基于DS18B20的自动温控系统

1、本设计是以一个保温箱为控制对象，以 AT89C51 为控制系统核心，通过单片机系统设计实现对保温箱温度 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 AD590 对保温箱温度进行检 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，将所得的温度值和设定温度 值相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节加热器的通断，从而实现对保温箱温度 的显示和控制 。本文主要介绍了保温箱温度控制系统的工作原理和设计方法 ，论文主要由三部分构成 。 系 统整体方案设计。 硬件设计，主要包括温度检测电路、 A/D 转换电路、显示电路、键盘设计和控制电路

2、。 系统软件设计，软件的设计采用模块化设计，主要包括 A/D 转换模块、显示模块、键盘模块和控制模块等。关键词：单片机；传感器；温度检测目录绪论 1课题设计背景和目的 1国内外研究状况和发展趋势 1温度检测的主要方法2课题设计的主要内容3系统总体方案设计 4系统硬件设计方案 4芯片选择 5温度检测 5A/D 转换电路 5键盘输入 6LED 显示 6控制电路 6系统软件设计方案 6系统硬件设计 7中央处理器 73.1.1 AT89C51 简介 73.1.2 管脚说明83.1.3 特殊功能存储器10芯片擦除 title= 下一页 |3.1.5 复位电路的设计113.1.6 时钟电路设计113.2

3、温度传感器 AD590 113.3 信号调理电路133.4 温度标定143.5 A/D 转换163.6 LED 显示193.7 键盘接口223.8 控制电路234 系统软件设计254.1 程序初始化264.2 主程序 274.3 A/D 转换子程序274.4 标度转换子程序284.5 显示子程序294.6 控制子程序304.7 键盘子程序325 结论 35参考文献 363.1.10致谢 37附录 38附录 A 系统硬件原理图 38附录 B PCB板图 39单片机最小系统 PCB 板图 39调理电路、控制电路 PCB 板图 39附件附件 1、开题报告附件 2 、原文： TEMPERATURE C

4、ONTROL附件 3、译文：温度控制1 绪论课题设计背景和目的在现代化的工业生产中电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。温度作为一个基本物理量，它是一个和人们的生活环境、生产活动密切相关的重要物理量。在现代化的工业生产过程中温度作为一种常用的主要被控参数，在很多生产过程中我们需要对温度参数进行检测。例如：在冶 金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、 热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测。采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简 单和灵活性大等优点 ，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标 ，从而能够

5、大大提高产品的质量和数量 。 因 此单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题 1 。本次设计采用 MCS-51 系列单片机和各种外围电路构成单片机温度自动检测和控制系统，实现对温度的实 时检测和控制。通过本次设计掌握温度检测控制系统的硬件设计方法和软件编写方法。熟悉 Protel 软件的 使用方法。通过课题的研究进一步巩固所学的知识，同时学习课程以外的相关知识，培养综合使用知识的 能力。锻炼动手能力和实际工作能力，将所学的理论和实践结合起来。国内外研究状况和发展趋势随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步。温度测量系统主要由两部分组成，一部分是传感器，它将温度信号转

6、换为电信号。另一部分是电子装置，它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。对应于不同的温度段及测量精度要求，测温装置也不尽相同，从传感器方面看，己出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器，也有红外传感器。仪器本身也趋向小型化，多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。对于测点较多，并具有报警、巡测、控制等多功能测温装置 ，一般采用单片机电路 。目前的温度检测技术原理很多 ，大致包括以下几种 :(1) 物体热胀冷缩原理 (2) 热电效应 (3) 热阻效应 (4) 利热辐射原理。传统的温度传感器 (如,热电偶、铂电阻、双金属开关等 ) 虽然有着各自不可替代的优点 ,但

7、由于自身因自热效 应影响了测量精度 ,从而制约了它们在微型化高端电子产品中的使用 。和之相比较 ,半导体温度传感器具有灵 敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流还是频率输出 ,在相当大的温度范围内 ( - 55 150 )都和温度成线性关系 ,适合在集成电路系统中使用。目前 ,半 导体温度 | |传感器工作的温度范围还限于 - 50 150 。未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围,以及智能化、网络化等方面 2 。近年来，在温度检测技术领域中，多种新的检测原理和技术的开发使用己取得了具有实用性的重大进展。 新一代温度检测元件正在不断出现

