计算机控制技术课程设计

1、课程设计任务书 电气工程及其自动化 专业 13 年级 2 班 付琴芳 一设计题目温度报警控制系统设计二主要内容设计基于DS18B20的数字式烤箱温度控制系统，控制电路主要包括，led显示电路、按键电路、温度检测电路及控制电路。控制程序主要包括主程序、读出温度子程序、按键子程序、显示子程序、控制子程序等。要求能检测、显示烤箱温度，并控制烤箱温度在一可设定区域。三 具体要求1.对烤箱温度进行检测及控制。温度显示范围： 0C+99C，精度误差 在1C以内。2.温度控制在设置的上下限范围。3.能设置并保存温度上、下限值，并可随时修改。4.LED数码管直读显示实测温度，设置温度上限温度，下限温度（用键控

2、制设定温度）。5.温度超出上、下限值时，报警；根据所测温度所在的界限控制烤箱是否加热。6.启/停键用以启动和停止加热，上电复位后，不论启动还是停止状态，人机界面显示烤箱内温度值，同时也要求显示界面区分停止和运行状态。四 进度安排第一周分组；查找资料；系统硬件电路设计，编写控制程序第二周程序调试，系统调试，撰写课程设计报告，答辩五 完成后应上交的材料1 课程设计报告。2 程序清单（电子版）六 总评成绩指导教师 签名日期 年 月 日系 主 任 审核日期 年 月 日 目录一设计任务分析41.1任务概述.41.2具体要求.4二系统设计方案52.1主控制的选择.52.2传感器的选择.5 2.3最终方案.

3、5三硬件设计63.1最小系统设计.63.2 74HC573功能介绍.93.3 数码管显示电路.103.4 键盘接口电路设计.113.5 蜂鸣器接口电路设计.123.6 DS18B20的工作原理.123.7 LED电路.193.8 固态继电器.203.9 温度报警控制系统电路图.21四软件设计224.1 程序流程图.224.2 温度采集模块.23五.温度报警控制系统软件部分设计分析.245.1 18B20复位程序.245.2 按键程序255.3 蜂鸣器程序265.4 数码管显示程序.265.5 温度换算过程程序275.6 指示灯与继电器控制给电27六系统调试28七课程设计体会28八参考文献29附

4、件一，设计任务分析1.1任务概述设计基于DS18B20的数字式烤箱温度控制系统，控制电路主要包括，led显示电路、按键电路、温度检测电路及控制电路。控制程序主要包括主程序、读出温度子程序、按键子程序、显示子程序、控制子程序等。要求能检测、显示烤箱温度，并控制烤箱温度在一可设定区域。1.2 具体要求1.对烤箱温度进行检测及控制。温度显示范围： 0C+99C，精度误差 在1C以内。2.温度控制在设置的上下限范围。3.能设置并保存温度上、下限值，并可随时修改。4.LED数码管直读显示实测温度，设置温度上限温度，下限温度（用键控制设定温度）。5.温度超出上、下限值时，报警；根据所测温度所在的界限控制烤

5、箱是否加热。6.启/停键用以启动和停止加热，上电复位后，不论启动还是停止状态，人机界面显示烤箱内温度值，同时也要求显示界面区分停止和运行状态。 2、 系统设计方案2.1 主控制器的选择(1）STC89C52STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。2.2 传感器的选择DS18B20是可组网

6、数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。2.3最终方案首先，通过DS18B20数字温度传感器进行温度的采集，对控制对象的温度进行实时测量，将采集到的温度数字信号传送给STC89C52RC控制器。然后，根据每次测量送来的温度与设定温度的差值，进行算法运算，输出不同占空比的PWM波控制烤箱温度,从而对模拟变电站进行温度控制，为了能及时观测到温度的情况,我们通过数码管显示实时温度。系统框图如图2-1所示。 STC89C52数码管显示DS18B20温度传感器 键盘输入PWM驱动电路报警装置图2-1 系统结构方框图三，硬件设计3

7、.1 最小系统设计AT89C52 是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）的低电压，高性能CMOS8 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，与工业标准的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一种灵活性高且价廉的方案。AT89C52单片机管脚如图所示图3.1各管脚功能：VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个8 位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL 门电流。当P1 口的管脚第一次写

8、1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1 口管脚写入1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出4 个TTL 门电流，当P2

9、口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚

10、用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如想禁止ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置0。此时，ALE 只有在执行MOVX，MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平

11、时，则在此期间外部程序存储（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，/EA 将内部锁定为RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2 74HC573功能介绍原理说明：74HC573的八个锁存器都是透明的D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的

