单片机温度控制系设计

单片微机控制课程设计单片机温度控制系统设计题 目 温度测控系统设计学 院 工学院专 业 2014级农业电气化及其自动化学 号姓 名指导教师2017年6月目录1.设计要求.............................................................................................................................................32.工作原理.............................................................................................................................................43.方案设计.............................................................................................................................................43.1温度采集......................................................................................................................................43.2主控制方案..................................................................................................................................53.3各单元的设计..............................................................................................................................93.3.1度控制及超温和超温警报单元..............................................................................................93.3.2测试单元................................................................................................................................103.3.3温度控制器件电路................................................................................................................103.3.4输出部分................................................................................................................................114.程序设计（见附录）.......................................................................................................................115总结...................................................................................................................................................11参考文献...............................................................................................................................................12附录二硬件设计...................................................................................................................................182温度采集控制摘要：本设计以 AT89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片 DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路、 PC机与单片机串口通讯电路和一些接口电路 。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的；软件设计部分，采用模块化结构，主要模块有：主程序、液晶显示程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、超温报警程序。关键词：AT89S51单片机DS18B20温度芯片 温度控制前言近四十年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模集成电路这样四个阶段，尤其是随着半导体集成技术的飞跃发展，七十年代初诞生了一代新型的电子计算机——微型计算机，使得计算机应用日益广泛；而单片微型计算机的问世，则更进一步推动了这一发展趋势，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度。一个由微电子技术为先导，计算机技术为标志，包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多种学科在内的新技术革命正在兴起。在国内，由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、和价格低廉等独特优点，因此，在智能仪器仪表、工业自动控制、计算机智能终端、家用电器、儿童玩具等许多方面，都已得到了很好的应用，因而受到人们高度重视，取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景。 。设计要求1.实时温度采集2.温度连续可调，范围为 25℃-50℃温度超限报警3工作原理温度传感器DS18B20从设备环境的不同位置采集温度，单片机 AT89S51获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。当采集的温度经处理后超过设定温度的上限或下限时，触发报警装置报。通过按键调节温度的自加自减。方案设计3.1温度采集DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按 9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚 TO-92小体积封装形式，温度测量范围－ 55～＋125℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达 0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上， CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。综上，在本系统中我采用温度芯片 DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于 1摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。4温度采集芯片3.2主控制方案AT89S51是一个低功耗，高性能 CMOS8位单片机，片内含 8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash 片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（ RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（ WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。由于系统控制方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和成本等因素,因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控芯片。主控模块采用单片机最小系统是由于AT89S51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为0～24MHz,并且价格低廉,批量价在10元以内。