【毕业学位论文】（Word原稿）单片机温度控制系统软件的设计-电子与信息工程

1 滨江学院 毕业设计（论文） 系 _ 滨江学院 _ 专业 _ 通信工程 _ 年级 _ _ 2003 _ 级 _ 姓名 _ 李凡 _ 学号 200 3233401 6 论文题目 _ _ 单片机的温度监控系统 _ _ 指导教师 _ 周杰 _ 职称 _ 教授 _ 二 七 年 五 月 二十四 日 2 目 录 摘 要 3 1 引言 3 2 设计要求 5 5 3 系统的硬件配置 5 5 6 4 温度控制系统的组成框图 11 5 温度控制系统软件设计 13 片机温度控制系统软件结构图 13 14 14 15 6 通信协议的设计 16 17 18 21 7 结论 21 参考文献 22 致 谢 23 附 录 24 3 单片 机的温度监控系统 李凡 南京信息工程大学 滨江 通信工程 南京 210044 摘要 :本设计应用性比较强，设计系统可以作为生物培养液温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。 本设计系统包括温度传感器， A/D 输出控制模块，数 转换模块 ， 据传输模块，温度显示模块和温度调节驱动电路六个部分。文中对 每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求。 关键词 ： 单片机 ;A/D 转换模块 ;数据传输模块 ;温度调节驱动电路 . 1引言 随着 “ 信息时代 ” 的到来，作为获取信息的手段 传感器技术得到了 显著 的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。 传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的 性能 。 因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。 温度传感器是其中重要的一类传感器。 其发 展 速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。 本文利用单片机结合 传感器 技术而开发设计了这一 温度监控系统 。 文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。 本设计应用性比较强，设计系统可以作为生物培养液温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度 4 调节系统、实验室温度监控系统等等。课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施 温度监控。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。 温度控制系统结构图及总述 图 1 温度控制系统结构图 图 1中温度传感器和 ， 用于采集培养皿内的温度信号。温度传感器输出电压经过 A/可得到实际温度和给定温度的偏差。培养皿内的温度设定值由 片机中程序设定。 由 构成的 数字控制器进行比较运算，经过比较后输出控制量控制由加热和降温电路构成的温度调节电路对培养皿中的培养液温度进行调节。同时通过电平转换电路把当前温度传输到商用计算机的串口中，由计算机动态的显示培养皿中的温度，正常情况下温度控制由 片机自动控制。必要时， 计算机也可以通过软件来强制改变培养皿中温度。 本设计系统包括温度传感器， A/D 转换模块 ，输出控制模块，数据传输模块，温度显示模块和温度调节驱动电路六个部分。文中对 每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是 进行温度监控，完成了课题所有要求。 2 设计要求 制要求 （ 1）生物繁殖培养液的温度要保证在适于细胞繁殖的温度内，这主要在控制程序设计中考虑。温度控制加 热 控制电路 高阻抗加热丝 降 温 控制电路 半导体降温片 温度传感器 培养皿 商用计算机显示终端 5 范围为 15 25，升温、降温阶段的温度控制精度要求为 ，保温阶段温度控制精度为 。 图 2 温度控制曲线 （ 2）微机自动调节 正常情况下，系统投入自动。 （ 3）模拟手动操作 当系统发生异常，投入手动操作。 （ 4）微机监控功能 显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的 输出 。 控对象的数学模型 本系统要求长时间监视培养液的温度，并对当前的温度进行控制。本控制对象为生物繁殖用培养液，采用继电器进行控制。 3 系统的硬件配置 片机和系统总线 单片机 ： 美国 司生产的带 A/位单片机）。 显示系统 ： 商用计算机。 用户内存 ： 256M 系统总线 ： 口（又称 有 25 条线，分为 5 个功能组，包括 4条 数据线， 11条控制线， 3条 定时线， 7条备用线和未定义线。 操作系统 ： 000。 件介绍 6 计算机工作的外围电路设备 （ 1）温度传感器 温度传感器采用补偿型 敏电阻其主要性能如下： 补偿型 于阻值误差范围在 5的产品，其一致性、互换性良好。