基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)gai

1、邕 江 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）設(shè)計(jì)題目 基于51單片機(jī)的恒溫水箱專(zhuān)題部分 恒溫水箱系統(tǒng)姓 名 阮鵬學(xué) 號(hào) 院（系 ） 工學(xué)院專(zhuān)業(yè)與學(xué)制應(yīng)用電子技術(shù)(三年制)班 別 10應(yīng)電指導(dǎo)教師 朱浩亮日期 2012年11月19日 摘 要隨著微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機(jī)為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對(duì)溫度的控制水平。因此對(duì)溫度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究一直備受廣大科研工作者的重視。本系統(tǒng)主要通過(guò)51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)監(jiān)控和水位越限報(bào)警及調(diào)整，這個(gè)系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，單片機(jī)獲取被控對(duì)象即水容器里的水溫和水位信息，與預(yù)置的水溫和水位進(jìn)行比較，單總線型數(shù)字式的

2、溫度傳感器DS18B20作為溫度采集，通過(guò)繼電器輸出差異控制信息作用于加熱器和抽水泵，實(shí)現(xiàn)水溫和水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。恒溫水箱控制系統(tǒng)主要是由中央控制器、溫度檢測(cè)器、顯示器等模塊組成。系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，計(jì)算溫度子程序、按鍵處理程序、LCD顯示程序以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等。關(guān)鍵詞 ：STC89C52單片機(jī) ，DS18B20溫度芯片，液晶顯示電路，溫度控制 目 錄一、緒論1(一)課題研究的背景1(二)課題研究的目的和意義1二、硬件電路的設(shè)計(jì)2(一)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架2(二)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路2(三)單片機(jī)的選型31.STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介32.STC89C52單片機(jī)時(shí)序43. 晶振電路與

3、復(fù)位電路的設(shè)計(jì)4(四)溫度傳感器電路5(五)系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)6(六)LCD顯示電路7(七) 繼電器模塊電路8(八)按鍵接口電路8(九) 工作指示模塊9(十)存儲(chǔ)器接口電路10三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)10(一)計(jì)算溫度子程序11圖11 讀溫度流程圖12(二)按鍵處理子程序12圖12按鍵處理流程圖13(三) 溫度檢測(cè)與控制子程序13(四)顯示數(shù)據(jù)刷新子程序14圖14 數(shù)據(jù)刷新子程序15（一） 測(cè)設(shè)分析151、測(cè)試環(huán)境15四、結(jié)束語(yǔ)16參考文獻(xiàn)17致謝18附件1：系統(tǒng)原理圖19附件2：PCB原理圖20附件3：仿真原理圖21附件4：實(shí)物圖22一·溫度控制驅(qū)動(dòng)程序23 一、緒論(一)課題研究的背景溫

4、度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域 ,如家電、汽車(chē)、材料、電力電子等 ,常用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和所要求的性能指標(biāo)有所不同 , 在工業(yè)企業(yè)中,如何提高溫度控制對(duì)象的運(yùn)行性能一直以來(lái)都是控制人員和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員努力解決的問(wèn)題。隨著微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機(jī)為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對(duì)溫度的控制水平。本設(shè)計(jì)就是基于單片機(jī)STC89C52溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)字溫度傳感器檢測(cè)外部溫度對(duì)水箱進(jìn)行恒溫控制的設(shè)計(jì)，通過(guò)控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制電爐的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫控制。通過(guò)本次課程實(shí)踐，我們更加的明確了單片機(jī)的廣泛用途和使用方法，以及其

5、工作的原理。(二)課題研究的目的和意義隨著社會(huì)的發(fā)展，溫度的測(cè)量及控制變得越來(lái)越重要。本文采用單片機(jī)STC89C52設(shè)計(jì)了溫度實(shí)時(shí)測(cè)量及控制系統(tǒng)。單片機(jī)STC89C52 能夠根據(jù)溫度傳感器DS18B20 所采集的溫度在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)控制從而把溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。所有溫度數(shù)據(jù)均通過(guò)液晶顯示器LCD顯示出來(lái)。系統(tǒng)可以根據(jù)時(shí)鐘存儲(chǔ)相關(guān)的數(shù)據(jù)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)使我們對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有一個(gè)全面的了解、掌握常規(guī)控制算法的使用方法、掌握簡(jiǎn)單微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟硬的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步鍛煉同學(xué)們?cè)谖⑿陀?jì)算機(jī)應(yīng)用方面的實(shí)際工作能力。 二、硬件電路的設(shè)計(jì)(一)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架本課題設(shè)計(jì)的是一種以STC89

