LED数显温度控制器设计方案.doc

LED数显温度控制器设计方案1 引言1.1 研究的背景与意义无论是在日常生活中，还是在工业生产过程中温度控制都起着非常重要的作用。本次毕业设计选题的目的主要是让生活在信息发达时代的我们，把所学的知识应用于生活生产当中，熟练掌握系统总体设计的流程，方案的论证，选择，实施与完善。随着社会经济的快速发展，现在越来越多的生产部门及生产环节对温度控制精度的可靠性和稳定性等有了更高的要求。由于苛刻的生产环节对温度要求较高，而传统的温度控制器控制精度却普遍不高，已经不能满足其要求。当今社会，温度是工业对象中的一个重要的被控参数，它的测量与控制系统在生产与生活的各个领域中扮演着越来越重要的角色，大到工业炼金，环境检测，分离物质，机房电力，粮仓，冻库，卫生医疗等方面，小到家庭空调，冰箱，电饭煲，太阳能热水器等方面都得到了广泛的应用，温度控制系统的广泛应用也使得这方面研究意义非常的重要。1.2 国内外研究现状 虽然温度控制系统在国内各行各业己经得到广泛应用，但从国内生产的温度控制器来说，总体发展水平仍然不高，同美国、日本、德国等先进发达国家相比，仍有着较大的差距。20世纪70年代，国外就对温度控制技术有研究。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末就出现了分布式控制系统。现在正在开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。我国研究温度测控技术较晚，20世纪80年代开始，在吸收发达国家温度测控技术的基础上，我国工程技术人员才掌握了温度室内微机控制技术，这项技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施的计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。2 设计的内容及性能指标 本设计主要是介绍了单片机控制下的温度报警系统，详细介绍了其硬件和软件设计，并对其各功能模块做了详细介绍，其主要功能和指标如下：单片机实时检测温度传感器DS18B20的状态，并将DS18820得到的数据进行处理。上电后数码管显示当前的环境温度，通过按键可设置高低温报警值，当检测到的温度高于设置的报警值的时候，蜂鸣器报警同时报警灯闪烁，温度检测精确到0.1度。并具有掉电保存功能，数据保存在单片机内部EEPOM中，进入设置界面后如果没有键按下系统会在15秒后自动退出设置界面。3 系统方案比较、设计与论证该系统主要由温度测量和温度设置及系统状态显示三部分电路组成，下面介绍实现此系统功能的方案。3.1 主控制器模块 采用STC89C52单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。STC89C52单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是STC89C52单片机价格非常低廉。3.2 温度测量采用数字温度芯片DS18B20 测量实际温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，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。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器STC89C52构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。采用51单片机控制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC 机通信上传数据，另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。3.3 设置温度 采用键盘输入设置温度，键盘则可以用4个按键，一个复位键，一个功能设定键，一个加减一个减键。四个键比较常用，而且用到的接口得到了极好的利用，仅需要4个接口。3.4 显示模块 用LED数码管实现数值的显示，LED数码管显示相对来说比较直观、明亮，可以用动态显示和静态显示两种方法编程实现，数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。LCD虽然其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速。但对于此系统我们不需要显示丰富的内容，而且LCD液晶价格贵，因此我们选择用数码管显示。3.5 电源选取 采用干电池供电。干电池价格低廉、携带方便、运用灵活，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。3.6报警设备的论证与选择 采用声、光同时报警，既可以利用不同颜色的等对应不同的状态判别出此时的温度处于的状况，又可以使工作人员在一定距离范围内监测到温度异常进行及时处理。4 系统器件选择.温度传感器的选择 由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制作成本相对较高。这里采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。 图2 外部封装形式 图3 传感器电路图5 硬件实现及单元电路设计5.1主控制模块主控制最系统电路如图4所示。图4 单片主控电路5.2 显示模块电路显示采用四位数码管显示，当位选打开时，送入相应的段码，则相应的数码管打开，关掉位选，打开另一个位选，送入相应的段码，则数码管打开，而每次打开关掉相应的位选时，时间间隔低于20ms，从人类视觉的角度上看，就仿佛是全部数码管同时显示的一样。显示电路如图5图5 数码管显示5.3 数码管显示驱动电路三极管8550来驱动4位数码管，不仅简单，而且价格便宜。图6 驱动电路5.4 温度传感器(DS18B20)电路5.4.1 DS18B20基本介绍DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号处理器处理。DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。因此，下图电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。图7 温度传感器电路引脚图5.4.2 DS18B20控制方法DS18B20有六条控制命令：温度转换 44H 启动DS18B20进行温度转换 读暂存器 BEH 读暂存器9个字节内容 写暂存器 4EH 将数据写入暂存器的TH、TL字节 复制暂存器 48H 把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中 重新调E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节 读电源供电方式 B4H 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU 5.4.3 DS18B20供电方式DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图3.1所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个三极管来完成对总线的上拉。