基于单片机温度控制系统——硬件部分.doc

基于单片机温度控制系统硬件部分摘 要：本系统采用STC89C52单片机为检测控制中心,在硬件方面，主要应用性价比高的STC89C52单片机、LCD1602液晶显示屏、DS18B20温度传感器、7805三端稳压器等使用方便，价格适中的元器件，而软件方面，则使用C语言进行程序编写。基于设计成本和制作工艺的考虑，该系统设计在能满足基本的功能要求基础上尽量以低成本、高性能、可拓展原则来进行设计。关键词：温度控制、单片机、温度传感器 、温度测量Based on the single chip microcomputer temperature control system - the hardware partAbstract: this system adopts the STC89C52 single-chip microcomputer to detect and control center, in the aspect of hardware, the main application of cost-effective STC89C52 SCM, LCD1602 LCD 7805 three-terminal voltage regulator, DS18B20 temperature sensor, such as easy to use, moderate price of components, and software, using C language for programming. The whole system design on the basis of can realize the basic function as far as possible at low cost, high performance and scalable principles for design. Keywords: temperature control, microcontroller, temperature sensors, temperature measurement 目录第1章 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 课题研究的内容及要求11.2.1课题研究的内容11.2.2课题研究的要求21.3 课题的研究方案2第2章 设计理论基础42.1 STC89C52系列单片机介绍42.1.1 STC89C52系列引脚功能42.2 LCD1602液晶显示屏462.3 DS18B20温度传感器72.4 7805三端稳压器7第3章 硬件电路设计583.1 单片机控制单元83.2 电源输入模块93.3 温度采样模块103.4 显示模块103.5 温度控制模块113.6 晶振电路模块123.7 复位电路模块123.8 蜂鸣器模块13第4章 软件设计144.1 主程序流程图144.2 按键流程图144.3 温度流程图154.4 显示流程图16第5章 电路总体PCB设计及制版165.1 PCB设计和制版6165.2 最终成品18第6章 系统硬件调试7及结论分析196.1 硬件电路故障及解决方法196.2 系统仿真图196.3 作品整体调试206.4结论分析23第7章 心得体会23致谢25参考文献26附录 温度控制系统元件清单27基于单片机温度控制系统硬件部分专业班级：10通信工程（1）班 王明敏指导老师：祁浩东 讲师第1章 绪论1.1 课题的背景及意义在日趋发达的社会工农业生产中，温度测量变得越来越重要，同时，对测量精度的要求也随之提高，于是，各种新型的温度传感器1也如雨后春笋般出现在各行业中，与此同时，人们对温度的检测和控制方法也相应的提出了更高的要求，于是，智能化逐步成为温度控制的主流。一个足够智能的温度控制系统，可以广泛应用在室内温度监视、蔬菜大棚保温以及保证孵化棚温度等众多工农业生产中，并创造可观的收入和发展前景。另外，在某些特殊环境下，如果人工的去调试温度的测量会存在一定的危险性，考虑到作业人员的人身安全和一些突发状况，还有系统生产的成本，基于单片机智能化的温度控制系统逐渐将占据工农业生产中极其重要的位置。