基于单片机的温度控制系统的设计与实现.docx
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基于单片机的温度控制系统的设计与实现
河南科技学院
2010届本科毕业设计
设计题目：
基于单片机的温度控制系统的设计与实现
学生姓名：
所在院系：
所学专业：
导师姓名：
完成时间：
2011-05-25
摘要
本论文介绍了一种以AT公司的89S52单片机为主要控制元件，通过DALLAS公司的DS18S20温度传感器测温的新型数字温度计。
主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计。
硬件电路主要包括主控制器，测温电路和显示电路等，主控制器采用单片机AT89S52，温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18S20，显示电路采用4位共阳极LED数码管以动态扫描法直读显示。
系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度处理子程序，报警子程序，报警温度值设定子程序，LED显示子程序等。
此外，还介绍了系统的测试。
本数字温度计设计采用美国DALLAS半导体公司推出的一种智能温度传感器DS18S20作为检测元件，测温范围为-55～125℃，最大分辨率可达0.0625℃。
主控制器采用单片机AT89S52，其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、A/D、PWM等。
显示电路采用4位共阳极LED数码管，从P0口输出段码，列扫描用P2口来实现。
由于采用了改进型智能温度传感器DS18S20作为检测元件，与传统的温度计相比，本数字温度计减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
DS18S20温度计还可以在高温报警、远距离多点测温控制等方面进行应用开发，具有很好的发展前景。
关键词单片机主控制器温度传感器显示电路数字温度计
DesignandImplementationofTemperatureControlSystemBasedonSingleChipMicrocontroller
Abstract
ThisthesisintroducesasortofcontrollerbasesontheprincipleofMCU,anewtypeofdigitalthermometerbasesontemperaturesensorDS18S20.Thisthesismainlycontainshardwarecircuitdesignandsystemprogramdesign.Hardwarecircuitmainlycontainsmastercontroller,temperaturedetectioncircuitanddisplaycircuit,etc.mastercontrollerusesAT89S52,temperaturesensorusesDS18S20,whichisproducedbyDALLASsemiconductorcompany,USA.Displaycircuituses4bitcommoncathodeLEDnixietube,itcandirectlyreadtheresultbydynamicscanning.Systemprogrammainlycontainsmainprogram,readtemperaturesubprogram,temperaturetreatmentsubprogram,LEDdisplaysubprogram,etc.Inaddition,italsointroducessystemtest.
ThisdigitalthermometerdesignusesasortofintelligenttemperaturesensorDS18S20,whichisproducedbyDALLASsemiconductorcompany,USA,asadetectingelement,temperaturemeasuringrangeis-55℃～125℃，themaximumresolutionis0.0625℃.MastercontrollerusesAT89S52MCU,itishighlyintegrated,it’sinternalresourceisplentiful,it’sinterfacemodulecontainsSPI、SCI、A/D、PWM,etc.Displaycircuituses4bitcommoncathodeLEDnixietube,it’ssegmentcodeoutputfromP0,It’scolumnscanisrealizedbyP2.
ByreasonofusingsecondgenerationintelligenttemperaturesensorDS18S20asdetectingelement,comparedwithtraditionalthermometer,thisdigitalthermometerdecreasedexternalhardwarecircuit,hasthefeatureoflowcostandinaccessible.DS18S20thermometercanalsobeusedinhightemperaturealert,distantmultipointtemperaturedetection,etc,andhasabrightfuturedevelopment.
