温度控制器实验报告.doc

目目录录 目目录录 1 第第1 节节 引引 言言 2 1 1 1 1 带带时时间间显显示示的的温温度度控控制制器器的的概概述述 2 1 1 2 2 本本设设计计目目的的 任任务务及及要要求求 2 1 1 3 3 系系统统设设计计 3 第第2 节节 系系统统硬硬件件设设计计 3 2 2 1 1 芯芯片片的的选选择择 3 2 2 1 1 1 1 传传感感器器的的选选择择 3 2 2 1 1 2 2 单单片片机机的的选选择择 4 2 2 1 1 3 3 显显示示器器的的选选择择 4 2 2 工作原理 6 2 2 1 DS18B20简介 6 2 2 2 2 2 2 系系统统工工作作原原理理 10 2 2 3 3 系系统统的的硬硬件件构构成成及及功功能能 10 2 2 3 3 1 1 带带时时间间显显示示的的温温度度控控制制器器总总体体电电路路图图 10 2 2 3 3 2 2 单单元元电电路路功功能能简简介介 11 第第3 节节 方方案案的的设设计计之之系系统统软软件件设设计计 13 3 3 1 1 系系统统主主程程序序设设计计 13 3 3 1 1 1 1 主主程程序序流流程程图图 13 3 1 2 DS18B20程程序序代代码码 见见附附录录 14 第第4 节节 性性能能测测试试和和结结果果分分析析 15 4 1 温温度度校校准准 15 4 2 串串口口通通讯讯 15 4 2 1发送功能 15 4 2 2 接收功能 16 第第5 节节 设设计计体体会会 17 参参考考文文献献 18 1 附附录录 19 带时间显示的温度控制器的设计 第第 1 节节 引引 言言 传感器是一种物理装置或生物器官 能够探测 感受外界的信号 物理条件 如光 热 湿度 或化学组成 如烟雾 并将探知的信息传递给其他装置或器官 新技术革命的到来 世界开始进入信息时代 在利用信息的过程中 首先要解决的就 是要获取准确可靠的信息 而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中 要用各种传感器来监视和控制生产过程中 的各个参数 使设备工作在正常状态或最佳状态 并使产品达到最好的质量 因此可以说 没有众多的优良的传感器 现代化生产也就失去了基础 传感器早已渗透到诸如工业生产 宇宙开发 海洋探测 环境保护 资源调查 医学 诊断 生物工程 甚至文物保护等等极其之泛的领域 可以毫不夸张地说 从茫茫的太空 到浩瀚的海洋 以至各种复杂的工程系统 几乎每一个现代化项目 都离不开各种各样的传 感器 1 1 1 1 带带时时间间显显示示的的温温度度控控制制器器的的概概述述 本小组设计的温度控制器由单片机 模块 RS232 通讯模块 LCD1602 显示模 块以及DS18B20 的温度传感模块组成 可实现温度的 检测 与计算机的串口通讯 输出执行等功能 其中可以通过各个按钮控制设定各个数值 时间 温度上下限 我们设计的带时间显示的温度控制器 具有电路简单 操作方便 灵敏 度高 性能 可靠等优点 1 1 2 2 本本设设计计目目的的 任任务务及及要要求求 本着熟悉单片机编程 系统设计的目的 增强我们的动手合作能力 我们 组选择了温度控制器这个实验项目 基本功能要求 1 完成温度进行测量 测量范围 10 50 度 2 将温度测量值在四位LED 数码管或LCM 液晶显示模块显示 3 可以通过按键进行温度上下限报警设定 拓展功能 1 具有温度控制输出执行功能 2 具有数据通讯和传送功能 2 自加功能 1 用LCD1602 液晶显示模块显示时 分 秒 2 以24h 小时 计时方式 3 使用按键开关可实现时分调整 4 省电 关闭显示背光 功能 1 1 3 3 系系统统设设计计 实现了温度的测量 LCD 的显示 通过按键进行温度上下限报警设定等功 能 另外 还具有温度输出执行功能和数据通讯和传送功能 在此基础上 我们 还添加了一些自己设计的功能 比如显示时间 省电等 功能 第第 2 节节 系系统统硬硬件件设设计计 2 2 1 1 芯芯片片的的选选择择 在确定我们小组的主题任务后 