智能温度控制系统的设计 毕业论文.doc

智能温度控制系统的设计保定职业技术学院毕业设计报告（论文）系机电工程系专业电气自动化班级电气1016姓名 学号 题目智能温度控制系统的设计指导教师 完成时间2012-12-102012年 12月 10日摘 要温度是日常生活中无时不在的物理量，温度的控制在各个领域都有积极的意义。很多行业中都有大量的用电加热设备，如用于热处理的加热炉，用于融化金属的坩锅电阻炉及各种不同用途的温度箱等，采用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便、简单、灵活性大等特点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。因此，智能化温度控制技术正被广泛地采用。本温度设计采用现在流行的AT89S52单片机，配以DS18B20数字温度传感器，该温度传感器可自行设置温度上下限。单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较，由此作出判断是否启动继电器以开启设备。本文对温度控制的发展现状及设计意义做了介绍，而后对全部的硬件电路进行了详细的讨论，包括串行LED驱动器的控制方式和工作原理，A/D转换器，查询式键盘，温度传感器的应用等。接着对软件部分也作了仔细的思考，按模块进行结构化程序设计，包括显示、键盘、A/D转换、温度控制和温度传感器的程序说明并画出各子程序流程图等。最后进行了系统整体调试。温度控制系统可以实现将温度经过热敏电阻转换为电压信号，经放大器放大后进入单片机进行A/D转换成数字量后，通过LED静态显示电路以十进制形式显示出来，同时显示电路还将显示设定的恒温值且通过键盘可以改变设定值的大小。索引关键词：单片机应用；温度采集控制；DS18B20应用目 录智能温度控制系统的设计-1第一章 绪论-1 1.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义-1 1.2 温度控制系统的目的-1 1.3 温度控制系统完成的功能-1第二章 总体设计方案-1 2.1 控制部分-1 2.2 显示部分-1 2.3 温度采集部分-1第三章 智能温度控制系统基本构成及工作原理-1 3.1 系统的硬件构成-1 3.2 系统的软件构成-1 3.3 系统的工作原理-1第四章 智能温度控制系统硬件设计-1 4.1 A/D转换器-1 4.2 查询式键盘-1 4.3 温度传感器-1第五章 DS18B20的测温原理-1 5.1 DS18B20的测温原理-1 5.2 DS18B20的测温流程-1 5.3 显示温度值的LED显示器接口简介-1第六章 智能温度控制系统软件设计-1 6.1 显示部分-1 6.2 A/D转换部分-1 6.3 键盘部分-1 6.4 温度传感器部分-1 6.5 温度控制部分-1第七章 系统总流程图-1第八章 结论-1第九章 致谢-1参 考 文 献-1智能温度控制系统的设计第一章 绪论1.1温度控制系统设计的背景、发展历史及意义随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。1.2温度控制系统的目的本设计的内容是温度测试控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。1.3温度控制系统完成的功能本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：当温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降，同时红灯亮。当温度下降到上限温度以下时，停止降温。温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。数码管即时显示温度，精确到小数点一位。第二章 总体设计方案考虑使用温度传感器,结合单片机电路设计,采用一只 DS18B20 温度传感器,直接读 取被测温度值,之后进行转换,依次完成设计要求. 在本系统的电路设计方框图如图 2.1 所示,它由三部分组成:控制部分主芯片采用 单片机 AT89S51;显示部分采用 3 位 LED 数码管以动态扫描方式实现温度显示;温度 采集部分采用 DS18B20 温度传感器.加热继电器电风扇继电器单 片 机DS18B20LED显示指示灯 PC机图2.1 温度计电路总体设计方案2.1控制部分单片机AT89S52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用，系统应用三节电池供电。2.2 显示部分显示电路采用4位共阳LED数码管。2.3 温度采集部分 DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下特性：a) 独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。    b) 在使用中不需要任何外围元件。    c) 可用数据线供电，电压范围：+3.0 V+5.5 V。   d) 测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率为0.1。    e) 通过编程可实现912位的数字读数方式。    f）用户可自设定非易失性的报警上下限值。    