6、C52單片機(jī)為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)并記錄當(dāng)前的時(shí)間。其主要包括：電源模塊、溫度采集模塊、按鍵處理模塊、繼電器模塊、LCD顯示模塊、加熱模塊、制冷模塊以及單片機(jī)最小系統(tǒng)。 STC89C52單片機(jī)電源模塊溫度采集模塊按鍵處理模塊LCD顯示模塊加熱模塊制冷模塊繼電器模塊圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架(二)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路在課題設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制核心是STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)為51系列增強(qiáng)型8位單片機(jī)，它有32個(gè)I/O口，片內(nèi)含4K FLASH工藝的程序存儲(chǔ)器，便于用電的方式瞬間擦除和改寫(xiě)，而且價(jià)格便宜，其外部晶振為12

7、MHz，一個(gè)指令周期為1S。使用該單片機(jī)完全可以完成設(shè)計(jì)任務(wù)，其最小系統(tǒng)主要包括：復(fù)位電路、震蕩電路以及存儲(chǔ)器選擇模式（EA腳的高低電平選擇），電路如下圖2所示： 圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)(三)單片機(jī)的選型本課題設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)主控制芯片選型為STC89C52單片機(jī)，其特點(diǎn)如下。1.STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介STC89C52單片機(jī)包括：一個(gè)8位的微型處理器CPU；一個(gè)512K的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM；4K片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；四個(gè)8位并行的I/O接口P0-P3，每個(gè)接口既可以輸入，也可以輸出；兩個(gè)定時(shí)器/記數(shù)器；五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個(gè)全雙工UART的串行I/O口；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英

8、晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率是12MHZ。以上各個(gè)部分通過(guò)內(nèi)部總線相連接。2.STC89C52單片機(jī)時(shí)鐘1. STC89C52內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳RXD和TXD分別是此放大器的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。3. 晶振電路與復(fù)位電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路，只需要在片外通過(guò)XTAL1、XTAL2引腳接入定時(shí)控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位，它通過(guò)復(fù)位端經(jīng)電阻與+5V電源實(shí)現(xiàn)，只要能保證復(fù)位信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，其電路如圖3所示。圖3 晶振電路和復(fù)位電路圖

9、裝圖 (四)溫度傳感器電路采用一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)作為本課題的溫度傳感器。傳感器輸出信號(hào)進(jìn)4.7K的上拉電阻直接接到單片機(jī)的P1.0引腳上。DS18B20溫度傳感器是美國(guó)達(dá)拉斯(DALLAS)半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等做在一個(gè)很小的集成電路芯片上。本設(shè)計(jì)中溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件DS18B20，是在經(jīng)過(guò)多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因：（1）系統(tǒng)的特性：測(cè)溫范圍為-55+125 ，測(cè)溫精度為士0.5；溫度轉(zhuǎn)換精度912位可變，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以16位二進(jìn)制數(shù)碼的方式串行輸出；12位精

10、度轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為750ms；可以通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式。（2）系統(tǒng)成本：由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，新型大規(guī)模集成電路功能越來(lái)越強(qiáng)大，體積越來(lái)越小，而價(jià)格也越來(lái)越低。一支DS18B20的體積與普通三極管相差無(wú)幾，價(jià)格只有十元人民幣左右。（3）系統(tǒng)復(fù)雜度：由于DS18B20是單總線器件，微處理器與其接口時(shí)僅需占用1個(gè)I/O端口且一條總線上可以掛接幾十個(gè)DS18B20，測(cè)溫時(shí)無(wú)需任何外部元件，因此，與模擬傳感器相比，可以大大減少接線的數(shù)量，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少工程的施工量。（4）系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)：由于引線的減少，使得系統(tǒng)接口大為簡(jiǎn)化，給系統(tǒng)的調(diào)試帶來(lái)方便。同時(shí)因?yàn)镈S18B

