实用温度控制器的设计_毕业设计(论文)

1、 编 号： 审定成绩： 重庆邮电大学移通学院毕业设计论文设计论文题目：实用温度控制器的设计单 位系别 ：通信工程系学 生 姓 名 ：专 业 ：通信工程班 级 ：学 号 ：指 导 教 师 ：辩论组 负责人 ：填表时间： 2021 年 6 月重庆邮电大学移通学院教务处制重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书设计(论文)题目 实用温度控制器的设计 学生姓名 系别 通信工程系 专业 通信工程 班级 指导教师 职称 副教授 联系 教师单位 重庆邮电大学 下任务日期_ 2021 _年_ 1 月_ 4_ 日 主 要 研 究 内 容 、 方 法 和 要 求一、研究内容1、掌握温度控制器的原理，温度控制系统

2、及开展等相关知识；2、进行基于温度控制器的设计。二、方法与要求通过查资料，结合所学的知识，在老师的指导下进行温度控制器的设计。 进 度 计 划1月4日至3月6日：查阅资料对课题进行了解和学习；3月7日至3月15日：做开题报告，研究内容分析与设计；3月16日至4月15日：研究内容实践、实例研究，关键问题研究；4月16日至5月23日：提纲研究，论文的撰写，定稿；5月24日至6月初：准备辩论。 主 要 参 考 文 献1 辜小兵韩光勇单片机与根底应用重庆大学出版社20212 曹龙汉MCS-51单片机原理及应用M重庆大学出版社20043 HYPERLINK :/search.dangdang /book

3、/search_pub.php?category=01&key2=%BA%CE%C1%A2%C3%F1&order=sort_xtime_desc t _blank 何立民单片机高级教程:应用与设计(第2版)M HYPERLINK :/search.dangdang /book/search_pub.php?category=01&key3=%B1%B1%BE%A9%BA%BD%CC%EC%BA%BD%BF%D5%B4%F3%D1%A7%B3%F6%B0%E6%C9%E7&order=sort_xtime_desc t _blank 北京航天航空大 学出版社20074 陈跃东DS18B20集成

4、温度传感器原理与应用J2002指导教师签字： 2021年 1 月 5 日教研室主任签字： 2021年 1 月 6 日备注：此任务书由指导教师填写，并于毕业设计(论文)开始前下达给学生。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，采用单片机对它们进行控制，不仅具有方便、简单、灵活性强等特点，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

5、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、下限进行比拟，由此作出判断是否启动继电器以开启设备。本设计还参加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。它可以实时的显示和设定温度，实现对温度的自动控制。通过测试说明，本设计对温度的控制有方便、简单的特点，从而大幅提高了被控温度的技术指标。【关键词】AT89S51单片机 DS18B20温度传感器 温度控制 继电器ABSTRACTThe temperature is constantly in the daily life of physical and temperatu

6、re 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 various uses of temperature bins, SCM using their right to control not only easy t

7、o 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, intelligent temperature control technology is being widely adopted.The tempe

8、rature 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 temperature, the lower comparisons this judgment whether to activate the re

9、lay 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. Passed the tests show that the design of the temperature control is convenient and simple characteristics, thus grea

10、tly raising the temperature was charged with the technical indicators. 【Key word】AT89S51 micro controller DS18B20 temperature sensor Temperature control Relay目 录前 言1第一章 绪论2第一节 温度控制系统设计的背景、开展历史及意义2第二节 温度控制系统的目的2第三节 温度控制系统完成的功能3第二章 系统总体设计方案4第一节 单片机的介绍4一、单片机的特点.4二、单片机系统的根本组成.4第二节 系统功能确实定和器件选取4一、单片机的选择.

11、5二、显示器的选择.6三、温度传感器的选择.6第三节 温度传感器DS18B20的简介.7一、DS18B20的特点.8二、DS18B20的内部结构.8三、DS18B20的工作原理.10第四节 人机交互与串口通信.14一、人机交互.14二、串口通信.14第三章 系统硬件电路设计16第一节 系统结构框图17第二节 人机交互与串口通信单元设计18一、输入电路设计18二、显示电路设计18三、串口通信电路19第三节 控制执行单元设计20一、键盘单元.20二、温度控制及超温警报单元.22第四章 系统软件设计23第一节 系统软件设计整体思路23第二节 系统主程序流程图24第三节 温度采集子程序流程图25第四节