12、数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。图3.2HC573引脚功能表1:PIN No 引脚号SYMBOL符号NAME AND FUNCTION名称及功能1OE3 State output Enable Input (Active LOW)3态输出使能输入（低电平）2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9D0 to D7Data Inputs数据输入12,13,14,15,16,17,18,19Q0 to Q73 State Latch Outputs 3态锁存输出1

13、1LELatch Enable Input 锁存使能输入10GNDGround接地(0V)20VCCPositive Supply Voltage电源电压3.3 数码管显示电路数码管显示电路如图3.3所示图3.3 真值表2：P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7abcdefgdp01100000静态显示LED显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。动态显示动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数

14、码管有效。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。3.4 键盘接口电路设计实验板上的用到的按键有4个，分别为P3.4/K6、P3.5/K7、P3.6/K8、P3.7/K9其设计原理图如图3-3所示。其中、k6和k7用于最低温度的减少和增加，k7和k8分别用于最高温度的减少和增加。 图3.43.5 蜂鸣器接口电路设计蜂鸣器与单片机的P1.5端口连接，其硬件接线图如图3-4所示，其主要作用是在所测的温度高于上限温度时进行报警。图3.5 蜂鸣器接口电路3.6 DS18B20的工作原

15、理 DSl8B20的原理与DS1820的原理是一样的。DS18B20继承了DS1820的所有优点。DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，引脚排列如图11所示。I/O为数据输入输出端(即单线总线)，它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。UDD是可供选用的外部+5V电源端，不用时需接地。GND为地，NC为空脚。其内部框图如图12所示。主要包括7部分：寄生电源；温度传感器； 64位激光(laser)ROM与单线接口；高速暂存器，即便笺式RAM，用于存放中间数据；TH 触发寄存器和TL触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上、下限tH、tL值；存储与控制逻辑；8位循环冗余

16、校验码(CRC)发生器。下面分别介绍各部分的工作原理。图3.6 DS1820/DS18B20的引脚排列(a) PR35封装 (b) SOIC封装DS18B20的内部框图3.7（1）测温电路原理DSl8B20内部测温电路框图如图14 所示。低温度系数振荡器用于产生稳定的频率0,高温度系数振荡器则相当于T转换器，能将被测温度t转换成频率信号0图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DSl8B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲0进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定。每次测量前，首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器、温度寄存器中。在计数门关闭之前若计数器已减至零，

17、温度寄存器中的数值就增加0.5。然后，计数器依斜率累加器的状态置入新的数值，再对时钟计数，然后减至零，温度寄存器值又增加0.5。只要计数门仍未关闭，就重复上述过程，直至温度寄存值达到被测温度值。这就是DSl8B20的测温原理。斜率累加器能对振荡器的非线性予以补偿，提高测量准确度。 需要指出，温度值本应为9位(其中，符号占一位)，但因符号位又被扩展成高8位，故实际以16位补码的形式读出。其中，高8位代表符号，“0”表示t0，“1”表示ttH或ttL，则将该器件的报警标志置位，并对主CPU发出的报警搜索命令做出响应。因此可用多片DSl8B20同时测量温度并进行报警搜索。一旦某个测温点越限，主CPU

18、用报警搜索命令即可识别正在报警的DSl8B20，并且读出其序号，而不必考虑其他未报警的DSl8B20。（7）循环冗余校验码(CRC)的产生在64位激光ROM的最低8位字节中存有CRC。主CPU根据ROM的前56位来计算CRC值，并与存入DSl8B20中的CRC值进行比较，以判断主CPU接收到的ROM数据是否正确。 CRC的函数表达式为： CRC=X8+X5+X3+1 (32)此外，DSl8B20尚需按照式(32)所规定的格式，为暂存器中的数据产生一个8位CRC，送给主CPU，以确保暂存器的数据传送无误。单线总线在空闲状态下呈高电平。操作单线总线时，必须从空闲状态开始。单线总线加低电子的时间超过

19、480us时，总线上所有的器件均被复位。在主CPU发出复位脉冲之后，从属器件就发出应答脉冲(PRESENCE PULSE)，来通知主CPU它已做好了接收数据和命令的准备工作。下图3-8 DSl8B20与主CPU的电路接法。DS18B20与主CPU的电路接法单线总线是一种具有一个总线主机(亦称主CPU)和一个或多个从机(从属器件)的系统，DSl8B20起从机的作用。根据定义，单线总线只有一根线，这意味着总线上的每个器件只能分时驱动单线总线，并要求每个器件必须具有漏极开路输出或三态输出的特性。DSl8B20的单线接口IO端就属于漏极开路输出。DSl8B20与主CPU的电路接法如图3.8所示，TX、

