基于单片机的温度控制器的设计毕业论文.doc

安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 I 基于单片机的温度控制器的设计基于单片机的温度控制器的设计 摘要摘要 温度的检测与控制是工业生产过程中必不可少的程序之一 随着传感器在生产和 生活中的更加广泛的应用 利用新型单总线式数字温度传感器实现对温度的测试与控 制得到更快的开发势在必行 本文设计了一种基于 AT89C51 的温度检测及报警系统 该系统将温度传感器 DS18B20 通过模拟放大电路接在模数转化器 ADC0809 的输入 端 然后将 ADC0809 的输出端接在控制器的一个端口上 就可以对传感器温度进行采 集将采集到的温度值与设定值进行比较 并适当调节其温度 本文从硬件电路的设计 软件设计两方面介绍了 51 单片机温度控制系统的设计思 路 对硬件原理图和程序框图作了简单的描述 对设计的实现过程和调试过程也做了 相应的说明 经实验测试表明 该系统测量精度高 抗干扰能力强 报警及时准确 具有 一定的参考价值 本课题主要对实现了双通道的温度自动控制系统的说明 并且系统设计和布线简单 结构紧凑 体积小 重量轻 抗干扰能力强 性价比高 扩展方便 实现一个主机对多个系统进 行控制 解决了单个的主机对各个温控的对象进行控制显得资源浪费现象 有利于节 约资源 在大型仓库 工厂 智能化建筑等领域的多点温度检测中有广阔的应用前景 关键词关键词 ADC0809 AT89C51 DS18B20 温度控制 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 II Design of temperature controller based on MCU Abstract Temperature detection and control is one of the indispensable in the process of industrial production process as the sensor is more widely used in the production and life using new type single bus digital temperature sensor for temperature test and control it is imperative to get faster development this paper designs a temperature detection and alarm system based on AT89C51 The system will be the temperature sensor DS18B20 Through analog amplifying circuit in the input end of the AD converter ADC0809 then to connect the output of the ADC0809 on one port of the controller temperature sensor for acquisition will be collected temperature comparing with set point when less than set the upper limit of temperature by opening the heating circuit to keep the temperature to cool naturally In this paper from two aspects of the design of hardware circuit software design this paper introduces the 51 single chip microcomputer temperature control system design idea the hardware principle diagram and the program diagram for a simple description of the implementation process of the design and debug process also made the corresponding instructions Through experimental tests show that the system is high accuracy strong anti jamming capability alarm in time accurately has a certain reference value This topic is mainly to realize the automatic temperature control system of dual channel and the system design and the wiring simple compact structure small volume light weight strong anti interference ability high cost performance convenient extension implement a host to control multiple systems a single host to