基于单片机的温度控制.docx
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基于单片机的温度控制
株洲师范高等专科学校物理与电子工程系毕业论文
基于单片机的温度控制
姓名：
李恒立
指导老师：
肖利君
专业：
应用电子技术
班级：
07级应电班
学号：
04207107
时间：
2010-5-5至2010-5-28
摘要
本文主要通过温度传感（DS18B20）采集温度信号，首先是对DS18B20的深入了解并根据DS18B20的内部结构来设计硬件电路和软件电路的，因思考到温度TH和TL，所以本次设计采用了4个按键来控制，通过按键之间的协调来温度设定值，由于温度的不同，我们采用不同的信息来作为信号处理，所以硬件电路中用蜂鸣器来报警提醒。
本系统包括温度传感器，数据传输模块，温度显示模块和温度调节驱动电路其中温度传感器为数字温度传感器DS18B20，包括了单总线数据输出电路部分。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
关键词：
单片机STC89C52RC温度传感（DS18B20）按键设定控制
Abstract
ThispaperDS18B20donemainlythroughsensorstomeasuretemperatureandthroughtittosetthetemperature.DS18B20isthefristin_depthunderstandingofandinaccordancewiththeinternalstrucrureofDS18B20todesignhardwareandsoftware.bytakingintoaccountthetemperaturesettingsTHandTLsothisdesignusesfourbuttonstocontrol,throughthecoordinatingrolebetweeninformationtodifferentassignal,processing.hardwareCircuitusedasawarningtoreindthebuzzer
Thissystemincludetemperaturesensoranddatatransmission,themoduledisplaysmoduleandthermoregulationdrivencircuitfromthesensorsintofiguresofthetemperaturesensorsds18b20,includingalistofthedataoutputcircuit.thetextofeverypartofthefunctionsandprocedureatpresent.
Keyword：
TDPstc89c52rcthecontrollerDS18B20schematicsandprocedures
目录
摘要I
AbstractII
目录III
第一章绪论1
第二章各元器件介绍3
2.18051系列芯片中STC8952RC简介3
2.274HC245N介绍…………………………………………………………………………………………………………4
2.374HC573介绍……………………………………………………………………………………………………………5
2.4DS18B20介绍……………………………………………………………………………………………………………5
第三章各模块电路设计及分析6
3.1电源电路7
3.1.2lm7805应用电路8
3.2数码管显示电路设计9
3.3复位电路10
3.3.1复位电路的工作原理10
3.4温度设定电路11
第四章软件程序功能及分析13
4.1软件设计总流程………………………………………………………………………………………………………清M8B202U0wfj13
4.1.1软件设计总流程图13
4.2DS18B20数据采集及转化算法14
4.2.1数据采集及算法转化14
4.3按键设定部分……………………………………………………………………………………………………………16
4.3.1按键设定部分C程序流程图…………………………………………………………………………16
第五章总结18
参考文献19
致谢20
附录 …………………………………………………………………………………………………………………………………21
附录1 电路图……………………………………………………………………………………………………………………21
附录2 程序 ………………………………………………………………………………………………………………………22
第一章绪论
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。
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，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,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。
这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。
采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。
数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。
由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。
更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。
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。
（1）第一阶段（1976-1978）：
单片机的控索阶段。
以Intel公司的MCS–48为代表。
MCS–48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。
这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。
（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。
Intel公司在MCS–48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。
它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。
MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。
③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
（3）第三阶段（1982-1990）：
8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。
Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳。
第二章各元器件介绍
2.18051系列芯片中STC89C52RC简介
图2.18051芯片
STC89C52RC有PDIP封装和PLCC封装,本设计采用PDIP40封装型号；
I/O口引脚---P0口；P1口和P2口P3口。
（1）电源和时钟引脚.VCC（40脚）GND（20脚）常压为+5V,低压为+3.3V。
（2）XTAL1（19脚）；XTAL2（18脚）----外接时钟引脚。
XTAL1为片内振荡电路的输入端。
XTAL2为片内振荡电路的输出端，8051的时钟有两种方式，一种是片内振荡方式，需要在这两个引脚接石英晶体和振荡电容，振荡电容的值一般选择为10P~~30P。
另一种外部时钟方式即XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。
（3）RST（9脚）---单片机的复位引脚。
P0口（39脚~~32脚）—双向8位I/O口，每个口可以独立控制。
51单片机PO口内部没有上拉电阻,为高阻状态，所以不能正常的输出高低电平，因此该组I/O口在使用的时候务必要接上拉电阻，一般我们采用接入10K的上拉电阻。
