论文基于单片机温度控制系统

池州学院继续教育学院成人学生毕业论文题目基于单片机温度控制系统专业电子信息科学与技术班级层次专升本学习形式学生姓名学号指导老师时间摘要根据我所在水泥企业提供的条件，本设计是以STC89C51为控制系统核心，基于DS18B20的温度控制系统，通过单片机系统设计实现对温度的显示和控制功能。本温度控制系统是一个闭环反馈调节系统，由温度传感器对外界温度进行检测，经过调理电路得到合适的电压信号。经A/D转换芯片得到相应的温度值，将所得的温度值与设定温度值相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节，从而实现对温度的显示和控制。本文主要介绍了温度控制系统的工作原理和设计方法，主要由三部分构成系统整体方案设计。硬件设计，主要包括温度检测电路、显示电路、键盘设计和控制电路、报警电路。系统软件设计，软件的设计采用模块化设计，主要包括显示模块、键盘模块和控制模块等。关键词单片机；温度传感器；温度检测，DS18B20ABSTRACTACCORDINGTOMYCONDITIONSPROVIDEDBYTHECEMENTENTERPRISESTHISDESIGNISTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMBASEDONDS18B20,STC89C51ASCORECONTROLSYSTEM,THROUGHTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEMDESIGNTOACHIEVETHETEMPERATUREDISPLAYANDCONTROLFUNCTIONSTHISTEMPERATURECONTROLSYSTEMISACLOSEDLOOPFEEDBACKCONTROLSYSTEM,BYTHETEMPERATURESENSORTOTESTTHEOUTSIDETEMPERATURE,THROUGHTHEMODULATIONCIRCUITTOGETTHERIGHTVOLTAGESIGNALBYTHEA/DTRANSFORMATIONCHIPTOGETTHECORRESPONDINGTEMPERATUREVALUE,SETTHETEMPERATUREVALUEANDTEMPERATUREVALUEISCOMPAREDTOGETDEVIATIONTHROUGHTOTHEDEVIATIONSIGNALPROCESSINGGAINCONTROLSIGNAL,TOADJUST,SOASTOREALIZETHETEMPERATUREDISPLAYANDCONTROLTHISPAPERMAINLYINTRODUCESTHEWORKINGPRINCIPLEANDDESIGNMETHODOFTEMPERATURECONTROLSYSTEMMAINLYCONSISTSOFTHREEPARTS1THESYSTEMOVERALLSCHEMEDESIGN2THEHARDWAREDESIGNMAINLYINCLUDESTHETEMPERATUREDETECTIONCIRCUIT,DISPLAYCIRCUIT,KEYBOARDDESIGNANDCONTROLCIRCUIT,ALARMCIRCUIT3THESYSTEMSOFTWAREDESIGN,THEDESIGNOFSOFTWAREADOPTSMODULARDESIGN,MAINLYINCLUDESTHEDISPLAYMODULE,KEYBOARDMODULEANDCONTROLMODULE,ETCKEYWORDSSTC89C51MICROCONTROLLERTEMPERATURESENSORTEMPERATUREDETECTIONDS18B20引言因我在水泥企业工作，温度控制不仅对产品质量至关重要而且还是重要设备保护连锁。例如高压电机定子温度，变频器温度等。在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型。采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。1系统总体设计11系统设计方案本次设计主要以硬件为主附带软件的方案。以DS18B20作为温度传感检测元件，控制模块以STC89C51系列单片机是从引脚到内核都是完全兼容标准8051单片机，选用光电耦合器，双向可控硅和功率电阻组成可以与单片机端口和市电连接大功率工作的设备，以供风扇与加热器的正常工作。本设计采用基于STC89C51单片机与DS18B20温度传感器、加热制冷部分构成机箱监控系统硬件设计，其整体框架图如下图1所示，其软件流程如图2所示外接温度采集模块STC89C51单片机高低温报警温度按键系统数码管显示温度温度是否过高温度是否过低开风扇，低温报警闪烁开加热器，高温报警闪烁图1系统设计方案框架主程序调入按键扫描程序调入设置DS18B20温度报警值程序调入读取温度程序判断DS18B20是否正常调入按键扫描程序调入数码管温度显示程序空操作否是判断HI_ALARM和LO_ALARM是否为1保持否报警并驱动后级电路操作是图2软件流程2硬件电路设计及工作原理21参数采集模块设计211温度传感器DS18B20芯片介绍与运用DS18B20是数字温度传感器芯片，具有结构简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用方便等优点。可以在三根线上同时并联多个温度传感器，每台分机上可以连接多根电缆，每根电缆上可以并联几十个点，构成串行总线工作方式。由于18B20芯片送出的温度信号是数字信号，因此简化了A/D转换的设计，提高了测量效率和精度；并且芯片的ROM中存有其唯一标识码，即不存在相同标识码的DS18B20，特别适合与微处理芯片构成多点温度测控系统。DS18B20的性能特点1适用电压范围3055V；2测温范围55125,精度为05；3无须外部器件，独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；4多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；5零待机功耗；6用户可定义的EEPROM,设定的报警温度存在非易失存储器中；7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；8可编程的分辨率12位，对应的可分辨温度分别为05、025、0125和00625；9负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。引脚定义及分布如图3所示1DQ为数字信号输入/输出端；2GND为电源地；3VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图3DS18B20引脚分布图DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图4所示。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，则温度寄存器的值增加，表明温度大于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，如果门周期未结束，将重复这一过程。