毕业论文设计基于AT89S51的温度控制系统设计

1、毕业论文设计-基于at89s51的温度控制系统设计 毕业论文题 目 基于at89s51的温度控制系统设计 下 达 日 期 72013 年 3 月 9 日开 始 日 期 2013 年 3 月 12 日 完 成 日 期 2013 年 6 月 14 日 专 业 电气工程自动化专升本 学 生 姓 名 李 雷 指 导 教 师 汤文兵 安徽理工大学成人教育学院二一 三 年 六 月 二十 日基于at89s51的温度控制系统摘 要温度是日常生活中无时不在的物理量温度的控制在各个领域都有积极的意义很多行业中都有大量的用电加热设备如用于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采用单片机对它们

2、进行控制不仅具有控制方便简单灵活性大等特点而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标从而能够大大提高产品的质量因此智能化温度控制技术正被广泛地采用本温度设计采用现在流行的at89s51单片机配以ds18b20数字温度传感器该温度传感器可自行设置温度上下限单片机将检测到的温度信号与输入的温度上下限进行比较由此作出判断是否启动继电器以开启设备本设计还加入了常用的数码管显示及状态灯显示灯常用电路使得整个设计更加完整更加灵活该设计已应用于花房可对花房温度进行智能监控关键词温度箱at89s51单片机控制模拟temperature control system used single chip compute

3、rabstract the temperature is constantly in the daily life of physical and temperature controls in various fields have a positive meaning a lot of businesses have a lot of power heating equipment such as that used for the heat treatment furnace for melting metal crucible resistance heaters and the va

4、rious uses of temperature bins scm using their right to control not only easy to control simple such as the characteristics of flexibility but can also significantly increase the temperature was charged with the technical indicators which can greatly enhance the quality of the products therefore int

5、elligent temperature control technology is being widely adopted the temperature was designed with the now popular at89s51 scm and with ds18b20 digital temperature sensor the temperature sensor can set up their own temperature collars scm will detect that the temperature of the input signal and tempe

6、rature the lower comparisons this judgment whether to activate the relay to open the equipment the design also includes commonly used digital display and control state lights commonly used circuit making the whole design more complete more flexible the design has been applied to someone to someone i

7、ntelligent temperature control key wordtemperature at89s51 scmcontrolsimulation目 录一引言211 温度控制系统设计的背景发展历史及意义212 温度控制系统的目的213 温度控制系统完成的功能2二总体设计方案321 方案一322 方案二3三ds18b20温度传感器简介831 温度传感器的历史及简介832 ds18b20的工作原理8com ds18b20工作时序8com rom操作命令1033 ds18b20的测温原理11com ds18b20的测温原理11com ds18b20的测温流程12四单片机接口设计1341

8、设计原则1342 引脚连接13com 晶振电路13com 串口引脚13com 其它引脚14五系统整体设计1551 系统硬件电路设计15com 主板电路设计15com 各部分电路1552 系统软件设计17com 系统软件设计整体思路17com 系统程序流图1853 调试22六结束语24附录25参考文献32致谢33一引言11 温度控制系统设计的背景发展历史及意义 随着社会的发展科技的进步以及测温仪器在各个领域的应用智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向特别是近年来温度控制系统已应用到人们生活的各个方面但温度控制一直是一个未开发的领域却又是与人们息息相关的一个实际问题针对这种实际情况设计一个温度控

9、制系统具有广泛的应用前景与实际意义温度是科学技术中最基本的物理量之一物理化学生物等学科都离不开温度在工业生产和实验研究中像电力化工石油冶金航空航天机械制造粮食存储酒类生产等领域内温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一比如发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行炼油过程中原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油柴油煤油等产品没有合适的温度环境许多电子设备就不能正常工作粮仓的储粮就会变质霉烂酒类的品质就没有保障因此各行各业对温度控制的要求都越来越高可见温度的测量和控制是非常重要的单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛在很多的电

10、子产品中也用到了温度检测和温度控制随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生12 温度控制系统的目的本设计的内容是温度测试控制系统控制对象是温度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控制系统它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13 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当温度低于设定下限温度时系统

11、自动启动加热继电器加温使温度上升同时绿灯亮当温度上升到下限温度以上时停止加温当温度高于设定上限温度时系统自动启动风扇降温使温度下降同时红灯亮当温度下降到上限温度以下时停止降温温度在上下限温度之间时执行机构不执行三个数码管即时显示温度精确到小数点一位二总体设计方案21 方案一测温电路的设计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ad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ad转换电路感温电路比较麻烦22 方案二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

