工厂自动温度检测控制系统课程设计.doc

计 控 学 院College of computer and control engineering Qiqihar university电气工程课程设计报告题目：工厂自动温度检测控制系统系 别 电 气 工 程 系 适用班级 电气12级 指导教师 时 间 学生姓名 提交日期 II摘要本设计是以51单片机作为控制核心的一种基于单片机的工厂自动温度检测控制系统，本系统设计采用LCD 1602液晶显示屏作为输出显示模块部分，DS18B20作为温度采集模块部分。该设计具有自动检测环境温度的功能，四个按键可以设置工厂车间的上限温度和下限温度。当车间温度超过设置温度，系统会自动报警并且点亮报警灯，然后系统会自动启动温度处理模块，对其温度进行控制调节。从而达到自动检测控制的功能作用，为工厂提供了安全的工作环境。关键字：单片机； 温度； 控制目录摘要I1.1 测温元件的选择11.1.1 DS18B20数字温度计11.1.2 热电偶测温11.1.3热敏电阻测温11.2 显示元件的选择21.2.1 液晶显示21.2.2数码管显示2第2章 系统原理图设计及特点32.1 整体系统设计32.2系统与操作介绍42.2.1检测传感器DS18B20工作状态42.2.2查看温度报警值42.2.3设定温度报警值42.2.4报警状态显示标志42.3系统设计程序流程图53.1 STC12系列单片机63.2 DS18B20的介绍83.2.1 DS18B20内部结构83.1.2 DS18B20测温原理8第4章 系统模块介绍104.1温度检测模块104.2 LCD1602液晶模块114.3电源模块124.4报警模块134.5处理控制模块144.6按键模块15设计总结16参考文献18附录19第1章 方案选择1.1 测温元件的选择 温度的测量在当今社会得到广泛的运用,同时测温元件也非常多,根据不同的应用场合我们可以做出不同的选择,首先介绍一下几种测温方式: 1.1.1 DS18B20数字温度计DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。另外它的测量温度范围在-55到+125之间，它是数字温度计，分辨率用户可以从9位到12位选择。因此用它组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 1.1.2 热电偶测温电偶测温原理是根据热电效应制成的一种测温元件。它结构简单，坚固耐用，使用方便，精度高，测量范围宽，便于远距离、多点、集中测量和自动控制，是应用很广泛的一种温度计。如果取两根不同材料的金属导线A和B，将其两端焊在一起，这样就组成了一个闭合回路。因为两种不同金属的自由电子密度不同，当两种金属接触时在两种金属的交界处，就会因电子密度不同而产生电子扩散，扩散结果在两金属接触面两侧形成静电场即接触电势差。这种接触电势差仅与两金属的材料和接触点的温度有关，温度愈高，金属中自由电子就越活跃，致使接触处所产生的电场强度增加，接触面电动势也相应增高。由此可制成热电偶测温计。 1.1.3热敏电阻测温热敏电阻体是在锰、镍、钴、铁、锌、钛、镁等金属的氧化物中分别加入其它化合物制成的。热敏电阻和金属导体的热电阻不同，它是属于半导体，具有负电阻温度系数，其电阻值是随温度的升高而减小，随温度的降低而增大，虽然温度升高粒子的无规则运动加剧，引起自由电子迁移率略为下降，然而自由电子的数目随温度的升高而增加得更快，所以温度升高其电阻值下降。 根据这些，我选择了DS18B20做为温度检测的主要模块器件。因为它线路简单，操作起来方便。1.2 显示元件的选择 1.2.1 液晶显示 液晶显示器各种图形的显示原理 线段的显示：点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节H的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00F=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。可以显示英文，这样更加方便反映了不同工作状态下的工作状态显示。 1.2.2数码管显示 数码管价格方便，可以显示数字。可是无法显示不同工作状态的标志，因此不够清晰反映不同的工作状态。 根据以上内容，我们选择采用液晶作为显示部分。第2章 系统原理图设计及特点2.1 整体系统设计温度只要在所设定的上下温度界限内，就会在显示设备中精确的显示出来，如果温度超过了所设定的温度界限，就发出报警声。能够及时向温度监控人员发出温度超限信息。便于温控人员及时的调整与控制。另外此温度控制器操作简单，体积小，灵敏度高，精度高。其系统包含6大模块。分别是LCD液晶模块、 按键模块、处理控制模块、报警模块、电源模块、温度检测模块等。系统结构框图如图2-1-1所示。 图2-1-1 系统结构框图2.2系统与操作介绍 2.2.1检测传感器DS18B20工作状态液晶显示温度控制器接通电源后，在工作正常情况下，液晶显示屏上第一行显示信息为“DS18B20 OK”；第二行显示为“TEMP：XX.X ”（实际温度值）。若传感器DS18B20 ERROR”;第二行显示为“TEMP:-”.这时要检查DS18B20是否连接好，如果连接没问题，则需要更换一个新的DS18B20芯片。 2.2.2查看温度报警值按K1键，进入查看温度报警值状态，此时显示屏第一行显示为“LOOK ALERT CODE”；第二行显示“TH:0XX TL:XX”.其中TH为高位报警值，TL为低位报警值。按K3键退出查看温度报警状态。 2.2.3设定温度报警值按K2键，进入查看温度报警值状态，此时显示屏第一行显示为“RESET ALERT CODE”；第二行显示“TH:0XX TL:XX”. 此时的K1键为设定值加，减方式选择键，默认为减少。K2键为TH值设定键；K3键为TL值设定键；K4键为确定键，按此键退出设定状态。 2.2.4报警状态显示标志（1）当实际温度大于TH的设定值时，在显示屏第二行上显示符号为“H”。