基于单片机的温度控制系统课程设计报告书

1、单片机课程设计报告书基于单片机的温度控制系统）学院（系）：电子与信息工程学院年级专业：电子信息工程学 号：1学生：三指导教师：罗刚教师职称：教授成 绩：制作日期 2014 年 12月 20 日目录摘要1引言2第一章系统设计 21.1 设计任务 21.2 设计目的 21.3 设计思路 2第二章 硬件系统设计 42.1 系统方框图 42.2 各部分及其实现的功能 4第三章软件设计 163.1 程序流程图 163.2 温度传感器流程图程图 17第四章仿真与调试 184.1 软件电路故障与解决办法 184.2 软件调试方法 184.3 仿真后，部分显示成果 19第五章设计总结 22第六章 参考文献 2

2、3附录一 24附录二 25附录三 36基于单片机 STC89C51的温度显示系统的设计三峡学院电子与信息工程学院 12 电子信息工程（职教师资）摘要：以 AT89C51单片机为核心，的数字温度测量及自动控制系统的设计，该温度控制器可以实时显 示和设定温度，实现对温度的自动控制。其组成部分为：AT89S51单片机、 DS18B20智能数字温度传感器、 键盘与显示电路、温度控制电路。高精度的DS18B20温度传感器作为温度检测元件，LED数码管并行动态显示作为显示电路，单片机通过对信号进行相应处理，从而实现对所测温 度进行控制。当温度比设定温度小时，当温度大于等于设定温度时，控制器断开电加热设备。

3、 此外，文中还介绍了该温度控制器的软件设计部分，主要模块包括：数码管显示程序、按键处 理程序、温度信号处理程序。主程序通过调用各个上述子程序来完成所有的温度控制器功能。 在此基础上本文还提出了系统软硬件抗干扰措施和系统软硬件及整机调试方案。该温度控制器具有控制方便、简单的特点，可以实现对温度的高精度控制，并且可以提高 被控系统的技术指标。关键词 ：单片机 ；温度传感器 ；寄存器；引言随着电子技术， 特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展， 人 类生活发生了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么 可以毫不夸地说， 单片机技术的出现则是给现代工

4、业测控领域带来了一次新的技术革命。 目前， 单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、高可靠性、高性能价格比、开 发较为容易，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到 极为广泛的应用，并已走人家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪 影。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。本课题 研究的容就是以单片机 AT89c51 为主要控制元件， 通过温度传感器 DS18B20实现对温度的测量， 并通过数码管直接显示所测温度。第 1 章 系统设计1.1 设计任务（ 1）、采用 DS18B20作为温度传感器进行

5、温度检测。（ 2）、对采集温度进行显示（显示温度分辨率0.1 ）；采集温度数值应采用数字滤波措施，保证显示数据稳定。（ 3）、设计相应的温度控制电路，根据测得的温度情况对加热器进行控制，将温度保持在设定温度。（ 4）、通过按键设置温度上下限，超限通过LED、蜂鸣器报警。1.2 设计目的（ 1）、通过课程设计， 使我们能够深入理解单片机系统的工作原理，接口电路的设计及调 试方法，培养综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力。（2）、使用单片机 AT89c51 为主要控制元件， 通过温度传感器 DS18B20实现对温度的测量， 并通过 LCD1602直接显示所测温度。（ 3）、用 keil 软

6、件进行编程与调试，利用 Proteus 7 Professional 软件进行绘制硬件电 路图且进行仿真。1.3 设计思路1） 方案论证本温度控制系统的设计是使用单片机来控制， 温度传感器 DS18B20实现对温度的测量， 数 码管直接显示实现。而选择这一方法后还要进行各个芯片的选择。以下是我在这次设计中所用 的方案。（ 2） 芯片的选择采用 AT89C51芯片，其为高性能 CMOS8 位单片机，该芯片含有 4k bytes 的可反复擦写的 只读程序存储器（ PERO）M、128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）、 32 位可编程 I/O 口线、 2个 16位定时 /计数器、 6个

7、中断源、可编程串行 UART通道及低功耗空闲和掉电模式。因此， 我们选用 AT89C51。（ 3） 温度传感器模块的选择方案和论证采用温度传感器 DS18B20实现对温度的测量。（ 4） 升温模块和降温模块的选择和论证（ 5） 最终方案综上方案所述 , 对此次温度控制系统的方案选定为 : 以基于 51 单片机控制，将 DS18b20温 度传感器实时温度转化，并通过数码管对温度实行实时显示，将设定温度，通过按键调节温度 报警区域，实现对温度在0-128 控制的自动化。实验结果表明此结构完全可行，温度偏差可达 0.1 以。第 2 章 硬件系统的设计2.1 系统方框图，见图 2.1 。 根据需求，我