solve various temperature control for the controlled object appear waste resources phenomenon which saves resources in large warehouses factories the multipurpose temperature test of intelligent building and other fields have broad application prospects Key words ADC0809 AT89C51 DS18B20 Temperature control 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 III 目录目录 引言引言 1 第一章第一章 绪论绪论 2 1 1 课题的学术背景及研究意义 2 1 2 课题在国内外的发展状况 2 1 3 课题研究的主要内容 3 第第 2 章章 温度控制器的设计方案温度控制器的设计方案 4 2 1 系统整体方案和结构 4 2 2 系统方案的选择与说明 4 2 2 1 主机模块 4 2 2 2 显示模块 5 2 2 3 温度测量 5 第第 3 章章 温度控制器的硬件电路设计温度控制器的硬件电路设计 6 3 1 51 单片机的介绍与选择 6 3 2 温度传感器的介绍与选择 8 3 2 1 DS18B20 性能 8 3 2 2 DS18B20 外形及引脚说明 8 3 2 3 DS18B20 接线原理图 9 3 3 模数转换部分 9 3 3 1 模数转换技术 9 3 3 2 显示模块电路 10 3 3 3 供电系统电路 11 3 4 报警电路 11 3 4 1 报警电路原理图 11 3 4 2 报警电路说明 12 3 5 时钟电路 12 3 5 1 时钟电路原理图 12 3 5 2 时钟电路说明 13 3 6 复位电路 13 3 6 1 复位电路原理图 13 3 6 2 复位电路说明 13 3 7 按键电路 14 3 7 1 按键电路原理图 14 3 7 2 按键电路说明 14 第第 4 章章 软件设计软件设计 15 4 1 软件组成 15 4 2 主程序模块 15 4 3 数据采集模块 16 4 4 温度设置模块 19 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 IV 第第 5 章章 结论与展望结论与展望 21 致谢致谢 22 参考文献参考文献 23 附录附录 24 附录 A 硬件电路图 24 附录 B 外文文献及翻译 25 附录 C 主要参考文献的题录及摘要 33 附录 D 软件程序 35 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 V 表格清单表格清单 表 3 1 P3 引脚功能表 7 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 VI 图表清单图表清单 图 3 1 最小的单片机原理图 8 图 3 2 DS18B20 接线原理图 9 图 3 3 显示模块电路原理图 10 图 3 4 电源电路原理图 11 图 3 5 报警电路原理图 12 图 3 6 时钟电路原理图 13 图 3 7 复位电路原理图 13 图 3 8 按键电路原理图 14 图 4 1 主程序模块的程序流程图 16 图 4 2 数据采集模块流程图 17 图 4 3 写时序流程图 18 图 4 4 读时序流程 19 图 4 5 选定程序值流程图 20 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 1 引言引言 温度在我们日常生活中处处存在 因为温度控制关联着生产安全 产品质量 产 品产量等一系列问题 因此对温度的的检测与控制是在工业生产和日常生活十分重要 如锅炉 温室 养殖场和冷冻室等 1 在现今社会中 随着单片机和其相关电子技术飞 速发展 应用领域不断延展 利用单片机和温度传感器对温度进行精确测量的同时 可 以大大提高了生产的自动化程度 成本低廉 应用十分广泛 本次设计利用单片机通过 DS18B20 采集温度 温度信息主要是由传感器进行测量 温 度信息主要是由传感器进行测量 并转换成为毫伏级的电压信号 把经过的信号放大电路 就会把弱电压信号逐渐放大到单片机可以处理的范围以内 再经过输入 A O 转换器来 转换到数字信号 并且输入到主机中去 在单片机对信号进行采集的时候 若要更大程度 上的提高测量的精度 则在采样的时候就必须对信号进行数字滤波 1 这个时候 信号经 过数字滤波以后 标度就会被转换出来 并通过 LCD 把温度显示出来 此外 还可以将该 温度值与已经设定的温度值进行比较 根据两者之间存在的偏差值的大小 按照积分分离 的算法得出最后的输出控制量值 在通过输出控制量的数值来确定导通的时间以及所 需加热的所用的功率 从而来有效的调节温度环境 整个系统设计中 主要的目的就是为 了能够使单片机对于温度进行实时的检测和控制 用来解决工业以及日常生活中对温度 控制遇到的问题 而且可以运用十进制的数码来显示实际的温度值 便于人们的监视 另外 我 们人为的在键盘上输入人工设置的温度范围 可以方便温度控制器在不同的范围查看温 度 2 因为如果当实际的温度不在规定范围内 那么系统将会自动调节温度 以确保温度 的稳定性 实现自动控制的目的 并把温度的区分在规定的 1 内 这样当环境温度出现 变化的时候 那么温度控制的静态误差就会小于等于 0 5 