12、 数据转换子程序流程图26第五节 动态显示子程序流程图27第六节 控制执行子程序流程图28结 论29参考文献30致 谢31附 录32一、程序代码.32二、英文文献.37三、英文翻译.40前 言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

13、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

14、感器DS18B20进行范围的温度检测。第一章 绪论第一节 温度控制系统设计的背景、开展历史及意义随着社会的开展，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开展的主流方向。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根本的物理量之一，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

15、数之一。比方，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反响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。没有适宜的温度环境，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。第二节 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

16、象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比方温室、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。第三节 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根本的温度控制功能：当温度低于设定下限温度时，系统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

17、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。第二章 系统总体设计方案第一节 单片机的介绍一、单片机的特点高集成度，体积小，高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力

18、，非常适用于专门的控制功能。 低电压，低功耗，便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为，而工作电流仅为数百微安。 易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 优异的性能价格比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可到达1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量那么可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性

19、能价格比极高1。二、单片机系统的根本组成将CPU、存储器、I/O接口电路集成到一块芯片上，这个芯片称为单片机。图2.1 单片机结构图单片机作为一片集成了微型计算机根本部件的集成电路芯片，与通用计算机相比，自身不带软件，不能独立运行；存储容量小，没有输入、输出设备，不能将系统软件和应用软件存储到自身的存储器中并加以运行，它自身没有开发功能。所以，必须借助开发机来完成开发任务，即相应的软、硬件设计和调试以及将调试好的程序固化到自身的存储器中。第二节 系统功能确实定和器件选取一、单片机的选择由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机

20、家族的众多成员中，MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能，其数据总线的宽度不断更新，从8位、16位迅速过渡到32位、64位，并且不断提高运算速度和完善通用操作系统，以突出其高速海量数值运算的能力，在数据处理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛应用；单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的本钱，广泛应用于家用电器、机

21、器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。因此，单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速开展，成为近代计算机技术开展史上一个重要里程碑2。由于MCS系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用存放器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构到达最优化，工作也相对稳定。51的优点是价钱廉价，I/O口多，程序空间大。因此，测控系统中

22、，使用51单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最正确器件。单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和语言也大大简化。单片机的典型代表是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的MCS-51系列单片机。MCS-51单片机很快在我国得到广泛的推广应用，成为电子系统中最普遍的应用手段，并在工业控制、交通运输、家用电器、仪器仪表等领域取得了大量应用成果3。以MCS-51技术核心为主导的单片机已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象，并以此为基核，推出许多与MCS51有极好兼容性的CMOS单片机，同时增加了一些新的功能。这其中就包括AT89S51单片机。AT

23、89S51是一个低功耗，高性能HYPERLINK :/baike.baidu /view/22318.htmCMOS 8位HYPERLINK :/baike.baidu /view/1012.htm单片机，片内含4k Bytes HYPERLINK :/baike.baidu /view/855.htmISP的可反复擦写1000次的HYPERLINK :/baike.baidu /view/7641.htmFlash只读HYPERLINK :/baike.baidu /view/421016.htm程序存储器，器件采用HYPERLINK :/baike.baidu /view/110906.h

24、tmATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51HYPERLINK :/baike.baidu /view/178189.htm指令系统及80C51HYPERLINK :/baike.baidu /view/641241.htm引脚结构，芯片内集成了通用8位HYPERLINK :/baike.baidu /view/14045.htm中央处理器和ISP FlashHYPERLINK :/baike.baidu /view/1223079.htm存储单元。AT89S51已经在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S51单片机还具有易于学习、本钱低、性能强大等优势，能

25、对内部众多HYPERLINK :/baike.baidu /view/300881.htmI/O端口连接外围设备进行精确操控，具有强大的工控能力。综上所述，选用AT89S51单片机。二、显示器的选择显示器选用LED。LED显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也是被广泛运用的。如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、本钱低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。LED数码管作为显示字段的数码型显示器件，它是由假设干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符

26、，常用的LED数码管有7段和“米字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连在一起，通常此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极接在一起，通常此共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。本次设计所用的LED数码管显示器为共阳极。LED数码管的使用与发光二极管相同，根据材料不同正向压降一般为1.52V，额定电流为10MA，最大电流为40MA。静态显示时取10MA为宜，动态扫描显示可加大脉冲电流，但一般不超过40MA。三、温度传感器的选择智

27、能温度传感器(亦称数字温度传感器)是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或存放器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。 智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、标准化，所采用的总线主要有单线(1-WIRE)总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。智能温度控制