我们小组进行了各个芯片的选择工作 2 2 1 1 1 1 传传感感器器的的选选择择 方案一 采用DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B20 新的 一线器件 体积更小 适用电压更宽 更经济 一线总线独特而且经济的特点 使用户可轻 松地组建传感器网络 为测量系统的构建引入全新概念 DS18B20 一线总线 数 字化温度传感器也支持 一线总线 接口 测量温度范围为 55 C 125 C 在 10 85 C 范围内 精度为 0 5 C 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 与前一代产品不同 新的产品支 持3V 5 5V 的电压范围 使系统设计更灵活 方便 而且新一代产品更便宜 体 积更小 DS18B20 的特性 DS18B20 可以程序设定9 12 位的分辨率 精度为 0 5 C 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 的性能是新一代产品 中最好的 性能价格比也非常出色 继 一线总线 的早期产品后 DS1820 开辟 了温度传感器技术的新概念 DS18B20 使电压 特性及封装有更多的选择 让我 们可以构建适合自己的经济的测温系统 方案二 采用35 是一种得到广泛使用的温度传感器 由于它采用内部补偿 所以输出可以从0 开始 该器件采用塑料封装TO992 工作电压4 30V 所以 乍一看来 它似乎是无需校准的LM335 在上述电压范围以内 芯片从电源吸收 3 的电流几乎是不变的 约50 A 所以芯片自身几乎没有散热的问题 这么小的 电流也使得该芯片在某些应用中特别适合 比如在电池供电的场合中 输出可以 由 第三个引脚取出 根本无需校准 目前 已有两种型号的 LM35 可以提供使用 LM35DZ 输出为0 100 而LM35CZ 输出可覆盖 40 110 且精度更 高 两种芯片的精度都比LM335 高 不过价格也稍高 在最简单的应用中 仅仅 为LM35 提供一组直流电源 比如PP3 电池电源 再加上一个用作显示的 DVM 数字电压表 即可工作 传感器甚至可以安装到 探针 之中 将DVM 扩 展为电子式直读温度计 用来测散热片的温度 在使用单一电源时 LM35 的一个 缺点是无法指示低至零度的温度 据称利用LM35 可测出20mV 的电压 这一值 相当于2 一些情况下甚至可测出0 2mV 的电压 但要指示零度或更低 的温度时 最好还是再提供一个负电源和一只下 拉电阻 LM35 的负载为容性时 输出有产生振荡的可能 所以往往需要在负载上串接电阻避免振荡的发生 这一 简单的线路可以用来得到一个经过改进的更准确的通用温度计 这种温度计在实 验室中大有用武之地 综上所述 经过比较 我们选择方案一 2 2 1 1 2 2 单单片片机机的的选选择择 方案一 采用Atmel 公司的Atmaga32L 单片机作为主控制器 Atmaga32L 是一 个低功耗 高性能的8 位单片机 片内含32K 空间的可反复擦写100 000 次的 Flash 只读存储器 具有2Kbytes 的随机存取数据存储器 RAM 32 个IO 口 2 个8 位可编程定时计数器 1 个16 位可编程定时计数器 四通道PWM 内置8 路 10 位ADC 方案二 采用宏晶科技生产的STC89C52RC 单片机作为控制器 STC89C52RC 是一个超强抗干扰 高速 低功耗的单片机 指令代码完全兼容传 统8051 单片机 12 时钟 机器周期和6 时钟 机器周期可任意选择 工作频率 范围 0 40 MHz 相当于普通8051 的 0 80MHz 实际工作频率可达48MHz 片上集成 1280 字节RAM 无需专用编程器 综上所述 考虑到本系统对于单片 机的处理速度要求不是 太高 芯片的成本问题以及我们对两 种芯片的熟悉程度 我们选择方案二 2 2 1 1 3 3 显显示示器器的的选选择择 方案一 采用LCD1602 液晶显示模块 有体积小 