单片机课程设计报告--基于单片机的热敏电阻测温系统设计.doc

单片机课程设计报告2011 / 2012 学年 第 2学期课程名称： 单片机课程设计 上机项目： 基于单片机的热敏电阻测温系统设计 专业班级： 电子信息工程02班 姓 名： 学 号： 指导教师： 朱建光 、郑浩 摘要在日常生活及工业生产过程中，经常要用到温度的检测及控制，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。传统的测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，这些方法相对比较复杂，需要比较多的外部硬件支持。我们用一种相对比较简单的方式来测量。我们采用温度传感器DS18B20作为检测元件，温度范围为-55125 C,最高分辨率可达0.0625 C。DS18B20可以直接读出被侧温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。本文介绍一种基于STC12C5608AD单片机的一种温度测量及报警电路,该电路采用DS18B20作为温度监测元件，测量范围0-+100，使用数码管驱动芯片CH451显示，能设置温度报警上下限。正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了集成温度传感器DS18B20的原理，STC12C5608AD单片机功能和应用。该电路设计新颖、功能强大、结构简单。关键词：温度测量 DS18B20 STC12C5608AD CH451目录摘要2第1章 绪论4第2 章 时间安排5第3章 设计方案及选材6 3.1 系统器件的选择7 3.1.1温度采集模块的选择与论证7 3.1.2 显示模块的选择与论证8 3.2 设计方案及系统方框图8 3.2.1 总体设计方案8 3.2.2 系统方框图9第4章 硬件设计10 4.1 总系统组成图10 4.2 温度测量传感器部分10 4.3 控制部分10 4.4 显示部分11 4.5 报警部分12第5章 程序流程图设计13 5.1 主程序流程图13 5.2 温度采集流程图14第6章 总结15参 考 文 献16第1章 绪论现在电子技术日新月异，各种新型的自动控制系统也越来越多地运用到人们的日常生活、工业生产等领域，它不但可以提高劳动生产率，而且可以使控制的设备或执行的操作更加精确。传感器是信息采集的重要工具，传感器技术与通信技术（信息传输）和计算机技术（信息处理），构成了现代信息技术的三大支柱，它们在信息系统中分别起着“感觉”，“神经”，和“大脑”的作用。现代电子产品正在以前所未有的革新速度，向着功能多样化，体积最小化，功耗最低化的方向发展。它与传统电子产品在设计上的显著区别：一是大量使用大规模可编写芯片，以提高产品性能，缩小产品体积，降低产品功耗；二是广泛运用现代计算机技术，以提高电子设计自动化程序，缩短开发周期，提高产品的竞争力。单片机的单芯片的微小体积和极低的成本，可广泛地嵌入到电子系统，办公自动化、舰船、个人信息终端及通信产品等方方面面，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本文是基于STC12C5608AD单片机，采用数字温度传感器DS18B20，利用DS18B20不需要A/D转换，可直接进行温度采集显示。包括传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警电路，单片机主板电路等组成。第2 章 时间安排2012 年6月18日2012年6月19日：搜集相关资料2012年6月20日2012年6月22日：设计论证2012年6月23日2012年6月24日：绘制原理图、仿真2012年6月25日2012年6月26日：买元器件、焊接电路板2012年6月27日2012年6月28日：检测线路2012年6月29日：写报告第3章 设计方案及选材3.1 系统主要器件的选择3.1.1 温度采集模块的选择与论证测量温度的关键是温度传感器，因此需要灵敏度高、测温范围宽、稳定性好，同时还要考虑成本和实际情况。方案一：热敏电阻的主要特点是：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强热敏电阻的阻值会随着温度的变化而改变，这种变化不是线性的，但是每一种热敏电阻传感器都有一个阻值和温度对应的表格，可以通过查表得到温度值，当然也可以通过非线性公式计算出温度值。具体工作原理： 单片机通过AD芯片对电阻两端的电压进行采样，电阻变化时其两端的电压会变化，这种变化是线性的，单片机可以通过计算得到电阻值，然后通过查表得到温度值，再通过计算得到显示温度值。 温度采集模块硬件设计是根据热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，利用串联分压的特点，将热敏电阻所分的电压送到ADC的模拟量输入端。具体电路原理如下图所示：该电路中R4为热敏电阻，其电压传输到ADC的模拟量输入端P10，其中P14为接地端，P28为电源端软件系统初始化时把温度数据做成表格存储到ROM中，通过AD对热敏电阻两端的进行测量，然后通过运算将电压值对应于电阻值，通过查表把电阻值对应于温度值，再通过运算把温度数据送到LED显示，其中程序初始化主要是对AD和LED进行初始化。方案二：DS18B20数字式温度传感器，使用集成芯片，采用单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。