12、次完成设计要求 图21 温度计电路总体设计方案1控制部分单片机at89s51具有低电压供电和体积小等特点四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要很适合便携手持式产品的设计使用系统应用三节电池供电2显示部分显示电路采用3位共阳led数码管从p0口送数p2口扫描3温度采集部分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这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作由ds18b20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成数字温度传感器ds18b20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的p10口单片机接受温度并

13、存储此部分只用到ds18b20和单片机硬件很简单1 ds18b20的性能特点如下9 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3055v零待机功耗温度以3位数字显示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 2 ds18b20的内部结构ds18b20采用3脚pr35封装如图2-2所示ds18b20的内部结构 图22 ds18b20封装3 ds18b20内部结构主要由四部分组成5 64位光刻rom开始8位是产品

14、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56位的crc校验码这也是多个ds18b20可以采用一线进行通信的原因64闪速rom的结构如下图23 ds18b20内部结构 非挥发的温度报警触发器th和tl可通过软件写入用户报警上下限值 高速暂存存储byte0温度测量值lsb50hbyte1温度测量值msb50he2prombyte2th高温寄存器 - th高温寄存器byte3tl低温寄存器 - tl 低温寄存器byte4配位寄存器 - 配位寄存器byte5预留ffhbyte6预留0chbyte7预留iohbyte8循环冗余码校验crc表23 ds18b20字节定义tm r1r0 1

15、 1 1 1 1由表24可见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678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12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00625lsb形式表示当符号位s0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s1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12

16、是一部分温度值对应的二进制温度数据6表24 ds18b20温度转换时间表r1r0分辨率位温度最大转向时间ms00993750110187510113751112750表25一部分温度对应值表温度二进制表示十六进制表示1250000 0111 1101 000007d0h850000 0101 0101 00000550h2506250000 0001 1001 00000191h101250000 0000 1010 000100a2h050000 0000 0000 00100008h00000 0000 0000 10000000h-051111 1111 1111 0000fff8h-1

17、01251111 1111 0101 1110ff5eh-2506251111 1110 0110 1111fe6fh-551111 1100 1001 0000fc90h crc的产生 64 b rom的最高有效字节中存储有循环冗余校验码crc主机根据rom的前56位来计crc值并和存入ds18b20中的crc值做比较以判断主机收到的rom数据是否正确三ds18b20温度传感器简介31 温度传感器的历史及简介温度的测量是从金属 物质 的热胀冷缩开始水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准可是它的缺点是只能近距离观测而且水银有毒玻璃管易碎代替水银的有酒精温度计和金属簧片温度计它们虽然没有毒性但

18、测量精度很低只能作为一个概略指示不过在居民住宅中使用已可满足要求在工业生产和实验研究中为了配合远传仪表指示出现了许多不同的温度检测方法常用的有电阻式热电偶式pn结型辐射型光纤式及石英谐振型等它们都是基于温度变化引起其物理参数 如电阻值热电势等 的变化的原理随着大规模集成电路工艺的提高出现了多种集成的数字化温度传感器32 ds18b20的工作原理com ds18b20工作时序根据ds18b20的通讯协议主机控制ds18b20完成温度转换必须经过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进行预定的操作复位要求主cpu将数

19、据线下拉500微秒然后释放ds18b20收到信号后等待1560微秒左右后发出60240微秒的存在低脉冲主cpu收到此信号表示复位成功 图31 初始化时序总线上的所有传输过程都是以初始化开始的主机响应应答脉冲应答脉冲使主机知道总线上有从机设备且准备就绪主机输出低电平保持低电平时间至少480us以产生复位脉冲接着主机释放总线47k上拉电阻将总线拉高延时1560us并进入接受模式以产生低电平应答脉冲若为低电平再延时480us12 2 写时序图32 写时序写时序包括写0时序和写1时序所有写时序至少需要60us且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间都是以总线拉低开始写1时序主机输出低电平延时2

