单片机温度控制系统论文.doc

- -毕业论文题目：基于AT89S51的温度控制系统下 达 日 期： 2021 年 3月 9日开 始 日 期： 2021年3月 12日 完 成 日 期： 2021年6月 14 日 专 业：电气工程自动化专升本学 生 姓 名： 雷指 导 教 师：汤文兵理工大学成人教育学院二一 三 年 六 月 二十 日- word.zl- -基于AT89S51的温度控制系统学生： 雷指导教师：汤文兵理工大学成人教育学院摘 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，采用单片机对它们进展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。本温度设计采用现在流行的AT89S51单片机，配以DS18B20数字温度传感器，该温度传感器可自行设置温度上下限。单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进展比拟，由此作出判断是否启动继电器以开启设备。本设计还参加了常用的数码管显示及状态灯显示灯常用电路，使得整个设计更加完整，更加灵活。该设计已应用于花房，可对花房温度进展智能监控。关键词：温度箱；AT89S51；单片机；控制；模拟Temperature control system used single chip puterStudent:Xie HaijunInstructor: Zhu YuqinElectrical andInformation Engineering Department of Huainan Normal UniversityAbstract: The temperature is constantly in the daily life of physical and temperature controls in various fields have a positive meaning. A lot of businesses have a lot of power heating equipment, such as that used for the heat treatment furnace, for melting metal crucible resistance heaters and the various uses of temperature bins, SCM using their right to control not only easy to control, simple, such as the characteristics of flexibility, but can also significantly increase the temperature was charged with the technical indicators, which can greatly enhance the quality of the products. Therefore, intelligent temperature control technology is being widely adopted. The temperature was designed with the now popular AT89S51 SCM, and with DS18B20 digital temperature sensor, The temperature sensor can set up their own temperature collars. SCM will detect that the temperature of the input signal and temperature, the lower parisons this judgment whether to activate the relay to open the equipment. The design also includes monly used digital display and control state lights monly used circuit, making the whole design more plete, more flexible. The design has been applied to someone, to someone intelligent temperature control. Key word:Temperature; AT89S51;SCM;Control;Simulation目录一、引言21.1 温度控制系统设计的背景、开展历史及意义21.2 温度控制系统的目的21.3 温度控制系统完成的功能2二、总体设计方案32.1 方案一32.2 方案二3三、DS18B20温度传感器简介83.1 温度传感器的历史及简介83.2 DS18B20的工作原理83.2.1 DS18B20工作时序83.2.2 ROM操作命令103.3 DS18B20的测温原理113.3.1 DS18B20的测温原理:113.3.2 DS18B20的测温流程12四、单片机接口设计134.1 设计原那么134.2 引脚连接134.2.1 晶振电路134.2.2 串口引脚134.2.3 其它引脚14五、系统整体设计155.1 系统硬件电路设计155.1.1 主板电路设计155.1.2 各局部电路155.2 系统软件设计175.2.1 系统软件设计整体思路175.2.2 系统程序流图185.3 调试22六、完毕语24附录25参考文献32致33- word.zl- - word.zl- - word.zl- -一、引言1.1 温度控制系统设计的背景、开展历史及意义随着社会的开展，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开展的主流方向。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根本的物理量之一，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，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比方，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的围之；许多化学反响的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进展；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进展分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有适宜的温度环境，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。1.2 温度控制系统的目的本设计的容是温度测试控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比方温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。1.3 温度控制系统完成的功能本设计是对温度进展实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了根本的温度控制功能：当温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。当温度上升到下限温度以上时，停顿加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降，同时红灯亮。当温度下降到上限温度以下时，停顿降温。温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。三个数码管即时显示温度，准确到小数点一位。二、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，进展A/D转换后，就可以用单片机进展数据的处理，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，感温电路比拟麻烦。2.2 方案二考虑使用温度传感器，结合单片机电路设计，采用一只DS18B20温度传感器，直接读取被测温度值，之后进展转换，依次完成设计要求。比拟以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比拟简单，软件设计容易实现，故实际设计中拟采用方案二。在本系统的电路设计方框图如图2-1所示，它由三局部组成:控制局部主芯片采用单片机AT89S51；显示局部采用3位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示；温度采集局部采用DS18B20温度传感器。