基于单片机的温度控制系统设计毕业论文.docx
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基于单片机的温度控制系统设计毕业论文
摘要
温度是表征物体冷热程度的物理量,是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。
由于温度测量的普遍性,温度传感器的数量在各种传感器中居首位。
温度控制的开展引入单片机后,可以降低对某些硬件电路的要求。
基于单片机的温度控制系统,可以实现对温度的准确控制。
本文以温室为研究对象,以AT89C51单片机为核心所实现的温度控制系统具有自动完成数据采集、数据处理、数据转换控制、键盘终端处理及显示的功能。
当实际温度低于设定值,PTC进展加热,反之PTC就停顿加热。
实际温度超上限或者低下限时,系统自动报警。
温度控制采用的是双位控制,简单易行,在精度要求不是特别高的温室,可行度很高。
最后对系统进展调试并在PROTEUS里仿真,结果说明该系统原理可行。
又在一个小空间进展试验,误差在1℃左右,结果符合预期。
运行稳定、控制效果好、性价比高。
关键词:
单片机,温度控制,DS18B20,温室
Abstract
Temperatureisthephysicalquantitycharacterizingthetemperatureextentofobjects;itisanimportantandgeneralparameterinindustrialandagriculturalproductionprocess.Duetotheuniversalityoftemperaturemeasurement,thequantityoftemperaturesensoroccupiesfirstplaceamongvarioussensors.Itcanlowertherequirementsofsomecircuitsafterintroducingthedevelopmentoftemperaturecontrolintomicrocontrollerunit.Itcanalsoachieveprecisecontrolofthetemperature,basedonthetemperaturecontrolsystemofmicrocontrollerunit.
Inthisarticle,greenhouseistheobjectofstudy.ThetemperaturecontrolsystemwhichtakesAT89C51asthecorehasthefunctionofautomaticpletedataacquisition,dataprocessing,dataconversioncontrol,keyboardterminalprocessinganddisplay.Whentheactualtemperatureisbelowthesetvalue,PTCstartsheating,onthecontrary,itstopsheating.Whentheactualtemperatureexceedstheupperorlowerlimit,thesystemgivesanalarmautomatically.Temperaturecontrolissimpleandeasywithadualpositioncontrol.Itishighlyfeasibleinthegreenhousewheretheaccuracyrequirementsarelessstrict.
TheresultsshowstheprincipleisavailableafterdebuggingthesystemandsimulatinginProteus,wealsoconductedthesametrialinasmallerroom,andtheerrorisabout1℃,whichisinlinewithexpectations.Thesystemisstable,easytocontrolandcost-effective.
Keyword:
microcontrollerunit,temperaturecontrol,DS18B20,greenhouse
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
温度是表征物体冷热程度的物理量,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、生产平安、促进国民经济的开展起到非常重要的作用。
由于温度测量的普遍性,温度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开展,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。
在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度,温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。
温度控制采用单片机设计的全数字仪表,是常规仪表的的升级产品。
温度控制的开展引入单片机后,可以降低对某些硬件电路的要求,但依然需要重视测试电路本身的重要性,尤其是直接获取被测信号的传感器局部,仍应给以充分的重视,有时提高整台仪器的性能的关键仍然在于测试电路尤其是传感器的改良。
现在传感器也正在受着微电子技术的影响,不断开展变化。
传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向开展。
基于单片机的温度控制系统,可以实现对温度的准确控制,使得在某些场合下人们对温度上下的要求得以实现。
对人们的生产和生活影响巨大,比方,在我国的北方,冬天温度极低,但引入温室大棚后,冬天的时候人们也能吃到新鲜的蔬菜;钢铁厂里炼铁,对温度的要求更高,这就使得温度控制变得极为有意义,而在我们的日常生活中,空调让冬天不冷夏天不热,确实让我们感受到温度控制对我们生活质量的提高也有着极大的作用。
