毕业设计（论文）-基于单片机的温度控制系统设计.docx

学校代码 10126 学号 00861005 分 类 号 密级 本科毕业论文（设计）基于单片机的温度控制系统设计学院、系 电子信息工程系 专业名称 自 动 化 年 级 2008 届 学生姓名 指导教师 2012年2月22日原创性声明本人声明：所呈交的学位论文（毕业论文）是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中所含其他人已经发表或撰写过的研究成果已添加相应注释，而且不包含为获得内蒙古大学及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。论文中所绘制电路图、流程图等均为本人个人所做。如有雷同，纯属巧合。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 V 页基于单片机的温度控制系统设计摘 要随着人们在日常生活中对温度控制的需求与日俱增，温控系统的设计也需要简单化、人性化。笔者设计了基于STC89C52单片机和DS18B20温度传感器的温度控制系统，主要完成了通过DS18B20和LCD1602进行温度显示、通过矩阵键盘设置目标温度、通过三极管放大电流控制调温继电器等功能。同时，笔者设计了基于USB供电和DC供电系统的双供电系统。关键词：单片机，温度传感器，LCD1602，矩阵键盘，继电器Design of temperature control system based on MCUABSTRACTAlong with the people in the daily life of the temperature control needs grow with each passing day, the design of the temperature control system also needs to be simple, human nature. In this paper, the author has designed based on STC89C52 MCU and DS18B20 temperature sensor temperature control system, mainly through the DS18B20 and LCD1602 temperature display, set through the keyboard matrix target temperature, through the three transistor amplifier with current control thermostat relay function. At the same time, the author has designed based on USB power and DC power supply system of double power supply system.KEYWORDS： single chip，temperature sensor，LCD1602，matrix keyboard，relay目 录引言11. 系统概述12. 硬件模块设计12.1 中央处理器12.2 供电模块12.3 时钟、复位及通讯模块12.4 矩阵键盘模块12.5 温度检测和控制模块12.6 显示模块13. 软件编程设计13.1 主程序13.2 设置子程序13.3 键盘扫描程序13.4 温度传感程序14. 系统评价及改进14.1 系统优点14.2 系统缺点14.3 系统改进15. 结论16. 学习心得1参考文献1致谢1附录1附录一：使用说明1附录二：源代码1内蒙古大学本科毕业论文(设计) 第 41 页引言在现今生活中，温度控制已经成为必不可少的元素，小到调节房间温度的空调，大到大型工业设备恒温处理，粗到小小的保温水壶，细到精准的医疗设备，都会应用到温度控制系统。在经济与科技共同发展的今天，为满足人们的需求，恒温设备已经是人们居家旅游必不可少的元素。人们关于温度控制的研究也愈发成熟。而单片机由于体积小、性能完善，所以广泛应用于各个行业中。其中，STC89C52单片机与DS18B20温度传感器的配合使用方法也日趋完善。本文就是基于STC89C52单片机与DS18B20温度传感器的温度控制系统设计。本系统中引入了矩阵键盘、LCD1602显示、控制继电器等模块，使系统的功能相应强大，可以完成温度实时检测、目标温度设置、目标温度与实际温度比较、控制升温设备和降温设备等功能，与此同时，应用也非常广泛，因为系统中没有集成固定的温度控制设备，所以我们可以使用继电器控制各种我们需要的温控（升温、降温）设备，使得本系统的应用范围被大范围扩大。本系统设计时使用Keil C编程并联合Proteus仿真。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。1Proteus嵌入式系统仿真与开发平台是由英国Labcenter公司开发(授权风标科技公司为中国大陆的总代理)的，是目前世界上最先进最完整的嵌入式系统设计与仿真平台。