20、RX分别表示发送与接收。在单线总线上必须接上拉电阻，其电阻值约为5K (标称值可取5.1k或4.7k)。当单线总线上挂有多个从属器件时，亦称之为多点总线。3.7 LED电路LED全称为半导体发光二极管，采用半导体材料制成的，以直接将电能转化为光能，电号转换成光信号的发光器件；其特点是功耗低、高亮度、色彩艳丽、抗振动、寿命长（正常发光8-10万小时）、冷光源等优点，是真正的“绿色照明”。以LED为光源的灯饰产品在21世纪的将来，必然取代白织灯，成为人类照明的又一次革命u 普通发光二极管工作电压压降为：u 1.6v 2.1 v。u 工作电流为：u 120ma。根据欧姆定律我们可以算出A（电流）=V

21、（电压）/R（电阻）可以算出电阻的阻值可以在150欧3000欧之间3.8 固态继电器固体继电器与通常的电磁继电器不同：无触点、输入电路与输出电路之间光(电)隔离、由分立元件半导体微电子电路芯片和电力电子器件组装而成，以阻燃型环氧树脂为原料，采用灌封技术持其封闭在外壳中、使与外界隔离，具有良好的耐压、防腐、防潮抗震动性能。 3.9 温度报警控制系统电路图a4、 软件设计4.1 程序流程图YNNYNY开始初始化模块是否进入控制？温度采集模块显示温度设置上下限温度超过上限温度？烤箱停止加热，蜂鸣器报警超过下限温度？烤箱加热蜂鸣器报警图4-1 系统程序流程图主程序模块是整个程序的核心，负责协调程序各个

22、模块工作主程序的流程图如图4-1所示。4.2温度采集模块温度采集模块主要负责定时采集模拟的室内变电站的温度，流程图如图4-2所示。复位DS18B20写命令，跳过读序列号操作（0XCC）写命令，启动温度转换（0X44）温度转换结束？复位，跳过读序列号操作（0XCC）写命令，读温度寄存器输出读取到的温度值YN结束开始图4-2 温度采集子程序流程图五.温度报警控制系统软件部分设计分析5.1 18b20复位程序先将数据线置高电平“1”；延时；数据线拉到低电平“0”；延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。数据线拉到高电平“1”；延时等待（如果初始化成功则在15到60微秒时间之内产生

23、一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时；将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。向18b20写入指令5.2 按键程序44矩阵键盘的编程方法：先读取键盘的状态，得到按键的特征编码。先从P3口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P3口的低四位读取键盘状态。再从P3口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P3口的高四位读取键盘状态。将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。5.3 蜂鸣器程序蜂鸣器的正极接到VCC（5V）电源上面，

24、蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R10后由单片机的P2.3引脚控制，当P2.3输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P2.3输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。5.4 数码管显示程序采用了8位数码管动态扫描显示。它将所有数码管的8个段线相应地并接在一起，并接到 AT89S52的P0口，由P0口控制字段输出。 这样，对于一组数码管动态扫描显示需要由两组信号来控制：一组是字段输出口输出的字形代码，用来控制显示的字形，称为段码；另一组是位输出口输出的控制信号，用来选择第几位数码管工作，称为位码。 由于各位数码管的段线并联

25、，段码的输出对各位数码管来说都是相同的。因此，同一时刻如果各位数码管的位选线都处于选通状态的话，8位数码管将显示相同的字符。若要各位数码管能够显示出与本位相应的字符，就必须采用扫描显示方式。即在某一时刻，只让某一位的位选线处于导通状态，而其它各位的位选线处于关闭状态。同时，段线上输出相应位要显示字符的字型码。这样同一时刻，只有选通的那一位显示出字符，而其它各位则是熄灭的，如此循环下去，就可以使各位数码管显示出将要显示的字符。 虽然这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其它各位熄灭，但由于数码管具有余辉特性和人眼有视觉暂留现象，只要每位数码管显示间隔足够短，给人眼的视觉印象就会

26、是连续稳定地显示。 5.5 温度换算过程程序5.6 指示灯与继电器控制给电实验要求中温度超出上、下限值时，报警；根据所测温度所在的界限控制烤箱是否加热且要求显示界面区分停止和运行状态，所以使用继电器控制连通烤箱的电源开关。在控制继电器同时也可控制流水灯。六 系统调试该系统的调试结果如下：我们选定好硬件电路板后，用万用表测试电路是否有短路、断线，确定电路板没有短路、断线。上电后，电路板没有异样。当按一下S1（复位按键键）开机显示当前温度，并进入停止运行烤箱状态。LED数码管显示实时温度。此时按S6（加键）、S7（减键）可加减上限温度设定值；按S8、S9可加减该下限温度设定值.。当所测的烤箱温度低于所设定的下限温度时，系统的指示灯L