总之,现代工业设计,工程建立及日常生活中温度控制都起着重要的作用。
1.2国外研究现状
1.2.1国外研究现状
国外对温度控制技术研究较早,始于20世纪70年代。
先是采用模拟式的组合仪表,采集现场信息并进展指示、记录和控制。
80年代末出现了分布式控制系统。
目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
990年代中期,智能温控仪问世,它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。
目前,国际上已开发出多种智能温控器系列产品。
智能温控器部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器和接口电路。
有的产品还有多路选择器、中央控制器〔CPU〕、随机存储器〔RAM〕和只读存储器〔ROM〕。
现在世界各国的温度测控技术开展很快,一些国家在实现自动化的根底上正向着完全自动化、无人化的方向开展。
1.2.2国研究现状
我国对于温度测控技术的研究较晚,始于20世纪80年代。
我国工程技术人员在吸收兴旺国家温度测控技术的根底上,才掌握了温度室微机控制技术,该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。
我国温度测控设施计算机应用,在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和开展。
在技术上,以单片机控制的单参数单回路系统居多,尚无真正意义上的多参数综合控制系统,与兴旺国家相比,存在较大差距。
我国温度测量控制现状还远远没有到达工厂化的程度,生产实际中仍然有许多问题困扰着我们,存在着装备配套能力差,产业化程度低,环境控制水平落后,软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。
1.2.3总的开展阶段
总的来说,温控器被广泛应用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量日渐上升。
近百年来,温控器的开展大致经历了三个阶段:
1.模拟温度控制器;2.集成温度控制器;3.能温度控制器,目前,国际上新型温控器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向开展。
1.3课题研究的容
本文所要研究的课题是基于单片机的温度控制系统的设计,控制对象为温室,主要目标是实现温度的设定值显示、实际值实时测量及显示,温度超上限和低下限危险报警。
单片机连接的温度调节装置由软件与硬件电路配合来实现温度实时控制,显示可由软件控制并在数码管中显示。
比拟采集到温度与设定值及上下限的大小,然后做出相应的反响,控制执行机构是否降温或升温,判断警报与否。
第二章硬件系统总体方案设计
本次毕业设计以51系列单片机为核心对温度进展控制,使被控对象的温度稳定在某一指定数值上,允许有1℃的误差〔不包括元件本身的制造引起的误差〕,键盘输入设定温度值,LED数码管显示温度值〔实际的或设定的〕。
基于上述要求,提出以下两种方案,下文是对两种方案的具体论述。
2.1硬件系统总体设计方案一
方案一如图2-1所示,此方案选用DS18B20芯片进展温度采集及模拟量与数字量之间的转换,并直接输出数字量,无需信号放大,且只占用一根口线,然后将其送数码管显示。
4X4矩阵式键盘,首先要对其进展键盘扫描,判断是否有键按下,如有键按下,要判断是那个键按下,确定键值,然后对其进展输入,把最后设定的温度值送给数码管进展显示。
如果对一个温度值已经设定完毕后,无需再按任何键即有效,如果温度值设定得不合理,可对温度进展重新设定,温度的上下限可由软件编程设定,这样就完成了对温度的总体设置。
对于数码管显示模块,采用了动态显示的方法,在程序的设计中也相应的采用动态显示方法对其进展编写。
首先把设定的〔或采集到〕数据的十进制数进展字节拆分,分别求出要显示个位数、十位数、百位数〔显示实际温度时,还要求出十分位〕,然后将其送至数码管显示。
显示设定值还是实际值,可由按键进展切换。
对于温度控制模块,首先是把采集的数据和设定的温度上下限进展比拟,如低于下限值或高于上限值,蜂鸣器警报,再把实际温度和设定的温度比拟,决定加热与否以及加热时间的控制。
单片机软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制,不需要向外扩展存储器,可使系统整体构造更为简单。
信号的传递路线短,可以提高系统精度。
图2-1方案一框图
2.2硬件系统总体设计方案二
方案二如图2-2所示,采用AT89C51作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用电阻丝进展加热。
此方案简易可行,器件的价格廉价,且ADC0809是8位的模数转换,测温围是0-800℃,误差为0.5%,即分辨率为1/200,而ADC0809的分辨率为1/256,故能满足此题目的精度要求。
系统要有温度设定局部,由于8051的接口不够的问题,所以对其进展接口扩展,采用最常用的8255并行接口芯片对其扩展,采用4×4矩阵式键盘接在8255的A口和B口,键盘中有0到15之间十六个数字键,对温度的显示采用三个数码管对其进展显示,分别是百位、十位、个位。
且系统设置报警装置,使用户能够实时知道温度是否在所设定所的围。
控制电路局部采用MOC3041控制可控硅的通断以实现对温室温度的控制。
图2-2方案二框图
2.3硬件系统的方案选择
两种方案的区别在于温度的采集局部,由上可知,DS18B20相对于AD590在此系统的优势相当明显,节约单片机的I/O口线,数据传送路径短,准确度高,节约本钱,应选用方案一。
此方案以单片机为该系统的控制核心。
温度的检测局部使用了DS18B20、AT89C51单片机及数码管的硬件电路完成对室温的实时检测与显示,通过4×4键盘设定温室的温度,比拟温度的设定值与实测值的大小,然后由单片机发出信号,控制光电耦合器和双向可控硅导通与否,由此控制PTC加热器的通断,实现对温室温度的恒温控制。
