数显温度控制仪的设计毕业设计.docx

数显温度控制仪的设计毕业设计.docx

《数显温度控制仪的设计毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数显温度控制仪的设计毕业设计.docx（59页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

数显温度控制仪的设计毕业设计

四川理工学院

毕业设计（论文）说明书

题目：

数显温度控制仪的设计

系别：

电子与信息工程系

专业班级：

电气工程及其自动化

学生姓名：

XXXXX

指导教师：

XXXXX

教研室：

电气教研室

提交时间：

2007年6月22日

摘要

单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。

单片机由于其微小的体积和极低的成本，广泛的应用于家用电器、工业控制等领域中。

在工业生产中，电流、电压、温度、压力和流量也都是常用的被控参数。

本论文介绍了基于单片机的温度控制系统的硬件设计和软件开发的过程。

本系统由DALLAS出品的新型单路串行数字式温度传感器DS18B20完成温度测量；采用AT89C51单片机作为系统的控制芯片，完成温度值接收、转换、分析、判断阈值、输出功能、报警处理。

整个系统具有集成度高、可靠性强、抗干扰性强（串行通信特点）、鲁棒性强、可扩展性强、体积小、功耗低等特点。

具有测温、上限报警、下限报警、温度控制及显示功能。

关键词：

DS18B20  单片机  显示  报警

ABSTRACT

ThedevelopmentandapplicationofMCU（MicroControlUnit）havemadeagreatchangeinmanyfieldsofmodernindustrialdetectionandcontrol.Becauseofthesmallscale,lowpriceandhighefficiencyofMCU,itiswidelyusedinhomeappliancesandindustrialcontrol.Intheprocessofproducing、current、voltage、temperatureandpressureareusuallytheparameterstobemonitored.

ThispapermainlyincludestheintroductionofAT89C51andthegeneralchipswhichareusedinthesystem,thedesignofhardwareandsoftware.Inthesystem,Onewiredigitalthermometer,DS18B20,isusedtomeasuretemperatureandoutputthetemperaturesignalintoAT89C51,thenAT89C51fulfillthefunctions,suchasreceivingthetemperaturesignal,conversion,judgethethresholdandalarm.Thewholesystemhasmanyfeatures,highintegration,strongreliability,anti-jamming（thecharacterofserialcommunication）,robust,expansibilityandlowpowerconsumption.Thissystemcanmeasuretemperature,displayitandalarmwhentemperatureoverupperlimitorlowerlimit,inthemeanwhile,AT89C51outputsignaltotriggertheequipmentwhichcanregulatetemperature.

Keywords:

DS18B20  singlechip  display  alarm    

摘要..............................................................................................................................Ⅰ

ABSTRACT.................................................................................................................Ⅱ

第1章概述.................................................................................................................1

第2章任务与要求.....................................................................................................2

第3章方案设计.........................................................................................................3

第4章单片机AT89C51的结构和原理....................................................................5

4.1AT89C51单片机的结构.................................................................................5

4.2引脚功能说明................................................................................................6

4.3AT89C51存储器…….....................................................................................9

4.4复位及其复位电路.......................................................................................11

第5章DS18B20智能温度控制器的介绍...............................................................12

5.1DS18B20的内部结构...................................................................................13

5.2DS18B20温度传感器的存储器...................................................................16

5.3DS18B20的操作命令...................................................................................17

5.4DS18B20的测温原理...................................................................................19

5.5DS18B20使用中注意事项...........................................................................20

第6章温度控制仪的硬件设计................................................................................21

6.1硬件结构框图...............................................................................................21

6.2Protel99设计原理图.....................................................................................22

6.3各部件电路介绍...........................................................................................25

第7章温度控制仪的软件设计................................................................................28

7.1程序模块设计................................................................................................28

7.2软件流程图...................................................................................................29

第8章硬件电路板的制作步骤................................................................................33

第9章结束语............................................................................................................35

谢辞..............................................................................................................................37

参考文献......................................................................................................................38

附录..............................................................................................................................39

第1章概述

电子技术的飞速发展，给人类生活带来了根本的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现的微型计算机，更是将人类社会带入了一个新的时代。

利用微机的强大功能，人们可以完成各种各样的控制。

然而，微机的造价高，对于大多数的工业控制来说，并不需要微机那样强大的功能，于是单片机就应运而生了。

单片机其实是一个简化的微机，将微机的CPU、存储器、I/O接口、定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机，它主要用来完成各种控制功能。

相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单的控制场合以降低成本。

另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可在工业现场复杂的环境下运行。

单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业控制、数据采集、智能化仪表、家用电器等方面得到极为广泛的应用。

在现代工业设计，工程建设及日常生活中基于单片机的温度控制仪都起着重要的作用，早期的温度控制仪主要用于工厂生产中，起到实时采集温度数据，提高生产效率、产品质量之用。

随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制仪不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，以及家庭生活中。

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显示温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，温度控制仪就可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时的反映生产、生活中温度的变化，使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化的情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制仪更好的服务于社会生产、生活。