功耗低 显示内容丰富 超薄轻巧等优点 在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用 目前字符 型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件 它可以显示两 4 行 每行16 个字符 采用单 5V 电源供电 外围电路配置简单 价格便宜 具 有 很高的性价比 方案二 采用LED 数码管设备显示常用电子元器件 LED 数码管的主要特点有 能在低电压 小电流条件下驱动发光 能与 CMOS ITL 电路兼容 发光响应时间极短 0 1 s 高频特性好 单色性好 亮度高 体积小 重量轻 抗冲击性能好 寿命长 使用寿命在 10 万小时以上 甚至可达 100 万小时 成本低 因此它被广泛用作数字仪器 仪表 数控装置 计算机的数显器件 但显示方面较 1602 差 综上所述 为使显示更为 清晰 我们选择了方案一 方案的确定 经过我们小组3 人的讨论 考虑到功能 经费 以及合理性等 要求 我们最终决定 本次设计使用到的元器件包括 STC 89C52 芯片 LCD1602 液 晶显示器 RS232 其中STC89C52 系统的核心 它主要负责控制各个部分的协调 工作 在其外围接上复位电路 显示器 上拉电阻 按钮等 P1 口为输出执行功能块 P0 口和P2 口接显示器 DS18B20 温度传感器接 P2 0 口 蜂鸣器输出为P3 7 口 P3 0 和P3 1 用于串口通信 芯片管脚图 DS18B20 STC89C52 LCD1602 5 2 2 2 2 工工作作原原理理 2 2 1 DS18B20 简简介介 DS18B20 特特点点 1 单线结构 只需一根信号线和CPU 相连 2 不需要外部元件 直接输出串行数据 3 可不需要外部电源 直接通过信号线供电 电源电压范围为 3 3V 5V 4 测温精度高 测温范围为 一55 125 在 10 85 范围内 精度为 O 5 5 测温分辨率高 当选用12 位转换位数时 温度分辨率可达0 0625 6 数字量的转换精度及转换时间可通过简单的编程来控制 9 位精度的转换时间 为93 75 ms 10 位精度的转换时间187 5ms 12 位精度的转换时间750ms 7 具有非易失性上 下限报警设定的功能 用户可方便地通过编程修改上 下限 的 数值 8 可通过报警搜索命令识别哪片DS18820 采集的温度超越上 下限 DS18B20 引引脚脚及及管管脚脚功功能能介介绍绍 DS18B20 的常用封装有3 脚 8 脚等几种形式 如图2 2 1 所示 各脚含义如下 图2 2 1 管脚图 DQ 数字信号输入 输出端 GND 电源地端 VDD 外接供电电源输入端 在寄生电源接线时此脚应接地 DS18B20 内内部部结结构构简简要要介介绍绍 DS18820 的内部结构如图2 2 2 所示 主要有64 位光刻ROM 温度传感器 非易 失性温度报警触发器TH 和TL 配置寄存器等组成 1 64 位光刻ROM 是生产厂家给每一个出厂的DS18820 命名的产品序列号 可以 看作为该器件的地址序列号 其作用是使每一个出厂的 DS18820 地址序列号都各 6 不相同 这样 就可以实现一根总线上 挂接多个DS18820 的目的 2 DS18820 中的温度传感器完成对温度的测量 输出格式为 16 位符号扩展的二 进制补码 当测温精度设置为12 位时 分辨率为O 0625 即O 0625 LSB 其二进制补码格式如图2 2 3 所示 图2 2 2 DS18B20 内部结构 图2 2 3 二进制补码格式 其中 S 为符号位 S 1 表示温度 为负值 S 0 表示温度为正值 例如 125 的数字输出为07D0H 55 的数字输出为FC90H 一些温度值对应的数字输出如 图2 2 4 所示 图2 2 4 温度数值对应表 3 DS18820 中的低温触发器TL 高温触发器TH 用于设置低温 高温的报警数 值 DS18820 完成一个周期的温度测量后 将测得的温度值和 TL TH 相比较 