单片机课程设计（论文）-温度监控系统设计报告.doc

浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 0 数理与信息工程学院数理与信息工程学院 毕毕 业业 设设 计计 题题 目：目： 温度监控系统设计报告 专专 业：业： 计算机科学与技术（专升本） 班班 级：级： 姓姓 名：名： 学号：学号： 实验地点：实验地点： 数理与信息工程学院 指导老师：指导老师： 成成 绩：绩： ( 2006.6 ) 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 1 目目 录录 第第 1 节节 引言引言.1 第第 2 节节 系统的硬件配置系统的硬件配置.3 2.1 硬件介绍 .3 第第 3 节节 温度控制系统的组成框图温度控制系统的组成框图.6 第第 4 节节 温度控制系统软件设计温度控制系统软件设计.7 4.1 MICROCHIP PIC16F877A 单片机温度控制系统软件结构图如图温度控制系统软件结构图如图 5.1.15.1.1 所示。所示。.7 4.2 单片机控制流程图 .8 4.3 温度变换程序模块 .9 4.4 温度非线性转换程序模块 .9 第第 5 节节 通信协议的设计通信协议的设计.10 5.1 软件设计 .10 5.1.1 通信协议概述.10 5.2.1 通信通信协议处协议处理流程理流程.11 5.3 单片机软件设计 .14 5.3.1波特率.14 5.4 通信协议设计结论 .18 5.4.1通信可靠性分析.18 5.4.2通信速度分析.19 总总 结结.20 参考文献参考文献.21 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 2 温度监控系统设计报告温度监控系统设计报告 数理与信息工程学院 05 计算机专升本 陈斌斌 指导教师：余水宝 第第 1 节节 引引 言言 温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机 械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低 范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测方法以及对温度的控制方法也将不同； 产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制 算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速 发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行 测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。 本节重点讲述传感器技术。 作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域较广泛。传 感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握 各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与 用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技 术而开发设计了这一温度监控系统。文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细 地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原 理过程。 本设计应用性比较强，设计系统可以作为生物培养液温度监控系统，如果稍微改 装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。课题主要任务是完成环境 温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。设计后的系统具有 操作方便，控制灵活等优点。 本设计系统包括温度传感器，A/D 转换模块，输出控制模块，数据传输模块，温 度显示模块和温度调节驱动电路六个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细 介绍。整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求。 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 3 第第 2 节节 系统的硬件配置系统的硬件配置 2.1 硬件介绍 计算机工作的外围电路设备 （1）温度传感器 温度传感器采用补偿型 NTC 热敏电阻其主要性能如下： 补偿型 NTC 热敏电阻 B 值误差范围小，对于阻值误差范围在 5的产品，其一 致性、互换性良好。适合于一般精度的温度测量和计量设备。 主要技术参数： 时间常数30S 测量功率0.1mW 使用温度范围-55+125 耗散系数6mW/ 额定功率 0.5W 降功耗曲线： 图 2.1.1 温度传感器功耗曲线图 （2）核心处理单元 MicroChip PIC16F877A 单片机 MicroChip PCI16F877A 单片机主要性能： 具有高性能 RISC CPU,仅有 35 条单字指令。 除程序指令为两个周期外，其余的均为单周期指令。 运行速度：DC-20M 时钟输入,DC-200ns 指令周期。 8K*14 个 FLASH 程序存储器,368*8 个数据存储器（RAM）字节。 引脚输出和 PIC16C73B/74B/76/77 兼容,中断能力（达到 14 个中断源） 。 8 级深度的硬件堆栈,直接，间接和相对寻址方式。 上电复位（POR）,上电定时器(PWRT)和震动启动定时器。 监视定时器（WDT） ，它带有片内可靠运行的 RC 振荡器。 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 4 可编程的代码保护,低功耗睡眠方式,可选择的振荡器。 低功耗，高速 CMOS FLASH/EEPROM 工艺。 