基于单片机的温度控制系统设计.doc

综 合 课 程 设 计 报 告 题 目：基基于于单单片片机机的的汽汽车车驾驾驶驶室室温温度度控控制制系系统统 系 别： 电电子子信信息息与与电电气气工工程程系系 专 业： 电电子子信信息息工工程程 班 级： 电电子子信信息息工工程程（ 1 1） 学 号：0 07 70 05 50 07 72 20 04 43 3，0 07 70 05 50 07 72 20 00 05 5，0 07 70 05 50 07 74 40 04 40 0 姓 名： 代代建建林林 武武韩韩 王王天天来来 导 师： 黄黄 慧慧 成 绩： 2010 年 12 月 27 日 目目 录录 基于单片机的温度控制系统基于单片机的温度控制系统.1 摘要摘要.1 1 1 引言引言.1 1.1 设计要求 .1 12 工作原理 .1 2 2 方方案案设设计计 .1 2.1 方案比较 .1 2.2 硬件模块化设计 .1 2.2.1 外部温度设定输入模块.1 2.2.2 温度信号处理所用芯片.1 2.2.3 显示模块.1 2.2.4 温度采集器件.1 2.2.5 报警单元.1 3 3、系统的实现及工作原理、系统的实现及工作原理.1 4 4 程序设计程序设计.1 4.1 程序结构分析.1 4.2 主程序.1 5 5 测设分析测设分析.1 5.1 测试环境： .1 5.2 测试方法 .1 5.3 测试结果 .1 5.4 实验测试和分析 .1 6 6 展望展望.1 6-1 语音电路.1 6-2 驱动电路.1 6-3 电源模块.1 参参 考考 文文 献献 .1 致致谢谢 .1 0 基于单片机的温度控制系统基于单片机的温度控制系统 摘要摘要 本设计以 AT89S51 单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。 温度信号由温度芯片 DS18B20 采集，并以数字信号的方式传送给单片机。 文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度采集电路、温度控制电路、 PC 机与单片机串口通讯 电路和 4*4 键盘输入电路 。单片机通过对信号进 行相应处理，从而实现温度控制的目的。文中还着重介绍了软件设计部分， 在这里采用模块化结构，主要模块有：数码管显示程序、键盘扫描及按键处 理程序、温度信号处理程序、超温报警程序以及报警后电机驱动散热。 关关键键词词： A AT T8 89 9S S5 51 1 单单片片机机； D DS S1 18 8B B2 20 0 温温度度芯芯片片； 温温度度控控制制； 串串口口通通讯讯 1 1 1 引言引言 温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域 ,如家电、汽车、材料、 电力电子等 ,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同 , 在工业企业中 ,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现 场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重 ,存在很多 不确定的因素 ,难以建立精确的数学模型 ,从而导致控制系统性能不佳 ,甚至 出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电 器动作频繁 ,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的 PID 控制方式 ,但 PID 控制对象的模型难以建立 ,并且当扰动因素不明确时 , 参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器DS18B20，因其 内部集成了 A/D 转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时 的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20 只用一个引 脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展 性。由于 DS18B20 芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路 连接，故可以把数字温度传感器DS18B20 做成探头，探入到狭小的地方，增 加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20 进行范围的温度检测。 1.1 设计要求 设计基于单片计算机的温度控制器，用于控制温度。具体要求如下: 1. 温度连续可调，范围为 0-40 2. 温度误差 0.5 2 12 工作原理 温度传感器 DS18B20 从设备环境的不同位置采集温度，单片机 AT89S51 获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度 值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。 当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时，单片机通过三极管驱动继电 器开启降温设备 (压缩制冷器 ) ，当采集的温度经处理后低于设定温度的 下时 , 单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备 (加热器) 。 当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度 传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的 时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。 系统中将通过串口通讯连接PC 机存储温度变化时的历史数据，以便观 察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。 2 2 方方案案设设计计 2.1 方案比较 方案一：采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热电偶， 热电偶由两个焊接在一起的金属导线所组成，热电偶产生的电势有两种接触 的电势和单一导体的温度差电势所组成。