8、们将系统分为六个模块，信息处理模块，温度采集模块、功能按键模块、报 警电路模块， LED温度显示模，存储模块。图 2.1 系统方框图2.2 各部分及其实现的功能（1） 中央控制芯片 STC89C51STC89C51是一种低功耗、 高性能的片含有 4KB快闪可编程 / 擦除只读存储器 （ FPEROM-Flash Programmable and Eraseable Read Only Memory ）的 8 位 CMOS微控制器，使用高密度、非易 失存储技术制造，并且与 80C51 引脚和指令系统完全兼容。主要性能：与 MCS-51 微控制器产品系列兼容。 片有 4KB 可在线重复编程的快闪擦

9、写存储器；存储数据保存时间为 10年 ；宽工作电压围： Vcc 可为 2.7V 到 6V ；全静态工作： 可从 0Hz至 16MHz ； 程序存储器具有 3 级加密保护 ；128*8 位部 RAM ；32 条可编程 I/O 线 ，两个 16位定时器 /计 数器 ；中断结构具有 5 个中断源和 2 个优先级 ，可编程全双工串行通道 ，空闲状态维持低功 耗和掉电状态保存存储容。MCS51 的主要特点为： CPU为 8 位；片带振荡器，频率围为 1.212MHz；片带 128 字节的数据存储器；（ RAM）片带 4KB 的 Flash 程序存储器；（ ROM）程序存储器的寻址空间为 64KB；（需要

10、扩展 ROM）片外数据存储器的寻址空间为 64KB；（需要扩展 RAM）128位（ 16字节）用户位寻址空间；（在 128 个字节中）18 个字节特殊功能寄存器 SFR（MCS 52子系列为 21 个）；4个 8位的并行 I/O 接口： P0、P1、P2、P3； 2个优先级别的个优先级别的 5 个中断源；（高、低 2 个）有较强的位处理能力（ 2）温度传感器 DS18B20：1. DS18B20 的性能特点： 、采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它 I/O 口线与微机接口，无须 经过其它变换，直接输出被测温度值（ 9 位二进制数，含符号位）。 、测温围为 -55 -+125 ，测

11、量分辨率为 0.0625 、含 64 位经过激光修正的只读存储器 ROM 、适配各种单片机或系统机 、用户可分别设定各路温度的上、下限 含寄生电源。口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。2. DS18B20 的部结构DS18B20 部结构如图 2.2.1 所示，主要由 4 部分组成： 64 位 ROM、温度传感器、非挥发的 温度报警触发器 TH和 TL、配置寄存器。 DS18B20的管脚排列如图 2.2.2 所示， DQ为数字信号 输入输出端； GND为电源地； VDD为外接供电电源输入端 （在寄生电源接线方式时接地） 。 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B

12、20的地址序列码，每个 DS18B20的 64 位序列号均不相同。 64 位 ROM的排的循环冗余校验码（ CRC=X8 X5X41）。 ROM的作 用是使每一个 DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。图 2.2.图 2.3 DS18B20 的管脚排列3、温度值高字节高低温报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对 TH、TL 或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式如下：R1、R0决定温度转换的精度位数： R1R0=“00”， 9 位精度，最大转换时间为 93.75ms ； R1R0=“01”， 1

13、0 位精度，最大转换时间为 187.5ms；R1R0=“10”，11 位精度，最大转换时间 为 375ms； R1R0=“ 11”， 12 位精度，最大转换时间为 750ms；未编程时默认为 12 位精度。高速暂存器是一个 9 字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息；第3、4、5字节分别是 TH、 TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新；第6、7、8 字节未用，表现为全逻辑 1；第 9 字节读出的是前面所有 8 个字节的 CRC码，可用来保证通信正确。4. DS18B20 的工作时序DS18B20 的一线工作协议流程是： 初始化 ROM操作指令存储器操作指令数据传输。

