课程设计基于单片机的温度控制系统.doc

基于单片机的数字温度控制系统基于单片机的数字温度控制系统 摘要摘要 本课题设计以 AT89C2051 单片机为核心，采用相关的传感器设计了一种温 度控制系统。该系统可对温度进行自动监控。本文完成了系统的硬件组成结构 图和相关软件程序框图，并详细说明了本套系统的工作原理。 系统采用单总线传感器网络设计思想。其中温度传感器都以智能终端的形 式挂接到单总线上，多条单总线汇总到一起，由一台数据采集器集中控制，每 台数据采集器负责一定区域内的温度监测。数据采集器的核心部件为单片机， 主要完成对其所连接传感器件的测量与控制以及与主机的通信等功能。 关键字关键字: : AT89C2051AT89C2051， 传感器传感器 ，温度控制系统，温度控制系统 安徽理工大学课程设计 2 目录 基于单片机的数字温度控制系统 .2 2 第一章 系统总体方案设计 .3 1.1 设计目标.4 1.2 元件选择.4 1.2.1 主控芯片.4 1.2.2 温度采集模块.4 1.2.3 显示模块.5 1.2.4 智能报警模块.5 第二章 温度控制系统原理及分析 .5 5 2.1 系统总体流程图.5 2.2 系统各个部分电路设计.6 2.2.1 单片机主控电路设计.6 2.2.2 按键电路设计.7 2.2.3 LED 显示电路的设计.8 2.2.4 温度检测模块.12 2.2.5 报警电路.15 结论 .1616 参考文献 .1717 附录 A.1818 安徽理工大学课程设计 3 第一章 系统总体方案设计 如图 1-1 所示。此温度控制系统先是温度感应原件进行温度采集，A/D 转换后送入到单片机然后显示输出和智能温度报警，如果需要修改温度参数 或者是查看设置和其他功能，则由键控制电路输出控制。 温度采集 按键控制 单片机 AT89C 2051 LED 驱动 电路 蜂鸣器报 警 A/D 转换 图 1-1 系统总体方案 1.1 设计目标 设计工业温度控制系统，实现实时温度检测，数据传输，液晶显示，按 键控制电路，可设定监控温度上下限，过限报警电路，可持续工作，掉电复 位，具有高可靠性和低生产成本，低功耗，高精度等特性。 1.2 元件选择 1.2.1 主控芯片 方案一：采用数字逻辑电路。本系统有功能设置、数据装入、定时、显 示、声音提示多个功能模块。各个状态保持或转移的条件依赖于键盘控制信 号。由于键盘控制信号繁多，系统的逻辑状态以及相互转移更是复杂，用纯 粹的数字电路或小规模的可编程逻辑电路实现该系统有一定的困难，需要用 中大规模的可编程逻辑电路。这样，系统复杂且难以实现。因此，本设计并 未采用这种方案。 方案二：采用单片机作为整个控制系统的核心。鉴于市场上常见的 51 系 列 8 位单片机的售价比较低廉，本设计采用了 AT89C2051 单片机系统。具体方 案如下：首先，利用单片机多中断源的协调处理能力，通过扫描接收键盘送来 的信号，确认功能设置，实现数据装入，利用单片机内部定时器倒数设置时间， 利用中断动态扫描控制显示电路，用单片机 I/O 口控制外部继电器以及提示电 路。 由此可知，采用方案二较为合理，降低开发难度。 1.2.2 温度采集模块 方案一：热电偶传感器 LED 显示电 路 安徽理工大学课程设计 4 热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽(通常从- 50 + 1600 )及反应快速的优点。热电偶传感器输出的电压信号较为微弱(只有 几毫伏到几十毫伏) , 因此在进行 A/ D 转换之前必须进行信号调理, 由高放 大倍数的电路将它放大到 A/ D 转换器通常所要求的伏特级电平。一般采用热 电偶调理模板或调理模块来完成这项工作最为便捷, 而自行设计、制作仪表 放大器则较为繁琐且较难保证精度。 方案二：可编程分单总线数字温度传感器 DS18B20 DS18B20 是一种单总线系统的数字温度传感器,它可提供二进制 9 位温度 信息,分辨率为 0. 5 ,可在- 55 + 125 的范围内测量温度。从中央处 理 器到 DS18B20 仅需连接一条信号线和地线,其指令信息和数据信息都经过单总 线接口与 DS18B20 进行数据交换。DS18B20 完成读、写和温度变换所需的电 源可以由数据线本身提供,也可以由外部供给。