7 如果小于TL 或大于TH 则表示温度越限 将该器件内的告警标志位置位 并 对 主机发出的告警搜索命令作出响应 需 要修改上 下限温度值时 只需使用一 个功 能命令即可对TL TH 写入 十分方便 4 DS18820 中的高速暂存器是一个9 字节的存储器 其含意如图2 2 5 所示 图2 2 5 9 字节存储器 开始两个字节为被测温度的数字量 其含义如图 2 2 2 所示 第3 4 5 字节分别 为TH TL 配置寄存器的复制 每一次上电复位时被重写 配置寄存器有 R0 R1 组成 其值决定温度转换的精度位数 转换时间等 含义如图 2 2 6 所示 第7 字节为测温计数的剩余值 第8 字节为测温时每度的计数值 第9 字节读出 的是前8 个字节的CRC 校验码 通过此码 可判断通讯是否正确 图2 2 6 各字节含义 DS18B20 的的读读写写操操作作介介绍绍 一 ROM 操作命令 8 1 读命令 33H 通过该命令主机可以 读出DS18820 的ROM 中的8 位系列产品代 码 48 位产品序列号和8 位CRC 校验码 该命令仅限于单个DS18B20 在线的情 况 2 选择定位命令 55H 当多片DS18820 在线时 主机发出该命令和一个64 位数 DS18820 内部ROM 与主机一致者 才响应命令 该命令也可用于单个 DS18820 的情况 3 查询命令 0F0H 该命令可查询总线上DS18B20 的数目及其64 位序列号 4 跳过ROM 序列号检测命令 OCCH 该命令允许主机跳过ROM 序列号检测而 直接对寄存器操作 该命令仅限于单个DS18820 在线的情况 5 报警查询命令 0ECH 只有报警标志置位后 DS18B20 才相应该命令 存存储储器器操操作作命命令令 1 写入命令 4EH 该命令可写入寄存器的第2 3 4 字节 即高低温寄存器和 配 置寄存器 复位信号发出之前 三个字节必须写完 2 读出命令 0BEH 该命令可读出寄存器中的内容 复位命令可终止读出 3 开始转换命令 44H 该命令使DS18B20 立即开始温度转换 当温度转换正在 进行时 主机这时读总线将收到O 当温度转换结束时 主机这时读总线将收到 1 若用信号线给DS18820 供电 则主机发出转换命令后 必须提供至少相应于 分 辨率的温度转换时间的上拉电平 4 回调命令 088H 该命令把EEROM 中的内容写到寄存器TH TL 及配置寄存 器中 DS18820 上电时能 自动写入 5 复制命令 48H 该命令把寄存器TH TL 及配置寄存器中的内容写到EEROM 中 6 读电源标志命令 084H 主机 发出该命令后 DS18B20 将进行响应 发送电源 标志 信号线供电发O 外接 电源发1 DS18820 的的复复位位及及读读写写时时序序 1 复位 对DS18B20 操作之前 首先要将它复位 复位时序为 1 主机将信号线置为低电平 时间为480 960 S 2 主机将信号线置为高电平 时间为15 60 S 3 DS18B20 发出60 240 S 的低电平作为应答信号 主机收到此信 号后 才能 对DS18820 作其它操作 2 写操作 主机将信号线从高电平 拉至低电平 产生写起始信号 从信号 线的 下降沿开始 在15 60 S 的时 间内DS18820 对信号线检测 如信号 线为高电 9 平 则写1 如信号线为0 则 写0 从而完成了一个写周期 在开始 另一个写 周期前 必须有1 S 以上的 高电平恢复期 3 读操作 主机将信号线从高电平 拉低至低电平1 S 以上 再使数据线 升为高 电平 产生读起始信号 从主机 将信号线从高电平拉低至低电平起15 60 S 的 时间内 DS18820 将数据放到信号线上 供主机读取 从而完成了一个读周期 在 开始另一个读周期前 必须有1 S 以上的高电平恢复期 2 2 2 2 2 2 系系统统工工作作原原理理 基于这个设计的上述要求 根据功能要求 必须有单片机控制模块 RS232 通 讯模块 LCD1602 显示模块以及DS18B20 的温度传感模块 各个模块都有其自己 