基于单片机的温度测量与控制系统

课 程 设 计 报 告课程名称 综合电子设计 题 目 基于单片机的温度测量与控制系统 指导教师 设计起止日期 系 别 专 业 学生姓名 班级/学号 成 绩 基于单片机的温度测量与控制系统 目录一摘 要 2二 功能介绍 31，基本要求32，硬件设计要求及思路33，系统结构3三，方案论证与比较31，使用DE2开发板设计32，使用单片机设计思路4四，系统设计 41，主控制部分AT89S51的设计方案52，温度测量设计方案10五，单元电路设计131，最小系统132,温度采集143,显示电路14六，软件设计15七，结束语151，实验总结152,设计心得与体会16八，参考文献17九，附录18摘要本设计以AT89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路、PC机与单片机串口通讯电路和一些接口电路 。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、超温报警程序。关键词：AT89S51单片机 DS18B20温度芯片 温度控制 串口通讯二， 功能介绍1，基本要求（1）温度设定范围为2030oC，最小区分度为1oC。（2）环境温度超温时，接通制冷装置；低于等于设定温度时，断开制冷装置。用LED表示制冷装置的接通/断开状态。（3）用数码管显示环境的实际温度，温度显示范围0-99oC，显示精度为小数点后1位。2，硬件设计要求及思路要求设计单片机（AT89S51）最小系统，并在此基础上完成对温度传感器DS18B20的读写操作，实现温度测量功能，温度实时显示功能，要求所设计系统具备报警温度设置功能。对超过设置温度值的状态进行报警和相应控制操作（本次使用LED表示相应的控制操作）。单片机的选择在整个系统设计中至关重要，要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求，本课题选择AT89S51作为主控芯片。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。3，系统结构 温度传感器单片机键盘控制复位电路显示电路报警电路控制电路三，方案论证与比较设计这个温度测量有两种方法：分别是使用DE2开发板和单片机开发，以下是两种设计方法的原理介绍：（1）使用DE2开发板设计：使用DE2开发板提供的资源进行设计题目的实现。1）FPGA 芯片：EP2C35F672C6N (Cyclone II)2）5M时钟3）LED、按键、开关4）IO扩展接口5）7段数码管（2）使用单片机设计思路：要求设计单片机（AT89S51）最小系统，并在此基础上完成对温度传感器DS18B20的读写操作，实现温度测量功能，温度实时显示功能，要求所设计系统具备报警温度设置功能。对超过设置温度值的状态进行报警和相应控制操作（本次使用LED表示相应的控制操作）。两种方法比较的优缺点： DE2是Altera研究机构推出的FPGA多媒体开发平台。通过对DE2平台的了解它完全可以按照工业产品的标准进行，使用QUARTUSII的开发工具来进行设计，仿真。它的优点是可靠性高，性能稳定。但是缺点是平时我们接触较少，而且需要使用的程序相对于发杂。 而单片机与高精度温度传感器结合的方式我们接触较多，而且成本低，测量温度简单且容易实现。即用单片机完成人机界面，系统控制，信号分析处理，由前端温度传感器完成信号的采集与转换。这种方案克服了方案一的缺点，所以本课题任务是基于单片机和温度传感器实现对温度的控制。四，系统设计 本课题设计的是一种以STC89C52单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统可以实时存储相关的温度数据并记录当前的时间。其主要包括：电源模块、温度采集模块、按键处理模块、实时时钟模块、数据存储模块、LCD显示模块、通讯模块以及单片机最小系统。 本系统由温度传感器DS18B20、AT89S52、LCD显示电路、软件构成。DS18B20输出表示摄氏温度的数字量，然后用51单片机进行数据处理、译码、显示、报警等。单片机原理系统结构图： 图1，单片机系统结构图 （1）主控制部分AT89S51的设计方案： AT89S51 是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes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。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz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。由于系统控制方案简单 ,数据量也不大 ,考虑到电路的简单和成本等因素 ,因此在本设计中选用 A TMEL 公司的 A T89S51单片机作为主控芯片。主控模块采用单片机最小系统是由于 A T89S51芯片内含有4 kB的 E2PROM ,无需外扩存储器 ,电路简单可靠 ,其时钟频率为 024 MHz ,并且价格低廉 。其主要功能特性： 兼容MCS-51指令系统 4k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM 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 128x8 bit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 可以看出AT89S51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。同时, AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式何在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。AT89S51引角功能说明：Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。表1为P1口第二功能。表1 P1口第二功能端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问位地址的外部数据存储器（如执行：MOVX Ri 指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。）P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如下表2。 