14、其 工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图 2.2.3 （ a）（ b）（ c）所示。a）初始化时序b）写时序（c）读时序图 2.4 DS18B20 的工作时序图5. DS18B20 高速暂存器共 9 个存储单元，如表所示：序号寄存器名称作用序号寄存器名称0温度低字节以 16 位补码形式4配置寄存器1温度高字节存放5、6、7保留2TH/用户字节 1存放温度上限8CRC3HL/ 用户字节 2存放温度下限4.1 以 12 位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：12 位转化后得到的 12 位数据，存储在 18B20 的两个高低两个 8 位的 RAM中，二进制中的前面 5 位是符号位。如果测

15、得的温度 大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于0，这 5位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625 才能得到实际温度。高8位SSSSS625242低8位232221202-12-22-32-44.2 DS18B20 有六条控制命令，如表所示：指令约定代码操 作 说 明温度转换44H启动 DS18B20进行温度转换读暂存器BEH读暂存器 9 个字节容写暂存器4EH将数据写入暂存器的 TH、TL 字节复制暂存器48H把暂存器的 TH、 TL 字节写到 E2RAM中重新调 E2RAMB8H把 E2RAM中的 TH、TL 字节写到

16、暂存器 TH、TL 字节读电源供电方式B4H启动 DS18B20发送电源供电方式的信号给主 CPU2.3 主要电路及功能1. 单片机的复位电路及时钟电路单片机的时钟电路有 1个 12M 的晶振和两个 20PF 的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为 1 微秒。 AT89C51单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。该单片机为 51系列增强型 8位单片机，它有 32个I/O 口，片含 4K FLASH工艺的程序存储器，便于用电的方式瞬间擦除和改写，而且价格便宜，其外部晶振为12MHz，一个指令周期为 1 S。使用该单片机完全可以完成设计任务，其最小系统主

17、要包括：复位电路、震荡电路。图 2.5 单片机模块2. 显示电路四位数码管有 8位控码和 4 个段控码。数码管分共阴极和共阳极。而我们采用的是共阳极的数码管作为温度控制器的显示电路。则需要将阳极接在电源上。图 2.6 显示电路3. 温度传感器电路温度检测控制模拟电路图 DS18B20原件及其连线如图温度此传感器上显示的温度同步显示到液晶显示器上，并有加温，减温按钮。4. 存储器 AT24C02(1)AT24C02 是一个 2K位串行 CMOS E2PRO，M部含有 256个 8位字节， CATALYST公司的先 进 CMOS技术实质上减少了器件的功耗。 AT24C02 有一个 8 字节页写缓冲

18、器。该器件通过 IIC 总 线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。(2) 功能描述AT24C02支持 I2C，总线数据传送协议 I2C，总线协议规定任何将数据传送到总线的 器件作为发送器。任何从 总线接收数据的器件为接收器。 数据传送 是由产生串行时 钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收 器，但由主器件控制传送数据(发送或接收)的模式，由于A0、A1和 A2可以组成000111八种情况，即通过器件地址输入端 A0、A1和A2可以实现将最多 8个 AT24C02 器件连接到总线上，通过进行不同的配置进行选择器件。5. 温度上下限调节系统 通过按键控制键选着调

19、节对象，通过上升下降调节值大小，控制开关，升温开关，降温开 关，设置开关分别为， k1，k2，k3，开始显示的是当前温度， K1 开关，用来控制进入温度上限， 下限的调节界面。按 k1，一次进入三个界面。按 K2为加 1开关，按一下，加 1，k3减 1开关， 按一下，减 1。图 2.9 上下限调节电路7. 报警电路系统通过 LED指示灯的闪烁以及蜂鸣器的鸣叫实现报警，如果温度超过上限高温指示灯亮，蜂鸣器 鸣叫，低于下限低温指示灯亮，蜂鸣器鸣叫。图 2.10 报警电路第三章 软件系统的设计3.1 程序流程图3.3 温度传感器流程图第四章 仿真与调试4.1 软件电路故障与解决办法1. 以断点或连续

20、方式运行时，目标测试系统没有按照规定的功能进行操作或什么结果也没 有，可能是由于程序转移到意外之处或在某处死循环所造成的。2. 不响应中断 Cpu不响应中断或者是不响应某一个中断这种错误的现象是连续运行时不执 行中断程序的操作。当断点在中断入口或者中断服务程序中时碰不到断点。错误可能由中断寄 存器（ IE、IP ）的初值设置不当，使 CPU没有开放中断或者不许某个中断源请求，或者对片的定 时器、 串行口等特殊功能的寄存器和 I/O 接口程序有错误， 造成中断没有被激活。又或者某一中 断程序不是 RET指令作为返回主程序的指令， CPU虽然已经返回到主程序但部中断状态寄存器没 有被消除，从而不影

