温度控制系统--课设.doc

学科基础课硬件课程设计设计说明书水温控制系统设计学生姓名学号0718014103班级计算机074成绩指导教师 计算机科学与技术系2010年9月10日学科基础课硬件课程设计评阅书题 目水温控制系统设计学生姓名学号指导教师评语及成绩成绩： 教师签名： 年 月 日答辩教师评语及成绩成绩： 教师签名： 年 月 日教研室意见总成绩： 室主任签名： 年 月 日课程设计任务书20102011学年第一学期专业： 计算机科学与技术系 学号： 0718014103 姓名： 课程设计名称： 学科基础课硬件课程设计 设计题目： 水温控制系统设计 完成期限：自 2010 年 8 月 30 日 至 2010 年 9 月 10 日 共 2 周设计依据要求及主要内容一、目的任务：掌握使用单片机设计水温控制系统的原理。设置相应的按键，按相应的按键时应能对预定温度进行设置，并将其显示出来，要求误差不大于1度，并且要求弱电与强电分离，以保安全。二、设计内容：1. 复习相关课程内容：单片机原理及应用、计算机控制等课程相关内容；汇编语言程序设计的相关内容；熟悉模拟电路、数字电路的相关知识；2. 熟悉实验相关器材的主要功能。3. 在上述基础上，根据课程设计的基本要求，完成以下各项任务(反映在设计说明书中)：（1）题目要求涉及的硬件电路图及摘要说明。（2）题目的工作原理及相应描述。（3）程序流程框图。（4）程序文本输入及实验完成。三、时间安排：1周一1周三完成相关知识点的复习与软硬件设计；1周四2周三完成实验调试和编写设计说明书；2周四2周五进行课程设计验收、答辩。四、设计要求：1.软件程序文档 ；2.硬件电路图（用专用软件）；3.完成实验；4.完成设计说明书。指导教师(签字)： 教研室主任(签字)： 批准日期： 年 月 日摘 要本温度设计采用现在流行的AT89C51单片机，配以DS18B20数字温度传感器，该温度传感器可自行设置温度上下限。单片机将检测到的温度信号与要求达到的温度进行比较，由此作出判断打开指示灯显示状况。本设计加入了常用的数码管显示及状态灯显示的常用电路，当温度高于要求的温度时红灯亮，报警指示。关键词: DS18B20；AT89C51；单片机；控制目 录1 课题描述- 2 -1.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义- 2 -1.2 温度控制系统的目的- 2 -1.3 水温监控软件实现的功能- 2 -2 总体设计方案- 3 -2.1 温度采集部分- 3 -2.2 DS18B20的性能特点：- 3 -2.3 DS18B20内部结构- 3 -2.4 DS18B20的测温原理- 4 -4 系统整体设计- 5 -4.1 系统硬件电路设计- 5 -4.2 系统软件设计- 5 -4.3 调试- 10 -5 总结- 11 -参考文献- 12 -121 课题描述1.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义 无论是工业控制领域还是消费电子领域，温度控制的应用都非常广泛，如工业控制中的锅炉、加热炉的控制，消费电子领域的热水器、饮水机的控制，内部都涉及到温度控制。传统靠人工控制的温度、湿度、液位等信号的测压力控系统，外围电路比较复杂，测量精度较低，分辨力不高，需进行温度校准(非线性校准、温度补偿、传感器标定等)；且它们的体积较大、使用不够方便。随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生产的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的温度采集系统就是其中之一。采用MCS-51单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的技术指标。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。1.2 温度控制系统的目的本设计的内容是温度测试控制系统，控制对象是水温度。水温控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如水池、浴室、热水器等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。1.3 水温监控软件实现的功能本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：程序开始对LCD进行初始化设置，并写入报警温度上下限值。然后对温度传感器DS18B20进行复位，检测是否存在，如果传感器没有正常工作，LCD屏上会显示出“ERROR”的信息，如果工作正常则显示出“”。接着读取温度数值，再经转换，由显示屏显示出来，同时不断将实时温度与设定的报警温度上限、下限值进行比较，如果超过报警下限值，红色灯亮2 总体设计方案在本系统的电路设计方框图如图1.1所示，它由三部分组成: 控制部分主芯片采用单片机AT89S51； 显示部分采用3位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示； 温度采集部分采用DS18B20温度传感器。K1、K2、K3控制单 片 机DS18B20LCD显示指示灯 图2-1 温度计电路总体设计方案2.1 温度采集部分DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温。这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作，由DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.0口，单片机接受温度并存储。此部分只用到DS18B20和单片机，硬件很简单。2.2 DS18B20的性能特点：1) 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2) 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；3) 可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V；4) 温度以3位数字显示；5) 用户可定义报警设置；6) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；7) 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 2.3 DS18B20内部结构1) 64位光刻ROM。开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。