基于单片机的温度控制系统的设计

基于单片机的温度控制系统的设计摘要:在人类的生产和生活中，温度是众多常用的被测参数之一，它的变化对我们有着重大的影响。温度检测被广泛应用于工业生产反响器，加热炉，以及日常生活中的使用，烘干箱，电热水器，微波炉等对所有的控制和监测温度有非常高的要求。本主题旨在设计高精度温度检测和显示系统。以单线温度传感器DS18B20和检测到的数据送到AT89C51进行分析，并由三端双向可控硅，键盘，还有核心处理器共同实现运行，并将最终温度以四位一体的数字显示。同时假定一个温度上限与下限，如果温度越过接线均报警。使用MCS-51系列单片机为控制中枢处理器，运行轻易，灵活，而且可以大大提高温度检测标准性。关键词：微控制器,温度传感器,温度控制DesignoftemperaturedetectionsystemusingsinglechipmicrocomputerAbstract:Asthetemperatureparametersrequiredfortheproductionofhumanlifeandtheimpactonourincreasinglysignificant.Temperaturedetectionarewidelyusedinindustrialproductionreactors,furnaces,anddailylifeuse,dryingoven,electricwaterheaters,microwaveovensandothercontrolandmonitoringofallhaveaveryhightemperaturerequirements.Thistopicisintendedtodesignhigh-precisiontemperaturemeasurementanddisplaysystem.In-linetemperaturesensorDS18B20andthedetecteddatatobeprocessedAT89C51bytriac,thekeyboard,thecoreprocessortocoordinatethecompletionofthework,andthefinaltemperaturedisplayedinoneofthefournumbers.Andsetatemperaturelimitandthelowerlimit,analarmifthetemperatureofthelinecanbe.UseMCS-51seriesmicrocontrollercoreprocessorrunningconvenient,flexible,andcangreatlyimprovethetemperaturedetectionnormative.Keywords：microcontroller,transducer,temperaturedetection目录绪论.......................................................................11.1温度控制系统研究现状..........................................................11.2论文的总体工作和内容方案......................................................2第二章系统总体设计方案与器件选择.................................................32.1主芯片的选择..................................................................32.2度传感器的选择与测量..........................................................42.3DS18B20简介及其工作原理......................................................52.4四位一体数码管的简介..........................................................8第三章系统硬件电力设计..........................................................113.1系统框图.....................................................