将通过参考节点保持在已知温度并 测量该点电压便可推算出监测点的温度。数据采集部分使用带有A|D 通道 的单片机，将谁被测温度变化的电压或电流采集过来进行A|D 后就可用单 片机进行数据处理，在显示电路上就可以将被测温度显示出来。热电偶的优 点是测温范围非常宽。体积小，但他们存在输出电压较小，容易造成来自导 线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且这种电路需要用到A|D 转换 器，感温电路比较麻烦。 图 2-1 热电偶的电路图 系统主要包括对 A/D0809 的数据采集，自动手动工作方式检测，温度 的显示等，这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理，此外还有复 3 位电路，晶振电路，启动电路等。股现场输入硬件有手动复位键、A/D 转 换芯片、单片机、数码管、报警器等。系统框图如下： 图 2-2 热电偶温差电路测温系统 方案二： 采用温度传感器 DS18B20 从汽车驾驶室内采集温度 ，单片 机 AT89S51 获取采集的温度值， 经过转换通过数码管显示出采集的温度， 当采集的温度高于预设的温度时就会产生声光报警（蜂鸣器会响，发光二级 管会亮）。由于不同季节驾驶室内的最佳温度不同，所以我们设计一个可调 报警温度的系统，通过 4*4 键盘来重外部设定温度，无需每次更改温度都 要从程序中改。这样就增加了改套系统的实用性。系统的框图大致如下： 图 2-3 DS18B20 的温度测试系统 系统通过 DS18B20 来时刻监测驾驶室内的温度，并时刻将温度通过数 码管显示出来，如果温度超过了预设温度就会产生“声光报警 ” （蜂鸣 器会响，发光二级管会亮）。提示驾驶员采取相应的措施。 2.2 硬件模块化设计 mcu 4*4 键盘 DS18B20 数码管显示 蜂鸣器 发光二级 管 4 2.2.1 外部温度设定输入模块 此次我们采用 4*4 键盘输入， 4*4 键盘的工作原里和原理图大致如下： 用 AT89S51 的并行口 P3 接 44 矩阵键盘，以 P3.0P3.3 作输入线，以 P3.4P3.7 作输出线；在数码管上显示每个按键的“0F”序号。对应的按键的序 号排列如图 2-4 所示 0 4 8 C 1 5 9 D 2 6 A E 3 7 B F 图 2-4 4*4 盘的按键的序号和排列 其电路原理图如下： 5 图2-5 4*4 键盘原理图 4*4 键盘的工作原理如下：每个按键有它的行值和列值 ，行值 和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两 并行接口和 CPU 通信。每个按键的状态同样需变成数字量 “0”和 “1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出 数字“0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪 一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。 两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口 输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通 过软件查表，查出该键的功能。 2.2.2 温度信号处理所用芯片 在本次设计中我们采用 AT89S51 来作为处理器， AT89S51 是一个低功 耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)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 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系 统提供高性价比的解决方案。 AT89S51 具有如下特点： 40 个引脚， 4k 6 Bytes Flash 片内程序存储器， 128 bytes 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。 此外，AT89S51 设计和配置了振荡频率可为0Hz 并可通过软件设置省 电模式。空闲模式下， CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中 断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM 的数据，停止芯片其 它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 由于系统控制方案简单 ,数据量也不大 ,考虑到电路的简单和成本等 因素 ,因此在本设计中选用 A TMEL 公司的 A T89S51 单片机作为主控芯 片。主控模块采用单片机最小系统是由于 A T89S51 芯片内含有 4 kB 的 E2PROM ,无需外扩存储器 ,电路简单可靠 ,其时钟频率为 024 MHz , 并且价格低廉 ,批量价在 10 元以内。单片机最小系统原理图 图 2-6 单片机最小系统原理图 2.2.3 显示模块 方案一：采用 LED 数码管显示，由于只要求显示设定值和测量值，需 要显示的值比较少，采用 LED 数码管用动态扫描，就可以很好的实现显示 功能。 7 方案二：采用 LCD 液晶显示器显示，采用 128*64 点阵 LCD 液晶显示， 可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强，调用方便简单，而且可以节省了 软件中断资源。其缺点在于显示内容需要存储字模信息，需要一定存储空间。 由于作为控制器的单片机 SPCE061A 有 32K 字的 Flash,有足够的存储空间， 存储字模数据绰绰有余。但价格与数码管相比就会高出许多，根据节约资本 的原理，它并不合适。 鉴于上面分析，本设计采用方案一。 2.2.4 温度采集器件 方案一：温度传感器采用 DALLAS 半导体公司推出的单总线数字测温Ic 芯片 DSl8b20。DSl8b20 芯片脚简单，它无需任何外围硬件即可方便地进行温 度测量，与单片机交换信息仅需要一根IO 口线，如图 6 所示。 