Proteus可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能。1Proteus软件包已有近20年的使用历史，在全球拥有庞大的企业用户群，是目前惟一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具，真正实现了在没有目标原形时就可对系统进行调试、测试与验证。Proteus软件包大大提高了企业的开发效率，降低了开发风险。2 1. 系统概述本系统需要完成串口通讯、供电、温度设置、温度采集、温度显示、控制继电器等功能，所以，想要完成这些功能需要几部分模块共同组成。首先，系统需要工作，电源是必不可少的，本系统采用的是USB供电和DC供电的双供电系统。其次，要想系统按照我们的要求来完成工作就一定要面向对象编程，于是，向单片机烧录程序的串行通讯口也是一定需要的，同时呢，单片机工作需要的晶振电路和复位电路等一样不可或缺。再次，为了方便人性化地设置温度，本系统集成了矩阵键盘部分。然而，温度检测和控制部分是系统的核心，当然是必不可少的。最后，是对设置温度以及现场温度的显示模块。将上述众多模块融合到一起，便组成了本次设计的温度控制系统，经过在引言中提到的编程和仿真便可以制版生产了。系统原理图如图1.1所示：图1.1 系统原理图Fig 1.1 system diagram2. 硬件模块设计为了完成系统功能，按前文（系统概述）所述的要求，系统需要设计各个模块的硬件，下文为各模块所需原件和电路。2.1 中央处理器本系统使用的中央控制芯片为STC89C52单片机，如图2.1所示：图2.1 STC89C52单片机引脚图Fig 2.1 STC89C52 microcontroller pin diagramSTC89C52单片机是STC公司生产的MCS-51系列单片机。MCS-51系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）封装，有40个引脚（图中VCC引脚和GND引脚未画出），CMOS工艺制造的低功耗芯片也有采用方形封装的，但为44个引脚，其中4个引脚是不用的。STC89C52单片机是一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O口等一台计算机所需要的基本功能部件。它包括：1个8位CPU；4KB ROM或ERPOM；128字节RAM数据存储器；21个特殊功能寄存器SFR；4个8位并行I/O口，其中P0、P2口为地址/数据线，可寻址64KB ROM和64KB RAM（需要注意的是大家熟悉的AT公司生产的51系列单片机的P0口没有内置上拉电阻，输出电流仅有0.1mA，虽然本次设计使用的是STC公司生产的芯片，但是为保证单片机I/O口的驱动能力，需要添加10K的上拉电阻拉高总线中的电流）；一个可编程全双工串口；具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；两个16位定时器/计数器；1个片内振荡器及时钟电路。32.2 供电模块本系统使用的供电模块为DC供电与USB供电5V双供电系统。其中DC供电为正常工作供电，USB供电作为备用供电电源使用。两电源之间使用单刀双掷开关切换。需要注意的是，两电源在使用开关切换供电时系统会断电重新启动，所以系统工作中轻易不要切换供电。供电模块原理图如下：图2.2 供电模块原理图Fig 2.2 power supply module principle diagram2.3 时钟、复位及通讯模块STC89C52单片机芯片内部舍友一个反向放大器所构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可以由内部或外部产生。本系统使用的是内部时钟，如图2.3所示。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时原件，内部电路就会产生自激震荡。定时原件及采用晶振和电容组成的并联谐振回路。3本系统中晶振使用11.0592MHz晶振，电容使用30pF瓷片电容。对于STC89C52单片机，通过某种方式使各寄存器的之变为初始状态的操作就是复位。复位电路如图2.3所示，在时钟电路工作后工作后，在RESET端持续给出两个机器周期（24个震荡周期）的高电平就可以完成复位操作。复位方式有两种：上电复位和开关复位。3而本系统复位电路采用开关复位。本系统使用串行通信模块来向单片机输入程序使单片机工作。模块使用的原件为DB-9串口。目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。4完成串行口与计算机的链接的是USB-串口数据线，需要在计算机中安装驱动才能正常使用。然而从串口中传来的数据不能直接应用在单片机中，所以还需要在系统中添加用于串口和单片机通讯的驱动芯片。本系统使用在串口与单片机之间完成通讯的是MAX232驱动芯片。