基于单片机的温度控制毕业设计论文.docx
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基于单片机的温度控制毕业设计论文
华北水利水电学院
NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower
毕业设计
题目基于单片机的温度控制
学院信息工程学院
专业电子信息工程
华北水利水电学院
毕业设计任务书
设计题目:
基于单片机温度控制系统
专业:
电子信息工程
班级学号:
姓名:
指导教师:
设计期限:
院系:
信息工程学院
2011年3月07日
毕业设计任务书
一.设计题目:
单片机的温度控制系统
二.设计目的
对大学期间所学的知识进行了一个全面、系统的总结,锻炼理论和实践相结合的能力,了解电子产品设计的一般设计过程,熟练掌握KeilC,Proteus等专业软件,掌握电子电路调试的方法,独立解决设计与调试过程中出现的一般问题,正确选择元器件与材料,能对设计电路的指标和性能进行测试并提出改进意见,能查阅各种有关手册和正确编写设计报告。
三.设计内容
利用单片机与DS18B20设计一个温度控制系统,四位数码显示。
要测的环境温度通过一线温度传感器DS18B20采集,然后通过C52单片机处理并在数码管上显示,同时单片机控制5V继电器,用于对温度进行实时控制操作,当温度上升到达某一定值,开继电器(继电器常开端接有降温电器);当温度下降到某一定值,开另继电器(继电器常开端接有升温电器)。
四.任务与要求
1.熟悉单片机芯片,了解单片机指令集和汇编语言。
2.熟悉Proteus软件,并用来设计应用系统原理图。
3.对系统进行分析,画出流程图。
4.阅读文献,编写开题报告,设计方案不少于两种,并且进行论证。
5.翻译不少于2000字的外文资料。
6.编写各个流程图中相应模块的程序。
7.使用keil软件进行调试并和Proteus相结合进行相应的仿真。
8.将软件和硬件相结合进行相应的编码测试及整个软硬件系统的综合测试,实现功能,并达到性能要求。
9.按论文的规范撰写论文。
五.时间安排
第3周:
与设计内容相关的学习;
第4周:
完成开题报告;
第5-6周:
编写软件程序;
第7-8周:
完成硬件电路设计,购买相关器件;
第9-11周:
软硬件系统调试;
第12周:
撰写论文;
第13周:
修改打印;
第14周:
论文答辩。
六.重点研究问题
1.如何实时显示温度
2.如何实现单片机对大功率电器的控制
六.参考资料
1.Proteus软件,“资料下载”
2.
3.童诗白华成英.《模拟电子技术基础》,高等教育出版社,2003年
4.李广弟.《单片机基础》,北京航空航天大学出版社,1994年
5.刘守义.《单片机应用技术》,西安电子科技大学出版社,2002年
6.关德新、冯文全.《单片机外围器件实用手册》,北京航空航天大学出版社,1998
7.李钢.1-Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用.现代电子技术[J],2005
8.陈跃东.DS18B20集成温度传感器原理与应用[J].安徽机电学院学报,2002
9.阎石.数字电子技术基础(第三版)[M].北京:
高等教育出版社,1989
10.金伟正.单线数字温度传感器的原理与应用[J].电子技术与应用,2000
华北水利水电学院本科生毕业设计开题报告
学生姓名
学号
专业
电子信息工程
题目名称
单片机的温度控制系统
课题来源
自选
主
要
内
容
本课题实验的设计方案:
本系统的电路设计,它主要由四部分组成:
①控制部分主芯片采用单片机89S52;②显示部分采用四位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示;③温度采集部分采用DS18B20温度传感器;
继电器控制模块。
(1)软件系统设计方案:
系统程序主要包括主程序,但是ds18b20初始化程序,读出温度子程序,,温度处理并显示子程序,继电器控制子程序。
1)系统的总流程图(如下图)
2)主程序
主程序的主要功能是负责温度的实时显示,读出并处理DS18B20的测量的当前温度值。
读出的数据放在不同的两个单元中。
温度低8位放在temp-data[0],温度高8位放在temp-data[1]。
3)读出温度子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节,在读出时需进行CRC校验,校验有错时不进行温度数据的改写。
DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格,所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的,同时,要注意读进来的是高位在后低位在前,共有12位数,小数4位,整数7位,还有一位符号位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。
3)温度处理并显示温度子程序
读出温度放在temp-data[1]temp-data[0]暂存寄中,对读出的温度进行处理,然后用软件把温度显示在数码管上。
4)继电器控制子程序
当温度高于设定温度时,启动降温继1电器;当温度低于设定温度2时
启动升温继电器。
系统总流程图
1.软件调试
使用keil软件对程序的正确性和功能进行初步的调试和仿真,随后使用proteus软件进行原理图的绘制并将keil编译生产的hex文件导入相应的单片机仿真部分中进行整体设计的原理性仿真,由于proteus中可能缺乏某些实际产品中相应的仿真元器件,因此将采用电灯泡或电机等替代性显示来获取相应的原理仿真的结果。
2.硬件、软件综合调试
在经过硬件、软件的单独调试之后,即可进入硬件和软件联合仿真调试的阶段。
采取的主要技术路线或方法
1.使用C语言对程序进行模块化的编写和组合。