加热继电器电风扇继电器单 片 机DS18B20LED显示指示灯 图21 温度计电路总体设计方案1控制局部单片机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。2显示局部显示电路采用3位共阳LED数码管，从P0口送数，P2口扫描。3温度采集局部DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改良型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温。这一局部主要完成对温度信号的采集和转换工作，由DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口局部组成。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，单片机承受温度并存储。此局部只用到DS18B20和单片机，硬件很简单1) DS18B20的性能特点如下9： 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进展通信； 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 无须外部器件；可通过数据线供电，电压围为3.05.5V；零待机功耗；温度以3位数字显示；用户可定义报警设置；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；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。 2) DS18B20的部构造DS18B20采用3脚PR35封装，如图2-2所示；DS18B20的部构造，图22 DS18B20封装3) DS18B20部构造主要由四局部组成5： 64位光刻ROM。开场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可以采用一线进展通信的原因10。64位闪速ROM的构造如下。表21 ROM构造8b检验CRC48b序列号8b工厂代码10H MSB LSB MSB LSB MSB LSB图23 DS18B20部构造 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。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。高速暂存RAM的构造为8字节的存储器，构造如表2-2所示。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，为配置存放器，它的容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时存放器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。它的部存储器构造和字节定义如表23所示。低5位一直为，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率,如表23。表22 DS18B20部存储器构造Byte0温度测量值LSB50HByte1温度测量值MSB50HE2PROMByte2TH高温存放器-TH高温存放器Byte3TL低温存放器-TL 低温存放器Byte4配位存放器-配位存放器Byte5预留FFHByte6预留0CHByte7预留IOHByte8循环冗余码校验CRC表23 DS18B20字节定义TM R1R0 1 1 1 1 1由表24可见，分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM的第6、7、8字节保存未用，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。当DS18B20接收到温度转换命令后，开场启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表1.2是一局部温度值对应的二进制温度数据6。表24 DS18B20温度转换时间表R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750表25一局部温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90HCRC的产生在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值做比拟，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展。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数据。- word.zl- -三、DS18B20温度传感器简介3.1 温度传感器的历史及简介温度的测量是从金属(物质)的热胀冷缩开场。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它的缺点是只能近距离观测，而且水银有毒，玻璃管易碎。代替水银的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低，只能作为一个概略指示。不过在居民住宅中使用已可满足要求。在工业生产和实验研究中为了配合远传仪表指示，出现了许多不同的温度检测方法，常用的有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型、光纤式及石英谐振型等。它们都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值，热电势等)的变化的原理。随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器。3.2 DS18B20的工作原理3.2.1 DS18B20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进展复位；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进展预定的操作。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2.1，2.2，2.3所示。(1) 初始化时序图31 初始化时序总线上的所有传输过程都是以初始化开场的，主机响应应答脉冲。应答脉冲使主机知道，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，并进入承受模式，以产生低电平应答脉冲，假设为低电平，再延时480us12。(2) 写时序图32 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，都是以总线拉低开场。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，主机输出低电平，延时60us，然后释放总线，延时2us8。(3) 读时序 图33 读时序总线器件仅在主机发出读时序是，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要60us，且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之采样总线状态。主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取总线当前电平，然后延时50us43.2.2 ROM操作命令当主机收到DSl8B20 的响应信号后，便可以发出ROM 操作命令之一，这些命令如表3-1：ROM操作命令。表3-1 ROM操作命令指令约定代码功 能读ROM33H读DS18B20 ROM中的编码符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，单线总线上与该编码相对应的DS18B20 使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作好准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令，适用于单片工作。告警搜索命 令0ECH执行后，只有温度超过设定值上限或者下限的片子才做出响应温度变换44H启动DS18B20进展温度转换，转换时间最长为500MS，结果存入部9字节RAM中读暂存器0BEH读部RAM中9字节的容写暂存器4EH发出向部RAM的第3，4字节写上、下限温度数据命令，紧跟读命令之后，是传送两字节的数据复制暂存器48H将E2PRAM中第3，4字节容复制到E2PRAM中重调E2PRAM0BBH将E2PRAM中容恢复到RAM中的第3，4字节读 供 电方 式0B4H读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送“0，外接电源供电DS18B20发送“13.3DS18B20的测温原理3.3.1 DS18B20的测温原理:每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片ROM 中。