基于单片机的温度控制系统设计本科学位论文.doc
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1、目 录目 录1摘 要2前 言3第1章 任务分析与方案确定41.1数据采集电路分析41.2数据处理和显示电路分析51.2.1 单片机系统分析51.2.2 显示与键盘分析61.3 继电器电路分析71.4 通信接口电路分析7第2章 系统硬件设计92.1数据采集电路92.1.1 DS18S20数字温度传感器性能描述92.1.2 DS18S20数字温度传感器与AT89C51连接92.2 数据处理和显示电路102.2.1 AT89C51102.2.2 控制器、振荡源和复位电路132.2.3键盘与显示电路142.3 继电器电路172.4通信接口电路18第3章 软件设计20文献翻译38总 结41参 考 文 献
2、42附录摘 要以DS18S20和AT89C51为核心,该系统有四个部分:数据采集,数据处理和显示,终端接收,继电器电路。具体包括A/D转换器、温度显示、温度控制、个人计算机等。设计中用DS18S20进行温度的测量和模数转换,利用AT89C5单片机的串行口发送和接收数据,利用继电器的吸合进行温度的调整。显示部分由AT89C51、上拉电阻和LCD数码显示器构成。硬件设计应用电子设计自动化工具,软件设计采用C语言编程方法模块化编程。关键字:数据采集,温度控制,串行口,模块化编程 前 言随着计算机技术的飞速发展和普及,检测系统在多个领域有着广泛的应用。检测是工、农业控制系统中至关重要的一环,在医药、化
3、工、食品、等领域的生产过程中,往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。同时,还要对某一检测点任意参数能够进行随机查寻,将其在某一时间段内检测得到的数据经过转换提取出来,以便进行比较,做出决策,调整控制方案,提高产品的合格率,产生良好的经济效益。 随着工、农业的发展,检测系统势必将得到越来越多的应用,为适应这一趋势,作这方面的研究就显得十分重要。在科学研究中,运用检测系统可获得大量的动态信息,也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。总之,不论在哪个应用领域中,数据的测量和控制将直接影响工作效率和所取得的经济效益。 此外,计算机的发展对通信起了巨大的推动作用,计算机和通信紧密结
4、合构成了灵活多样的通信控制系统,也可以构成强有力的信息处理系统,这样对社会的发展产生了深远的影响。数据通信是计算机广泛应用的必然产物。检测系统,从严格的意义上来说,应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测,并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息,供显示、记录、打印或描绘的系统。由于RS-232在微机通信接口中广泛采用,技术已相当成熟。在近端与远端通信过程中,采用串行RS-232标准,实现PC机与单片机间的数据传输。第1章 任务分析与方案确定鉴于课程设计的要求,此次课程设计选择为温度测控系统的设计。当温控开关打开时,若测得环境温度大于设定温度,则继电器吸合,
5、启动压缩机工作;若测得环境温度小于设定温度,则继电器释放, 压缩机停止工作。该测控系统可以应用于对温度控制精度要求不是很高的场合,例如,粮仓, 电冰箱,空调,电饭锅等。如果配以通讯接口,可以做成多点温度检测监控系统。具有极强的扩展性。根据系统基本要求,将本系统划分为如下几个部分:1. 数据采集电路 2. 数据处理和显示电路3. 继电器电路4. 通信接口电路本温度测控系统系统框图设计如图1-1所示。 图1-1 系统框图1.1 数据采集电路分析本课程设计要求对温度进行测量,待测量一般不能直接被转换成数字量,通常要进行放大、特性补偿、滤波等环节的预处理。被测信号往往因为幅值较小,而且可能还含有多余的
6、高频分量等原因,不能直接送给A/D转换器,需对其进行必要的处理,即信号调理。如对信号进行放大、衰减、滤波等。为减少电路的繁复,故本测控系统数据采集系统中采用集成温度采集元件与A/D转换元件配合使用。硬件选择为DS18S20数字温度传感器数据采集方式有顺序控制数据采集和程序控制数据采集。方案一:顺序控制数据采集,顾名思义,它是对各路被采集参数,按时间顺序依次轮流采样。系统的性能完全由硬件设备决定。在每次的采集过程中,所采集参数的数目、采样点数、采样速率、采样精度都固定不变。若要改变这些指标,需改变接线或更换设备方能实现。方案二:程序控制数据采集,由硬件和软件两部分组成。,据不同的采集需要,在程序
7、存储器中,存放若干种信号采集程序,选择相应的采集程序进行采集工作,还可通过编新的程序,以满足不同采样任务的要求。由于顺序控制数据采集方式缺乏通用性和灵活性,所以本设计中选用程序控制数据采集方式。1.2 数据处理和显示电路分析 用单片机作为这一控制系统的核心,接受来自DS18S20的数据,经处理后通过串口传送,由于系统功能简单,键盘仅由四个开关和一个外部中断端组成,完成设定温度的选择,单片机通过上拉电阻与LCD数码显示器相连。1.2.1 单片机系统分析1.复位电路 单片机在开机时都需要复位,以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。AT89C51的RST
