计算机控制系统课程设计-基于单片机的温度控制系统设计.doc

课程设计课程名称： 计算机控制系统 学院： 电气工程学院 专业： 自动化 姓名： 学号： 年级： 12 任课教师： 目录1设计要求22方案论证23硬件电路设计33.1传感器接口电路设计43.1.1温度数据采集电路43.2led显示接口电设计63.2.1at89c51单片机73.2.2led数码管103.3温度控制电路的设计114系统软件设计124.1软件系统设计124.1.1程序组成135. 仿真分析175.1仿真方法与操作175.2仿真结果195.3结果分析226. 总结237. 参考文献24基于单片机的温度控制系统设计1设计要求1.数码管或液晶显示屏显示室内当前的温度；2.在不超过最高温度的情况下，能够通过按键设置想要的温度并显示；设有四个按键，分别是设置键、加1键、减1键和启动/复位键；3.ds18b20、ad590、lm3911、dth-11（任选其一）温度采集；4.超过设置值的5时发出超限报警，采用声光报警，上限报警用红灯指示，下限报警用黄灯指示，正常用绿灯指示。2方案论证为了使得电路的简单化，采用单片机作为控制核心来设计本课题，温度信号采集使用温度传感器ds18b20，温度控制的基本思想为：通过采集到的温度与标准温度之间的差值来控制加热电阻丝的通电时间长短，从而起到恒温控制的目的。方案的设计框图如下图所示： 图2方案设计框图 本方案采用单片机作为控制核心，使用温度传感器进行温度采集，通过将采集到的温度与标准设定温度之间的差值进行温度控制，从而使得温度维持在标准设定温度。本方案设计成本低，具有具有较高的可靠性，对于系统动态性能与稳定要求不是很高的场合非常的合适。3硬件电路设计 图3电路硬件图 此方案以at89c51为核心，通过ds18b20检测温度，将信号传输至单片机，用四位led数码管显示温度，同时通过将检测的温度与标准设定温度的偏差来控制电阻丝通断时间的长短，从而达到恒温控制的目的。3.1传感器接口电路设计3.1.1温度数据采集电路ds18b20是美国dallas半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，与其它温度传感器相比，ds18b20具有以下特性：独特的单线接口方式，ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯。ds18b20支持多点组网功能，多个ds18b20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。ds18b20在使用中不需要任何外围元件，全部传感器元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。温度范围55125，固有测温分辨率0.5；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给cpu，同时可传送crc效验码，具有极强的抗干扰纠错能力；测量结果以9位数字量方式串行传送。ds18b20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：（1）系统的硬件虽然简单但需要相对复杂的软件进行补偿，由于ds18b20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对ds18b20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。（2）在ds18b20的有关资料中均未提及单总线上所挂ds18b20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个ds18b20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂ds18b20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。(3)连接ds18b20的总线电缆有长度限制。由于信号电缆本身存在电阻，距离过长时将导致信号衰减。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m。ds18b20有pr-35和soic两种封装形式，管脚排列如表3.1所示。本系统选用pr-35封装形式。ds18b20返回温度值虽然只有9位，如图3.1所示。表3.1ds18b20管脚排列 图3.1.2ds18b20温度值表示方法d9为符号位，0表示正，1表示负，高字节的其他位（d10d15）是以符号位的扩展位表示的；d0d8为数据位，以二进制补码表示。温度是以1/2lsb形式表示的。表3.1.3为数值和温度的关系。表3.1.3ds18b20数值和温度的关系3.2led显示接口电设计本系统选用的是四位数码管动态实时显示房间温度，显示精度0.10c。具体电路图如图3.2： 图3.23.2.1at89c51单片机单片机选用atmel公司的可在线编程的at89c51，用于温度采集及数据通讯。at89c51是一个低功耗，高性能cmos8位单片机，片内含8kbytesisp(in-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ispflash存储单元，功能强大的微型计算机的at89c51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。at89c51具有如下特点：40个引脚，4kbytesflash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（ram），32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。at89c51有3个并行i/o端口，p0:p0.0p0.7、p1.0p1.7、p2.0p2.7。