基于单片机的温度测量装置设计讲解.docx
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基于单片机的温度测量装置设计讲解
课程设计（论文）
题目名称基于单片机的温度测量装置
课程名称单片机原理及应用
学生姓名
学号11413040
系、专业信息工程系、电子科学与技术
指导教师
2013年6月30日
摘要
随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。
采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。
在日常生活及工业生产过程中，经常要用到温度的检测及控制，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。
在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。
温度控制在生产过程中占有相当大的比例。
温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。
传统的测温元件有热电偶和二电阻。
而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，这些方法相对比较复杂，需要比较多的外部硬件支持。
我们用一种相对比较简单的方式来测量。
本文介绍一种基于AT89C51单片机的一种温度测量及报警电路,该电路采用DS18B20作为温度监测元件，测量范围0℃～+120℃，使用数码管模块显示，能设置温度报警上下限。
正文着重给出了软硬件系统的各部分电路，介绍了集成温度传感器DS18B20的原理，AT89C51单片机功能和应用。
该电路设计新颖、功能强大、结构简单。
关键字：
温度测量；AT89C51；DS18B20
1概述
随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。
传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。
温度是工业对象中的一个重要的被控参数。
然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。
因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。
传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。
近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：
PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。
这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。
本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在400～1000℃。
静态控制精度为2.43℃。
本设计使用单片机作为核心进行控制。
单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。
2设计方案
2.1设计目的
课程设计是在校大学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。
单片机课程设计，要求学生更多的完成软硬件结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象。
单片机课程设计是继C语言课程设计与数据结构课程设计后的一门实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程的基础知识，独立进行单片机应用技术的开发工作，掌握单片机程序设计、调试和应用电路的设计、分析及调试检测。
并且巩固、加深和扩大大学生单片机应用方面的知识，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制问题的能力。
2.2设计任务
温度测量范围：
0~120℃；
测量精度：
1℃；
用单片机和A/D转换芯片，将模拟电位0～5V用数码管对应显示成0～120，温度变化时能显示对应的温度。
温度测量方案如图所示，温度传感器TC输出信号经差动放大到0～5V，放大器输出送ADC0831进行A/D转换，A/D转换结果送单片机进行处理，最后将所测的温度在LED数码管上显示。
图2.1基于单片机的温度测量方案
3系统硬件设计
3.1温度测量电路
温度测量电路要实现的目标是：
将0～120℃温度通过温度传感器测量，运算放大器放大得到0～5V的电压信号。
温度的测量是采用温度传感器，就是将温度变化转换为电信号变化。
温度传感器选用Pa-t传感器，放大器采用OP07E放大器，温度信号输入采用差动放大形式，设计电路如图所示，放大器输出为：
由V0=（R3/R1）*Vi得
V0=（20000/200）Vi=100Vi即图3.1中放大倍数为100倍。
图3.1温度测量电路
在Protues中实测放大器输出数据如表3.1所示。
表3.1放大器输出实测数据
温度
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
电压
0.00
0.43
0.83
1.24
1.66
2.07
2.49
2.91
3.33
3.75
4.17
4.58
5.00
3.2A/D转换电路
A/D转换的目标是将模拟量转换成数字量，在本次课程设计中，选用ADC0831串行A/D转换芯片作为温度测试系统的A/D转换器，如图所示。
由于设计误差要求为1℃，1℃对应的输入电压为（1/120）*5=0.04167V，8位A/D转换芯片的分辨率为1/256*5V=0.019531V,从而说明选用8位的A/D转换器测量误差要小于1℃。
另外，之所以选用串行芯片，理由是串行的电路设计简单，并且在性能上满足要求。
图3.2ADC0831芯片
3.3单片机最小系统
单片机最小系统就是支持主芯片正常工作的最小电路部分，包括主控芯片、复位电路和晶振电路。
主控芯片选取AT89C51芯片，因其具有良好的性能及稳定性，价格便宜应用方便，可直接用USB线下载代码。
晶振选取12MHz，晶振旁电容选取20pF。
采用按键复位电路，电阻分别选取100Ω和10K，电容选取0.1μF。
以下为单片机最小系统硬件电路图：
图3.3单片机最小系统硬件电路
3.4数码管显示电路
本课程设计采用八位数码管显示，为了节约I/O口资源，从而采用动态扫描的方式，P0口段选，P2位选，由于是P0口段选所以要接上拉电阻，显示电路部分如下：
图3.4数码管显示硬件电路图
3.5报警器电路
当温度大于80℃时，蓝灯亮，当温度小于等于80℃时，绿灯亮。
图4.5报警器电路
图3.5报警器电路
4系统软件设计
4.1主程序设计
主程序既把以上各子程序串连成一个整体，使整个程序循环运行。
主程序一直调用显示电路，若温度改变，则会进入以下的主程序部分执行相应的A/D转换操作并作出相应的处理。
通过转换后，显示的值也会同时发生改变。
之后再返回到程序始端，如此反复运行，就构成了程序的整体。
图4.1主程序流程图
4.2A/D转换子程序设计
这次课程设计采用的是8位串行A/D转换芯片ADC0831，每一个时钟信号下降沿开始，输出一位数据，直到8位数据全部输完为止，输出的顺序是从最高位到最低位。
A/D转换子程序的工作原理：
开启A/D转换芯片，将A/D转换结果送进位C，然后左移A寄存器，直到8位数全部送到A寄存器，关闭A/D转换，最后将A/D转换结果存储到30H单元。
图4.2AD转换子程序
A/D转换子程序如下：
AD_CONY:
SETBCS
CLRCLK
NOP
NOP
CLRCS
NOP
NOP
SETBCLK
NOP
NOP
CLRCLK
NOP
NOP
SETBCLK
NOP
NOP
CLRCLK
MOVR0,#08H
