(精品论文)温度检测系统毕业论文1

摘 要摘 要在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各环境中的温度进行检测。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机广泛用于现代工业控制中。本论文侧重介绍“单片机温度控制系统”的软件设计及相关内容。论文的主要内容包括：采样、滤波、键盘、LED显示和报警系统。单片机AT89S52的开发以及系统应用硬件开发等。作为控制系统中的一个典型实验设计，单片机温度控制系统综合运用了微机原理、自动控制原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识，是对所学知识的一次综合测试。关键词：AT89S52、DS18B20、温度控制I目 录目 录第一章 绪论- 1 -1.1概述- 1 -1.2系统的性能要求及特点- 1 -1.3系统总体设计思想- 2 -第二章 系统分析及硬件设计- 3 -2.1系统的硬件总体结构- 3 -2.2 输入通道设计- 3 -2.2.1温度传感器的选择- 3 -2.2.2 DSl8B20传感器- 4 -2.3复位电路及时钟电路- 5 -2.3.1复位电路- 5 -2.3.2时钟电路设计- 5 -2.4键盘电路设计- 6 -2.5显示电路设计- 7 -3.5.1数码管显示电路- 7 -2.5.2液晶显示电路- 8 -第三章 软件设计- 10 -3.1 数据采集程序设计- 10 -3.2 显示子程序设计- 10 -第四章 开发环境及硬件调试- 11 -4.1 软件环境- 11 -4.1.1 Proteus- 11 -4.1.2. Protel99Se- 12 -4.2硬件调试- 15 -4.2.1测试调试- 15 -结束语- 16 -致 谢- 17 -参考文献- 18 -附 件- 19 -II第一章 绪 论第一章 绪论1.1 概述目前，我国温室控制设备的现状时一小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。整体上，我国的温室控制系统与国外发达国家相比还比较落后。占主导地位的是仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。控制精度依赖于试验者的调节。控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员劳动强度大、劳动效率低，这些都影响企业的效率。在现实生活中温控系统应用十分广泛，工业中电阻加热炉的温控系统，大棚生产的温度控制，啤酒发酵温度控制系统，水电解制氢中的温控系统等。1.2 系统的性能要求及特点温度控系统应能达到以下功能要求：1、温度检测；可采用DS18B20数字温度传感器或AD590等温度传感器作为检测端，以AT89S52或其他微控制芯片作为MCU，还可以利用VB实现PC与单片机通信交互界面。2、具有显示功能：利用数码管或液晶显示器显示温度。3、具有用户输入功能：利用键盘输入对温度的上下限进行设置，复位等。4、具有报警功能。5、整套仪器可靠性好，设计不易出故障。6、具有自动加热保护功能的安全性要求。如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围，单片机就会发出断电指令，并进行报警。基于上述功能要求及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗千扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点：主机采用AT89S52系列的单片机价格便宜，有开发环境 。根据测温范围的要求，该系统适合用DS18B20数字温度传感器作为传感器。1.3 系统总体设计思想目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路(Analog Circuit)和单片机(Single-chip Computer)两种形式。模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不高，所以模拟电路的优势得不到体现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展的产物。它是把中央处理器CPU(Centeral Processing Unit)、随机存取存储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器ROM(ReadOnly Memory)、定时器/计数器以及I/0(Input/Output)接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是:功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，可以提高系统的兼容性和可移植性。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。针对这些单片机的不同特点，尤其从降低成本和方便实验的角度出发，以AT89S52为核心器件组成的控制系统是比较理想的选择。此外，在选取外围扩展芯片时，本着节约成本的原则，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片及器件。- 2 -第二章 系统分析及硬件设计第二章 系统分析及硬件设计2.1 系统的硬件总体结构在该系统中使用DBS18B20传感器在所在的环境中采集温度参数值，再将DBS18B20所采集到的温度传输到AT89S52芯片中对其进行处理，最在将处理过后的信号发送到储存器74HC573中储存，最终将信号才、发送给LED显示出来或者直接通过AT89S52芯片处理传送到两侧显示所测到的温度。在本系统中我我们还可以对其设置温度的上下限，当温度超出其限值时系统自动报警，让人能对其进行控制。从而达到温度控制的目的。报警显示及控制USB电源传感器按键AT89S52单片机串口电平转换LCD/LED 显示PC接口图2-1 系统硬件总体结构框图2.2 输入通道设计2.2.1 温度传感器的选择温度是实际应用中经常需要测试的参数，从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。温度测量应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等。