2) 非挥发的温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限值。3) 高速暂存存储，可以设置DS18B20温度转换的精度。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PRAM。 图2-2 DS18B20内部结构2.4 DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图2-3所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。减法计数器斜坡累加器减到0减法计数器预置低温度系数振 荡 器高温度系数振 荡 器计数比较器预 置温度寄存器减到0图2-3 测温原理内部装置3 系统整体设计3.1 系统硬件电路设计主要包括主板电路设计、显示电路、单片机电路、温度传感器电路以及各电路之间的连线。单片机的P1.0接DS18B20的2号引脚，P0口送数P2口扫描，P1.1、P1.2控制加热器和电风扇的继电器。本部分主要采用了AT89C51，主要外用接口如图示：图3-1 单片机电路图3.2 系统软件设计1 系统程序流图系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，复位应答子程序，写入子程序等。1）主程序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，温度测量每隔一段时间采集一次。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分开存放在不同的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来2）读出温度子程序 读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位。3)系统总的流程图图3-4系统总的流程图3.2.2 部分程序代码 TEMP_ZH EQU 24H ;实时温度值存放单元 TEMPL EQU 25H ;低温度值存放单元 TEMPH EQU 26H ;高温度值存放单元 TEMP_TH EQU 27H ;高温报警值存放单元 TEMP_TL EQU 28H ;低温报警值存放单元 TEMPHC EQU 29H ;存十位数 BCD码 TEMPLC EQU 2AH ;存个位数 BCD码;- K1 EQU P2.1 K2 EQU P2.2 K3 EQU P2.3 K4 EQU P2.4;- SPK EQU P3.4 RELAY EQU P2.0 X EQU 2FH ;LCD 地址变量;- RS EQU P3.5 RW EQU P3.6 E EQU P3.7;- FLAG EQU 20H.0 ;DS18B20是否存在标记 KEY_UD EQU 20H.1 ;设定 KEY 的UP与DOWN 标记 DQ EQU P2.5;= 主程序 =MAIN: ACALL SET_LCD ;LCD初始化设置子程序 ACALL WR_THL ;将报警上下线写入暂存寄存器TOOP: ACALL RESET_1820 ;18B20复位子程序 JNB FLAG,TOOP1 ;DS1820不存在 ACALL MEU_OK ;显示OK菜单 ACALL RE_THL ;把EEROM里温度报警值拷贝回暂存器 ACALL TEMP_BJ ;显示温度标记C JMP TOOP2TOOP1: ACALL MEU_ERROR ;显示ERROR菜单 ACALL TEMP_BJ ;显示温度标记 JMP $TOOP2: ACALL RE_TEMP ACALL SET_DATA ACALL TEMP_COMP ;实际温度值与标记温度值比较子程序 ACALL P_KEY ;键扫描子程序 SJMPTOOP2; 读取温度数据子程序 RE_TEMP: ACALL RESET_1820 ;18B20复位子程序 JNB FLAG,TOOP1 ;DS1820不存在 MOV A,#0CCH ;跳过ROM匹配 ACALL WRITE_1820 ;写入子程序 MOV A,#44H ;发出温度转换命令 ACALL WRITE_1820 ;调写入子程序 ACALL RESET_1820 ;调复位子程序 MOV A,#0CCH ;跳过ROM匹配 ACALL WRITE_1820 ;写入子程序 MOV A,#0BEH ;发出读温度命令 ACALL WRITE_1820 ;写入子程序 ACALL READ_1820 ;调用读入子程序 RET; 温度值比较子程序;实际温度值与标记温度值比较子程序TEMP_COMP: MOV A,TEMP_TH SUBB A,TEMP_ZH ;减数被减数，则 JC TCL1 ;借位标志位C=1，转 MOV A,TEMP_ZH SUBB A,TEMP_TL ;减数被减数，则 JC TCL2 ;借位标志位C=1，转 MOV DPTR,#BJ5 ACALL TEMP_BJ3 CLR RELAY ;继电器吸合 RET TCL1: MOV DPTR,#BJ3 ;存入#BJ3表 ACALL TEMP_BJ3 ;调用显示高、低温度及加热标记子程序 SETB RELAY ;继电器关闭 ACALL SPK_BZ RET TCL2: MOV DPTR,#BJ4 ;存入#BJ4表 ACALL TEMP_BJ3 ;调用显示高、低温度及加标记子程序 ACALL SPK_BZ ;调用鸣响子程序 RET; 显示高、低温度及加热标记程序TEMP_BJ3: MOV A,#0CEH ACALL WR_COMM MOV R1,#0 MOV R0,#2BJJ: MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR ACALL WR_DATA INC R1 DJNZ R0,BJJ RETBJ3: DB HBJ4: DB ”，此时红色灯亮起。（2） 当实际温度小于TL的值时，在显示屏第二行最后显示符号“”。4 总结本设计使用的水度控制器结构简单、测温准确，具有一定的实际应用价值。实际上能够就是一个简单的温度控制器。应用DS18B20温度传感器在温度控制领域的一个简单实例，设计中明确水温控制系统是一个过程控制系统，在设计的过程中，必须明确它的组成部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元。要根据具体要求具体题目，还要选取合适的控制算法来达到系统参数的要求。对于执行器件、测量变送元件将在部分电路设计中有说明。在这个部分我主要是对控制器的确定和控制算法的选择作一个详细的介绍。因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效