单片机温度控制开发应用论文.doc

- -单片机温度控制开发与应用绪论随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机开展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决1。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来到达改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。本设计使用单片机作为核心进展控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。1 温度控制及单片机开展历程温度控制系统在国各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国生产的温度控制器来讲，总体开展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少2。随着我国经济的开展及参加WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进展了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的开展。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大局部功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大局部部件：CPU、存、部和外部总线系统，目前大局部还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器Microcontroller，是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片仅有CPU的专用处理器开展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的开展便分道扬镳3。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上开展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开场出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大开展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。1.1 课题背景及研究意义近年来单片机开展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。1.2 课题的设计目的1. 稳固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。2. 培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。3. 通过对课题设计方案的分析、选择、比拟、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、容及步骤。1.3 课题的主要工作本课题的温度传感器DS18B20，此传感器课读取被测量温度值，进展转换。主要工作研究重点是设计一种基于单片机的数字温度测量及报警系统。利用数字温度传感如下：1. 测温围 55+125，固有测温分辨率0.5。2. 精度误差小于1。3. LCD1602液晶显示。4. 两路温度测量及报警功能。5. 实现报警提示蜂鸣器及LCD发光二极管。1.4 本文研究容电子温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等，将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，如单片机或者PC机等，处理单元经过部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元，如LED，LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。这样就完成了电子温度计的根本测温功能。 本文是基于AT89S51单片机，采用数字温度传感器DS18B20，利用DS18B20不需要A/D转换，可直接进展温度采集显示，报警的电子温度计设计。包括传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等组成。2 系统总体方案及硬件设计2.1电子温度计设计方案论证 由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进展A/D转换后，就可以用单片机进展数据的处理，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，感温电路比拟麻烦。进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进展转换，就可以满足设计要求。2.2总体设计框图温度计电路设计总体设计方框图如图2.1所示，控制器采用单片机AT89C52，温度传感器采用DS18B20，LCD1602实现温度显示。LCD1602显示模块AT89C52 单片机时钟震荡电路温度检测电路温度门限报警电路图2.1总体设计框图2.2.1 主控制器 单片机AT89C52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，适合便携手持式产品的设计使用。AT89C52单片机芯片具有以下特性：1 指令集合芯片引脚与Intel公司的8052兼容；2 4KB片在系统可编程FLASH程序存储器；3 时钟频率为033MHZ；4 128字节片随机读写存储器RAM；5 6个中断源，2级优先级；6 2个16位定时/记数器；7 全双工串行通信接口；8 监视定时器；9 两个数据指针；2.2.2 LCD1602显示模块显示电路采用LCD1602显示模块，接P0口。LCD1602主要技术参数： 显示容量:162个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最正确工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm2.2.2.1 引脚功能说明：LCD1602采用标准的14脚无背光或16脚带背光接口，各引脚接口说明如表2.1所示4：表2.1 引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器比照度调整端，接正电源时比照度最弱，接地时比照度最高，比照度过高时会产生“鬼影，使用时可以通过一个10K的电位器调整比照度。第4脚：RS为存放器选择，高电平时选择数据存放器、低电平时选择指令存放器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进展读操作，低电平时进展写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，LCD1602显示模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。2.2.2.2 LCD1602的指令说明及时序LCD1602显示模块部的控制器共有11条控制指令，如表2.2所示5：表2.2 控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据容LCD1602显示模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。说明：1为高电平、0为低电平指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平那么无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示F：低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。 