在线串行编程(ICSP),单独 5v 的内部电路串行编程(ICSP)能力。 处理机读/写访问程序存储器,运行电压范围 2.0v 到 5v。 高输入/输出电流 25mA。 低功耗： 在 5v,4MHz 时典型值小于 2mA。 在 3v,32KHz 时典型值小于 20uA。 典型的静态电流值小于 1uA。 外围特征： Timer 0 ：带有预分频的 8 位定时器/计数器。 Timer 1 ：带有预分频的 16 位定时器/计数器，在使用外部晶体时钟时在 SLEEP 期间仍能工作。 Timer 2 ：带有 8 位周期寄存器，预分频和后分频器的 8 位定时器/计数 器 2 个捕捉器，比较器和 PWM 模块。 其中 ：捕捉器是 16 位的，最大分辨率为 12.5nS。 比较器是 16 位的，最大分辨率为 200nS。 PWM 最大分辨率为是 10 位。 10 位多通道模/数转换器。 带有 SPI（主模式）和 I2C（主/从）模式的 SSP。 带有 9 位地址探测的通用同步异步接收/发送（USART/RCI） 。 带有 RD,WR 和 CS 控制（只 40/44 引脚）8 位字宽的并行从端口。 带有降压的复位检测电路。 （3）RS-232-C 接口电路 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二 种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了 多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准 接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS-232-C 接口（又称 EIA RS- 232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在 1970 年由美国电子工业协会 （EIA）联合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行 通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间 串行 二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个 25 个脚的 DB25 连接器，对连接 器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定。 接口的信号内容 实际上 RS-232-C 的 25 条引线中有许多是很少使用的，在计算 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 5 机通讯中一般只使用 3-9 条引线。RS-232-C 最常用的 9 条引线的信号。 接口的电气特性 在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即： 逻辑。 “1” ，-5-15V；逻辑“0” +5 +15V 。噪声容限为 2V。即 要求接收器能识别 低至+3V 的信号作为逻辑“0” ，高到-3V 的信号 作为逻辑“1” 。 接口的物理结构 RS-232-C 接口连接器一般使用型号为 DB-25 的 25 芯插头座, 通常插头在 DCE 端,插座在 DTE 端. 一些设备与 PC 机连接的 RS-232-C 接口,因为不使 用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据” 、 “接收数据”和“信号地” 。 所以采用 DB-9 的 9 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。 传输电缆长度 由 RS-232C 标准规定在码元畸变小于 4%的情况下，传输电缆长度 应为 50 英尺，其实这个 4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有 99%的用户是 按码元畸变 1020%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过 50 英尺。 图 2.1.2 Max232 结构图 （4）继电器 继电器是具有隔离功能的自动开关，广泛用于遥控，遥测，通信，自动控制，机 电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。 继电器是在自动控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，它实际上是一种可以 用低电压、小电流来控制大电流、高电压的自动开关。在本系统中，继电器控制的自 动温度调节电路和 PCI16F877A 单片机中程序构成温度自动监测电路，实现对生物培养 液温度的监测和自动控制 （5）半导体降温片及电阻加热丝 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 6 半导体制冷器是根据热电效应技术的特点，采用特殊半导体材料热电堆来制冷， 能够将电能直接转换为热能，效率较高。其工作原理如图 2.5.1： 图 2.5.1 半导体降温片工作原理图 本控制系统是对生物培养液进行温度监控，过快的温度变化对生物繁殖显然是 不利的，因此在本系统中采用的是高阻抗小功率加热电阻丝进行温度的小范围调节。 第第 3 节节 温度控制系统的组成框图温度控制系统的组成框图 3.1 温度控制系统的组成温度控制系统的组成: :采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见图 3.1。 其中数字控制器的功能由单片机实现。 图 3.1 温度控制系统的组成框图 3.2 温度控制系统结构图及总述 PIC1 6f87 7A 单片 机 加热控 制电路 高阻抗加 热丝 降温控 制电路 半导体降 温片 温度传感器 培养 皿 TTL 电平 到 EIA 电平 转换 电路 计算 机显 示终 端 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 7 图3.2中温度传感器和 Micro Chip PIC16F877A 单片机中的 A/D 转换器构成输入通 道，用于采集培养皿内的温度信号。