目前，相当多的温度控制系统使用的是电子式控制方式，其缺点：（1）由于系统整体比较复杂及受到限制的模拟仪表的实现功能，导致这些控制系统均采用最简单的控制方式，不能很好的提供控制性能；（2）系统使用的逻辑元器件过多而且残旧，使整个电路结构变得更为复杂，同时也让设备的日常维护与管理变得更为困难，综上所述，我们认为，此类控制系统已无法满足目前飞速增加的性能需求，而必须研发新的控制方式。通过不断查找资料和探索，我们提出了基于单片机的温度控制方式。1.2 课题研究的内容及要求1.2.1课题研究的内容本毕业设计研究的是基于单片机2的温度控制系统，在原本模拟控制系统的基础上做出改变。其主要思路如下:以STC89C52单片机为系统控制中心，通过外部按键人为设定系统温度的上下限值，利用DS18B20温度传感器完成环境温度的采集，温度会实时显示在LCD液晶显示屏上。当采集的温度高过设定温度值上限时，单片机通过三极管驱动控制制冷模块的继电器1开始工作，此时该继电器的红灯闪烁，蜂鸣器响一声，提醒制冷模块开始工作，风扇开始向外送风，制冷片开始制冷，当温度下降到低于设定值1时，制冷模块停止工作，温度保持在该温度。当采集的环境温度低于设定的温度值下限时，单片机通过控制三极管启动控制加热模块的继电器2工作。此时该继电器的红灯闪烁，蜂鸣器响一声，提醒加热模块开始工作，加热板开始加热，直到温度上升到高于设定下限值1时，加热模块停止工作，温度传感器继续实时监测环境的温度，通过液晶显示屏显示出来。整个系统有外接电源提供能源，12V的外接电压通过7805三端稳压器3稳压后向系统提供5V电源。按下开关按键系统即可工作。1.2.2课题研究的要求（1）能够在设定的温度范围内保持恒温。（2）能够实现加热或降温控制。（3）通过STC89C52单片机控制，温度的设定值由外部按键人为设定，采集到的温度值显示在使用的液晶显示屏上。（4）能够设定室内的温度值，设定范围是1545。（5）能够持续测量环境内的温度，采集到的温度值实时显示在使用的显示屏上。1.3 课题的研究方案在这次设计之前，经过对比、商议几种不同设计方案的利弊与实现难易度，我们得出的结果如下：方案一：（见图1-1）图1-1方案一图该方案是一种比较传统的采用模拟电路来进行控制的系统，负载是否进行加热或降温处理取决于反馈电路反馈回来的温度值与系统设定的温度值的比较，系统通过继电器驱动负载工作。另外，系统的温度值设定工作由电位器执行，比较难以随时改变。尽管采用了上下限比较电路，但还是无法达到要求的控制精度。另外也不能使用液晶显示屏或数码管显示。方案二：（见图1-2)图1-2 方案二图此方案采用STC89C52单片机来实现系统控制。使用单片机软件编程具有很多优点，而且系统的温度值可以由外部按键认为设定设定，并通过显示屏来实时显示室内实际值，为生产和生活带来极大方便。本方案选择的STC89C52内含存储器，没有外加元器件的冗余使整个系统变得更简洁，制作工艺变得更为容易。结论：方案一采用的是传统控制方式，无论是控制运算还是控制方式都很难进行修改，甚至有很多不能满足方案的可行性。而方案二选择以单片机为核心的控制系统，无论是系统的测试精度还是智能性都有了很大突破，另外，还可以通过按键实现温度控制值的设定，并显示出来，为人们的生活和生产带来极大方便。所以，经过对比、分析讨论方案的利弊、可行性、元器件采购的难易度等问题后，我们慎重的选择了方案二作为我们本毕业设计的执行方案。第2章 设计理论基础本设计系统主要由：输入电源、环境温度采集、温度显示、单片机控制、升温模块、降温模块等基本单元组成，接下来将对各单元进行详细的介绍。2.1 STC89C52系列单片机介绍 本次设计中我们选用的是STC89C524芯片，它是一种低电压、超强抗干扰、高性能COMOS8位的带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的微处理器，其指令代码完全兼容传统的8051单片机，通过烧入程序实现相应的功能。