与HD44780相兼容的芯片根本操作时序表如表2.3所示6。表2.3 根本操作时序表读状态输入RS=L，R/W=H，E=H输出D0D7=状态字写指令输入RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲输出无读数据输入RS=H，R/W=H，E=H输出D0D7=数据写数据输入RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲输出无读写操作时序如图2.2和图2.3所示：图2.2 读操作时序图2.3写操作时序2.2.2.3LCD1602的RAM地址映射及标准字库表LCD1602液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否那么此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图2.4是LCD1602的部显示地址。图2.4 LCD1602部显示地址例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B(40H)[phone]B(80H)=11000000B (C0H)。在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。 LCD1602液晶模块部的字符发生存储器CGROM已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比方大写的英文字母“A的代码是01000001B41H，显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A。2.2.3 温度传感器DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改良型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下： 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进展通信，无须经过其它变换电路； 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 含64位经过激光修正的只读存储器ROM； 可通过数据线供电，含寄生电源，电压围为3.05.5； 零待机功耗； 温度以或位数字； 用户可定义报警设置； 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度温度报警条件的器件； 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；测温围为-55-+125，测量分辨率为0.0625采用单总线专用技术， DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其部构造框图如图2.5所示7。图2.5DS18B20部构造64位ROM的构造开场8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进展通信的原因。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。 DS18B20温度传感器的部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的构造为8字节的存储器，构造如图2.6所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置存放器，它的容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时存放器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图2.6所示。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。温度 LSB温度 MSBTH用户字节1TL用户字节2配置存放器保存保存保存CRC图2.6DS18B20字节定义 由下面表2.4可见，DS18B20温度转换的时间比拟长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存RAM的第6、7、8字节保存未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。 当DS18B20接收到温度转换命令后，开场启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625/LSB形式表示。当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2.4 DS18B20温度转换时间表DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节容作比拟。假设TTH或TTL，那么将该器件的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进展报警搜索8。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码CRC。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比拟，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20的测温原理是这样的,器件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振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门翻开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进展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55所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度存放器中，计数器1和温度存放器被预置在55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展减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度存放器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开场对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停顿温度存放器的累加，此时温度存放器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度存放器值大致被测温度值。表2.5 一局部温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H2.3系统整体硬件电路设计2.3.1 主板电路 系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等，单片机主板电路如图2.7所示：图2.7单片机主板电路2.3.2 显示电路 显示电路只用P0口，采用LCD1602显示模块。 图2.8温度显示电路2.3.3 温度采集电路通过DS18B20电路可以对温度进展采集，根据图2.9所示：图2.9温度采集电路3 系统软件设计3.1 主程序设计整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件根本定型后，软件的功能也就根本定下来了。