图4DS18B20测温原理图对应的温度计算当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，直接将二进制位转换为十进制；当S1时，测得的温度值为负值，先将补码变为原码，再计算十进制值。如表1所示表1DS18B20温度值格式表温度/二进制表示十六进制表示125000001111101000007D0H8500000101010100000550H25062500000001100100010191H10125000000001010001000A2H0500000000000010000008H000000000000000000000H051111111111111000FFF8H101251111111101011110FF5EH2506251111111001101111FE6FH551111110010010000FC90HDS18B20与单片机的接口电路DS18B20可以采用电源供电方式如图5所示，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接5V电源。此设计DS18B20的I/O接在P1端口P17，电源与数字输入输出脚间需要接一个47K电阻。图5DS18B20与单片机的接口当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10US。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。22执行动作模块设计与MOC3081的简介当传感器把数据传送给单片机后，单片机把信号发送给执行动作模块，让其做出相应的开启关闭空调或加热器的动作，这个模块部分接的是220V的电压，所以还必须用到光电双向可控硅MOC3081对电路进行保护隔离。其电路图如图6所示STC89C51单片机162MOC3081534162MOC3081534风扇加热管220V220V5V图6执行动作模块结构框图（一）MOC3081的内部结构和外形图如图7所示图7MOC3081内部结构及外形图（二）MOC3081的性能特点1适用最大电压范围800V，耐压高，安全可靠；2工作温度范围40100；36引脚交叉光隔离器TRIAC驱动输出电压峰4输入端正向电流最大值为50MA；反向电压为6V5输出端正向电流最大值为12A，耐压800V6过零点触发7绝缘电压可达7500VMOC3081是美国摩托罗拉公司最新光电器件，它可以用直流低电压，小电流控制交流高电压，大电流。光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。23具体硬件电路原理分析231单片机模块本设计对数据的处理速度以及存储空间的要求不高，一般的内置的闪存都能满足，而STC89C51芯片存储空间更大能够在线擦写程序的优点，在运用和软件调试时更方便，且自带的下载版上的数码管和按键也能对当前的温度分别进行显示和控制，STC89C51是一款八位，片内有4K在线可重复编程擦去写入程序的ROM/EPROM的单片机，其硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。这种芯片构成的最小系统简单、实用可靠。用STC89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如下图8所示。本设计所选用的晶振为12MHZ，晶振电容为30PF。I/O引脚有四个口，共32根I/O线。包括P0，P1，P2，P3，其中P2P0组成16位数据总线，P2高位，P0还可以复用为八位数据总线，P0，P1，P2可做普通接口，其中P3端口第二功能如表2所示图8单片机模块及端口说明该部分硬件是单片机模块，用来处理C51程序，控制后级的驱动电路和数码的显示部分表2P3端口功能232单片机与报警电路系统中的报警电路是有三极管，蜂鸣器，发光二极管和限流电阻组成，并与STC89C51的P10P13端口连接。P1接收低八位地址数据，如图9所示图9报警电路233按键模块按键输入原理在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与单片机相连。单片机可以采用查询或中断方式了解有无将键输入，并检查是哪一个键按下，将该键号送入累加器ACC，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。独立式按键单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图所示独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。下图中按键的输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当I/O内部有上拉电阻时，外电路可不接上拉电阻。其P30，P31,P32,P33,接口接按键模块。如图10所示图10单个按键电路说明该硬件电路是按键的部分，主要是用来调整系统内部已经定好的上下限温度报警的值。234后级驱动模块该电路通过单片机的控制来达到DS18B20在设定的温度范围内工作。当温度高于上限报警温度，单片机给P12低电平，驱动风扇工作；当温度低于下限报警温度，单片机给P13低电平，驱动加热棒工作。如图11所示图1124用户自行控制温度和显示温度模块介绍241当前温度显示部分介绍LED数码管的结构及原理由8段发光二极管组成。其中7段组成“8”字，1段组成小数点。通过不同的组合，可用来显示数字09、字母AF及符号“”。LED数码管有共阴极和共阳极两种结构。而本次采用共阳极，将公共端接到5V，当某一字段发光二极管阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。因此改变I/O输出代码即可控制发光二极管亮和暗。如图12所示图12如下图13所示，是基于DS18B20温度控制系统显示部分的的设计框图，该图能清楚明了了让我们知道该系统硬件的基本连接方法。P27P26P25P24P23P22STC89C51P30P31P32P33数码管上限温度下限温度DALLAS公司生产的数字温度传感器芯片，具有结构简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用方便等优点。可以在三根线上同时并联多个温度传感器，每台分机上可以连接多根电缆，每根电缆上可以并联几十个点，构成串行总线工作方式。由于18B20芯片送出的温度信号是数字信号，因此简化了A/D转换的设计，提高了测量效率和精度；并且芯片的ROM中存有其唯一标识码，即不存在相同标识码的DS18B20，特别适合与微处理芯片构成多点温度测控系统。温度当前温度按键P30进入上下限温度设置按键加减上下限温度图13数码管显示温度示意框图242按键控制调节上下限报警限温度说明上图13中的P30到P33时对上下限报警温度调节端口，其中P30是设置是否进入上下限温度调节端口；P31端口是控制调节上限报警温度还是调节下限报警温度；P32和P33分别是加减控制端口。3硬件调试31硬件整体测试311电路问题分析1调试硬件电路时。用万用表测试所有芯片的电源和地是否确实接电源和接地了，测试各个芯片是否处于正常的工作电压，并测试电路是否有短路、断路、虚焊，有无接错线，同时要特别注意过孔是否连接正确。2硬件电路通电时，注意用手背触摸下芯