温度传感器输出电压经过 A/D 转换后的数字量与 培养皿内的温度给定值数字化后进行比较，即可得到实际温度和给定温度的偏差。培 养皿内的温度设定值由 Micro Chip PIC16F877A 单片机中程序设定。由 Micro Chip PIC16F877A 单片机构成的数字控制器进行比较运算，经过比较后输出控制量控制由加 热和降温电路构成的温度调节电路对培养皿中的培养液温度进行调节。同时通过电平 转换电路把当前温度传输到商用计算机的串口中，由计算机动态的显示培养皿中的温 度，正常情况下温度控制由 Micro Chip PIC16F877A 单片机自动控制。必要时，计算 机也可以通过软件来强制改变培养皿中温度。 第第 4 节节 温度控制系统软件设计 4.1 Microchip PIC16F877A 单片机温度控制系统软件结构图温度控制系统软件结构图如图如图 5.1.15.1.1 所示。所示。 图 4.1.1 单片机温度控制系统软件结构图 检测与变送A/D 转换工程量变换温度非线性转 换 发送数据到串口 比较判断算法 温度预设值 温度 调节 电路 执行器 从串口接受数据 命令识别控制程序 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 8 4.2 单片机控制流程图 图 4.2.1 单片机控制流程图 开始 初始化 PIC16F877A 单片机端口地址 读入预设温度值 启动 A/D 转换 A/D 转换结果送入 NX 单元 NX-FF0 F0-NX0 降温 加热 工程量变换 温度非线性温度转 换 发送数据到串口 命令识别 程序 从串口接受数据 Y Y Y N N N 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 9 4.3 温度变换程序模块 温度传感器在 12到 60输出 2.52V1.02V，温度起点为 12，满量程为 48。 Micro Chip PIC16F877A 单片机内嵌的 10 位 A/D 转换器对应输出的数字量为 0000000000B1111111111B（05V） ，应用以下变换公式进行变换： AX=A0+(AM-A0)(NX-N0)/(NM-N0) 式中，A0为一次测量仪表的下限。 AM为一次测量仪表的上限。 AX实际测量值。 N0仪表下限对应的数字量。 NM仪表上限对应的数字量。 NX测量值对应的数字量。 4.4 温度非线性转换程序模块 采用折线拟合法进行线性化处理 如图 5.4.1 所示，分为以下几段： 当 1.73VAx2.52V 时，T=0.06*WN+12 当 1.40VWN1.73V 时，T=0.03*WN+25 当 1.24VWN1.40V 时，T=0.016*WN+40 当 1.06VWN 0.54 故当所传输的一帧数据为10 位时，所允许的最大的波特率允许误差为5 %对于其它常 用的8位，9位，11位，一帧的串行传输，其最大的波特率允许误差分别为6.25%，5.56%， 和4.5%。 减小波特率误差的措施 我们知道使用离散度小的晶振是减小波特率误差的关键。如果，晶振的离散度已 超过所允许的范围，此时不宜用其标称值，可以采用测量其波特率的方法来得出实际 的晶振波特率值。 （2）单片机软件的实现 设置通信方式和波特率的值例 MOV SCON,#50H 初始化串口设为方式1 MOV TMOD,#20H 利用定时器1为波特率发生器并设为模式2 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 15 MOV PCON,#XXH 设置SMOD值 MOV TH1,#XXH 设置定时器初始值 SETB TR1 启动定时器1 等待接收PC机发来的信号帧并按通信协议作出相应响应。 本设计使用的单片机程序如下： org 0000h mov sp,#50h LOOP1: MOV 3AH,#01H ;置路数为 1 mov r0,#30h ;保存数据区首址给 R0 mov dptr,#7ff0h ;P2.7=0，指向 IN0（第一路） mov 3bh,#08h ;通道总数为 8 read: movx dptr,a ;启动 A/D 转换 nop nop nop acall wait ;等待 A/D 转换 movx a,dptr ;读转换结果 mov r0,a ;保存转换结果 BIND: PUSH DPL ;取温度值 PUSH DPH MOV DPTR,#0500H MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV 40H,A BIN2BCD: ;二进值码转换 BCD 码程序 MOV R1,#43H MOV 43H,#00H ;转换前将 BCD 码清零 MOV 44H,#00H MOV R3,#8 ;移动 8 次， START: MOV R1,#43H ;转换后 BCD 码地址 MOV A,40H RLC A MOV 40H,A MOV R2,#02H ;转换后 BCD 码字节数 BCDCHG: MOV A,R1 ADDC A,ACC DA A MOV R1,A 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 16 INC R1 DJNZ R2,BCDCHG DJNZ R3,START pop dpH POP DPL chanf: mov a,3Ah ;显示缓冲区地址分配 anl a,#0FH mov 48h,a mov a,44h anl a,#0FH mov 4ah,a mov a,43h anl a,#0FH mov 4ch,a mov a,43h swap a anl a,#0Fh mov 4bh,a disp: acall sym ;调用判断热电阻是否正常或温度是否超限子程 序 acall zero1 ;调用消隐“0”子程序 push dpl ;显示子程序 push dph mov dptr,#tab ;取段码表首址 MOV 28H,#1eH MOV 29H,#066H dsp1: mov a,48h ;显示路数 movc a,a+dptr ;查显示数据对应段码 mov p1,a ;送段码 clr p3.4 acall dll setb p3.4 dsp2: clr c ;判断温度是否为负。