P1口（1脚~8脚）---准双向8位I/O口。
每个口可以独立操作控制,内带上拉电阻,这种接口输出没有高阻状态,输入也不能锁存,固然不是真正的双向I/O口,之所以称它为”准双向”是因为该口在作为输入使用前要先向该口进行写一操作,然后单片机内部才可以正确读出外部信号,也就是要使其先要有个准备过程,所以才称准双向口。
对52单片机的P1.0引脚的第二功能为T2定时器的外部输入,P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉,重装触发,即T2的外部控制器。
P2口（21脚~~28脚）---准双向8位I/O口,每个口都可以独立操作控制,内带上拉电阻,与P1口相似。
P3口（10脚~~17脚）----准双向8位I/O口,每个口可以独立操作控制,内带上拉电阻,作为第一功能使用时就当作普通I/O口,与P1口相似。
作为第二功能使用时,各引脚的定义如表:
值得强调的是,P3口的每一个引脚均可以独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能
P3口引脚第二功能定义
标号
引脚
第二功能
说明
P3.0
10
RXD
串行输入口
P3.1
11
TXD
串行输出口
P3.2
12
/INTO
外部中断0
P3.3
13
/INT1
外部中断1
P3.4
14
T0
定时器/计数器0外部输入口
P3.5
15
T1
定时器/计数器1外部输入口
P3.6
16
/WE
外部数据存储器写脉冲
P3.7
17
/RD
外部数据存储器读脉冲
2.274HC245N的介绍
74HC245是一款高速CMOS器件，74HC245引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC245八路收发器在发送和接收两个方向上都具有正相三态总线兼容输出。
74HC245的输出使能端（OE）用于实现轻松级联，而发送/接收端（DIR）用于控制方向。
OE控制输出，使得总线被有效的隔离。
74HC245与74HC640逻辑功能相似，但74HC245具有原码（正相）输出。
74HC245参数
74HC245基本参数
电压
2.0～6.0V
驱动电流
+/-7.8mA
传输延迟
7ns@5V
74HC245其他性质
逻辑电平
CMOS
功耗电量
低功耗或电池供电应用
74HC245封装与引脚
SO20,SSOP20,DIP20,TSSOP20
74HC245特性
∙八路双向总线接口
∙正相三态输出
∙可选多种封装类型
∙兼容JEDEC标准no.7A
∙ESD保护
oHBMEIA/JESD22-A114-B超过2000V
oMMEIA/JESD22-A115-A超过200V
∙温度范围
o-40～+85℃-40～+125℃
2.374HC573锁存器介绍
·三态总线驱动输出
·置数全并行存取
·缓冲控制输入
·使能输入有改善抗扰度的滞后作用
原理说明：
M54HC563/74HC563/M54HC573/74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（G）为高时，Q输出
将随数据（D）输入而变。
当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。
输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，
新的数据也可以置入。
这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。
特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。
2．4DS18B20单总线数字温度计温度器简介
温度作为一种最基本的环境条件参数，与工业、农业、养殖业的生产以及医学乃至人们的日常生活都是紧密相关的。
因此，对于温度的测量方法与测温装置的研究就凸显得非常重要。
由单片机与温度传感器构成的测温系统可广泛应用于很多领域。
本文通过对单总线数字集成温度传感器DS18B20的特点、工作原理和使用方法的讨论，结合对单片机AT89S52的编程实现温度的采集。
大多单片机接口输入的信号是数字信号，或带有A/D转换的高端单片机也可输入模拟信号。
由单片机获取非电信号的温度信息，必须通过温度传感器。
传统的温度测量多以热敏电阻作为温度传感器。
但是，热敏电阻的可靠性较差、测量温度精度低，而且还需经A/D转换成数字信号后才能由单片机进行处理。
因此，使用数字温度传感器可简化硬件设计、方便单片机读取数据、节约成本。
设计单片机数字温度计需要考虑以下3个方面：
（1）温度传感器芯片的选择；
（2）单片机和温度传感器的接口电路设计；
（3）控制温度传感器实现温度信息采集以及数据传输的软件
DS18B20是美国达拉斯（Dallas）公司的单线数字温度传感器芯片，与传统的热敏电阻不同，DSl8B20可直接将被测温度转换为串行数字信号,供单片机处理。
通过对DSl8B20编程可以实现9~12位的温度读数，并可分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量。
其测温范围－55℃~＋125℃，最大分辨率为0.0625℃，在－10℃~＋85℃范围内其测温准确度为±0.5℃。
DS18B20具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、易与微处理器连结等特点，而且它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量，与单片机交换信息仅需要一根I/O口线，其读写及温度转换的功率也可来源于数据总线，而无需额外电源。
另外，每片DSl8B20都设有唯一的产品序列号，存放在它的内部ROM中，单片机通过简单的协议就能识别这个序列号。
因此，多个DSl8B20可以挂接于同一条单线总线上，特别适合构成多点温度测控系统。
DS18B20性能特点
（1）独特的单线接口，仅需1个I/O口引脚即可通信，无需变换其它电路，直接输出被测温度值的数字信号；
（2）多点（multidrop）能力使分布式温度检测应用得以简化；
（3）不需要外部元件；
（4）既可用数据线供电，也可采用外部电源供电；
（5）零待机功耗，不需备份电源；
（6）测量范围为－55~+125℃，固有测温分辨率为0.5℃；
（7）通过编程可实现9~12位的数字读数方式；
（8）温度数字量转换时间200ms（典型值）；
（9）用户可定义非易失性的温度告警设置；
（10）警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度警告情况）；
（11）应用范围包括恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或任何热敏系统[2]。
预处理
DS18B20采用3脚TO-92封装或8脚SOIC封装，其外部形状及管脚图如图1所示。
图中①GND为地，②DQ为数据输入/输出端，该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平，③
可选用的VDD引脚，不用时应接地。
SOIC封装的NC为空引脚。
第三章各模块电路设计及分析
3.1电源电路
3.1.1电源电路框图及设计
图3.1电源电路框图
在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。
当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。
当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：
并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。
另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。
在lm78**、lm79**系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。
这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如附图所示。
图中的引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。