28、器是在智能温度传感器的根底上开展而成的4。典型产品有DS18B20，智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统;它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式;温度测量范围为55125，可编程为9位12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，也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多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。同

29、DS1820一样，DS18B20也 支持“一线总线接口，测量温度范围为 -55+125，在-10+85范围内，精度为0.5。DS18B20的精度较差为0.2 。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。而且新一代产品更廉价，体积更小。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持 “一线总线接口的温度传感器。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

30、全新概念。现在，新一代的DS1820体积更小、更经济、更灵活，使您可以充分发挥“一线总线的长处。 由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便，与AD590相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20。第三节 温度传感器DS18B20的简介一、DS18B20的特点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；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

31、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5。 二、DS18B20的内部结构DS18B20采用3脚PR35封装，如下图； 图2.2 DS18B20封装DS18B20的内部结构主要由四局部组成：64位光刻ROM。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位闪速ROM的结构如下：表2.1 ROM结构8b检验CRC48b序列号8b工厂代码10HMSB LSB MSB LSB MSB LSB图2.3 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

32、户报警上下限值。高速暂存器，可以设置DS18B20温度转换的精度。温度传感器，DS18B20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E2PRAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如表所示。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，为配置存放器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时存放器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。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。 表2.2 DS18B20内部存储器结构Byte0温度测量值LSB50HBy

33、te1温度测量值MSB50HE2PROMByte2TH高温存放器-TH高温存放器Byte3TL低温存放器-TL 低温存放器Byte4配位存放器-配位存放器Byte5预留FFHByte6预留0CHByte7预留IOHByte8循环冗余码校验CRC三、DS18B20的工作原理一DS18B20的工作时序根据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：每一次读写之前都必须要对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将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待15

34、60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5。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，具体工作方法如图，所示。1初始化时序初始化时序的具体工作方法如图2.4所示：图2.4 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，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，假设为低电平，再延时480us。2写时序写时序的具体工作方法如图2.5所示：图2.5 写时序写时序包括写0时序和写1时

35、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2us，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2us。3读时序读时序的具体工作方法如图2.6所示：图2.6 读时序总线器件仅在主机发出读时序时，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

36、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50us。二DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如表2.4所示：:表2.3 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

37、变换命令，适用于单片工作。警告搜索命令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。每

38、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。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，图中还隐含着计数门，当计数门翻开时，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

39、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和温度存放器中，减法计数器1和温度存放器被预置在-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时温度存放器的值将加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，停止温度存放器值的累加，此时温度存放器中的数值即为所测温度。图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，直至温度存放器值到达被测温度值。另外，由于DS1

40、8B20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。测温原理内部装置如图2.7所示：减法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 器计数比拟器预 置温度存放器减到0图2.7 测温原理内部装置三DS18B20的测温流程DS18B20的测温流程如下图。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 DS18B20测温流程第四节 人机交互与串口通信人机交互人机交互、人

41、机互动英文：HumanComputer Interaction或HumanMachine Interaction，简称HCI或HMI，是一门研究系统与用户之间的交互关系的学问。系统可以是各种各样的机器，也可以是计算机化的系统和软件。人机交互界面通常是指用户可见的局部。用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。小如收音机的播放按键，大至飞机上的仪表板、或是发电厂的控制室。人机交互界面的设计要包含用户对系统的理解即心智模型，那是为了系统的可用性或者用户友好性。操作系统的人机交互功能是决定计算机系统“友善性的一个重要因素。人机交互功能主要靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成。可供人机交互使用的

42、设备主要有键盘显示、鼠标、各种模式识别设备等。与这些设备相应的软件就是操作系统提供人机交互功能的局部。人机交互局部的主要作用是控制有关设备的运行和理解并执行通过人机交互设备传来的有关的各种命令和要求。早期的人机交互设施是键盘显示器。操作员通过键盘打入命令，操作系统接到命令后立即执行并将结果通过显示器显示。打入的命令可以有不同方式，但每一条命令的解释是清楚的，唯一的。随着计算机技术的开展，操作命令也越来越多，功能也越来越强。随着模式识别，如语音识别、汉字识别等输入设备的开展，操作员和计算机在类似于自然语言或受限制的自然语言这一级上进行交互成为可能。此外，通过图形进行人机交互也吸引着人们去进行研究