如是，显示负号 mov a,r0 subb a,#56h jc plus mov 49h,#0bfh ajmp ka plus: mov 49h,#0ffh ka: mov a,49h mov p1,a clr p3.3 acall dll setb p3.3 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 17 dsp3: mov a,4ah ;显示温度值百位 movc a,a+dptr mov p1,a clr p3.2 acall dll setb p3.2 dsp4: mov a,4bh ;显示温度值十位 movc a,a+dptr mov p1,a clr p3.1 acall dll setb p3.1 dsp5: mov a,4ch ;显示温度值个位 movc a,a+dptr mov p1,a clr p3.0 acall dll setb p3.0 DJNZ 29H,KK1 MOV 29H,#01H DJNZ 28H,KK1 ;延时，时间未到，循环显示该路温度值 AJMP KK2 KK1: AJMP DSP1 KK2: pop dph ;时间到，显示下一路 pop dpl inc r0 inc 3ah inc dptr djnz 3bh,fturn ;8 路未显示完，显示下一路 ajmp loop1 ;8 路显示完，从第一路开始显示 fturn: ajmp read SYM: mov a,r0 ;判断热电阻是否正常或温度是否超限子程序 clr c subb a,#1eh jnc sym1 mov 4ah,#0bh ;热电阻开路或温度超过 50 度，显示“HHH” mov 4bh,#0bh mov 4ch,#0bh ajmp sym3 sym1: mov a,r0 subb a,#0dbh jc sym3 mov 4ah,#0ch ;热电阻短路或温度低于-120 度，显示“-LLL” mov 4bh,#0ch 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 18 mov 4ch,#0ch sym3: Ret zero1: ;消隐“0”子程序 mov a,4ah jNz zero2 mov 4ah,#0Ah mov a,4bH jnz zero2 mov 4bh,#0ah zero2: ret wait: mov r4,#03ah ;等待子程序 djnz r4,$ ret dll: MOV R7,#015H ;延时子程序 DL1: MOV R6,#01aH DL2: DJNZ R6,DL2 DJNZ R7,DL1 RET TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H DB 99H,92H,82H,0F8H DB 80H,90H,0ffh,89h,0C7h ;其中 0FFH 是消隐“0”用 ORG 051EH TAB2: DB32H,31H,30H,2FH,2EH,2DH,2CH,2BH,2AH,29H,28H,28H,27H,26H,25H,24H,23H,22H,2 1H,20H,1FH,1FH DB1EH,1DH,1CH,1BH,1AH,19H,18H,17H,16H,15H,14H,14H,13H,12H,11H,10H,0FH,0EH,0 DH,0CH,0BH,0AH DB0AH,09H,08H,07H,06H,05H,04H,03H,02H,02H,01H,0H,01H,02H,03H,04H,05H,06H,07 H,08H,09H,09H DB0AH,0BH,0CH,0DH,0EH,0FH,10H,11H,12H,12H,13H,14H,15H,16H,17H,18H,19H,1AH,1 BH,1CH,1DH,1DH DB1EH,1FH,20H,21H,22H,23H,24H,25H,26H,27H,28H,28H,29H,2AH,2BH,2CH,2DH,2EH,2 FH,30H,31H,31H DB32H,33H,34H,35H,36H,37H,38H,39H,3AH,3AH,3BH,3CH,3DH,3EH,3FH,40H,41H,42H,4 4H,45H,45H,46h DB47h,48h,49H,4AH,4BH,4CH,4DH,4DH,4EH,4FH,50H,51H,52H,52H,53H,54H,55H,56H,5 7H,58H,58H,59H DB 5AH,5BH,5CH,5DH,5EH,5FH,60H,61H,61H,62H,63H,64H,65H,66H,67H,68H,69H,6AH DB 6AH,6BH,6CH,6DH,6EH,6EH,6FH,70H,71H,72H,73H,73H,74H,75H,76H,77H,78H END 5.4 通信协议设计结论 5.4.1通信可靠性分析 浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计温度监控系统设计 19 通信的可靠性主要体现在所使用通信协议的可靠性上，本通信协议的可靠性主要 有两点理论基础： (1)通过判断帧头起始字符来决定一帧的开始，这样就避免了部分数据进入到内部 数据处理之中。这个可能性在1/256， 通过停止位的判断可将这个可能性再降低 1/256。 另外通过帧类型字节的判断可使之进一步降低。 (2)校验字将整帧信号进行异或校验则使误收的可能很小。如果将此异或校验改为 CRC校验则出错的可能性更是微乎其微了。本通信所用协议具有纠错功能，这体现在当 PC 发送或接收数据时，当所接收的应答信号出现失误时，将重新发送或接收此帧数据， 直至接收到了正确的应答，具体在程序中最多允许连续出错三次，超过后则放弃通信。 在实际应用中，应用本通信时传输距离只有几米以内而且环境干扰比较小，从而从外 部因素上进一步保证了通信的可靠性。 5.4.2通信速度分析 如果在不考虑错误发生的情况下，PC 机每发送一帧数据时需要附加12 个字节， 其中8 个字节用于发送4 个字节用于应答PC 机。每接收一帧数据时，需要附加13 个 字节其中5 个字节用于接收8 个字节用于应答。如：按每帧传送32个字节计算的话， 其发送和接收的效率为为忽略PC和PIC16F877A单片机的处理时间