基于51单片机的温度控制系统.doc
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毕业论文设计
基于51单片机的温度控制系统
摘要
在日常生活中温度在我们身边无时不在，温度的控制和应用在各个领域都有重要的作用。
很多行业中都有大量的用电加热设备，和温度控制设备，如用于报警的温度自动报警系统，热处理的加热炉，用于融化金属的坩锅电阻炉及各种不同用途的温度箱等，这些都采用单片机技术，利用单片机语言程序对它们进行控制。
而单片机技术具有控制和操作使用方便、结构简单便于修改和维护、灵活性大且具有一定的智能性等特点，可以精确的控
制技术标准，提高了温控指标，也大大的提高了产品的质量和性能。
由于单片机技术的优点突出，智能化温度控制技术正被广泛地采用。
本文介绍了基于单片机AT89C51的温度控制系统的设计方案与软硬件实现。
采用温度传感器DS18B20采集温度数据，7段数码管显示温度数据，按键设置温度上下限，当温度低于设定的下限时，点亮绿色发光二极管，当温度高于设定的上限时，点亮红色发光二极管。
给出了系统总体框架、程序流程图和Protel原理图，并在硬件平台上实现了所设计功能。
关键词：
单片机温度控制系统温度传感器
Abstract
Indailylife,thetemperatureinoursidetheever-present,thecontrolofthetemperatureandtheapplicationinvariousfieldsallhaveimportantrole.Manyindustrytherearealargenumberofelectricheatingequipment,andthetemperaturecontrolequipment,suchasusedforalarmautomatictemperaturealarmsystems,heattreatmentfurnace,usedtomeltmetalcrucibleresistancefurnace,andallkindsofdifferentUSESoftemperatureboxandsoon,theseusingsinglechipmicrocomputer,usingsinglechipcomputerlanguageprogramtocontrolthem.Andsingle-chipmicrocomputertechnologyhascontrolandconvenientinoperation,easytomodifyandmaintenanceofsimplestructure,flexibilityislargeandhassomeoftheintelligenceandothercharacteristics,wecanaccuratelycontroltechnologystandardtoimprovethetemperaturecontrolindex,alsogreatlyimprovethequalityoftheproductsandperformance.Becauseoftheadvantagesofthesinglechipmicrocomputerintelligenttemperaturecontroltechnologyoutstanding,isbeingwidelyadopted.
ThispaperintroducesthetemperaturecontrolbasedonsinglechipmicrocomputerAT89C51designschemeofthesystemandthehardwareandsoftwareimplementation.ThetemperaturesensorDS18B20collectiontemperaturedata,7periodofdigitalpipedisplay,theupperandlowerlimitsoftemperaturebuttonwhentemperaturebelowthesettingofthelowerlimit,lightgreenleds,whenthetemperatureishigherthanthesetonthelimit,lightredleds.Giventhesystemframeworkandprogramflowchartandprinciplechart,andinProtelhardwareplatformtorealizethefunctionofthedesign.
Keywords：
SCMTemperaturecontrolsystemTemperaturesensors
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章前言 1
1.1温度控制系统设计发展历史及意义 1
1.2温度控制系统的目的 1
1.3温度控制系统完成的功能 1
第二章总体设计方案 2
2.1方案一 2
2.2方案二 2
3.1DS18B20简介 5
3.1.1DS18B20封装与引脚 5
3.1.2DS18B20的简单性能 5
3.2DS18B20的工作原理 5
3.3DS18B20的测温原理 6
3.3.1测温原理:
6
3.3.2DS18B20的温度采集过程 9
第四章单片机接口设计 10
4.1设计原则 10
4.2单片机引脚连接 10
4.2.1单片机引脚图 10
4.2.2串口引脚 11
第五章硬件电路设计 12
5.1主要硬件电路设计 12
5.2软件系统设计 15
5.2.1软件系统设计 15
5.2.2程序组成 16
结束语 20
致谢 21
附录 22
参考文献 34
36
第一章前言
1.1温度控制系统设计发展历史及意义
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。
这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。
传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。
控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。
而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。
数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。
由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。
更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。
1.2温度控制系统的目的
温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。
而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。
针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度监测和控制系统，实现对温度的实时检测，具有提醒和控制的功能，本设计的内容是温度测试控制系统，控制对象是温度。
