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机电一体化控制

机电一体化技术

课程设计

院系：

物理与机电工程学院

姓名：

易晓霞

学号:

1051110009

指导教师：

孙友

时间：

2013年10月

64点温度监测与控制系统

摘要:

单片机在检测和控制系统中得到了广泛的应用,温度是一个系统经常需要测量控制和保持的量,而温度是一个模拟量,不能直接与单片机交换信息,采用适当的技术将模拟的温度量转化为数字量在原理上虽然不困难但成本较高,还会遇到其它方面的问题。

因此对单片机温度控制系统的研究有重要目的和意义。

本文介绍的分布式单总线蔬菜大棚温度监测预警系统，采用全数字化设计，直接监测每个棚内不同部分的温度，通过对温度的良好控制，有效地提高蔬菜的产量。

本温度设计采用现在流行的AT89S52单片机，配以DS18B20数字温度传感器，该温度传感器可自行设置温度上下限。

单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较，由此作出判断是否启动继电器以开启设备。

本设计还加入了常用的数码管显示及状态灯显示灯常用电路，使得整个设计更加完整，更加灵活。

关键词:

AT89S52单片机温度采集控制DS18B20

一.引言

64点温度监测与控制系统针对室温环境下的温度监控，如大型机组的轴温，大型变压器油温，化学反应过程，环境测试等。

在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

例如：

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

生物正常的生命活动一般是在相对狭窄的温度范围内进行，大致在零下几度到50℃左右之间。

本设计的内容是蔬菜大棚温度测试控制系统，控制对象是温度。

采用AT89S52单片机对温度进行控制,不仅具有控制方便、组态简单和灵活性打等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

二．总体设计方案

2.1方案一

测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，电路设计比较麻烦。

2.2方案二

考虑使用DS18B20，结合单片机电路设计，用一只DS18B20，直接读取被测温度值，之后进行转换，依次完成设计要求。

比较以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计容易实现，故实际设计中拟采用方案二。

在本系统的电路设计方框图如图2-1所示，它由三部分组成:

①控制部分主芯片采用单片机AT89S52；②显示部分采用4位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示；③温度采集部分采用DS18B20温度传感器；④加热制冷控制电路。

1）控制部分

单片机AT89S52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用，系统应用三节电池供电。

2）显示部分

显示电路采用4位共阳LED数码管。

3）温度采集部分

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温。

这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作，由DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。

数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.0口，单片机接受温度并存储。

此部分只用到DS18B20和单片机，硬件很简单。

图2－1温度计电路总体设计方案

三．硬件电路设计

3.1AT89S52的选用

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

图3-1是它的接线图和实物图：

3-1单片机电路引脚图和实物图

3.2温度采集模块的设计

DS18B20的工作原理

根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：

1）每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位；

2）复位成功后发送一条ROM指令；

3）最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。

主机在进入操作程序前必须用读ROM（33H）命令将该DSl8B20的序列号读出。

程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。

DS18B20的测温原理如图3-2所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。

计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将0℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在0℃所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图2.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。

操作协议为：

初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

3-2测温原理内部装置

3.3显示模块的设计

为了清楚地了解DS18B20的工作情况，设计了此显示模块，也有利于数据传输的准确性验证。

动态显示：

常用的数码管显示器为8段，每一段对应一个发光二极管，分为共阳和共阴两种。

共阴极LED显示的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。

当发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。

同样，共阳极LED的发光二极管的样机连接在一起，通常此公共阳极接高电平，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。

显示部分

3.4晶振电路

单片机XIAL1和XIAL2分别接30PF的电容，中间再并个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路。

晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度，绝大多数RTC采用32.768kHz的晶体，晶体振荡器输出经过分频后会产生1Hz的基准来刷新时间和日期。

RTC的精度主要取决于晶振的精度，晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度，绝大多数RTC采用32.768kHz的晶体，晶体振荡器输出经过分频后会产生1Hz的基准来刷新时间和日期。

RTC的精度主要取决于晶振的精度，晶振一般在特定的电容负载下，其调谐振荡在正确的频点，而当晶振调谐于12.5pF负载的RTC电路中时，使用6pF负载的晶振将会使时钟变快。