43、。这些人机交互可称为智能化的人机交互。串口通信串口通信Serial Communication， 是指外设和计算机间，通过数据信号线 、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信本钱，但其传输速度比并行传输低。一应用随着计算机系统的应用和微机网络的开展，通信功能越来越显得重要。这里所说的通信是指计算机与外界的信息交换。因此，通信既包括计算机与外部设备之间，也包括计算机和计算机之间的信息交换。由于串行通信是在一根传输线上一位一位的传送信息，所用的传输线少，并且可以借助现成的 网进行信息传送，因此，特别适合于远距离传输。对于那些与计算机相

44、距不远的人-机交换设备和串行存储的外部设备如终端、打印机、逻辑分析仪、磁盘等，采用串行方式交换数据也很普遍。在实时控制和管理方面，采用多台微机处理机组成分级分布控制系统中，各 CPU 之间的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微机应用系统常用的接口许多外设和计算机按串行方式进行通信，这里所说的串行方式，是指外设与接口电路之间的信息传送方式，实际上，CPU 与接口之间仍按并行方式工作。二工作方式由于 CPU 与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位存放器串并和“发送移位存放器并串。 在数据输入过程中，数据 1 位 1 位地从外设进入接口的“接

45、收移位存放器，当“接收移位存放器中已接收完 1 个字符的各位后，数据就从“接收移位存放器进入“数据输入存放器。 CPU 从“数据输入存放器中读取接收到的字符。并行读取，即 D7D0 同时被读至累加器中。“接收移位存放器的移位速度由“接收时钟确定。在数据输出过程中，CPU 把要输出的字符并行地送入“数据输出存放器，“数据输出存放器的内容传输到“发送移位存放器，然后由“发送移位存放器移位，把数据 1 位 1 位地送到外设。“发送移位存放器的移位速度由“发送时钟确定。接口中的“控制存放器用来容纳 CPU 送给此接口的各种控制信息，这些控制信息决定接口的工作方式。“状态存放器的各位称为“状态位，每一个

46、状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误。例如，用状态存放器的 D5 位为“1表示“数据输出存放器空，用 D0 位表示“数据输入存放器满，用 D2 位表示“奇偶检验错等。能够完成上述“串 并转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器(UART ：Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)，典型的芯片有：Intel 8250/8251，1655010。三接口标准实现数据格式化：因为来自CPU的是普通的并行数据，所以，接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。在异步通信方式下，接口自动生成起止式的帧数据格式。在面向字符的同

47、步方式下，接口要在待传送的数据块前加上同步字符。进行串-并转换：串行传送，数据是一位一位串行传送的，而计算机处理数据是并行数据。所以当数据由计算机送至数据发送器时，首先把串行数据转换为并行数才能送入计算机处理。因此串并转换是串行接口电路的重要任务。控制数据传输速率：串行通信接口电路应具有对数据传输速率波特率进行选择和控制的能力。进行错误检测：在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其他校验码。在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码，确定是否发生传送错误。进行TTL与EIA电平转换：CPU和终端均采用TTL电平及正逻辑，它们与EIA采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进

48、行转换。提供EIA-RS-232C接口标准所要求的信号线：远距离通信采用MODEM时，需要9根信号线；近距离零MODEM方式，只需要3根信号线。这些信号线由接口电路提供，以便与MODEM或终端进行联络与控制。理论性强第三章 系统硬件电路设计第一节 系统结构框图温度控制系统采用AT89S51八位机作为微处理单元进行控制。采用4X4键盘把设定温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器，还可以通过键盘完成温度检测功能的转换。温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比拟来控制温度控制器。系统结构框图如图3.1：AT89S51温度控制报警电路显示电路温度传感器键盘设定图3.1 系统结构框图根据系统的设计

49、要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89S51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。选用数字温度传感器DS18B20，省却了采样保持电路、运放、数模转换电路以及进行长距离传输时的串并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件本钱。该系统的总体设计思路如下：温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89S51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符LCD，1602液晶模块。检测范围5摄氏度到60摄氏度。本系统除了显示温度以外还可以设置一个温度值，对所测温度进行监控，当温度高于或低于设定温度时

50、，开始报警并启动相应程序温度高于设定温度时，风扇开；当温度低于设定温度时，加热器开。第二节 人机交互与串口通信单元设计输入电路设计一单片机电路单片机电路引脚图如图3.2所示：图3.2 单片机电路引脚图二温度传感器电路温度传感器电路引脚图如图3.3所示：图3.3 温度传感器电路引脚图显示电路设计显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序的编写。显示电路图如图3.4所示：图3.4 显示电路图串口通信电路一继电器电路图中的引脚控制加热器继电器。给低电平，三极管导通，电磁铁触头放下来开始工作。继电器电路如图3.5所示：图3.5 继电器电路图晶振控制电路晶振控制电路如图3.6

