基于单片机的温度测量控制系统设计.docx

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基于单片机的温度测量控制系统设计

基于单片机的温度测量控制系统设计

1引言……………………………………………………………………2

1.1问题的提出………………………………………………………………………………2

1.1.1什么是温度控制………………………………………………………………………2

1.2设计目的…………………………………………………………………………………2

2设计方案…………………………………………………………………3

2.1硬件设计方案………………………………………………………………………………3

2.2软件设计方案………………………………………………………………………………3

3硬件设计…………………………………………………………………5

3.1主控制部分AT89S51的设计方案…………………………………………………………5

3.2温度采集模块………………………………………………………………………………7

3.3显示模块……………………………………………………………………………………7

4软件设计………………………………………………………………9

4.1温度采集…………………………………………………………………………………9

4.2键盘输入…………………………………………………………………………………10

4.3LCD显示…………………………………………………………………………………11

5总结…………………………………………………………………12

6参考文献………………………………………………………………15

附录1设计原理图………………………………………………………14

附录2设计程序…………………………………………………………15

1引言

1.1问题的提出

温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。

温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

1.1．1什么是温度控制

温度控制系统由温控器和热电偶组成，热电偶检测温度并转换成电信号传给温控器，温控器根据所设定的温度发出控制信号，温度高于设定温度上限停止加热系统或开启降温系统，低于设定温度下线停止降温系统或开启加热系统。

1.2设计目的

本设计以AT89C51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。

温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。

由键盘输入预设温度，比较实际环境温度与预设温度再由单片机做出相应的处理已以达到温度控制的目的。

2设计方案

2.1硬件设计方案

本课题设计的是一种以AT89C51单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。

该控制系统可以实时存储相关的温度数据。

其主要包括：

温度采集模块、按键处理模块、LCD显示模块、通讯模块以及单片机最小系统。

本系统由温度传感器DS18B20、AT89C51、LCD显示电路、软件构成。

DS18B20输出表示摄氏温度的数字量，然后用51单片机进行数据处理、译码、显示、报警等。

系统框图如图2.1所示

图2.1

温度传感器DS18B20把所测得的温度以数字信号的方式发送到AT89C51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LCD，LM016L液晶模块。

本系统除了显示温度以外还可以通过键盘预设一个温度值，对所测温度进行监控，当温度高于设定温度时，启动蜂鸣器报警；当所测温度低于设定温度时，启动继电器2S；当所测温度等于设定温度时LED等闪烁。

2.2软件设计方案

从软件的功能不同可分为两大类：

一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。

二是执行软件（子程序），它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。

每一个执行软件是一个小的功能执行模块。

这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。

各执行模块规划好后，就可以规划监控程序了。

首先要根据系统的总体功能选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。

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。

本设计的主程序中将传感器获取的温度与预设温度进行了比较，并对各种不同的状态变化的控制做出了设定。

流程图如图2.2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LCD上显示。

根据硬件设计完成对温度的控制。

按下4*3键盘上的OK键可以便可以输入预设温度。

图2.2

3硬件设计

3.1主控制部分AT89S51的设计方案：

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

其主要特性如下：

（1）18位微处理器和控制器，中央处理器是整个单片机的核心部件，能同时处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

（2）内含一个布尔运算器，可直接对数据的位进行操作和运算，特别适用于逻辑控制。

（3）内含4KB可重擦写的可编程闪烁程序存贮器（EEPROM）。

（4）内含128*8位的数据存贮器（RAM）。

（5）4个8位（32根）双向且可独立寻址的I/O（输入输出）接口P0～P3。

（6）2个16位的计数器/定时器。

（7）片内振荡器和时钟电路。

（8）全双工方式的串行接口（DART）。

（9）两级中断优先权的6个中断源/5个中断矢量的中断逻辑。

（10）指令集有111条指令，其中64条为单周期指令，支持6种寻址方式。

（11）最高时钟振荡频率可达12MHz，大部分指令执行时间为1us，乘、除指令为4us。

（12）与MCS-51兼容，寿命为1000次写/擦循环，数据保留时间为10年。

（13）低功耗的闲置和掉电模式，可编程串行通道，三级程序存储器锁定。

引脚及功能AT89C51单片机为40脚双列直插式封装结构。

其引脚排列顺序及引脚符号如图3.1所示：

图3.1AT89C51管脚图

AT89C51重要管脚说明：

Vcc：

电源电压

GND：

地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。

表3.1.1为P1口第二功能。

P1口第二功能

表3.1.1

端口引脚

第二功能

P1.5

MOSI（用于ISP编程）

P1.6

MISO（用于ISP编程）

P1.7

SCK（用于ISP编程）

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。

在访问８位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变）。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端口时，被外部拉低的P3口将用

P3口的第二功能表

表3.1.2

端口功能

第二功能

端口引脚

第二功能

RXD（P3.0）

串行输入口

T0（P3.4）

定时/计数器0外部输入

TXD（P3.1）

串行输出口

T1（P3.5）

定时/计数器1外部输入

INT0（P3.2）

外中断0

WR（P3.6）

外部数据存储器写选通

INT1（P3.3）

外中断1

RD（P3.7）

外部数据存储器读选通

上拉电阻输出电流I。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第

二功能，P3口的第二功能如表3.1.2。

3.2温度采集模块

由于DS18B20芯片将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便且化学性很稳定。

它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。

在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。

该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。

与AD590相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20。

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，温度测量范围－55～＋125℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。

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TL,高速暂存器。

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I/O。

无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。

3.3显示模块

本设计显示电路采用LM016L来显示测量得到的温度值。

LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM（AC）。

IR用于寄存指令码，只能写入不能读出。

DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM，或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据。

BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码。

CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160种和5*10点阵字符32种。

CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM。

LM016L液晶模块的引脚功能如表3.2所示：

LM016L引脚功能表

表3.3

引脚

符号

功能说明

1

VSS

一般接地

2

VD