基于单片机的温度控制系统的设计.docx
《基于单片机的温度控制系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的温度控制系统的设计.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的温度控制系统的设计
基于单片机的温度控制系统的设计
摘要:
在人类的生产和生活中，温度是众多常用的被测参数之一，它的变化对我们有着重大的影响。
温度检测被广泛应用于工业生产反应器，加热炉，以及日常生活中的使用，烘干箱，电热水器，微波炉等对所有的控制和监测温度有非常高的要求。
本主题旨在设计高精度温度检测和显示系统。
以单线温度传感器DS18B20和检测到的数据送到AT89C51进行分析，并由三端双向可控硅，键盘，还有核心处理器共同实现运行，并将最终温度以四位一体的数字显示。
同时假定一个温度上限与下限，如果温度越过接线均报警。
使用MCS-51系列单片机为控制中枢处理器，运行轻易，灵活，而且可以大大提高温度检测规范性。
关键词：
微控制器,温度传感器,温度控制
Designoftemperaturedetectionsystemusingsinglechipmicrocomputer
Abstract:
Asthetemperatureparametersrequiredfortheproductionofhumanlifeandtheimpactonourincreasinglysignificant.Temperaturedetectionarewidelyusedinindustrialproductionreactors,furnaces,anddailylifeuse,dryingoven,electricwaterheaters,microwaveovensandothercontrolandmonitoringofallhaveaveryhightemperaturerequirements.
Thistopicisintendedtodesignhigh-precisiontemperaturemeasurementanddisplaysystem.In-linetemperaturesensorDS18B20andthedetecteddatatobeprocessedAT89C51bytriac,thekeyboard,thecoreprocessortocoordinatethecompletionofthework,andthefinaltemperaturedisplayedinoneofthefournumbers.Andsetatemperaturelimitandthelowerlimit,analarmifthetemperatureofthelinecanbe.UseMCS-51seriesmicrocontrollercoreprocessorrunningconvenient,flexible,andcangreatlyimprovethetemperaturedetectionnormative.
Keywords：
microcontroller,transducer,temperaturedetection
第一章绪论.......................................................................1
1.1温度控制系统研究现状..........................................................1
1.2论文的总体工作和内容计划......................................................2
第二章系统总体设计方案与器件选择.................................................3
2.1主芯片的选择..................................................................3
2.2度传感器的选择与测量..........................................................4
2.3DS18B20简介及其工作原理......................................................5