在整个系统设计中 主要的 目的就是检测和控制温度 使测控的精度更加准确 尽量使整个系统稳定性更好 可靠性 更高并且速度较快 具备灵活性 3 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 2 第一章第一章 绪论绪论 1 1 课题的学术背景及研究意义 不论是对于工业生产还是对于人们的日常生活 温度的变化都会对其产生一定程度 的影响 所以 适时和恰当的温度控制对生产生活具有非常重要的作用 在过去的时间 中 对温度的控制总是采用常规的模拟调节器 然而 这种调节器存在一些缺点 比如控制 精度低 具有滞后 非线性等特点 本文将采用微电子技术来提高温度控制的精度 因 为微电子技术的电路设计简单 控制效果好 具有很强的实用性 众所周知 在现代工业测 控领域中 单片机系统的开发和运用给其带来了全新的技术创新和变革 而且 自动化和 智能化程度的高低均依赖于是否使用单片机 试想 将单片机的温度控制方法如果能够 运用到温度控制系统中的话 那么 就可以在一定程度上缓减和克服温度控制系统中存在 的滞后现象 同时在很大程度的上 单片机的使用可以提高温度的控制效果以及控制精度 在工业自动化控制中 温度的控制一直都占有非常特殊的地位 比如说 在正常的钢铁冶 炼过程中 就要对刚出炉的钢铁进行特殊的热处理后 才能达到要求的性能指标 再比如 说 在塑料的生产过程中 不同的生产工艺中也要求保持不同的温度 随着科学技术的快 速发展 各个科研领域对自动控制系统的控制精度 响应的速度 稳定性与自适能力的 要求也越来越高 而且 被控对象的非线性 时变性 多参数点的强烈耦合 或生产过程 中偶尔的随机扰动 现场测试手段不完善等各种不确定性的因素 都会使温度控制难以 达到一个理想的程度 现代自动控制一直朝着智能化的方向发展 而且很多自动控制系 统中都使用了工控机 小型机 甚至是巨型处理机等等 这些处理机都有很多的共性 比 如说 运行速度很高 内存很大以及大量的数据存储器 有些小规模的系统 处理机的所用 成本为系统总成本的比例高达 20 多 因此对于这种一些小型的系统来说 可以不必要配 置一个相对高速的处理机 以节约经济支出 4 所以用成本低廉的单片机控制小型机是 非常适合的 随着电子技术的发展 单片机技术也得到了快速的发展 在集成度 速度 低 功耗以及性能方面都有着显著的改善 伴随着科学技术的发展 现在已经可以完全运用 单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测 并且还可以做到多点的温度检测 如果对 此原理图稍加改进 甚至可以进行远程温度监控 这将会具有更大的实用价值 5 1 2 课题在国内外的发展状况 目前 国内外的各种温度采集控制系统的技术已经很成熟 在实际应用中也非常 普遍 基于应用目的的不同 有各种类型的温控系统 如 有基于微机的温控系统 有基于 DSP 芯片的温控系统 有基于单片机的温度控制系统 6 虽然这些系统不尽相 同 但它们的基本原理和完成的功能都大致一样 首先 由温度传感器负责采集温度 经过信号放大 滤波等处理后进行转换 把温度数据转换为数字信号 数字信号最后 送入控制系统进行相应的处理和显示 系统根据处理结果发出相应的控制信号 加拿 大的 CSI 集团公司根据声学高温测量原理研究开发出了名为 BOILERWATCH 的锅炉 膛温度场实时监测系统 该系统可以设计成测量 8 条单一路线上的平均温度或按阵列 编排的多达 24 条路线来测量温度的分布 BOILERWATCH 测得的温度数据值可以直 接从输入厂内的分散控制系统 DCS 数据采集系统 DAS 或输入计算机供数据显 示和提取 可通过 DCS 来向运行人员提供温度 时间曲线 或在一台装有 CSI 公司 的 TMS WIN 软件的计算机屏幕上显示出来 也可以通过 TMS WIN 软件令计算 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 3 机画出空间温度分布形态或提供其它的数据显示公式 7 温度测量技术 接触式测温 非接触式测温 辐射式测温 温度控制技术 智能 温度控制法 PID 线性控温法 定值开关控制法 本论文采用的是接触式测温 定值 开关控制温度法 主要目的是实现温度的自动控制 保证水温在所设定温度范围内正 常运作 此系统主要由温度采集系统 显示系统 报警系统 加热控制单元 输入设 定等部分组成 通过以上系统能够做到设置水温范围以及自动调节水温 如果温度在 设定值范围内 则系统正常工作 如果低于设定的下限值 系统显示低温警报信号并 保持加热装置为水箱加热 如果超出温度范围上限值 系统发出高温警报并控制系统 负载停止工作 1 3 课题研究的主要内容 本设计的内容是温度测试控制 控制对象就是温度 温度控制在日常生活及工业 领域应用相当广泛 比如浴室 水池 电源等场所的温度控制 而以往温度控制大多 数是由人工完成的 但是对于温度的检测却不够重视 以致于许多的意外发生都是由于 对温度的检测的误差所导致的 本文将采用了单片机对温度实现自动控制 主要实现 的功能有 对于被测控对象的温度进行实时采集 采用的方法主要是通过一传感器 DS18B20 将温度转变模拟电信号 然后再将所得的模拟量转变成数字量送入单片机 AT89C51 中 最后单片机将传感器所采集到的温度和预先设定好的温度进行数值 上的对比 当对于小于设定值时将发出信号 并启动加热装置 当大于设定值时将关闭 加热装置 让其自然冷却 从而使得被控温度控制在一定的范围之内 达到实时控制的功 能 通过一系列的对温度的改变是其达到可以自动控制温度 