并且,每个 DS18B20 有唯一的 系列号,因此同一条单总线上可以挂接多个 DS18B20 ,构成主从结构的多点测 温传感器网络。此特性可普遍应用在包括环境监测、建筑物和设备内的温度 场测量,以及过程监视和控制中的温度检测中。 由比较可知，选用方案二相对比较便宜的 DS18B20 更好，能提高 A/ D 转 换精度的同时确保信号完整性，较少开发难度。 1.2.3 显示模块 方案一采用液晶显示。液晶显示的优点是显示的内容多，可以提供中文 显示，背景光亮度可调，硬件接线少。缺点是价格昂贵，且容易烧毁，必须 加限流电阻。 方案二采用动态数码管显示。优点是显示时间较为清晰，远距离也能看 清。四位动态数码管较为便宜，大大节省了成本。缺点是电路接线较多，显 示内容少，只能显示数字，不能显示中文。 考虑到显示需要与成本，采用方案二较为合适 1.2.4 智能报警模块 方案一、采用语音芯片实现语音提示。语音芯片优点是能输出各种录制 好的声音，输出容易丰富。缺点是电路复杂，价钱贵，而且要先录制才能播 放。 方案二、采用蜂鸣器输出声音提示。优点是电路简单，价钱便宜。 考虑成本与本设计只需要一种工作完成的提示，用简单的蜂鸣器电路已 经足够，故选择方案二。 第二章 温度控制系统原理及分析 2.1 系统总体框图 系统的工作流程如图 2-1，首先器件上电复位，温度检测芯片 DS18B20 检 测当前温度。单片机从 DS18B20 中读出温度值，并与 DS18B20 非易失性存储 器中的 TH，TL 值比较（其中 TH 为设定温度最高值，TL 为设定温度最低值）， 并显示输出当前温度值，如果发生超限，即智能报警。注意，除非电路掉电 复位，又或者是温度恢复正常，否则报警器不会停止。当超限报警后，启动 电机对温度进行调节，当温度恢复正常后报警解除。键盘控制电路设置上下 限温度值。 上电复位 温度检测 单片机 AT89C20 5551551 智能报警显示输出 键盘控制温度修正 图 2-1 系统总体框图 2.2 系统各个部分电路设计 2.2.1 硬件电路设计 安徽理工大学课程设计 6 图 2-2 单片机外围电路 单片机主控电路如图 2-2 所示包括电源复位电路和晶体振动电路和按键 电路。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳 定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才起的抖 动而影响复位。当开关 RST 闭合后经过一小段时间的延时后单元稳定，RST 端 口变为高电平，产生复位信号，单片机复位。 图 2-3 晶振电路 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置 为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， 安徽理工大学课程设计 7 XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外 部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 晶振与单片机的脚 XTAL1 和脚 XTAL2 构成的振荡电路中会产生偕波，这 个波对电路的影响不大，但会降低电路的时钟振荡器的稳定性。 2.2.2 按键电路设计 SET 键：按下该键时，进入上下限温度设置功能，通过 P3 口 P3.2 引脚接 入，中断工作方式。 +1 键：在输入上下限时，按下该键一次，被调整位加一，通过 P3 口 P3.0 引脚接入，查询工作方式。 RET 键：按下该键时，指向下一个要调整位，通过 P3 口 P3.1 引脚接入， 查询工作方式。 按键电路一端接地，另一端接单片机 P3 口，当按键 S1，S2，S3，有按下 状态，则立刻有信号从 P3 口进入单片机，单片机做出响应。 X 图 2-4 按键电路 2.2.3 LED 显示电路的设计 由系统硬件的电路设计框图可知，显示电路由 LED 显示器、段驱动电路和 位驱动电路组成。由于单片机的并行口不能直接驱动 LED 显示器，必须采用专 用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能够正常工作。 LED 显示器的显示控制方式分为静态显示和动态显示两种，在选择 LED 驱动 时，一定要先确定显示方式。