p0端口在没有片内存储器时，可以作为普通i/o口使用，外接存储器时作为地址线/数据线使用。p1端口可以作为普通i/o口使用，同时p1.0、p1.1、p1.5p1.7还具备特殊功能，如表3.4所示。p2端口在没有片外存储器时，可以作为普通i/o口使用，外接存储器时作为高8位地址使用。表3.2.1at89c51p1端口的特殊功能 表3.2.2at89c51p3端口的特殊功能图3.2.3单片机最小系统3.2.2led数码管led显示器即为发光二极管显示器，具有显示醒目、成本低、配置灵活、接口方便等特点，单片机应用系统中常用它来显示系统的工作状态和采集的信息输入数值等。led显示器按其发光管排布结构的不同，可分为led数码管显示其和led点阵显示器。led数码管主要用来显示数字及少数字母和符号，led点阵显示器可显示数字、字母、汉子和图形等。led点阵显示器虽然显示灵活，但其占用的单片机系统软件、硬件资源远大于led数码管。本系统选用的是led数码管显示器。数码管显示器有两种工作方式，即静态显示方式和动态显示方式。静态显方式程序非常简单，占用cpu时间资源很少，只是在显示字符改变时调用一下显示程序。led静态显示由于使用的元器件较少，在数码管显示器较多的场合，电路显得烦琐，为了简化线路，减低成本，本系统选用的是动态扫描显示方式。动态扫描显示方式的工作原理是：逐个地循环点亮各位显示器，也就是说在任意时刻只有1位显示器在显示。为了使人看到所有显示器都在显示，就得加快循环点亮各位显示器的速度（提高扫描频率），利用人眼的视觉残留效应，给人感觉到与全部显示器持续点亮的效果一样。动态扫描显示电路如下图：3.3温度控制电路的设计图3.3通过调节脉冲宽度来控制双向可控硅的通断。当脉冲宽度变宽（占空比增大）时，双向可控硅的导通时间延长，电阻丝加热时间延长从而使温度升高。反之脉冲宽度变窄（占空比减小）时，双向可控硅的导通时间缩短，电阻丝的加热时间缩短使得温度降低。以此方法来控制温度的恒定不变。4系统软件设计4.1软件系统设计 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c51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。 51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at89c51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at89c51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）。4.1.1程序组成系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，写入子程序，门限调节子程序等。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4.1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4.1主程序流程图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，校验有错时不进行温度数据的改写，程序流程图如图5.1.2所示。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。 图4.1.2读出温度子程序3） 写入子程序写入子程序的流程图如4.1.3所示。 图4.1.34） 门限调节子程序门限调节子程序流程如图4.1.4所示。 图4.1.4门限调节电路5. 仿真分析5.1仿真方法与操作（1） 创建文件并命名“自动温度控制系统”，并且在proteus中建立新的文件。 图5.1.1建立新文件2） 放置原件，设定好参数，并连接电路。 图5.1.2电路的连接(3) 双击单片机芯片，添加“temperaturecontrol.hex”文件。 图5.1.3添加文件(4) 仿真运行，“debug”-“execute”。(5)检查错误直达到设计要求。5.2仿真结果程序调试运行后，得到仿真结果： 图5.2.1继电器加热仿真初始要按下设置键把温度设置成20摄氏度，再通过调节温度来模拟实际温度的变化，当温度低于所设温度下限20摄氏度时，继电器处于加热状态，亮黄灯。 图5.2.2继电器继续加热当温度低于所设温度上限35摄氏度时，继电器保持工作，持续加热，亮绿灯。 图5.2.3继电器停止加热当温度高于所设温度上限35摄氏度时，继电器停止工作，开始降温，亮红灯。 图5.2.4继电器保持原状当温度处于所设温度界限20摄氏度或35摄氏度时，继电器保持原有工作状态，亮绿灯。5.3结果分析当前温度低于所设温度下限20摄氏度时，黄灯亮起，继电器开始加热，当前温度在所设温度范围内（2035摄氏度）时，继电器保持加热状态不变，绿灯亮起，当前温度超过所设温度上限35摄氏度时，红灯亮起，继电器自动断电，当前温度处于设定温度界限（20或35摄氏度）时，继电器保持原有状态，绿灯亮起。6. 总结本设计以单片机80c51为核心，用ds18b20温度传感器采集温度变化信号，pid控制器对采集的温度进行处理，ampire128x64液晶以动态扫描方式实现设定温度与当前温度，通过单片机与设定温度进行比较后去控制加热器，并将当前温度返还给温度传感器进行自动控制。本温度控制系统可以应用于多种场合，像育婴房的温度、水温的控制。用户可灵活选择本设计的用途，有很强的实用价值。 首先要衷心感谢的是我的指导教师李泽涛老师！在我学习期间不仅传授了做学问的秘诀，还传授了做人的准则。这些都将使我终生受益。无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。我愿借此机会向导师表示衷心的感谢！其次要感谢所有教育过我的老师！你们传授给我的专业知识是我不断成长的源泉，也是完成本论文的基础。我还要向关心和支持我学习的朋友们表示真挚的谢意！感谢他们对我的关心、关注和支持！大学的生活