因为温室的温度波动比拟小,故不必采用软件滤波对温度进展平滑控制。
报警局部采用一个3V的有源蜂鸣器,发出危险警报。
此单片机温度控制系统具有微型化、低功耗、高性能、易配微处理器等优点,可以进展多点测温,DS18B20可以直接将温度转化成串行数字信号供微机处理,而且每片DS18B20都有唯一的产品号,可以一并存入其ROM中,以便在构成大型温度测控系统时在单线上连接多个DS18B20芯片,当然一个I/O口能挂接多少片DS18B20,因单片机的不同而异。
从DS18B20读出或写入DS18B20信息仅需要一根口线,其读写及温度变换功率来源于数据总线,该总线本身也可以向所连接的DS18B20供电,不需要外部电源,同时DS18B20能提供9-12位温度读数,出厂默认是12位,无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。
单片机具体实现的功能如下:
1、连续测量温室的温度值,控制数码管显示温室的实际温度;
2、控制键盘设定温室的温度值,并用数码管显示。
设定围为室温至125℃;实现温室的恒温控制,比方设定值为50℃,那么应使实际值与50℃相接近。
第三章控制系统硬件设计
基于上章的分析,我选择了方案一,方案一的原理图如图3-1所示。
本章主要介绍介绍控制系统中所使用到的各种元器件。
图3-1系统原理图
3.1单片机
将运算器、控制器、存储器和各种输入/输出接口等计算机的主要部件集成在一块芯片上,就能得到一个单芯片的微型计算机。
它虽然只是一个芯片,但在组成和功能上已经具有了计算机系统的特点,因此称之为单片微型计算机(Single-ChipMicroputer),简称单片机。
因为其体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高,适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。
本次毕业设计所采用的是AT89C51。
以下简述本次毕业设计所用到的与其相关的知识。
1、主要特性:
〔1〕与MCS-51兼容
〔2〕4K字节可编程闪烁存储器,寿命为1000次写/擦循环,数据可保存时间为10年
〔3〕全静态工作:
0Hz-24Hz
〔4〕三级程序存储器锁定
〔5〕128X8位部RAM
〔6〕4个I/O口,共32根可编程口线
〔7〕两个16位定时器/计数器
〔8〕5个中断源
〔9〕可编程串行通道
〔10〕低功耗的闲置和掉电模式
〔11〕片振荡器和时钟电路
2、管脚说明:
AT89C51的管脚布置如图3-2所示
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/地址的低八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进展校验时,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口管脚写入后,被部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。
P2口:
P2口为一个部上拉电阻的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口被写“1〞时,其管脚被部上拉电阻拉高,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展存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1〞时,它利用部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进展读写时,P2口输出其特殊功能存放器的容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1〞后,它们被部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流〔ILL〕这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下所示:
P3口管脚备选功能
P3.0RXD〔串行输入口〕
P3.1TXD〔串行输出口〕
P3.2/INT0〔外部中断0〕
P3.3/INT1〔外部中断1〕
P3.4T0〔记时器0外部输入〕
P3.5T1〔记时器1外部输入〕
P3.6/WR〔外部数据存储器写选通〕
P3.7/RD〔外部数据存储器读选通〕
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
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低8位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
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。
如想制止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。
微处理器在外部执行状态ALE制止,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令期间,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保持低电平时,那么在此期间外部程序存储器〔0000H-FFFFH〕,不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时,EA将部锁定为RESET;当EA端保持高电平时,此间部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源〔VPP〕。
图3-2AT89C51管脚
3.2数字温度计DS18B20