这样标注便于记忆。
引脚①为最高电位，③脚为最低电位，②脚居中。
从图中可以看出，不论正压还是负压，②脚均为输出端。
对于lm78**正压系列，输入是最高电位，自然是①脚，地端为最低电位，即③脚，如附图所示。
对与lm79**负压系列，输入为最低电位，自然是③脚，而地端为最高电位，即①脚。
此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第③脚相连。
这样在lm78**系列中，散热片和地相连接，而在lm79**系列中，散热片却和输入端相连接。
3.1.2lm7805应用电路
lm78XX系列集成稳压器的典型应用电路图，是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。
IC采集成稳压器lm7805，C1、C2输出端滤波电容。
当输出电流较大时，lm7805应配上散热板。
本毕业设计采用变压器220/6V变压再经过桥式整流电容滤波使得输出为稳定的直流供电。
74hc138介绍
74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0,A1和A3），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。
74HC138特有3个使能输入端：
两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。
除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。
利用这种复合使能特性，仅需4片74HC138芯片和1个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1-32（5线到32线）译码器。
任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC138亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。
74HC138与74HC238逻辑功能一致，只不过74HC138为反相输出。
CD74HC138，CD74HC238和CD74HCT138，CD74HCT238是高速硅栅CMOS解码器，适合内存地址解码或数据路由应用。
74HC138作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统,在高性能存贮器系统中,用这种译码器可以提高译码系统的效率。
将快速赋能电路用于高速存贮器时,译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间,这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计。
HC138按照三位二进制输入码和赋能输入条件,从8个输出端中译出一个低电平输出。
两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端减少了扩展所需要的外接门或倒相器,扩展成24线译码器不需外接门;扩展成32线译码器,只需要接一个外接倒相器。
在解调器应用中,赋能输入端可用作数据输入端。
复合使能输入，轻松实现扩展兼容JEDEC标准no.7A存储器芯片译码选择的理想选择低有效互斥输出ESD保护HBM。
EIA/JESD22-A114-C超过2000VMMEIA/JESD22-A115-A超过200V温度范围-40～+85℃-40～+125℃多路分配功能。
3.2数码管显示电路设计
图3.2显示电路图
使用LED显示器时，要注意区分这两种不同的接法。
为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。
七段数码管加上一个小数点，共计8段。
因此为LED显示器提供的编码正好是一个字节。
TX实验板用共阴LED显示器，根据电路连接图显示16进制数的编码已列在下表。
共阴数码管码表
▪0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,
▪012345
▪0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,
▪6789AB
▪0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00
▪CDEF无显示
静态显示方式
LED显示器工作方式有两种：
静态显示方式和动态显示方式。
静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。
当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。
这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。
缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。
动态显示
动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。
选亮数码管采用动态扫描显示。
所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。
动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。
3.3复位电路
单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。
单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。
单片机复位电路如下图：
图3.3复位电路
3.3.1复位电路的工作原理
51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现，在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。
所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。
在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。
所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。
也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在0~3.5V增加。
这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。
所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。
在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。
所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。
按键按下的时候为什么会复位
在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。
当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。
随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。
根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。
单片机系统自动复位。
复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2US，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。
按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加引起的。
3.4温度设定电路
图3.4温度设定电路图
设计按键设定
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