主机在进入操作程序前必须用读ROM(33H)命令将该DSl8B20的序列号读出。程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进展温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。DS18B20的测温原理如图3-4所示，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，当计数门翻开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进展计数，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和温度存放器中，减法计数器1和温度存放器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度存放器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开场对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停顿温度存放器值的累加，此时温度存放器中的数值即为所测温度。图2.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度存放器值到达被测温度值. 另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进展。操作协议为：初始化DS18B20发复位脉冲发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。减法计数器斜坡累加器减到0减法计数器预 置低温度系数振 荡 器高温度系数振 荡 器计数比拟器预 置温度存放器减到0图34 测温原理部装置3.3.2 DS18B20的测温流程初始化DS18B20跳过ROM匹配温度变换延时1S跳过ROM匹配读暂存器转换成显示码数码管显示图35 DS18B20测温流程.- word.zl- -四、单片机接口设计4.1 设计原那么DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图3.1所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。本设计采用电源供电方式， P1.1口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89S51的P1.0来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10 s。采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三状态的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：l 初始化；l ROM操作指令；l 存储器操作指令。4.2 引脚连接4.2.1 晶振电路单片机XIAL1和XIAL2分别接30PF的电容，中间再并个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路。4.2.2 串口引脚 P0口接9个2.2K的排阻然后接到显示电路上。P1.0温度传感器DS18B20如图4-1所示。VccGND18B20P1.0单 片 机 图41 DS18B20与单片机的接口电路P1.1和P1.2引脚接继电器电路的4.7K电阻上，P1口其他引脚悬空P2口中P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别接到显示电路的4.7K电阻上，P2.5接蜂鸣器电路，其他引脚悬空P3口中P3.5、P3.6、P3.7接到按键电路4.2.3 其它引脚 ALE引脚悬空，复位引脚接到复位电路、VCC接电源、VSS接地、EA接电源- word.zl- -五、系统整体设计5.1 系统硬件电路设计5.1.1 主板电路设计单片机的P1.0接DS18B20的2号引脚，P0口送数P2口扫描，P1.1、P1.2控制加热器和电风扇的继电器。如附录2。5.1.2 各局部电路(1) 显示电路显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序的编写。图51 显示电路图(2) 单片机电路图52 单片机电路引脚图 (3) DS18B20温度传感器电路图5-3 温度传感器电路引脚图(4) 继电器电路图中P1.1引脚控制加热器继电器。给P1.1低电平，三极管导通，电磁铁触头放下来开场工作。图5-4 继电器电路图(5) 晶振控制电路图5-5 晶振控制电路图 (6) 复位电路图5-6复位电路图5.2 系统软件设计5.2.1 系统软件设计整体思路一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速开展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其部丰富的硬件资源和软件资源，采用与S51系列单片机相对应的51汇编语言和构造化程序设计方法进展软件编程。程序设计语言有三种：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是机器唯一能“懂的语言，用汇编语言或高级语言编写的程序称为源程序最终都必须翻译成机器语言的程序成为目标程序，计算机才能“看懂，然后逐一执行。高级语言是面向问题和计算过程的语言，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比拟快，也便于学习和交流，但是本系统却选用了汇编语言。原因在于，本系统是编制程序工作量不大、规模较小的单片机微控制系统，使用汇编语言可以不用像高级语言那样占用较多的存储空间，适合于存储容量较小的系统。同时，本系统对位处理要求很高，需要解决大量的逻辑控制问题。MCS51指令系统的指令长度较短，它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率，编成的程序占用存单元少，执行也非常的快捷，与本系统的应用要求很适合。而且MCS51指令系统有丰富的位操作或称位处理指令，可以形成一个相当完整的位操作指令子集，这是MCS51指令系统主要的优点之一。对于要求反响灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化产品，可以充分表达出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序初始化子程序、写程序和读程序5.2.2 系统程序流图系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，复位应答子程序，写入子程序等。1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，温度测量每1s进展一次。这样可以在一秒之测量一次被测温度，其程序流程见图5-7所示。通过调用读温度子程序把存入存储中的整数局部与小数局部分开存放在不同的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来图5-7 主程序流程图跳过ROM匹配命令写入子程序温度转换命令显示子程序(延时)写入子程序写入子程序DS18B20复位、应答子程序DS18B20复位、应答子程序跳过ROM匹配命令读温度命令子程序终 止图5-8 读出温度子程序2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，在读出时需进展CRC校验，校验有错时不进展温度数据的改写。 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到达预期的目的，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。3复位、应答子程序开场P1.0口清0延时537USP1.0口置150US是否有低电平否是标志位置1P1.0口置1有234US低电平标志位置1终止图5-9复位、应答子程序4写入子程序开场进位C清0终止R2是否为0P1.0置 0延时46US带进位右移延时12USP1.0清0图5-10写入子程序5)系统总的流程图- word.zl- -开 始初始化DS18B20显示当前温度判断当前温度值超过设定温度上限启动风扇降低温度红灯亮设定温度上、下限启动电热炉升高温度是否低于设定温度下限是绿灯亮否图5-11系统总的流程图5.3 调试主程序的功能是：启动DS18B20测量温度，将测量值与给定值进展比拟，假设测得温度小于设定值，那么进入加热阶段，置P1.1为低电平，这期间继续对温度进展监测，直到