适合 于一般精度的温度测量和计量设备 。 外型结构和尺寸： 图 3 温度传感器结构尺寸图 主要技术参数： 时间常数 30S 测量功率 使用温度范围 +125 耗散系数 6 额定功率 降功耗曲线： 图 4 温度传感器 功耗 曲线图 （ 2）核心处理单元 具有高性能 7 仅有 35 条单字指令。 除程序指令为两个周期外，其余的均为单周期指令。 运行速度： 8K*14个 368*8个数据存储器（ 节。 引脚输出和 4B/76/77 兼容。 中断能力（ 达到 14个中断源）。 8级深度的硬件堆栈。 直接，间接和相对寻址方式。 上电复位（ 上电定时器 (震动启动定时器。 监视定时器（ 它带有片内可靠运行的 荡器。 可编程的代码保护。 低功耗睡眠方式。 可选择的振荡器。 低功耗，高速 艺。 全静态设计。 在线串行编程 ( 单独 5v 的内部电路串行编程 (力。 处理机读 /写访问程序存储器。 运行电压范围 v。 高输入 /输出电流 25 商用，工业用温度范围。 低功耗： 在 5v,4 在 3v,320 典型的静态电流值小于 1 外围特征： ：带有预分频的 8位定时器 /计数器。 8 ：带有预分频的 16位定时器 /计数器，在使用外部晶体时钟时在 ：带有 8位周期寄存器，预分频和后分频器的 8位定时器 /计数器 2 个捕捉器，比较器和 其中 ：捕捉器是 16位的，最大分辨率为 比较器是 16 位的，最大分辨率为 200 0位。 10位多通道模 /数转换器。 带有 模式）和 /从）模式的 带有 9位地址探测的通用同步异步接收 /发送（ 带有 S 控制（只 40/44引脚） 8位字宽的并行从端口。 带有降压的复位检测电路。 （ 3） 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不 同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 称 目前最常用的一种串行通讯接口。它是在 1970年由美国电子工业协会（ 合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（ 数据通讯设备（ 间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个 25 个脚的 接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定 。 接口的信号内容 实际上 5条 引线中有许多是很少使用的，在计算机通讯中一般只使用 3条引线的信号。 接口的电气特性 在 ：逻辑。“ 1”， 15V；逻辑“ 0” +5 +15V 。噪声容限为 2V。即 要求接收器能识别低至 +30”，高到 作为逻辑“ 1” 。 接口的物理结构 5芯插头座 ,通常插头在 插座在 . 一些设备与 连接的 口 ,因为不使用对方的传送控制信号 ,只需三条接口线 ,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。 传输电缆长度 由 准规定在码元畸变小于 4%的情况下，传输电缆长度应为 50 英尺，其 9 实这个 4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有 99%的用户是按码元畸变 1020%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过 50英尺。 图 5 构图 （ 4）继电器 继电器是具有隔离功能的自动开关，广泛 用于遥控，遥测，通信，自动控制，机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。 继电器是在自动控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，它实际上是一种可以用低电压、小电流来控制大电流、高电压的自动开关。在本系统中，继电器控制的自动温度调节电路和 片机中程序构成温度自动监测电路，实现对生物培养液温度的监测和自动控制 （ 5）半导体降温片及电阻加热丝 半导体制冷器是根据热电效应技术的特点，采用特殊半导体材料热电堆来制冷，能够将电能直接转换为热能，效率较高。 其工作原理如图 6： 10 图 6 半导体降温片工作原理图 半导体制冷片由许多 型半导体之颗粒互相排列而成，而 N 而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，通上 电源 之後，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高。它的外观如图 7所示。 2）本控制系统是对生物培养液进行温度监控，故太快的温度变化对生物繁殖显 图 7 半导体降温片外观图 正视图 侧视图 11 本控制系统是对生物培养液进行温度监控， 过快的温度变化对生物繁殖显然是不利的，因此在本系统中采用的是高阻抗小功率加热电阻丝进行温度的小范围调节。 