8、和完善化， 主要包括以下几种 。(1)晶体管温度检测元件 (2) 集成电路温度 检测元件 (3) 核磁共振温度检测器 (4)热噪声温度检测器 (5) 石英晶体温度检测器 (6)光纤温度检测器 (7) 激光 温度检测器。目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器由温 度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或 其它形式的信号 ,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引 起变化的物理参数有 : 膨胀、电阻、电容、热电动势 ,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生

9、产的 发展 ,新型温度传感器还会不断出现 ,目前 ,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种: 热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪 3 。温度检测的主要方法 温度的测量方法多采用集成的半导体模拟温度传感器，传感器输出的电压或电流和温度在一定范围呈线性 关系。通过放大，采样得到被测量。另一种温度测量方法是使用热电偶，其测量精度较高，但测试过程复 杂，测量时间长，而且采用电桥测量的系统抗干扰能力较差，误差较大。随着集成电路技术的迅速发展，新型的数字化温度传感器其精度、稳定性、可靠性及抗干扰能力都优于模拟的温度传感器。数字温度传 感器也越来越的到广泛的使用

10、4 。温度检测的方法根据敏感元件和被测介质接触和否，可以分为接触式和非接触式两大类。接触式检测的方 法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表；基于热电效应的热电偶温度检测仪表。非 接触式检测方法是利用物体的热辐射特性和温度之间的对应关系 ，对物体的温度进行检测 ，主要有亮度法、 全辐射法和比色法等。接触式测温是使测温敏感元件和被测介质接触，当被测介质和感温元件达到热平衡 时，感温元件和被测介质的温度相等。这类传感器结构简单、性能可靠、精度高、稳定性好、价格低、使 用十分广泛，因此，本方案采用接触式测温法，选用相关类型的传感器。由单片机组成的温度测控系统 ,通过在单片机外部添加各种

11、接口电路，可构成单片机最小系统，用以实现对 温度控制对象的温度的显示和控制。同时也能根据实际情况实现多路巡回检测、数据处理、报警及记录 ,对各个参数以一定的周期进行检查和测量,检测的结果经计算机处理后再进行显示 、打印和报警 , 以提醒操作人员注意或直接用于生产控制 5 。课题设计的主要内容本温度控制系统是一个闭环反馈控制系统，它用温度传感器将检测到的温度信号经放大，AD 转换后送入单片机中进行数据处理并显示当前温度值，用当前温度值和设定温度值进行比较6 。根据比较的结果得到控制信号用以控制继电器的通断，实现对加热器的控制。通过这种控制方式实现对保温箱的温度控制。本 课题设计的内容主要包括硬件

12、设计和软件设计两部分。系统功能由硬件和软件两大部分协调完成, 硬件部分主要完成主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行等电路的设计。软件程序编写主要用来实现 对温度的检测、标度转换、 LED 显示、继电器控制等数据处理功能。2 系统总体方案设计本次设计采用 MCS-51 单片机作为控制芯片，采用半导体集成温度传感器AD590 采集温度信号。通过温度传感器将采集的温度信号转换成和之相对应的电信号，经过放大处理送入A/D 转换器进行 A/D 转换，将模拟信号转换成数字信号送入到控制芯片进行数据处理。通| |过在芯片外围添加显示、控制等外围电路来实现对保温箱温度的实时检测和控制功能。本系统功能

13、由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成传感器信号的采集处理,信息的显示等 ;软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控制等功能。系统结构框图如图 2.1 所示：图 2.1 系统结构框图系统硬件设计方案 单片机使用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置，即按照系统功能 要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、 A/D 转换器、设计合适的接口电路等。系统设计应本着以 下原则：尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。本设计采用了典型的显示电路、 A/D 转化电路，为硬 件系统的标准化、模块化打下良好的基础。硬件结构应结合使用软件方案一并考虑。软件能实现的功能

14、尽可能由软件实现，以简化硬件结构。由 软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用 CPU 时间。由于本设计的响应时间要求不高， 所以有一些功能可以用软件编程实现，如键盘的去抖动问题。系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分，从功能模块上来分有主机电路、数据采集电路、键盘显 示电路、控制执行电路。系统硬件包括：温度传感器、信号调理电路、A D转换器件、 MCS-51 单片机、键盘输入、 LED 温度显示器、温度控制电路。芯片选择单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微型计算机，