该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口RS232电平是-10V+10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0+5V，MAX232就是用来进行电平转换的。该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。5需要注意的是单片机内置串行口同时也是I/O口（P3.0和P3.1）因为串行设备的使用，这两只I/O口便牺牲掉了。这也是为什么我们平时设计系统的时候会尽量避开I/O口中的P3口。时钟、复位及通信模块原理图如下： 图2.3 时钟、复位及通信模块原理图Fig 2.3 Clock, reset and communication module diagram2.4 矩阵键盘模块 由于系统使用时需要设置温度，于是集成了矩阵键盘模块。原理是先将单片机I/O口电平全部拉高，在将所有行线拉为低电平，扫描列线。当识别到列线中不全为高电平时说明有按键按下，接下来按列将电平拉低，扫描行。扫描到行信号如果没有低电平，说明不是此列有键按下，如果扫描到低电平说明按下的按键在这一列，再根据低电平信号位置确定是那一行。当按键位置行列确定之后再对应按键采取相应的动作。矩阵键盘共有十六只按键。分别是：09数字键；“+”、“-”符号键；“加”、“减”控制键；小数点；确认键。十六只按键的分布顺序如表2.1所示：789加456减123小数点正0负确认表2.1 矩阵键盘Table 2.1 matrix keyboard矩阵键盘原理图如图2.4所示：图2.4 矩阵键盘原理图Fig 2.4 Matrix keyboard schematic diagram2.5 温度检测和控制模块 本系统中，温度检测模块使用的是DS18B20温度传感器。在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的有效方案，新型数字温度传感器DS18B20 具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用单总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。6而温度的控制是采用控制继电器的方式，在继电器的励磁端需要加稳压二极管保护电路，通过单片及I/O口给出的低电平信号，经过PNP型三极管将电压放大驱动继电器和指示灯（LED）。温度检测和控制模块原理图如图2.5所示：图2.5 温度检测和控制模块原理图Fig 2.5 Temperature detection and control module diagram2.6 显示模块 本系统中使用的显示模块为LCD1602液晶显示屏。1602液晶模块的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。7在本系统中LCD1602是使用P0口驱动，前文中已经提到需要在P0口加上拉电阻，所以，LCD1602显示模块原理图如图2.6：图2.6 显示模块原理图Fig 2.6 shows module principle diagram3. 软件编程设计本章中主要介绍主程序、设置子程序、键盘扫描程序、温度传感程序，由于其它部分的程序十分简单，所以不加以介绍。其它部分的程序和注释已经添加到程序附录中。本系统设计使用的是C语言。C语言是计算机高级语言，采用自顶向下编程逻辑。它是1972年由美国贝尔实验室的D.M.Ritchie研制成功的。它不是为初学者设计的，而是为计算机专业人员设计的。大多数系统软件和许多应用软件都是用C语言编写的。 83.1 主程序本系统中，主程序主要分两部分，分别是设置部分和工作部分。设置部分需要调用设置子程序，工作时需要调用显示屏初始化、键盘扫描、错误检验、温度读取、显示、继电器控制、延时子程序。主程序流程图如图3.1所示：图3.1 主程序流程图Fig 3.1 main program flow chart因为系统开始工作时需要先设置目标温度，所以需要设置子程序。目标温度设置好之后可以在工作中微调。工作时首先要将显示屏初始化，这样才能保证显示屏的工作。因为需要微调，所以除了设置子程序之外，主程序也需要调用键盘扫描和错误检验程序。之后，需要显示目标温度和实际温度的比较，于是需要从传感器读取温度值，即温度读取子程序。读到温度之后，需要将两个温度显示出来，于是需要调用显示子程序。当然，因为要控制升温降温设备，所有还需要继电器控制子程序。最后，延时，否则屏幕会持续闪动系统无法正常使用。3.2 设置子程序设置子程序的功能是开系统开始工作的时候识别按键，根据按键内容译码设置温度，在将温度编码为显示字符串供显示。与此同时，需要预读取传感器中的温度以便开始工作时直接可以显示现场温度。设置子程序流程图如图3.2： 图3.2 设置子程序流程图Fig 3.2 Setting subroutine flow chart3.3 键盘扫描程序键盘扫描程序分为三个步骤，首先检测是否有按键按下，当检测到有按键按下之后，再检测具体是那一只按键被按下，最后再进一步采取相应的动作。