21、响中断，或者外部中断源的硬件故障使得外部中断请求无效。4.2 软件调试方法软件调试所使用的方法有：计算程序的调试方法、I/O 处理程序的调试法、综合调试法等。1、计算程序的调试方法：计算程序的错误是一种静态的固定的错误， 因此主要用单拍或者断点运行方法来调试。 根据计算程序的功能，事先准备好一组测试数据。调试时，用仿真器写命令。将命令数据写入 计算程序的缓冲单元，然后从计算程序开始运行到结束，运行结果与计算的正确数据做比较， 如果对有的测试数据进行测试没有发现错误，则该计算程序调试成功。如果发现结果不正确， 改用单步运行的方法找出错误所在。如果是计算错误，则需要修改重新设计程序，如果是局部 的

22、指令错误，修改局部程序就可以了。如果是用于测试的数据没有全部覆盖实际计算的原始数 据的类型，调试没有发现错误可能在系统运行中暴露出来。2、 I/O 接口处理程序的调试：对于A/D转换器一类的 I/O 接口处理程序是实时处理程序，因此一般用全速断点运行方 式或连续运行方法进行调试。3. 综合调试：在完成了各个程序模块的调试工作之后，就可以进行系统的综合调试。综合调试采用全速 运行或断点运行方式，这个阶段的主要工作是检测系统里面遗留的错误以及提高系统的动态性 能和精度。在综合调试阶段，应该注意系统的晶振频率工作，使系统全速运行目标程序，实现 预定功能技术指标之后，就可以将软件固化，然后在运行固化的

23、目标程序，成功后目标系统就 可以脱机运行。4.3 仿真后，部分显示成果：图 4.3 调节温度上下限4.14.2调节温度上线调节温度下线图 4.3. 显示当前温度图 4.4 温度高于温度上限，高温报警灯亮，蜂鸣器鸣叫第五章 设计总结这种温度报警器结构简单。工作时，温度测量围为0 250o。当温度达到预定值时，立刻发出报警信号，从而防止因温度升高或过低而带来的不必要的损失。 通过本次工程设计， 又 使我学到了许多书本上无法学到的知识 , 也使也深该体会到单片机技术应用领域的广泛， 不仅使 我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。在做 本次工程设计的过程中，我感

24、触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完 善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。 我们是在做单片机工程设计， 但我们不是艺术家，他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔，而我们一切都要有据可依， 有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。其次，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括： AT89C51 单片机及 其引脚说明、 ADC0808 引脚图及其引脚功能等，为本次工程设计提供了一定的资料。经过这次 的设计，为我们以后毕业设计的制作也奠定了一定的基础第六章 参考文献1 辉主编 . 单片机原理及应用 . 化学工业 .2010

25、年 8 月，第一版2 巧媛主编 .单片机原理及应用（第二版） . 电子工业， 20023 何力民编 .单片机高级教程 . 航空大学， 20004 强等. 传感器技术与应用 .高等教育， 20105 王锦标，方崇智 . 过程计算机控制 . 清华大学， 1997：36406 胡寿松 . 自动控制原理， ：国防工业， 2000：1031247 伯春.智能 PID 调节器的设计及应用、电子自动化， 1995：（3）：20258 周景润，丽娜 . 基于 proteus 的电路及单片机系统设计与仿真 M. ：航空航天大学， 20069 王忠飞，胥芳 .MCS 51 单片机原理及嵌入式系统应用 M. ：电子

26、科技大学， 200710 娜，刚，于珍珠等 .基于 51 单片机的温度测量系统 J. 微计算机信息， 2007，12附录：附录一 系统整体流程图：附录二程序代码：#include#define ui unsigned int#define uc unsigned char / 宏定义 sbit SET=P31; / 定义调整键sbit DEC=P32;/ 定义减少键sbit ADD=P33;/ 定义增加键sbit BEEP=P36;/ 定义蜂鸣器sbit ALAM=P12;/ 定义灯光报警sbit DQ =P37; sbit SCL=P16;/ 定义 DS18B20总线 I/Osbit SDA

27、=P17;sbit DIAN=P05;/ 小数点bit bdata shanshuo_st;/ 闪烁间隔标志bit bdata beep_st;/ 蜂鸣器间隔标志uc x=0;/ 计数器ui bai,shi,ge;uc set_st=0;char shangxian,xiaxian;/ 状态标志/uccodeLEDData=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff;uc codeLEDData=0x5F,0x44,0x9D,0xD5,0xC6,0xD3,0xDB,0x47,0xDF,0xD7,0xCF,0xDA, 0x9B,0

