【《温度检测与控制系统设计与实现》7400字（论文）】.docx

温度检测与控制系统设计与实现摘要在现今科技高速发展的时代，各行各业对控制和测量的要求越来越高，其中，温度测量和控制在很多行业中都有比较重要的应用。随着安全化程度的日益提高，而通过温度报警器及时报警，避免不必要的损失。它可以实时的显示和设定温度，实现对温度的自动控制。因此，单片机对温度的监控问题是一个工业生产中经常会遇到的监控问题。尤其在工业上，如炼钢时对温度高低的控制。要控制好温度，测量是前提，测量的精度影响着后续工序的进行，因此温度测量的方法和选取就显得相当重要了。本文介绍了数字温度测量及自动控制系统的设计。采用单片机来实现对温度的控制，能够测量温度，并能在超限的情况下进行控制、调整，并报警。CPU选用的是STC89C52,温度传感器用的是Dallas公司的DSl8B20,显示器选用的1.CD液晶屏。通过测试表明，本设计对温度的控制有方便、简单的特点，从而大幅提高了被控温度的技术指标。关键词：单片机；温度传感器；自动报警；温度测量目录摘要Abstract错误!未定义书签。前言11、系统的总体设计11.1 设计背景11.2 电路的总体工作原理21.3 系统的总体设计思路22、方案论证42.1 题目分析42.1.1 具体指标42.1.2 具体控制要求42.2 设计系统方案阐述52.2.1 采用数字单片智能温度传感器52.2.2 1.CD测量显示器52.2.3 STC89C52单片机63、系统的硬件设计73.1 主控器单片机设计73.2 各模块电路设计93.2.1 温度传感电路设计93.2.2 温度控制电路的设计123.2.3 键盘电路的设计133.2.4 显示电路的设计143.2.5 A/D转换模块163.2.6 报警电路模块174、系统的软件设计194.1 系统的主程序设计194.2 中断程序的设计204.3 测温处理程序的设计224.3.1 测温处理程序主流程图的设计224.3.2 温度测量主要程序的设计与说明234.4 键盘处理程序中主要程序的设计与说明23总结26致谢错误!未定义书签。参考文献28IIi刖百单片机芯片作为核心控制部件，已经渗入到人们工作和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，前景广阔。采用单片机来对它们进行监控不仅具有监控方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。用单片机来实现对温度的自动控制，从而大幅度提高被测温度的技术指标。K系统的总体设计1.1 设计背景温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。本设计是一个数字温度测量及控制系统，能测柜内的温度，并能在超限的情况下进行控制、调整，并报警。保证环境保持在限定的温度中。1.2 电路的总体工作原理温度控制系统采用STC89C52八位机作为微处理单元进行控制。采用4X4键盘把设定温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器，还可以通过键盘完成温度检测功能的转换。温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比较来控制温度控制器。根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机STC89C52为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。选用数字温度传感器DS18B20,省却了采样/保持电路、运放、数/模转换电路以及进行长距离传输时的串/并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。1.3 系统的总体设计思路温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到STC89C52单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符1.CD,1602液晶模块。检测范围5摄氏度到60摄氏度。本系统除了显示温度以外还可以设置一个温度值，对所测温度进行监控，当温度高于或低于设定温度时，开始报警并启动相应程序。中央微处理器STC89C52：STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP的可反复擦写IO(X)次的FIaSh只读程序存储器，器件采用ATME1.公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlaSh存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。此外,STC89C52设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。STC89C52单片机综合了微型处理器的基本功能。按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的STC89C52单片机作为整个系统的控制器。2、方案论证本章主要对毕业设计的题目进行了分析，根据要实现的功能，综合比较几种设计方法，提出了实现系统功能的最佳方案。2.1 题目分析本设计是一个数字温度控制系统，能测量温度，并能在超限的情况下进行控制、调整，并报警。2.1.1 具体指标正常工作温度范围：5°C360°C温度误差：12.1.2 具体控制要求根据设计的要求，要利用温度传感器实时温度。