其主要功能特性：兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写(>1000次）ISPFlashROM32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压52个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz全双工UART串行中断口线128x8bit内部RAM2个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式3级加密位看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针可以看出AT89S51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。同时,AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式何在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。AT89S51引角功能说明Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向 I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动 8个TTL逻辑门电路，对端口写“ 1”可作为高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。P1口第二功能端 口 第二功能引脚P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）6P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的 8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动 4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问８位地址的外部数据存储器（如执行： MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。 Flash 编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。）P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的 8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对 P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。端口功第二功能端口引第二功能能脚RXD（P3.0）串行输入T0定时/计数器0外口（P3.4）部输入TXD（P3.1）串行输出T1定时/计数器1外口（P3.5）部输入INT0外中断0WR外部数据存储器（P3.2）（P3.6）写选通INT1外中断1RD外部数据存储器（P3.3）（P3.7）读选通RST：复位输入。当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。WDT益出将使该引脚输出高电平，设置 SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8位字节。即使不访问外部存储器， ALE仍以时钟振荡频率的 1/6输出的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目地，要注意的是：第当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位禁位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚伎被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89S51由7外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，高有两次有效的 PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU公访问外部程序存储器（地址 0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时,该引脚加上＋12V的编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。AT89S51单片机内部构造及功能：特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的片内空间分存如下图 3-2所示。这些地址并没有全部占用，没有占用的地址不可使用，读这些地址将得到一个随意的数值。而写这些地址单元将不能得到预期的结果。中断寄存器：各中断允许控制位于 IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。双时钟指针寄存器：为方便地访问内部和外部数据存储器，提供了两个 16位数据指针寄存储器：PD0位于SFR区块中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，当SFR中的位DPS=0时选择DP0,而DPS=1时选择DP1。在使用前初始化DPS。电源空闲标志：电源空闲标志（ POF）在特殊功能寄存储器 SFR中PCON的第4位（PCON.4）,电源打开时POF置“1”,它可由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。存储器结构：MCS-51单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构， 均具有64KB外部程序和数据的寻址空间。程序存储器：如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。在AT89S51,假如接至Vcc（电源＋），程序首先执行从地址0000H－0FFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000H－FFFFH（60KB）的外部程序存储器。数据存储器：在 AT89S51的具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行， 128字节均可设置为堆栈区空间。看门狗定时器（WDT）：WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看狗复位SFR（WDTRST）构成。外部复位时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，必按顺序将01H和0E1H写到WDTRST寄存器，当启动了WDT，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关8闭WDT，当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。AT89S51单片机引脚图3.3各单元的设计3.3.1度控制及超温和超温警报单元当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通过 P1.4输出控制信号驱动三极管D1，使继电器K1开启降温设备(压缩制冷设备)：当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过P1.5输出控制信号驱动三极管D2，使继电器K2开启升温设备( 加热器1)。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。具体电路连接如下图所示 。93.3.2测试单元采用温度芯片 DS18B20。使用集成芯片，能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，简化电路的结构.3.3.3温度控制器件电路单片机通过三极管控制继电器的通断，最后达到控制电热器的目的。当温度未达到要求时，单片机发送高电平信号使三极管饱和导通，继电器使电源与电热器接通，电热器加热。温度慢慢升高。当温度上升到预定温度时，单片机发送低电平信号三极管进入截止状态，继电器的弹片打到另一侧，使电热器与电源断开，电热器停止加热。继电器电路中有一个三极管 8050的保护电路，即将一个二极管反向接到三机管的两端。连接方法如下图所示。10单片机控制信号其原理是：当继电器突然断电时，继电器产生很大的反向电流。二极管的作用是将反向电流分流，使流过三级管 8050的电流比较小，达到保护三极管 8050的作用。3.3.4输出部分使用液晶屏输出。