它的特点在于应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。
1.3温度控制系统完成的功能
本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：
此设计中温度恒定值设置为60℃，上下跳转温度为1℃，设计精度值为0.1。
当温度低于设定下限温度即59℃时，绿灯亮，报警提醒需要外界的加热措施。
当温度上升到上限温度时，停止加温，红灯亮保持温度。
当温度高于设定上限温度即61℃时，红灯亮，需要外界采取降温措施（本设计中没有附加外界的加热和降温措施）。
当温度下降到恒温度时，停止降温。
温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。
第二章总体设计方案
2.1方案一
利用温度传感器将温度测出，通过某种电信号传给外部电路产生一种变化，然后由外部电路控制装置的开启。
测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的传感器件利用其感温效应，（如电阻随温度的变化有一个变化的曲线，即利用它的变化特性曲线）温度的变化使得电阻发生了变化根据欧姆定律，电阻的变化会带来电流或这电压的变化。
再将随被测温度变化的电压或电流采集过来，然后进行模拟信号换成数字信号（A/D）转换，将数字信号送入单片机，用单片机进行数据的处理，将温度显示在电路上，这样就可以将被测温度显示出来。
最后还有外围的控制电路，采取一定的措施来控制产生温度的电路，如加温、降温、保持不动、或者报警。
这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
设计流程图如图2.1
传感器温度检测电路
A/D转换电路
单片机处理电路
显示和控制温度
图2.1设计流程图
2.2方案二
利用温度传感器芯片直接将温度数据测出，之后通过单片机程序控制温度的上、下限值，用外部电路产生显示和控制加热和降，来达到设计的要求。
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。
比较以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计容易实现，故实际设计中拟采用方案二。
在设计中温度的控制流程如图2.2所示。
开始
初始化DS18B20
显示当前温度
红灯亮
设定温度恒定值
绿灯亮
判断当前温度值
超过设定
温度上限
低于设定
温度下限
图2.2温度控制整体流程
在本系统的总体电路设计方框图如图2.3所示，它由五部分组成:
单片机AT89C51控制部分；DS18B20温度传感器采集部分；3位LED数码管显示部分；按键调节部分；二极管报警部分。
DS18B20温度采集电路
LED显示电路
二极管显示报警电路
AT89C51
单片机控制电路
按键调节电路
图2.3温度计电路总体设计方案
整个设计总体分为以下几个部分：
控制部分、显示部分、温度采集部分、按键控制部分。
1、控制部分
由单片机AT89C51芯片在程序控制和外围简单组合电路作用下运行，和控制温度的上、下限，和LED的温度显示。
控制发光二级管的亮灭，起到提醒报警功能。
2、显示部分
显示电路采用3位7断共阳LED数码管，从P3口送数，P0口扫描。
有两部分显示电路，第一是显示DS18B20温度传感器所检测的当前温度，第二是设定恒定的温度值。
3、温度采集部分
由DS18B20智能温度传感器直接采集被测温度。
4、按键控制部分
由三个按键控制调节，用来调节温度的恒定限值，起到预设调节作用。
第三章温度传感器DS18B20
3.1DS18B20简介
3.1.1DS18B20封装与引脚
DS18B20封装与引脚如图3.1
图3.1DS18B20的封装与引脚
3.1.2DS18B20的简单性能
1、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。
2、测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。
3、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。
4、工作电源:
3~5V/DC。
5、在使用中不需要任何外围元件。
6、测量结果以9~12位数字量方式串行传送。
7、不锈钢保护管直径Φ6。
8、适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。
9、标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选。
10、PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。
3.2DS18B20的工作原理
DS18B20内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。
高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。
初始时，温度寄存器被预置成-55℃，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1℃，这个过程重复进行，直到计数器2计数到0时便停止。
初始时，计数器1预置的是与-55℃相对应的一个预置值。
以后计数器1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。
为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。
计数器1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加1℃计数器所需要的计数个数。
DS18B20内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。
在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25℃进行比较，若低于0.25℃，温度寄存器的最低位就置0；若高于0.25℃，最低位就置1；若高于0.75℃时，温度寄存器的最低位就进位然后置0。
这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最后位代表0.5℃，四舍五入最大量化误差为±1/2LSB，即0.25℃。
温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位，其余8位以二进制补码形式表示温度值。
测温结束时，这9位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节，8位温度数据占据第二字节。
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。
DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。