温度用传感器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。温度传感器种类繁杂，各种不同的传感器由于构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得测量温度的范围、测量精度也不同。因此，在不同的应用场合，应选择不同的温度传感器。DS18B20，用户可自设定报警上下限温度值，不需要外部组件，能测量55+125 范围内的温度，10 +85 范围内的测温准确度为05，通过编程可实现9l2位的数字读数方式，可在至多750 ms内将温度转换成12 位的数字，测温分辨率可达00625 。这些特点使得DS18B20温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。在本课题中，测温范围较大，且要求检测精度高、稳定性好，因此考虑选用DS18B20传感器。2.2.2 DSl8B20传感器DSl8B20的管脚及特点DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。(如图：1) GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。VDD为电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围3.O5.5 V。本文使用外部电源供电。主要特点有：1.用户可自设定报警上下限温度值。2.不需要外部组件，能测量55+125 范围内的温度。3.10 +85 范围内的测温准确度为0.5 。4.通过编程可实现9l2位的数字读数方式，可在至多750 ms内将温度转换成12 位的数字，测温分辨率可达0.0625 。5.独特的单总线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现与微处理器双向通讯。图2-2 (DS18B20的系统结构)图2-3 在该系统中DBS18B20的应用2.3复位电路及时钟电路2.3.1复位电路复位是单片机的初始化操作，只需给AT89S52的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可得AT89S52复位，复位时，PC初始化为0000H，使AT89S52从OUT单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外由于程序运行出错或操作错误而使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键使得RST脚为高电平，使AT89S52重新启动。在系统中，有时会出现显示不正常，也为了调试方便，我们需要设计一个复位电路，在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的RC电路构成，也可使用其它的相对复杂，但功能更完善的电路。工作原理是：上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET保持10ms以上高电平，就能使单片机有效的复位。当时钟频率选用6MHz时，C取22F，R取1K。2.3.2时钟电路设计时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。此设计选用内部时钟方式见下图：图2-4 时钟电路部分原理图单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2这两个引脚跨接在石英晶体振荡器和微调电路，就构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容C1和C2典型值通常选择30pF左右，该电容大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡器频率的范围通常在1.212MHz之间，晶体的频率越高，则系统得时钟频率也就变高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快，对存储器的速度要求就高。对印刷电路板的工艺要求也高，即要求浅间的寄生电容要小；晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生生活，更好的保证振荡器稳定，可靠地工作。2.4键盘电路设计程序启动后，通过延时去抖判断是否有K1按下，是则执行时循环：把与P20口相接的数码管设置为显示按键按下的次数m及所设温度，把与 P21、 P22、 P23口相接的数码管设置为显示0，再通过延时去抖判断是否有K2按下，是则执行m自加及按一次自加一次，再通过延时去抖判断是否有K3按下，是则推出此程序。图2-5系统键盘电路原理图2.5显示电路设计显示处理模块主要完成人机交互作用，具体实现将采样温度值、设定温度值及以参数值形式在LED数码管上显示出来的功能。2.5.1数码管显示电路它作为一个通用模块可以被其它各模块调用，模块的入口是把要显示的数值分别放在显示缓冲区的74HC573存储单元中，并且分别对应八个数码管LED1LED8。其中LED1LED4显示温度的整数位，LED5LED8显示温度的小数位，当某一功能模块计算处理完毕后，将计算结果存入到显示缓冲区的寄存单元，然后调用显示处理模块。显示处理模块首先将显示缓冲区的首地址装入Z指针，并置计数值为4，然后采用相对寻址的方式将显示缓冲区中的第一个字节以串行的方式发送到74HC573，发送时通过置位和清除PB7的方式来模拟74HC573的串行时钟，74HC573接收后进行串并转换并锁存以供LED实现静态显示。由于74 HC573采用首尾相连的连接方式，当发送第二个字节时第一个字节对应的字符将移到第二个LED。每发送一个字节使Z指针加一，并且计数值减一。当字节发送完毕时，在LED数码管上显示字符。图2-6数码管显示电路2.5.2液晶显示电路液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 这里介绍的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，这里以常用的2行16个字的1602液晶模块来介绍它的编程方法图2-7 1602液晶显示器1602采用标准的16脚接口，其中:第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。 