读操作限定在外部程序内存，地址为0000HFFFFH；当EA接VCC时，对ROM的读操作从内部程序内存开始，并可延续至外部程序内存。

在编程时，该引脚可接编程电压。

在编程校验时，该引脚可接VCC。

·PSEN---片外程序内存读选通信号PSEN，低电平有效。

在片外程序内存取指期间，当PSEN有效时，程序内存的内容被送至P0；在访问外部RAM时，PSEN无效。

·ALE/PROG---低字节地址锁存信号ALE。

在系统扩展时，ALE的下降沿将P0口输出的低8位地址锁存器中，以实现低字节地址和数据的分时传送。

此外，ALE端连续输出正脉冲，频率为晶振频率的1/6，可用作外部定时脉冲使用，但要注意，每次访问外RAM时要丢失一个ALE脉冲。

在编程期间，该引脚输入编程脉冲（PROG）。

2温度采集模块

2.1温度传感器DS18B20简介

本次设计中我们采用了单线数字温度传感器DS18B20，新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济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。

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。

DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同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。

DS1822的精度较差为±2°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。

DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。

省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。

继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。

DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

　　DS18B20的内部结构

　　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、配置寄存器。

DS18B20的管脚排列如下:

　　DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

　　光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

　　DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

　　这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

　　例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

　　DS18B20温度传感器的存储器

　　DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

　　暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。

第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。

第六、七、八个字节用于内部计算。

第九个字节是冗余检验字节。

　　该字节各位的意义如下：

　　TMR1R011111

　　低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。

在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。

R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：

（DS18B20出厂时被设置为12位）

　　分辨率设置表:

　　R1R0分辨率温度最大转换时间

　　009位93.75ms

　　0110位187.5ms

　　1011位375ms

　　1112位750ms

　　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：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，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16～60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。

　　DS1820使用中注意事项

　　DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。

（2）在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。

当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

　　（3）连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。

试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。

当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。

这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。

因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

　　（4）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。

这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

2.2输入接口电路

图2-1数字输入部分电路图

3系统显示模块

在单片机系统中常用的显示器有：

发光二极管显示器简称LED（LightEmittingDiode、液晶显示器简称LCD（LiquidCrystalDisplay）、荧光管显示器，三种显示器中以荧光管显示亮度最高，发光二极管次之，而液晶显示器最弱为被动显示器，必须有外光源，下面主要介绍LED显示器。

3.1LED简介

3.1.1LED显示器的结构及原理

LED显示器是发光二极管显示字段组成的，由于制造材料不同，可相应发出红、黄、兰、紫等各种单色光。

发光的二极管可以有多种组成形式，其中七段显示器应用最多，其次为“米”字型显示器，根据显示块内部发光二极管的连接方式不同，又有共阳极和共阴极两种形式，如图3-1所示：

图3-17段LED原理图

由于发光二极管通常需要十几毫安到几十毫安的驱动电流才能正常发光，因此，由微型机发出的显示控制信号必须经过驱动才能使显示器正常工作，现在已经生产出集成电路驱动器，以及带有译码功能的多功能芯片（如74LS47），采用这类的芯片，可以同时完成BCD码-七段数码管显示模型的转换和电流驱动工作，使用起来很方便。

3.1.2LED数码管的显示方法

在微型机控制系统中，常用显示方法有两种，一种为动态显示，一种为静态显示。

（1）动态显示

动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示。

但是由于人们视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。

如许多单片机的开发系统及仿真器上的六位显示器都采用这类显示方法。

这种显示的优点是使用硬件少，因而价格底，但它占用机时长，只要微型机不执行显示程序，就立刻停止显示。

由此可见，这种显示将使计算机的开销太大，所以，在以工业控制为主的微型机控制系统中应用较少。

（2）静态显示

静态显示，是微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。

这种显示占用机时少，显示可靠，因而在工业过程控制中得到了广泛的应用。

这种显示方法的缺点是使用组件多，且线路比较复杂，因而成本比较高，但是，随着大规模集成电路的发展，目前已经研制出具有多功能的显示器件，例如锁存器、译码器、驱动器、显示器四位一体的显示器件，用起来比较方便。

综上所述，静态显示电路的最大优点就是只要不发送新的数据，则显示值不变，且微型机不用像动态显示那样不间断地扫描，因而节省了大量机时，适用于工业过程控制及智能化仪器中，所以我们这次设计采用的是静态显示。

3.2LED显示驱动器芯片74LS47

74LS47是一个7段码数码管的驱动芯片，它是低电平有效,驱动共阳极的数码管,通过它译码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字，从而简化了程序，节约了单片机的I/O开销，因此是一个非常好的芯片！

74LS47管脚图如图3-2所示：

图3-274LS47管脚图

下面我们介绍一下各个管脚的功能:

（1）

：

试灯输入，

时各笔划段全亮，显示字型“8”则该数码管正常发光.,平时应置

为高电平。

（2）

：

灭零输入，设置此信号目的是为了能把不希望显示的零熄灭，例如有一个8位数码显示电路，整数部分为5位，小数部分为3位，在显示13.7这个数时将呈现00013.700字样。

如果将前，后多余的零熄灭，则显示结果将更加醒目。

（3）

：

作输入时为灭灯输入，

=0时各笔划段全灭。

（4）A、B、C、D（D为最高位）输入二进制代码。

（5）

：

作为输出端使用时为动态灭灯输出，当动态灭灯输入

=0，

且DCBA=0000时，

=0，使所有笔划段全部熄灭。

（6）a、b、c、d、e、f、g为各笔划段控制端，低电平输出有效，需配共阳极数码管，数码管外形图如图3-3所示：

图3-3数码管外形及管脚图

3.3显示接口电路

图3-4显示接口电路图

三个数码管并联，数码管的a、b、c、d、e、f、g端分别与74LS47的13、12、11、10、9、15、14（即a、b、c、d、e、f、g端）引脚相接3、4、5、16引脚（即

、

、

、VCC端）分别接入高电平5V,GND接地,7、1、2、6引脚（即A、B、C、D端）接入单片机的P2.0～P2.3，数码管的B5、B6、B7端口分别接入单片机的P2.5～P2.7口，其中数码管B5、B6、B7分别用于个位、十位、百位的显示。

4控制量隔离输出模块

4.1光电隔离技术

在开关控制量中，最常用的器件是光电隔离器，光电隔离器的种类繁多，常用的有发光二极管/光敏三极管，发光二极管/光敏复合晶体管、发光二极管/光敏电阻以及发光二极管/光触发可控硅等。

其原理电路如图4-1所示。

图4-1光电隔离器原理图

在图4-1中，光电隔离器由Ca