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。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块9。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进展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适宜的监控程序构造，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。主程序流程见图3.1。开场初始化判断温度是否在设定范围内 否 是绿灯亮正常红灯亮报警显示温度完毕图3.1主程序流程图3.2DS18B20初始化 DS18B20初始化流程图见图3.2。图3.2 DS18B20初始化流程图3.3 数据测试将温度传感器与冰水混合物接触，经过充分搅拌到达热平衡后调节系统，使显示读数为0.00标定0；利用气压计读出当时当地的大气压强，并根据大气压强和当地重力加速度计算出当时的实际压强；根据沸点与压强的关系查出沸点温度10。把温度传感器放入沸水中，待显示读数稳定后重新调节，使显示器显示读数等于当地当时沸点温度后工作完毕。该温度计的量程为-55125，读数精度为0.5，实际使用一般在0100。采用050和50100的精细水银温度计作检验标准，对设计的温度计进展测试，其结果说明能到达该精度要求。3.4 仿真结果设置温度上限为28.5度，温度下限为23.5度。1. 如图3.3所示。此时温度时24度和25度，正常围，绿灯亮，温度正常。图3.3 仿真12. 如图3.4所示。此时温度为24度和22度，由于22度低于下限温度，红灯闪亮，蜂鸣器响，实现报警。图3.4 仿真23.如图3.5所示。此时温度为25度和30度，30度不在所设围，红灯闪亮，报警。图3.5 仿真3结论将本文设计的电子温度计制作成实物，只要开机运行那么能立即监测所测对象的温度，测量围较大，制作本钱低，程序运行稳定。不过受限于八位A/D转换器转换精度不够，在测量围最小仅能分辨2温差，很难满足一些高精度测量。为此可以改用12位甚至更高分辨率的A/D转换器以提高温差分辨率，满足更高的测试要求。致本论文是在教师的悉心指导和热情关心下完成的。教师渊博学识、严谨的治学态度及随和的为人给我留下了难以忘怀的印象，这将使我受益终身。在此我由衷地感教师对我们的帮助，也非常感系领导对我们的关心。参考文献1 黄维翼单片机应用与工程实践M清华大学，20212 王质朴吕运朋MCS-51单片机原理接口及应用M理工大学，20213 杰，黄鸿传感器与检测技术M高等教育，20024 伟单片机C语言程序设计实训100例M电子工业，20215 俊松21世纪的光电子科学N科学时报，2002-02-20106 康华光，大钦，林电子技术根底模拟局部M高等教育，20057 Paul Scherz，夏建生，王仲奕实用电子元器件与电路根底M电子工业，20218 周永东基于DS18B20的单片机数字温度计J微电子学，20075：65-669 超华，王会进用Keil C51开发大型嵌入式J2003,2311：140-14310 国强，唐东红，兴伟等基于AT89C51单片机的高精度测温系统的研制J 仪器仪表学报，2005，26ZL：258-259附录A： 程序清单#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P10;/DS18B20与单片机连接口sbit DQ1=P11;/DS18B201与单片机连接口sbit RS=P25;sbit RW=P26;sbit EN=P27;sbit beef = P34;sbit P36 = P36;sbit P37 = P37;unsigned char code str1=1:;unsigned char code str2=H:;unsigned char code str3=2:;unsigned char code str4=L:;unsigned char code str5=23.5;/最低温门限unsigned char code str6=28.5;/最高温门制uchar data disdata4;uchar data disdata14;uint temp,temp1,tempL=23.5,tempH=28.5;uint tvalue,tvalue1;/温度值uchar tflag,tflag1;/温度正负标志/*LCD1602程序*/void delay1ms(unsigned int ms)/延时1毫秒不够准确的unsigned int i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j0;i-) DQ = 0; /给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; /给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; delay_18B20(10); return(dat);uchar DS1820rd1()/*读数据*/ /读第二个温度传感器/unsigned char j=0;unsigned char dat1 = 0;for (j=8;j0;j-) DQ1= 0; /给脉冲信号 dat1=1; DQ1= 1; /给脉冲信号 if(DQ1) dat1|=0x80; delay_18B20(10); return(dat1);void DS1820wr(uchar wdata)/*写数据*/unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = wdata&0x01; delay_18B20(10); DQ = 1; wdata=1;void DS1820wr1(uchar wdata1)/*写数据*/ /写第二个温度传感器/ unsigned char j=0; for (j=8; j0; j-) DQ1= 0; DQ1= wdata1&0x01; delay_18B20(10); DQ1= 1; wdata1=1; read_temp()/*读取温度值并转换*/uchar a,b;DS1820rst(); DS1820wr(0xcc);/*跳过读序列号*/DS1820wr(0x44);/*启动温度转换*/DS1820rst(); DS1820wr(0xcc);/*跳过读序列号*/ DS1820wr(0xbe);/*读取温度*/ a=DS1820rd();b=DS1820rd();tvalue=b;tvalue=8;tvalue=tvalue|a; if(tvalue0x0fff) tflag=0; else tvalue=tvalue+1;tflag=1; tvalue=tvalue*(0.625);/温度值扩大10倍，准确到1位小数return(tvalue);read_temp1()/*读取温度值并转换*/ /读第二个温度传感器/uchar c,d;DS1820rst1();DS1820wr1(0xcc);/*跳过读序列号*/DS1820wr1(0x44);/*启动温度转换*/DS1820rst1(); DS1820wr1(0xcc);/*跳过读序列号*/ DS1820wr1(0xbe);/*读取温度*/ c=DS1820rd1();/温度2进制低8位d=DS1820rd1();/温度2进制高8位tvalue1=d;tvalue1=8;tvalue1=tvalue1|c; /合并上下位 if(tvalue10x0fff) tflag1=0; else tvalue1=tvalue1+1;tflag1=1; tvalue1=tvalue1*(0.625);/温度值扩大10倍，准确到1位小数return(tvalue1);/*/ void DS1820disp()/温度值显示 uchar flagdat; disdata0=tvalue/1000+0x30;/百位数 disdata1=tvalue%1000/100+0x30;/十位