................113.2系统硬件设计.................................................................123.2.1微控制器.................................................................123.2.2温度检测模块.............................................................133.2.3键盘模块.................................................................143.2.4温度显示模块.............................................................153.2.5报警功能的实现...........................................................16第四章系统软件方案设计..........................................................174.1软件程序设计流程图...........................................................174.2使用PROTEUS进行仿真..........................................................19结论.............................................................................21参考文献〔References〕...........................................................22致谢.............................................................................23绪论1．1温度检测系统研究现状温度检测技术的开展生产管理的整合与数字化是如今产业自动化控制的趋向，到达这些成效需要有工业电脑、工业网络和巨大的数据资料库。采用先进的技术来监控各种控制参数〔例如温度，流量和压力等〕，在复杂的工业和社会环境中，可以明显的加速生产和管理的自动化能力。轨道的温度测量〔也称为上的温度分布的测量技术〕，是一个利用计算机进行数据采集，数据传输和数据通信的分析和处理的新技术，是一个在生产过程当中解释温度与热加工工艺的相关程度的新手段，跟踪被测量为一个图表或者数字。在生产与管理中温度是一个重要的检测项，温度检测器〔也被称为跟踪〕技术有相当巨大的利用前景。1)国内和国外温度检测技术的走向(1)扩展检测范围目前常见的工业温度测量领域为-200〜3000℃，但对于超高温未来的需求会越来越高，特别是低温液化气体检测更加明显，如低于10K的温度检测是目前探索的重中之重。(2)扩大测温对象温度检测技术将开展到如此地步，从点至线，再到面，甚至是三维测量。应用已经扩展到工业方面，家电，汽车和航空实业，工业环保。(3)开展新型产品使用原来的技术进行生产测试，以应对不同的情况和原来不同条件需求，进而实现客户的需求。再使用新的检测技术优势，创造新的作品。(4)适应特殊环境下的测温在许多场合，有特别的需求，如抗硫，抗爆，磨损性能需求的温度检测器;还有快速运动的物体温度，火焰等各种温度检测。(5)显示数字化测温仪器在向数字化方向实现。它的益处是可以直接观察、没有示数错误、分辨率很高、测量精确，所以将来会有巨大的销售潜力。(6)标定自动化利用电脑技术，迅速、精确、温度探测器自主校准。2〕国内和国外温度检测的走向依据上面所说需求，行内的测温仪器厂家未来可以向着下面几种检测元件开展：(1)继续制造更使用的传统的温度检测元件，如:热电偶、热电阻、热敏电阻等。2〕加大对最新理论，新材料，新的制作技术的开展。像最近仍然在开展的薄膜类热敏电阻，还有厚膜，薄膜铂电阻类温度检测器，等。(3)向智能、数字、自动化目标开发。这些新产品不但有检测作用，而且还有判别和命令作用，使用电脑智能化目标开发，同时为机电一体化目标前进。1．2论文的总体工作和内容方案这篇论文是基于微控制器的温度测量系统的设计与实现，其主要内容分为四个章节。第一章绪论，主要为今天的温度测量系统，温度测量的开展，选择温度传感器的测量方法进行了介绍。