2.使用keil软件进行程序的仿真和调试。
3.使用proteus软件对整体原理图进行绘制并实施主要控制模块-单片机的功能上的仿真。
4.软硬件综合性的仿真。
预期的成果及形式
1.实现对当前温度的动态显示
2.实现进行控制
时间安排
第1-2周:
查阅相关文献;
第3周:
与设计内容相关的学习;
第4周:
完成开题报告;
第5-6周:
编写软件;
第7-8周:
完成硬件电路设计,进行相应芯片选型和购买相关器件;
第9-11周:
性能调试;
第12周:
撰写论文;
第13周:
修改打印;
第14周:
论文答辩
指导教师意见
签名:
年月日
备注
摘要
近年来单片机发展十分迅速,一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起,单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。
而温度的测量及控制变得越来越重要,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,传统的温度采集方法不仅费时费力,而且精度差,单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。
所以采用单片机对温度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。
随着新技术的不断开发与应用,传统的温度采集方法不仅费时费力,而且精度差,温度是工业对象中的一个重要的被控参数。
然而所采用的测温元件和测量方法也不相同;产品的工艺不同,控制温度的精度也不相同。
因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。
本设计详细地讲述了基于单片机STC89S52和温度传感器DS18B20的温度控制系统的设计方案与软硬件实现方案。
系统采用数字温度传感器DS18B20采集温度数据,数码管同步显示当前测量值,可通过程序对温度进行设定值。
当温度低于设定值时,单片机控制继电器启动加热器加热,同时与它相连的发光二极管亮,当温度高于设定值时,加热器停止加热,降温继电器工作,同时与它相连的发光二极管亮,从而实现了测量和控制温度的目的。
系统稍微改装可以作为生物培养液温度监控系统,可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。
系统具有控制方便、结构简单和灵活性大等优点,经过反复测试,系统能够稳定运行。
关键词:
温度;STC89S52;单片机;控制
ABSTRACT
Withthedevelopmentofthesociety,the controlandmeasureoftemperaturebecomemoreandmoreimportant,Thetemperatureistheever-presentphysicalquantitiesindailylife,thecontrolofthetemperatureinvariousfieldshavepositivesignificance.Manyindustrytherearealargenumberofelectricityheatingequipment,suchastobeusedinheattreatmentfurnace,usedtomeltmetalofthecrucibleresistancefurnaceandvariousdifferentusesoftemperaturebox,etc,Useingonolithiccontrolofthemhasnotonlycontrolconvenient,simple,flexible,butalsofeaturescouldincreasethetechnicalindexesofaccusedoftemperature,thusgreatlyimprovethequalityoftheproducts.Therefore,intelligenttemperaturecontroltechnologyisbeingwidelyadopted.
ThedesignandimplementationoftemperaturecontrolsystembasedonsinglechipmicrocontrollerAT89S52andDS18B20areintroducedinthispaper.TemperaturedataarecollectedbyDS18B20,temperaturesettingsandcurrentmeasurementsaredisplayedbydigitaltube,thetemperaturesettingscanbechangebythekey-presseswith1℃step.Thedefaulttemperaturevalueis0123.Whenthetemperatureisunderthesettings,theheaterstartswiththered-ledon,oppositely,theheaterstoppedheatingwhenthetemperatureishigherthanthesetvalue.Systemcanbeascreaturenutrient-containingmediumtemperaturemonitoringsystemafterbeingmodifiedslightly,andcandowaterheatertemperatureregulationsystem,labtemperaturemonitoringsystem,etc.Thesystemiscontrolconvenient,simple,flexibility.Afterrepeatedtesting,thesystemcanoperatestabl.
