基于单片机的温度控制系统设计论文123Word文档下载推荐.docx
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◆以数字电路和模拟电路为硬件基础
◆以汇编语言为软件实现语言
功能概述：
在该环境温度控制系统中，单片机作为核心部件进行检测控制，增强了设计的通用性，适时性。
在该环境温度控制系统中温度检测采用DS18B20温度传感器，它不仅具有较高的精度，而且适用电压宽。
同时采用了3x4矩阵扫描键盘输入，显示设备等外围扩展芯片。
温度控制分为升温和降温控制，升温控制和降温控制分别采用继电器来控制外部的升温和降温设备。
软件部分采用流程图来表示，对各个子程序进行说明，包括控制算法，偏差计算等。
控制是否升温或降温。
第2章系统总体设计及方案
2.1单片机的介绍
随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机，直译为单片机。
2.1.1单片机的特点
1．具有优异的性能价格比
2．集成度高、体积小、可靠性高
3．控制功能强
4．低电压、低功耗
2.1.2单片机的基本组成
它由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来。
输入/输出引脚P0、P1、P2、P3的功能：
P0.0~P0.7（32~39脚）：
P0口是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
在访问片外存储器时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。
在EPROM编程时，由P0输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。
验证程序时，要求外接上拉电阻。
P0能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。
P1.0~P1.7（1~8脚）：
P1是一上带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在EPROM编程和验证程序时，由它输入低8位地址。
P1能驱动4个LSTTL负载。
P2.0~P2.7（21~28脚）：
P2也是一上带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在访问外部存储器时，由它输出高8位地址。
在对EPROM编程和程序验证时，由它输入高8位地址。
P2可以驱动4个LSTTL负载。
P3.0~P3.7（10~17脚）：
P3也是一上带内部上拉电阻的双向I/O口。
在MCS-52中，这8个引脚还用于专门的第二功能。
P3能驱动4个LSTTL负载。
◆P3.0RXD（串行口输入）
◆P3.1TXD（串行口输出）
◆P3.2INT0（外部中断0输入）
◆P3.3INT1（外部中断1输入）
◆P3.4T0（定时器0的外部输入）
◆P3.5T1（定时器1的外部输入）
◆P3.6WR（片外数据存储器写选通）
◆P3.7RD（片外数据存储器读选通）
2.2系统功能的确定
一个控制系统是否能被大众所接受，在于该控制系统是否拥有人性化的操作功能。
为了使本次设计的环境温度控制系统具有操作简单、灵活及高可靠性等特点，确定了该系统功能：
◆3x4矩阵键盘输入。
◆由温度采集。
◆温度显示。
◆温度控制执行。
◆温度测量范围为0-99度，温度有效范围为2-98度，允许误差为1度。
2.3温度传感器DS18B20的介绍
DS18B20温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的温度传感器，十分方便。
2.3.1DS18B20的特点
1.只要求一个端口即可实现通信。
2.在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
3.实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
4.测量温度范围－55到＋125。
5.数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
6.内部有温度上、下限告警设置。
2.3.2DS18B20的内部结构
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2.1所示。
图2.1DS18B20内部结构框图
64位ROM的位结构如图2.2所示。
开始8位是产品类型的编号；
接着是每个器件的唯一的序号，共有48位；
最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用单线进行通信的原因。
非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限数据。
图2.264位ROM的位结构图
DS18B20温度传感器的内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E2PROM。
高速暂存RAM的结构为9字节的存储器，结构如图2.3所示。
前2字节包含测得的温度信息。
第3和第4字节是TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5字节为配置寄存器，其内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。
该字节各位的定义如图2.4所示，其中，低5位一直为1；
TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，在DS18B20出厂时，该位被设置为0，用户不要去改动；
R1和R0决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，其定义方法见表2.1。
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