若选择静态显示，则 LED 驱动器的选择较为简单， 安徽理工大学课程设计 8 只要驱动器的驱动能力与显示器的电流相匹配即可。而且只需要考虑段的驱动， 因为共阳极接+5V，而共阴极接地，所以位的驱动不需要考虑。动态显示则不同， 由于一位数据的显示是由段选和位选信号共同配合完成的，因此，要同时考虑 段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。 LED 显示器的选择 在本设计中，选择 4 位一体的 LED 显示器，简称“4-LED” 。第一位显示 正数的百位或负号，第二位显示十位，第三位显示个位，第四位显示小数位。 4-LED 显示是一个共阴极接法的 4 位 LED 显示器。其中 a、b、c、d、e、f、g 为四位 LED 各段的公共引出端。D1、D2、D3、D4 分为是每一位的共阴极输出端， dp 是小数点引出端。4 位一体的 LED 显示器的内部结构原理如图所示。对于这 种结构的 LED 显示器，他的体积和结构都符合设计要求，由于 4 位 LED 阴极的 各段已经在内部接在一起，所以必须使用动态扫描方式。 LED 段驱动芯片的选择 在本设计中，可以选择 BCD-7 段锁存/译码/驱动器作为段驱动电路。这类 芯片的型号有 74LS47、74LS48、74LS247、74LS248 等，该类芯片具有锁存、译 码、驱动的功能。即在输入端输入要显示的字型的 BCD 码，在输出端就可以得 到具有一定驱动能力的 7 段显示字型码。 如图所示为 74LS48 芯片的电路结构原理及引脚图。引脚图中大写字母 A、B、C、D 为 BCD 码的输入端，小写字母 a、b、c、d、e、f、g 为字型码输出 端，LT 为灯测试输入端，RBI 为消隐输入，RBO 为消隐输出。表 1 中给出了 74LS48 BCD-7 段锁存器/译码器/驱动器的输入与输出信号的对应关系。在使用 时，将该芯片的输入端引脚 A、B、C、D 与单片机的 P1 口或 P3 口连接，该芯片 的输出端七个引脚，与 LED 显示器的七个段码引脚相连接。74LS48 的作用是接 收来自单片机的 BCD 码型的输入信号，经过锁存、译码和放大后，输出 7 段码 型到 LED 显示器，完成对 BCD 码到 7 段字型码的锁存、译码和驱动的功能。 安徽理工大学课程设计 9 图图 2.52.5 4-LED4-LED 显示器内部结构原理图显示器内部结构原理图 74LS4874LS48 芯片电路结构原理及引脚图芯片电路结构原理及引脚图 表表 2-12-1 74LS4874LS48 BCD-7BCD-7 段译码器输入段译码器输入/ /输入端信号对照表输入端信号对照表 输入端电平输出电平输入端电平输出电平 D C B Ag f e d c b a 显示 字型 D C B Ag f e d c b a 显示 字型 0 0 0 00 1 1 1 1 1 1（3FH） 00 1 0 11 1 0 1 0 1 1（6DH） 5 0 0 0 10 0 0 0 1 1 0（06H） 10 1 1 01 1 1 1 0 1 1（7DH） 6 0 0 1 01 0 1 1 0 1 1（5BH） 20 1 1 10 0 0 0 1 1 1（07H） 7 0 0 1 11 0 0 1 1 1 31 0 0 01 1 1 1 1 1 8 安徽理工大学课程设计 10 1（4FH）1（7FH） 0 1 0 01 1 0 0 1 1 0（66H） 41 0 0 11 1 0 1 1 1 1（6FH） 9 LED 位驱动芯片的选择 LED 位驱动较常用的芯片有 ULN2003A 和 ULN2803。前者是具有七个达林顿 电路的集成芯片，后者是具有八个达林顿电路的集成芯片。此种芯片集电极可 以收集最大达 500mA 的电流，耐压为 30V，能驱动常规的 LED 显示器。如图所 示为 ULN2803 芯片的引脚图和电路原理图。2803 芯片的电路原理和 2003 完全 相同，只是在结构上 2803 比 2003 多一个驱动电路。 表 2-2 4-LED 动态扫描显示状态 图中的 IN0IN7 引脚是输入端，OUT0OUT7 引脚是输出端。第 9 脚接有续流 二极管。输出与 9 脚配合，可驱动感性负载。 