装置选择的第二章中，该系统的整体设计被分成几个模块，分别用于所需的芯片的设计使用多个模块，所述装置进行了介绍。第三章系统硬件电路设计为假设干单独的模块的系统，包括一个微控制器，一个温度检测模块，接口设计，温度显示，报警功能被实现，详细介绍。第四章会介绍系统软件设计，这一章涵盖了软件设计流程图，作品的PROTEUS仿真。系统总体设计方案与器件选择选择设备和使用该设备之前，一定要有更好的理解所涉及的产品与应用方向的设计特性。本章重点介绍所使用的芯片和设备的硬件设计，包括采用的主芯片AT89C51，温度获取模块中选择的芯片DS18B20，显示模块中选用四位一体数码管，温度控制模块可控硅等。2.1主芯片的选择AT89C51简单介绍AT89单片机结构根本上是相同的，唯一的各个模块和功能的一些差异。在技术生产中，它选用了ATMEL，能够和常用的工业准那么MCS-51指令集合跟输出管脚兼容[3]。ATMEL的AT89C51是一个很有效的微控制器，它在整个芯片微处理器中结合了灵巧的8位CPU和闪速存储器，这种方法为许多嵌入式控制系统提供廉价并且高弹性的方案。AT89C51的形状和引脚分布情况如图2-1：图2-1AT89C51芯片构造图它含有所需的微处理器的根本功能，各功能通过单芯片总线连成一个整体，集成在一块芯片上。AT89C51外接引脚有下面两种：1〕XTAL1：当内部振荡器运行时，它通过一个引脚外部晶振和可小调的电容。2〕XTAL2：反相放大器芯片振荡器的输出，并连接到一个外部石英晶体和微调电容器的另一端。当外部振荡器运行，这个引脚悬空。第一条命令取指，译码并运行指令，译码，运行指令继续。SCM自动步说明，以完成各种功能来实现相应的指令一步。在每个时间微指令操作有着严格的顺序，时间顺序，我们将调用此微操作时机。[4]我们所说的单芯片时钟信号被用于各种微芯片的微控制器的操作提供了一个时间基准。2.2温度传感器的选择与测量有很多类型的温度测量方法，一般总结为两类：碰触式和非碰触式测温。1〕接触式测温法由热平衡原理，当接触两个物体彼此相对够长，经验丰富的热交换，将到达所谓的热平衡，此时就意味着这两个物体的温度是一样的。将要进行热交换的两个目标看成是温度计的两个对象，一个是被测量的对象，另一个是作为参考的对象，该对象可以利用温度计读数来测定[2]。这种方法，可靠，精度高，但该措施必须要求当温度计和被测量对象具有良好的热接触，并且它们之间有足够的热传递，因此它可能会导致温度滞后，这一措施要测量的目标和待测量可能发生某种反响，但一些待测目标由耐火材料制成的，接触温度测量仪器是没有方法来测量温度。2〕非接触式测温法仪器和测量对象之间没有必要进行测量，检测一个目标的实际温度是通过检测伴随温度变化而变化的热辐射温度，非接触式温度测量通过检测热施加的根本规律的范围辐射能量，测量范围也不会被这种方式所制约，并且温度测量会加快速度。非接触式温度测量也经常应用于运动测量体温，它不需要与每个其他目标与测量仪器有所碰触，亦不会改动被测目标的温度的分布情况。2.3DS18B20简介及其工作原理美国DALLAS公司的1-Wire设备，DS18B20的优点：低功耗，小尺寸，高性能，干扰，处理器配置容易，且该装置的温度可以被直接转换成串行数字信号送入处理器进行适当的处理[5]。DS18B20器件具有以下几个特点：·它不需要任何辅助装置可以测温度；·电压范围；·1端口通讯；·最大转换时间750ms；·温度测量范围-55~+125℃；·有温度越线警告设置·负电压特性；〔电源极性反转事故，该装置不会因过热受损，但无法正常工作。〕2-3所示DS18B20引脚分布情况，各引脚作用如表2-2所示。图2-3DS18B20外观及引脚排列表2-2DS18B20引脚说明引脚号符号说明123GNDDQVDD接地数据输入/输出脚；开路单总线接口引脚；当在寄生电源操作可以提供功率给设备。可选的VDD脚；如图2-4所示，当与单片机相连DS18B20，可以根据单节点系统〔附属〕的操作，亦可依据多节点系统〔更多的附属〕来进行操作[5]。一般情况下，使用连接到端口，也可外接上拉电阻到4.7K。图2-4DS1820供电指示图图2-4中：1〕64位ROM。2〕温度传感器。DS18B20用于温度测量技术是一个片上温度测量技术，其运行过程如下：由具有高温度指数的振荡器，以确认是一个门循环中，在相应期间的低门振荡器的温度系数将内部计数器脉冲计数，从而获取温度。计数器被设置为对应于80℃的值。