表2 P3口的第二功能 端口功能第二功能端口引脚第二功能RXD（P3.0）串行输入口T0（P3.4）定时/计数器0外部输入TXD（P3.1）串行输出口T1（P3.5）定时/计数器1外部输入INT0（P3.2）外中断0WR（P3.6）外部数据存储器写选通INT1（P3.3）外中断1RD（P3.7）外部数据存储器读选通RST：复位输入。当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。WDT益出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO 位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目地，要注意的是：第当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位禁位后，只有一条MOVX 和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚伎被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，高有两次有效的PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时,该引脚加上12V的编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。AT89S51单片机内部构造及功能：特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的片内空间分存如下图3-2所示。这些地址并没有全部占用，没有占用的地址不可使用，读这些地址将得到一个随意的数值。而写这些地址单元将不能得到预期的结果。中断寄存器：各中断允许控制位于IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。图2为AUXR辅助寄存器。图2 AUXR辅助寄存器双时钟指针寄存器：为方便地访问内部和外部数据存储器，提供了两个16位数据指针寄存储器：PD0位于SFR区块中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，当SFR中的位DPS=0时选择DP0,而DPS=1时选择DP1。在使用前初始化DPS。图3 双时钟指针寄存器电源空闲标志：电源空闲标志（POF）在特殊功能寄存储器SFR中PCON的第4位（PCON.4）,电源打开时POF置“1”,它可由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。存储器结构：MCS-51单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具有64KB外部程序和数据的寻址空间。程序存储器：如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。在AT89S51,假如接至Vcc（电源），程序首先执行从地址0000H0FFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000HFFFFH（60KB）的外部程序存储器。数据存储器：在AT89S51的具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。看门狗定时器（WDT）：WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看狗复位SFR（WDTRST）构成。外部复位时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，必按顺序将01H和0E1H写到WDTRST寄存器，当启动了WDT，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT，当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。引脚图详见图4。 图4 AT89S51管脚图 （2）温度测量设计方案：DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围55125，可编程为912位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。综上，在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。图5 温度芯片DS18B20DS18B20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的管脚排列如图6所示。 图6 DS18B20引脚分布图在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。 CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：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。以下图7是做好的仿真图并运行结果： 图7 仿真运行图上图是仿真的运行图，其工作原理是，通过DS18B20对温度进行采集，当采集的温度大于最高上限值或低于下限值时，蜂鸣器将会发声；通过按键对设置的限值进行加减，单刀双掷开关控制显示电路显示限值还是当前温度。 图8 实物完成图五， 单元电路设计1,最小系统模块单片机最小系统是指用最少的元件组成单片机系统，是单片机产品开发的核心电路。最小系统是控制温度的采集、处理与显示、温度值的设定与温度越限时控制电路的启动。 图9 最小系统AT89S51内部有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器,但要形成时钟脉冲,外部还需附加电路,本设计采用内部时钟方式,利用芯片内部的振荡器,然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器,就构成了稳定的自激振荡器,发出的脉冲直接送入内部时钟电路,C1和C2的值通常选择为22pF左右,晶振Y1选择12MHz.为了减小寄生电容,更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器电容应尽可能安装得与单片机引脚XTAL1和XTAL2靠近。单片机的31脚（EA）接+5V电源，表示允许使用片内ROM。