基于单片机温度控制系统——硬件部分.doc

基于单片机温度控制系统基于单片机温度控制系统 硬件部分硬件部分 摘摘 要 要 本系统采用 stc89c52 单片机为检测控制中心 在硬件方面 主要应用性价比高的 stc89c52 单片机 lcd1602 液晶显示屏 ds18b20 温度传感器 7805 三端稳压器等使用方 便 价格适中的元器件 而软件方面 则使用 c 语言进行程序编写 基于设计成本和制作 工艺的考虑 该系统设计在能满足基本的功能要求基础上尽量以低成本 高性能 可拓展 原则来进行设计 关键词 关键词 温度控制 单片机 温度传感器 温度测量 based on the single chip microcomputer temperature control system the hardware part abstract this system adopts the stc89c52 single chip microcomputer to detect and control center in the aspect of hardware the main application of cost effective stc89c52 scm lcd1602 lcd 7805 three terminal voltage regulator ds18b20 temperature sensor such as easy to use moderate price of components and software using c language for programming the whole system design on the basis of can realize the basic function as far as possible at low cost high performance and scalable principles for design keywords temperature control microcontroller temperature sensors temperature measurement 1 目录目录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 1 课题的背景及意义 1 1 2 课题研究的内容及要求 1 1 2 1 课题研究的内容 1 1 2 2 课题研究的要求 2 1 3 课题的研究方案 2 第第 2 2 章章 设计理论基础设计理论基础 4 4 2 1 stc89c52 系列单片机介绍 4 2 1 1 stc89c52 系列引脚功能 4 2 2 lcd1602 液晶显示屏 4 6 2 3 ds18b20 温度传感器 7 2 4 7805 三端稳压器 7 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 5 5 8 8 3 1 单片机控制单元 8 3 2 电源输入模块 9 3 3 温度采样模块 10 3 4 显示模块 10 3 5 温度控制模块 11 3 6 晶振电路模块 12 3 7 复位电路模块 12 3 8 蜂鸣器模块 13 第第 4 4 章章 软件设计软件设计 1414 4 1 主程序流程图 14 4 2 按键流程图 14 4 3 温度流程图 15 4 4 显示流程图 16 第第 5 5 章章 电路总体电路总体 pcbpcb 设计及制版设计及制版 1616 5 1 pcb 设计和制版 6 16 5 2 最终成品 18 第第 6 6 章章 系统硬件调试系统硬件调试 7 7 及结论分析 及结论分析 1919 6 1 硬件电路故障及解决方法 19 6 2 系统仿真图 19 6 3 作品整体调试 20 6 4 结论分析 23 第第 7 7 章章 心得体会心得体会 2323 致谢致谢 2525 2 参考文献参考文献 2626 附录附录 温度控制系统元件清单温度控制系统元件清单 2727 1 基于单片机温度控制系统基于单片机温度控制系统 硬件部分硬件部分 专业班级 10 通信工程 1 