的功能 上电后 通过DS18B20 可以检测到温度 并在显示器上显示 温度的上下 限可由P2 2 P2 3 P2 4 口的三个按钮调整设定 输出执行功能 当温度超过30 度 时 每升高一度 亮一盏灯 直到38 度为止 再通过RS232 模块 可以实现与计 算机进行串口通信的功能 可以实现将1602 上显示的所有数据传送到计算机 并 且可以通过计算机设置小时值 分钟值 以及温度上下限值 按下连接单片机9 脚 的RESET 可以实现整个电路的复位 2 2 3 3 系系统统的的硬硬件件构构成成及及功功能能 2 2 3 3 1 1 带带时时间间显显示示的的温温度度控控制制器器总总体体电电路路图图 图 2 3 1 带时间显示的温度控制器电路图 10 图2 1 为用protel 画的总体电路图 可以实现各个功能要求 具体功能介绍 可由下面的单元电路设计获得 2 2 3 3 2 2 单单元元电电路路功功能能简简介介 1 1 单单片片机机模模块块 R4 10K C3 10uF 5 G ND S1 RESE T S5 34 S6 35 S4 33 G ND P2 2 P2 3 P2 4 EA VP 31 X 1 19 X 2 18 RESE T 9 RD 17 WR 16 INT 0 12 INT 1 13 T 0 14 T 1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSE N 29 A LE P 30 T XD 11 RXD 10 VCC 40 G ND 20 IC1 8051 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 P2 0 P2 2 P2 3 P2 4 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 5 P3 0 P3 1 Y 1 12M C7 30P C8 30P G ND RESE T P2 5 P2 6 P2 7 C16 104 G ND U 4 BEE P Q 1 8550 R19 4K7 5 R20 100 G ND 1 2 3 U 2 1820 R9 4K7 5 G ND P2 0 G ND 5V 1 2 3 4 U SB1 POW E R1 P3 7 D 4 L ED R4 1K 5 G ND P3 2 P3 3 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 P1 1 P1 0 图 2 3 2 单片机模块 由图2 2 所示的是单片机模块 这部分主要实现 数据的处理 输出执行 报警 设置等功能 11 2 2 R RS S2 23 32 2 通通讯讯模模块块 图 2 3 3 RS232 串口通信模块 通过这个模块 我们可以实现带时间显示的温度控制器系统与计算机之间的 串 口通信 实现数据交换 3 3 L LC CD D1 16 60 02 2 显显示示模模块块 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 L CD 1 1602 R14 2KL CD G ND 5 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 G ND R16 10 AJ P2 7 P2 6 P2 5 Q 1 8050 5 R5 4K7 Q 2 8050 5 R6 4K7 P3 3 P3 2 图2 3 4 显示模块 显示模块可以分别显示实时温度值 温度上下限以及小时 分钟 秒钟 若 超过上下限 则会提示 Too high 和 Too low 12 4 4 D DS S1 18 8B B2 20 0 的的温温度度传传感感模模块块 图 1 3 5 DS18B20 温度传感模块 此模块的主要功能是通过DS18B20 的强大功能实现对温度的采集及发送到 计 算机 第第 3 节节 方方案案的的设设计计之之系系统统软软件件设设计计 3 3 1 1 系系统统主主程程序序设设计计 