CRC
图2.3高速暂存RAM结构图
表2.1DS18B20分辨率的定义和规定
R1
R0
分辨率/位
温度最大
转换时间/ms
9
93.75
1
10
187.5
11
375
12
750
图2.4配置寄存器位定义
由表可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且设置的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。
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字节保留未用，表现为全逻辑1。
第9字节是前面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，开始启动转换。
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RAM的第1、2字节中。
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0.0625°
C/LSB形式表示。
温度值格式如图2.5所示：
低字节
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
高字节
S
26
25
24
图2.5温度数值格式
2.3.3DS18B20的引脚介绍
TO－92封装的DS18B20的引脚排列见图2.6，其引脚功能描述见表2.2。
图2.6（底视图）
表2.2DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
2.4人机交互与串口通信
该热炉温度控制系统由温度采集、3x4矩阵键盘输入、温度显示、温度控制执行等四大模块组成。
◆温度采集：
由温度传感器DS18B20完成，并通过串口通信技术与单片机进行数据传输，使用单片机P3.7端口。
◆3x4矩阵键盘输入：
采用外部中断0来判断是否拥有输入请求，并通过键盘扫描技术来获取所输入的温度值和偏差温度值，输入更灵活、更方便，使用单片机P0口和P3.2端口。
◆温度显示：
通过4个7段LED数码显示管显示当前温度值和设定的温度值，及时反应当前温度的变化与设置温度的关系，使用单片机P1.0~P1.5端口。
◆温度控制执行：
系统根据当前温度与设置的温度自动进行相应的升温或降温的操作，在系统自动进行升温或降温处理的同时显示相应的指示灯，让使用者知道系统正在进行的操作，使用单片机P2.2~P2.3端口。
第3章硬件设计
3.1系统结构框图
图3.1系统硬件总体框图
该系统由核心部件AT89C52来处理从键盘输入电路和温度采集电路送入的数据，并通过温度显示电路进行温度显示，由温度控制电路来进行相应的升温或降温的操作。
3.1.1系统硬件原理图
图3.1.1原理图
3.2人机交互与串口通信单元设计
在该系统中，人机交互技术主要应用在恒定温度与偏差温度的设置，以及当前温度与设置温度的显示；
串口通信技术应用在对温度的采集。
3.2.1键盘输入电路
在本系统中，采用外部中断0控制键盘输入请求，键盘输入主要采用3x4矩阵键盘扫描技术。
如图3.2所示，当按下“设置/切换”键时，进入恒定温度的设置，可从键盘中自由输入0—9的数字，如果输入错误可按“删除（*）”键进行删除，如果要设置偏差温度，再按一下“设置/切换”键，可进入偏差温度的设置，按“确定（#）”键，保存设置并退出键盘输入，进入温度控制状态。
AT89C52
P0口
图3.2键盘输入原理图
为了避免从键盘输入的数据错误，该键盘输入电路还为判断按键是否释放的功能做了铺垫，如图3.3所示，该电路由3个与门构成，当有键按下时SA、SB、SC、SD端中将会有一个为低电平，此时与门的SS端将会输出低电平，同时控制了单片机的P0.7端口，再通过软件控制按键是否释放。
图3.3判断键盘是否有键按下
3.2.2LED七段数码动态显示电路
在本系统中采用了LED七段数码动态显示电路来显示温度值，显示范围在0-99之间，该电路由显示、片选、译码三部分组成。
◆显示部分：
由两个两位的LED七段共阴数码管构成，分别用来显示当前温度和设置温度，如图3.4所示。
图3.4LED七段共阴数码管
◆片选部分：
如图3.5所示，由一片2-4译码器（74LS139）构成，单片机的P1.4和P1.5输出两位片选信号到2-4译码器的A、B端口，进行译码后输出到LED七段数码管的片选端口，其译码功能如表3.1所示。
P1.4
P1.5
图3.5动态显示片选电路（2-4译码器）
表3.174LS139功能表
输入
输出
选通端
地址输入端
E
A
B
Y0
Y1
Y2
Y3
◆译码部分：
该电路由LED七段数码管显示译码器（4511）来完成，如图3.6所示，单片机将要显示的十进制数据转换成8421BCD编码，对应的译码值如表3.2所示，再分别送到LED七段数码管显示译码器的A、B、C、D引脚进行译码，最后输出到LED七段数码管的相引脚。
图3.6LED七段数码显示译码电路
表3.24511译码表
8421BCD码
十进制数
0000
0001
0010
0011
0100
4
0101
5
0110
6
0111
7
1000
8
1001
3.2.3串口通信电路
为了使测得的温度更准确，在本系统中采用了温度传感器DS18B20来获取当前温度，而DS18B20是采用I2C总线进行通信的，如图3.7所示，单片机使用P3.7端口与DS18B20的数据通讯端口相连接，并通过软件实现P3.7控制DS18B20的读和写。
P3.7
图3.7单片机与DS18B20的通信
3.3控制执行单元设计
该电路的主要任务是完成单片机所发出的升温或降温操作，来控制外部的升温或降温设备。
如图3.8所示，电路的GK1和GK2端分别与单片机的P2.2和P2.3端相连接，其工作原理如下：
在通常情况下，GK1和GK2均为低电平，当单片机向温度控制执行电路发送降温命令时，GK1为高电平，GK2为低电平，使三极管Q1饱和导通，此时使继电器RL1闭合控制外部的降温设备进行工作，同时发光二极管D9将被点亮，提醒使用者温度过高正在进行降温操作。