当温度高于设定的温度时（60C）,打开降温装置进行调整使温度在设定的范围内。当温度低于设定的温度时（5）,打开升温装置进行调整使温度在设定的范围内。同时要求能设定温度。毕业设计的主要任务是能对温度进行自动的检测和控制。设计中采用单片机来控制温度，因此要有温度的采集电路，键盘显示电路，温控电路，报警电路等几个部分。要实现系统的设计要用到的知识点有单片机的原理及其应用，温度传感器的原理和应用，及键盘和显示电路的设计等。2.2 设计系统方案阐述2.2.1 采用数字单片智能温度传感器智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。DS18B20的精度较差为±0.2oCo适合于恶劣环境的现场温度测量。DA1.1.AS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。现在，新一代的“DS1820”体积更小、更经济、更灵活。使您可以充分发挥“一线总线”的长处。2221.CD测量显示器采用1.CD液晶屏进行显示。1.CD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要23伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线，比传统的数码1.ED显示器显示的界面有了质的提高。在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。1.CD液晶的像素单元是整合在同一块液晶版当中分隔出来的小方格。通过数码控制这些极小的方格进行显像。造价高但是显示非常细腻。虽然1.CD显示器的价格比数码管要贵，但它的显示效果好，是当今显示器的主流，所以采用1.CD作为显示器。2.2.3STC89C52单片机单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速发展，成为近代计算机技术发展史上一个重要里程碑。单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达到最优化，工作也相对稳定。以MCS-51技术核心为主导的单片机已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象，并以此为基核，推出许多与MCS51有极好兼容性的CHMOS单片机,同时增加了一些新的功能,所以用STC89C5203、系统的硬件设计3.1主控器单片机设计目前的单片机开发系统只能够仿真单片机，却没有给用户提供一个通用的最小系统。由设计的要求，只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。本系统控制器芯片采用STC89C52单片机，其管脚图如图3.1所示。图3.1最小系统图Pl0Pl1Pl2.一Pi3Pl4Pl5Pl«PlJRST：<AXO)PJ0(TXO)P31：(11mr)P32<WTT>八>(TO)P34(Tl)P35(WR)P3«，皿PJfXTA1.2XTAHONO?3933«437S”«”r34t3391210311130«229U21427IS”125U24IS23192220211PO.0(ADO).PO1<AD1)02<A02)PO3<AD3)4<A04)PO5(AoS),0(A0)PO1<AO7)YA，V”AlE/PROOPSUN，2f(A1S)”(A14)XS(AU)”4A12)P23<AV1)P22(AIO)PJ1(At)P20(A)图3.2管脚图单片机最小系统如图3.1所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作PO、Pl、P2、P3,都可以用于数据的输出和输入，P3具有第二功能为系统提供一些控制信号。时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必须的时钟控制信号,内部电路在时钟信号的控制下，严格地按时序指令工作。MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTA1.l,输出端为XTA1.20这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。电路中的微调电容通常选择为3OpF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率为12MHzo3.2.1温度传感电路设计采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）测温范围为55+125,测量分辨率为0.0625°C.DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和T1.,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图3.3所示。D818B20123在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机UOo无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O线要接5KC左右的上拉电阻.我们采用的是第一种连接方法,如图3.4所示:把DS18B20的数据线与单片机的13管脚连接,再加上拉电阻。PPO1PO2PO3匿PO6PO7MP25P24P23P22黑<A1.1<A1.2图3.5温度传感电路图DS18B20有六条控制命令，如表3.1所示:表3-1DS18B20控制命令指令约定代码操作说明温度转换44H启动DS18B20进行温度转换读暂存器BEH读暂存器9个字节内容写暂存器4EH将数据写入暂存器的TH、T1.