2.4四位一体数码管的简介..........................................................8
第三章系统硬件电力设计..........................................................11
3.1系统框图.....................................................................11
3.2系统硬件设计.................................................................12
3.2.1微控制器.................................................................12
3.2.2温度检测模块.............................................................13
3.2.3键盘模块.................................................................14
3.2.4温度显示模块.............................................................15
3.2.5报警功能的实现...........................................................16
第四章系统软件方案设计..........................................................17
4.1软件程序设计流程图...........................................................17
4.2使用PROTEUS进行仿真..........................................................19
结论.............................................................................21
参考文献（References）...........................................................22
致谢.............................................................................23
第一章绪论
1．1温度检测系统研究现状
温度检测技术的发展
生产管理的整合与数字化是如今产业自动化控制的趋向，达到这些功效需要有工业电脑、工业网络和巨大的数据资料库。
采用先进的技术来监控各种控制参数（例如温度，流量和压力等），在复杂的工业和社会环境中，可以明显的加速生产和管理的自动化能力。
轨道的温度测量（也称为上的温度分布的测量技术），是一个利用计算机进行数据采集，数据传输和数据通信的分析和处理的新技术，是一个在生产过程当中解释温度与热加工工艺的相关程度的新手段，跟踪被测量为一个图表或者数字。
在生产与管理中温度是一个重要的检测项，温度检测器（也被称为跟踪）技术有相当巨大的利用前景。
1）国内和国外温度检测技术的走向
（1）扩展检测范围
目前常见的工业温度测量领域为-200〜3000℃，但对于超高温未来的需求会越来越高，特别是低温液化气体检测更加明显，如低于10K的温度检测是目前探索的重中之重。
（2）扩大测温对象
温度检测技术将发展到如此地步，从点至线，再到面，甚至是三维测量。
应用已经扩展到工业方面，家电，汽车和航空实业，工业环保。
（3）发展新型产品
使用原来的技术进行生产测试，以应对不同的情况和原来不同条件需求，进而实现客户的需求。
再使用新的检测技术优势，创造新的作品。
（4）适应特殊环境下的测温
在许多场合，有特别的需求，如抗硫，抗爆，磨损性能需求的温度检测器;还有快速运动的物体温度，火焰等各种温度检测。
（5）显示数字化
测温仪器在向数字化方向实现。
它的益处是可以直接观察、没有示数错误、分辨率很高、测量精确，所以将来会有巨大的销售潜力。
（6）标定自动化
利用电脑技术，迅速、精确、温度探测器自主校准。
2）国内和国外温度检测的走向
依据上面所说需求，行内的测温仪器厂家未来可以向着下面几种检测元件发展：
（1）继续制造更使用的传统的温度检测元件，如:
热电偶、热电阻、热敏电阻等。
2）加大对最新理论，新材料，新的制作技术的发展。
像最近仍然在发展的薄膜类热敏电阻，还有厚膜，薄膜铂电阻类温度检测器，等。
（3）向智能、数字、自动化目标开发。
这些新产品不但有检测作用，而且还有判别和命令作用，使用电脑智能化目标开发，同时为机电一体化目标前进。
1．2论文的总体工作和内容计划
这篇论文是基于微控制器的温度测量系统的设计与实现，其主要内容分为四个章节。
第一章绪论，主要为今天的温度测量系统，温度测量的发展，选择温度传感器的测量方法进行了介绍。
装置选择的第二章中，该系统的整体设计被分成几个模块，分别用于所需的芯片的设计使用多个模块，所述装置进行了介绍。
第三章系统硬件电路设计为若干单独的模块的系统，包括一个微控制器，一个温度检测模块，接口设计，温度显示，报警功能被实现，详细介绍。
第四章会介绍系统软件设计，这一章涵盖了软件设计流程图，作品的PROTEUS仿真。
第二章系统总体设计方案与器件选择
选择设备和使用该设备之前，一定要有更好的理解所涉及的产品与应用方向的设计特性。
本章重点介绍所使用的芯片和设备的硬件设计，包括采用的主芯片AT89C51，温度获取模块中选择的芯片DS18B20，显示模块中选用四位一体数码管，温度控制模块可控硅等。
2.1主芯片的选择
AT89C51简单介绍
AT89单片机结构基本上是相同的，唯一的各个模块和功能的一些差异。
在技术生产中，它选用了ATMEL，能够和常用的工业准则MCS-51指令集合跟输出管脚兼容[3]。
ATMEL的AT89C51是一个很有效的微控制器，它在整个芯片微处理器中结合了灵巧的8位CPU和闪速存储器，这种方法为许多嵌入式控制系统提供便宜并且高弹性的方案。
AT89C51的形状和引脚分布情况如图2-1：
图2-1AT89C51芯片构造图
它含有所需的微处理器的基本功能，各功能通过单芯片总线连成一个整体，集成在一块芯片上。
AT89C51外接引脚有下面两种：
1）XTAL1：
当内部振荡器运行时，它通过一个引脚外部晶振和可小调的电容。
2）XTAL2：
反相放大器芯片振荡器的输出，并连接到一个外部石英晶体和微调电容器的另一端。
当外部振荡器运行，这个引脚悬空。
第一条命令取指，译码并运行指令，译码，运行指令继续。
SCM自动步说明，以完成各种功能来实现相应的指令一步。
在每个时间微指令操作有着严格的顺序，时间顺序，我们将调用此微操作时机。
[4]我们所说的单芯片时钟信号被用于各种微芯片的微控制器的操作提供了一个时间基准。
2.2温度传感器的选择与测量
有很多类型的温度测量方法，一般总结为两类：
碰触式和非碰触式测温。
1）接触式测温法
由热平衡原理，当接触两个物体彼此相对够长，经验丰富的热交换，将达到所谓的热平衡，此时就意味着这两个物体的温度是一样的。
将要进行热交换的两个目标看成是温度计的两个对象，一个是被测量的对象，另一个是作为参考的对象，该对象可以利用温度计读数来测定[2]。
这种方法，可靠，精度高，但该措施必须要求当温度计和被测量对象具有良好的热接触，并且它们之间有足够的热传递，因此它可能会导致温度滞后，这一措施要测量的目标和待测量可能发生某种反应，但一些待测目标由耐火材料制成的，接触温度测量仪器是没有办法来测量温度。
2）非接触式测温法
仪器和测量对象之间没有必要进行测量，检测一个目标的实际温度是通过检测伴随温度变化而变化的热辐射温度，非接触式温度测量通过检测热施加的基本规律的范围辐射能量，测量范围也不会被这种方式所制约，并且温度测量会加快速度。
非接触式温度测量也经常应用于运动测量体温，它不需要与每个其他目标与测量仪器有所碰触，亦不会改动被测目标的温度的分布情况。
2.3DS18B20简介及其工作原理
美国DALLAS公司的1-Wire设备，DS18B20的优点：
低功耗，小尺寸，高性能，干扰，处理器配置容易，且该装置的温度可以被直接转换成串行数字信号送入处理器进行适当的处理[5]。
DS18B20器件具有以下几个特点：
·它不需要任何辅助装置可以测温度；
·电压范围3.0-5.5V；
·1端口通讯；
·最大转换时间750ms；
·温度测量范围-55~+125℃；
·有温度越线警告设置
·负电压特性；（电源极性反转事故，该装置不会因过热受损，但无法正常工作。
）
2-3所示DS18B20引脚分布情况，各引脚作用如表2-2所示。
图2-3DS18B20外观及引脚排列
表2-2DS18B20引脚说明
引脚号
符号
说明
1
2
3
GND
DQ
VDD
接地
数据输入/输出脚；
开路单总线接口引脚；