DallasSemiconductor提供的所有RTC均采用内部偏置网络，因而晶振可直接连接到RTC的X1、X2引脚，而不需要额外的元件。

由于RTC的晶振输入电路具有很高的输入阻抗，因此，它与晶振的连线犹如一个天线，很容易耦合系统其余电路的高频干扰。

而干扰信号被耦合到晶振引脚将导致时钟数的增加或减少。

考虑到线路板上大多数信号的频率高于32.768kHz，所以，通常会产生额外的时钟脉冲计数。

因此，晶振应尽可能靠近X1、X2引脚安装，同时晶振、X1/X2引脚的下方最好布成地平面。

晶振电路

3.5复位电路

当AT89S52单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：

上电复位和上电或开关复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。

上电后，由于电容的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。

当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。

3-5复位电路

3.6加热和制冷电路

3-6加热和制冷电路

3.7串行通信模块设计

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

3-7串行通信结构图

四．系统软件设计

4.1系统总流程图

系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，复位应答子程序，写入子程序等。

4-1系统总流程图

（1）主程序流程图

1）主程序

主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。

这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程如图4-2所示。

通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分分开存放在不同的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。

4-2主程序流程图

（2）读出温度子程序

读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。

DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位。

其程序流程如图4-3所示

4-3读出温度子程序

（3）复位，应答子程序

其程序流程如图4-4所示

4-4读出温度子程序

（4）写入子程序

一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。

同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。

甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。

因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用与S51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。

其程序流程图如图4-5所示

4-5写入子程序

五．结论

通过这次的设计，我实现了温度控制的硬件连接，了解了芯片的选用，模块的建立等。

在这过程中遇到了这样那样的问题，而每一次的冲破阻碍就会感到知识得到了升华。

硬件设计我分为了以下模块：

显示模块、A/D转换模块、键盘模块、温度控制模块和温度传感器模块。

然后设计软件，编写程序调试硬件电路各个模块的功能。

最后对整个系统联调，实现设计要求。

经过这个课程设计的训练，使我更加了解了单片机和汇编语言的知识，以及数字、模拟电路的应用，提高了PROTEL的应用能力，增强了自己的动手能力和分析能力。

因为我们只有对实践中出现的纷繁复杂的情况分析摸索，才能够看清前方的迷雾，走出自己的道路。

任何书面的理论与教条，在实践面前都是苍白无力的，实践才是最好的老师。

在课题的设计过程中我也看到了自己的粗心、急噪、知识的融会应用能力不足等等的问题，这次课程设计给了我一个及时发现问题，解决自我问题的机会。

很高心能顺利的完成本课题的设计工作。

虽然设计谈不上完美，还有很多欠缺的地方需要改进，但让我学到了很多知识。

从搜集文献到硬件电路的完成，到软件程序的实现，到论文的完成，每次遇到困难时都会与同学讨论，请教老师，使我受益良多。

参考文献：

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附录一主板电路图

附录二系统源程序

程序代码

ORG0000H

TEMPER_LEQU29H

TEMPER_HEQU28H

FLAG1EQU38H;是否检测到DS18B20标志位

A_BITEQU20H;数码管个位数存放内存位置

B_BITEQU21H;数码管十位数存放内存位置

XSEQU30H

MOVA,#00H

MOVP2,A

MAIN:

LCALLGET_TEMPER;调用读温度子程序

MOVA,29H

MOVB,A

CLRC

RLCA

CLRC

RLCA

CLRC

RLCA

CLRC

RLCA

SWAPA

MOV31H,A

MOVA,B

MOVC,40H;将28H中的最低位移入C

RRCA

MOVC,41H

RRCA

MOVC,42H

RRCA

MOVC,43H

RRCA

MOV29H,A

LCALLDISPLAY;调用数码管显示子程序

AJMPMAIN;这是DS18B20复位初始化子程序

INIT_1820:

SETBP1.0

NOP

CLRP1.0;主机发出延时537微秒的复位低脉冲

MOVR1,#3

TSR1:

MOVR0,#107

DJNZR0,$

DJNZR1,TSR1

SETBP1.0;然后拉高数据线

NOP

NOP

NOP

MOVR0,#25H

TSR2:

