基于.单片机温度控制系统地设计.doc

''天天 津津 大大 学学 网网 络络 教教 育育 学学 院院本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）题目：基于单片机温度控制系统的设计完成期限：2016 年 1 月 8 日 至 2016 年 5 月 10 日学习中心：学习中心：选择一项。专业名称：专业名称：选择一项。选择一项。 学生姓名：学生姓名： 此处键入学生姓名此处键入学生姓名 学生学号：学生学号： 此处键入学生学号此处键入学生学号 指导教师：指导教师： 此处键入教师姓名此处键入教师姓名 ''摘 要无论是在现代化的城市生活中，还是在落后的乡镇生活中，温度都扮演着极其重要的角色，我们几乎所有的日常生活都与温度息息相关。自 18 世纪工业革命发展以来，工业的发展与人类掌握对温度的控制有着密切的联系，都离不开对温度的掌握。随着单片机技术的飞速发展，单片机的一系列优点越发惹人注目，其工作稳定可靠等优点已经被很多企业接受。本设计基于 AT89C51 单片机和温度传感器实现温度控制系统，不仅控制简便而且高效率控制，大大提高温度控制系统的灵活性，扩大基于单片机温度控制系统的适用范围。本设计在具体介绍温度控制系统整体的设计方案之后，详细介绍了温度控制系统硬件设计、温度控制系统软件设计和相关接口的电路设计，讨论基于单片机温度控制系统的相关应用，最后总结本设计的合理性和有效性。关键词：单片机； 温度传感器； 温度控制 ''目目 录录第一章 绪论 .11.1 温度控制系统概况 .11.2 国内外研究现状 .11.3 课题的主要工作 .2第二章 总体设计 .32.1 总体设计方案 .32.2 功能描述.32.3 温度控制系统硬件电路框图.4第三章 温度控制系统硬件设计.53.1 硬件设计方案 .53.2 单片机系统介绍 .53.3 温度信号采集模块的设计.93.3.1 温度传感器的选择 .93.3.2 信号放大电路 .103.3.3 A/D 转换电路 .103.4 键盘控制电路的设计 .113.5 液晶显示电路的设计 .123.6 蜂鸣器警报电路的设计 .133.7 加热模块电路的设计 .14第四章 系统软件设计.16''4.1 软件设计方案 .164.2 温度控制部分程序的设计 .174.3 键盘部分程序的设计 .184.4 数据采集模块程序设计 .184.5 液晶显示部分温度程序的设计.19第五章 总结与展望 .21参考文献 .22附 录.23致 谢.29''第一章第一章 绪论绪论1.1 温度控制系统概况本课题主要是基于单片机的温度控制系统的设计和研究，研究中的控制对象为温度。温度在我们的日常生活中很常见，也是很熟悉的东西，很多场所都需要控制温度来提供生产，比如火力发电厂、浴室、植物的培植室等场所的温度控制。纵观电气时代以来的人类发展史，很多温度控制都只是人工操作的，且不够重视，也因此发生了很多意外。随着电子技术的快速发展，智能化实现对温度的控制已经可以实现。本课题以芯片为核心，对温度传感器感AT89C51测到的温度进行分析、数值显示和数据存储，从而有效实现单片机对温度的智能控制。1.2 国内外研究现状相对而言，国外比我国对温度控制系统的研究要早的多。国外从 20 世纪70 年代开始，通过模拟组合的方式，采集信号并发出指令和存贮。80 年代开始进行分布式控制方式的研究1。现代世界各国的温度控制系统发展的非常迅速，很多国家开始实现由半自动化向完全自动化的方向发展。我国对于温度控制系统的研究起步较晚，很大部分都只是借鉴一些发达国家的成熟技术，真正自己研究的东西并不多。整体的温度控制技术设施简单，控制因素单一。当然我国的温度控制技术正在由简单到实用化、综合性应用方向发展，虽然我国温度控制和温度测量技术远没有达到工厂化的程度，与欧美一些发达国家相比还存在很大差距，但是近几年国家开始重视自动化设备控制系统的研究，很多科研人员开始着手自动化控制设备的研究，制定很多成功的案例。但是理论研究始终停留在理论研究的层次，无法适用于工厂生产，很多研究方案，要么太过理论化、理想化，要么太过复杂，费用太过昂贵。同样，近年来温度的检测在理论上发展比较成熟,但在实际测量和控制中,如何保证快速实时地对温度进行采样,确保数据的正确传输,并能对所测温度场进行较精确的控制,仍然是目前需要解决的问题2。因此，设计一款比较实用的温度控制系统十分有必要，关于基于单片机的温度控制系统的设计和研究课题也十分有意义。''1.3 课题的主要工作本研究主要是对温度的实时检测和有效控制。