8、引脚是复位信号的输入端。复位电平是高电平有效,持续时间要有24个时钟周期以上。本系统中单片机时钟频率为12MHz则复位脉冲至少应为8us。方案一:上电复位电路上电瞬间,RST端的的电位与Vcc相同,随着电容的逐步充电,充电电流减小,RST电位逐渐下降。上电复位所需的最短时间是振荡器建立时间加上二个机器周期,在这段时间里,振荡建立时间不超过10ms。复位电路的典型参数为:C取10uF,R取8.2k,故时间常数=RC=10108.210=82ms以满足要求。方案二:外部复位电路按下开关时,电源通过电阻对外接电容进行充电,使RES端为高电平,复位按钮松开后,电容通过下拉电阻放电,逐渐使RET端恢复低
9、电平。方案三:上电外部复位电路 典型的上电外部复位电路是既具有上电复位又具有外部复位电路,上电瞬间,C与Rx构成充电电路,RST引脚出现正脉冲,只要RST保持足够的高电平,就能使单片机复位。一般取C=22uF,R=200,Rx=1k,此时=2210110=22ms当按下按钮,RST出现5=4.2V时,使单片机复位。本设计采用方案三。2.振荡源 在AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1(19)、XTAL2(18)分别是此放大器的输入端和输出端。方案一:内部方式与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起组成一个自激振荡器。方案二:外部方式外部振荡器信号的接法与芯片类
10、型有关。CMOS工艺的MCU其XTAL1端接外部时钟信号,XTAL2端可悬空。HMOS工艺的MCU则XTAL2端接外部时钟信号,XTAL1端须接地。本设计采用方案一。 1.2.2 显示与键盘分析对系统发出命令和输出显示测量结果,主要是由键盘和显示器组成。1.键盘电路的确定 为了在控制系统中完成不同功能,还需要为该系统设置键盘。由于功能要求简单,仅用四个按键即可完成相关功能,降低了系统的硬件开销,软件处理简单。2.显示器方案确定方案一:LED数码显示管用多只LED数码显示器来表示该十进制数,为实现通道的选取,用键盘实现控制功能。用LED数码管在译码方式,显示方法上都还要再做选择。方案二:LCD液
11、晶显示器 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点:1.显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度,恒定发光,而不像阴极射线管显示器(CRT)那样需要不断刷新新亮点。因此,液晶显示器画质高且不会闪烁。2.数字式接口液晶显示器都是数字式的,和单片机系统的接口更加简单可靠,操作更加方便。3.体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的,在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。4.功耗低相对而言,液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上,因而耗电量比其它显示器要少得多。故本设计采用LCD液晶显示器。 1.3 继电器电
12、路分析本温度测控系统对温度的控制由单片机通过光耦对继电器进行控制,电路设计选择简单,故不多述。1.4 通信接口电路分析1.传输方式的选择串行通信有同步和异步两种工作方式。方案一:同步方式要求发送与接受保持严格同步,由于串行传输逐位按顺序进行,为了约定数据是由哪一位开始传输,需设定同步字符。此方式传输速度快,但硬件复杂。方案二:异步方式,规定了数据传输格式,每个数据均以相同的帧格式传送,每帧信息由起始位、数据位、奇偶效验位和停止位组成。帧与帧间用高电平分隔开,但每帧均需附加位,降低了传输效率。异步通信依靠起始位、停止位保持通信同步。对硬件的要求低,实现起来比较简单、灵活,适用于数据的随机发送/接
13、收,一般适用于509600bps的低速串行通信。2.电平转换芯片选择RS-232规定的电平和一般微处理器的逻辑电平不一致,必须进行电平转换。方案一:采用MCl488和MCl489芯片的转换接口MCl488和MCl489芯片为早期的RS-232至TTL逻辑电平的转换芯片,需要12V电压,并且功耗较大,不适合用于低功耗的系统。方案二:采用MAX232芯片的转换接口MAX232是MAXIM公司的产品,包含两路驱动器和接收器的RS-232转换芯片。芯片内部有一个电压转换器,可以把输入的+5V电压转换为RS-232接口所需的10V电压,尤其适用于没有12V的单电源系统。由于RS-232信号电平与MSC-
14、51型单片机信号电平(TTL电平)不一致,因此采用RS-232标准时,必须进行信号的电平转换。RS-232与TTL电平转换芯片各有特点,此处选用MAXIM公司的MAX232芯片。小结:经简单的理论分析,本系统数据采集部分采用DS18S20,单片机系统选用AT89C51构成的最小系统,用LCD液晶显示器显示采集到的数据,数据传输则选用RS232标准,实现单片机与PC机的通信。第2章 系统硬件设计2.1数据采集电路2.1.1 DS18S20数字温度传感器性能描述 图2-1 DS18S20管脚图DS18S20数字温度传感器具有耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样的特点,适用于各种狭小空间设备数字