当在寄生电源操作可以提供功率给设备。
可选的VDD脚；
如图2-4所示，当与单片机相连DS18B20，可以根据单节点系统（从属）的操作，亦可依据多节点系统（更多的从属）来进行操作[5]。
一般情况下，使用连接到端口，也可外接上拉电阻到4.7K。
图2-4DS1820供电指示图
图2-4中：
1）64位ROM。
2）温度传感器。
DS18B20用于温度测量技术是一个片上温度测量技术，其运行过程如下：
由具有高温度指数的振荡器，以确认是一个门循环中，在相应期间的低门振荡器的温度系数将内部计数器脉冲计数，从而获取温度。
计数器被设置为对应于80℃的值。
如果在周期停止之前的门计数器已经位于零，同样被预设为一值之前的80℃的温度寄存器里的数值相应增加，这就是说所测量目标的温度大于80℃。
再把被重置为某个原始值用感温振荡器抛物线特性来确定，斜坡式蓄能器电路来确定补偿，那么计数器开始计数一直到零，这个过程反复进行，直到在栅极周期。
为了获得高分辨率的温度，振荡器抛物线温度特性倾斜累加器电路通过改变计数器的值的计数一次所需的温度达到对每个补偿[7]。
因此，如果要获得所希望的分辨率，那么它也必须知道的计数器和一个给定的温度的每单位的计数值的值。
分辨率DS18B20温度结果可以加大略小的分辨率，在16位模式中的温度值的大小和扩展二进制与符号位补充读出。
表2-3所表明的是送出的数据与温度的联系。
DS18B20温度范围0℃〜+90℃，使用的是单个接口将测量数据的串行数字输出模式。
表2-3温度数据关系
温度℃
数据输出（二进制）
数据输出（十六进制）
+125
+85
+25.0625
+10.125
+0.5
0
-0.5
-10.125
-25.0625
-55
0000011111010000
0000010101010000
0000000110010001
0000000010100010
0000000000001000
0000000000000000
1111111111111000
1111111101011110
1111111001101111
1111110010010000
07D0H
0550H
0191H
00A2H
0008H
0000H
FFF8H
FF5EH
FE6FH
FC90H
访问DS18B20芯片的软件解决方案，必须使用由单个总线协定仿真和时序来达到。
由于DS18B20要靠I/O线来读取和写入数据，故DS18B20读写数据位有很苛刻的时序要求。
DS18B20通过其非常苛刻的协议，以确保每个数据输送的准确，该协议定义了三种类型的信号定时是：
初始化定时，写定时和读定时[8]。
上述定时三个是主机作为主设备，单总线从设备，如果有单总线设备发送数据回一定由主机每次输送数据的要求，在完成写指令后，主机将自动读取定时，定时通过读取所接收的数据，以完成任务。
无论是传输转移至少显著位在后的第一高数据或命令。
DS18B20的初始化时序如图2-6所示。
图2-6DS18B20的初始化时序
如果DS18B20写0，单总线将被拉低，以确保DS18B20也许会在写定时的总线中准确的采样，写1时序的同时，单总线将被拉低，他们必须在15发出总线[8]。
DS18B20的写时序如图2-7所示。
图2-7DS18B20的写时序
至于DS18B20读定时可以将数据输送至总线。
DS18B2060us至少需要完成的处理的读出定时。
DS18B20的读时序如图。
图2-8DS18B20的读时序
2.4四位一体数码管的介绍
要显示的发光二极管LED（发光二极管）的LED，当由人工控制的二极管导通时间某些区段的发射，数码管将显示对应的字符的几个部分。
LED灯管控制简单，价格便宜，因此非常普遍的微控制器。
在LED灯的数字显示时，我们至少要流过5毫安的电流，但是电流也不能过多，不然二极管就会被销毁，所用的共阳极方式与单片机的I/O上拉只访问端口，也可能连接到电阻，若所用的是共阴极的方式，但也有外部驱动电路，以改善驱动作用的MCU[1][6]。
7段LED加一个小数点，需要提供的字体代码LED数码管只是一共有八个字节，不管共阳极或共阴极LED数码管都有其相应的字体代码，如图2-9。
图2-9字型码对应关系
表2-4LED数码管的字型码表（十六进制）
显示字符
共阳极
共阴极
显示字符
共阳极
共阴极
0
1
2
3
4
5
6
7
C0H
F9H
A4H
B0H
99H
92H
82H
F8H
3FH
06H
5BH
4FH
66H
6DH
7DH
07H
8
9
A
B
C
D
E
F
80H
90H