满足该设计的要求 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 4 第第 2 章章 温度控制器的设计方案温度控制器的设计方案 2 1 系统整体方案和结构 由于本课题主要要求的是 完成一种基于 51 单片机和 DS18B20 温度传感器共同 控制的一种自动控制系统 具有温度检测 温度范围设置 温度显示 温控控制信号 输出等功能 本文对于温度控制系统硬件部分的研究 按功能大致可以分为以下几个 部分 单片机主控模块 数模转换电路 显示电路 电源电路 声光报警电路等 硬 件总体结构框图如图 2 1 所示 由结构框图可见 温度控制系统是以单片机为控制的 主机 主控模块由扩展外部存储器构成 被测对象的温度 由 DS18B20 温度传感器检 测温度 转化的数字信号将传输给给单片机让其对其数值进行处理 一方面将测得的 温度值通过控制面板上的 LCD 显示器显示出来 另一方面将该温度值和设定的温度值 相比较 根据其偏差值的大小 采用控制算法进行运算 最后通过单片机的输出管脚输 出控制信号 8 进而对被测物体温度进行控制 如果实际测得的温度值超过 或低于系 统给定的极限安全温度 保护电路会做出反应 同时报警电路报警响起 从而保护被 测对象 单片机快速 准确的进行温度数据采集 然后处理 显示温度和控制主要是 时钟电路 提供的时钟频率 使单片机能正常的处理许多任务 其结构方案图如图 2 1 温度控制器 DS18B20 被测对象 加热制冷 报警装置 继电器 单 片 机 电源电路 温度设定 显示温度 图 2 1 结构方案图 2 2 系统方案的选择与说明 2 2 1 主机模块 方案一 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 5 ARM 处理器为 RISC 芯片 是 32 位的微处理器 具有体积小 功耗低 高性能 功能强大等特点 支持 16 位 32 位双指令集 能很好的兼容 8 位 16 位器件 共有 37 个寄存器 是目前应用于嵌入式系统的主流处理器 9 因此 使用 ARM 处理器来作为 本课题的主控制芯片是可行的 但是其成本相对较高 方案二 51 内核单片机是典型的微控制器 其广泛应用于工业控制领域 目前应用广泛的 单片机类型有 51 单片机 AVR 单片机 PIC 单片机等 其中 STC12C5A60S2 单片机 属于增强型单片机 具有高速 宽电压 低功耗 低成本 根据本课题的设计要求可知 使用 51 单片机实现所有功能 根据以上说明可知 方案一功能强大 但是由于成本相对较高 而方案二也可以 实现课题所有要求 并且成本非常低 因此本课题决定采用方案二 单片机 STC12C5A60S2 单片机作为主机主控制芯片 而从机控制芯片则选择成本更低的 AT89C51 单片机作为控制芯片 2 2 2 显示模块 方案一 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母 数字 符号等的点阵 型液晶 能够同时显示 32 个字符 16 列 2 行 具有微功耗 体质小 显示内容丰富 超薄轻巧 成本低等特点 可以使用其作为本课题的显示模块 方案二 LCD12864 是一种具有 4 位 8 位并行 2 线或 3 线串行多种接口方式 其中包含了 国际一级 二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块 其分辨率为 128x64 使用该 液晶可以在满足要求的同时还可以显示图像文字 并且具有操作简单 低电压低功耗 功能强大等特点 根据以上说明可知 由于本课题需要测量显示的数据较多 并且需要根据特定要 求进行人机交互设置操作 因此选择方案二中的 LCD1602 作为主机模块的液晶显示模 块可以达到很好的显示效果 且价格低廉 2 2 3 温度测量 方案一 使用热敏电阻作为感温器件 音位热敏电阻为半导体材料 且为负温度系数 即 阻值随温度增加而降低 温度变化则会造成大的阻值改变 因此本试验中它是最灵敏 的温度传感器 热敏电阻具有灵敏度高 工作温度范围宽 体质小使用方便等特点 但是由于热敏电阻的线性度极差 不易控制 因此用来测量温度的精度就相应的降低 了 方案二 使用 DS18B20 数字测温传感器作为测温元件 它只用一条线进行输入输出 因而 与之接口的微处理器也只需要一条口线与之通信 它不需要任何外围元件即可检测温 度 并转换成数字量传给上位机 微处理器 这种单线传输方式 大大提高了系统的 抗干扰性 适合在恶劣环境的现场进行温度测量 并且由于 DS18B20 本身测温系统简 单 测温精度高 连续方便 占用口线少 测温误差小 分辨力高 抗干扰能力较强 能远程传输数据 而且用户可设定温度上 下限 使其具有越限自动报警功能 并且 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 6 自带串行总线接口 适配各种微控制器 因此本次设计选用 DS18B20 作为测温元件 第第 3 章章 温度控制器的硬件电路设计温度控制器的硬件电路设计 3 1 51 单片机的介绍与选择 51 单片机系列是将运算器 控制器 存储器和各种输入 输出接口等计算机的主 要部件集成在一块芯片上 使其具备其全部功能 这样就能得到一个单芯片的微型计 算机 它虽然只是一个单个芯片 但它的组成和功能上已经具有了计算机系统的特点 因此称之为单片微型计算机 Single ChipMicrocomputer 简称单片机 又因为其体积小 功耗低 价格低廉 抗干扰能力强且可靠性高 特别适合应用于工业过程控制 