20、us然后释放总线延时60us写0时序主机输出低电平延时60us然后释放总线延时2us8 3 读时序 图33 读时序总线器件仅在主机发出读时序是才向主机传输数据所以在主机发出读数据命令后必须马上产生读时序以便从机能够传输数据所有读时序至少需要60us且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间每个读时序都由主机发起至少拉低总线1us主机在读时序期间必须释放总线并且在时序起始后的15us之内采样总线状态主机输出低电平延时2us然后主机转入输入模式延时12us然后读取总线当前电平然后延时50us4com rom操作命令当主机收到dsl8b20 的响应信号后便可以发出rom 操作命令之一这些命令如

21、表3-1rom操作命令表3-1 rom操作命令指令约定代码功 能读rom33h读ds18b20 rom中的编码符合rom55h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rom0f0h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rom0cch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

22、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34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34字节内容复制到e2pram中重调e2pram0bbh将e2pram中内容恢复到ram中的第34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133 ds18b20的测温原理com ds18b20的测温原理每一片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

23、该dsl8b20的序列号读出程序可以先跳过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的测温原理如图所示图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小1高温度系数晶振随温度变化其震荡2的脉冲输入图中还隐含着计数门当计数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-55 所对应的基数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10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2计数到0时中的斜率累加器用另外由于

24、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rom功能命令发存储器操作命令处理数据图34 测温原理内部装置com ds18b20的测温流程图35 ds18b20测温流程四单片机接口设计41 设计原则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31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本设计采用电源供电方式 p1口接单线总线

25、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管和8951的p10来完成对总线的上拉当ds18b20处于写存储器操作和温度ad变换操作时总线上必须有强的上拉上拉开启时间最大为10 s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的主机控制ds18b20完成温度转换必须经过3个步骤初始化rom操作指令存储器操作指令五系统整体设计51 系统硬件电路设计com 主板电路设计 单片机的p10接ds18b20的2号引脚p0口送数p2口扫描p11p12控制加热器和电风扇的继电器如附录2com 各部分电路 1 显示电路显示电路采用了7段共阴数

26、码管扫描电路节约了单片机的输出端口便于程序的编写图51 显示电路图 2 单片机电路图52 单片机电路引脚图 3 ds18b20温度传感器电路图5-3 温度传感器电路引脚图 4 继电器电路图中p11引脚控制加热器继电器给p11低电平三极管导通电磁铁触头放下来开始工作图5-4 继电器电路图 5 晶振控制电路图5-5 晶振控制电路图 6 复位电路图5-6复位电路图52 系统软件设计com 系统软件设计整体思路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

27、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s51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

28、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mcs51指令系统的指令长度较短它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率编成的程序占用内存单元少执行也非常的快捷与本系统的应用要求很适合而且mcs51指令系统有丰富的位操作或称位处理指令可以形成一个相当完整的位操作指令子集这是mcs51指令系统主要的优点之一对于要求反应灵敏与控制及时的工控检测等实时控制系统以及要求体积小系统小的许多电脑化产品可以充分体现出汇编语言简明整齐执行时间短和易于使用的特点本装置的软件包

29、括主程序读出温度子程序复位应答子程序写入子程序以及有关ds18b20的程序初始化子程序写程序和读程序com 系统程序流图系统程序主要包括主程序读出温度子程序 复位应答子程序写入子程序等1主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示读出并处理ds18b20的测量的当前温度值温度测量每1s进行一次这样可以在一秒之内测量一次被测温度其程序流程见图5-7所示通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分分开存放在不同的两个单元中然后通过调用显示子程序显示出来图5-7 主程序流程图图5-8 读出温度子程序2读出温度子程序 读出温度子程序的主要功能是读出ram中的9字节在读出时需进行crc校验校验有

30、错时不进行温度数据的改写 ds18b20的各个命令对时序的要求特别严格所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的同时要注意读进来的是高位在后低位在前 共有12位数小数4位整数7位还有一位符号位3复位应答子程序图5-9复位应答子程序4写入子程序图5-10写入子程序5 系统总的流程图图5-11系统总的流程图53 调试主程序的功能是启动ds18b20测量温度将测量值与给定值进行比较若测得温度小于设定值则进入加热阶段置p11为低电平这期间继续对温度进行监测直到温度在设定范围内置p11为高电平断开可控硅 关闭加热器等待下一次的启动命令当测得温度大于设定值则进入降温阶段则置p12为低电平这期间继续对温度进