在传统的模拟信号远距离传送的测量系统中,需要很好的解决引线误差补偿问题、多点切换误差问题和放大电路的零点误差问题等技术。
另外考虑到一般的测量现场的电磁环境非常的恶劣,各种干扰信号较强,模拟信号很容易受到干扰而产生测量误差,影响测量精度。
因此,在温度测量系统中,采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效的方案。
在实际的温度测量过程中被广泛应用,同时也取得了良好的测量效果。
3.2.1DS18S20数字温度计的主要特性
1、DS18S20的适应电压围更宽,其围为:
3.0-5.5V,而且它能够直接由数据线获取电源(寄生电源),无需外部工作电源。
2、DS18S20提供了9-12位摄氏温度测量,具有非易失性、上下触发门限用户可编程的报警功能。
3、DS18S20通过1-Wire总线与中央微处理器通信,仅需要单根数据线(或地线)。
同时,在使用过程中,它不需要任何的外围的元件,全部的传感元件和转换电路集成在形状如一只三极管的集成电路。
4、DS18S20具有-55°C至+125°C的工作温度围,在-10°C至+85°C温度围精度为±0.5°C。
5、每片DS18B20具有唯一的64位序列码,这些序列码允许多片DS18B20在同一条1-Wire总线上工作,因而,可方便地使用单个微处理器控制分布在大围的多片DS18S20器件。
6、DS18S20的测量结果直接输出数字温度信号,以“一线总线〞串行传送给CPU,同时还可以传送给CRC校验码,它具有极强的抗干扰纠错的能力。
7、DS18S20具有负载特性,当电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但是不能正常的工作。
3.34×4键盘
用于计算机系统的键盘通常有两类:
一类是编码键盘,即键盘上闭合键的识别由专用硬件来实现:
另一类是非编码键盘,即键盘上闭合键的识别由软件来完成。
本次毕业设计采用的是4×4矩阵键盘,矩阵键盘由行线与列线组成,按键位于行列线的穿插点上。
如图3-3所示,一个4×4的行列构造可以构成一个含有16个按键的键盘,显然,在按键数量较多时,矩阵键盘较之独立式键盘要节省很多的I/O口线。
本次毕业设计中键盘的设计思路如下:
对P1赋值使P1=0xff,然后令第一行即P1.0等于零,如果第一行有按键按下,那么P1.4至P1.7的值会发生变化:
如果第一个按键按下,那么P1.4等于0;如果第二个按键按下,那么P1.5等于0;如果第三个按键按下,那么P1.6等于0;如果第四个按键按下,那么P1.7等于0。
按此规律,直至第四行扫描完成。
图3-3为键盘的原理图
在此系统中,键盘用于设定温度值,只是CPU的工作容之一。
CPU对键盘的响应取决于键盘的工作方式,键盘的工作方式应根据实际运用系统中CPU的工作状况而定,其选择的原那么是既要保证CPU能及时响应按键操作,又不要过多占用CPU的工作时间。
通常,键盘的工作方式有3种,即编程扫描、定时扫描和中断扫描,本次毕业设计采用中断扫描。
采用编程扫描或定时扫描,无论是否有键按下,CPU都要定时扫描,而按键按下不是经常发生的事件,这样CPU对键盘会时常进展空扫描。
为进一步提高CPU的工作效率,应选用中断扫描,其工作过程如下:
当无键按下,CPU处理自己的工作,当键盘上有键按下时才产生一个外部中断请求,CPU响应键盘中断请求,在中断效劳子程序中扫描并判别键盘上闭合的键号,求出输入的数值。
CPU对键盘上闭合键的键号进展确定,可以根据行线和列线的状态确定;也可以预先在程序存储器中放入键盘键值表,本次毕业设计采用前者。
3.4数码管
在单片机应用系统常使用的是七段LED,这种显示器的构造如图2-1所示,共有8个发光二极管,其中7个发光二极管七段字形“8〞,一个发光二极管构成小数点。
本次毕业设计用的是四位共阴极数码管,数码管的发光二极管阴极接地,当某个发光二极管的阳极为高电平,即逻辑“1〞时,发光二极管点亮。
如图3-4所示,P0口接一个5V的上拉电阻,P0.0-P0.7依次与数码管的A-DP相接,构成数码管的段选,P2.0-P2.3依次与1-4相接,构成数码管的位选。
图3-4数码管显示原理图
LED显示器工作原理:
点亮显示器有静态和动态两种方法。
所谓静态显示,就是当显示某一字符时,相应的发光二极管恒定的导通或截止,如上图中七段显示器的a、b、c、d、e、f导通,g截止,那么显示“0〞。
这种显示方式每一位显示器都需要有一个8位输出口控制,其优点是显示稳定,无闪烁,缺点是占用口线多,适用于显示位数较少的场合。
当显示位数较多时,一般采用动态显示方法。
所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各位显示器,对于每一位显示器来说每隔一段时间点亮一次。
由于循环显示的频率高较高时,利用人眼的暂留特性,看不出闪烁现象,显示器的点亮既跟点亮时的导通电流有关,也跟点亮时间和间隔时间有关,调整电流和时间的参数,可实现亮度较高较稳定的显示。
假设显示的位数不大于8位,那么控制显示器的公共电极只需一个I/O口控制各位显示器,所显示的字形也只需一个I/O口。
LED数码管分为共阳极和共阴极,不同的共极方式,显示同样的字符,数码管的段选是不同的,如下表1为七段共阴极LED字型码。
表1七段共阴极LED段字型码
显示字符
dp
G
f
e
d
c
b
a
共阴极
0
0
0
1
1
1
1
1
1
3FH
1
0
0
0
0
0
1
1
0
06H
2
0
1
0
1
1
0
1
1
5BH
3
0
1
0
0
1
1
1
1
4FH
4
0
1
1
0
0
1
1
0
66H
5
0
1
1
0
1
1
0
1
6DH
6
0
1
1
1
1
1
0
1
7DH
7
0
0
0
0
0
1
1
1
07H
8
0
1
1
1
1
1
1
1
7FH
9
0
1
1
0
1
1
1
1
6FH
3.5光电耦合器
光电隔离器件从大的方面来看,可粗略的分为光耦合器及应用光耦合器或其他电子器件制成或应
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