2021單片機課程設計——基于51單片機的溫度控制系統(tǒng)設計

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1、單片機課程設計——基于51單片機的溫度控制系統(tǒng)設計 -- 單片機課程設計報告 題目：溫度控制系統(tǒng)設計 學院:通信與信息工程學院 專業(yè)：測控技術與儀器專業(yè) 班級: 測控三班 成員: 徐郡 二〇一四年六月十二日 -- -- 一、引言 溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一,特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同,則采用的測溫元件、測方法以及對溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。

2、 隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展,微機測量和控制技術也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。利用微機對溫度進行測控的技術,也便隨之而生,并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。 作為獲取信息的手段——傳感器技術得到了顯著的進步，其應用領域較廣泛。傳感器技術已成為衡量一個國家科學技術發(fā)展水平的重要標志之一。因此,了解并掌握各類傳感器的基本結構、工作原理及特性是非常重要的。 為了提高對傳感器的認識和了解,尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途,基于實用、廣泛和典型的原則而設計了本系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用傳感器與單片機相結合，應用性比較強，本系統(tǒng)可以作為倉庫溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫

3、度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實驗室溫度監(jiān)控系統(tǒng)，以及構成智能電飯煲等等。課題主要任務是完成環(huán)境溫度監(jiān)測，利用單片機實現(xiàn)溫度監(jiān)測并通過報警信號提示溫度異常。本設計具有操作方便,控制靈活等優(yōu)點。 本設計系統(tǒng)包括單片機,溫度采集模塊，顯示模塊，按鍵控制模塊,報警和指示模塊五個部分。文中對每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細介紹。整個系統(tǒng)的核心是進行溫度監(jiān)控,完成了課題所有要求。 二、實驗目的和要求 2.1學習ＤS18Ｂ20溫度傳感芯片的結構和工作原理。 ２.2掌握LEＤ數(shù)碼管顯示的原理及編程方法。 2.3掌握獨立式鍵盤的原理及使用方法。 2.4掌握51系列單片機數(shù)據(jù)采集及處理的方法。 三、方案設計 --

4、 -- 總體設計方案采用ＡT8９C５2單片機作控制器,溫度傳感器選用DS18B20來設計數(shù)字溫度計,系統(tǒng)由5個模塊組成：主控制器、測溫電路、顯示電路、控制電路、報警及指示電路。主控制器由單片機AT８9Ｃ5２實現(xiàn)，測溫電路由ＤＳ18Ｂ２０溫度傳感器實現(xiàn)，顯示電路由4位LＥD數(shù)碼管直讀顯示,，報警指示電路由蜂鳴器和發(fā)光二級管構成,控制電路由按鍵構成。本設計所使用的數(shù)字溫度計與傳統(tǒng)的溫度計相比,具有讀數(shù)方便，測溫范圍廣，測溫準確等特點，其輸出溫度采用數(shù)字顯示，主要用于對溫度的精度要求較高的場所，或科研實驗室使用，并且加有報警裝置,超過限制溫度可發(fā)出報警信號，還可以調(diào)整報警上下限溫度。該設計控制器使

5、用單片機AT8９C52，測溫傳感器使用DS18B2０，用4位共陽極LED數(shù)碼管以I/O口傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溫度顯示,能準確達到以上要求。 四、實驗原理 利用溫度傳感器芯片監(jiān)測環(huán)境溫度,將溫度信號轉換為數(shù)字信號傳送到單片機內(nèi)部，單片機通過對溫度數(shù)據(jù)進行處理，利用四位八段數(shù)碼管顯示環(huán)境溫度，并利用蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出超限警報信號。通過按鍵操作可以改變報警溫度的上下限。 五、材料清單 -- -- 六、基本芯片及其原理 ６.１單片機 ８９C５２是INＴEL公司MCS－51系列單片機中基本的產(chǎn)品，它采用IＮTEL 公司可靠的CHMOS工藝技術制造的高性能8位單片機,屬于標準的MCS-51的