AD_READ:
CLRCLK
MOVC,DO
RLCA
SETBCLK
NOP
NOP
DJNZR0,AD_READ
SETBCS
MOVAD_TMP,A
RET
4.3显示子程序设计
将AD转换的结果送A寄存器，将100送B寄存器，然后A除以B，得到的商存到百位存储单元。
再将B寄存器里的数送A寄存器，把10送B寄存器，再A除以B，得到的商存十位存储单元，余数存个位单元。
图4.3显示子程序流程图
显示子程序如下：
DISPLAY:
MOVA,AD_TMP
MOVDPTR,#TAB1
MOVCA,@A+DPTR
CJNEA,#80,S1
SJMPS3
S1:
JNCS2
SJMPS4
S2:
CLRP3.0
SJMPS4
S3:
SETBP3.0
S4:
MOVB,#100
DIVAB
MOVAD_TMP_1,A
MOVA,B
MOVB,#10
DIVAB
MOVAD_TMP_2,A
MOVAD_TMP_3,B
MOVDPTR,#TAB
MOVA,AD_TMP_1
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
SETBP2.1
LCALLDLY
CLRP2.1
MOVA,AD_TMP_2
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
SETBP2.2
LCALLDLY
CLRP2.2
NOP
NOP
MOVA,AD_TMP_3
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
SETBP2.3
LCALLDLY
CLRP2.3
RET
5性能分析与系统仿真
在Proteus中进行仿真，改变温度传感器的设置值，观察到LED数码管显示的数据随之变化。
图5.1所示为系统仿真结果。
仿真时测得的数据如表8.2所示。
图5.1温度测量系统仿真结果
表5.1测量数据
温度
0
10
30
40
60
70
80
90
100
110
120
电压
0.00
0.43
1.24
1.66
2.49
2.91
3.33
3.75
4.17
4.58
5.00
显示
000
010
030
040
060
070
080
090
100
110
120
总结
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关单片机方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。
在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断提高。
最终这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。
在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
参考文献
[1]张鑫.单片机原理及应用（第2版）[M].电子工业出版社，2010年.
[2]张毅刚.单片机原理与应用设计[M].电子工业出版社，2008年.
[3]胡汉才.单片机原理及其接口技术学习辅导与实践教程[M].清华大学出版社，2010年.
[4]张义和.例说51单片机（C语言版）[M].人民邮电出版社，2008年.
[5]张培仁等.基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用[M].清华大学出版社，2003年.
致谢
本次单片机课题设计的选题与制作都是在彭老师的指导下完成的，所以首先要感谢我们的彭老师，在他身上我学到了很多东西。
在这些天的合作中，我深深体会到虽然他对我们要求比较严格，检查了几次。
但从另一个角度折射出，老师对工作负责的态度，严谨，一丝不苟。
老师给我们充分的时间，自己选题，并亲自给我们指出错误，让我们尽量将自己的设计做得更好，让我们深刻明白，对待每一件事情都要认真、负责。
同时，也为我们以后的毕业设计打下基础。
其次，我要感谢的是我们的同学，在此次设计中，我们不仅锻炼合作的能力，还知道的互帮互助的重要性，一起研究，一起探讨，对课本知识有力更加深刻的理解。
不仅完成了此次设计，而且，同学之间有了更好的交流，增进了同学之间的友情。
在此，我由衷的感谢同学和老师对我的帮助！
附录：
程序清单
CSBITP1.7
CLKBITP1.0
DOBITP1.1
AD_TMPEQU30H
AD_TMP_1EQU31H
AD_TMP_2EQU32H
AD_TMP_3EQU33H
AD_TMP1EQU34H
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0030H
MAIN:
CLRP2.0
START:
LCALLAD_CONY
LCALLDISPLAY
LJMPSTART
AD_CONY:
SETBCS
CLRCLK
NOP
NOP
CLRCS
NOP
NOP
SETBCLK
NOP
NOP
CLRCLK
NOP
NOP
SETBCLK
NOP
NOP
MOVR0,#08H
AD_READ:
CLRCLK
MOVC,DO
RLCA
SETBCLK
NOP
NOP
DJNZR0,AD_READ
SETBCS
MOVAD_TMP,A
RET
DISPLAY:
MOVA,AD_TMP
MOVDPTR,#TAB1
MOVCA,@A+DPTR
CJNEA,#80,S1
SJMPS3
S1:
JNCS2
SJMPS4
S2:
CLRP3.0
SJMPS4
S3:
SETBP3.0
S4:
MOVB,#100
DIVAB
MOVAD_TMP_1,A
MOVA,B
MOVB,#10
DIVAB
MOVAD_TMP_2,A
MOVAD_TMP_3,B
MOVDPTR,#TAB
MOVA,AD_TMP_1
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
SETBP2.1
LCALLDLY
CLRP2.1
MOVA,AD_TMP_2
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
SETBP2.2
LCALLDLY
CLRP2.2
MOVA,AD_TMP_3
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
SETBP2.3
LCALLDLY
CLRP2.3
RET
TAB:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H
DB80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH
TAB1:
DB0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18
DB19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34
DB35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49
DB50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66
DB67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80
DB81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93
DB94,95,96,97,98,99,100,101,102,103,104,105,106
DB107,108,109,110,111,112,113,114,115,116
DB117,118,119,120
DLY:
MOVR4,#2
D1:
MOVR3,#248
DJNZR3,$
DJNZR4,D1
RET
END
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