智能 仪器仪表和测控系统的前端装置 因此本次毕业设计所采用的是 AT89C51 以下简述 本次毕业设计所用到的与其相关的知识 10 1 主要特性 1 与 MCS 51 兼容 2 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命为 1000 次写 擦循环 数据可保留时间为 10 年 3 全静态工作 0Hz 24Hz 4 三级程序存储器锁定 5 128X8 位内部 RAM 6 4 个 I O 端口 共 32 根可编程口线 7 两个 16 位定时器 计数器 8 5 个中断源 9 可编程串行通道 10 低功耗的闲置和掉电模式 11 片内振荡器和时钟电路 2 管脚说明 AT89C51 的管脚布置如图 3 2 所示 VCC 供电电压 GND 接地 P0 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它 可以被定义为数据 地址的低八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉 为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为低八位地址接收 P2 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并因 此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址的 高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 7 读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 在 FLASH 编程和校验时接收高八 位地址信号和控制信号 P3 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电 流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外 部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下所示 P3 口管脚备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入端 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平 时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低 8 位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的 频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出的脉 冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 微处理器在外部 执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指令期间 每个机器 周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出 现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不 管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端 保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP 见插图 3 1 AT89C51 管脚 由此单片机构成的最小单片机原理图如图 3 1 表 3 1 为 P3 引脚功能表 表 3 1 P3 引脚功能表 端口引脚第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2INT0 外部中断 0 P3 3INT1 外部中断 1 P3 4T0 定时器 0 P3 5T1 定时器 1 P3 6ER 外部数据存储器写选通 P3 7RD 外部数据存储器读选通 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 8 SV VCC P11 P10 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P30 RXD P31 TXD P32 INT0 P33 INT1 P34 T0 P35 T1 P36 WR P37 RD XTAL2 RST GND XTAL1 VCC P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 EA PSEN P27 P26 P20 P21 P22 P24 ALE P25 P23 5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2021 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 S1 SV 图 3 1 最小的单片机原理图 3 2 温度传感器的介绍与选择 3 2 1 DS18B20 性能 在传统的模拟信号远距离传送的测量系统中 需要很好的解决引线误差补偿问题 多点切换误差问题和放大电路的零点误差问题等技术 另外考虑到一般的测量现场的 