51、所示：图3.6 晶振控制电路图 三复位电路复位电路如图3.7所示：图3.7 复位电路图第三节 控制执行单元设计一、键盘单元单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路，以及专一的复位功能外，其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。 键开关状态的可靠输入 ：为了去抖动，所以采用软件方法，它是在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保持闭合状态电平那么确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响6。在这种行列式矩阵键盘非编码键盘的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。当确认有按键按下后下一步就要识别哪一个

52、按键按下。对键的识别通常有两种方法：一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。4*4键盘，说明线反转法工作原理。首先区分键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。方法是：向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。判断键盘中哪一个键被按下是通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，那么所按下的键不在此列；如果不全为1，那么所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的

53、那个键。键盘的按键分布如表3.1所示：表3.1 键盘的按键分布0123456789F1F2去除开启关闭确定键盘共有16个按键，用于方便设定温度。0.9：数字按键，输入数字0-9；确认：设置确实认，修改设置温度时进行确认；去除：设置的去除，修改设置温度时进行删除；开启：开启电源关闭：关闭电源F1：显示及设置转换到温度点1，按此按键后，显示预设置温度的数码管闪烁；F2：显示及设置转换到温度点2，按此按键后，显示预设置温度的数码管闪烁；二、温度控制及超温警报单元当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通过 P1.4 输出控制信号驱动三极管 D1 ，使继电器 K1 开启降温设备 ( 压缩制冷设备

54、 ) ：当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过 P1.5 输出控制信号驱动三极管 D2 ，使继电器 K2 开启升温设备加热器1) 。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。具体电路连接如下图。 图3.8 具体电路连接图第四章 系统软件设计第一节 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开展的今天，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

55、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

56、的速度比拟快，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。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。对于要求反响灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体

57、积小、系统小的许多“电脑化产品，可以充分表达出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点8。本装置的软件包括主程序、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。第二节 系统主程序流程图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。通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数局部与小数局部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。其程序流程如下图：图 主程序流程图 第三节 数据转换子程序流程图温度传感器采集到的模拟信号，需经过

58、A/D转换器转为数字信号后交由单片机处理。数据转换子程序流程如图4.2所示：开始进位C清0终止R2是否为0P1.0置 0延时46US带进位右移延时12US图4.2 数据转换子程序第四节 温度采集子程序流程图温度采集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，校验有错时不进行温度数据的改写9。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到达预期的目的，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。温度采集子程序如图4.3所示：DS18B20复位、应答子程序跳过ROM匹配命令写入子程序温度转换命令写入

59、子程序显示子程序(延时)DS18B20复位、应答子程序跳过ROM匹配命令写入子程序读温度命令子程序终 止图 温度采集子程序第五节 动态显示子程序流程图 动态数码管按不同方式滚动显示，通过软件实现逐位轮流点亮每个LED。动态显示子程序流程如图4.4所示：开 始结 束串行口初始化往缓冲区送数查段码送显示图4.4 动态显示子程序 第六节 控制执行子程序流程图控制执行程序是本系统的核心，是实现温度自动控制过程中的最主要步骤。控制执行子程序流程如图4.5所示： 开 始初始化DS18B20显示当前温度判断当前温度值超过设定温度上限启动风扇降低温度红灯亮设定温度上、下限启动电热器升高温度是否低于设定温度下限

60、是绿灯亮否图4.5 控制执行子程序结 论本设计是以AT89S51为核心，利用软硬件相结合的自动控制的典型例子。在单片机自动控制已经广泛的应用于人们的生产和生活的今天，传统用模拟电路来控制温度的做法，已经逐渐被淘汰。这个系统的实现，改变了传统的温度控制方法，为温度的控制开辟了一条新的道路。根据我国的科技和工业水平，这个系统的设计是符合工业生产的需要。实现我国的工业化，自动控制是其中的一个重要目标，自动控制系统正广泛的应用于工业生产和人们的日常生活。本系统的设计成功知识实现自动控制的“冰山一角，但它为以后更加智能化、人性化的自动控制系统的设计，作了铺垫。因此这种系统的设计具有比拟好的社会效益。本系