11、20是全數(shù)字元器件，故障率很低，抗干擾性強(qiáng)，因此，減少了系統(tǒng)的日常維護(hù)工作。DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：?jiǎn)尉€數(shù)據(jù)傳輸總線端口DQ ，外供電源線VDD，共用地線GND。DS18B20有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時(shí)VDD接地，它是通過(guò)內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來(lái)完成溫度轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長(zhǎng)。這種情況下，用單片機(jī)的一個(gè)I/O口來(lái)完成對(duì)DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，相應(yīng)的完成溫度測(cè)量的時(shí)間較短。DS18B20的引腳圖及單片機(jī)的接口電路如圖4所示。圖4 溫度傳感器接口(五)系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用雙電源輸出，分別是+5

12、V、+12V輸出。+5V是系統(tǒng)供電電源，12V是繼電器工作供電電源。本裝置的直流穩(wěn)壓電源采用通常的橋式全波整流、電容濾波、三端固定輸出的集成穩(wěn)壓器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且所有的集成穩(wěn)壓芯片均裝有充分裕量的散熱片。系統(tǒng)的供電電源電路如圖5所示。圖5 系統(tǒng)電源模塊(六)LCD顯示電路本課題設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)是采用液晶屏1602作為顯示模塊，其接口原理圖如下圖6所示：圖6 液晶顯示接口電路(七) 繼電器模塊電路1、繼電器模塊繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在

13、電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器電路如圖7所示。圖7 繼電器設(shè)計(jì)電路(八)按鍵接口電路本課題設(shè)計(jì)采用的鍵盤(pán)模塊，其接口原理圖如下圖8所示： 圖8 鍵盤(pán)模塊電路(九) 工作指示模塊本系統(tǒng)設(shè)計(jì)四路恒溫水箱控制系統(tǒng)，可一路或多路同時(shí)使用，為了更明顯知道工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了工作指示燈。設(shè)計(jì)電路如圖9所示。 圖9工作指示電路 (十)存儲(chǔ)器接口電路本課題設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器采用的是AT24C256，其接口原理圖如下圖10所示：圖10 存儲(chǔ)器電路三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件主要是采用C語(yǔ)言，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行變成實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。主程序?qū)δK進(jìn)行初始化，而后調(diào)用讀溫度、處理溫度、顯示、鍵盤(pán)等模塊。用的是循環(huán)查詢(xún)

14、方式，來(lái)顯示和控制溫度，主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的測(cè)量的當(dāng)前溫度值并負(fù)責(zé)調(diào)用各子程序,其程序流程如圖11系統(tǒng)程序流程圖。開(kāi)始初始化啟動(dòng)DB18B20讀溫度計(jì)算溫度LCD顯示圖11系統(tǒng)程序流程圖(一)計(jì)算溫度子程序 讀出溫度子程序的主要功能包括初始化,判斷DS18B20是否存在,若存在則進(jìn)行一系列的讀操,作若不存在則返回。其程序流程圖如圖12所示。開(kāi)始初始化Ds18B20存在？讀取溫度值存儲(chǔ)操作命令ROM操作命令返回否圖12 讀溫度流程圖 (二)按鍵處理子程序按鍵處理子程序主要是負(fù)責(zé)參數(shù)的設(shè)置，主程序每循環(huán)一次都要對(duì)按鍵進(jìn)行掃描,判斷是否有輸入鍵按下則進(jìn)行一

15、系列的按鍵輸入操作。其程序流程框圖如圖13所示。開(kāi)始鍵掃描消除抖動(dòng)鍵掃描等待鍵釋放求鍵值按鍵處理有鍵按下？確有鍵按下？鍵釋放返回NN圖13按鍵處理流程圖(三) 溫度檢測(cè)與控制子程序讀取18B20的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定值的比較，開(kāi)始進(jìn)行加熱，在加熱的過(guò)程中需要進(jìn)行每2秒一次的跟蹤檢測(cè)，并把檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行不同方式的加熱，其具體流程如圖14所示。 調(diào)用按鍵設(shè)定溫度值并進(jìn)行開(kāi)始加熱檢測(cè)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度是否相等？加熱YN每隔2秒檢測(cè)1次相差3？Y圖14 溫度檢測(cè)與控制流程圖讀取18B20,調(diào)顯示子程序初始化開(kāi)始(四)顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對(duì)顯示緩沖器中的顯