88H
83H
C6H
A1H
86H
8EH
7FH
6FH
77H
7CH
39H
5EH
79H
71H
LED显示的方法有：
静态显示和动态显示。
如果数码管有较多位的时候，以便电路更简单通常将动态显示，此设计中使用动态显示。
所谓动态显示被点亮为轮流每个显示，并且只有一个显示器被点亮的同时，但因为肉眼的视觉作用和余辉，LED的持久不亮时，将有更多的字符同时显示的情形。
为了实现LED数码管动态显示，并行控制线全部位用一个8位的字体I/控制O口，来操作每个LED数码管，这是所有显示器共阳极、共阴极，分别从各自对应的I/O接口，以及一个四个数字操作，它是单独的内部共终端，并显示字符的字体控制线一直连着，这时直接操作[6]。
引脚连接和位四个数字控制线的一个由四位LED数码管组成原理见下图2-10。
图2-10四位一体共阳极数码管
第三章系统硬件设计
本节介绍了系统和完善的硬件结构设计，通过引入第二章的整体框架中，我们可以选择使用有一定的了解的重要的硬件电路芯片和设备，在该技术的每个部分已经硬件连接和细节。
3.1系统框图
任务的设计和基于微控制器，模拟设计烘箱的温度检测和显示系统实现温度检测系统。
由温度传感器进行温度测量，数据收集到中枢处理器，键盘等来控制温度，并通过数字显示的温度。
设计系统主要由一个微控制器，一个温度检测模块，键盘模块，温度显示模块，报警部件，单片机选择简易和灵敏的AT89C51，可以大大提高温度检测规范。
系统结构框图如图3-1所示：
图3-1系统框图
1、AT89C51单片机
AT89C51单芯片是系统，它具有4千字节的FLASH存储器的设计的重心，而且还行业标准MCS-51指令集常用且其输出引脚兼容。
AT89C51是一个很有效的微控制器，每个芯片里都结合了通用的8位CPU、闪速存储器，这种方法为许多嵌入式控制系统提供便宜并且高弹性的方案。
2、温度检测模块
本设计使用DS18B20当做温度传感器，DALLAS厂家所研发，他可以只是一根端口线即可以和多芯片DS18B20和沟通，这样的设计可以保存最动态逻辑电路之间的接口线路。
DS18B20小尺寸组装，高温度分辨率，温度可以直接转化成串行数字信号进行处理，除此之外他还低消耗，性能高，抗干扰性强，易与处理器。
3、温度显示模块
当LED数字位更多的时间，以便简化电路通常显示动态显示，动态显示是一个一匝每个显示被点亮，并且仅仅一个显示器被点亮的同时，更多的字符将在相同的现象被照亮。
本设计采用四位一体共阳极LED显示器，这款显示器显示初始设置特定的温度或电流还有实时温度。
。
4、报警模块
蜂鸣器被普遍运用在计算机，警报，打印机等数字产品作为新一代声音设备的整体组件。
通过蜂鸣器报警功能的设计是由一个温度传感器DS18B20取得获取的温度数据，微控制器用于分析所收集的数据，如果偶然使之比设定温度高的温度时，蜂鸣器鸣响警报。
5、键盘模块
为了使系统轻易紧凑，设计中使用一个独立的键盘，按键直接连到I/O端，键盘只设置了五个功能按键，启动按钮，“百”，“十”和“有点”按钮。
可以在每百部，10的设定温度用数字键和一个位被置位，当任一个键被按下时，会导致输入端口为低，若没有任何键被动作，为高电平。
只要软件设计不断地检查情况端口出现低，这确定哪个键被按下。
3.2系统硬件设计
3.2.1微控制器
我们选择AT89C51是CMOS8位微处理器，闪存4千字节，MCS-51指令集，它会与行业标准的正常使用引脚彼此相容[11][12]。
ATMELAT89C51是一种非常有效的微处理器，微处理器等大量被采用于工业设计，这种设计给整个系统提供了必要廉价和灵活性。
它包含必要的微型计算机，通过总线片连成一个整体的功能组件，所有这些都集成在一块芯片上的功能结构的基本特征。
无论什么微控制器的类型，总是涉及微控制器复位电路设计，微控制器启动需要复位，从而使CPU和系统中建立的初始状态下的各种组件，并开始从初始状态的工作[14]。
本设计使用了手动重置键，重置键被按下时，适用于低RST将结束，又RST为低电平才会被触发有效，因此通过手动按下按键重置。
如图3-2所示复位电路。
图3-2复位电路
1）复位操作允许设备初始化。
初始化结束之后，系统将最先执行从地址0000H单元的命令。
2）复位后的特别功能寄存器的状态确定，相应的含义：
SP=07H，表明（被推即第一内容被写入到08H单元）堆栈指针的片上RAM中07H单元。
显著位IP，IE和PCON是零，即每个中断源是一个低优先级，所有中断被关闭时，串行通信波特率不会加倍[
升级会员 