电磁环境非常的恶劣 各种干扰信号较强 模拟信号很容易受到干扰而产生测量误差 影响测量精度 因此 在温度测量系统中 采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感 器是解决这些问题的最有效的方案 在实际的温度测量过程中被广泛应用 同时也取 得了良好的测量效果 11 3 2 2 DS18B20 外形及引脚说明 1 DS18S20 的适应电压范围更宽 其范围为 3 0 5 5V 而且它能够直接由数据 线获取电源 寄生电源 无需外部工作电源 2 DS18S20 提供了 9 12 位摄氏温度测量 具有非易失性 上下触发门限用户可 编程的报警功能 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 9 3 DS18S20 通过 1 Wire 总线与中央微处理器通信 仅需要单根数据线 或地线 同时 在使用过程中 它不需要任何的外围的元件 全部的传感元件和转换电路集成 在形状如一只三极管的集成电路内 4 DS18S20 具有 55 C 至 125 C 的工作温度范围 在 10 C 至 85 C 温度范围 内精度为 0 5 C 5 每片 DS18B20 具有唯一的 64 位序列码 这些序列码允许多片 DS18B20 在 同一条 1 Wire 总线上工作 因而 可方便地使用单个微处理器控制分布在大范围内 的多片 DS18S20 器件 6 DS18S20 的测量结果直接输出数字温度信号 以 一线总线 串行传送给 CPU 同时还可以传送给 CRC 校验码 它具有极强的抗干扰纠错的能力 7 DS18S20 具有负载特性 当电源极性接反时 芯片不会因发热而烧毁 但是 不能正常的工作 3 2 3 DS18B20 接线原理图 由上 DS18B20 原理 画出 DS18B20 接线原理图如图 3 2 64位ROM 和单总线 接口 VD1 GNB VD2 电源检测 内部VDD C 存储器与控 制逻辑 高速 缓存 温度传感器 高温触发器 低温触发器 配置寄存器 8位CRG发生器 64位ROM 和单总线 接口 图 3 2 DS18B20 接线原理图 3 3 模数转换部分 模数转换是将模拟输入信号转换为 N 位二进制数字输出信号的技术 采用数字信 号处理能够方便地实现各种先进的自适应算法 完成模拟电路无法实现的功能 因此 越 来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代 与之相应的是 作为模拟系统和数 字系 统之间桥梁的模数转换的应用日趋广泛 为了满足市场的需求 各芯片制造公司 不断推出性能更加先进的新产品 新技术 令人目不暇接 12 3 3 1 模数转换技术 本次设计还涉及到数模转换技术 而模数转换技术包括采样 保持 量化和编码 四 个过程 1 采样就是将一个连续变化的模拟信号 x t 转换成时间上离散的采样信号 x n 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 10 根据奈奎斯特采样定理 如果采样频率 fs 大于或等于 2fmax fmax 为 x t 对于采样 信号 x t 最高频率成分 则可以无失真地重建恢复原始信号 x t 实际上 由于模 数转换器器 件的非线性失真 量化噪声及接收机噪声等因素的影响采样速率一般取 fs 2 5fmax 通常采样脉冲的宽度 tw 是很短的 故采样输出是断续的窄脉冲 2 要把一个采样输出信号数字化 需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段 时间 这就是保持过程 3 量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间 离散幅度的数字信号 量化的 主要问 题就是量化误差 假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的 则量化噪声均方 值与量化 间隔和模数转换器的输入阻抗值有关 4 编码是将量化后的信号编码 成二进制代码输出 这些过程有些是合并进行的 例如采集样本和保持就是利用同一个电路完成的 量化和编码也是在转换的过程中同 时进行的 所用掉的时间是保持时间的组成成分 13 3 3 2 显示模块电路 显示模块电路原理图如图 3 3 GND VCC VO RS RW E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 BG VCC BG GND VCCR1 RESVR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 P25 P26 P27 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 VCC 图 3 3 显示模块电路原理图 显示模块电路说明 本课题主要使用 1602 液晶屏进行采集数据的显示 电路原理图如图 4 4 所示 根 据 1602 液晶屏的特征 本系统中采用并行数据传输方式 因此 LCD1602 的引脚 7 到 引脚 14 直接接到单片机的 P0 口用于并行数据传输 电位器用于液晶屏对比度的设置 管脚 2 15 16 为电源供电接入 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 11 3 3 3 供电系统电路 1 电源电路原理图如图 3 4 RB Res2 1K VCC 1 2123 1 23 VCC SSS SW SPST 