6、HCMOS產(chǎn)品。它結合了ＨMOS的高速和高密度技術及CHMOS的低功耗特征,它基于標準的MCS-51單片機體系結構和指令系統(tǒng)，屬于80Ｃ51增強型單片機版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計數(shù)器等更多的功能,適合于類似馬達控制等應用場合。8９C52內(nèi)置８位中央處理單元、２56字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器ＲAＭ、８k片內(nèi)程序存儲器(ＲＯM)32個雙向輸入/輸出(I/O)口、3個１6位定時/計數(shù)器和5個兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口,片內(nèi)時鐘振蕩電路。此外,８９Ｃ５２還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結CPU而ＲAＭ定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下,保存ＲA

7、M數(shù)據(jù),時鐘振蕩停止,同時停止芯片內(nèi)其它功能。8９C52有ＰDIＰ(4０pｉｎ）和PLC Ｃ(４4ｐin)兩種封裝形式。 本次課程設計所使用的單片機為STC8９Ｃ５2單片機,是深圳宏晶科技生產(chǎn)的完全兼容INTEL公司MCS-51系列的單片機。 6.２溫度傳感器及其原理 傳感器ＤＳ18B20具有體積小、精度高、適用電壓寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點,在實際應用中取得了良好的測溫效果。 美國Ｄaｌlas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DＳ１８20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器,在其內(nèi)部使用了在板(ON－Ｂ0ARＤ)專利技術。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)

8、。“一線總線”獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡,為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。 現(xiàn)在，新一代的ＤS1８B20體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。使用戶可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點。同DS1820一樣,ＤS18B２０也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55C~＋125C，在-１０～+85Ｃ范圍內(nèi),精度為0．5C。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量,如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同,新的產(chǎn)品支持３V～5.５V的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。 ６.２．

9、１ DS18Ｂ２0的特性 （1)適應電壓范圍更寬,電壓范圍：3.0~5．5Ｖ,寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線 -- -- -- 供電。 （2）獨特的單線接口方式，ＤS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與D Ｓ18B ２０的雙向通訊。 (3）DS18Ｂ20支持多點組網(wǎng)功能，多個ＤS1８B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。 （４)D Ｓ18Ｂ20在使用中不需要任何外圍元件,全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 （５)溫范圍－55℃～+1２5℃,在-1０~+8５℃時精度為0.5℃。 （6)可編程的分辨率為９~1２位，對應的可分辨溫度

10、分別為０.5℃、0.２5℃、0．１2５℃和0.0６２5℃，可實現(xiàn)高精度測溫。 (7)在9位分辨率時最多在9３．75m ｓ內(nèi)把溫度轉換為數(shù)字，1２位分辨率時最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉換為數(shù)字,速度更快。 (８)測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU,同時可傳送C ＲC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。 （9）負壓特性:電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀,但不能正常工作。 6.2.2 DS1８B20內(nèi)部結構及DS １8B ２0的管腳排列 64位光刻R ＯM 是出廠前被光刻好的，它可以看作是該D Ｓ18Ｂ20的地址序列號。不同的器件地址序列號不同。D Ｓ１8Ｂ

11、2０內(nèi)部結構主要由四部分組成:64位光刻ＲO Ｍ，溫度傳感器，非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH 和ＴL,高速暫存器。 DS18B20的引腳定義： 圖一 D Ｓ1８Ｂ2０引腳定義 (1)D Ｑ為數(shù)字信號輸入/輸出端。 -- -- (２)G ＮＤ為電源地。 (3)VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 6.2.3 DS １8Ｂ2０的編程 (1）DS18B20的初始化： ①先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”。 ②延時(該時間要求的不是很嚴格,但是盡可能的短一點) ③數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”。 ④延時75０us （該時間的時間范圍可以從480us 到９60us ）

12、。 ⑤數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”。 ⑥延時等待(如果初始化成功則在15到60毫秒時間之內(nèi)產(chǎn)生一個由ＤS18B20所返回的低電平“0”。據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應注意不能無限的進行等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時控制)。 ⑦若CPU 讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0”后，還要做延時，其延時的時間從發(fā)出的高電平算起（第(5)步的時間算起)最少要４80微秒。 ⑧將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“１”后結束。 初始化程序代碼如下： void ds_r ｅｓet(voi ｄ） { ｃhar presence=1； while(pr ｅｓe ｎｃe) ?｛ ? wh ｉle(prese