2,温度采集模块 图10 温度采集模块 DS18B20是数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理., 在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度.3,显示电路模块 图11 显示电路图显示电路图是采用数码管作为显示模块，其接口原理图如图9.六， 软件设计以下是温度测量与控制系统的主程序流程图.图12 主程序流程图七， 结束语实验总结:本次课程设计完成了基于单片机AT89S51的温度控制系统的设计方案与软硬件实现。系统包括数据采集模块，单片机控制模块，显示模块和温度设置模块四个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。完成了课题既定的任务，达到了预期的目标。系统具有如下特点：.采用智能温度传感器DS18B20采集温度数据，简化了硬件电路设计，温度采集数据更加精准；.AT89S51单片机的采用，有利于功能扩展；.电路设计充分考虑了系统可靠性和安全性。本次课设软件和硬件相结合，有相当大的难度，同时也有很大的实用性。在做课程设计的过程中，我的理论和实践水平都有了较大的提高。并且我熟练掌握了单片机硬件设计和接口技术，同时对温度传感器的原理及应用有了一定的了解，掌握了各种控制电路及其相关元器件的使用。实验心得与体会:通过此次对温度测量与控制系统的设计，我们学会了怎样把所学的书本知识应用于实践中去，并学会了如何去思考整个控制系统的软硬件设计。实践过程中我们遇到了一些困难，但在解决问题的过程中，我们学会了团队合作精神和怎样发现问题、分析问题，进而解决问题。此次课程设计不仅增强了我们学习专业课的兴趣，而且给了我们勇气和信心，更重要的是它为我们以后的学习指明了方向。八， 参考文献1曹巧媛主编. 单片机原理及应用(第二版). 北京:电子工业出版社,20022全国大学生电子设计竞赛组委会编.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2001), 北京:北京理工大学出版社，20033何力民编. 单片机高级教程. 北京:北京航空大学出版社,20004金发庆等编. 传感器技术与应用.北京机械工业出版社,20025王锦标，方崇智过程计算机控制北京：清华大学出版社，1997；36406邵惠鹤工业过程高级控制上海：上海交通大学出版社，1997；5862，781017胡寿松自动控制原理北京：国防工业出版社，2000；1031248刘伯春智能PID调节器的设计及应用电子自动化，1995；(3)：2025九， 附录#includereg52.h#define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit DQ=P14; /温度数据口sbit wx1=P24; /位选1sbit wx2=P25; /位选2sbit wx3=P26; /位选3sbit wx4=P27; /位选4sbit sd=P12; /范围与显示开关=1 范围sbit sj=P13; /上下界切换 =1上限sbit ss=P22;/ 加1sbit xj=P23; / 减1sbit bjs=P10; / 上限报警sbit bjx=P11; / unsigned int temp, temp1,temp2, xs;unsigned int sx=30;unsigned int xx=20;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99, /共阳数码管 0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6;/*延时程序*/ void delay1(unsigned int m) unsigned int i,j; for(i=m;i0;i-) for(j=110;j0;j-); void delay(unsigned int m) /温度延时程序 while(m-); void Init_DS18B20() unsigned char x=0;DQ = 1; /DQ复位 ds18b20通信端口 delay(8); /稍做延时DQ = 0; /单片机将DQ拉低delay(80); /精确延时 大于 480usDQ = 1; /拉高总线 delay(4);x=DQ; /稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败delay(20);/*ds18b20读一个字节*/uchar ReadOneChar()unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i0;i-) DQ = 0; / 高电平拉成低电平时读周期开始 dat=1; DQ = 1; / 给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; / delay(4); return(dat);/*ds18b20写一个字节*/void WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; /从高电平拉至低电平时,写周期的开始 DQ = dat&0x01; /数据的最低位先写入 delay(5); /60us到120us延时 DQ = 1; dat=1; /从最低位到最高位传入/*读取ds18b20当前温度*/void ReadTemperature() unsigned char a=0; unsigned b=0; unsigned t=0; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); / 跳过读序号列号的操作/ WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换 delay(5); / this message is wery important Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度/ delay(5); a=ReadOneChar(); /读取温度值低位 / b=ReadOneChar(); /读取温度值高位 / temp1=b4; /低8位中的高4位值加上高8位中后三位数的值 temp1室温整数值 temp2=a&0x0f; /小数的值 temp=(b*256+a)4); /当前采集温度值除16得 实际温度值 zhenshu xs=temp2*