图2-1 STC89C52芯片实物图2.1.1 STC89C52系列引脚功能STC89C52共有40个引脚，其逻辑引脚图如图2-2所示：图2-2 STC89C52引脚图STC89C52引脚的各项功能具体解释如下表2-3所示： 表2-1 STC89C52引脚功能说明分类引脚名称功能说明主电源引脚（2根）VCC（Pin40）电源输入，接5V电源VSS接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1片内振荡电路的输入端XTAL2片内振荡电路的输出端控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)复位引脚 ALE/PROG(Pin30)地址锁存允许信号PSEN(Pin29)外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)根据电平的高低选择从内或外部ROM读指令可编程输入/输出引脚（32根）P0口（Pin39Pin32）8位双向输入/输出口线，名称为P0.0P0.7P1口(Pin1Pin8)8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7P2口(Pin21Pin28)8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7P3口(Pin10Pin17)8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.72.2 LCD1602液晶显示屏5LCD1602是指显示内容为16×2的液晶模块，2表示两行， 16表示16个字符，工作电压3.3V或5V，通过调节按钮可改变它的亮度，消耗的功率很小、实物的形状轻小，经常用于消耗功率低的应用系统中，采用标准的16脚接口，其引脚图如图2-4所示，具体说明如表2-4所示： 图2-3 LCD1602实物图 图2-4 LCD1602引脚图表2-2 LCD1602显示屏引脚说明表引脚名称说明1VSS接地端2VCC接电源端3V0液晶显示器对比度调整端4RS根据电平的高低选择不同的寄存器5RW读写信号线，高读，低写 6EN使能端714D0D78位双向数据端1516A/K空脚或背灯电源，15脚背光正极，16脚背光负极2.3 DS18B20温度传感器在以往的温度测量系统中，要想获得比较精确的测量值，需要解决很多问题，例如几个点之间的切换存在误差以及三极管放大电路中零点漂移产生的误差等，另外测试环境的恶劣程度，也会影响测量精度。所以，在温度测试系统中解决该类问题最好方法之一就是使用抗干扰强、测量精度高的新型传感器，特别是目前该类传感器价格低廉、性能较高，很受欢迎。这类传感器在实际生产过程中也被广泛使用，并且取得很好的测试效果，带来可观的经济效益。图2-5 DS18B20实物图DS18B20温度传感器的主要特征如下：1、测温范围为-55+1252、使用过程中，不需要外加任何元件，大大简化了电路的结构。3、工作电压比较低，一般为3-5.5V，由于可以数据线寄生电源，所以可以不增设外部工作电源，简单方便。4、测量得出的结果可以直接的输出十进制的9位数字信号，以“一线总线”方式传输给单片机进行处理，并且本身还有非常强的抗干扰纠错能力。2.4 7805三端稳压器7805三端稳压集成电路，其外表和普通的三极管很像，TO-220的标准封装，三端是指输出端、输入端和接地端，。用78系列三端稳压器来组成稳压电源，不仅所需的外围元件少，而且电路内部还包含过热、过流以及调整管的保护电路，使用起来方便、可靠，价格便宜，经常用于电子制作。图2-6 7805三端稳压器第3章 硬件电路设计6系统设计整体电路图如图3-1所示：图3-1 整体电路图3.1 单片机控制单元单片机STC89C52通过与温度传感器连接的P2.3引脚获得DS18B20温度传感器在所处环境中采集的温度，然后把得到的稳定值通过与显示屏连接的P0.0P0.7引脚传输给显示屏显示出来，再通过与当前设定的温度上下限值进行对比，当温度大于设定值上限，通过与压缩制冷器连接的P2.0引脚驱动继电器1开启压缩制冷器；当温度小于设定的温度值下限时，通过与加热器连接的P2.1引脚驱动继电器2开启加热器进行工作，当温度处于设定值上下限之间时，两者皆不工作。另外，单片机的温度值设定由外部按键根据具体情况和需求人为设定，相当方便简捷，按键控制电路如下图所示。