基于STC89C52单片机的水温控制系统设计方案.doc

基于STC89C52单片机的水温控制系统设计方案第1章 方案论证本设计中的芯片可以采用二种方案。方案一：采用热电偶温度传感器，放大器，A/D转换器作为测量温度的电路。热电偶通过电位差的数值与不加热部位测量点的温度来测温，和这两种导体的材质有关。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。硬件电路复杂，需要设计A/D转换电路，以及与其相关的编程，总体设计起来较困难，软件、硬件调试复杂，硬件成本较高。而且器传感器有以下缺点：它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响。所以总体来说，在硬件、软件上的成本都比较高，而且易受外部环境的影响，系统工作不稳定。 方案二：采用数字可编程温度传感器作为温度检测元件。数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。不需要将温度传感器的输出信号接到A/D转换器上，减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积同时具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。由于采用的是具有一总线特点的温度传感器，所以电路连接简单；而且该传感器拥有强大的通信协议，同过几个简单的操作就可以实现传感器与单片机的交互，包括复位传感器、对传感器读写数据、对传感器写命令2。软件、硬件易于调试，制作成本较低。也使得系统所测结果精度大大提高。通过以上二种方案的论证和比较，从设计的实用性、方便性和成本等诸多方面考虑，最终选择了以DS18B20为温度测量和传输元件的设计，这样设计在本次毕业设计中能够在经费有限的情况下，进行最优的实现方法。具体方案：采用STC89C52作为整个电路的核心控制器件，用DS18B20传感器采集温度信息。当采集到温度信息时，通过一系列处理后从单片机输出来实现声光报警及温度控制。总体框图如下图1-1，本设计方案的优点是结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉并且智能化。抽水泵、加热器温度检测18B20STC89C52温度检测18B20发光二极管报警1602液晶显示继电器按键模块图1-1 总体框图第2章 主要元器件介绍2.1 STC52单片机的介绍1STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器 。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位、计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHZ。其特性有：8K字节程序存储空间；512字节数据存储空间；内带2K字节EEPROM存储空间;可直接使用串口下载；STC89C52单片机:8K字节程序存储空间；256字节数据存储空间；STC89C52的引脚图如下：2.2 数字化温度传感器DS18B20DS18B20是DSLLAS公司生产的一线式数字温度传感器，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。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。2DS18B20的内部结构：DS18B20内部结构如图3-2所示，主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。图2-2 DS18B20内部结构图DS18B20的管脚排列如图2-3所示，DQ为数字信号输入输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端图2-2 DS18B20管脚排列图2.3 固态继电器固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。固态继电器专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。图2-3 固态继电器第3章 硬件电路设计3.1 硬件总体模块温度检测模块：由DS18B20采集温度信息，是实现温度控制的基本条件。温度显示模块（1602LCD显示）：利用1602液晶显示当前温度。声光报警模块：来具体展现所采集到的温度的信息，通过蜂鸣器是否响和LED灯是否亮来体现。按键模块：通过人为操作来控制温度的控制功能。继电器模块：实现对当前环境温度的控制,控制加温和降温的执行器。时钟模块：产生时钟信号。3.2时钟电路设计时钟电路是用来产生STC89C52单片机工作时所必须的时钟信号，STC89C52本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，STC89C52在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作 ，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性1。通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号，采用的晶振频率为12MHZ。本次系统的时钟电路设计如图3-1所示。图3-1 时钟电路图3.2 系统复位电路在图3-2 中复位开关K1 被按下并松开，使端获得低电平，RST 端输出复位信号，单片机复位。或由于( VCC 加入并超过复位门限电压) 引起系统正常复位。图3-2 复位电路图3.3 报警与控制电路设计 在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数设定值进行比较，如果高于设置值1度（或低于设置数1度）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。同样水箱内的温度超出低高设定的温度范围内时当P1.4输出低电平“0”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫，出报警声音；单片机的P1.0（P1.1）输出低电平，此时红色指示灯亮，直到低于（高于）于设定的最高（低）温度时，P1.4输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止发声，P1.0(P1.1)输出电平高电平，发光二极管灭.3.4 温度检测电路设计本次设计所采用的温度传感器为Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20：图3-3 DS18B20DS18B20与STC89C52单片机接口电路的设计DSl8B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线，当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表3-2是一部分温度值对应的二进制温度数据12。表3-2 温度值对应的二进制温度数据图3-4 18B20硬件连接图DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55C-+125C，在-10-+85C范围内,精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。1.DS18B20产品的特点 （1）只要求一个端口即可实现通信。 （2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4）测量温度范围在-55C-+125C之间。 （5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。 （6）内部有温度上、下限设置。 2.DS18B20的引脚介绍 TO92封装的DS18B20引脚功能描述见表1。表3-3DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先DS18B20提供以下功能命令之一：读ROM， ROM匹配，搜索ROM，跳过ROM，报警检查。若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器。一个控制功能指挥指示DS18B20的演出测温。测量结果将被放置在DS18B20内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM 的数据。