31、行监测直到温度在设定范围内置p12为高电平断开关闭风扇等待下一次的启动命令第一次接电调试设置温度上限为90摄氏度温度下限为20摄氏度加热后温度有时超过90摄氏度却不报警后经检查发现是进位c没有清0于是在如下写入程序中加入进位c清零便排除了这个异常wr1clr p10mov r36djnz r3rrc amov p10cmov r323djnz r3setb p10nopdjnz r2wr1ret 读ds18b2再经实际接电调试一切运行正常加热到90摄氏度时红灯亮起自动断电而低于20摄氏度时绿灯亮起开始加热六结束语经过近月的努力我的毕业设计已经基本完成在设计过程中力求系统的实现电路简单成本低系统

32、的功能快捷易用并且完善但是由于一些条件的限制所设计系统仍然存在一些不足有待改进本测系统这是我第一次利用单片机来实现一个应用系统的通过实践我对汇编语言和单片机有了新的认识和理解并且学会了pr软件的使用掌握了从系统的需求方案论证功能模块的划分原理图的设计和绘制电路图仿真程序设计到软件仿真调试的设计流程积累了硬件设计的经验基于电路的设计方法有利于电子电路初学者加深对电路原理器件资料电路板设计和电路的硬件调试认识和理解由于初次接触在设计过程中也出现了一些问题以前学习的专业知识掌握的不够好对电路的理解不是很透彻设计的电路布局布线不是很合理理论联系实际的能力还需要进一步的加强还由于元器件的多样性和可选型号

33、的广泛性在此运用的型号的芯片不一定是最佳的现在电子器件发展日新月异新的器件如雨后春笋般出现不可能一一尝试所以还肯定有很多值得改进的地方在以后的实践中我将继续努力学习电子电路设计力争取得更大的进步org 0000htemper_l equ 29h temper_h equ 28h flag1 equ 38h是否检测到ds18b20标志位 a_bit equ 20h 数码管个位数存放内存位置 b_bit equ 21h 数码管十位数存放内存位置xs equ 30h mov a00h mov p2a mainlcall get_temper调用读温度子程序 mov a29hmov baclr crl

34、c aclr crlc aclr crlc aclr crlc aswap amov 31hamov abmov c40h将28h中的最低位移入crrc amov c41hrrc amov c42hrrc amov c43hrrc amov 29halcall display调用数码管显示子程序ajmp main 这是ds18b20复位初始化子程序init_1820setb p10nopclr p10主机发出延时537微秒的复位低脉冲mov r13tsr1mov r0107djnz r0djnz r1tsr1setb p10然后拉高数据线nopnopnopmov r025htsr2jnb p1

35、0tsr3等待ds18b20回应djnz r0tsr2ljmp tsr4 延时tsr3setb flag1 置标志位表示ds1820存在ljmp tsr5tsr4clr flag1 清标志位表示ds1820不存在ljmp tsr7tsr5mov r0117tsr6djnz r0tsr6 时序要求延时一段时间tsr7setb p10ret 读出转换后的温度值get_tempersetb p10lcall init_1820先复位ds18b20jb flag1tss2ret 判断ds1820是否存在若ds18b20不存在则返回tss2mov a0cch 跳过rom匹配lcall write_182

36、0mov a44h 发出温度转换命令lcall write_1820这里通过调用显示子程序实现延时一段时间等待ad转换结束12位的话750微秒lcall displaylcall init_1820准备读温度前先复位mov a0cch 跳过rom匹配lcall write_1820mov a0beh 发出读温度命令lcall write_1820lcall read_18200 将读出的温度数据保存到35h36h ret写ds18b20的子程序 有具体的时序要求 write_1820mov r28一共8位数据clr cwr1clr p10mov r36djnz r3rrc amov p10cm

37、ov r323djnz r3setb p10nopdjnz r2wr1ret 读ds18b20的程序从ds18b20中读出两个字节的温度数据 read_18200mov r42 将温度高位和低位从ds18b20中读出mov r129h 低位存入29h temper_l 高位存入28h temper_h re00mov r28数据一共有8位re01clr csetb p10nopnopclr p10nopnopnopsetb p10mov r39re10 djnz r3re10mov cp10mov r323re20 djnz r3re20rrc adjnz r2re01mov r1adec r1djnz r4re00retdisplayclr csubb a 30jnb cy t1mov a bclr csubb a25jnb cy xianshiclr p11ljmp xianshit1clr p12xianshimov abmov b10 10进制10 10进制div abmov b_bita 十位在amov a_bitb 个位在bmov r0