单片机论文-基于单片机的温度控制系统设计.doc
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1、 山东大学电气工程学院 毕 业 设 计 论 文 设计(论文)题目: 基于单片机的温度控制系统设计 学生姓名:赵洪 学 院:电气工程学院 专 业:电气工程及其自动化 年 级:2012 指导教师:颜世刚 2013 年 6 月 18 日 基于单片机的温度控制系统设计 摘要摘要 温度作为一个重要的物理量,是工业生产过程中最普遍、最重要的参数之一,所以 温度测量技术和测量仪器的研究是一个重要的课题。随着时代的进步和发展,单片机技 术已经伸入到各个领域,基于单片机数字温度控制系统与传统的温度控制系统相比,具 有读数方便,测温范围广,其输出温度采用数字显示,本文将介绍一种基于单片机控制 的数字温度控制系统。
2、 本文从硬件和软件两方面来讲述学校浴室水温自动控制过程,在控 制过程中主要应用 AT89S51,通过 DS18B20 数字温度传感器采集环境温度,以单片机为 核心控制部件,并通过四位数码管显示实时温度的一种数字温度控制系统。软件方面采 用汇编语言来进行程序设计,使指令的执行速度快,节省存储空间。为了便于扩展和更 改,软件的设计采用模块化结构,使程序设计的逻辑关系更加简洁明了,使硬件在软件 的控制下协调运作。1 关键词: 单单片片机机;传传感感器器 ;温温度度 I The design of control system of temperature based on MCU Abstract
3、Temperature is an important physical quantity, is the most common industrial production process, technology is one of the most important parameters, so the research on temperature measurement technology and instruments is an important subject. With the era of progress and development, SCM technology
4、 has extended to various fields, compared with the traditional thermometer digital thermometer based on single-chip microcomputer, the reading convenience, a wide range of temperature measurement, digital output temperature display, this paper will introduce a kind of digital thermometer based on si
5、ngle chip microcomputer. In this paper, from two aspects of hardware and software about school bathroom automatic temperature control process, the control process is mainly used AT89S51, mainly through the DS18B20 digital temperature sensor to collect the environmental temperature, the single-chip m
6、icrocomputer as the core control component, and through four digital tube display real-time temperature of a digital thermometer. Software using assembly language to program design, so that the instruction execution speed, save the memory space. In order to facilitate the expansion and the change, t
7、he software design uses the modular structure, make the logic relation of designing program more concise, making hardware tocoordinatetheoperation under the software control. Keywords: SCM; sensor; temperature; 0 目录目录 摘要 .I ABSTRACT II 目录 .1 第一章 绪论 1 1.1 课题的背景及其意义 1 1.2 课题研究的内容 1 1.3 课题实现的控制功能 2 1.4
8、 本章小结 2 第二章 温度控制系统方案选择 .3 2.1 方案一 3 2.2 方案二 3 2.3 方案比较与选择 3 2.4 本章小结 4 第三章 DS18B20 温度传感器简介.5 3.1 DS18B20 的内部结构及特点 5 3.1.1 DS18B20 的内部结构.5 3.1.2 DS18B20 的性能特点6 3.2 DS18B20 的工作原理 7 3.2.1 DS18B20 工作时序7 1 3.2.2 ROM 操作命令.9 3.3 DS18B20 的测温原理 .10 3.3.1 DS18B20 的测温原理10 3.3.2 DS18B20 的测温流程11 第四章 系统硬件电路设计 .12
9、 4.1 设计原则 .12 4.2 主板电路设计 .12 4.3 各部分电路 .13 第五章 系统软件设计 .18 5.1 系统软件设计整体思路 .18 5.2 系统程序流图 .18 5.3 调试 .23 第六章 结 论 25 参考文献 26 致谢 27 附录 28 0 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题的背景及其意义课题的背景及其意义 在当今社会,建设工程及日常生活中温度控制都起着重要作用,最早的温度控制应 用于工厂生产中,可以起到实时采集温度数据,提高生产效率、产品质量的作用。然而 随着人们生活质量的提高,现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒 店,厂房以及家庭生活中,在有