78l05 p2 PB Header1 Header 图 3 4 电源电路原理图 电源电路说明在本系统中提供了两种供电方式 方便系统在不同的环境中使用 供电系统原理图上图所示 其中一种供电方式为外部电源供电方式 一种为电源线供 电方式 外部电源供电在电路设计中通过插针引出两个引脚负责外接其他电源 而电 源要求供电必须在 5V 因为此时接入的电路并没有相应的保护电路 电源线电源供电 使用了三端稳压芯片 7805 进行稳压后再输入到系统 使整个系统的工作电压稳定在 5V 左右 因为稳压芯片 7805 的输入极限值最大为 36V 因此 按照理论值通过外部 电源供电时 可输入引脚最大电压为 36V 因为单片机的工作电压是 3 3V 至 5 5V 因 此输入小于 4 8V 时单片机一样能工作 只要 7805 芯片的输出电压在 3 3V 至 5V 之间 单片机均可正常工作 另外需要说明的是电源线接口不具备数据传输功能 只是单纯 的供电输入 14 3 4 报警电路 3 4 1 报警电路原理图 报警电路原理图如图 3 5 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 12 VCC R4 Res2 1k LEDD1 LED2 R2 Res2 R3Res2 500 500 LS1 BELL 图 3 5 报警电路原理图 3 4 2 报警电路说明 说明本课题采用的报警电路主要分为两个部分 一个部分是使用三极管作为开关 作用 用于驱动蜂鸣器报警 第二不是是 LED 报警指示灯 设计中采用 PNP 三级管作 为驱动电路的组成 其发射极接上高电平 集电极对接上蜂鸣器的正极 通过对基极 电流和电压的输出 来控制三级管的截止 放大 饱和状态 当其处于饱和状态的瞬 间 将驱动蜂鸣器报警 集电极输出一个高电平给蜂鸣器 此时对应的 LED1 和 LED2 分别为两路温控系统的报警指示灯 当蜂鸣器响时 相应的报警指示灯将会根据程序 的要求进行闪烁 从而达到报警的状态 三极管的基极上接有个 1K 的偏置电阻 用以 提供相应的偏置电压 控制三极管的工作状态 单片机的 P1 0 管脚接的是三级管的基 极 P2 2 P2 3 分别是的是两路温控通道的 LED1 和 LED2 报警指示灯 3 5 时钟电路 3 5 1 时钟电路原理图 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 13 XTAL1 XTAL2 RST P3 7 RD P3 6 WR YI 12M C1 C2 图 3 6 时钟电路原理图 3 5 2 时钟电路说明 实时时钟模块主要用于实时时间显示以及测量数据时间的记录 电路原理图如图 4 5 所示 根据 51 系列单片机的芯片说明 在单片机 XTAL1 和 XTAL2 引脚上跨接上 一个晶振和两个稳频电容 可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器 晶 振的取值范围一般为 0 24MHz 常用的晶振频率有 6MHz 12 MHz 11 0592 MHz 24 MHz 等 一些新型的单片机还可以选择更高的频率 外接电容的作用是对振 荡器进行频率微调 使振荡信号频率与晶振频率一致 同时起到稳定频率的作用 一 般选用 20 30pF 的瓷片电容 而本设计采用 12MHZ 晶振和 30PF 的电路 3 6 复位电路 3 6 1 复位电路原理图 SW PB VCC RCS2 R5C3 图 3 7 复位电路原理图 3 6 2 复位电路说明 单片机最小系统复位电路的极性电容 C1 的大小直接影响单片机的复位时间 一般 采用 10 30uF 51 单片机最小系统容值越大 需要的复位时间越短 无论是在单片机 刚开始接上电源时 还是运行过程中发生故障都需要复位 复位电路用于将单片机内 部各电路的状态恢复到一个确定的初始值 并从这个状态开始工作 单片机的复位条 件 必须使其 RST 引脚上持续出现两个 或以上 机器周期的高电平 按键复位电路 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 14 中 当按键没有按下时 电路同上电复位电路 如在单片机运行过程中 按下 RESET 键 已经充好电的电容会快速通过 200 电阻的回路放电 从而使得 RST 引脚上的电 位快速变为高电平 此高电平会维持到按键释放 从而满足单片机复位的条件实现按 键复位 3 7 按键电路 3 7 1 按键电路原理图 在 P3 3 INT1 P3 2 INT0 P3 5 T1 P3 4 T0 EA VPP VCC SW PB SW PB SW PB SW PB 图 3 8 按键电路原理图 3 7 2 按键电路说明 键盘电路设计是用四个控制键盘组成 它具有单片机最简单的输入设备通过键盘 输入数据或命令 实现简单的人机对话 本设计由于单片机 I O 口资源丰富 故采用 独立键盘的形式 而不需要采用矩阵键盘 使用矩阵键盘能大量的节约单片机的 I O 资源 方便快捷独立键盘虽然占用了 I O 资源 但是运用灵活 很适用键盘少的电路 将以上各模块按照要求进行组线连接绘制成总电路图 总电路图见附录 A 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 15 第第 4 章章 软件设计软件设计 在微机测控系统中 软件与硬件都是非常重要 系统的躯体是硬件 灵魂则是软 件 硬件电路在系统中设计好之后 软件是系统功能实现的主要方式 而且测控系统 的性能的主要方式 测控系统的性能 很大程度上是由软件设计实现的 