首先设定密闭空间温度，通过温度传感器感测密闭空间温度，由信号放大电路将温度信号放大，然后经过A/D 转换电路转换将转换信号传递给芯片，假如感测器感测到密闭空AT89C51间温度高于设定温度，系统立即停止加热，使温度达到密闭空间设定值温度；假如感测器感测到密闭空间温度低于设定温度，系统立即启动加热器，对密闭空间升温，使密闭空间温度升高。任意一模块不工作或工作出错，蜂鸣器会发出报警信号，从而达到智能化目的。液晶显示器可以实时显示密闭空间温度。课题研究主要包括如下一些方面：（1）单片机的选择；AT89C51（2）温度传感器的选择及温度传感器信号处理电路的设计；（3）液晶显示器电路的设计；（4）蜂鸣器报警模块的设计；（5）加热模块控制电路的设计；（6）键盘电路的设计。''第二章 总体设计课题研究主要包括六个部分：单片机、温度传感器及信号处理电AT89C51路、液晶显示器电路、蜂鸣器报警模块、加热模块控制电路和键盘电路。其中，如何有效实现温度控制系统的控制，关键在于温度传感器的选择和驱动电路的设计，键盘电路可以实现对温度上限值和下限值的输入。2.1 总体设计方案本研究主要包括两个方面的研究：硬件设计和软件设计。想要实现完整的功能，必须选择合适的元器件，对于整体设计的硬件部分主要包括驱动电路的设计，软件部分主要包括程序的编写。本系统采用热电偶温度自动控制系统，具体系统设计流程图如图 2-1 所示：设计方案元器件选择电路设计整体综合软件设计程序输入图 2-1 系统设计流程图2.2 功能描述（1）通过温度传感器感测密闭空间温度，将感测到的温度信号经过信号处理电路，传递给单片机接口，控制系统单片机对整个控制系统进行解析；AT89C51（2）当人在键盘上输入温度设定值后，芯片接收输入信号，单片机AT89C51开始控制加热模块，判断是否对系统进行加热，假如没有设定值，系统不给密闭空间加热，密闭空间温度不变化；（3）本系统带有报警装置，假如温度控系统的任意一模块不工作，即密闭空间在控制的情况下，偏离设定值过大，系统便会发生报警；（4）液晶显示器会显示密闭空间不同的温度值，因为键盘上的温度设置值不同，''整个系统控制的密闭空间温度也不同。2.3 温度控制系统硬件电路框图本研究能够实现单片机对密闭空间内温度的有效控制的功能，通过单片机对温度的智能控制，从而实现温度智能化控制的目的。系统结构框图如图 2-2所示图 2-2 系统结构框图AT89C51控制器液晶显示电路加热模块控制键盘电路信号处理电路蜂鸣器警报模块温度信号采集''第三章第三章 温度控制系统硬件设计温度控制系统硬件设计3.1 硬件设计方案根据设计需求构建原理图，选择合适的控制芯片，分别实现对温度传感器的选择及温度传感器信号处理电路的设计；液晶显示器电路的设计；蜂鸣器报警模块的设计；加热模块控制电路的设计；键盘电路的设计。其中主要包括电路的设计，电子器件的选择。目前在现有的设计中，温度传感器的选择及温度传感器信号处理电路的设计、液晶显示器电路的设计和加热模块控制电路的设计参考线路图样本较多，选择难度不大，而蜂鸣器报警模块的设计难度较大，如何选择误差，让大众更容易接受，比较有技术含量。3.2 单片机系统介绍在整个系统的控制中，采用单片机处理芯片对课题的设计对象进AT89C51行控制，主要有一下一些特性3：AT89C51（1）芯片面向的控制对象为 8 位 CPU；AT89C51（2）芯片内有 4KB ROM 的程序存储器；AT89C51Flash（3）芯片内有 128B 的片内数据存储器；AT89C51（4）可寻址 64KB 的片外程序存储器和片外数据存储器控制电路；（5）在芯片中有 2 个 16 位的定时/计数器；AT89C51（6）芯片中共有 32 条可以单独编程的接口，4 个并行 I/O 接口；I/O（7）芯片中有 2 个中断优先级，5 个中断源；AT89C51（8）在芯片中还可有掉电保护模式和低功耗的闲置；AT89C51单片机除了以上一些特征外，而且物美价廉，外围电路相对而言AT89C51较为简单。在实际应用中，此款单片机的工作频率比较低，但是对于整个设计系统，此工作频率足以满足整个系统的控制。单片机有 32 个 I/O 端AT89C51口，这样便于整体设计，如图 3-1 所示为单片机控制系统。''图 3-1 单片机控制系统在如图 3-1 所示的单片机控制系统中，AT89C51 单片机拥有两个外部中断、两个 16 位的定时器和两个可编程串行 UART 的单片机。因此 AT89C51 单片机作为中心控制模块完全满足设计需求，从而满足整个控制系统。