10、些应用中,如高精度的生产厂房,对温度的要求极其严 格,温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此,这就需要一种能够及时 检测温度变化以及温度变化的设备,提供温度数据值,使人们对温度的变化做及时的调 整,及时反映生产,生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料,提示人 们温度变化情况,协助人们能及时的调整,起到温度报警作用,使温度控制更好的服务 于社会生产,生活。 温度是表征物体冷热程度的物理量,温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而 普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、 促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性,温度
11、传感器的数量 在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展,温度传感器的种类还是 在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。 随着电子技术和微型计算机的迅速发展,单片机在电子产品中的应用已经越来越广 泛。利用单片机对温度进行控制的技术也随之而生,并日益发展和完善,且越来越显示 出它的优越性。 2 1.2 课题研究的内容课题研究的内容 本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计,主要是介绍了对水 箱温度的显示、控制,实现了温度的实时显示及控制。水箱水温控制部分,提出了用 DS18S20、AT89S51 单片机及 LED 的硬件电路完成对水温的实时检测及显示,利用 DS18S20
12、 与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对浴室水箱温度实时控制。由 DS18S20 检测水箱出水口温度,用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单 元作为最后检测信号,并在 LED 中显示。DS18B20 芯片具有微型化、低功耗、高性能、 1 抗干扰能力强、易配微处理器等优点,特别适合于温度测控系统,而且 DS18S20 能提供 九位温度读数,它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。控制器是用 AT89S51 单片机,用 PID 算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执 行机构,控制水箱内温度。而且利用本次的设计主要实现温度测试,温度显示,温度门 限设定,超过设定的门
13、限值时自动启动加热装置等功能。 1.3 课题实现的控制功能课题实现的控制功能 1. 能够连续测量水的温度值,用十进制数码管来显示水的实际温度。 2. 能够设定水的温度值,设定范围是 2070。 3. 能够实现水温的自动控制,如果设定水温为 60,则能使水温保持恒定在 60的 温度下运行。 4. 用单片机 AT89S51 控制,通过按键来控制水温的设定值,数值采用数码管显示。 1.4 本章小结本章小结 本章首先介绍了课题的背景和研究意义,并对课题的主要内容进行了综述,最后对 课题实现的具体控制功能做了一个简要的介绍。 2 第二章第二章 温度控制系统方案选择温度控制系统方案选择 2.1 方案一方案
14、一 系统的硬件电路包括微控制器部分(主机) ,温度检测,人机对话(键盘/显示)三 个主要部分。温度检测部分采用传统的热敏电阻,热敏电阻的阻值随环境温度变化而变 化,变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压信号,经 A/D 转换器将其转换为单片 机可识别得二进制数字量,单片机主要控制 LED 显示器显示正确的温度值,LED 显示器实 现显示功能。 2.2 方案二方案二 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。 2.3 方案比较与选择方案比较与选择 方案 1 与方案 2 的主要区别在温度检测部分,方案 1
15、是采用热敏电阻检测温度,然后 利用 A/D 转换器将温度模拟量转换为二进制数供单片机处理。方案 2 主要利用 DS18B20 这块芯片进行温度检测,并将采集到的模拟量转换为单片机识别的二进制数。 方案 1 与 方案 2 相比,它最大的特点就是它能检测的温度范围很大,热敏电阻的性能决定了整个 设计的所能检测的温度范围。方案 2 的温度检测范围已经由系统中的 DS18B20 的特性所 决定,它能检测的温度范围为-55到 120,虽然其温度检测范围很窄,但已足够满足 一般测量需要,从整体上来看方案 2 比方案 1 更简单,因为我们方案 2 是利用现有的智 能温度传感芯片 DS18B20,他无需 A/
16、D 转换,直接输出数字量。所以本设计中所使用的温 度测量电路是方案 2 的电路。 在本系统的电路设计方框图如图 1.1 所示,它由三部分组成:温度采集部分采用 DS18B20 温度传感器。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; 3 单 片 机 DS18B20 LED 显示 指示灯 图 21 温度计电路总体设计方案 1. 温度采集部分 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感 器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温。这一部分主要完成对温 度信号的采集和转换工作,由