部分功能电路的集成，使总体硬件设计更简洁，能有效地降低成本， 搭建电路和焊接电路时更快，调试也更方便简单化 ，而且，这个温度传感器适用于精密温度测量系统中。方案三：热电偶传感器的灵敏度,线性和温度范围是和所用的金属有关。多年来,已经有几种热电偶成为标准,在美国,NIST公布了八种热电偶,让字母代码来识别的毫伏温度表。其中五种J、K、T、G和N是由碱金属合金制成,有不同的温度范围和用途,灵敏度一般是每摄氏度几十毫伏,其中三种R、S和B是用的金属白金制成的,但是这种热电偶价格昂贵，最常用于高温工作，不适合常温的测量，而且灵敏度很低。对比之后，原设定使用热敏电阻，尝试之后发现热敏电阻市场上能够购买的几乎没有合适的，没有合适型号的，也没有准确的参数表可以参考。所以，根据实际的应用需求，本设计采用方案二温度传感器DS18B20。3.1.2 显示模块的选择与论证方案一：LED数码管显示器可分为两种显示方式：静态显示和动态显示。LED数码管静态显示，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块，所以排除此方案。方案二：LCD液晶显示,由单片机驱动.它主要用来显示大量数据、文字、图形，能够显示的位数多，显示得清晰多样、美观，同时液晶显示器的编写程序简单，价格便宜，LCD类型繁多，价格不等。方案三：数码管驱动芯片CH451可以对数码管采用动态扫描，从而使数码管显示，克服了多片七段译码器驱动显示需要占用单片机多个I/O口的复杂。和自己已有的资料等比较之后，选择了第三种方案，直接使用已有的装置系统，方便很多。3.2 设计方案及系统方框图3.2.1 总体设计方案该系统主要由以下功能块系统构成：中央控制处理器STC89C51组成的主机系统；环境数据采集系统，输出显示等。主要的系统电路有：温度传感器电路、显示电路，报警电路等。该系统的主要特点有：（1）该产品的互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单易懂，因此体积小。（2）该系统能用软件的方式控制硬件，所有用软件方式设计的系统向硬件系统的转换是由有关开发软件自动完成的，易操作。3.2.2 系统方框图温度传感器DS18B20CPU处理器STC12C5608AD单片机复位 时钟振荡 CH451驱动数码管显示报警电路 图3.1 基于DS18B20的温度测量系统方框图本系统中心控制器部分使用的是单片机STC5608AD，自身带有A/D转换模块。温度传感器DS18B20直接连接单片机的I/O口，达到温度采集的功能。此外，本系统有一个输入控制电路来确定报警上下限，以及数码管驱动芯片CH451的显示电路。第4章 硬件设计4.1 总系统组成图整个系统硬件由三大部分组成：以DS18B20温度传感器为主的温度测量传感部分、以STC89C52单片机为主的控制部分、以CH451驱动数码管显示为主的显示部分。系统程序分传感器控制程序和显示器程序两部分，传感器控制程序是按照DS18B20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。4.2 温度测量传感器部分 图4.1 测温部分电路原理图温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节）向控制系统传输。输出脚I/O直接与单片机的P1.6相连。，传感器采用外部电源供电，在I/O线上不要求强的上拉。使总线上主机不需向上连接便在温度变换期间使线保持高电平，这就允许在变换时间内其它数据在单线上传送。此外，18B20温度传感器可以多点测温，可以在一根总线上串联，但是本系统没有选择串联的多点检测。因为串联会导致处理速度变慢，而且调试时也会产生不便，而且本系统不需要非常多的测量点，单片机的接口数量足够，因此没有采用串联。4.3 控制部分 如下图所示，单片机是整个装置的控制核心，外存储器。本系统采用STC5608AD，省略了AD转换的芯片。22.1184MHZ晶振与单片机的XTAL1和XTAL2引脚相连为系统提供时钟频率。C3和R2构成上电复位电路。该系统使用22.1184MHZ的晶振，因此编程的时候要重新编辑时序。 图4.2 系统控制部分电路图4.4 数码管显示部分图4.3 CH451芯片驱动的数码管显示部分电路图4.5 报警部分图4.4 蜂鸣器连接图第5章 程序流程图设计 5.1 主程序流程图 开始 程序初始化温度采集数据处理温度是否超出范围？ Y N报警温度显示结束5.2 温度采集流程图 开始 初始化DS18B20 DS18B20？ N Y启动温度转换读取温度值 结束 第6章 总结通过这次对温度测量系统的设计与制作，我理解设计电路的程序流程图，也了解关于温度测量的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真，仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。另外，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。从这次的课程设计中，我真正意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。其间，查找资料，向老师寻求指导，与同学交流，编写程序，仿真调试，每一个过程都是对自己能力的一次检验和强化。虽然整个设计已经完成，但是也存在许多不足之处，最大的不足是没有使用热敏电阻来完成设计，关于这方面，我们也进行了尝试，但是最后发现这样做太复杂，并且不易实现。因此，最后选择了DS18B20，从系统测量的温度值来看，整个