班 王明敏 指导老师 祁浩东 讲师 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 课题的背景及意义 在日趋发达的社会工农业生产中 温度测量变得越来越重要 同时 对测 量精度的要求也随之提高 于是 各种新型的温度传感器 1 也如雨后春笋般出 现在各行业中 与此同时 人们对温度的检测和控制方法也相应的提出了更高 的要求 于是 智能化逐步成为温度控制的主流 一个足够智能的温度控制系 统 可以广泛应用在室内温度监视 蔬菜大棚保温以及保证孵化棚温度等众多 工农业生产中 并创造可观的收入和发展前景 另外 在某些特殊环境下 如 果人工的去调试温度的测量会存在一定的危险性 考虑到作业人员的人身安全 和一些突发状况 还有系统生产的成本 基于单片机智能化的温度控制系统逐 渐将占据工农业生产中极其重要的位置 目前 相当多的温度控制系统使用的是电子式控制方式 其缺点 1 由 于系统整体比较复杂及受到限制的模拟仪表的实现功能 导致这些控制系统均 采用最简单的控制方式 不能很好的提供控制性能 2 系统使用的逻辑元器 件过多而且残旧 使整个电路结构变得更为复杂 同时也让设备的日常维护与 管理变得更为困难 综上所述 我们认为 此类控制系统已无法满足目前飞速 增加的性能需求 而必须研发新的控制方式 通过不断查找资料和探索 我们 提出了基于单片机的温度控制方式 1 2 课题研究的内容及要求 1 2 1 课题研究的内容 本毕业设计研究的是基于单片机 2 的温度控制系统 在原本模拟控制系统 的基础上做出改变 其主要思路如下 以 stc89c52 单片机为系统控制中心 通 2 过外部按键人为设定系统温度的上下限值 利用 ds18b20 温度传感器完成环境 温度的采集 温度会实时显示在 lcd 液晶显示屏上 当采集的温度高过设定温 度值上限时 单片机通过三极管驱动控制制冷模块的继电器 1 开始工作 此时 该继电器的红灯闪烁 蜂鸣器响一声 提醒制冷模块开始工作 风扇开始向外 送风 制冷片开始制冷 当温度下降到低于设定值 1 时 制冷模块停止工作 温度保持在该温度 当采集的环境温度低于设定的温度值下限时 单片机通过 控制三极管启动控制加热模块的继电器 2 工作 此时该继电器的红灯闪烁 蜂 鸣器响一声 提醒加热模块开始工作 加热板开始加热 直到温度上升到高于 设定下限值 1 时 加热模块停止工作 温度传感器继续实时监测环境的温度 通过液晶显示屏显示出来 整个系统有外接电源提供能源 12v 的外接电压通 过 7805 三端稳压器 3 稳压后向系统提供 5v 电源 按下开关按键系统即可工作 1 2 2 课题研究的要求 1 能够在设定的温度范围内保持恒温 2 能够实现加热或降温控制 3 通过 stc89c52 单片机控制 温度的设定值由外部按键人为设定 采 集到的温度值显示在使用的液晶显示屏上 4 能够设定室内的温度值 设定范围是 15 45 5 能够持续测量环境内的温度 采集到的温度值实时显示在使用的显示 屏上 1 3 课题的研究方案 在这次设计之前 经过对比 商议几种不同设计方案的利弊与实现难易度 我们得出的结果如下 方案一 见图 1 1 3 图 1 1 方案一图 该方案是一种比较传统的采用模拟电路来进行控制的系统 负载是否进行 加热或降温处理取决于反馈电路反馈回来的温度值与系统设定的温度值的比较 系统通过继电器驱动负载工作 另外 系统的温度值设定工作由电位器执行 比较难以随时改变 尽管采用了上下限比较电路 但还是无法达到要求的控制 精度 另外也不能使用液晶显示屏或数码管显示 方案二 见图 1 2 图 1 2 方案二图 此方案采用 stc89c52 单片机来实现系统控制 使用单片机软件编程具有很多优 点 而且系统的温度值可以由外部按键认为设定设定 并通过显示屏来实时显 示室内实际值 为生产和生活带来极大方便 本方案选择的 stc89c52 内含存储 器 没有外加元器件的冗余使整个系统变得更简洁 制作工艺变得更为容易 结论 方案一采用的是传统控制方式 无论是控制运算还是控制方式都很 4 难进行修改 甚至有很多不能满足方案的可行性 而方案二选择以单片机为核 心的控制系统 