17、 DS18B20 数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。 数字温度传感器 DS18B20 把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的 P1.0 口,单片机接 受温度并存储。此部分只用到 DS18B20 和单片机,硬件很简单。 2. 控制部分 单片机 AT89S51 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。3 3. 显示部分 显示电路采用 3 位共阳 LED 数码管,从 P0 口送数,P2 口扫描。4 2.4 本章小结本章小结 本章介绍了两种测温方法的基本原理及实现方式,给出了最优的控制方案,并讨论 了
18、控制器及执行机构各部分的工作方式。 加热继电器 4 第三章第三章 DS18B20 温度传感器简介温度传感器简介 3.1 DS18B20 的内部结构及特点的内部结构及特点 3.1.1 DS18B20 的内部结构的内部结构 DS18B20 内部结构主要由四部分组成 1) 64 位光刻 ROM。开始 8 位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共 有 48 位,最后 8 位是前 56 位的 CRC 校验码,这也是多个 DS18B20 可以采用一线进行通 信的原因。64 位闪速 ROM 的结构如下. 表 31 ROM 结构 8b 检验 CRC 48b 序列号8b 工厂代码(10H) MSB L
19、SB MSB LSB MSB LSB 内部 电源 探测 位 和 单线端口 位 产生器 暂存器 下限触发 上限触发 温度传感器 存储器和控制逻辑 图 31 DS18B20 内部结构 2) 非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL,可通过软件写入用户报警上下限值。 3) 高速暂存存储,可以设置 DS18B20 温度转换的精度。 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可电 擦除的 E2PRAM。头 2 个字节包含测得的温度信息,第 3 和第 4 字节 TH 和 TL 的拷贝,是 易失的,每次上电复位时被刷新。第 5 个字节,为配置寄存器,它的内容用于确定温度
20、 值的数字转换分辨率。高速暂存 RAM 的第 6、7、8 字节保留未用,表现为全逻辑 1。第 9 字节读出前面所有 8 字节的 CRC 码,可用来检验数据,从而保证通信数据的正确性。 5 表 32 DS18B20 内部存储器结构 Byte0温度测量值 LSB(50H) Byte1温度测量值 MSB(50H)E2PROM Byte2TH 高温寄存器 - TH 高温寄存器 Byte3TL 低温寄存器 - TL 低温寄存器 Byte4配位寄存器 - 配位寄存器 Byte5预留(FFH) Byte6预留(0CH) Byte7预留(IOH) Byte8循环冗余码校验(CRC) 4) CRC 的产生 在
21、64 b ROM 的最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC) 。主机根据 ROM 的前 56 位来计算 CRC 值,并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比较,以判断主机收到的 ROM 数据是 否正确。另外,由于 DS18B20 单线通信功能是分时完成的,它有严格的时隙概念,因此 读写时序很重要。系统对 DS18B20 的各种操作按协议进行。操作协议为:初使化 DS18B20(发复位脉冲)发 ROM 功能命令发存储器操作命令处理5 3.1.2 DS18B20 的性能特点的性能特点 DS18B20 的性能特点如下: 1) 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信; 2) 多个 DS18
22、B20 可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能; 3) 无须外部器件; 4) 可通过数据线供电,电压范围为 3.05.5V; 5) 零待机功耗; 6) 温度以 3 位数字显示; 7) 用户可定义报警设置; 8) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件; 9) 负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作6 6 3.2 DS18B20 的工作原理的工作原理 3.2.1 DS18B20 工作时序工作时序 根据 DS18B20 的通讯协议,主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤: 1. 每一次读写之前都必须要对 DS18B20 进行复位;
23、 2. 复位成功后发送一条 ROM 指令; 3. 最后发送 RAM 指令,这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。 复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒,然后释放,DS18B20 收到信号后等待 1560 微秒左右后发出 60240 微秒的存在低脉冲,主 CPU 收到此信号表示复位成功。 其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序,具体工作方法如图 3-2,3-3,3-4 所示。 (1) 初始化时序 响应脉 冲60240 等待15-60 主机最小480 主机复位脉冲 最小480US 图 32 初始化时序 总线上的所有传输过程都是以初始化开始的,主机响应应答脉冲。应答脉冲使主机 知道
24、,总线上有从机设备,且准备就绪。主机输出低电平,保持低电平时间至少 480us, 以产生复位脉冲。接着主机释放总线,4.7K 上拉电阻将总线拉高,延时 1560us,并 进入接受模式,以产生低电平应答脉冲,若为低电平,再延时 480us 。 7 (2) 写时序 采 样1545 采 样1545 11 主机写“1“时序 主机写“0“时序 图 33 写时序 写时序包括写 0 时序和写 1 时序。所有写时序至少需要 60us,且在 2 次独立的写时 序之间至少需要 1us 的恢复时间,都是以总线拉低开始。写 1 时序,主机输出低电平, 延时 2us,然后释放总线,延时 60us。写 0 时序,主机输出
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