13、nce) ?{ ???DQ=１; ? ?_n ｏp_(); ?_ｎｏｐ_(); ?ＤQ=０； ? dela ｙ(50); ? DQ=1; ??delay(6）; ?? pr ｅsence=DQ ； ??｝ ??ｄelay(４5); prese ｎce=~D Ｑ; } ＤQ=1; } （2)ＤＳ１8B ２0的寫操作： ①數(shù)據(jù)線先置低電平“０”。 ②延時確定的時間為15us 。 -- -- ③按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)(一次只發(fā)送一位)。 ④延時時間為45u ｓ。 ⑤將數(shù)據(jù)線拉到高電平。 ⑥重復上(1)到（6）的操作直到所有的字節(jié)

14、全部發(fā)送完為止。 ⑦最后將數(shù)據(jù)線拉高。 寫操作程序代碼如下： ｖoid ｄs_write(ｕc ｈar ds_w ｒdata ） { ?u ｃhar i; f ｏr(i=８;ｉ>0；i--） ?{ ? DQ=1; ? ＿no ｐ_(); _no ｐ＿（); ? D Ｑ=0; ? _n ｏp_(); ?＿ｎop_（); ??_ｎo ｐ_（); ?_n ｏｐ_(); ? ＤQ=ds_wrdata&０x ０１； //最低位移出 ?d ｅl ａy(6); d ｓ_w ｒda ｔa=d ｓ_ｗrdata/2; ／/右

15、移１位 ?} ＤQ ＝1; ?dela ｙ(1)； } (3)ＤＳ１8B20的讀操作: ①將數(shù)據(jù)線拉高“１”。 ②延時2ｕs 。 ③將數(shù)據(jù)線拉低“0”。 ④延時1５us 。 ⑤將數(shù)據(jù)線拉高“1”。 ⑥延時15us 。 ⑦讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個狀態(tài)位，并進行數(shù)據(jù)處理。 ⑧延時30ｕs 。 讀操作程序代碼如下: uc ｈar ｄs_rea ｄ(void ） { ?u ｃh ａｒ i; ?uc ｈar val ｕe=0； for(i ＝8;i>0；ｉ--) { -- -- DQ=1;_ｎop_(）; ??＿ｎop_(); ? valu ｅ>>=1; ? D Ｑ＝0

16、; ??_nop_(); ??_ｎｏp_(); ? _nop_(); ? _nop_（); ??ＤQ=1; ??_nop_(); ?＿nop ＿（）; ? _ｎo ｐ_(）; ＿ｎop_(）; ?ｉf （DQ)va ｌｕe|=0x80; del ａy(6）; ?} DQ=1; ｒeturn(va ｌue ）; } 6.2.４ DS18Ｂ2０傳感器的溫度數(shù)據(jù)關系 : 圖二 溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)關系 6．２.５ ＤS18Ｂ20的外部電源供電方式： 在外部電源供電方式下，ＤＳ18B20工作電源由ＶDD 引腳接入,此時I/O 線不需要強上拉，不存在電源

17、電流不足的問題,可以保證 轉換精度,同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B ２0傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。 -- -- 圖三 外部電源供電連接圖 七、系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)設計由５個模塊組成:主控制器(單片機）、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、控制電路模塊、報警及指示模塊。主控制器由單片機AT89C52實現(xiàn)，測溫電路由DS １8B ２0溫度傳感器實現(xiàn)，顯示電路由4位LED 數(shù)碼管直讀顯示，報警指示電路由蜂鳴器和發(fā)光二級管構成,控制電路由按鍵構成。 系統(tǒng)框圖如下： 圖四 系統(tǒng)框圖 溫度顯示 溫度采集 控制按鍵 報警指示 P1.0 P1.3~P1.7 P0.0~P0.7 P2.0~P2.3 P3.0~P3.3 單片機 -- 八、工作流程圖 8.1主程序流程圖 圖五主要功能流程圖 -- -- 圖六指示、報警模塊流程圖 圖七 -- -- 九、硬件電路圖 圖八顯示模塊 圖九按鍵控制模塊 --