第2章任务与要求

一、设计任务

以温度传感器作为系统的检测元件，采用单片机作为系统的控制芯片，完成温度值接受、转换、分析、判断阀值、信号输出、报警处理。

整个系统具有测量温度、上限报警、下限报警、温度控制及数码显示功能。

不须设计具体的加热及降温电路，只需检测向外围设备输出的温度控制信号是否存在即可。

二、主要内容及基本要求

1）利用温度传感器检测温度，将非电信号转换成电信号；

2）利用单片机收集处理数据，并向外围设备输出控制信号；

3）采用LED实时显示被控温度及设定温度；

4）论文条理清楚、通顺，论述要求充实，符合技术用语要求，符号统一；编号齐全，书写工整，图文清晰；

5）翻译相关外文文献。

第3章方案设计

数显温度控制仪，是利用单片机作为系统的主控制器，根据温度传感器测得的温度值，由软件查询判断上下阀值是否达到（阀值由编程设定）。

如果超过温度上限，启动风扇用以降低温度使温度值返回到阀值以下；如果温度值达到下限阀值，则启动加热炉用以增加温度使温度值返回阀值以上。

风扇和加热炉的启动与关闭，利用单片机管脚电平的高低分别控制。

考虑到本次数显温度控制仪的控制对象是室温，温度检测和调整范围只需为0—99℃，温度控制的精度只需为1℃即可满足设计要求。

根据这些指标可选用数字式温度传感器DS18B20作为系统的检测元件，单片机则选择通用性较好的AT89C51作为系统的主控芯片，再增加LED数码管显示电路、加热及降温电路、过温报警等辅助电路，通过软件程序设计来实现人机对话功能，即可实现对室内的温度控制。

而本设计不须设计具体的加热及降温电路，只需检测向外围设备输出的温度控制信号是否存在即可，所以分别用发光二极管和蜂鸣器模拟代替。

根据系统要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。

整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。

分析硬件电路主要包括：

电源电路部分，键盘输入部分，温度采集电路部分，过温报警电路部分，LED显示电路部分，加热及降温电路部分，AT89C51单片机部分。

这些可用一个方框图来表示，如图1-1所示。

图1.1温度控制系统方框图

从方框图上我们可以看出，整个系统主要划分为控制电路部分、加热及降温电路部分和测量电路三个部分。

控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号，发出相应的指令来控制相关执行电路，是系统的核心。

AT89C51对温度的控制是通过加热及降温电路部分实现的，只要改变加热或者降温电路接通的时间便可改变升温或者降温的幅度，从而达到调节温度的目的。

而加热电路或者降温电路的接通时间可以通过在P10和P12引脚上产生的触发脉冲控制，该出发脉冲由AT89C51用软件产生。

加热及降温电路用来实现对系统的升温或者降温。

当温度没有达到要求，电路利用在P10和P12引脚上产生触发脉冲的高低分别决定加热或者降温电路的接通与断开。

不过此次设计中没有对加热和降温的具体电路作出要求，我们就用蜂鸣器和发光二极管分别代替，检测其控制输出信号是否存在即可。

测量电路的功能是将测量到的温度信号送入单片机中进行处理，它的核心元件是智能温度传感器DS18B20。

与传统的热敏电阻相比，DS18B20不需要A/D转换器件和进行误差校正，而且分辨率更高，转换时间更快，稳定性更好。

软件程序主要由管理程序和控制程序组成，是设计的核心部分。

其中管理程序是对显示LED进行动态刷新，控制指示灯，处理键盘的扫和响应，执行中断服务程序等。

控制程序是用来对被控的对象进行采样，数据处理，根据温度控制要求进行计算和输出。

整篇论文的主要内容包括：

单片机AT89C51的结构和原理、DS18B20智能温度控制器的介绍、温度控制仪的硬件设计和软件设计、硬件电路板的制作步骤等。

第4章单片机AT89C51的结构和原理

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案

。

本章通过介绍AT89C51单片机内部硬件结构、引脚功能、储存器和其复位电路等基础知识，使大家对89系列单片机的各种应用特性有较全面的了解，进一步理解本设计的原理。

§4.1　AT89C51单片机的结构

AT89系列单片机在结构上基本相同，只是在个别模块和功能上有些区别，图4.1是AT89C51单片机的内部结构方框图。

它包含了作为微型计算机所需的基本功能部件，而各部分功能部件通过片内单一总线连成一个整体，集成在一块芯片上。

图4.1AT89C51单片机的内部结构

由图4.1可知，AT89C51单片机主要由中央处理器（CPU）、存储器、I/O端口、定时器/计数器、中断系统和内部总线等组成。

主要特性有：

•与MCS-51兼容

•4K字节可编程闪烁存储器

•寿命：

1000写/擦循环

•数据保留时间：

10年

•全静态工作：

0Hz-24Hz

•三级程序存储器锁定

•128*8位内部RAM

•32条可编程I/O线

•两个16位定时器/计数器

•5个中断源

•可编程串行通道

•低功耗的闲置和掉电模式

•片内振荡器和时钟电路

§4.2引脚功能说明

本系统选用的89C51芯片有40条引脚，与其他51系列单片机引脚是兼容的。

这40条引脚可分为I/O端口线、电源线、控制线、外接晶体线四部分。

其双列直插封装形式如图4.2所示。

图4.2AT89C51双列直插式封装和引脚分配图

一.管脚说明：

VCC：

供电电压。

  GND：

接地。

  P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

  P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

  P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

  P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

端口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置“0”。

此时，ALE只有在执行MOVX、MOVC指令时ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次

有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的

信号将不出现。

/VPP：

当

保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，

将内部锁定为RESET；当

端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

  XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

 XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

二、振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

其余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度

。

三、芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行

。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

§4.3AT89C51存储器

AT89C51单片机存储器结构采用哈佛型结构，即将程序存储器和数据存储器分开，它们有各自独立的存储空间、寻址机构和寻址