JNBP1.0,TSR3;等待DS18B20回应

DJNZR0,TSR2

LJMPTSR4;延时

TSR3:

SETBFLAG1;置标志位,表示DS1820存在

LJMPTSR5

TSR4:

CLRFLAG1;清标志位,表示DS1820不存在

LJMPTSR7

TSR5:

MOVR0,#117

TSR6:

DJNZR0,TSR6;时序要求延时一段时间

TSR7:

SETBP1.0

RET;读出转换后的温度值

GET_TEMPER:

SETBP1.0

LCALLINIT_1820;先复位DS18B20

JBFLAG1,TSS2

RET;判断DS1820是否存在?

若DS18B20不存在则返回

TSS2:

MOVA,#0CCH;跳过ROM匹配

LCALLWRITE_1820

MOVA,#44H;发出温度转换命令

LCALLWRITE_1820;这里通过调用显示子程序实现延时一段时间,等待AD转换结束,12位的话750微秒

LCALLDISPLAY

LCALLINIT_1820;准备读温度前先复位

MOVA,#0CCH;跳过ROM匹配

LCALLWRITE_1820

MOVA,#0BEH;发出读温度命令

LCALLWRITE_1820

LCALLREAD_18200;将读出的温度数据保存到35H/36H

RET;写DS18B20的子程序（有具体的时序要求）

WRITE_1820:

MOVR2,#8;一共8位数据

CLRC

WR1:

CLRP1.0

MOVR3,#6

DJNZR3,$

RRCA

MOVP1.0,C

MOVR3,#23

DJNZR3,$

SETBP1.0

NOP

DJNZR2,WR1

RET;读DS18B20的程序,从DS18B20中读出两个字节的温度数据

READ_18200:

MOVR4,#2;将温度高位和低位从DS18B20中读出

MOVR1,#29H;低位存入29H（TEMPER_L）,高位存入28H（TEMPER_H）

RE00:

MOVR2,#8;数据一共有8位

RE01:

CLRC

SETBP1.0

NOP

NOP

CLRP1.0

NOP

NOP

NOP

SETBP1.0

MOVR3,#9

RE10:

DJNZR3,RE10

MOVC,P1.0

MOVR3,#23

RE20:

DJNZR3,RE20

RRCA

DJNZR2,RE01

MOV@R1,A

DECR1

DJNZR4,RE00

RET

DISPLAY:

CLRC

SUBBA,#30

JNBCY,T1

MOVA,B

CLRC

SUBBA,#25

JNBCY,XIANSHI

CLRP1.1

LJMPXIANSHI

T1:

CLRP1.2

XIANSHI:

MOVA,B

MOVB,#10;10进制/10=10进制

DIVAB

MOVB_BIT,A;十位在A

MOVA_BIT,B;个位在B

MOVR0,#4

CLRC;多加的

DPL1:

MOVR1,#250;显示1000次

DPLOP:

MOVDPTR,#NUMTAB1

MOVA,A_BIT;取个位数

MOVCA,@A+DPTR;查个位数的7段代码

MOVP0,A;送出个位的7段代码

CLRP2.1;开个位显示

ACALLD1MS;显示1MS

SETBP2.1

MOVDPTR,#NUMTAB

MOVA,B_BIT;取十位数

MOVCA,@A+DPTR;查十位数的7段代码

MOVP0,A;送出十位的7段代码

CLRP2.2;开十位显示

ACALLD1MS;显示1MS

SETBP2.2

JCXSW;多加的

MOVA,31H

MOVB,#160

DIVAB

MOVXS,B

XSW:

MOVA,XS

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

CLRP2.0

ACALLD1MS

SETBP2.0

SETBC;多加的

DJNZR1,DPLOP;250次没完循环

DJNZR0,DPL1;4个250次没完循环

RET;1MS延时（按12MHZ算）

D1MS:

MOVR7,#80

DJNZR7,$

RET

NUMTAB:

DB3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH，7FH，7FH,7FH,7FH,7FH,7FH

NUMTAB1:

DB0BFH,86H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH,0FDH,87H,0FFH,0EFH

END