字节复制暂存器48H把暂存器的TH、T1.字节写到E2RAM中重新调E2RAMB8H把E2RAM中的TH、T1.字节写到暂存器TH、T1.字节读电源供电方式B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPUCPU对DSl8B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行RoM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。VCS图3.6温度控制电路实际电路如图3.6所示,通过键盘设定温度的上下限。把实际测量的温度和设定的上下限进行比较，来控制Po.0、P0.1、P0.7端口的高低电平。把Po.0、P0.1、P0.7端口分别与三极管的基极连接来控制温度和报警。当测量的温度超过了设定的最高温度,P2.2由高电平变成低电平,就相当于基极输入为“0”，这时三极管导通推动小风扇和控制电路工作，反之，当基极输入为“1”时，三极管不导通，报警器和控制电路都不工作。只要控制单片机的P0.0、PO.KP0.7口的高低电平就可以控制模拟电路的工作。本文的键盘设置包括四个按键：启动键、温度的增加键、温度的降低键和确认键。通过这四个键的整体配合，可以根据设置的温度的上下限值观察报警灯的工作状态，使调节的过程安全可靠。如图3.6所示，用STC89C52的并行口Pl接4×4矩阵键盘，以P1.0P1.3作输入线，以P1.4P1.7作输出线；液晶显示器上显示每个按键的“0一F”序号。对应的按键的序号排列如图3.7所示：12456789ABCOEF图3.7按键的序号排列图图3.6中微处理单元是STC89C52单片机，Xl和X2接12M的两脚晶振,接两个30PF的起振电容Jl是上拉电阻.单片机的Pl8位引脚与行列式键盘输出脚相连,控制和检测行列式键盘的输入。行线通过上拉电阻接到+5V上,无按键按下时,行线处于高电平状态,有键按下时,行线的电平状态将由与此行线相连接的列线的电平决定.键盘输入的信息主要进程是：1CPU判断是否有键按下.2确定是按下的是哪个键.3把此键所代表的信息翻译成计算机可以识别的代码或者其他的特征符号。图3.8键盘硬件电路图m三三H三;冬324显示电路的设计液晶显示器是一种将液晶显示器件,连接器件,集成电路,PCB线路板,背光源,结构器件装配在一起的组件。根据显示内容和方式的不同可以分为,数显1.CD,点阵字符1.CD,点阵图形1.CD在此设计中我们采用点阵字符1.CD,这里采用常用的2行16个字的1602液晶模块。1602采用标准的14脚接口，其中：第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个IOK的电位器调整对比度、第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。第714脚：DoD7为8位双向数据线。第1516脚：空脚。EXT*图3.10数码管显示电路3.2.5AD转换模块UUV1(Vr7kXb.mb.-<-2ZJ缸,JJI2J工IJJ工USJM1.JM1.JJJ1.lJJ2JWABCnomn2n3n4帖N6MACOACOACO耻ADC38O8DCD8O9图311A/D转换电路图N2ADDAADDB22ADDCA1.E%D?(MSB)i>o(isr)图3.12DACo808引脚图A/D转换电路图、ADCO808引脚图分别如图3.11、3.12所示。ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。2325(ADDA、ADDBsADDC):3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。15和2628(INOIN7)：8路模拟量输入端。8、14、15和1721：8位数字量输出端。22(A1.E)：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。6(START)：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲(至少100nS宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换)。326报警电路模块报警电路设计的工作过程：如图3.13所示，该报警电路由两个主要部件组成,SPl报警装置和Vl三级管，如果来自单片机P12端的信号使三极管基极和发射极导通，即有电流通过时，那么从VCC到SPl到集电极也会有电流通过，这样会让SPl报警装置发出报警声音，如果来自单片机P12端的信号使三极管基极和发射极没有导通，则无电流通过，SPl不发声音。图3.13报警电路设计4、系统的软件设计4.1系统的主程序设计主程序是系统的监控程序，在程序运行的过程中必须先经过初始化，包括键盘程序，中断程序，以及各个控制端口的初始化工作。流程图如4.1所示。系统在初始化完成后就进入温度测量程序，实时的测量当前的温度并通过显示电路在1.CD上显示。程序中以中断的方式来重新设定温度的上下限。根据硬件设计完成对温度的控制。按下4*4键盘上的A键可以设定温度上限，按下B键可以设定温度下限。系统软件设计的总体流程图4.1o图4.1系统总体设计流程图4.2中断程序的设计MCS51单片的中断系统有5个中断请求源,用户可以用关中断指令"C1.REA”（中断入口地址）（主程序的起始地址）（主程序）来屏蔽所有的中断请求，也可以用开中断指令SETEAn来允许CPU接收中断请求。