在本设计中选用 ULN2003 作为位驱动电路，将该芯片的输入端引脚 IN0、IN1、IN2、IN3 与单片机的 P1 或 P3 口连接，该芯片的输出端引脚 OUT0、OUT1、OUT2、OUT3 与 LED 显示器的四个位码引脚 D1D4 相连接。 UNL2003 的作用是接收来自单片机的位码输入信号，经过反相放大后输出，送 到 LED 显示器的位码引脚，完成对位码信号的反向和驱动的功能。 LED 驱动电路与单片机的连接 可以采用单片机的 P1 口作为与 LED 的输出接口，即 P1 口的低四位作为 LED 的段码输出信号，P1 口的高四位作为 LED 位码的输出控制信号。4-LED 显示器 硬件电路连接如图所示。R1 是上拉电阻，作用是保证 LED 可靠导通与截止，可 以选择 8 脚排电阻（7*100 欧姆） 。 该电路的工作原理是：当 P1 口的低四位输出段码信号的 BCD 码后，通过 74LS48 芯片的锁存、译码和驱动的作用，在其输出端输出机友一定驱动能力的 7 段字型码，由于 4-LED 的段码输入引脚是并联在一起的，所以每一位 LED 的 段码输入引脚都能获得这个段码信号。 若要控制在每一时刻只有一位 LED 被点亮，必须靠位码信号控制。P1 口的 P1 口输出控制字点亮 顺序位码 段码 74LS48 输出段码 g f e d c b a 2003 输出位码 D1 D2 D3 D4 显示器显示状态 1 1000 0000B（80H）011 1111B（3FH） 0 1 1 10 2 0100 0001B（41H）000 0110B（06H） 1 0 1 11 3 0010 0010B（22H）101 1011B（5BH） 1 1 0 12 4 0001 0011B（13H）100 1111B（4FH） 1 1 1 03 安徽理工大学课程设计 11 高四位输出位码信号，经 UNL2003 反向后接到 LED 的位码控制端，因此 P1 口的 位码信号在每一时刻只有一位是“1” ，其他位全为“0” ，然后按时间顺序改变 输出“1”的位置，控制在每一时刻只有一位 LED 被点亮，打到动态显示的目的。 若要显示“0123”时，P1 口的控制信号及 4-LED 的动态扫描显示状态如下表所 示。 例如：要完成“0123”的显示，必须对 P1 进行编程： 4-LED： MOV P1,#80H; 将 D1 位选通码“1000B”与“0”的 BCD 码“0000B”送 P1 口 LCALL DYI; 调用延时 1ms 子程序 MOV P1,#41H; 将 D2 位选通码“0100B”与“1”的 BCD 码“0001B”送 P1 口 LCALL DYI; 调用延时 1ms 子程序 MOV P1,#22H; 将 D1 位选通码“0010B”与“2”的 BCD 码“0010B”送 P1 口 LCALL DYI; 调用延时 1ms 子程序 MOV P1,#80H; 将 D1 位选通码“0001B”与“3”的 BCD 码“0011B”送 P1 口 LCALL DYI; 调用延时 1ms 子程序 上述程序每隔 10ms 执行一次，就可以实现动态显示的目的。 LED 动态显示程序模块 在采用动态扫描方式时，要使得 LED 显示的比较均匀，且有足够亮度，需 设置适当扫描频率，一般采用间隔 10ms 对 LED 动态扫描一次，每位 LED 显示时 间为 1ms。聪显示缓冲区分别读取 4 位 LED 现实的数据的位码和段码，送到 P1 口依次显示每一位，每一位显示 1ms，在设置阈值温度时，当前调整为具有闪 烁功能，来提示当前调整的是哪一位。因此，在每一位显示前都要进行中断判 断，该位是否为闪烁位，再决定进行正常显示还是闪烁显示。 安徽理工大学课程设计 12 图 2-6 4-LED 显示器硬件电路连接 2.2.4 温度检测电路 系统中温度的检测与数字化输出由单总线数字温度传感器 DS18B20 完成。 DS18B20 具有 3 引脚 TO92 小体积封装形式；温度测量范围为 55125,可编程为 9 位12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达 0.0625，被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出；其工作电源既可 在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上，CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20 通信，占用微处理器的端口 较少，可节省大量的引线和逻辑电路。 