如果在周期停止之前的门计数器已经位于零，同样被预设为一值之前的80℃的温度存放器里的数值相应增加，这就是说所测量目标的温度大于80℃。再把被重置为某个原始值用感温振荡器抛物线特性来确定，斜坡式蓄能器电路来确定补偿，那么计数器开始计数一直到零，这个过程反复进行，直到在栅极周期。为了获得高分辨率的温度，振荡器抛物线温度特性倾斜累加器电路通过改变计数器的值的计数一次所需的温度到达对每个补偿[7]。因此，如果要获得所希望的分辨率，那么它也必须知道的计数器和一个给定的温度的每单位的计数值的值。分辨率DS18B20温度结果可以加大概小的分辨率，在16位模式中的温度值的大小和扩展二进制与符号位补充读出。表2-3所说明的是送出的数据与温度的联系。DS18B20温度范围0℃〜+90℃，使用的是单个接口将测量数据的串行数字输出模式。表2-3温度数据关系温度℃数据输出〔二进制〕数据输出〔十六进制〕+125+85+25.0625+10.125+0.50-0.5-10.125-25.0625-55000001111101000000000101010100000000000110010001000000001010001000000000000010000000000000000000111111111111100011111111010111101111111001101111111111001001000007D0H0550H0191H00A2H0008H0000HFFF8HFF5EHFE6FHFC90H访问DS18B20芯片的软件解决方案，必须使用由单个总线协定仿真和时序来到达。由于DS18B20要靠I/O线来读取和写入数据，故DS18B20读写数据位有很苛刻的时序要求。DS18B20通过其非常苛刻的协议，以确保每个数据输送的准确，该协议定义了三种类型的信号定时是：初始化定时，写定时和读定时[8]。上述定时三个是主机作为主设备，单总线从设备，如果有单总线设备发送数据回一定由主机每次输送数据的要求，在完成写指令后，主机将自动读取定时，定时通过读取所接收的数据，以完成任务。无论是传输转移至少显著位在后的第一高数据或命令。DS18B20的初始化时序如图2-6所示。图2-6DS18B20的初始化时序如果DS18B20写0，单总线将被拉低，以确保DS18B20也许会在写定时的总线中准确的采样，写1时序的同时，单总线将被拉低，他们必须在15发出总线[8]。DS18B20的写时序如图2-7所示。图2-7DS18B20的写时序至于DS18B20读定时可以将数据输送至总线。DS18B2060us至少需要完成的处理的读出定时。DS18B20的读时序如图。图2-8DS18B20的读时序2.4四位一体数码管的介绍要显示的发光二极管LED〔发光二极管〕的LED，当由人工控制的二极管导通时间某些区段的发射，数码管将显示对应的字符的几个局部。LED灯管控制简单，价格廉价，因此非常普遍的微控制器。在LED灯的数字显示时，我们至少要流过5毫安的电流，但是电流也不能过多，不然二极管就会被销毁，所用的共阳极方式与单片机的I/O上拉只访问端口，也可能连接到电阻，假设所用的是共阴极的方式，但也有外部驱动电路，以改善驱动作用的MCU[1][6]。7段LED加一个小数点，需要提供的字体代码LED数码管只是一共有八个字节，不管共阳极或共阴极LED数码管都有其相应的字体代码，如图2-9。图2-9字型码对应关系表2-4LED数码管的字型码表〔十六进制〕显示字符共阳极共阴极显示字符共阳极共阴极01234567C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H89ABCDEF80H90H88H83HC6HA1H86H8EH7FH6FH77H7CH39H5EH79H71HLED显示的方法有：静态显示和动态显示。如果数码管有较多位的时候，以便电路更简单通常将动态显示，此设计中使用动态显示。所谓动态显示被点亮为轮流每个显示，并且只有一个显示器被点亮的同时，但因为肉眼的视觉作用和余辉，LED的持久不亮时，将有更多的字符同时显示的情形。为了实现LED数码管动态显示，并行控制线全部位用一个8位的字体I/控制O口，来操作每个LED数码管，这是所有显示器共阳极、共阴极，分别从各自对应的I/O接口，以及一个四个数字操作，它是单独的内部共终端，并显示字符的字体控制线一直连着，这时直接操作[6]。引脚连接和位四个数字控制线的一个由四位LED数码管组成原理见下列图2-10。图2-10四位一体共阳极数码管系统硬件设计本节介绍了系统和完善的硬件结构设计，通过引入第二章的整体框架中，我们可以选择使用有一定的了解的重要的硬件电路芯片和设备，在该技术的每个局部已经硬件连接和细节。