Keywords:
MCUMastercontrollerTemperaturesensorDisplaycircuitDigitalthermometer
目 录
1.绪论
随着科学技术日益迅速的发展，数字监控系统已经深入到生活的各个方面。
数字温度计作为数字监控系统的重要组成部分发挥着极其重要的作用。
它克服了接触式温度计对传感器的耐热性能要求比较苛刻的缺点，使温度计无论在使用范围还是测量精度上都有了长足的进步。
本设计就是在这种广阔的应用背景下应运而生的。
下面就本设计的设计目标和思路进行简单介绍。
1.1方案一：
热敏电阻
由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
如下图：
图1热敏电阻
1.2方案二：
控制内核不用单片机，用DSP
选定了温度传感器之后，再来考虑它的控制内核，因为数字温度计的设计并不复杂，单片机完全可以处理的了，DSP是比较高端的控制内核应用成本相对较高，所以选用单片机是即经济又实惠的选择。
1.3方案三：
温度传感器DS18B20
进而考虑到用温度传感器，在设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。
从以上三种方案，很容易看出，采用方案三，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案三。
2.系统设计
2.1系统功能
本系统利用单片机采集温度，温度值精确到小数点一位，用4位数码管显示温度值，设置三个按键调整报警温度值，当温度超出所设定的上下限范围时，蜂鸣器开始报警。
2.2系统框图
图2总体设计方框图
2.3单片机的介绍
40个引脚，4kbytesflash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（ram），32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。
AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。
该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。
片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。
通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。
它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。
其结构框图如图3.1所示。
图3AT89S52结构框图
图4AT89S52
此外，AT89S52设计和配置了震荡频率可为12MHZ并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，cpu暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
主要功能特性：
·兼容mcs-51指令系统
·4k可反复擦写（>1000次）ispflashrom
·32个双向i/o口
·4.5-5.5v工作电压
·2个16位可编程定时/计数器
·时钟频率0-33mhz
·全双工uart串行中断口线
·128x8bit内部ram
·2个外部中断源
·低功耗空闲和省电模式
·中断唤醒省电模式
·3级加密位
·看门狗（wdt）电路
·软件设置空闲和省电功能
·灵活的isp字节和分页编程
·双数据寄存器指针
按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。
1.多功能I/O口
AT89S52共有四个8位的并行I/O口：
P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7，共32根I/O线。
每根线可以单独用作输入或输出。
①P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。
当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。
当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。
在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。
②P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。
另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表3.1所示。
表1 P1口管脚复用功能
端口引脚
复用功能
P1.0
T2（定时器/计算器2的外部输入端）
P1.1
T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）
P1.5
MOSI（用于在线编程）
P1.6
MISO（用于在线编程）
P1.7
SCK（用于在线编程）
③P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。
P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。
④P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。
P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表3.2所列。
在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。
表2P3端口引脚与复用功能表
端口引脚
复用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
2.RST 复位输入端。
在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。
看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。
在SFRAUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。
DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。
3.ALE/PROG 地址锁存允许信号。
在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。
在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。
一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。
但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。
在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。
在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。
4.PSEN 程序存储器允许信号。
它用于读外部程序存储器。
当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。
在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。
5.EA/Vpp 外部存取允许信号。
为了确保单片机从地址为0000H～FFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。
但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。
当执行内部程序时，EA应接到Vcc。
在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压Vpp。
6.XTAL1 振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。
7.XTAL2 振荡器的反相放大器输出。
2.4DS18B20的介绍
2.4.1DS18B20的介绍
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度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现９～１２位的数字值读数方式。
TO－92封装的DS18B20的引脚排列见图4，其引脚功能描述见表1。
图5DS18B20（底视图）
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
表3 DS18B20详细引脚功能描述
DS18B20的性能特点如下：
●独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
●多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
●无须外部器件；
●可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；
●零待机功耗；
●温度以９或１２位数字；
●用户可定义报警设置；
●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；
●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；
DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。
图6DS18B20内部结构
64位ROM的结构开始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位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。
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EERAM。
高速暂存RAM的结构为８字节的存储器，结构如图3所示。
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。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如图3所示。
低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
保留
保留
CRC
图7 DS18B20字节定义
由表2可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数
据转换时间越长。
因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
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。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第１、２字节。
单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。
当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。
表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
R1
R0
分辨率/位
温度最大转换时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
表4DS18B20温度转换时间表
DS18B20的测温原理是这这样的,器件中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振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。
器件中还有一个计数门，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℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，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计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。
其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+85
0000010101010000
0550H
+25.0625
0000000110010000
0191H
+10.125
0000000010100001
00A2H
+0.5
0000000000000010
0008H
0
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
表3 一部分温度对应值表
2.4.2DS18B20温度传感器与单片机的接口电路
DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。
另一种是寄生电源供电方式，如图4所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。
采用寄生电源供电方式时VDD端接地。
由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序：
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。
数据和命令的传输都是低位在先。
2.4.3DS18B20的控制方法
DS18B20有六条控制命令，指令约定代码操作说明
CCH：
跳过扫描温度传感芯片序列号
44H：
启动DS18B20进行温度转换
BEH：
读度温度值
DS18B20的复位时序：
图8DS18B20复位时序图
（1）先将数据线置高电平“1”。
（2）延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）
（3）数据线拉到低电平“0”。
（4）延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。
（5）数据线拉到高电平“1”。
（6）延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。
据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。
（7）若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。
（8）将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。
DS18B20的读时序：
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。
对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
图9DS18B20读时序过程
（1）将数据线拉高“1”。
（2）延时2微秒。
（3）将数据线拉低“0”。
（4）延时15微秒。
（5）将数据线拉高“1”。
（6）延时15微秒。
（7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。
（8）延时30微秒。
DS18B20的写时
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