AT89C51 单片机的引脚如图 3-2 所示图 3-2 AT89C51 引脚图AT89C51 单片机引脚说明：VCC：单片机电源''GND：单片机接地引脚端口：端口为 8 位漏级开路双向 I/O 端口。此端口为输出端口，其0P0P中端口的每一位都能带动 8 个 TTL 逻辑电平。当端口输出信号为“1”时，0P表示高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，端口为低 8 位地址/数0P据复用。此种情况，端口表示内部上拉电阻。当操作时假如用 flash 编程，0P则端口也可以用来工作：在程序验证的过程中，需要上拉电阻，输出指令字0P节。端口：端口有内置上拉电阻，8 位双向 I/O 端口，端口可驱动 41P1P1P个 TTL 逻辑电平。当端口输出信号为“1”时，将输出电流。并且与其它1PLLI单片机不同之处是，和可以作为定时/计数器 2 的外部计数输入（0 . 1P1 . 1P/）和输出（/） ，具体情况如表 3-1 所示。0 . 1P2T1 . 1PEXT2表 3-1 和的其它功能0 . 1P1 . 1P引脚号功能特性0 . 1P（定时/计数器 2 外部计数脉冲输入） ，时钟输出2T1 . 1P定时/计数 2 捕获/重装载触发和方向控制EXT2当 Flash 编程和校验的过程中，端口会接收低 8 位地址字节。端口：1P2P端口有内置上拉电阻 8 位双向 I/O 端口，端口可驱动 4 个 TTL 逻辑电平。2P2P当端口输出信号为“1”时，由于端口被内部上拉电阻拉高，此端口便有了1P输入端口的功能，当此端口为输入端口时，较低的引脚将输出电流为 ILL 。AT89C51 单片机片内存储器售后通常处于擦除状态,即每个地址单元内容均为 FFH,因此人们可随时对其编程4-5。当访问外部存储器或者通过 16 位的地址访问外部大量的存储设备时，端口会输出 8 位的地址。在此种情况下，2P端口会发送 1，在使用 8 位的地址访问外部大量的存储设备时，端口会2P2P输出端口锁存器的部分内容。在 Flash 校验的过程中，端口会接收 8 位2P2P地址和一些其它的控制信号。端口：端口有内置上拉电阻 8 位双向 I/O 端口，端口可驱动 4 个3P3P3PTTL 逻辑电平。当端口输出信号为“1”时，由于端口被内部上拉电阻拉高，3P此端口便有了输入端口的功能。当此端口为输入端口时，较低的引脚将输出电流为 ILL。端口除了作为 I/O 接口外，还有其它功能功能，如表 3-2 所示。3P表 3-2 端口的其它功能3P引脚号第二功能''0 . 3P（串行输入）RXD1 . 3P（串行输出）TXD2 . 3P（外部中断 0）0INT3 . 3P（外部中断 1）1INT4 . 3P（定时器 0 外部输入）0T5 . 3P（定时器 1 外部输入）1T6 . 3P（外部数据存储器写选通）WR7 . 3P（外部数据存储器读选通）RD当 Flash 编程和校验的过程中，P3 端口会接收一些控制信号。：表示复位。当晶振工作，管脚会以 2 个机器周期高电平使单片RSTRST机复位。：当访问外部存储设备时，ALE 地址锁存器控制信号会锁存低PROGALE /8 位地址输出脉冲。当 Flash 编程的过程中，引脚（）也会使用此作为PROGFlash 编程的输入脉冲。在正常使用的过程中，输出脉冲仅为晶振的 1/6，此时可用着外部定ALE时器或者时钟，然而，需要注意的是，在访问外部存储器时，脉冲会ALEALE有部分跳动。如果将的 0 位置设置为“1” ，此时失效。此时的“1” ，仅在SFRALEALE执行指令或者时，才能正常工作。否则，会被拉高，在外MOVXMOVCALE部执行模式下会失效。：外部程序储存器选通信号（）是外部程序存储设备的选通PSENPSEN信号。当 AT89C51 单片机执行外部存储设备的代码时，在每个机器周期会被激活两次，而访问外部存储设备时，将不能激活。PSENPSEN：访问外部程序存储器控制信号。当接口从 0000HFFFFH 的外部VPPEA/程序存储设备中读取相应的指令时，端口需要保持低电平而接地。而执行内EA部的程序指令时，端口需要接。EAVCC当 flash 编程和校验的过程中，可以接 12V（VPP）电压。EA：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。1XTAL：振荡器反相放大器的输出端。