无论是系统的测试精度还是智能性都有了很大突破 另外 还 可以通过按键实现温度控制值的设定 并显示出来 为人们的生活和生产带来 极大方便 所以 经过对比 分析讨论方案的利弊 可行性 元器件采购的难 易度等问题后 我们慎重的选择了方案二作为我们本毕业设计的执行方案 第第 2 2 章章 设计理论基础设计理论基础 本设计系统主要由 输入电源 环境温度采集 温度显示 单片机控制 升温模块 降温模块等基本单元组成 接下来将对各单元进行详细的介绍 2 1 stc89c52 系列单片机介绍 本次设计中我们选用的是 stc89c52 4 芯片 它是一种低电压 超强抗干扰 高性能 comos8 位的带 8k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的微处理器 其指 令代码完全兼容传统的 8051 单片机 通过烧入程序实现相应的功能 图 2 1 stc89c52 芯片实物图 2 1 1 stc89c52 系列引脚功能 stc89c52 共有 40 个引脚 其逻辑引脚图如图 2 2 所示 5 图 2 2 stc89c52 引脚图 stc89c52 引脚的各项功能具体解释如下表 2 3 所示 表 2 1 stc89c52 引脚功能说明 分类引脚名称功能说明 vcc pin40 电源输入 接 5v 电源主电源引脚 2 根 vss 接地线 xtal1 片内振荡电路的输入端外接晶振引脚 2 根 xtal2 片内振荡电路的输出端 rst vpp pin9 复位引脚 ale prog pin30 地址锁存允许信号 psen pin29 外部存储器读选通信号 控制引脚 4 根 ea vpp pin31 根据电平的高低选择从内或 外部 rom 读指令 p0 口 pin39 pin32 8 位双向输入 输出口线 名 称为 p0 0 p0 7 p1 口 pin1 pin8 8 位准双向 i o 口线 名称 为 p1 0 p1 7 可编程输入 输出引脚 32 根 p2 口 pin21 pin28 8 位准双向 i o 口线 名称 为 p2 0 p2 7 6 p3 口 pin10 pin17 8 位准双向 i o 口线 名称 为 p3 0 p3 7 2 2 lcd1602 液晶显示屏 5 lcd1602 是指显示内容为 16 2 的液晶模块 2 表示两行 16 表示 16 个 字符 工作电压 3 3v 或 5v 通过调节按钮可改变它的亮度 消耗的功率很小 实物的形状轻小 经常用于消耗功率低的应用系统中 采用标准的 16 脚接口 其引脚图如图 2 4 所示 具体说明如表 2 4 所示 图 2 3 lcd1602 实物图 图 2 4 lcd1602 引脚图 表 2 2 lcd1602 显示屏引脚说明表 引脚名称说明 1vss 接地端 2vcc 接电源端 3v0 液晶显示器对比度调整端 4rs 根据电平的高低选择不同的 寄存器 5rw 读写信号线 高读 低写 6en 使能端 7 14d0 d7 8 位双向数据端 15 16a k 空脚或背灯电源 15 脚背光 正极 16 脚背光负极 7 2 3 ds18b20 温度传感器 在以往的温度测量系统中 要想获得比较精确的测量值 需要解决很多问 题 例如几个点之间的切换存在误差以及三极管放大电路中零点漂移产生的误 差等 另外测试环境的恶劣程度 也会影响测量精度 所以 在温度测试系统 中解决该类问题最好方法之一就是使用抗干扰强 测量精度高的新型传感器 特别是目前该类传感器价格低廉 性能较高 很受欢迎 这类传感器在实际生 产过程中也被广泛使用 并且取得很好的测试效果 带来可观的经济效益 图 2 5 ds18b20 实物图 ds18b20 温度传感器的主要特征如下 1 测温范围为 55 125 2 使用过程中 不需要外加任何元件 大大简化了电路的结构 3 工作电压比较低 一般为 3 5 5v 由于可以数据线寄生电源 所以可 以不增设外部工作电源 简单方便 4 测量得出的结果可以直接的输出十进制的 9 位数字信号 以 一线总线 方式传输给单片机进行处理 并且本身还有非常强的抗干扰纠错能力 2 4 7805 三端稳压器 7805 三端稳压集成电路 