程序设计（见附录）总结在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范11围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。在论文中简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。 本系统的测温范围为 25℃～50℃，温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一定范围的温度控制。89S51的时钟最高可达12M，I/O口可达32个，高的时钟频率和丰富的 I/O，都为我们实现电路功能提供了非常有利的条件。同时也因为开发环境友好，易用，方便，大大加快本系统设计开发。本设计模拟温度控制和显示系统的设计。完成的主要任务有：（1）硬件设计。在本文中，系统实现了硬件设计，共有核心控制器，温度检测模块，键盘模块，多个模块模块温度显示和报警。如附录A所示（2）软件设计。软件设计是基于每个模块的硬件，对应于该模块的软件设计的流程图的电路图上，并且该程序被编译。（3）PROTEUS仿真。除了涉及在硬件和软件的设计， 也利用温度调整Proteus软件系统参与和问题表明温度采集和显示一个模拟两部分组成。硬件设计仍有很大的拓展空间。例如，一个温度检测模块可使用热电阻，转换器，用于A/D转换采集温度，这样可以有效地提高的温度范围，该温度大于电梯空间。同样，采用的液晶屏温度显示模块，能够加大检测设备的时钟模块时间和效率。参考文献张毅刚，彭喜元，彭宇编著.-2版.-北京：高等教育出版社，2010.5于海生编著.-2版.-北京:清华大学出版社，2009.9吴友宇．模拟电子技术基础．北京.高教出版社，2001年康华光．电子技术基础（模拟部分）（第四版）．北京：高等教育出版社，1999李万臣．模拟电子技术基础与课程设计．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001.3胡宴如．模拟电子技术．.北京：高等教育出版社，2000沈尚贤．电子技术导论（下册）．北京：高等教育出版社，1986年李建兵周长林.Multisim与Protel的应用.北京.国防工业出版社.2009年12附录一 程序设计头文件:#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitDQ=P3^2;//ds18b20与单片机连接口sbitRS=P1^0;//寄存器选择位，将RS位定义为P1.0引脚sbitRW=P1^1;//读写选择位，将RW位定义为P1.1引脚sbitEN=P1^2;//使能信号位，将E位定义为P2.2引脚sbitzeng=P3^4;//将设定值增加按钮定义为p3.4sbitjian=P3^5;// 将设定值减少按钮定义为 p3.5sbitbeep=P1^5;// 将蜂鸣器定义为p1.5sbithigh=P2^7;// 温度超上限报警定义为 p2.7sbitlow=P2^6;// 温度超下限报警定义为 p2.6sbitstate=P2^5;// 继电器动作指示灯sbitJDQ=P1^4;// 继电器接口unsignedcharcodestr1[]={"temperature"};// 说明显示的是温度unsignedcharcodestr2[]={" "};// 定义字符数组显示数字bitflag;//储存DS18B20是否存在的标志，flag=0，表示存在；flag=1，表示不存在uchardatadisdata[5];uinttvalue;// 温度值uchartflag;// 温度正负标志uintsetvalue;// 设置温度/*************************lcd1602 程序**************************/voiddelay1ms(unsignedintms)// 延时一毫秒的函数{unsignedinti,j;for(i=0;i<ms;i++)for(j=0;j<100;j++);}voidwr_com(unsignedcharcom)// 延时若干毫秒的函数{delay1ms(1);RS=0;//// 根据规定，RS和RW同时为低电平时，可以写入指令RW=0;EN=0;//E 置低电平,写指令时，E为高脉冲，就是让E从0到1发生正跳变，所以应先置"0"P0=com;delay1ms(1);EN=1;delay1ms(1);EN=0;}13voidwr_dat(unsignedchardat)// 写数据//{RS=1;//RS 为高电平，RW为低电平时，可以写入数据RW=0;EN=0;P0=dat;//将数据送入P0口，即将数据写入液晶模块delay1ms(1);//延时给硬件反应时间EN=1;//E 置高电平delay1ms(1);EN=0;// 当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令}voidlcd_init()// 初始化设置//{delay1ms(15);// 延时15ms，首次写指令时应给 LCD一段较长的反应时间wr_com(0x38);delay1ms(5);// 显示模式设置：16×2显示，5×7点阵，8位数据接口wr_com(0x08);delay1ms(5);//led 的显示地址是0x80wr_com(0x01);delay1ms(5);// 清屏幕指令，将以前的显示内容清除wr_com(0x06);delay1ms(5);// 显示模式设置：光标右移，字符不移wr_com(0x0c);delay1ms(5);// 显示模式设置：显示开，无光标，光标不闪烁}voiddisplay(unsignedchar*p)// 显示//{while(*p!='\0')// 只要没有写到结束标志，就继续写{wr_dat(*p);// 将字符常量写入LCDp++;// 指向下一个字符delay1ms(1);}}init_play()// 初始化显示{lcd_init();wr_com(0x80);display(str1);wr_com(0xc0);display(str2);}/*********************ds18b20 程序***********************/voiddelay_18B20(unsignedinti){while(i--);}voidds1820rst()//ds18b20 复位//{unsignedcharx=0;14DQ=1;//DQ置位delay_18B20(4);//延时DQ=0;//DQ拉低delay_18B20(100);//精确延时大于480usDQ=1;//拉高delay_18B20(40);}uchards1820rd()// 读数据//{unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;//单片机从DS18B20读书据时,将数据线从高拉低即启动读时序dat>>=1;// 将数据右移了一位DQ=1;// 将数据线"人为"拉高,为单片机检测DS18B20的输出电平作准备if(DQ)dat|=0x80;// 如果读到的数据是 1，则将1存入datdelay_18B20(10);// 延时，两个读时序之间必须有大于 1us的恢复期}return(dat);}voidds1820wr(ucharwdata)// 写数据//{unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;//将数据线从高拉低时即启动写时序DQ=wdata&0x01;// 利用与运算取出要写的某位二进制数据 ,// 并将其送到数据线上等待 DS18B20采样delay_18B20(10);// 延时DS18B20在拉低后的约15~60us期间从数据线上采样DQ=1;// 释放数据线wdata>>=1;// 将dat中的各二进制位数据右移 1位}}voidkey_trans()interrupt2{flag=1;}read_temp()/*读取温度值并转换*/{uchara,b;ds1820rst();ds1820wr(0xcc);//* 跳过读序列号*/ds1820wr(0x44);//* 启动温度转换*/ds1820rst();ds1820wr(0xcc);//* 跳过读序列号*/ds1820wr(0xbe);// 读取温度寄存器,前两个分别是温度的低位和高位a=ds1820rd();// 存低字节15b=ds1820rd();// 存高字节tvalue=b;tvalue<<=8;// 高字节转换为十进制tvalue=tvalue|a;if(tvalue>0x0&&tvalue<0x032){tflag=0;}tvalue=tvalue*(0.625);// 温度值扩大10倍，精确到1位小数return(tvalue);}voidds1820disp(uintvalue)// 温度值显示{ucharflagdat;disdata[0]=value/1000+0x30;//百位数disdata[1]=value%1000/100+0x30;// 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