基于单片机的温度控制器的设计

长沙示范学校毕业设计1基于单片机的温度控制设计摘要本设计实现的是单片机温度测量与控制系统，通过数码管显示所测量的温度。系统采用18B20为温度传感器，通过单片机处理进行显示，本文介绍了基于M16单片机的温度实时测量与控制系统和显示系统的设计，包括介绍了硬件结构原理，软件设计流程及其程序实现。系统结构简单、实用，提高了测量精度和效率。可进行上限、下限温度预设，分辨率为912位的温度报警器设计，可通过高电平打开，低电平关闭，在没有负载的情况下，系统可进入休眠状态。可以交替的显示所设置的上、下限温度。本设计制作方便，并通过C语言程序控制能够精准的对所测量的环境进行温度控制，实用性强。关键字M1618B20上、下限温度控制C语言分辨率912长沙示范学校毕业设计2目录1、引言412、设计内容及要求52单片机的相关资料721单片机技术的背景情73、M16单片机概述831ATMEGA16单片机主要特征及基本结构9312、M16的基本组成及引脚配置10313、M16的引脚基本功能1132外部晶体振荡器接线图114、温度传感器18B20介绍1241温度传感器18B20的特性1342温度传感器18B20的基本组成1343温度传感器18B20的测温操作145基于单片机温度报警器设计1731下位机软件流程1832硬件电路实19总结20长沙示范学校毕业设计3致谢21参考资料、附件22引言在农业生产中，温室的温度很难把握。往往超过或低于允许值，致使大批良种的报废，耽误农时，影响生产。日常生活中，经常要用到高功率电器，但是高功率电器的发热量大，有时候可能引起火灾。等等之类的情况，这就需要一个温度报警器在环境温度超过一定范围时报警，来提醒使用者。经过试用和改进，温度报警器可适用于变压器超温报警、环境温度监测、配电柜温度监测及风扇自动控制、机房、仓库、鱼塘、蔬菜大棚温度监测及报警等等。温度控制器目前普遍采用的几种方法方案一采用单总线的DS1820的温度传感器的控制仪。方案二采用集温湿度传感器于一体的SHT11芯片为主要芯片的控制仪。虽然SHT11是瑞士SENSIRION公司生产的具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。但是本设计只对温度控制，设计原理简单，基于经济效益的考虑此次选择传统的模拟式温度度传感器长沙示范学校毕业设计412设计内容及要求本温度报警器为超温报警，及高于选定的高温或低于选定的低温均预报警，也就是说温度超过某个选定的温度范围则报警，温度在这个范围内则不报警。MCUM168MHZ内部RC震荡。外观如下图所示使用方法打开电源开关然后按如下操作1）下限设置按下“SET”，进入温度上限设置，数字闪烁，同时左第1位最上面显示一横，表示上限设置，按一次“”温度值加01摄氏度，按一次“”，温度值减小01摄氏度，设置好上限；这时再按“SET”一次，进入下限温度设置，数字闪烁，同时左长沙示范学校毕业设计5第1位最下面显示一横，表示是下限设置，按一次“”温度值加01摄氏度，按一次，温度值减小01摄氏度，设置好下限，再按一次“SET”，退出上下限设置，并把设置好的上下限参数保存到EEPROM中。2）负载载控制开关控制有时不需要控制负载，就是待机状态，在工作状态下，按下“WAIT“，下面的数码管会关显示，什么也不显示，表示不控制负载，这时再按下WAIT，又回到工作状态，设置状态也保存EEPROM中，交替显示所设定的温度上下限值。长沙示范学校毕业设计62、单片机的相关资料21单片机技术的背景状况单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板，但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。长沙示范学校毕业设计73、M16单片机概述31ATMEGA16单片机主要特征及基本结构311ATMEGA16的主要性能1、先进的、高性能的的8位CPU内核结构1）耗先进的RISC（精简指令集计算机）结构；2）高速度，低功耗的新8位中央处理器；2、非易失性程序和数据存储器3、丰富的核外功能资源电路完善的串、并、及JTAG（联合测试行动组）接口。4、电压范围宽、功率消耗低、时钟频率灵活。5、极高的性价比和适于高级语言开发；311、M16的基本组成及引脚配置长沙示范学校毕业设计8M16的组成结构图312、M16的引脚基本功能1、VCC数字电路电源5V2、GND地0V3、端口APA7PA0端口A为8位双向I/O口，也是A/D转换器的模拟输入端。具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。4、端口BPB7PB0为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。长沙示范学校毕业设计95、端口CPC7PC0为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C也处于高阻状态。