其外表和普通的三极管很像 to 220 的标准封装 三端是指输出端 输入端和接地端 用 78 系列三端稳压器来组成稳压电源 不仅所需的外围元件少 而且电路 内部还包含过热 过流以及调整管的保护电路 使用起来方便 可靠 价格便 8 宜 经常用于电子制作 图 2 6 7805 三端稳压器 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 6 6 系统设计整体电路图如图 3 1 所示 图 3 1 整体电路图 3 1 单片机控制单元 单片机 stc89c52 通过与温度传感器连接的 p2 3 引脚获得 ds18b20 温度传 感器在所处环境中采集的温度 然后把得到的稳定值通过与显示屏连接的 p0 0 p0 7 引脚传输给显示屏显示出来 再通过与当前设定的温度上下限值进 行对比 当温度大于设定值上限 通过与压缩制冷器连接的 p2 0 引脚驱动继电 9 器 1 开启压缩制冷器 当温度小于设定的温度值下限时 通过与加热器连接的 p2 1 引脚驱动继电器 2 开启加热器进行工作 当温度处于设定值上下限之间时 两者皆不工作 另外 单片机的温度值设定由外部按键根据具体情况和需求人为设定 相 当方便简捷 按键控制电路如下图所示 图 3 2 按键控制单元 3 2 电源输入模块 由于降温模块需要相对大的功率才能实现相对明显的降温效果 所以系统 需要两种供电方式 5v 为 ds18b20 和单片机供电 12v 为升温降温模块供电 因此 需要独立设计供电模块 通过跳帽的方法为各部分提供电源 本系统只要利用 7805 三端稳压器把 12v 直流电压转换成 5v 直流电压 其 电路图如图 3 3 所示 图 3 3 12v 转 5v 电路图 10 3 3 温度采样模块 本系统使用 ds18b20 温度传感器来采集环境温度 测量灵敏 形状小巧 不仅提高了测量的精度而且简化了整个电路的结构 其电路结构如图 3 4 所示 stc89c52 单片机通过与该传感器连接的 p2 3 引脚读取采集到的环境温度值 然后进行相关数据处理 图 3 4 温度采集电路 3 4 显示模块 本部分主要使用 lcd1602 液晶显示屏 其电路结构如图 3 5 所示 单片机 的 p0 口 p0 0 p0 7 分别与显示屏的 d0 d7 相连接 单片机通过该双向数据 连接线把处理好的温度值传送到显示屏上 设计者可接查看测试结果 lcd 显 示屏的第 3 脚 vo 接一个滑动电阻 通过滑动该电阻可改变显示屏的明暗度 而显示屏上的最大最小温度值通过外部按键直接人为设定 这样可根据不同环 境适时做出调整 灵活性大 11 图 3 5 显示屏电路结构 3 5 温度控制模块 stc89c52 单片机通过不同的三极管控制不同的继电器的开关 继电器所连 接的不同负载 升温或降温模块 就会相应的执行工作指令进行加热或降温或 恒温 加热部分用是 12v 140 恒温 ptc 加热片 制冷部分用的是半导体制冷片 整体用 12v 电源供电 当环境温度高于设定温度值上限时 单片机通过引脚 p2 0 发送低电平信号 使控制继电器 1 的三极管导通 继电器 1 使电源与压缩制冷器接通 制冷器开 始制冷 散风风扇开始向外送风 温度慢慢下降 直到下降到低于设定值 1 才停止制冷 如果环境温度比设定温度值下限小时 单片机通过引脚 p2 1 发送低电平信 号使控制继电器 2 的三极管导通 电源和加热模块开始连接通电 加热器开始 工作 温度慢慢上升 直到上升到高于设定值 1 时 加热器停止工作 加热 停止 如果温度处于设定值上下限之间 单片机则会发送高电平信号使三极管进 入截止状态 压缩制冷器或加热器与电源断开 停止工作 12 其工作电路如图 3 6 所示 图 3 6 温度控制电路 3 6 晶振电路模块 系统时钟频率由晶振决定 通常我们使用 12mhz 的晶振 在单片机 xtal1 和 xtal2 接口上分别接 30pf 的瓦片电容 晶振并联在电路中 本系统的晶振电 路如图 3 7 所示 图 3 7 晶振电路 3 7 复位电路模块 本系统的复位电路如图 3 8 所示 按键 s4 与 ret 接口连接 只要 s4 按钮 