15、测温和控制领域。 1 独特的单线接口方式,DS18S20在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。 2 测温范围 55125,固有测温分辨率0.5。 3 支持多点组网功能,多个DS18S20可以并联在唯一的三线上,实现多点测温 4 工作电源: 35V/DC 5 在使用中不需要任何外围元件,测量结果以912位数字量方式串行传送 6 适用于各种介质工业管道温度测量和狭小空间设备测温控制. 7 标准安装螺纹 无, M10X1, M12X1.5, G1/2”任选 8 PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。 2.1.2 DS18S20数字温度传
16、感器与AT89C51连接由于DS18S20在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,故其连线简单,如图2-2。 图2-2 DS18S20与 AT89C51连接图2.2 数据处理和显示电路2.2.1 AT89C51AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和 128 bytes 的随机存取数据存储器(RAM),器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产, 兼容标准 MCS-51 指令系统,片内置通用 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元,功
17、能强大 AT89C51 单片机可为您提 供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。 图2-3 AT89C51管脚图主要性能参数:与 MCS-51 产品指令系统完全兼容4k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器1000 次擦写周期全静态操作:0Hz24MHz三级加密程序存储器1288 字节内部 RAM32 个可编程 IO 口线2 个 16 位定时计数器6 个中断源可编程串行 UART 通道低功耗空闲和掉电模式功能特性概述:AT89C51 提供以下标准功能:4k 字节 Flash 闪速存储器,128 字节内部 RAM,32 个 IO 口线,两个 16 位定时计 数器,一个 5 向量两级中
18、断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻 辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作,但允许 RAM,定时计数器,串行通信口及 中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。引脚功能说明:Vcc:电源电压GND:地 P0 口:是一组 8 位漏极开路型双向 IO 口,也即地址数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址
19、(低 8 位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上 拉电阻。在 FIash 编程时,P0 口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。P1 口:P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口,P1 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑 门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉 电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。FIash 编程和程序校验期间,P1 接收低 8 位地址。P2 口:P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口,P2 的输出缓冲级可驱动
20、(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻 辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上 拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器(例如执行 MOVXDPTR 指令)时,P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器(如执行 MOVXRI 指令)时,P2 口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中 R2 寄存器的内容),在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时,P2 亦接收高位地址和其它控制信号。P3 口:P3 口是一组带有内部上拉电阻的
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