第1516脚：空脚图2-8 液晶显示器和单片机图2-9系统整体电路图- 9 -第三章 开发环境及硬件调试第三章 软件设计本控制系统在软件设计方面具有如下特点：（1）尽量采用模块化的程序设计方法，使整个程序结构清晰，具有开放性的特点，易于移植、修改和扩展。（2）全部用C语言编写，以提高程序的执行速度，满足系统实时性的要求。（3）为了提高运算精度及方便程序的编写，算法程序全部采用双字节定点数设计。算法中的各项既有正数也有负数，为此，以高字节最高位作为符号位（最高位为0表示正数，为1表示负数），采用补码形式进行运算。3.1 数据采集程序设计数据采集时，再跳过读序列号，读温度寄存器的前两个，读出温度的高低位，再温度值得处理得出实际温度值。开 始初始化DS18B20跳过读序列号启动温度转换延 时跳过读序列号读寄存器数据处理得出温度值3.2 显示子程序本设计的显示部分采用74HC573来驱动四位数码显示器，单片机的I/O口P1.0、P1.1、P1.2分别与74HC573的14脚、11脚、12脚相连。14脚为SER为串行数据输入端；12为脚RCLK为移位时钟端，上升沿时将14脚数据移入寄存器，11脚SRCLK为锁存器，上升沿时锁存数据；13脚E三态输出控制端，接低电平时数据输出。单片机输出数据和移位时钟，在时钟上升沿将数据移入74HC573。- 11 -第四章 开发环境及硬件调试第四章 开发环境及硬件调试4.1 软件环境在本系统开发过程中我们应用了多种软件包括Proteus、keil、Protel99Se等，在这里我们着重介绍keil、Protel99S三个用得较多的软件。4.1.1 ProteusProteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，您不需要别的，Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境！ Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。其功能模块:个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真; ARES PCB设计. PROSPICE 仿真器的一个扩展PROTEUS VSM:便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LED，甚至LCD显示CPU模型. 在该系统中proteus主要用于对整个系统功能及AT89S52的程序测试等，在温控系统中我们用proteus的ISIS原理布图工具将原理图输入其中，对他进行仿真以便观察整个系统的功能能否实现。在这使用的过程中主要应用了图形编辑窗口中的：坐标系统（CO-ORDINATE SYSTEM）、实时捕捉（Real Time Snap）、预览窗口（The Overview Window）、对象放置（Object Placement）、选中对象（Tagging an Object）、删除对象（Deleting an Object）、拖动对象（Dragging an Object）等功能，这这些方面也是使用proteus基本应用步骤。图4-1 图形编辑窗口4.1.2. Protel99SeProtel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。Protel 设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计系统，由于其高度的集成性与扩展性，一经推出，立即为广大用户所接受，很快就成为世界PC平台上最流行的电子设计自动化软件。 在绘制电路图时液晶显示器、LED、DS18B20都需要进行元器件封装，最终所得的电路图如图4-2：当绘制完电路图后再生成网络表最后制成PCB板如图4-3：图4-2 Protel99S绘制的电路图图4-3 温度控制制系统的PCB板图图4-4 铜线面图4-5 PCB板的3D效果图由于由制作一面PCB版的价格较贵，所以我们在实物时采用了面包板。如果大量生产那么它的价格就将相当的便宜。这样这个控制系统得总造价将比较低4.2硬件调试在系统设计最后阶段，我们要做好的工作是硬件测试一保证系统能够正常的运行，在这里使用的主要方法是 ：1、对各关键点进行电压，电流测试，2、检查整体电路连接是否正确。3、检测焊接是否有效。4.2.1测试调试一、单片机不能正常工作：首先是将程序下载到单片机上，结果系统未能正常的工作，在这时我们首先考虑到是单片机出了问题，经过对单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压进行测量，发现18脚对地约为1.5V，19脚对地也约为1.5V。均低于他们的工作所需要的电压值2.2V和2V。二、复位功能键检测：为了根好了的提高效率，我们还对单片机的复位功能进行了检测，采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和5V连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路没有问题。经过检测复位功能键正常。三、数码管不能正常工作：在调试完以上几步后系统仍然不能正常工作。问题主要是在显示模块，当使用液晶显示器时，系统能够显示当前所测温度值，当使用数码管时不能正常显示当前温度。在该过程中首先对74HC573各个引脚进行了检查，他们每个引脚都在他的正常值内，然后又对数码管的引脚进行检测，发现LED5到LED8的10号引脚未连通，经过仔细的检查10号引脚没有焊接好。四、温度传感器DS18B20问题：当上面问题解决后，突然液晶显示器和数码管显示器都只显示为25使用复位键复位，后温度没有变化，有手给DS18B20传热仍无变化。这就是DS18B20被损坏，可能是静电或在硬件调试时把DS18B20给损坏，换一个好的恢复正常。- 16 -结束语结束语本文介绍了以51单片机为核心的温度采集系统，并详细介绍了各个部分的功能的结构，原理，本系统所选的AT89S52芯片精度高，信号检测部分抑制了一定的非线形，因而检测的温度值精度高，具有重大的实际意义。在论文制作的整个过程中，本人最深的体会是做一定要认真，仔细。这一点与只写一篇文章的论文有很大的不同。在画原理图，焊器件，调试的过程中，都必须以认真、仔细的态度去对待每一个细节，任何不慎都将导致最终的失败。当然，这些都是我未来学习和工作的重要步骤，相信有了这一步，我将会走得更远。- 17 -致 谢致 谢本文的研究工作是在老师的精心指导