图3-2 按键控制单元3.2 电源输入模块由于降温模块需要相对大的功率才能实现相对明显的降温效果，所以系统需要两种供电方式，5V为DS18B20和单片机供电，12V为升温降温模块供电。因此，需要独立设计供电模块，通过跳帽的方法为各部分提供电源。本系统只要利用7805三端稳压器把12V直流电压转换成5V直流电压。其电路图如图3-3所示。 图3-3 12V转5V电路图3.3 温度采样模块本系统使用DS18B20温度传感器来采集环境温度，测量灵敏、形状小巧，不仅提高了测量的精度而且简化了整个电路的结构，其电路结构如图3-4所示，STC89C52单片机通过与该传感器连接的P2.3引脚读取采集到的环境温度值，然后进行相关数据处理。图3-4 温度采集电路3.4 显示模块本部分主要使用LCD1602液晶显示屏。其电路结构如图3-5所示。单片机的P0口（P0.0P0.7）分别与显示屏的D0D7相连接，单片机通过该双向数据连接线把处理好的温度值传送到显示屏上，设计者可接查看测试结果。LCD显示屏的第3脚（VO）接一个滑动电阻，通过滑动该电阻可改变显示屏的明暗度，而显示屏上的最大最小温度值通过外部按键直接人为设定，这样可根据不同环境适时做出调整，灵活性大。图3-5 显示屏电路结构3.5 温度控制模块STC89C52单片机通过不同的三极管控制不同的继电器的开关，继电器所连接的不同负载（升温或降温模块）就会相应的执行工作指令进行加热或降温或恒温。加热部分用是12V 140恒温PTC加热片，制冷部分用的是半导体制冷片，整体用12V电源供电。当环境温度高于设定温度值上限时，单片机通过引脚P2.0发送低电平信号使控制继电器1的三极管导通，继电器1使电源与压缩制冷器接通，制冷器开始制冷，散风风扇开始向外送风，温度慢慢下降，直到下降到低于设定值1才停止制冷。如果环境温度比设定温度值下限小时，单片机通过引脚P2.1发送低电平信号使控制继电器2的三极管导通，电源和加热模块开始连接通电，加热器开始工作，温度慢慢上升，直到上升到高于设定值1时，加热器停止工作，加热停止。如果温度处于设定值上下限之间，单片机则会发送高电平信号使三极管进入截止状态，压缩制冷器或加热器与电源断开，停止工作。其工作电路如图3-6所示图3-6 温度控制电路3.6 晶振电路模块系统时钟频率由晶振决定，通常我们使用12MHZ的晶振，在单片机XTAL1和XTAL2接口上分别接30pF的瓦片电容，晶振并联在电路中，本系统的晶振电路如图3-7所示。图3-7 晶振电路3.7 复位电路模块本系统的复位电路如图3-8所示，按键S4与RET接口连接，只要S4按钮被按下单片机就会启动复位，程序被重新执行。图3-8 复位电路3.8 蜂鸣器模块蜂鸣器响声一般用作报警或提示音，在本系统中，蜂鸣器的作用是，当加热器或制冷器开始工作时响一下，用来提示加热器或制冷器开始工作。本系统中的蜂鸣器通过P2.4引脚与单片机连接，如图3-9所示。图3-9 蜂鸣器电路第4章 软件设计4.1 主程序流程图系统的主程序流程图如下图所示，当有信号输入时，主程序启动，根据内部设定的条件逐步运行，达到设计目的。图4-1主程序流程图4.2 按键流程图系统的按键流程图如图4-2所示。图4-2按键流程图4.3 温度流程图图4-3为系统的温度流程图，图4-3温度流程图4.4 显示流程图系统的显示流程图如图4-4所示，主要通过对传输过来的信号进行显示后，给操作者提供显示。图4-4显示流程图第5章 电路总体PCB设计及制版5.1 PCB设计和制版7根据图3-1的系统整体设计图画出PCB图，如图5-1所示。图5-1 PCB图最后根据PCB图制作出电路板，具体作品如图5-2和5-3所示。图5-2 电路板正面图5-3 电路板背面5.2 最终成品图5-4 作品整体图 图片上方的是散热风扇，制冷片粘合在风扇的下方，纸箱内部；系统的解热块和DS18B20传感器也置于纸箱内部。第6章 系统硬件调试8及结论分析6.1 硬件电路故障及解决方法1、电源故障：由于接入的是电网电压，与我们设计需要的电源电压值相差较大，如果直接接入可能会导致元器件烧毁、无法正常供电等问题。解决措施：设计接入电源先经过稳压电路，把12V电压转换成5V直流电压后，再接入系统的所需部件中，慢慢查看是否正常工作，如发现不妥，赶紧停电，再慢慢探讨原因和解决方法。