15、简称单片机。单片机以其较高的性能价格比受到了人们的重视和关注。它的优点就是体积小、重量轻、抗干扰能力强、 对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。单片机根据其基本操作处理的位数可 分为 4、8 、16、32 位单片机，使用最为广泛的是八位单片机。根据本次设计的实际情况和要求，在本次 设计中采用 AT89C51 作为系统的控制芯片。 AT89C51 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 4K 的系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，和工业 80C51 产品指 令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统

16、可编程，亦适于常规编程器。温度检测本课题设计的温度控制范围为 25-80 摄氏度 ，温度传感器采用采用 AD590 半导体集成温度传感器 。A/D590 具有较高的精度和重复性，不需辅助电源，线性好，使用方便，便于微机系统测控。被测温度信号为一路 由 AD590 测得的代表温度的电压信号，经温度调理电路放大后使其在 0-5V 范围内，使其适合于 A/D 转换 器的输入电压范围。A/D 转换电路A/D 转换电路的种类很多，例如，计数比较型、逐次逼近型、双积分型等等。选择 A/D 转换器件主要从转换速度、精度和价格上考虑。逐次逼近型 A/D 转换器，在精度、速度和价格上都比较适中，是最常用的 A/

17、D转换器。双积分 A/D 转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，但转换速度慢。近年来在微机使用领域中也得到了广泛的使用。本次设计采用八路模拟输入通道的逐次逼近型的八位 A/D 转换器ADC0809 。采用 ADC0809 作为和单片机的接口电路，它的结构比较简单，转换速度较高。采用 ADC0809作为 A/D 转换器具有和单片机连接简单的优点，它是八位的转换器可以和八位的单片机直接连接，这样就简化了系统的连接电路也有利于系统软件的编写。键盘输入键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘，键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现，并产生键编号和键值的称为编码式键盘；靠软件识别的为非编码式键盘。

18、在单片机组成的测控系统中，用得最多的是非编 码键盘。在这里采用的就是非编码式键盘。键盘的连接方式采用独立连接式，这种连接方式能够简化程序 的| |编写。LED 显示在单片机使用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（ LCD）。采用 LED 作为系统的数据显示器具有价格低、性能稳定和响应速度快等特点。LED 显示方式有静态显示、动态显示和串口显示。为了节省系统本身的硬件资源，在这里 LED 的显示方式采用串行静态显示方式。利用串口可以 工作在移位寄存器方式，驱动 LED 静态显示。这样就可以充分的利用并行口，并将并行口用到最需要的地 方去，同时主程序不需要扫描显示器，使

19、它有更多的时间处理其他事情。这种显示方法用于显示位数少、 显示亮度大的地方能够达到很好的显示效果。控制电路控制电路作为单片机系统的后向通道，他是将单片机处理后的数字控制信号用输出口输出，并将该数字信号用于对控制对象的控制。由于单片机的输出信号电平很低，无法直接驱动外围设备进行工作，因此在单片机的后向通道中需要外围设备的驱动、信号电平的转换以及隔离放大等技术。本次设计采用继电器作为 控制电路的主要器件，通过继电器可以实现直流信号控制交流负载的功能，从而实现单片机系统的控制功 能。2.2 系统软件设计方案系统的软件设计采用模块化设计，采用模块化设计可以简化系统软件的编写，使软件编写思路更加简单明了

20、。系统软件主要由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。主程序模块用于实现各 个子程序间的跳转。功能实现模块主要由 A/D 转换子程序、键盘处理子程序、显示子程序、继电器控制程 序等部分组成。运算控制模块涉及标度转换子程序等。系统硬件设计中央处理器MCS-51 系列单片机是 8 位增强型，其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线和具有多级 识别功能的串行通讯接口（ UART），规范了功能单元的 SFR 控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统 和指令系统。属于这类单片机的芯片有许多种，如 8051 、8031 、80C51 等等。由于单片机具有较高的性 能比，国内 MCS

21、-51 系列单片机使用最广，易于开发、使用灵活、而且体积小、易于开发、抗干扰能力强， 可以工作于各种恶劣的条件下，工作稳定等特点。本设计本着实用性和适用性的要求，选择 AT89C51 单片 机作为中央处理器。AT89C51 简介AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的具有低电压，高性能 CMOS 的 8 位微处理器， 俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，和工业标准的 MCS-51 指令集和输出 管脚相兼容。由于将多功能 8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL的 AT89C51 是一种高效微 控制器，为很多嵌入式控制系统提供了