3.1系统框图任务的设计和基于微控制器，模拟设计烘箱的温度检测和显示系统实现温度检测系统。由温度传感器进行温度测量，数据收集到中枢处理器，键盘等来控制温度，并通过数字显示的温度。设计系统主要由一个微控制器，一个温度检测模块，键盘模块，温度显示模块，报警部件，单片机选择简易和灵敏的AT89C51，可以大大提高温度检测标准。系统结构框图如图3-1所示：温度传感器温度传感器1 温度传感器2温度传感器4温度传感器3A/D转换器AT89C51单片机按键LCD显示蜂鸣器报警图3-1系统框图1、AT89C51单片机AT89C51单芯片是系统，它具有4千字节的FLASH存储器的设计的重心，而且还行业标准MCS-51指令集常用且其输出引脚兼容。AT89C51是一个很有效的微控制器，每个芯片里都结合了通用的8位CPU、闪速存储器，这种方法为许多嵌入式控制系统提供廉价并且高弹性的方案。2、温度检测模块本设计使用DS18B20当做温度传感器，DALLAS厂家所研发，他可以只是一根端口线即可以和多芯片DS18B20和沟通，这样的设计可以保存最动态逻辑电路之间的接口线路。DS18B20小尺寸组装，高温度分辨率，温度可以直接转化成串行数字信号进行处理，除此之外他还低消耗，性能高，抗干扰性强，易与处理器。3、温度显示模块当LED数字位更多的时间，以便简化电路通常显示动态显示，动态显示是一个一匝每个显示被点亮，并且仅仅一个显示器被点亮的同时，更多的字符将在相同的现象被照亮。本设计采用四位一体共阳极LED显示器，这款显示器显示初始设置特定的温度或电流还有实时温度。。4、报警模块蜂鸣器被普遍运用在计算机，警报，打印机等数字产品作为新一代声音设备的整体组件。通过蜂鸣器报警功能的设计是由一个温度传感器DS18B20取得获取的温度数据，微控制器用于分析所收集的数据，如果偶然使之比设定温度高的温度时，蜂鸣器鸣响警报。5、键盘模块为了使系统轻易紧凑，设计中使用一个独立的键盘，按键直接连到I/O端，键盘只设置了五个功能按键，启动按钮，“百〞，“十〞和“有点〞按钮。可以在每百部，10的设定温度用数字键和一个位被置位，当任一个键被按下时，会导致输入端口为低，假设没有任何键被动作，为高电平。只要软件设计不断地检查情况端口出现低，这确定哪个键被按下。3.2系统硬件设计3.2.1微控制器我们选择AT89C51是CMOS8位微处理器，闪存4千字节，MCS-51指令集，它会与行业标准的正常使用引脚彼此相容[11][12]。ATMELAT89C51是一种非常有效的微处理器，微处理器等大量被采用于工业设计，这种设计给整个系统提供了必要廉价和灵活性。它包含必要的微型计算机，通过总线片连成一个整体的功能组件，所有这些都集成在一块芯片上的功能结构的根本特征。无论什么微控制器的类型，总是涉及微控制器复位电路设计，微控制器启动需要复位，从而使CPU和系统中建立的初始状态下的各种组件，并开始从初始状态的工作[14]。本设计使用了手动重置键，重置键被按下时，适用于低RST将结束，又RST为低电平才会被触发有效，因此通过手动按下按键重置。如图3-2所示复位电路。图3-2复位电路1〕复位操作允许设备初始化。初始化结束之后，系统将最先执行从地址0000H单元的命令。2〕复位后的特别功能存放器的状态确定，相应的含义：SP=07H，说明〔被推即第一内容被写入到08H单元〕堆栈指针的片上RAM中07H单元。显著位IP，IE和PCON是零，即每个中断源是一个低优先级，所有中断被关闭时，串行通信波特率不会加倍[15]。3.2.2温度检测模块采用通过产生DS1820温度传感器美国DALLAS半导体单总线设备，这在过去传统的热敏电阻不同，DS18B20可直接测量温度为串行信号输出，供应微控制器进行处理。信息到由它自己的单线接口到芯片或发送的芯片进行检查，仅需要一个单一的信号线和接地，这种设计从微控制器到芯片，越是温度分辨率高节省了大量的逻辑和繁琐的布线的。表3-1，[5][8]。表2-3温度数据关系温度℃数据输出〔二进制〕数据输出〔十六进制〕+125+85+25.0625+10.125+0.50-0.5-10.125-25.0625-55000001111101000000000101010100000000000110010001000000001010001000000000000010000000000000000000111111111111100011111111010111101111111001101111111111001001000007D0H0550H0191H00A2H0008H0000HFFF8HFF5EHFE6FHFC90H从上拉电阻和4.7KDS18B20组合物，即直接与微控制器P3.7测温电路/RD端口相连。