2、电路板上的导线断裂、短线、画错了导线线：由于在画原理图和PCB图时出现误差或者制版过程中的焊接技术等问题而出现的故障。解决措施：首先在画原理图和PCB图的时候要认真细心的检查、然后改正，同时在洗板时也要仔细检查、及时改正，这样可以最大限度的降低错误的概率。3、元器件损坏：对元器件的性能各方面不熟悉的话，会造成很不多不必要的损失，我们在做设计过程中，就曾试过多次把程序烧入芯片中，但又不注意方法，把芯片烧坏了的情况。解决措施：在进行电路板制作之前，先熟悉各类元器件的性能及要求，严格按照焊接要求进行焊接，或者通过万用表检测元器件是否损坏，损坏的元器件及时更换，避免影响电路功能的实现。6.2 系统仿真图本系统使用Proteus9软件进行系统仿真，如下图所示是将程序导入单片机芯片，然后按下仿真开始按钮即可进行仿真10。图6-1 仿真图6.3 作品整体调试 本毕业设计的最终目标是通过温度传感器采集环境温度，然后单片机通过读取测量到的温度值进行相关处理后，根据系统原先的设定值与测量得到的温度值作对比，在设定值范围内单片机控制加热或制冷模块开始工作，否则，负载模块都不工作，直到温度再次在设定范围内，以此循环，最终实现温度的智能控制，在此过程中，LCD显示屏一直实时显示着环境温度的变化，其系统总结构如图6-2所示图6-2 系统总结构图范例一：我们事先设定系统温度值最大：30，最小：21，这个温度值设定随着具体环境和不同需求人为进行设定。当温度在这个范围内，加热和制冷单元都不工作，单片机直接读取DS18B20的测量值，传送到LCD1602显示屏上，实时显示。当环境温度不在该范围内，则单片机根据是高于最大值或是低于最小值控制继电器驱动制冷器或加热器工作。如图6-3所示，DS18B20检测到的温度是19.188（温度精确值可通过程序根据需要设定），低于最小值21，则此时，STC89C52单片机通过三极管驱动继电器1工作，蜂鸣器响一声提醒制冷器开始制冷。图中亮着红光的发光二极管代表继电器1正在工作，而电路板上方的亮着绿光的发光二极管表示电源正常工作。图6-3 温度低于下限，开始升温温度持续上升，当温度上升到22。500时，继电器1的开关推到另一侧，制冷器停止工作，红色发光二极管不亮。系统保持恒温状态。如图6-4所示。图6-4 升温结束，保持恒温整个加热过程就是这样，通过上面的测试说明加热模块成功，加热过程温度变化很稳定，实现了温度控制系统的升温控制功能，加热到设定的温度值的时间也很快。范例二：当换另一个环境时，我们把系统温度值最大值和最小值分别设定为18、15时，如图6-5，此时，DS18B20传感器测量的温度值为18.250，高于温度上限值，同样的原理，制冷器开始工作，直到温度下降到17.500，制冷器停止工作。如图6-6所示。图6-5 制冷器工作，降温开始图6-6 降温结束，系统保持恒温整个降温过程如上图所示，通过上面的测试说明降温模块成功，实现了温度控制系统的降温控制。6.4结论分析从系统所做的各类测试，以及测量精度的细化，可以知道，温度读数可以达到0.001，设定的温度与最终的温度值很接近，已经基本满足系统的要求。本系统可以在可调节的温度范围内，根据测量值与设定值的比较后自动的控制加热或制冷模块工作到系统预设的温度，在一般室温下，系统能调节的温度范围为1050，同时，STC89C52单片机能够读取DS18B20实时测量到的温度，通过显示屏直观显示出来，为生活和生产带来极大便利。虽然整个作品制作工艺比较粗糙，另外，但基本的温度智能控制功能已经实现。第7章 心得体会从刚开始选题的兴奋到后来明白题目要求后的沉思，这次的毕业设计对我来说，是一个巨大的挑战，同时也是一个很好的考验。特别是由于对这次设计所涉及的很多知识点不是很熟悉，所以花了不少精力去摸索，而这一过程中，我获益匪浅。一方面，在这次设计中，不但让我学过的理论知识接受了实践的检验，而且提高了我的综合运用能力和动手操作能力，当看到自己运用所学的知识做出能解决实际问题的作品时，自豪感油然而生！同时，通过本次设计使我对设计温度控制系统整个过程有了较详细的掌握，了解和学习了单片机的各项使用功能，特别是它的应用范围之广和性价比之高，令我心里暗暗感叹了好多遍，最后在老师和搭档的帮助下通过硬件的测试和软件的调试的实现了该系统的硬件设计部分。