22、一种灵活性高且价廉的方案 。如图 3.1 为 AT89C51 的内部结构框图 。图 3.1AT89C51 的内部结构框图AT89C51 单片机和 MCS-51 系列单片机兼容 , AT89C51 内部有 4K 字节可编程闪烁存储器 , 128*8 位内部 RAM,两个 16位定时器 /计数器, 5 个中断源 , 32可编程 I/O 线及串行通道 。闪烁存储器是一种可编程又可擦 除只读存储器 （EEPROM），给用户设计单片机系统和单片机系统带来很大的方便，深受广大用户的欢迎。AT89C51 有片内振荡器和时钟电路 ,具有低功耗的闲置和掉电模式 ,在空闲方式下， CPU 停止工作，但允许 内部

23、RAM、定时器 /计数器、串行口和中断系统继续工作。在掉电方式下，能保存RAM 的内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其他部件工作。还具有三级程序存储器锁定 , 全静态工作频率 0Hz-24Hz, 数据保留时间可长达 10 年。管脚说明如图 3.2 为 AT89C51 引脚图 ,各引脚功能说明如下 7: VCC: 电源 GND: 地 P0口 ： P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低 8位地址 /数据复用。在这种模式 | |下，P0 具有内部上拉

24、电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。图 3.2 AT89C51 引脚图 P1口 ： P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 对 P1 端口写 “ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低 的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL ）。此外， P1.0 和 P1.2 分别作定时器 /计数器 2 的外部计数 输入（ P1.0/T2 ）和时器 /计数器 2 的触发输入（ P1.1/T2EX ） P2口

25、：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 对 P2 端口写 “ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低 的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL ）。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存 储器（例如执行 MOVX DPTR）时， P2 口送出高八位地址。在这种使用中， P2 口使用很强的内部上拉 发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时， P2 口输出 P2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时， P2 口也接收高 8 位

26、地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，对 P3 端口写 “ 1时”，内部上拉电阻把端口 拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流IIL ）。 P3 口亦作为 AT89C51 特殊功能（第二功能）使用，如表 3-1 所示表 3-1 AT89C51 引脚号第二功能P3.0RXD （串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2INT0 （外部中断 0）P3.3INT0 （外部中断 0）P3.4T0（定时器 0 外部输入）P3.5T1（定时器 1 外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P

27、3.7RD（外部数据存储器读选通） RST: 复位输入，晶振工作时， RST脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址 8EH） 上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存控制信号 （ ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（ PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下， ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉 冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时

28、， ALE 脉冲将会 跳过。如果需要，通过将地址为 8EH 的 SFR的第 0 位置“1”，ALE 操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效。否则， ALE 将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN外: 部程序存储器选通信号（ PSEN）是外部程序存储器选通信号。当 AT89C51 从外部程序存储器执行外部代码时， PSEN 在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN 将不被激活。 EA/VPP访: 问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H

29、 到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令， EA 必须接 GND。为了执行内部程序指令， EA应该接 VCC。在 flash 编程期间， EA也接收 12 伏 VPP电压。 XTAL1振: 荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2振: 荡器反相放大器的输出端。特殊功能存储器在单片机内高 128B RAM 中，由有 21 个特殊功能寄存器（ AFR），它们离散的分布在 80H-FFH 的 RAM 空 间中，访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。表 3-2 为 AT89C51 单片机特殊功能寄存器及其相应 地址7 。表 3-2 专用寄存器名称，功能及对应的 RAM 地址名称简单描述地址ACC累加器（专门用于存储算术和逻辑运算的结果）0E0HBB 寄存器（专门用于乘 /除法运算）0F0HPSW程序状态寄存器0D0HSP推栈指针寄存器81HDPTR16 位数据指针寄存器。 CPU 访问外部 RAM 时地址指针，由两个 8 位寄存器 DPH （83H ）、 DPL （ 82H ）组成且可单独访问。P0端口 0 状态寄存器（初始值为 0FFH ）80HP1端口 1 状态寄存器（初始值为 0FFH ）90HP2端口 2 状态寄存器（初始值为 0FFH ）0A0HP3端口 3 状态寄存器（初始值为 0FFH ）0B0HIP中断优先级控制寄存器0B8HIE中断允许控制寄存器0