当单片机向温度控制执行电路发送升温命令时，GK1为低电平，GK2为高电平，使三极管Q2饱和导通，此时使继电器RL2闭合控制外部的升温设备进行工作，同时发光二极管D4将被点亮，提醒使用者温度过低正在进行升温操作。
图3.8温度控制及相应显示电路
第4章软件设计
4.1设计思路、主程序流程图
根据所学知识，实现本系统的软件部分将使用汇编语言，要配合硬件部分实现输入一个需要恒定的温度值和偏差温度，与从温度传感器所获取的当前实际温度相比较，并向温度控制执行电路发出升温或降温的命令，在这一过程中将随时显示当前温度值和设置的温度值。
其主要实现的部分包括：
键盘输入、温度采集、数据转换、动态显示、温度控制等。
主程序流程图如图4.1所示。
图4.1主程序流程图
4.1.1主程序代码
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0003H;
外部中断INT0入口地址
LJMPSKEY;
转外部中断INT0
ORG1000H
MAIN:
CLRP2.2;
初始控制端,温度过高/降温
CLRP2.3;
温度过低/升温
TEMPDINBITP3.7;
DS18B20通信端口
TEMPLEQU24H;
温度低位存储单元
TEMPHEQU25H;
温度高位存储单元
TEMPHEADEQU26H;
DS18B209位数据存储单元（26H--2EH）
SHOWGETLEQU30H;
当前温度低位
SHOWGETHEQU31H;
当前温度高位
SHOWSETLEQU32H;
设置温度低位
SHOWSETHEQU33H;
设置温度高位
TEMPCKEQU34H;
偏差温度存储单元
MOVTEMPCK,#03H;
设置系统允许的偏差温度
MOVSHOWGETL,#00H;
当前温度低位初值
MOVSHOWGETH,#00H;
当前温度高位初值
MOVSHOWSETL,#00H;
设置温度低位初值
MOVSHOWSETH,#00H;
设置温度高位初值
LOOP:
MOVIE,#00H
ACALLREADTEMP;
发送温度读取指令
ACALLREADTEMP1;
读出温度值子程序
ACALLDATAS;
数据转换（将16进制数据转换成10进制数据）
ACALLSETOUT;
温度数据处理,温度控制执行
ACALLSHOW;
显示当前温度和设置温度
CLRIT0;
电平触发方式
SETBEA;
CUP开放中断
SETBEX0;
允许外部中断0
AJMPLOOP
;
----------------------------------------------------------
下面是主程序所用到的子程序
---------------------------------------------------------
RESETDS18B20复位
INITDS1820:
SETBTEMPDIN
NOP
CLRTEMPDIN
MOVR6,#0A0H;
DELAY480us
DJNZR6,$
MOVR6,#0A0H
DJNZR6,$
SETBTEMPDIN
MOVR6,#SHOWSETL;
DELAY70us
DJNZR6,$
MOVR6,#3CH
LOOP1820:
MOVC,TEMPDIN
JCINITDS1820OUT
DJNZR6,LOOP1820
MOVR6,#064H;
DELAY200us
SJMPINITDS1820
RET
INITDS1820OUT:
SETBTEMPDIN
--------------------------------------------------------
读DS18B20的程序,从DS18B20中读出一个字节的数据
READDS1820:
MOVR7,#08H
READDS1820LOOP:
CLRTEMPDIN
SETBTEMPDIN
MOVR6,#07H;
DELAY15us
MOVC,TEMPDIN
MOVR6,#3CH;
DELAY120us
RRCA
SETBTEMPDIN
DJNZR7,READDS1820LOOP
MOVR6,#3CH;
RET
--------------------------------------------------------
写DS18B20的子程序,向DS18B20中写一个字节的数据
WRITEDS1820:
MOVR7,#08H
WRITEDS1820LOOP:
MOVTEMPDIN,C
MOVR6,#34H;
DELAY104us
DJNZR7,WRITEDS1820LOP
向DS18B20写入相应的ROM命令
READTEMP:
LCALLINITDS1820
MOVA,#0CCH
LCALLWRITEDS1820;
写入ROM命令SKIPROM
MOVR6,#34H;
MOVA,#44H
写入ROM命令STARTCONVERSION
DJNZR6,$
RET
--------------------------------------------------------
READTEMP1:
LCALLINITDS1820
MOVA,#0BEH
写入ROM命令SCRATCHPAD
MOVR5,#09H
MOVR0,#TEMPHEAD
MOVB,#00H
READTEMP2:
LCALLREADDS1820;
开始读出温度
MOV@R0,A
INCR0
READTEMP21:
LCALLCRC8CAL
DJNZR5,READTEMP2
MOVA,B
JNZREADTEMPOUT
MOVA,TEMPHEAD+0
MOVTEMPL,A
MOVA,TEMPHEAD+1
MOVTEMPH,A
READTEMPOUT:
RET
DS18B20CRC-8校验程序
CRC8CAL:
PUSHACC
MOVR7,#08H
CRC8LOOP1:
XRLA,B
RRCA
JNCCRC8LOOP2
XRLA,#18H
CRC8LOOP2:
RRCA
MOVB,A
POPACC
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