被按下单片机就会启动复位 程序被重新执行 13 图 3 8 复位电路 3 8 蜂鸣器模块 蜂鸣器响声一般用作报警或提示音 在本系统中 蜂鸣器的作用是 当加热器 或制冷器开始工作时响一下 用来提示加热器或制冷器开始工作 本系统中的 蜂鸣器通过 p2 4 引脚与单片机连接 如图 3 9 所示 图 3 9 蜂鸣器电路 14 第第 4 4 章章 软件设计软件设计 4 1 主程序流程图 系统的主程序流程图如下图所示 当有信号输入时 主程序启动 根据内 部设定的条件逐步运行 达到设计目的 图 4 1 主程序流程图 4 2 按键流程图 系统的按键流程图如图 4 2 所示 15 图 4 2 按键流程图 4 3 温度流程图 图 4 3 为系统的温度流程图 图 4 3 温度流程图 16 4 4 显示流程图 系统的显示流程图如图 4 4 所示 主要通过对传输过来的信号进行显示后 给操作者提供显示 图 4 4 显示流程图 第第 5 5 章章 电路总体电路总体 pcbpcb 设计及制版设计及制版 5 1 pcb 设计和制版 7 根据图 3 1 的系统整体设计图画出 pcb 图 如图 5 1 所示 17 图 5 1 pcb 图 最后根据 pcb 图制作出电路板 具体作品如图 5 2 和 5 3 所示 图 5 2 电路板正面 18 图 5 3 电路板背面 5 2 最终成品 19 图 5 4 作品整体图 图片上方的是散热风扇 制冷片粘合在风扇的下方 纸箱内部 系统的解 热块和 ds18b20 传感器也置于纸箱内部 第第 6 6 章章 系统硬件调试系统硬件调试 8 8 及结论分析 及结论分析 6 1 硬件电路故障及解决方法 1 电源故障 由于接入的是电网电压 与我们设计需要的电源电压值相差 较大 如果直接接入可能会导致元器件烧毁 无法正常供电等问题 解决措施 设计接入电源先经过稳压电路 把 12v 电压转换成 5v 直流电压 后 再接入系统的所需部件中 慢慢查看是否正常工作 如发现不妥 赶紧停 电 再慢慢探讨原因和解决方法 2 电路板上的导线断裂 短线 画错了导线线 由于在画原理图和 pcb 图 时出现误差或者制版过程中的焊接技术等问题而出现的故障 解决措施 首先在画原理图和 pcb 图的时候要认真细心的检查 然后改正 同时在洗板时也要仔细检查 及时改正 这样可以最大限度的降低错误的概率 3 元器件损坏 对元器件的性能各方面不熟悉的话 会造成很不多不必要 的损失 我们在做设计过程中 就曾试过多次把程序烧入芯片中 但又不注意 方法 把芯片烧坏了的情况 解决措施 在进行电路板制作之前 先熟悉各类元器件的性能及要求 严 格按照焊接要求进行焊接 或者通过万用表检测元器件是否损坏 损坏的元器 件及时更换 避免影响电路功能的实现 6 2 系统仿真图 本系统使用 proteus 9 软件进行系统仿真 如下图所示是将程序导入单片 机芯片 然后按下仿真开始按钮即可进行仿真 10 20 图 6 1 仿真图 6 3 作品整体调试 本毕业设计的最终目标是通过温度传感器采集环境温度 然后单片机通过 读取测量到的温度值进行相关处理后 根据系统原先的设定值与测量得到的温 度值作对比 在设定值范围内单片机控制加热或制冷模块开始工作 否则 负 载模块都不工作 直到温度再次在设定范围内 以此循环 最终实现温度的智 能控制 在此过程中 lcd 显示屏一直实时显示着环境温度的变化 其系统总 结构如图 6 2 所示 图 6 2 系统总结构图 21 范例一 我们事先设定系统温度值最大 30 最小 21 这个温度值 设定随着具体环境和不同需求人为进行设定 当温度在这个范围内 加热和制 冷单元都不工作 单片机直接读取 ds18b20 的测量值 传送到 lcd1602 显示屏 上 实时显示 当环境温度不在该范围内 则单片机根据是高于最大值或是低 于最小值控制继电器驱动制冷器或加热器工作 如图 6 3 所示 ds18b20 检测到的温度是 19 188 温度精确值可通过程 序根据需要设定 低于最小值 21 则此时 stc89c52 单片机通过三极管驱 动继电器 1 工作 蜂鸣器响一声提醒制冷器开始制冷 图中亮着红光的发光二 极管代表继电器 1 正在工作 