当计数门打开时，DS18B20进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。
芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿，测量结果存入温度寄存器中。
一般情况下的温度值应该为9位，但因符号位扩展成高8位，所以最后以16位补码形式读出。
DS18B20工作过程一般遵循以下协议：
初始化——ROM操作命令——存储器操作命令——处理数据。
3.3DS18B20的测温原理
3.3.1测温原理
每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。
主机在进入操作程序前必须用读ROM（33H）命令将该DSl8B20的序列号读出。
ROM命令代码见表3.1。
程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。
DS18B20的测温原理，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，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，还隐含着计数门，当计数门打开时，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。
计数门的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。
图3.2中的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。
表3.1ROM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。
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”
计数器
斜率累加器
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3.2测温原理内部装置
3.3.2DS18B20的温度采集过程
由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要，系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。
操作协议为：
初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
温度的采集流程如图3.3所示。
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3.3DS18B20测温流程
第四章单片机接口设计
4.1设计原则
DS18B20有2种供电方式，一种是直流电源，还有一种是寄生虫方式供电。
采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。
电源是利用直流稳压电源。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。
采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。
由于单线制只有一根线，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：
l初始化；
lROM操作指令；
l存储器操作指令。
4.2单片机引脚连接
4.2.1单片机引脚图
单片机引脚如图4.1所示。
图4.1单片机引脚
4.2.2串口引脚
串口引脚的连接图如附录1。
第五章硬件电路设计
5.1主要硬件电路设计
硬件电路主要包括：
显示电路，DS18B20温度传感器检测电路，按键电路，晶振电路，二极管显示报警电路，电源电路。
（1）显示电路
显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路，通过单片机的P0.0到P0.7八个端口接数码管的八个引脚，数码管的9号引脚接地。
用来显示当前检测的温度值，精确度为0.1。
如图5.1所示。
节约了单片机的输出端口，便于程序的编写。
本设计中还有一组数码管由P2.0到P2.7连接，除接口不同外其他一样，如图5.2。
图5.1显示测量结果电路图
图5.2显示限定温度电路
（2）DS18B20温度传感器检测电路
温度采集通过数字化的温度传感器DS18B20，通过QD接向单片机的P3.0口。
DS18B20温度传感器电路如图5.3所示。
图5.3温度传感器电路引脚图
（3）按键电路
按键电路如图5.4所示。
由K2、K3、K4三个按键控制上、下限温度值。
P3.1接口接K4按键。
P3.2接口接入K3按键。
P3.3接口接K2按键。
1.K2温度上下限减少键：
减少温度上下限的值。
2.K3温度上下限增加键：
增加温度上下限的值。
3.K4温控开关键：
进入温控的切换键。
图5.4按键电路图
（4）晶振控制电路
晶振采用的是12MHZ的标准晶振。
接入单片机的XTAL1、XTAL2。
晶振控制电路如图5.5所示。
图5.5晶振控制电路图
（5）复位电路
复位电路采用了人工复位的方式，按下按键K1使单片机复位。
直接接到单片机的RESET引脚。
复位电路如图5.6所示
图5.6复位电路图
（6）二极管显示报警电路
二极管显示报警电路如图5.7所示。
通过单片机的P3.4和P3.5两个端口送出，采用的是高电平驱动，使其发光发出警告。
图5.7二极管显示电路
（8）电源部分
电源部分才用的是直流稳压电源，产生5V的稳定直流电压。
电源设计部分如图5.8所示。
图5.8电源部分电路
5.2软件系统设计
5.2.1软件系统设计
一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。
同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。
甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。
因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用与C51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。
程序设计语言有三种：
机器语言、汇编语言和高级语言。
机器语言是机器唯一能“懂”的语言，用汇编语言或高级语言编写的程序（称为源程序）最终都必须翻译成机器语言的程序（成为目标程序），计算机才能“看懂”，然后逐一执行。
高级语言是面向问题和计算过程的语言，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流，但是本系统却选用了汇编语言。
原因在于，本系统是编制程序工作量不大、规模较小的单片机微控制系统，使用汇编语言可以不用像高级语言那样占用较多的存储空间，适合于存储容量较小的系统。
同时，本系统对位处理要求很高，需要解决大量的逻辑控制问题。
51指令系统的指令长度较短，它在存储空
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