2-7 温度检测电路 如图 2-7 所示，温度检测器件 DS18B20 通过数据线 DS 连接单片机的 P3.4 口。DS18B20 完成温度转换后，就把测的温度与 TH,TL 作比较。若 TTH 或 TTL，则将该器件内的报警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响 应。 安徽理工大学课程设计 13 开始 复位 DS18B20 跳过 Rom 命 令 温度转换命令 延时 1S 读出温度数据 输入单片机 结束 图 2-8 温度采集程序框图 单片机和 DS18B20 之间的信号传送如图 2-8 所示。DS18B20 复位有两种形 式，一是掉电，此时 DS18B20 没用供电能源，故不能工作，当重新接上电源 后恢复工作。二是当单片机 P3.7 持续低电平超过 480ms 的时候，DS18B20 产 生复位，所以当单片机由于某些原因使得 P3.7 长时间低电平的时候会使 DS18B20 复位，使系统产生不稳定。当 DS18B20 复位后单片机发送一条 Skip Rom 命令，使得单片机跳过对 DS18B20 的检测，Skip Rom 命令的作用就是单 片机对 DS18B20 的识别，当有多片 DS18B20 时这个命令就可以区分出不同的 DS18B20，从而使单片机对不同的 DS18B20 发出指令。系统中只有一片 DS18B20 故不必采用 Skip Rom 命令而直接发送执行命令即可。单片机直接发 送温度转换命令，此时单片机或外接电源必须提供足够的电流（最少 1mA）， 持续时间为 500ms。因 DS18B20 温度转换时间长达 500ms。之后由单片机发出 读数据命令，从 DS18B20 中读出温度数据，并在液晶显示器中显示。 DS18B20 的写时隙：当主机将单总线 DQ 从逻辑高拉为低时，即启动一个 写时隙。所有的写时隙必须在（60120）us 完成，且在每个循环之间至少 需要 1us 的恢复时间。在写“0”时隙期间，微控制器在整个时隙中将总线拉 低；写“1”时隙期间。微控制器将总线拉低，在时隙起始后 15us 之内释放 总线。读时隙：DS18B20 器件仅在主机发出时隙时，才向主机传输数据。所以 在主机发出数据命令后，必须马上产生读时隙，以便 DS18B20 能传输数据。 所有读时隙至少要 60us。且在两次独立的读时隙之间，至少要 1us 的恢复时 间。每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线 1us。在主机发起读时隙后， DS18B20 器件才开始在总线上发：“0”或“1”.若 DS18B20 发送“1”，则保 持总线为高电平。若发送“0”，则拉低总线当发送 0 时，DS18B20 在起始时 隙之后保持有效时间 15us。因而主机在读时隙期间，必须释放总线。并且在 安徽理工大学课程设计 14 时隙起始后的 15us 之内采样总线状态。 T 0 T 1 T 215u s 60u s 图 2-9 DS18B20 读取时序图 DS18B20 初始化子程序： RESET： PUSH B ;保存 B 寄存器 PUSH A 保存 A 寄存器 MOV A,#4 ;设置循环次数 CLR P1.0 ;发出复位脉冲 MOV B,#250 ;计数 250 次 DJNZ B,$ ;保持低电平 500us SETB Pl.0 ;释放总线 MOV B,#6 ;设置时间常数 CLR C ;清存在信号标志 WAITL: JB Pl.0,WH ;若总线释放跳出循环 DJNZ B,WAITL ;总线低等待 DJNZ ACC,WAITL;释放总线等待一段时间 SJMP SHORT WH: MOV B,#111 WH1: ORL C,P1.0 DJNZ B,WH1 ;存在时间等待 SHORT: POP A POP B RET 2.2.5 报警电路 如图 2-10 所示，报警电路由三极管和蜂鸣器构成，其中电阻起限流作用。 安徽理工大学课程设计 1