16、示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高顯示位為0時(shí)將符號(hào)顯示位移入下一位。程序流程圖如圖15。溫度數(shù)據(jù)移入顯示寄存器十位數(shù)0？百位數(shù)0？十位數(shù)顯示符號(hào)百位數(shù)不顯示百位數(shù)顯示數(shù)據(jù)（不顯示符號(hào)） 結(jié)束NNYY圖15 數(shù)據(jù)刷新子程序 四、測(cè)試分析1、測(cè)試環(huán)境環(huán)境溫度28攝氏度，室內(nèi)面積20平方米測(cè)試儀器：數(shù)字萬(wàn)用表，溫度計(jì)0-100攝氏度2、測(cè)試方法使系統(tǒng)運(yùn)行，采用溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量室內(nèi)度變化情況，得出系統(tǒng)測(cè)量的溫度。3、測(cè)試結(jié)果設(shè)定溫度由0攝氏度到40攝氏度標(biāo)定溫差<=1攝氏度 調(diào)節(jié)時(shí)間 15s（具體視現(xiàn)場(chǎng)情況）靜態(tài)誤差<=1攝氏度 最大超調(diào)量2攝氏度4、通過(guò)測(cè)試分析，對(duì)于實(shí)際室內(nèi)的溫度控制，可以再提

17、出以下 2 點(diǎn)方法 ：增加傳感器個(gè)數(shù)，對(duì)各個(gè)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行求算術(shù)平均，可得到較為準(zhǔn)確的溫度值。 對(duì)實(shí)際室內(nèi)的溫度控制，可采用功率較大的電爐，并且通過(guò)風(fēng)扇對(duì)箱內(nèi)溫度進(jìn)行充分?jǐn)嚭?，降溫設(shè)備可采用空氣壓縮機(jī)等制冷設(shè)備。 5、通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析，發(fā)現(xiàn)雖然傳感器的溫度采集精度最高可得到 0.06 ，但測(cè)試得到的數(shù)據(jù)最小間隔為 0.03 。通過(guò)分析，當(dāng)對(duì)浮點(diǎn)數(shù)求平均處理時(shí)，遇到同一時(shí)刻兩個(gè)傳感頭采集的溫度相差不大，使 0.06 時(shí)求出平均溫度變?yōu)?0.03 為了解該數(shù)據(jù)是否真實(shí)，可采用一個(gè)高精度的數(shù)字溫度計(jì)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)讀出的值與其基本一致，由此推斷如果在同一時(shí)間增加采集溫度的個(gè)數(shù)，則可以進(jìn)一步提高

18、溫度的精度。致謝朱浩亮老師在課題開(kāi)題期間和論文寫(xiě)作的過(guò)程中給予了我真切關(guān)心和事無(wú)巨細(xì)地指導(dǎo)，導(dǎo)師總是以認(rèn)真負(fù)責(zé)、一絲不茍的工作態(tài)度閱讀并修改文章中不足的地方，他優(yōu)良的作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度深深影響著我，讓我在實(shí)習(xí)的短短日子里學(xué)到了很多書(shū)本上所沒(méi)有的東西，這對(duì)我今后工作非常有幫助；至此,向恩師致以最真摯的感謝和最崇高的敬意！同時(shí)我要感謝我的同學(xué)，特別是我的室友們，正是他們?cè)谶@幾年里陪我一起成長(zhǎng)，一起學(xué)習(xí)，才讓我有了今天的成績(jī)。他們?cè)谄綍r(shí)的學(xué)習(xí)和生活中他們給予了我無(wú)私的關(guān)懷和幫助，在此表示我最誠(chéng)摯的謝意。參考文獻(xiàn) 1 李廣弟，朱月秀，王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ)北京航空航天大學(xué)出版社，2001(07).2 蔡美琴,張為民等.MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用高等教育出版社，2004(06).3 劉瑞星,胡健等.Protel