g）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。第三章 智能温度控制系统基本构成及工作原理3.1系统的硬件构成课题设计的硬件部分由89S52单片机、DS18B20、74LS14、74LS273锁存器以及若干电容、7个发光二极管、4只数码管、5个按键、11.0592MHZ晶振组成。（结构如图3.1）温度传感器89S52显示器与接口控制电路量限设定与控制键盘与接口控制电路 图3.1 系统设计结构图以下对各组成部件功能进行简单介绍：89S52单片机用于温度的采集，数据处理，存储温度上下限和超温控制。DS18B20是单总线数字温度传感器，输出方式为串行单线输出，主要作用是把温度值以数字形式输出和存储转换精度控制字。第三章将作出详细介绍，此处不做过多赘述。74LS02或非门，用于选择锁存器（与写信号或非）。74LS14施密特触发器，用于键盘消抖。74LS273锁存器。用锁存显示位、段码以及指示信号。按键用于输入和查看温度上下限，使单片机复位，每隔2小时发送0.5秒的启动电机的正脉冲。晶振是为单片机提供工作脉冲。数码管用于显示温度值。发光二极管用于上下限溢出报警，温度超限报警及控制，设置上/下限指示，正常工作指示。各功能对应的指示灯设置如表3.1：表3.1 指示灯设置功 能第几灯点亮显示温度第1灯0x02显示下限温度1、20x03设下限温度标志位2、70x41设下限温度十位2、60x21设下限温度个位2、50x11设下限温度十分位2、40x09显示上限温度1、30x06设上限温度 标志位3、70x44设上限温度十位3、60x24设上限温度个位3、50x14设上限温度十分位3、40x0C低于下限温度1、2、4、5、6、70x7B高于上限温度1、3、4、5、6、70x7E3.2 系统的软件构成课题原计划用汇编语言完成。后来决定使用C语音编写程序，系统的软件由温度数据采集、数据处理、温度显示及按键处理等部分组成。89S52完成的功能主要是数据处理、数据分析、控制计算、进制转换、数据显示、按键处理以及电机控制等。温度采样和转换部分由DS18B20来完成。3.3 系统的工作原理首先，由温度传感器DS18B20对温度进行采样和转换，将测量结果送给单片机，单片机将输入的温度值进行数据处理，并将温度值与设定的温度值上下限进行比较。根据比较结果进行相应的处理。若温度超限则报警指示灯亮，以便进行及时处理。系统原理框图如图3.2所示：DS18B2089S52显示器指示灯段锁存位锁存锁存器 图3.2 系统原理图第四章 智能温度控制系统硬件设计温度控制系统是由单片机AT89C51、温度控制电路、ADC0809、键盘控制电路和静态串行显示电路等部分组成。系统的硬件电路设计框图如4.1所示：晶振电路ADC080974LS373控制电路AT89C51查询式键盘控制电路继电器控制电路静态串行显示电路热敏电阻采集温度电路图4.1 硬件电路图4.1 A/D转换器ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809的内部结构图如图4.2所示：图4.2 ADC0809的内部结构图由图4.2可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输j出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大，输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条。 4.2 查询式键盘查询式键盘属于独立式键盘，键盘的各个按键之间彼此是独立的且是最简单的键盘电路。每个键地接入一根数据输入线。如图2-5所示。注意：由于每一个按键均需要一根I/O口线 ，当键盘按键数量比较多时，需要的I/O口线也较多，因此独立式键盘只适合于按键较少的应用场合。一般情况下，按键数等于占用I/O端口数。查询式键盘的结构图如图4.3所示：P1.0P1.1图4.3 查询式键盘的接口电路查询式键盘可以工作在多种方式下，中断方式、程序查询方式、定时查询发送和中断查询方式。在中断模式下，按键的数量受到外部中断源的限制。在有特殊需要的场合，还可以借用内部的定时器中断。所以在这种模式下，按键的数目小于外部中断源和单片机定时器数量之和。程序查询和定时查询类似，都是通过读I/O状态，当有键被按下时相应的I/O口线变为低电平，而未被按下的键对应的I/O口线保持为高电平，这样通过读I/O口状态可判断是否有键按下和哪一个键被按下。4.3 温度传感器温度传感器是一种将温度变化转换为电量变化装置。将温度变化转换为热电势变化的称热电偶传感器。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；金属热电阻式传感器简称为热电阻，半导体热电阻式传感器简称为热敏电阻。温度传感在工业生产、科学研究、民用生活等许多领域得到广泛应用。电阻式传感器广泛被用于-200960范围内的温度。是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度值。电阻式传感器分为金属热电阻传感器和半导体热电阻传感器两大类。前者称为热电阻，后者称为热敏电阻。对于热敏电阻，需要了解以下几点：（1）测温原理及特性NTC热敏电阻研制的较早，也较成熟。最常见的是由金属氧化物组成。根据不同的用途，NTC又可以分为两大类。第一类用于测量温度。它的电阻值与温度之间呈负的指数关系。