其引脚功能如下表中3-2所示。表3-2DS18B20引脚说明引脚号符号说明123GNDDQVDD接地数据输入/输出脚；漏极开路，在正常高。3.2.4键盘模块为了使轻易和紧凑的键盘，故只安装五个功能键，它们是启动按钮，“百〞，“十〞和“有点〞按钮、切换按钮，AT89C51芯片中的P1口低4位作为控制来调节键盘接口系统。可以在预设的温度用数字键，分别为100，10，和一个位被置位，并且在LED显示当前的设置。如图3-4所示：图3-4温度设定模块电路连接图3.2.5温度显示模块如图3-5MCU和四个共阳极的一个LED动态显示接口电路。选择线段经由连接到的放大器电路直接连接到P0口位线选择。图3-5温度显示模块电路连接图因为需要更多的管LED数字位，为了简化电路系统的设计，该设计使用了动态的显示模式，四个共阳极LED显示器之一的选择，这显示器显示初始设定具体温度或电流实际温度。控制动态显示的方法是在送转的四个数字字体代码和相应的位选信号，四位数码管首次点亮，同时控制每个数码管的时候亮起时，从而实现动态扫描显示[16]。3.2.6报警功能的实现蜂鸣器是一种电子装置的集成式结构，大量被使用于计算机，报警，复印机等电子产品作为声音产生装置，蜂鸣器重点划分电压蜂鸣器和磁性蜂鸣器[10]。蜂鸣声的原理：让电流流过电磁线圈，线圈会产生磁场，该磁场会启动振动板，但必须有一个恒定电流以启动它，通过微控制器的I/O引脚的电流微弱。本设计报警功能由蜂鸣器来实现。温度传感器DS18B20的采集温度数据，微控制器AT89C51用于分析收集到的数据，因为如果由事故导致比设定温度高的温度下，P0.6口发送一个高驱动蜂鸣器发出警报声。图3-7所示的报警电路连接：图3-7报警电路连接图系统软件方案设计4.1软件程序设计流程图本节描述了硬件电路设计为一个软件程序，每个模块的程序设计方法的主要内容，包括主要的过程以及常规流程。4.1.1主程序流程系统必须首先进行初始化，呼叫温度检测器通过调用温度显示检测初始化子程序的当前温度，并且在子程序显示当前的温度，然后将温度调节用的子程序调用，使用按键进行温度设置。4.1.2温度检测子程序流程图在主程序中，系统必须先进行初始化，温度检测器通过调用初始化的温度显示初始化子程序的当前温度，并且在子程序显示当前的温度，然后将温度调节用的子程序调用，使用按键对上限和下限的温度进行设定。系统将检测的实时温度和设定的温度比拟，如果实时温度高于或低于最先设置的温度时，蜂鸣器都会报警。如图4-1开始开始系统初始化取温度点F1\F2温度显示是否有按键比拟设置温度与当前温度大小按键控制按键处理YESSNO图4-1温度检测程序流程图4.1.3温度上下限调整子程序流程图温度调节子启动程序后，需要进行检查，如果该键关闭，如果没有关闭按钮，返回到主直道。如果一个键被关闭时，有必要检测哪些键被关闭。如果P0.0为低，然后关闭的关键环节。如果P0.1为低，那么关闭十个键。如果P0.2为低，那么关闭按钮百户重点，如果P0.3低，关机键启动按钮。当按下其他三个按钮，分别是位密钥，数字键，百户重点，温度的对应位，十，百，个，直到进行到9递增，再继续操作按键返回0，三个主要按钮单独调节每个数字温度，十，百，各位之间互不影响。4.2使用PROTEUS进行仿真所使用的仿真和设计软件为Proteus，把温度调节和显示，温度的获取和显示仿真程序分成两个局部。Proteus，作为最好的仿真工具之一，在单片机爱好者，学者中广为流行，是我们现在唯一的电路仿真，PCB设计和仿真三重虚拟模型的设计软件。4.2.1温度采集与显示采集和处理温度的显示：当DS18B20采集温度数据，通过微控制器AT89C51，读出值与实测值的处理DS18B20，温度采样时间是1秒/次。当读取数据的CRC检查温度，并且将测量值BCD码转换，正或负的判断温度，最后显示输入的数字数据。在本系统设计仿真模块中，使用者能够自己设置DS18B20采集温度值，微控制器AT89C51读出DS18B20的测量值然后分析数据，把分析完的数据输入数码管进行显示。图4-2为温度采集：图4-2仿真图中采集温度4.2.1设定温度调整与显示设定温度调整模块中，系统设有：启动键、个位键、十位键、百位键、切换键。可以操作切换键来显示实时温度和设定温度。并通过个位键、十位键、百位键来调整设定温度。如