、6、端口DPD7PD0为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。7、RESET复位输入引脚。8、XTAL1反相振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。9、XTAL2反相振荡放大器的输出端。10、AVCC端口A与A/D转换器的电源。11、AREFA/D的模拟基准电压输入引脚。ATMEGA16所有的I/O端口及外围设备都被放置于I/O专用空间。所有的I/O寄存器都可以通过IN与OUT指令来访问，在32个通用工作寄存器和I/O之间传输数据。地址为0X000X1F的前32个I/O寄存器还可用SBI和CBI指令直接进行位寻址，而SBIS和SBIC则用来检查某一位的值。M16系统内可编程的FLASH程序存储器ATMEGA16具有16K字节（8K字00001FFF）的在线编程FLASH，用于存放程序指令代长沙示范学校毕业设计10码。其结构具有两个主要的存储器空间应用程序存储空间和引导程序存储空间。两个空间通过对应锁定位来选择，引导区程序可用SPM指令再应用修32外部晶体振荡器接线图AGND28X18X27RESET4PD2INT011PD3INT112PD4OC1B13PD5OC1A14PB0T040PB1T141PB2AIN042PB3AIN143PB4SS44PB5MOSI1PB6MISO2PB7SCK3ADC0PA037ADC1PA136ADC2PA235ADC3PA334ADC4PA433ADC5PA532ADC6PA631ADC7PA730PC019PC120PC221PC322PC423PC524TOSC1PC625TOSC2PC726PD7TOSC216PD6ICP15AVCC27AREF29PD1TXD10PD0RXD9GND39VCC38GND6GND18VCC5VCC17C2C122F22F6MHZAGND28X18X27RESET4PD2INT011PD3INT112PD4OC1B13PD5OC1A14PB0T040PB1T141PB2AIN042PB3AIN143PB4SS44PB5MOSI1PB6MISO2PB7SCK3ADC0PA037ADC1PA136ADC2PA235ADC3PA334ADC4PA433ADC5PA532ADC6PA631ADC7PA730PC019PC120PC221PC322PC423PC524TOSC1PC625TOSC2PC726PD7TOSC216PD6ICP15AVCC27AREF29PD1TXD10PD0RXD9GND39VCC38GND6GND18VCC5VCC17VCCR41KC122F图为晶体振荡器连接图图外部RC配置长沙示范学校毕业设计114、温度传感器18B20介绍41温度传感器18B20的特性DS18B20可以程序设定912位分辨率可调，适用电压为3V5V，精度为05C。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DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为2C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。TO92、SOIC及CSP封装可选，经济型版本无EEPROM合自己的经济的测温系统。继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术长沙示范学校毕业设计12的新概念。DS18B20和DS1822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。42温度传感器18B20的基本组成说明DS1820数字温度计以9位数字量的形式反映器件的温度值。DS1820通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。因为每个DS1820都有一个独特的片序列号，所以多只DS1820可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。引脚说明16脚SSOPPR35符号说明长沙示范学校毕业设计1391GND接地82DQ数据输入/输出脚。对单线操作漏极开路73VDD可选的VDD引脚。DS1820S（16脚SSOP）所有上表中没提到的脚均接地概览图1的方框图示出了DS1820的主要部件。DS1820有三个主要数字部件1）64位激光ROM，2）温度传感器，3）非易失性温度报警触发器TH和TL。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS1820也可用外部5V电源供电。43温度传感器18B20的测温操作DS1820通过一种片上温度测量技术来测量温度。图4示出了温度测量电路的方框图。