第二类为负的突变型，当其温度上升到某设定值时，其电阻值突然下降，多用于各种电子电路中抑制浪涌电流，起保护作用。典型的PTC热敏电阻通常是在钛酸钡陶瓷中加入施主杂质以增大电阻温度系数。（2）热敏电阻的应用热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等特点，因此它在许多领域被广泛应用。（3）热敏电阻的温度补偿热敏电阻可以在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。热敏电阻可以用于温度控制：温度传感器的作用是将温度经过热敏电阻Rt转换为电压信号。在本课题中温度范围的计算原理：首先把A/D转换中电位器旋钮顺时针旋到底，即模拟信号的输入不衰减，选取两个温度状态T1、T2,分别测量出其模拟输出电压V1、V2；根据0809的输入范围在0到5伏，即可计算出温度极限。0伏时对应的温度TL:T1-（V1-0）(T2-T1)/(V2-V1)。5伏时对应的温度TH: T1-（V1-5）(T2-T1)/(V2-V1)本实验中近似计算TH为150摄氏度，TL为-50摄氏度。程序温度的计算原理：首先用温度范围除以0到256（即每个十六进制数的温度增长率），然后乘以模拟转换的数字量，即得到升高的温度，在和最低温度相加，就可以得到实际的温度值。其公式为：TL+AX(TH-TL)/256TL:显示的最低温度TH:显示的最高温度AX:模拟电压所转换的数字量第五章 DS18B20的测温原理5.1 DS18B20的测温原理每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM 中。主机在进入操作程序前必须用读ROM(33H)命令将该DSl8B20的序列号读出。程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。DS18B20的测温原理如图5.1所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，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1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值. 表51 ROM操作命令指令约定代码功 能读ROM33H读DS18B20 ROM中的编码符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该编码相对应的DS18B20 使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作好准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令，适用于单片工作。警告索命令0ECH执行后，只有温度超过设定值上限或者下限的片子才做出响应温度变换44H启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500MS，结果存入内部9字节RAM中读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的第3，4字节写上、下限温度数据命令，紧跟读命令之后，是传送两字节的数据复制暂存器48H将E2PRAM中第3，4字节内容复制到E2PRAM中重调E2PRAM0BBH将E2PRAM中内容恢复到RAM中的第3，4字节读供电方式0B4H读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送“0”，外接电源供电DS18B20发送“1”另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。减法计数器斜坡累加器减到0减法计数器预 置低温度系数振 荡 器高温度系数振 荡 器计数比较器预 置温度寄存器减到0图5.1 测温原理内部装置5.2 DS18B20的测温流程初始化DS18B20跳过ROM匹配温度变换延时1S跳过ROM匹配读暂存器转换成显示码数码管显示图5.2 DS18B20测温流程5.3 显示温度值的LED显示器接口简介 LED显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应一个笔画划发光，控制某段发光二极管导通，就能显示出某个数码或字符。在静态显示系统中，每位显示器都应有各自的锁存器、译码器（若采用软件译码，译码器可省去）与驱动器，用以锁存各自待显示数字的BCD码或字段码。因此，静态显示系统在每一次显示输出后能够保持显示不变，仅在待显示数字需要改变时，才更新其数字显示锁存器中的内容。这种显示占用CPU的时间少，显示稳定可靠。缺点是，当显示的位数较多时，占用的I/O口较多。 在动态显示的系统中，CPU需定时地对每位LED显示器进行扫描，每位LED显示器分时轮流工作，每次只能使一位LED显示，但由于人的视觉暂留现象，仍感觉所有的LED显示器都在同时显示。这种显示的优点是使用硬件少，占用I/O口少。缺点是占用 CPU时间长，只要不执行显示程序，就立刻停止显示。但随着大规模集成电路的发展，目前已有能自动对显示器进行扫描的专用显示芯片，使电路既简单又占用CPU时间。在我们所设计的温度计中数码管显示就是利用的动态显示。