在本设计中我们选用INTo来作为中断请求源。INTl外部中断请求0,由INTo引脚输入，中断请求标志为IE0。ORGOOOOH1.JMPMAINORG0003HJMPINTOORG0038HMAIN:4.3测温处理程序的设计4.3.1测温处理程序主流程图的设计图4-2测温处理程序主流程图如图4-3所示是温度设计系统的主程序流程图，其主程序的设计思路是：（1）、实现DS18B20初始初始化、定时测温工作（2）、实现将温度转换成BCD码送入显示电路处理（3）、实现测得温度与温度上下限的比较，如果超过或低于温度的上下限，则使报警器电路导通后报警。4.3.2温度测量主要程序的设计与说明在温度测量主要程序中，主要对DS18B20初始化程序，读/写DS18B20温度值程序，取出实际测量温度值程序，比较温度值调用报警程序，调动显示测得温度程序进行说明与解释。程序主要是实现DS18B20初始化程序，主要目的满足复位等脉冲时间：主机将写数据线拉低480-960S,DS18B20等待15-60S后，即可输出一低电平持续60-240S,主机收到应答后即可完成初始化，准备进行下一工作。当主机将数据线从高拉到低时，读时间片被初始化，并且此后的15S之内，DS18B20将有效数据输出到口线，主机必须在此时间范围内进行采样。4.4键盘处理程序中主要程序的设计与说明在键盘处理程序中，主要对键盘分配地址命令、克服键抖动命令，扫描按键处理程序，输入判断高、低温程序以及启动、停止控制程序分析解释。REGlERREQU41HKEYCODEEQU42HKEYFUNEQU43HKEYinEQU44HhibinIobinequ45hequ46h;hibinary;tobinaryKEYCRDKEY1.lKEY1.2KEY1.3DBlJSEQUP2.4EQUP2.3EQUP2.2EQUP2.1ENSIJRE1.O:NOPEN1.Ol:EN1.02:MOVREGh#IFH;176USMOVC,INTOJCEN1.OlDJNZREGI,EN1.02RET1.-一上面是确认是低位数值ENSUREHI:NOP;484USENHII:MOVREG1,#SFHENH12:MOVC,INTOJNCENHIlDJNZREGI,ENHI2RETREADKEY:SETBKEY1.2;decide1line?SETBKEY1.3MOVR1,#0CA1.1.KEYCDRCJNEA,#OFFH,REEYX1SETBKEY1.1;decide2line?C1.RKEY1.2MOVRl,#1CA1.1.KEYCDRCJNEA,#C)FFH,REEYX1SETBKEY1.2;decide3line?C1.RKEY1.3MOVRl,#2CA1.1.KEYCDRCJNEA,#OFFH,REEYX1总结本设计是以STC89C52为核心，利用软硬件相结合的自动控制的典型例子。本文设计的温度报警器结构简单。工作时，温度测量范围为060°C。当温度达到预定值时，立刻发出报警信号，从而防止因温度升高或过低而带来的不必要的损失。本制作的设计中使用了传感器的只是插座电路，因此，该系统的可扩展性很强。采用了当前最先进的智能数字温度传感器DS18B20并与单片机STC89C52一起构成了智能温控系统。之所以采用数字单总线温度传感器DS18B20,是因为它是目前最新的测温器件之一，它集成温度测量，A/D转换于一体，具有单总线结构，数字量输出，直接与微机接口等优点，既可用它组成单路温度测量装置，也可用它组成多路温度测量装置。通过分析表明：本系统是一个性价比比较好的系统，不论对于生产者还是使用者来说，它都可以带来好的经济效益。本系统能够很稳定的控制温度而且稳定性很高。只要配上适当的温度传感器，这个系统便还可以实现很多领域的温度自动控制。参考文献11沙占友.集成温度传感器原理与应用.北京：机械工业出版社，2002,84-95.2沙占友.智能化传感器原理与应用.北京：电子工业出版社，2004,99-108.3李玉峰，倪虹霞MCS-51系列单片机原理与接口技术.北京：人民邮电出版社，2004,187-216.41赵负图.传感器集成电路手册.北京：化学工业出版社，2002,692-703.5张毅刚.MCS-51单片机原理及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004,81946潘笑，高玉玲，康亚娜编写，基于模糊PID的AT89C2051单片机智能温度控制系统，兵工自动化，2006.(5):65-677刘君华.智能传感器系统.西安：西安电子科技大学出版社，1999,83-105.8林伸茂.8051单片机彻底研究经验篇.北京：人民邮电出版社，2004,7-14.9高国旺，基于DSI8B20的数字式温度计的实现，山西电子技术，2007(3)：10-1110胡天明，齐建家，基于DS18B20的数字温度计设计及其应用，黑龙江工程学院学报(自然科学版)，2008,22(59-62)11沙占友.单片机外围电路设计.北京：电子工业出版社，2003,3748.12何希才.传感器及其应用电路.北京：电子工业出版社，2001,36-47.13高峰，单片微型计算机与接口技术M.北京：科学出版社，2003.14张萌，姜斌，单片机应用系统开发.北京:清华大学出版社,2007.156-18915沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用M北京：清华大学出版社，2002.16周月霞，孙传友编写，DS1820硬件连接与软件编程，传感器世界，2001(12):252917 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