前文中已经提到，十六只按键的列、行分别连在单片机P2口的高四位和低四位上，所以我们将P2口赋值为0xf0即可以令每一只按键的两脚分别为高、低电平。当这只按键按下后，两只引脚连在一起，导致高电平引脚被拉低。这时单片机P2口读数据。当读到的数据不是0xf0时，说明有按键被按下了。识别到有按键被按下之后，P2口将列线拉高并依次将行线拉低，同时扫描列线，根据扫描结果判断是那只按键被按下。例如，如果P2口给出oxfe，即将第一行拉低了，这时扫描P2口，如果扫描结果为0xfe，说明按下的按键没有没有在第一行，再扫描下一行。如果扫描结果不是0xfe，说明被按下的按键就在这一行，再根据扫描到的结果来判断是在那一列。当行、列都确定之后，即计算机知道使用者按下的是那一只按键了，这时会返回一个相应的键值。系统根据返回的键值让计算机采取相应的动作作为对按键按下的响应。键盘扫描程序流程图如下：图3.3 键盘扫描程序流程图Fig 3.3 Keyboard scanning process flow chart3.4 温度传感程序本系统使用的温度传感器DS18B20是单总线原件，所以单片机与之通讯需要遵循严格的时序逻辑。一般情况下，我们可以大概将DS18B20温度读取函数的步骤归纳为几点：首先，DS18B20 开始转换：DS18B20 复位；写入跳过ROM 的字节命令，0xCC；写入开始转换的功能命令，0x44；延迟大约750900 毫秒。其次，DS18B20 读暂存数据：DS18B20 复位；写入跳过ROM 的字节命令，0xCC；写入读暂存的功能命令，0xBE；读入第0 个字节LS Byte，转换结果的低八位；读入第1 个字节MS Byte，转换结果的高八位；DS18B20 复位，表示读取暂存结束。最后，数据求出十进制：整合LS Byte 和MS Byte 的数据；判断正负数（可选）；求得十进制值；十进制的“个位”求出。根据这个步骤，我们可以得到温度传感程序的流程图如下：图3.4 温度传感程序流程图Fig 3.4 Temperature sensing program flow diagram4. 系统评价及改进4.1 系统优点 本系统简单可行，所用原件均为市场主流原件，造价低廉并能准确完成我们需要的对温度的显示和控制等功能。并且通过LCD液晶显示明确直观地将目标温度和现场实际温度显示出来，便于我们观察和记录。本系统采用DC供电和USB供电双供电系统。这样可以使我们的单片机最小系统脱离计算机单独使用，这使得本系统的机动性和实用性大大提高。对于系统本身，没有集成相应的升温、降温设备，而是通过继电器控制，这样我们的系统应用范围将更加广泛，只要目标温度在可控范围（-55摄氏度至+100摄氏度）内，我们便可加以控制。4.2 系统缺点本系统按键控制反应并非实时反应。每次扫描键盘需要完成温度测量与显示等功能，所以，有时候按键将会给人“不灵敏”的错觉。在系统设计的时候没有考虑防水等因素。所以对水下作业或者其他特殊环境本系统无能为力。本系统属于恒温控制系统，不能使环境温度按照某种我们需要的规律变化。4.3 系统改进如果我们将硬件设计中添加中断源或者在软件编程中增加键盘扫描频率，按键“不灵敏”的问题将会得到进一步的解决。在后期的完善中，如果我们可以将防水等特殊处理做好，将会使本系统的应用范围进一步扩大。有需要的话，我们可以通过对软件（程序）的更改来达到变温控制的目的。5. 结论经过硬件设计和软件编程，该系统完全能够实现预期的功能。设置一个目标温度并实时检测现场实际温度，将两个温度显示出来并通过比较控制升温或者降温继电器来进一步控制温度控制设备工作来达到控制环境温度的目的。我们的系统的功能如下：当系统供电，电源指示灯发光，显示屏亮起显示欢迎界面，同时提示设置目标温度，使用者将温度设置好之后按下确定按钮，系统开始正常工作。LCD屏幕两行分别显示目标温度和现场实际温度。此时还可以通过键盘上的“加”、“减”按钮微调设置温度，如果设置温度在测温范围之外，系统会提示错误并要求系统重启。系统正常工作的时候如果现场实际温度不同于我们设置好的设置温度，系统会自动通过升温、降温继电器控制相应的温控设备来调整现场实际温度。如果现场温度与设置温度相符，说明温度控制成功，温控继电器断开，使环境恒温。就当今市场而言，温控系统的研究已经日趋完善。可是本系统造价低廉、应用范围较广、使用方法简单且人性化等优点也同样可以占领一部分市场。6. 学习心得本次系统设计介绍了使用STC89C52单片机最小系统完成了温度采集显示以及实时控制等功能。通过这次设计，我更加深刻的了解了STC89C52单片机的内部结构和LCD1602、DS18B20等原件的使用方法和工作原理，熟悉了一些常用的指令使用，增强了处理混乱逻辑关系的能力，尤其是对单总线元件严格地时序系统的理解更加深刻。通过这次课题设计，我对单片机的工作原理有了更深一步的了解，对于I/O工作方式更加明确，并且在应用上掌握了不少方法。在与同学们交流中，也发现不少问题，并且及时的做出相应的更改，还有一些应用巧妙的方法，这些使我对单片机技术能更灵活的应用。完成本次课题设计之后，我对于Keil和Proteus的联合仿真使用得更加纯熟了，对单片机的C语言编程也更加熟练。