Keyword:
temperature;STC89S52;MCS;control
4.2.1DS18B20的工作时序................................................14
第1章引言
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。
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。
这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。
传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。
控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。
而采用数字温度传感器DS18B20,因其内部集成了A/D转换器,使得电路结构更加简单,而且减少了温度测量转换时的精度损失,使得测量温度更加精确。
数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信,大大减少了接线的麻烦,使得单片机更加具有扩展性。
由于DS18B20芯片的小型化,更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接,故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头,探入到狭小的地方,增加了实用性。
更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。
第2章总体设计方案
2.1方案一
测温电路的设计,可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行A/D转换后,就可以用单片机进行数据的处理,在显示电路上,就可以将被测温度显示出来,这种设计需要用到A/D转换电路,感温电路比较麻烦。
2.2方案二
考虑使用温度传感器,结合单片机电路设计,温度传感器的选择,采用温度芯片DS18B20测量温度,该芯片的物理化学性能很稳定,它能用做工业测温元件,且此元件线性较好。
在0-100摄氏度时,最大线性偏差小于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。
本制作的最大特点之一是直接采用温度芯片对为温度进行测量,使数据传输和处理简单化,直接读取被测温度值,之后进行转换,依次完成设计要求。
比较以上两种方案,很容易看出,采用方案二,电路比较简单,软件设计容易实现,故实际设计中拟采用方案二。
电路设计方框图如图2-1所示,它主要由四部分组成:
①控制部分主芯片采用单片机AT89S52②显示部分采用四位一体共阳LED数码管以动态扫描方式实现温度显示;③温度采集部分采用DS18B20温度传感器④继电器控制大功率电器。
复位电路
晶振电路
加热继电器
工作
图2-1温度控制系统的总体设计方案
第3章单片机STC89C52的结构与原理
3.1STC89C52简介
STC89S52单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
主要特性如下:
1.增强型8051单片机,6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择,指令代码完全兼容传统8051.
2.工作电压:
5.5V~3.3V(5V单片机)/3.8V~2.0V(3V单片机)
3.工作频率范围:
0~40MHz,相当于普通8051的0~80MHz,实际工作频率可达48MHz
4.用户应用程序空间为8K字节
5.片上集成512字节RAM
6.通用I/O口(32个),复位后为:
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉,P0口是漏极开路输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻,作为I/O口用时,需加上拉电阻。
7.ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器,可通过串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片
8.具有EEPROM功能
9.具有看门狗功能
10.共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2
11.外部中断4路,下降沿中断或低电平触发电路,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
12.通用异步串行口(UART),还可用定时器软件实现多个UART
13.工作温度范围:
-40~+85℃(工业级)/0~75℃(商业级)
14.PDIP封装
STC89C52RC单片机的工作模式
●掉电模式:
典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒,中断返回后,继续执行原程序
●空闲模式:
典型功耗2mA
●正常工作模式:
典型功耗4Ma~7mA
●掉电模式可由外部中断唤醒,适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备
3.2STC89C52的引脚说明
STC89C52的引脚图如图3-1:
图3-1STC89C52RC引脚图
VCC(40引脚):
电源电压
VSS(20引脚):
接地
P0端口(P0.0~P0.7,39~32引脚):
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口,每个引脚能驱动8个TTL负载,对端口P0写入“1”时,可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时,P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。
此时,P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时,P0端口接收指令字节;而在校验程序时,则输出指令字节。
验证时,要求外接上拉电阻。
P1端口(P1.0~P1.7,1~8引脚):
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动(吸收或者输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这是可用作输入口。
P1口作输入口使用时,因为有内部上拉电阻,那些被外部拉低的引脚会输出一个电流(
)。
此外,P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体参见表3-1:
在对FlashROM编程和程序校验时,P1接收低8位地址。
表3-1P1.0和P1.1引脚复用功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2(定时器/计数器2外部计数输入),时钟输出
P1.1
T2EX(定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制)
P2端口(P2.0~P2.7,21~28引脚):
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可以驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,这时可用作输入口。
P2作为输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流(
)。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器(如执行“MOVX@DPTR”指令)时,P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行“MOVX@R1”指令)时,P2口引脚上的内容(就是专用寄存器(SFR)区中的P2寄存器的内容),在整个访问期间不会改变。
在对FlashROM编程和程序校验期间,P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3端口(P3.0~P3.7,10~17引脚):
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。
P3做输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流(
)。
在对FlashROM编程或程序校验时,P3还接收一些控制信号。
P3口除作为一般I/O口外,还有其他一些复用功能,如表3-2所示:
表3-2P3口引脚复用功能
引脚号
复用功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
(外部中断0)
P3.3
(外部中断1)
P3.4
T0(定时器0的外部输入)
P3.5
T1(定时器1的外部输入)
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器读选通)
RST(9引脚):
复位输入。
当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效,用来完成单片机单片机的复位初始化操作。
看门狗计时完成后,RST引脚输出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/
(30引脚):
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(
)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,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址位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MOV指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位(地址位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。
(29引脚):
外部程序存储器选通信号(
)是外部程序存储器选通信号。
当AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时,
在每个机器周期被激活两次,而访问外部数据存储器时,
将不被激活。
/VP
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