此时关闭处理控制模块，蜂鸣器响起，表示超温。（2）当实际温度小于TL的设定值时，在显示屏第二行上显示符号为“L”。此时蜂鸣器响起，表示加热部分出现故障。（3）当实际温度小于TH的设定值时，处理控制模块，开始加热，加热的标记为“！”。 2.3系统设计程序流程图本设计程序采用了汇编语言。通过对于温度的采集以至最后系统根据采集的温度数据进行分析做出处理。其程序流程图如图2-3-1所示。 图2-2 整体工作流程图 第3章 部分器件的介绍3.1 STC12系列单片机1. STC12系列单片机为增强型 8051 芯片，1T，单时钟/ 机器周期，指令代码完全兼容传统8051单片机。2. 工作电压：STC12C5410AD 系列工作电压：5.5V - 3.8V（5V 单片机）/3.8V - 2.4V（3V 单片机）STC12C2052AD 系列工作电压：5.5V - 3.4V（5V 单片机）/3.8V - 2.4V（3V 单片机，可到2V）3. 工作频率范围：0 - 35 MHz，相当于普通8051 的 0420MHz.实际工作频率可达48MHz4. 用户应用程序空间12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K / 1K 字节5. 片上集成 512 字节 RAM(STC12C5410AD 系列), STC12C2052AD 系列单片机为256 字节RAM6. 通用I/O 口（27/23/15 个），复位后为： 准双向口/ 弱上拉（普通8051 传统I/O 口）可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏每个I/O 口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8. EEPROM 功能9. 看门狗10.内部集成MAX810 专用复位电路（外部晶体20M 以下时，可省外部复位电路）11. 时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部R/C 振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟常温下内部R/C 振荡器频率为：5.2MHz 6.8MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，应认为是4MHz 8MHz12. 共2 个16 位定时器/ 计数器，但可用PCA 模块再产生4 个定时器(2052 系列只有两路PCA)13. 外部中断2 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中断唤醒14. PWM(4 路）/PCA（可编程计数器阵列,4 路）,5410 系列是4 路，2052 系列只有两路- 也可用来当4 路D/A 使用- 也可用来再实现4 个定时器- 也可用来再实现4 个外部中断(上升沿中断/ 下降沿中断均可分别或同时支持)15. A/D 转换, 10 位精度ADC，共8 路。STC12C2052AD 系列只有8 位精度16. 通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12 系列是高速的8051，也可再用定时器软件实现多串口17. SPI 同步通信口，主模式/ 从模式18. 工作温度范围： 0 - 75 / -40 - +8519. 封装：PLCC-32, PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，TSSOP-20(超小封状6.4mm 6.4mm，定货)。PLCC-32 有27 个I/O 口，PDIP28/SOP28 有23 个I/O 口，PDIP20/SOP20/TSSOP20 有15 个I/O 口，I/O 口不够时，可用74HC595 / 74HC165 串行扩展I/O 口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。 STC12C5410AD 系列及STC12C2052AD 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/ 机器周期(1T)的单片机，是高速/ 低功耗/ 超强抗干扰的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12 倍，内部集成MAX810 专用复位电路。4 路PWM,8 路高速10 位A/D 转换,针对电机控制，强干扰场合。 STC12C2052AD 系列只有2 路PWM,8 路高速8 位A/D 转换。 本单片机相对在以前的51单片机上增加许多功能。本设计采用就是本系列单片机。其型号为STC12C5A32S2。3.2 DS18B20的介绍3.2.1 DS18B20内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位激光ROM，温度敏感元件，非易失性温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。64位激光ROM是出厂前被光刻好的，它其中保存着该DS18B20的产品信息和产品系列编码，可以看作是该DS18B20的地址序列号。单总线上所有DS18B20器件可以通过检索器件的ROM中的内容进行识别。DS18B20的管脚排列如图2所示。图2 DS18B20管脚排列引脚功能如下：VDD：可选电源脚，电源电压范围35.5V。工作于寄生电源时，此引脚应接地；DQ：数据输入/输出脚，漏极开路，常态下高电平。3.1.2 DS18B20测温原理DS18B20内含两个温度系数不同的温敏振荡器，其中温敏振荡器1相当于测温元件，温敏振荡器2相当于标尺，通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期，得到两个温敏振荡器在测量温度下的振荡频率比值，根据频率比值和温度的对应曲线，得到相应的温度值。