3 3 1 1 1 1 主主程程序序流流程程图图 13 是 否是 否 是 否 是 否 否是 3 1 2 DS18B20 程程序序代代码码 见见附附录录 20 秒内是否有按键按 下 开始 定时器初始化 1602 初始化 RI 是否为1 DS18B20 初始化后 启动温度转换 再次初始化DS18B20 读温度寄存器 显示当前的温度 值 数字时钟程序 上下限报警功能 省电模式 关闭1602 背 光灯 P2 3 是否按下 重新开始20 秒计时 将1602 显示的数据发送到电脑 接收电脑发送过来的数据 更新时间值以及温度上下限 值 调节时间值 温度上下限值 结束 5 秒内是否有按键按下 P2 2 是否按下 输出执行功能 14 第第 4 节节 性性能能测测试试和和结结果果分分析析 4 1 温温度度校校准准 表1 性能测试 温度测试 由上表可知 本温度计的测量误差可以控制在1 左右 基本满足应用要求 4 2 串串口口通通讯讯 4 2 1 发送功能 图4 1 液晶显示图 标准值 温度计 测量值 课程设计 绝对误差 相对误差 30 029 40 62 0 30 330 60 30 9 31 531 10 41 3 32 132 30 20 6 33 433 60 20 6 33 834 10 30 9 34 735 00 30 9 35 535 90 41 1 36 336 60 30 8 37 437 70 30 8 15 图 4 2 串口接收数据 由上两图可知 实现了串口的接收功能 4 2 2 接收功能 图4 3 串口发送数据 图4 4 液晶显示图 由上两图可知 实现了串口通讯的发送功能 16 第第 5 节节 设设计计体体会会 这次课程设计老师给我们安排了两 个星期的时间 可以说是比较充裕的 但 也因为刚好是碰到考试周 所以又很多事要做 在本次课程设计中 设计的结果基 本符合设计的要求 我们也加了一些自己的想法 基本上算是比较满意的 在这次 的设计的过程当我中学到了很多 对很多相关的知识有了更深一层的理解 特别的 对单片机这块 这次的设计 很好的将我们上学期学过的单片机进行复习并用于 了实践之中 是我们能更好的掌握其一般原理 另外 本次课程设计以小组的形 式展开 这样一来不但提高了我们的动手能力 也增进了同学间的了解 增强了 团队合作的意识 总的来说 本次课程设计 对我而言 知识上的收获重要 精神上的丰收更加可 喜 让我知道了学无止境的道理 我们每一个人永远不能满足于现有的成就 人 生就像在爬山 一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你 挫折是一份财富 经 历是一份拥有 这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆 17 参参考考文文献献 1 51 单片机原理与实践 高卫东 辛友顺 韩彦征编著 北京航空航天大学出版社 2008 1 2 刘红玲 邵晓根 微机原理与接口技术 中国电力出版社 2006 年第一版 3 冯博琴 微型计算机原理及接口技术 清华大学出版社 4 白延敏 51 单片机典型系统开发实例精讲 电子工业出版社 2009 5 万福君 潘松峰 刘芳 等 MCS 51 单片机原理 系统设计与应用 清华大 学出版社 2008 18 附附录录 DS18B20 程序代码 include define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit DQ P2 0 定义温度传感器连接口 uchar templ 0 温度值低8 位数据 uchar temph 0 温度值高8 位数据 bit mark 0 标志正负温度 uint temperature 0 0 最终温度值 函数名称 void delay uint i 函数功能 DS18B20 延时函数 参数功能 i 需要延时的时间 微秒级 void delay uint i uint n 0 while n480us DQ 1 拉高数据线 delay 1