参考文献1Keil书中丁、hpcyj、潘昊等 百度百科2基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真周润景 北京航空航天大学出版社3单片机原理及接口技术余锡存 曹国华 西安电子科技大学出版社4DB9和DB25的常用信号脚说明;RS232接口针脚定义百度文库5MAX232中文资料百度文库6温度传感器DS18B20 资料 传诚科技7LCD1602中文资料百度文库8C+面向对象程序设计 谭浩强 清华大学出版社致谢本研究及论文是在我的导师王俊林老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，王老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。王老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢在本系统的设计过程中给予我无私地帮助的各位同学们，正是由于他们的帮助和支持，我才能克服一个个的困难、解开一个个疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!附录附录一：使用说明 使用本系统时，需要按以下步骤使用：首先，当系统上电之后显示屏显示的是欢迎界面和提示设置温度的界面，在设置温度的时候需要注意的是要小心。设置温度错误只能使用“加”、“减”按键微调，微调的分度是0.01摄氏度。设置温度时一定要注意记得按下小数点，否则，当设置温度高于+99.99摄氏度或者低于-55.00摄氏度时系统会提示错误并要求重启。其次，当温度设置好之后按下“确定”键。系统通过显示屏显示实际温度和之前设置好的温度。此时如果想更改温度，仍可以通过“加”、“减”按键微调。如果经过微调的温度超过系统工作温度范围，系统也会报错并要求重启。最后，如果我们需要重新设置目标温度，而目标温度与当前目标温度相差太远，此时应该重新启动系统，重新按键设置目标温度。附录二：源代码/* 初始化*/#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit rs = P10; /LCD1602功能引脚sbit rw = P11; /LCD1602功能引脚sbit ep = P12; /LCD1602功能引脚sbit up = P13; /升温继电器控制端sbit down = P14; /降温继电器控制端sbit DS=P17; /DS18B20总线bit flagn,flags; /定义“+”、“”标志位long int as=0,an,x,temp; /定义长整型全局变量 char Ts7,Tn7; /定义长度为7的字符串unsigned char code Ws = T set up=; /定义显示字符串unsigned char code Wc = welecome!; /定义显示字符unsigned char code Er = Error!; /定义显示字符unsigned char code Pr = Please Reboot!; /定义显示字符unsigned char code Wn = T now =; /定义显示字符uchar HSM,LJC,tmp,keyvalue; /定义字符型全局变量/* 延时子程序*/delay(unsigned char ms)unsigned char i; /定义局域变量while(ms-) /ms不为0循环for(i = 0; i 250; i+) /i从0加到250 _nop_(); /空操作_nop_(); /空操作_nop_(); /空操作 _nop_(); /空操作 /* 按键扫描子程序*/uchar keyscan()P2=0xf0; /行扫描为低电平，列线为高电平LJC=P2&0xf0; /第一次读列检测状态if(LJC!=0xf0) /若有键盘被按下delay(2); /键盘消抖LJC=P2&0xf0; /第二次读取列检测状态if(LJC!=0xf0) /若有闭合键，则逐行扫描HSM=0xfe; /扫描码为0xfe、0xfd、0xfb、0xf7while(HSM&0x10)!=0) /若扫描码为0xef，则结束扫描P2=HSM; /输出行扫描码LJC=P2&0xf0; /读列检测：0xe0、0xd0、0xb0、0x70if(LJC!=0xf0) /如果有按键闭合keyvalue=(HSM)+(LJC|0x0f); /计算键盘值P2=0xf0; /测试按键是否松开while(P2!=0xf0); /进入死循环直至按键松开return(keyvalue); /返回键值else HSM=(HSM0;i-) /循环八次DS = 0; /总线拉低dat=1; /dat右移一位DS = 1; /总线拉高if(DS)dat|=0x80; /若DS18B20有响应，读一个字节tmpDelay(4); /延时return(dat); /返回dat值/* DS18B20写字节子程序*/void