如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。所有的数据的读、写都是从最低位开始。3.5按键电路设计键盘共有三个键，判断K2K4键是否按下，可采用软件查询和中断的方法，当某个键按下时，低电平有效。3个键K2K4的功能定义如表所示。K3K5键的定义如表3-4表3-4 K3K5按键的定义按键键名功能K2功能转换键此键按下，显示温度设定值，按键松开，显示当前温度K3加1键设定温度值加1K4减1键设定温度值减1图3-4 按键电路3.6 继电器控制电路 STC89C52分别控制P12（ P13）的高低电平来控制继电器的打开和闭合，从而能实现加热和降温的功能。当P12口为低电平时，三极管导通【5】，加热发光二极管亮，控制继电器闭合，加热棒开始加热，当P12为高电平时，三极管截止，继电器断开，停止加热。图3-5 加热继电器电路图当P13口为低电平时，三极管导通，降温发光二极管亮，控制继电器闭合，抽水泵开始加水降温，当P13口为高电平时，三极管截止，继电器断开，停止降温。图3-6 降温继电器电路图第4章 软件设计4.1 主程序方案首先要根据系统的总体功能和键盘设置选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。本部分详细介绍了基于STC89C52单片机的多路温度采集控制系统的软件设计。根据系统功能，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如温度采集子程序，数据处理子程序、显示子程序、执行子程序。采用Kiel uVision4集成编译环境和汇编语言来进行系统软件的设计。本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路后，再逐一分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序。并对温度进行实时显示。采用C语言编写代码, 鉴于篇幅限制及DS18B20 的应用已经规范和成熟, 本文仅就主程序流程图和显示子程序流程图及其代码进行说明。通过定时器T0 P3.4口的定时来实现, 在此不再赘述。主程序流程图主程序通过调用温度采集子程序完成温度数据采集, 然后调用温度转换子程序转换读取温度数据,调用显示子程序进行温度显示和判断温度数据。主程序（见附录1）调用四个子程序，分别是温度采集程序、1602显示程序、温度处理程序和数据存储程序。温度采集程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。1602显示程序：向1602显示送数，控制系统的显示部分。温度处理程序：对采集到的温度和设置的上、下限进行比较，做出判断，向继电器输出。数据存储程序：对键盘的设置的数据进行存储。显示当前温度判断当前温度值超过设定温度1度红灯亮，抽水泵进水设定温度值是否低于设定温度1度是红灯亮，加热器加热否图 4-1 系统总流程图4.2 主程序设计4.2.1主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次2。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图4-2所示。通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分分开存放在不同的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。图4-2 主程序流程图4.2.2读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写2。DS18B20复位、应答子程序跳过ROM匹配命令写入子程序温度转换命令写入子程序显示子程序(延时)DS18B20复位、应答子程序跳过ROM匹配命令写入子程序读温度命令子程序 终 止图4-3 读出温度子程序第5章 系统调试及整体工作过程本系统通过键盘设定水温，当实际温度小于设定温度时，单片机通过控制继电器的开通、关断来使加热器开始加热，并在通过温度传感器18B20实时的检测水的实时温度，并通过LCD1602显示水的实时温度 整体图当加热到所设定的温度时，停止加热。因为水温的大滞后的特性，水温持续往上升。这时，通过水泵抽水来降温，达到控制水温的目的。本系统能在加热、抽水几个回合之后达到稳态，实际温度与设定的温度差不到0.5摄氏度的误差。52单片机部分显示部分继电器部分第6章 总结与感想经过一个多月的单片机课程设计，我体会到理论知识与实践的根本性的区别。在实践中，我可以清楚地了解到自己对理论的认识有没有到位和透彻。实践能把我们对理论知识的欠缺清清楚楚的表现出来，并在改正和做东西的过程中让我一步步地成长。我认识到，做东西不能存有一丝的侥幸心理，很多错误都是我们的侥幸心理一点点地累积起来的，并最终爆发出来，大问题就出现了。然后就是感谢这一个多月来，我们的指导老师董老师的悉心教导，董老师他一丝不苟的教学态度，渊博的知识给了我很大的帮助，使我在学习和生活上都有了很大的收获。参考文献1李建忠.单片机原理及应用M.第二版.西安：西安电子科技大学出版社,2000.2郭天祥. 新概念51单片机C语言教程 入门、提高、开发、拓展全攻略M.北京：电子工业出版社,2005.3李智奇,白小平,陈晓龙.MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计 M.西安：西安电子科技大学出版社,2008.4郑争兵.基于单片机与AD590的温度测量报警系统J.国外电子测量技术，2009，27（1）：27228.5胡寿松.自动控制原理（第五版）M.北京：科学出版社,2007.6华成英.模拟电子技术（第四版）M.北京：高等教育出版社,2010.7阎石,王红.数字电子技术基础M.第五版.北京：高等教育出版社,2010.附录一：部分源程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P22;/ds18b20与单片机连接口sbit RS=P35;sbit RW=P36;sbit EN=P34;sbit heat=P10;sbit in_water=P12;unsigned char code str1= Temprature: ;unsigned char code str2= C ;uchar data disdata5;uint tvalue;/温度值uchar tflag;/温度正负标志uchar Count;/*lcd1602程序*/void delay1ms(unsigned int ms)/延时1毫秒（不够精确的）unsigned int i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j0;i-) DQ = 0; /给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; /给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80； delay_18B20(10); return(dat);void ds1820wr(uchar wdata)/*写数据*/unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = wdata&0x01; delay_18B20(10); DQ = 1; wdata=1; read_temp()/*读取温度值并转换*/uchar a,b;ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);/*跳过读序列号*/ds1820wr(0x44);/*启动温度转换*/ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);/*跳过读序列号*/ ds1820wr(0xbe);/*读取温度*/ a=ds1820rd();b=ds1820rd();tvalue=b;tvalue=8;tvalue=tvalue|a; if(tvalue0x0fff) tflag=0; else tvalue=tvalue+1;tflag=1;tvalue=tvalue*(0.625);/温度值扩大10倍，精确到1位小数return(tvalue);/*/ void ds1820disp()/温度值显示 uchar flagdat;disdata0=tvalue/1000+0x30;/百位数 disdata1=tvalue%1000/100+0x30;/十位数 di