2XTAL''3.3 温度信号采集模块的设计3.3.1 温度传感器的选择温度传感器的选择在温度控制系统的设计中占有重要地位，如今在市场上所见的温度传感器，价格低廉的温度传感器灵敏度不高，且很容易出现问题，灵敏度高的温度传感器，却价格昂贵，并不实用。因此，本设计在设计之初考虑到了这些因素的影响，根据具体的应用场合选择使用不同的温度传感器，且整体设计并不因为传感器的选择而发生变化。作为样本，本设计选择智能温度传感器6，样本温度传2018BDS2018BDS感器的分辨率可达到 12 位，识别 0.0625的温度。传感器具有独立2018BDS输出信号和处理信号的功能，而且只需要一位与芯片的接口，抗干扰AT89C51能力强，温度测量范围为，在本设计中简单实用。67125CC采用 1-总线的数据传输的温度传感器，采取总线的方式不仅可以2018BDS大大降低硬件成本,同时也有利于系统的扩展设计,所以串行总线广泛应用于单片机测控中7。此采取的数字化单总线技术8，这样感测的温度信息可以从接口单线传出，指令信号也可以单线传入中，因此温度传感2018BDS2018BDS器与单片机的接口不像别的传感器那么复杂，只需要一条线，连接温度感测部分。温度传感器的供电方式，可以采用总线的供电方式，也可以采用外部电源供电的方式9。在传感器上有唯一的系列号，因而一条总线上可以放置多个2018BDS温度传感器，这样就可以增多本设计的适用场合，比如火力发电厂、2018BDS浴室、植物的培植室等众多场所。关于温度传感器的内部结构图如图2018BDS3-3 所示，温度传感器的引脚说明在表 3-3 所示。2018BDS图 3-3 内部结构图2018BDS表 3-3 的引脚说明2018BDS引脚符号说明1GND接地2DQ单线数据的输入/输出''3VCC可供选择的 VDD 两种供电方式单片机与温度传感器结合的设计可以从通信线上得到AT89C512018BDS电源10，此工作原理为：当信号线为高电平时，接上电源，给电容器充电，当信号线为低电平时，断开电源，此时电容器供电，直到信号线再为高电平时，传感器接上电源，从电容器充电，反复运行。另一种工作方法为温度2018BDS传感器外接 5V 电源直接供电。此温度传感器与芯片的接线2018BDSAT89C51如图 3-4 所示。图 3-4 图 3.2 与接线方式2018BDSAT89C513.3.2 信号放大电路在基于单片机的温度控制系统的设计中，信号放大的电路部分属于 V-V 放大，主要是对温度传感器感测空间温度信号的放大。前面温度传感器2018BDS传输过来的信号经过差动放大器放大后，才能经过 A/D 转换器进行模拟信号、数字信号的转换，最后将数字信号送入单片机中处理，实现单片机对温度的控制。放大器的极数与单极放大器的带宽增益相关，在这里我们选用差分式斩波稳零高精度的运算放大器。其中，一级放大器可以接成双端差分的输7650ICL入，单端的输出形式。将放大器连接成 T 型反馈网络的形式，那么此放大器的放大倍数：)/1 (526432640102 RRRR RRRR UUAvv u在实际应用中，各类元器件可以按照实际情况选定，通过电阻微调电阻2vR实现系统需求。3.3.3 A/D 转换电路''A/D 转化电路的功能主要是将模拟信号转换成数字信号，它是将温度传感器测量的温度信号传递给单片机的一个重要环节。如图 3-5 所示为芯片574AD的引脚图。图 3-5 引脚图 图 3-6 8255 引脚图574ADA/D 转换芯片主要由两个部分组成，一个为模拟芯片，另一个为数574AD字芯片。模拟芯片由高性能的转换器和参考电压构成，数字芯片由逻辑565AD控制电路和三态缓冲器构成。芯片有以下功能特性：574AD芯片的分辨率：12 位；芯片的非线性误差： #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned longdoubledouble pv,sv,ei,ex,ey,K,Ti,Td,q0,q1,q2,op,x,ux,tv; uint Ts;voidvoid main(voidvoid) / 主程序 ex=0;ey=0;sv=80; /设定值 K=1;Ti=10;Td=0;Ts=100;LTC1446(0,0);RCAP2H=0x4C; /100ms 计时RCAP2L=0x00;TR2=1;ET2=1;EA=1;whilewhile(1); timer2 () interrupt 5 staticstatic uchar