28、xDC,0x9B,0x8B;/=/=DS18B20=/*延时子程序 */void Delay_DS18B20(int num)while(num-) ;void delay()/5 ; void start() /SDA=1; delay();SCL=1; delay();SDA=0; delay();void stop() /SDA=0; delay();SCL=1; delay();SDA=1; delay();void respons()微秒延时函数开始信号终止信号/ 应答uc i;SCL=1;delay();while(SDA=1)&(i250)i+;/ 如果 SDA为低应答有效，或者

29、超过一定时间 默认应答有效SCL=0;delay();void init24c04()/I2C 总线初始化SDA=1;delay();SCL=1;delay();void write_byte(uc date)/ 写操作uc i,temp;temp=date;for(i=0;i8;i+)temp=temp1;SCL=0;delay();SDA=CY;delay();SCL=1;delay();SCL=0;delay();SDA=1;delay();uc read_byte()/ 读操作uc i,k;SCL=0;delay();SDA=1;delay();for(i=0;i8;i+)SCL=1;

30、delay(); k=(k0;i-)DQ = 0; /给脉冲信号dat=1;DQ = 1; /给脉冲信号if(DQ)dat|=0x80;Delay_DS18B20(4);return(dat);/*写一个字节*/void WriteOneChar(uc dat) uc i=0;for (i=8; i0; i-) DQ = 0;DQ = dat&0x01;Delay_DS18B20(5);DQ = 1; dat=1;/*读取温度 */ui ReadTemperature(void)ui b=0;ui t=0;ui a=0;float tt=0;Init_DS18B20();WriteOneCha

31、r(0xCC); /跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44); /启动温度转换Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器a=ReadOneChar(); /读低 8 位b=ReadOneChar(); /读高 8 位t=b;t=8;t=t|a;tt=t*0.0625;t=tt*10+0.5; / 放大 10 倍输出并四舍五入return(t);/=/=/*延时子程序 */void Delay(ui num)while( -num );/* 初始化定时器 0*/ void I

32、nitTimer(void)TMOD=0x01;TH0=0x3c;TL0=0xb0; /50ms (晶振 12M) /*读取温度 */void check_wendu(void)/ 获取温度值并减去 DS18B20的温漂误差ui f;f=ReadTemperature()-5;if(f999)f=999;bai=f/100;/ 计算得到百位数字shi=(f%100)/10; ge=(f%100)%10;/ 计算得到十位数字/ 计算得到个位数位 /* 显示开机初始化等待画面 */ void Disp_init(void)P0 = 0x80; / 显示 P2 = 0x7F; Delay(200);

33、P2 = 0xDF;Delay(200);P2 = 0xF7;Delay(200);P2 = 0xFD;Delay(200);P2 = 0xFF; / 关闭显示 /* 显示温度子程序 */void Disp_Temperature(void) / 显示温度 P0 = 0x98; / 显示 CP2 = 0x7F; Delay(400);P2 = 0xff; / 关闭显示P0=LEDDatage; / 显示个位P2 = 0xDF; Delay(400);P2 = 0xff; / 关闭显示P0 =LEDDatashi; / 显示十位DIAN = 0; / 显示小数点P2 = 0xF7;Delay(4

34、00);P2 = 0xff;/ 关闭显示P0 =LEDDatabai; / 显示百位P2 = 0xFD;Delay(400);P2 = 0xff;/ 关闭显示/* 显示报警温度子程序 */ void Disp_alarm(uc baojing) P0 =0x98;/ 显示 CP2 = 0x7F;/01111111Delay(200);P2 = 0xff;/ 关闭显示P0 =LEDDatabaojing%10; / 显示十位P2 = 0xDF;/1101Delay(200);P2= 0xff;/关闭显示P0=LEDDatabaojing/10; / 显示百位P2= 0xF7;/11110111Delay(200);P2= 0xff;/关闭显示if(set_st=1)P0 =0xCE;else if(set_st=2)P0 =0x1A; /上限 H、下限 L 标示P2 = 0xFD;关闭显示Delay(200);P2 = 0xff; /*报警子程序 */void Alarm()if(x=10)beep_st=beep_st;x=0;if(bai*10+shi)=shangxian)|(bai*10+shi)=shang