图 2-7 温度采集电路 DS18B20 具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优 点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字 信号（按 9 位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传 感器芯片，它具有三引脚 TO-92 小体积封装形式，温度测量范围 55125，可编程为 912 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，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20 可以并联到 三根或者两根线上， CPU 只需一根端口线就能与多个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。从而可以看出 DS18B20 可以非常方便的被 用于远距离多点温度检测系统 。 每个 DSl8b20 在出厂时都有一个唯一的 64 位的光刻序列号，可支持多 节点测温，使设计大为简化；测温时无须任何外部元件，测温范围是一 55+125，测温精度为 05 度；内部自带 AD 转换器，通过内部的温 度采集、 AD 转换一系列过程，最后将温度以规定的格式转换为16 位数 据并输出，并将数据还原为温度值。 8 方案二： M308779 能通过串口连接到电脑上显示出读数。用在冰箱里面， 还有室内 BS1-STT-R 温度传感器外壳材料选用不锈钢材质，运用先进的激 光焊技术，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧 防水防震 性能极佳，可达 IP68，广泛应用于水温、气温、冷冻冷藏、医疗卫生、航 空航天、环境等温度的测量 。 由于本设计要就的精度不是很高所以DS18B20 就完全可以满足设计需 求，在本系统中我采用温度芯片DS18B20 测量温度。该芯片的物理化学性 很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0100 摄氏度 时，最大线形偏差小于 1 摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便 于单片机处理及控制。 我们选用方案一。 2.2.5 报警单元 本次采用声光报警直接用开发板的蜂鸣器和二级管即可。 3 3、系统的实现及工作原理、系统的实现及工作原理 图 3-1 系统的工作原理图 将系统接在 5 伏直流电源上，系统开始工作，用用键盘与设置一个报警 温度比如说 20 摄氏度， DS18B20 采集驾驶室内的温度，并通过单片机的 处理时温度信号变为电信号并通过数码管显示出来。当驾驶室内的温度升高 时数码管显示温度升高，当温度大于20 摄氏度时蜂鸣器开始报警发光二级 管亮，提示驾驶员温度过高。当驾驶员采取一些列降温措施后温度下降，报 警停止。 4 4 程序设计程序设计 4.1 程序结构分析 mcu 4*4 键盘 DS18B20 数码管显示 蜂鸣器 发光二级 管 9 主程序调用了 5 个子程序，分别是数码管显示程序、键盘扫描及按键 处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、单片机与PC 机串口 通讯程序。 （1）键盘扫描电路及按键处理程序：实现键盘的输入按键的识别及进 入相应的程序。 （2）温度信号处理程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判 断和显示。 （3）数码管显示程序：向数码的显示送数，控制系统的显示部分。 （4）串口通讯程序：实现 PC 机与单片机通讯，将温度数据传送给 PC 机。 10 图4-1 程序流程图 程序开始的时候先设置初始化，然后就控制数码管显示当前温度。接 着就判断 F1、F2 按键是否被按下。按下 F1 进入温度控制点 1 的程序、 按下 F2 进入温度控制点 2 的程序。程序控制设置温度的两个数码管闪烁 的，此时键盘输入有效。 4.2 主程序 见附件。 5 5 测设分析测设分析 5.1 测试环境： 将系统放在汽车驾驶室内，环境温度在DS18B20 的工作温度内即可。 5.2 测试方法 开始 系统初始化 4*4 键盘设置温度 LED 温度显示 温度传感器测温 与报警温度相比较 低于报警温 度 高于报警温度 声光报 警 11 将硬件电路接于主机箱的 USB 接口，利用人的体温模拟汽车驾驶室内 温度变化，由于我们在程序中设定报警温度为+20 度所以完全可以用人体 体温模拟。 5.3 测试结果 设定报警温度为 20 摄氏度，标定温差 =1 摄氏度 调节时间 15s（具体视现场情况），静态误差 =0.5 摄氏度 最大超调量 1 摄氏度。 5.4 实验测试和分析 通过测试可知当驾驶室的温度超过20 摄氏度时，系统开始报警，但是 观察数码管和报警时可以看到报警有一定的延时，这是因为程序的运行时按 行运行的，所以会有一定的延时。在刚接上电源是数码管会不断的扫描，而 且蜂鸣器在响。这是因为在刚接电的瞬接程序紊乱，需要按开发板上的复位 键。通过测试可知预设定的温度可以任意设定硬件都可以实现，只要与设定 温度在 DS18B20 的测试温度范围内即可。 6 6 展望展望 在本次设计中，在报警器报警以后，我们要求驾驶员主观去采取措施来 降温，也可以在系统中增加电机来降温，还有就是报警时用蜂鸣器报警声音 比较单调刺耳，我们可以利用语音芯片来实现报警，具体实现的框图如下： 图 6-1 DS18B20 的驾驶室温度控制系统 6-1 语音电路 mcu 4*4 键盘 DS18B20 数码管显示 语音芯片 发光二级 管 步进电机 电源 12 语音电路可采用的是华邦公司的语音芯片ISD1700，该芯片内部包含 有自动增益控制，麦克风前置扩大器，扬声器驱动线路，振荡器与内存等全 方位整合系统功能。 ISD1700 的独立按键工作模式录放电路很简单，不仅 有录，放功能，还有快进，擦除，音量控制，直放录音和复位等功能。在按 键模式工作时，芯片可以通过 /LED 管脚给出信号开提示芯片的工作状态， 并且伴随提示音。在下图语音电路中R24 的大小决定着语音芯片内部存储 语音的大小。语音电路录好音接入本系统，在PLAY 下降沿到来时，开始 放音。 图 6-2：ISD1760 6-2 驱动电路 驱动电路采用的是 LM297，LM298 来驱动步进电机。电路图如下： Comment h1: 2940 13 图 6-3：驱动电路 6-3 电源模块 本系统步进电机采用 12V 开关电源供电，单片机、语音电路的5V 电 源由 12V 电源通过 三端稳