长沙示范学校毕业设计14DS1820是这样测温的用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到55）的值增加，表明所测温度大于55。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时长沙示范学校毕业设计15知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。DS1820内部对此计算的结果可提供05的分辨力。温度以16BIT带符号位扩展的二进制补码形式读出，表1给出了温度值和输出数据的关系。数据通过单线接口以串行方式传输。DS1820测温范围55125，以05递增。如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。意DS1820内温度表示值为1/2LSB，如下所示9BIT格式最高有效（符号）位被复制充满存储器中两字节温度寄存器的高MSB位，由这种“符号位扩展”产生出了示于表1的16BIT温度读数。可用下述方法获得更高的分辨力。首先，读取温度值，将05位（LSB）从读取的值中截去，这个值叫做TEMP_READ。然后读取计数器中剩余的值，这个值是门周期结束后保留下来的值（COUNT_REMAIN）。最后，我们用到在这个温度下每度的计数值（COUNT_PER_C）。用户可以用下面的公式计算实际温度值TEMPEATURETEMP_READ025COUNT_PER_CCOUNT_REMAIN/COUNT_PER_C长沙示范学校毕业设计165、基于单片机的温度报警器设计长沙示范学校毕业设计17开始读取温度值并送显示缓冲值读取上下限值否初始化端口是写、读EEPROM一个字节写EEPROM上下限设置数据读按键，返回键值按键检测和设置超上限关负载超下限开负载关负载程序流程图51硬件电路实现经分析本设计的电路原理图如下图所示长沙示范学校毕业设计18总结由于采用高效的单片机作为核心，使得此温度控制器具有精度长沙示范学校毕业设计19高，成本低，体积小，接口简单等优点，还具有良好抗干扰能力，再加上优化程序，使得本系统具有很高的实用性。在设计过程中由于时间和个人能力的限制，设计中存在一些需要改进和优化的地方。测量精度有待进一步提高，软件设计也存在不合理之处。但通过此次设计对单片机有了进一步的认识，对于单片机的一些软件的操作能力也明显提高，通过此设计，本人受益颇丰。致谢长沙示范学校毕业设计20在电子信息工程系学习期间，老师们特别是指导老师童欣老师给予了我热心的关怀和谆谆教诲，在学习和生活方面都勉励、指导我。三年来，通过学习专业知识和查阅大量的资料，我在理论方面有了很大的收获。同时在导师的指导下我的实践能力也有了飞速的提高，积累了丰富的经验，使自己在工作岗位上能迅速地将所学的知识和技能服务于社会，另外在我的论文完成的整个过程中，凝结了童欣老师的智慧和心血，童欣老师以他渊博的知识、丰富的经验和严谨的治学态度指导我顺利完成了论文。在此谨向童欣老师致以深深地谢意衷心感谢各位任课老师对我学业上的教导和帮助。给我提供了良好的学习环境以及各方面无微不至的关怀，帮助我很好的完成了学业。同时，感谢学习期间给过我帮助的同学和同事。长沙示范学校毕业设计21参考文献1文生平赵国平江剑强基于MATLAB的熔体温度控制设计研究200762王宝库多功能检测控制系统的设计2006413赵亮赵国锐单片机C语言编程与实例20034谢自美电子线路设计实验测试M华中科技大学出版社5张友德等单片微型机原理、应用和实验M电子工业出版社6吴经国等单片机应用技术M中国电力出版社7李群芳单片机微型计算机与接口技术M电子工业出版社8阉石数字电子技术基础M高等教育出版社9黄智伟全国大学生电子设计竞赛训练教程M电子工业出版社10周立功单片机实验与实践M北京航空航天大学出版社长沙示范学校毕业设计22附件原程序/温度报警系统/MCUM168MHZ内部RC震荡/2010年12月10号/18脚控制继电器负载，高电平打开，低电平关闭/脚蜂鸣器控制，长鸣为高温报警，短鸣为低温报警/宏定义INCLUDE/包含型号头文件INCLUDE/包含“位“操作头文件INCLUDE/标准输入输出头文件INCLUDEDEFINECLR_DIR_1WIREDDRD长沙示范学校毕业设计24/延时函数系统时钟8M/VOIDDELAY_1USVOID/1US延时函数ASM“NOP“VOIDDELAY_NUSUNSIGNEDINTN/NUS延时函数FORN0NASM“NOP“VOIDDELAY_1MSVOID/1MS延时函数UNSIGNEDINTIFORI0I8EEPROM_WRITE10,IIUNSIGNEDCHARH_OFFEEPROM_WRITE11,IIUNSIGNEDCHARL_ON8EEPROM_WRITE12,IIUNSIGNEDCHARL_ONEEPROM_WRITE13,I/读EEPROM上下限设置数据VOIDREADHLVOIDUNSIGNEDINTIIEEPROM_READ10II25000TIMEDISP10AR