在这过程中，由于自己之前没有很完整的去做完过某个项目，所以对元器件的选型、电路原理图的设计、PCB图的绘制、购买元器件以及电路板的焊接等流程都不是很熟悉，导致自己的进展有点慢，但正是因为通过这些，让我认识到了自己的很多不足，促使我更加努力的去学习。另一方面，通过这次毕业设计，提高了我查阅文献资料、电脑绘图以及撰写论文的能力，同时，也提高了我的细心、耐心程度。在硬件测试过程中，由于线路的问题，导致继电器模块功能无法正常工作，通过反复的检查、讨论，最后通过废除电路板上的继电器模块，重新外接一个继电器模块，问题才得以解决。最后，通过这段时间的学习，我感触颇深：在如今飞速发展的社会中，科技的发展速度更是迅猛无比，特别是单片机技术在未来发展中必将占据非常重要的位置！而通过这次设计，无论是从硬件实现还是整个作品的完成，都是对我个人专业能力的一次提高和体现，当然，这与老师和同学的热心帮助是分不开的。大学的学生生涯即将就要结束了，可学海无涯，我们的学习生涯仍将继续，因为只有通过不断的学习，用知识作为自己的武器，才能在未来社会战场上杀出一片天地，才能为社会的发展做出应有的贡献！ 致谢伴随着毕业设计的后期修改工作结束，我人生中的校园学习生涯很快就要迎来一个句号，而对我的人生来说，毕业，是个逗号，它意味着我即将踏上另一段征程的开始。在四年的学习生涯中，太多的人对我给予了极大的支持和鼓励，让我拥有了不断面对困难、战胜困难的勇气，在失败中依然站立，因为始终记得背后还有你们作强大的后盾。感谢我的父母，为了让我不为经济问题发愁，你们不断辛苦工作却毫无怨言，每次看到你们渐添银发的双鬓，我都在心里默念：*，你的父母如此爱你，你还有什么理由不努力？养育之恩，当涌泉相报。感谢悉心教导我们的老师们， “授人以鱼不如授人以渔”，你们用你们渊博的知识，深邃的思维，严谨的教学态度，使我不仅接受了全新的思想教育，领会了对待学习、走向社会的思考方式。在这里尤其要感谢老师的帮助，老师在教学工作繁忙的情况下仍然抽出时间和精力对我进行悉心的指导，在选题、设计方向以及具体内容方面给予很多的建议，特别是在我对毕业题目的理解上出现误解时，经过和老师的一番通话，让我们茅塞顿开，从而确定设计的方向和要求。之后老师还多次指导我进行论文的修改，最终完成了本次论文，但是受个人能力的影响，论文中仍存在一些不足之处，自我感觉很惭愧。在此，衷心的向老师说一声：谢谢您，老师！感谢我同窗奋战的同学们，特别是我的毕业设计搭档，在我遇到困境的时候，你们义不容辞的伸出援助之手，给予我最强大的后盾支持。最后再次感谢在这次设计和论文撰写过程中提供我参考论著的作者们和网络上默默提供支持的各位网友们，谢谢你们！ 参考文献1 沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用M.北京：机械工业出版社，2002.84-1052 戴胜华，蒋大明.单片机原理与应用M.北京：清华大学出版社，2005.1-63 王水平，刘畅生.集成稳压器使用指南与应用电路M.西安：西安电子科技大学出版社，2003.164-1774 360百科.STC89C52J/OL.5 马群网.TFT-LCD原理与设计M.北京：电子工业出版社，2011.296-3456 党宏社.电路、电子技术试验与电子实训（第2版）M.北京：电子工业出版社，2012.174-2147 刘刚，彭荣群.Protel DXP 2004 SP2 原理图与PCB设计实践M.北京：电子工业出版社，2013.17-2778 王红军.电子元器件检测与维修-从入门到精通M.北京：中国铁道出版社，2012.309-3289 林立，张俊亮等.单片机原理及应用基于Proteus和Keil CM.北京：电子工业出版社，2009.9-1310360百科.仿真J/OL.附录 温度控制系统元件清单序号元件及型号数量1STC89C52芯片12LCD1602液晶显示屏13DS18B20温度传感器147805三端稳压器15轻触开关56蜂鸣器1712MHZ晶振1840P IC座19滑动电阻110排针若干11继电器212各阻值电阻若干13瓷片电容414瓦片电容215发光二极管116笔记本电源117风扇218制冷片119加热片120三孔排插121导线若干22三极管32316P IC座1