而电路板上方的亮着绿光的发光二极管表示电源 正常工作 图 6 3 温度低于下限 开始升温 温度持续上升 当温度上升到 22 500 时 继电器 1 的开关推到另一侧 制冷器停止工作 红色发光二极管不亮 系统保持恒温状态 如图 6 4 所示 22 图 6 4 升温结束 保持恒温 整个加热过程就是这样 通过上面的测试说明加热模块成功 加热过程温 度变化很稳定 实现了温度控制系统的升温控制功能 加热到设定的温度值的 时间也很快 范例二 当换另一个环境时 我们把系统温度值最大值和最小值分别设定 为 18 15 时 如图 6 5 此时 ds18b20 传感器测量的温度值为 18 250 高于温度上限值 同样的原理 制冷器开始工作 直到温度下降到 17 500 制冷器停止工作 如图 6 6 所示 图 6 5 制冷器工作 降温开始 23 图 6 6 降温结束 系统保持恒温 整个降温过程如上图所示 通过上面的测试说明降温模块成功 实现了温度控 制系统的降温控制 6 4 结论分析 从系统所做的各类测试 以及测量精度的细化 可以知道 温度读数可以 达到 0 001 设定的温度与最终的温度值很接近 已经基本满足系统的要求 本系统可以在可调节的温度范围内 根据测量值与设定值的比较后自动的 控制加热或制冷模块工作到系统预设的温度 在一般室温下 系统能调节的温 度范围为 10 50 同时 stc89c52 单片机能够读取 ds18b20 实时测量到的 温度 通过显示屏直观显示出来 为生活和生产带来极大便利 虽然整个作品制作工艺比较粗糙 另外 但基本的温度智能控制功能已经 实现 第第 7 7 章章 心得体会心得体会 从刚开始选题的兴奋到后来明白题目要求后的沉思 这次的毕业设计对我 来说 是一个巨大的挑战 同时也是一个很好的考验 特别是由于对这次设计 24 所涉及的很多知识点不是很熟悉 所以花了不少精力去摸索 而这一过程中 我获益匪浅 一方面 在这次设计中 不但让我学过的理论知识接受了实践的检验 而 且提高了我的综合运用能力和动手操作能力 当看到自己运用所学的知识做出 能解决实际问题的作品时 自豪感油然而生 同时 通过本次设计使我对设计 温度控制系统整个过程有了较详细的掌握 了解和学习了单片机的各项使用功 能 特别是它的应用范围之广和性价比之高 令我心里暗暗感叹了好多遍 最 后在老师和搭档的帮助下通过硬件的测试和软件的调试的实现了该系统的硬件 设计部分 在这过程中 由于自己之前没有很完整的去做完过某个项目 所以 对元器件的选型 电路原理图的设计 pcb 图的绘制 购买元器件以及电路板 的焊接等流程都不是很熟悉 导致自己的进展有点慢 但正是因为通过这些 让我认识到了自己的很多不足 促使我更加努力的去学习 另一方面 通过这次毕业设计 提高了我查阅文献资料 电脑绘图以及撰 写论文的能力 同时 也提高了我的细心 耐心程度 在硬件测试过程中 由 于线路的问题 导致继电器模块功能无法正常工作 通过反复的检查 讨论 最后通过废除电路板上的继电器模块 重新外接一个继电器模块 问题才得以 解决 最后 通过这段时间的学习 我感触颇深 在如今飞速发展的社会中 科 技的发展速度更是迅猛无比 特别是单片机技术在未来发展中必将占据非常重 要的位置 而通过这次设计 无论是从硬件实现还是整个作品的完成 都是对 我个人专业能力的一次提高和体现 当然 这与老师和同学的热心帮助是分不 开的 大学的学生生涯即将就要结束了 可学海无涯 我们的学习生涯仍将继续 因为只有通过不断的学习 用知识作为自己的武器 才能在未来社会战场上杀 出一片天地 才能为社会的发展做出应有的贡献 25 致谢致谢 伴随着毕业设计的后期修改工作结束 我人生中的校园学习生涯很快就要迎来一个句 号 而对我的人生来说 毕业 是个逗号 它意味着我即将踏上另一段征程的开始 在四年的学习生涯中 太多的人对我给予了极大的支持和鼓励 让我拥有了不断面对 困难 战胜困难的勇气 在失败中依然站立 因为始终记得背后还有你们作强大的后盾 感谢我的父母 为了让我不为经济问题发愁 你们不断辛苦工作却毫无怨言 每次看到你 们渐添银发的双鬓 我都在心里默念 你的父母如此爱你 你还有什么理由不努力 养育之恩 当涌泉相报 感谢悉心教导我们