本设计采用电源供电方式， P2.2口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个上拉电阻和STC89C52的P2.2来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10 s。采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三状态的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：。l 初始化。l ROM操作指令。l 存储器操作指令。5.6 蜂鸣器、发光二极管报警电路电路如图8主要是用来设定温度报警温度的、有高温和低温报警。图8蜂鸣器、发光二极管驱动引脚图6 系统软件设计6.1 程序结构分析 主程序调用了3个子程序，分别是数码管显示程序、温度信号处理程序、按键设定报警温度程序。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。数码管显示程序：向数码管的显示送数，控制系统的显示部分。按键设定程序：可以设定低温和高温报警可精确到0.1度。6.2 系统程序流图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。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，主程序的主要功能是负责温度的实时显示，读出并处理DS18B20的当前温度值，与设定的报警温度比较，其程序流程见图9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开分存放在不的的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。 图9 DS18B20温度流程图6.2.1 DS18B20初始化程序流程图在DS18B20工作之前需要进行初始化，流程图如下： 图10 初始化程序流程图6.2.2 读温度子程序流程图读温度子程序的主要功能是从DS18B20中读出温度数据，移入温度暂存器保存。其程序流程图如下：图11 温度子程序流程图7 系统的安装与调试7.1 安装步骤1.检查元件的好坏按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别进行检测，一定要仔细认真。而且要认真核对原理图是否一致，在检查好后才可上件、焊件，防止出现错误焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理图的位置放置各元件，在放置过程中要先放置、焊接较低的元件，后焊较高的和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊，在焊集成芯片时连续焊接时间不要超过10s，注意芯片的安装方向。7.2 电路的调试首先烧入显示程序，看显示正不正常。在调试程序时，发现有的指令用的不正确，导致电路功能不能完全实现，另外软件程序中的延时有的过长、有的过短。类似的现象还有很多就不一一列举了。7.3 本章小结本章的主要内容是电路的测试和调试注意事项结 论 本温度报警器，通过单片机实时检测温度传感器DS18B20的状态，并将DS18820得到的数据进行处理。上电后数码管显示当前的环境温度，通过按键可设置高低温报警值，当检测到的温度高于设置的报警值的时候，蜂鸣器报警同时报警灯闪烁，温度检测精确到0.1度。并具有掉电保存功能，数据保存在单片机内部EEPOM中，进入设置界面后如果没有键按下系统会在15秒后自动退出设置界面。由于采用了4节干电池供电使系统的抗干扰性得到加强。在软件上，充分利用了STC89C52的系统资源，系统运行流畅。 本设计结构简单，调试方便，系统反映快速灵活，经实验测试，该温度报警系统设计方案正确、可行，各项指标稳定、可靠。 参考文献1曹巧媛主编. 单片机原理及应用(第二版). 北京:电子工业出版社,20022全国大学生电子设计竞赛组委会编.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2001), 北京:北京理工大学出版社，20033何力民编. 单片机高级教程. 北京:北京航空大学出版社,20004金发庆等编. 传感器技术与应用.北京机械工业出版社,20025刘坤、宋戈、赵洪波、张宪栋编51单片机C语言应用开发技术大全，北京：人民邮电出版社，20086谭浩强著C程序设计北京：清华大学出版社，20077王忠飞，胥芳MCS-51 单片机原理及嵌入式系统应用M西安：西安电子科技大学出版社，2007P268-2738 Peter Van Der Linden著，徐波译.C专家编程，人民邮电出版社，2003附录1 整体电路原理图附录2 部分源程序#include #include eepom52.h#define uchar unsigned char #define uint unsigned int/数码管段选定义 0 1 2 3 4 56 7 8 9uchar code smg_du=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90, 0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff; /断码/数码管位选定义uchar code smg_we=0xef,0xdf,0xbf,0x7f;uchar dis_smg8 = 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8;uchar smg_i = 3; /显示数码管的个位数sbit dq = P24;/18b20 IO口的定义sbit beep = P25; /蜂鸣器IO口定义uchar a_a;uint temperature ; /bit flag_300ms ;uchar key_can; /按键值的变量uchar menu_1; /菜单设计的变量uint t_high = 300,t_low = 100;bit flag_lj_en; /按键连加使能bit flag_lj_3_en; /按键连3次连加后使能 加的数就越大了 uchar key_time,flag_value; /用做连加的中间变量bit key_500ms ;uchar flag_clock;uchar zd_break_en,zd_break_value; /自动退出设置界面/*1ms延时函数*/void delay_1ms(uint q)uint i,j;for(i=0;iq;i+)for(j=0;j120;j+);/*小延时函数*/void delay_uint(uint q)while(q-);/*数码显示函数*/void display()uchar i;for(i=0;ismg_i;i+) P3 = smg_wei; /位选P1 = dis_smgi; /段选 delay_1ms(1); P3 = 0xff; /位选P1 = 0xff; /消隐 /*把数据保存到单片机内部eepom中*/void write_eepom()SectorErase(0x2000);byte_write(0x2000, t_high % 256);byte_write(0x2001, t_high / 256);byte_write(0x2002, t_low % 256);byte_write(0x2003, t_low / 256);byte_write(0x2055, a_a);/*把数据从单片机内部eepom中读出来*/void read_eepom()t_high = byte_read(0x2001);t_high = 8;t_high |= byte_read(0x2000);t_low = byte_read(0x2003);t_low = 8;t_low |= byte_read(0x2002);a_a = byte_read(0x2055);/*18b20初始化函数*/void init_18b20()bit q;dq = 1;/把总线拿高delay_uint(1); /15usdq = 0;/给复位脉冲delay_uint(80);/750usdq = 1;/把总线拿高 等待delay_uint(10);/110usq = dq;/读取18b20初始化信号delay_uint(20);/200usdq = 1;/把总线拿高 释放总线/*写18b20内的数据*/void write_18b20(uchar dat)uchar i;for(i=0;i= 1;/*读取18b20内的数据*/uchar read_18b20()uchar i,value;for(i=0;i= 1; /读数据是低位开始dq = 1; /释放总线if(dq = 1) /开始读写数据 value |= 0x80;delay_uint(5); /60us读一个时间隙最少要保持60us的时间return value; /返回数据/*读取温度的值 读出来的是小数*/uint read_temp()uint value;uchar low; /在读取温度的时候如果中断的太频繁了，就应该把中断给关了，否则会影响到18b20的时序init_18b20(); /初始化18b20write_18b20(0xcc); /跳过64位ROMwrite_18b20(0x44); /启动一次温度转换命令delay_uint(50); /500usinit_18b20(); /初始化18b20write_18b20(0xcc); /跳过64位ROMwrite_18b20(0xbe); /发出读取暂存器命令EA = 0;low = read_18b20(); /读温度低字节value = read_18b20(); /读温度高字节EA = 1;value = 10)write_eepom();key_value = 0;key_new = 1;flag_lj_en = 0;/关闭连加使能flag_lj_3_en = 0;/关闭3秒后使能flag_value = 0;/清零else if(P2 & 0x0f) != 0x0f)key_value +; /按键按下的时候else key_value = 0;if(key_value = 7)key_value = 0;key_new = 0;flag_lj_en = 1; /连加使能zd_break_en = 1; /自动退出设置界使能zd_break_value = 0; /自动退出设置界变量清零key_can = 20;if(key_500ms = 1)key_500ms = 0;zd_break_en = 1; /自动退出设置界使能zd_break_value = 0; /自动退出设置界变量清零key_new = 0;key_old = 1;if(key_new = 0) & (key_old = 1)switch(P2 & 0x0f)case 0x0e: key_can = 4; break; /得到k1键值case 0x0d: key_can = 3; break; /得到k2键值case 0x0b: key_can = 2; break; /得到k3键值case 0x07: key_can = 1; break; /得到k4键值 key_old = key_new; /*按键处理数码管显示函数*/void key_with()if(key_can = 4)menu_1 +;if(menu_1 = 3)menu_1 = 0;if(menu_1 = 0)dis_smg0 = smg_dutemperature % 10; /取温度的小数显示dis_smg1 = smg_dutemperature / 10 % 10 & 0x7f; /取温度的个位显示dis_smg2 = smg_dutemperature / 100 % 10 ; /取温度的十位显示smg_i = 3;if(menu_1 = 1)dis_smg0 = smg_dut_high % 10; /取小数显示dis_smg1 = smg_dut_high / 10 % 10 & 0x7f; /取个位显示dis_smg2 = smg_dut_high / 100 % 10 ; /取low十位显示dis_smg3 = 0x89;smg_i = 4;if(menu_1 = 2)dis_smg0 = smg_dut_low % 10; /取low小数显示dis_smg1 = smg_dut_low / 10 % 10 & 0x7f; /取个位显示dis_smg2 = smg_dut_low / 100 % 10 ; /取十位显示dis_smg3 = 0xc7;smg_i = 4;if(menu_1 = 1)/设置高温报警if(key_can = 3)if(flag_lj_3_en = 0)t_high + ;/按键按下未松开自动加三次else t_high += 10;/按键按下未松开自动加三次之后每次自动加10if(t_high 990)t_high = 990;dis_smg0 = smg_dut_high % 10; /取小数显示dis_smg1 = smg_dut_high / 10 % 10 & 0x7f; /取个位显示dis_smg2 = smg_dut_high / 100 % 10 ; /取十位显示dis_smg3 = 0x89; /Hif(key_can = 1)if(flag_lj_3_en = 0)t_high - ;/按键按下未松开自动加三次else t_high -= 10;/按键按下未松开自动减三次之后每次自动减10if(t_high = t_high)t_low = t_high - 1;dis_smg0 = smg_dut_low % 10; /取小数显示dis_smg1 = smg_dut_low / 10 % 10 & 0x7f; /取个位显示dis_smg2 = smg_dut_low / 100 % 10 ; /取十位显示dis_smg3 = 0xc7; /Lif(key_can = 1)if(flag_lj_3_en = 0)t_low - ;else t_low -= 10;if(t_low = 10)t_low = 10;dis_smg0 = smg_dut_low % 1