4 温度控制系统的组成框图 采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见 图 8。其中数字控制器的功能由 单片机 实现。 图 8 温度控制系统的组成框图 培养皿的传递函数为 ),1/()( 1 s ，其中 1 为电阻加热的时间常数， 为电阻加热的纯滞后时间， T 为采样周期。 A/D 转换器可划归为零阶保持器内，所以广义对象的传递函数为 /)1()1/()( 11 s （ 4 广义对象的 )/1/)11(/)1()11/)( 1111 （ 4 所以系统的闭环 )1/()1()1/(/)1()( /1 (4系统的数字控制器为 )(G/)()(D)(E/)(U 1 = 1/1/1/11/ )1(1)1(/)1)(1( （ 4 12 写成差分方程即为 )1()1()1()( / T )1(/)1()1()1(/)()1( 1/1/1/ （ 4 令 )1(/)1( 1/0 TT )1(/)1( 1/1/1 /1 , /2 1 , 得 )1()1()1()()(2110 （ 4 式中 )( 第 k 次采样时的偏差； )1( 第 1k 次采样时的偏差； )1( 第 1k 次采样时的偏差； 图 9 温度控制系统结构图 图 9中温度传感器和 ， 用于采集培养皿内的温度信号。温度传感器输出电压经过 A/后进行比较，即可得到实际温度和给定温度的偏差。培养皿内的温度设定值由 片机中程序设定。 由 字控制器进行比较运算，经过比较后输出控制量控制由加加 热 控制电路 高阻抗加热丝 降 温 控制电路 半导体降温片 温度传感器 培养皿 商用计算机显示终端 13 热和降温电路构成的温度调节电路对培养皿中的培养液温度进行调节。同时通过电平转换电路把当前温度传输到商用计算机的串口中，由计算机动态的显示培养皿中的温度，正常情况下温度控制由 片机自动控制。必要时， 计算机也可以通过软件来强制改变培养皿 中温度。 5 温度控制系统软件设计 片机温度控制系统软件结构图如图 10所示 。 图 10 单片机温度控制系统软件结构图 片机 控制流程图 检测与变送 A/D 转换 工程量变换 温度非线性转换 发送数据到串口 比较判断算法 温度预设值 温度调节 电路 执行器 从串口接受数据 命令识别控制程序 14 图 11 单片机控制流程图 度变换程序模块 温度传感器在 12到 60输出 度起点为 12，满量程为 48。 片机内嵌的 10 位 A/出的数字量为 0000000000B1111111111B（ 05V），应用开始 初始化 片机端口地址 读入预设温度值 启动 A/D 转换 A/D 转换结果送入 元 降温 加热 工程量变换 温度非线性温度转换 发送数据到串口 命令识别程序 从串口接受数据 Y Y Y N N N 15 以下变换公式进行变换： 0+(式中， 度非线性转换程 序模块 采用折线拟合法进行线性化处理 如图 11所示，分为以下几段： 当 T =N+12 当 T =N+25 当 T =N+40 当 T =0 表 1 温度曲线实际测量数据 温度 ( ) 12 13 14 15 16 17 18 电压（ V） 度 ( ) 19 20 21 22 23 24 25 电压（ V） 度 ( ) 26 27 28 29 30 31 32 电压（ V） 度 ( ) 33 34 35 36 37 38 39 电压（ V） 度 ( ) 40 41 42 43 44 45 46 电压（ V） 度 ( ) 47 48 49 50 51 52 53 电压（ V） 度 ( ) 54 55 56 57 58 59 60 电压（ V） 16 图 5 12 温度分段线限等效图 6 通信协议的设计 由于温度采集和实施控制是通过单片机控制系统实现，而微机完成 温度监控，所以需要采用单片机和微机之间的通信协议。 本设计应用条件为传输距离不超过 15米的短距离数据传输，且传输数据量较小，所以采用在控制领域里应用较广泛 针对近程小批量的数据通信，设计时采用 3 线制（ 软握手的零 ：将送数据线（ 与“接收数据（ 交叉连接，二者的地线（ 直接相连而其它信号线如握手信号线均不用，而采用软件握手。这样即可以实现预定的任务，又可以简化电路设计节约了成本。 由于 逻辑电平与 辑电平不同。 逻辑 0 电平 规定 为 +5+15逻辑 1是电平为 间。因此在将 必须 进行电平转 换。 件设计 在进行数据通信的软件设计时， 必须 解决好两 个 方面的问题：一是可 靠性， 二是 速度。 而这两方面的问题， 可 靠性 是 第 一位的 ,速度只 能是在可 靠 的 基础 上的 速度 。 可 靠快速 转输的实现， 需要 件 17 以及通信协议 等 各 个 环节的可 靠 和其间的相 互配合。 信协议 概 述 在设计 信协议时， 需 说明一点：在本系 统 的实际通信中， 控者单片机 只 是 被动接收者。采用这种通信协议较 双 方 互 为 主 控者时简单。 本通信协议的设计 思想 是 基 于 帧 传输方式。即在 向 发送 命令 信号，应 答 信号及数据信 号时，是一 帧 一 帧 地发送的。