单片机课程设计——基于51单片机的温度控制系统设计.doc

单片机课程设计报告题目： 温度控制系统设计 学院：通信与信息工程学院专业： 测控技术与仪器专业 班级： 测控三班 成员： 徐 郡 二一四年六月十二日一、引言温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域较广泛。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本系统利用传感器与单片机相结合，应用性比较强，本系统可以作为仓库温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统，以及构成智能电饭煲等等。课题主要任务是完成环境温度监测，利用单片机实现温度监测并通过报警信号提示温度异常。本设计具有操作方便，控制灵活等优点。本设计系统包括单片机，温度采集模块，显示模块，按键控制模块，报警和指示模块五个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求。二、实验目的和要求2.1学习DS18B20温度传感芯片的结构和工作原理。2.2掌握LED数码管显示的原理及编程方法。2.3掌握独立式键盘的原理及使用方法。2.4掌握51系列单片机数据采集及处理的方法。三、方案设计总体设计方案采用AT89C52单片机作控制器，温度传感器选用DS18B20来设计数字温度计，系统由5个模块组成：主控制器、测温电路、显示电路、控制电路、报警及指示电路。主控制器由单片机AT89C52实现，测温电路由DS18B20温度传感器实现，显示电路由4位LED数码管直读显示,，报警指示电路由蜂鸣器和发光二级管构成，控制电路由按键构成。本设计所使用的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确等特点，其输出温度采用数字显示，主要用于对温度的精度要求较高的场所，或科研实验室使用，并且加有报警装置，超过限制温度可发出报警信号，还可以调整报警上下限温度。该设计控制器使用单片机AT89C52，测温传感器使用DS18B20，用4位共阳极LED数码管以I/O口传送数据，实现温度显示，能准确达到以上要求。四、实验原理利用温度传感器芯片监测环境温度，将温度信号转换为数字信号传送到单片机内部，单片机通过对温度数据进行处理，利用四位八段数码管显示环境温度，并利用蜂鸣器和发光二极管发出超限警报信号。通过按键操作可以改变报警温度的上下限。五、材料清单序号名称型号/规格数量备注1单片机STC89C52RC1U12温度传感器DS18B201U23电阻3K5R1,R2,R3,R4,R1241004R5,R6,R7,R8510K4R9,R13,R14,R1562001R1071K1R118排阻10K1RP19电容30pF2C1,C210电解电容22uF1C311三极管9013(NPN)4Q1,Q2,Q3,Q4128550(PNP)1Q513发光二极管黄色1D114红色1D215绿色2D3,D416蜂鸣器1BUZ117按键4S1,S2,S3,S418晶振11.0592MHz1X119四位八段数码管XD3941BR-ST1显示六、基本芯片及其原理6.1单片机89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。本次课程设计所使用的单片机为STC89C52单片机，是深圳宏晶科技生产的完全兼容INTEL公司MCS-51系列的单片机。6.2温度传感器及其原理传感器DS18B20具有体积小、精度高、适用电压宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。美国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，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。“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。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使用户可以充分发挥“一线总线”的优点。 同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内，精度为0.5C。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3V5.5V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。6.2.1 DS18B20的特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，寄生电源方式下可由数据线供电。（2）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。（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。（5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5。（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。6.2.2 DS18B20内部结构及DS18B20的管脚排列64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。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，高速暂存器。 DS18B20的引脚定义：图一 DS18B20引脚定义(1)DQ为数字信号输入/输出端。(2)GND为电源地。(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。6.2.3 DS18B20的编程（1）DS18B20的初始化：先将数据线置高电平“1”。 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点） 数据线拉到低电平“0”。 延时750us（该时间的时间范围可以从480us到960us）。 数据线拉到高电平“1”。 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）。 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。 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。初始化程序代码如下：void ds_reset(void)char presence=1;while(presence)while(presence)DQ=1; _nop_();_nop_();DQ=0; delay(50); DQ=1; delay(6); presence=DQ; delay(45); presence=DQ; DQ=1; （2）DS18B20的写操作：数据线先置低电平“0”。延时确定的时间为15us。 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。 延时时间为45us。 将数据线拉到高电平。 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。 最后将数据线拉高。 写操作程序代码如下：void ds_write(uchar ds_wrdata) uchar i;for(i=8;i0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); DQ=ds_wrdata&0x01; /最低位移出delay(6);ds_wrdata=ds_wrdata/2; /右移1位DQ=1;delay(1);（3）DS18B20的读操作：将数据线拉高“1”。延时2us。 将数据线拉低“0”。延时15us。 将数据线拉高“1”。延时15us。读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。延时30us。读操作程序代码如下：uchar ds_read(void)uchar i;uchar value=0;for(i=8;i0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_();value=1;DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); DQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); if(DQ)value|=0x80;delay(6); DQ=1;return(value);6.2.4 DS18B20传感器的温度数据关系：图二 温度传感器的温度数据关系6.2.5 DS18B20的外部电源供电方式：在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证 转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。图三 外部电源供电连接图七、系统框图本系统设计由5个模块组成：主控制器（单片机）、温度采集模块、温度显示模块、控制电路模块、报警及指示模块。主控制器由单片机AT89C52实现，测温电路由DS18B20温度传感器实现，显示电路由4位LED数码管直读显示，报警指示电路由蜂鸣器和发光二级管构成，控制电路由按键构成。系统框图如下：P3.0P3.3P0.0P0.7P2.0P2.3P1.3P1.7P1.0温度采集报警指示控制按键温度显示单片机图四 系统框图八、工作流程图8.1主程序流程图开始初始化显示读取温度否for(i=0;i200;i+)是状态指示、报警显示按键扫描图五 主要功能流程图开始采样当前温度大于上限？高温警报小于下限？低温警报温度正常指示结束图六 指示、报警模块流程图开始传感器初始化发跳过读序列号指令发温度转换指令读温度值低字节读温度值高字节高低字节合并返回温度值开始图七 读取温度值模块流程图九、硬件电路图图八 显示模块图九 按键控制模块图十 报警、指示电路图十一 温度传感器连接图图十二 整体硬件电路图图十二 整体硬件电路图十、总结通过做本课题，使我们了解传感器的基本理论知识，更深入的了解单片机的开发应用和PC编程控制。为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、PC软件开发打下了良好的基础，树立独立从事产品研发的信心。同时也培养了我们认真的做事态度。从得到题目到查找资料，从对题目的研究设定到电路图的设计，电路图的设计到程序设计在这一个充满挑战伴随挫折，充满热情伴随打击的过程中，我们感触颇深，它是对我们的钻研精神，创新精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。我们