其原理图如图3所示：图3DS18B20测温原理具体测温过程如下：首先由预置器2将温度寄存器预置为对应于温度下限（-55）的值。然后，由预置器1对计数器1也预置一个对应于温度下限（-55）的计数值，计数器1接收温度振荡器1的输出信号并进行减法运算。计数器2接收温敏振荡器2的输出信号得到实际温度值并送给温度寄存器作为比较标尺。如果计数器1首先递减到0，那么将向温度寄存器输出一个信号，温度寄存器的值将增加一位，对应温度值增加一个分辨率的值（如分辨率为0.5时，对应温度值增加0.5），说明实测温度高于-55。随后，斜率累加器根据两个温敏振荡器的温度特性曲线计算出下一个温度位置处计数器1的预置计数值，对计数器1再次进行预置。计数器1和计数器2再次开始计数。如果计数器2先于计数器1到达0，完成一次测温。温度寄存器中的值为测量所得的当前温度值。通过这个过程不仅完成了测温，而且将完成了温度值的数字化，省去了A/D转换器。 第4章 系统模块介绍4.1温度检测模块本此设计选用的传感器模块是DS18B20芯片。DS18B20是美国Dallas公司最新推出的一种单总线系统的数字温度传感器。与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。因而使用DS18B20可使系统结构更简单，可靠性更高。芯片的耗电量很小，从总线上“偷”一点电存储在片内的电容中就可正常工作，一般不用另加电源。最可贵的是这些芯片在检测点已把被测信号数字化了，因此在单总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。该芯片有如下特点：（1）单线接口，只有一根信号线与CPU 连接单总线器件，具有线路简单，体积小的特点；（2）不需要备份电源，可通过信号线供电，电源电压范围从3.35V；（3）传送串行数据，不需要外部元件；（4）温度测量范围从-55+125，-10+85时测量精度为0.5；（5）通过编程可实现912 位的数字值读数方式（出厂时被设置为12 位）；（6）零功耗等待；（7）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。其模块图如图4-1-1所示图4-1-1温度检测模块 4.2 LCD1602液晶模块本设计采用是LCD1602液晶显示，主要通过液晶来显示温度，该模块把采集到的温度显示出来，通过液晶可以显示系统各种工作状态。生动形象反映系统工作状态。其设计原理图如图3-2所示。图3-2所示液晶显示4.3电源模块本电源模块采用是外接电源，是从下载器外引入电源。其中加入电源指示灯，便于识别电源是否正确接入。其结构图如图3-3-1所示。图3-3-1电源模块4.4报警模块本设计采用软件处理报警，利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。当所测温度超过或低于所预设的温度值时，数据口相应拉高电平，报警输出。报警电路的连接如图3-4-1所示：图3-4-1 报警电路4.5处理控制模块 本模块是外接一个电机，并且有一个指示灯显示。主要是用于对于温度超过设置上下限值时，指示灯灯亮。就启动了本处理模块。对其温度进行改变。本模块的结果框图如图3-5-1所示。图3-5-1处理控制模块4.6按键模块本模块是系统设计的输入部分，可以设置系统温度的上限值和温度的下限值和实现温度的参考等功能。其结构图如图3-6-1所示。图3-6-1按键模块设计总结通过本次温度监控系统的设计,我大有收获，在制作过程中，一定要注意的每个工作步骤的检查，确保制作成功。比如在合理布线，检查装配无误的情况下，如果还出现电路无输出的情况，那么可以肯定是原理图错误，这时就要回到原理图进行检查。总体的检查顺序应该是原理图、PCB图、装配情况、焊接工艺。从整体来说这是一个复杂的过程，要细心谨慎，沉着冷静，反复检查，直到找到原因为止。这次单片机设计历时至少一周，从一开始的确定课题，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到频率合成电路课题中包含了通信电路和单片机部分知识，可以说是对通信电路知识的一次全面综合。在画原理图、PCB布线、安装和调试过程中不可避免地遇到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考，实在解决不了可以请教同学或指导老师。虽然在制作过程中不可避免地遇到很多问题，但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题，实现了整个系统设计与最后调试，相关指标达到期望的要求，很好地完成了本次设计任务。经过两年的学习的积累，在已经掌握相关专业方面知识及其它各方面知识的情况下，我认真严肃的完成了我的单片机课程设计。从得到题目到查找资料，从对题目的研究设定到PCB电路板的制作，从电路板的调试到失败后再一次全部重新开始在这一个充满挑战伴随挫折，充满热情伴随打击的过程中，我感触颇深，它已不仅是一个对我四年学习知识情况和我的应用动手能力的检验，而且还是对我的钻研精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。我在这个过程中深刻的感受到了做单片机的课程设计的意义所在，和我一样真正投入了身心去做的人也一定会有同样的感触。本课题的重点、难点是：（1） 初步接触温度传感器，要对传感器的原理、结构、应用等各方面从头开始琢磨；（2） 考虑从非电量信号到电量信号的电路实现原理以及与单片机的接口；（3） 熟悉拉RS-232-C串口编程的技术；（4） 考究调整电路的实现过程以及怎么样通过单片机来间接的控制。通过做本课题，我了解并掌握了传感器的基本理论知识，更深入的掌握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，并在这种能力上得到了