第6章 温度控制系统软件设计6.1 显示部分6.1.1 显示程序设计置存储取首址；显示缓冲区首址（对应字形码）；置串行输出口即RXD，置时钟输出口即TXD；存入显示数据。 表头地址；查表指令；段码地址指针，显示段码字节数；输出子程序；取段码；段码左移则输出一位段码然后发送脉冲一位。6.1.2 显示程序流程图LED显示器流程图如图6.1所示：地址指针设置取断码断码左移一位输出一位断码输出一个位移脉冲八位断码移出结束？五位断码移出结束？踏步等待NNYY图6.1 LED显示器流程图6.2 A/D 转换部分6.2.1A/D转换子程序设计 显示缓冲器存放0AH，0DH，0XH，0XH；串行静态显示“ADXX”XX表示0F；A/D地址清零，启动A/D转换器，延时等待转换结果然后读入结果送入数码管显示。累加器内容存入B中，A的内容高四位与低四位交换，A的内容高四位清零，A/D转换结果高位送入DBUF3中，取出A/D转换后的结果，A的内容高四位清零则结果低位送入DBF4中；串行静态显示“ADXX”。静态显示子程序；显示表头地址；取段码到TEMP中去显示段码地址指针读出段码字节数；移位次数取段码；段码左移；输出一位段码；发送一个一位脉冲。6.2.2 A/D转换流程图A/D转换流程图如图6.2所示：初始启动A/D转换A/D转换完成?数据输出延时开始结束图6.2 A/D转换流程图6.3 键盘部分6.3.1 查询式键盘程序设计先初始化地址参数,显示缓冲区初始；输入前，锁存器置“1”；读取键盘状况；有键按下，若无键按下返回；延时去抖动；确有键按下则从键表中取键值然后相比较，若相等则等键释放，延时去抖动得键码；若不相等，到继续访问键值表，键值不在键值中，即多键同时按下；然后键表值静态显示。6.3.2 查询式键盘流程图查询式键盘流程图如图6.3所示：显示缓冲区初始LED显示有键输入？读取键值键值转换为显示数NY开始图6.3 查询式键盘流程图6.4 温度传感器部分6.4.1 温度传感器的程序设计输入A/D端口地址；显示温度，将正负值区分显示；显示“”号时求补码；显示“ ”时存入显示内容，读入结果，计算温度。其公式为：TL+AX(TH-TL)/256（TL:显示的最低温度TH：显示的最高温度AX：模拟电压所转换的数字量）6.4.2 温度检测的流程图温度检测流程图如图6.4所示： A/D转换温度计算判断正负显示加 “”号图6.4 温度检测流程图6.5 温度控制部分6.5.1 温度控制的程序设计设定初始化温度,采样实际温度,把实际温度与设定恒定温度相比较。若温度相等时显示温度。若当前显示温度低与恒定温度2°C时，由单片机发出的指令信号使加热电阻开始加热。若当前显示的温度高与恒定温度2°C时,单片机发出指令信号，断开继电器，加热电阻停止加热，制冷采用自然冷却。6.5.2 温度控制的流程图温度控制的流程图如图6.5所示：2°c显示温度当前温度与恒定温度的比较制冷不变加热2°C图6.5 温度控制流程图第七章 系统总流程图温度控制系统的总流程图如图7.1所示：初始化温度参数当前温度和设定温度送显示缓冲显示温度采样当前温度键盘值是？当前温度与设定温度比较制冷加热不变读键盘向上键向下键设定温度加1设定温度减1开始当前温度和设定温度送显示缓冲图7.1 温度控制系统的总流程图第八章 结论在基于单片机的智能温度控制系统的研究和设计过程中，借鉴已有的一些设计经验和设计理论,使系统主要具有以下特点：a)采用AT89S52单片机作为系统的核心单元，在开发上省去了很多精力，并且功能强大，方便用户操作，成本上比专用DSP芯片要低得多。b) 利用DS18B20做传感器，测温范围为55+125，测温度精度可达到0.0625。由于传送的是串行放大器和A/D转换器可以统统被省却，因而这种测温方式大大提高了各种温度测控系统的可靠性，降低了成本，缩小了体积。c) 系统显示电路设计采用LED数码管动态驱动显示，使结构简单，单片机CPU开销小，能显著降低显示器的功耗。 d) 系统每两小时发送0.5秒的脉冲。温度会随着时间下降，每2个小时启动一次电机，自动修正温度。现今，智能温度控制系统在）d感器8B20测温精度、分辨力和测试功能有所提高。测温精度越来越高、分辨力越来越强、测试功能越来越多。比如：a) 美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125°C，测温精度为±0.2°C。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27us、9us。b) 新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的EEPROM存储器，可存储用户的短信息。）d感器8B20第九章 致 谢 在论文完成之际，回顾大学的成长道路，我在学业和生活上得到了众多老师、同学和朋友们的热心帮助和大力支持。在此，我要向你们表示我最诚挚的谢意！本论文是在 老师的悉心指导下完成的，在此我首先对刁老师表示诚挚的谢意。 在我的整个学习阶段，无论在专业学习，还是在课题研究和论文撰写上，老师都给予了极大的关心、指导和鼓励。刁老师求真务实的治学精神、渊博的知识、丰富的实践经验、勇于开拓的科学精神和平易近人的态度，是我终身难忘，并将深深影响我以后的工作和学习，再次感谢老师对我不倦的栽培。白驹过隙，日月如梭。一个学期的毕业设计已经走入最后的阶段。大学的生活也即将落幕，但对于我来说，才是真正踏入社会工作、生活的预演。毕业设计的完成是一个阶段的完成，也是另一种生活的开始。人生道路的转角