为了达到系统 的要求 编制软件时一般要符合以下基本要求 15 一 易理解性 易维护性要达到易理解和易维护等指标 在软件的设计方法中 结构化设计是最好的一种设计方法 这种设计方法是由整体到局部 然后再由局部到 细节 先考虑整个系统所要实现的功能 确定整体目标 然后把这个目标分成一个个 的任务 任务中可以分成若干个子任务 这样逐层细分 逐个实现 二 实时性是电子测量系统的普遍要求 即要求系统及时响应外部事件的发生 并及时给出处理结果 近年来 由于硬件的集成度与运算速度的提高 配合相应的软 件 实时性比较容易满足设计要求 三 准确性对整个系统具有重要意义 尤其是测量系统 系统要进行一定量的运 算 算法的正确性和准确性对结果有着直接的影响 因此在算法的选择 计算的精度 等方面都要符合设计的要求 四 可靠性 是系统软件最重要的指标之一 作为能够稳定运行的系统 抗干扰 技术的应用是必不可少的 最起码的要求是在软件受到干扰出现异常时 系统还能恢 复正常工作 系统的软件由三大模块组成 主程序模块 功能实现模块和运算控制模块 4 1 软件组成 由于整个系统软件相对比较庞大 为了便于编写 调试 修改和增删 系统软件 的编制采用了模块化的设计 即整个控制软件由许多独立的小模块组成 它们之间通 过软件接口连接 遵循模块内部数据关系紧凑 模块之间数据关系松散的原则 按功 能形成模块化结构 系统的软件主要由主程序模块 数据采集模块 数据处理模块 控制算法模块等组成 主模块的功能是为其余几个模块构建整体框架及初始化工作数 据采集模块的作用是将转换的数字量采集并储存到存储器中数据处理模块是将采集到 的数据进行一系列的处理 介绍本系统几个主要的程序模块 4 2 主程序模块 主程序模块要做的主要工作是上电后对系统初始化和构建系统整体软件框架 其 中初始化包括对单片机的初始化 LCD1602 液晶屏初始化 DS18B20 初始化 以及对 各器件初始化等 然后等待温度设定 刚开始会给液晶屏的温度由程序已经设定好初 始化数据 然后对键盘进行扫描 检测判断系统运行键是否按下 若检测到相关的键 盘有按下 则相当于给单片机一个输入指令 说明系统运行 则依次调用各个相关模 块 并执行相应的程序指令 循环控制直到系统停止运行 如图 4 1 所示 主程序模 块的程序流程图 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 16 开始 液晶 温度采集等各 部分的程序初始化 液晶显示 当前温度比设定温度 维持现状 高温输出控制信号 低温输出控制信号 键盘扫描设定温度 采集当前温度 YES NO 图 4 1 主程序模块的程序流程图 4 3 数据采集模块 数据采集模块的任务是负责温度信号的采集以及将采集到的模拟量通过 A D 转换 器转化为相应的数字量提供给单片机 DS18B20 的一线工作协议流程是 初始化 ROM 操作指令 存储器操作指令 数据传输 其工作时序包括 初始化时序 写时 序以及读时序 16 1 初始化的步骤 1 先将数据线置高电平 1 2 延时 该时间要求的不是很严格 但是尽可能的短一点 3 数据线拉到低电平 0 4 延时 750 微秒 该时间的时间范围可以从 480 到 960 微秒 5 数据线拉到高电平 1 6 延时等待 如果初始化成功则在 15 到 60 毫秒时间之内产生一个由 DS18B20 所返回的低电平 0 据该状态可以来确定它的存在 但是应注意不能无限的进行等待 不然会使程序进入死循环 所以要进行超时控制 7 若 CPU 读到了数据线上的低电平 0 后 还要做延时 其延时的时间从发出的 高电平算起 第 5 步的时间算起 最少要 480 微秒 8 将数据线再次拉高到高电平 1 后结束 如图 4 2 所示 数据采集模块的程序流 程图 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 17 开始 将数据线拉高 延时6微秒 将数据线拉低 延时600微秒 释放数据线 拉高 延时30微秒 主机从数据线采集 延时数微秒 返回采样值 图 4 2 数据采集模块流程图 2 写时序具体步骤 1 数据线先置低电平 0 2 延时确定的时间为 15 微秒 3 按从低位到高位的顺序发送字节 一次只发送一位 4 延时时间为 45 微秒 5 将数据线拉到高电平 6 重复上 1 到 6 的操作直到所有的字节全部发送完为止 7 最后将数据线拉高 写时序流程图如图 4 3 田丰 基于单片机的温度控制器的设计 18 开始 将数据线拉高 延时1微秒 将数据线拉低 启动写功能 将数据最低位写入数据线 延时30微秒 释放数据线 延时数微秒 写完8位数据 延时数微秒 结束 数据右移 图 4 3 写时序流程图 3 读时序步骤 1 将数据线拉高 1 2 延时 2 微秒 3 将数据线拉低 0 4 延时 15 微秒 5 将数据线拉高 1 6 延时 15 微秒 7 读数据线的状态得到 1 个状态位 并进行数据处理 8 延时 30 微秒 读时序流程图 4 4 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 19 开始 将数据线拉高 延时1微秒 将数据线拉低 延时1微秒 将数据线拉高 延时6微秒 数据右移 如果数据线 1 data为80H 否则data为00H 读完8位数据 延时数微秒 返回读到数据 图 4 4 读时序流程 4 4 温度设置模块 对于不同的的环境 我们所设定的温度范围不一样 所以我们必须能重设置温度 范围 而温度设置主要是通过对对键盘的扫描实现的 首先在主程序中进行键盘扫描 检测选择通