t;''38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60TF2=0;t+;ifif(t=2)t=0; pv=ADC7366(); /AI1 通道采集 ei=sv-20*pv;q0=K*(ei-ex);ifif(Ti=0)q1=0;elseelseq1=K*0.001*Ts*ei/Ti;q2=1000*K*Td*(ei-2*ex+ey)/Ts;ey=ex;ex=ei;op=op+q0+q1+q2; ifif(op>4.5)op=4.5;ifif(op0;j-) /DA1 输出 ifif(aelseelseDA_DIN=0;DA_CLK=0;DA_CLK=1;a=a0;j-) /DA0 输出 ifif(belseelseDA_DIN=0;DA_CLK=0;DA_CLK=1;b=b#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned longsbit cs=P36;sbit addr=P11;sbit busy=P31;''13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56sbit sclk=P35;sbit outa=P14;sbit outb=P30;sbit cnvst=P34;sbit rang0=P12;sbit rang1=P13;sbit refsel=P37;uint data1=0x0000,data2=0x0000;uint data3=0x0000,data4=0x0000;floatfloat out1,out2;/*初始化* voidvoid st0(voidvoid) refsel=1; /内部参考电压rang0=0; /输入范围-10V 到+10Vrang1=0; addr=0; /通道选择cnvst=1;sclk=1;cs=1; /*启动 AD 转换* voidvoid st1(voidvoid) cs=1;addr=0;sclk=1;cnvst=0; /*启动转换输出* st3(uint *Hdata1,uint *Hdata2) uchar i; uint j;*Hdata1=0;*Hdata2=0;j=0x0800;cnvst=1;cs=0;''57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100forfor(i=0;i>i);elseelse*Hdata1=*Hdata1;ifif(outb)*Hdata2=*Hdata2|(j>>i);elseelse*Hdata2=*Hdata2; sclk=0; /*Hdata2=0x0802; /*等待转换结束* voidvoid st2(voidvoid) whilewhile(busy=1) ;st3( /*转换结束* voidvoid st4(voidvoid) cs=1;cnvst=1; /*ADC7366 函数调用* doubledouble ADC7366(voidvoid) uchar i;uint symbol_1=0x0000,symbol_2=0x0000;st0();st1();''101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141forfor(i=0;i<5;i+) ;st2();st4();/*通道 1 转换成电压值symbol_1=data1ifif(symbol_1!=0) data3=data1data3=(data3-1);data3=data3out1=-(data3/204.8); elseelse data3 = data1out1=data3/204.8; /*通道 2 转换成电压值symbol_2=data2ifif(symbol_2!=0) data4=data2data4=(data4-1);data4=data4out2=-(data4/204.8); elseelse data4 = data2out2=data4/204.8; returnreturn(out1);''致 谢本文是在我的导师XXXX. 老师的悉心指导下完成的。XXXX. 老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。同时，对我的论文工作也提出了许多宝贵的意见，在此表示衷心的感谢！另外，也感谢我的家人和朋友，他们的理解与支持使我能够顺利完成了我的学业！