为了 使 数据 快速 可 靠 地传输，将 每 一 帧 数据 唯 一对应一 命令帧。 此时传输数据即 执 行 命令 具 体 如下： (1) 在 遵循“ 读 命令 据 即 令，等待 接收数据， 根据 所接收数据的正 误向 应用程 序报告 此 命令 的 执 行 情况。 (2) 在 遵循“ 写 命令 即 令（ 此时所 要 写的数据 含 于此 命令 中）， 等待 单片机发来的“ 已 正 确 接收”的 回 应信号， 并向 应用程 序报告 此 命令执 行完 毕。 (3) 如 果 在转输过程中，其间 一 帧 信号出现 错误 时，均会 向 对方发送 重 发此 帧 信号的请 求。 如 果 连 续三次 转输 失败，则退 出通信 并向 应用程 序报告。 信协议说明 分类 (1) 读 命令帧：当 令 信号。 (2) 写 命令帧：当 令 信号 (内含 所 要 写的数据 )。 (3) 数据 帧：当 含 数据信 息 的信号。 (4) 正 回 应 帧：当 据 已 正 确 接收的信号。 (5) 重 发 命令帧：当 写数据时， (读 /写 命令帧 )有 误 时 向 重发信号。 (6) 放弃命令帧：当 写数据时出现了 使 程 序无法 正 常执 行时 方发出的 退 出通信的通 知 信号。 信协议 处 理 流 程 (1) 数据 分 帧 与数据 重组 18 图 13 串口数据发送过程 图 14 串口数据接受过程 将应用程 序 发送过来的数据作为一 个数据流放 在发送 缓冲区 中，通过通信协议进行分 帧切割发送。在接收 端， 分 帧 的数据 去掉帧头重新组合 到接收 缓冲区 中，交给应用程 序处 理，发送过程的 示 意 如图 15， 接收过程的 示 意 图 如 图 16。 单片机串口通信软件设计流程图 19 串口接受到一帧数据 此 帧 是 否正确 连续 3 次不正确 退出通信并报告 读命令信号 退出等待下一帧 重发命令帧 写命令信号 分析此命令 开始执行 分析此命令取 出数据信息 发数据帧 发正回应数据帧 退出通信并报告 退出等待下帧命令 N Y Y N Y Y N N 图 15 单片机串口通信软件流程图 20 应用程序通知通信开始 读还是写 发送读命令 发送写命令 串口收到命令 此帧是否正确？ 连续三次否 退出通信 是 帧 数 据吗？ 重发命令帧 等待下帧信号 处理数据 是正回应帧吗 命令执行完毕 是重发帧吗 退出通信并报告 重发命令帧 等待下帧信号 读 写 N N N Y Y Y Y Y Y N 图 16 21 信协议设计结论 通信的可 靠性主要体 现在所 使 用通信协议的可 靠性 上，本通信协议的可 靠性主要 有两点理论 基础： (1)通过 判断 帧头 起 始字 符 来决定一 帧 的开 始， 这样就 避免 了 部 分数据进 入 到 内部 数据 处 理之中。这个 可能 性 在 1/256， 通过 停止 位的 判断 可将这 个 可能 性再 降低 1/256。 另 外 通过 帧 类 型字 节的 判断 可 使 之进一步 降低。 (2)校验字 将 整 帧 信号进行异 或校验则使误 收的可能很小。如 果 将此异 或校验 改为 错 的可能 性 更是 微乎 其 微 了。本通信所用协议具有 纠 错 功能，这 体 现在 当 送 或 接收数据时， 当 所接收的应答 信号出现 失误 时，将 重新 发送 或 接收此 帧 数据，直 至 接收到了正 确 的应 答， 具 体 在程 序 中 最多允许 连 续出 错三次， 超过 后则放弃 通信。在实际应用中，应用本通信时传输距离 只 有 几 米以 内 而 且 环境 干扰 比 较小，从 而 从外部 因 素 上进一步 保证 了通信的可 靠性 。 7 结论 通过本次温度监控系统的设计 ,我大有收获，在制作过程中，一定要注意的每个工作步骤的检查，确保制作成功。比如在合理布线，检查装配无误的情况下，如果还出现电路无输出的情况，那么可以肯定是原理图错误，这时就要回到原理图进行检查。总体的检查顺序应该 是原理图、 、装配情况、焊接工艺。从整体来说这是一个复杂的过程，要细心谨慎，沉着冷静，反复检查，直到找到原因为止。 这次毕业设计历时至少 3个月，从一开始的确定课题，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到频率合成电路课题中包含了通信电路和单片机部分知识，可以说是对通信电路知识的一次全面综合。在画原理图、 线、安装和调试过程中不可避免地遇到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考，实在解决不了可以请教同学或指导老师。虽然在 制作过程中不可避免地遇到很多问题，但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题，实现了整个系统设计与最后调试，相关指标达到期望的要求，很好地完成了本次设计任务。 经过四年学习的积累，在已经掌握相关专业方面知识及其它各方面知识的情况下，我认真严肃的完成了我的毕业设计。 从得到题目到查找资料，从对题目的研究设定到 路板的制作，从电路板的调试到失败后再一次全部重新开始在这一个充满挑战伴随挫折，充满热情伴随打击的过程中，我感触颇