畢業(yè)設計（論文）-基于8051單片機的溫度控制系統(tǒng)的設計

學號20080603050111密級公開畢業(yè)論文基于8051單片機的溫度控制系統(tǒng)的設計學院名稱專業(yè)名稱電子信息科學與技術學生姓名指導教師二一二年五月BACHELORSDEGREETHESISOFLANZHOUCITYUNIVERSITYTHEDESIGNOFTEMPERATURECONTROLSYSTEMBASEDON8051SCMCOLLEGESCHOOLOFPEILIENGINEERNINGDS18B20SENSORSTHETEMPERATURECONTROLSMANIFESTATIONGIVESORGETANLECTRICSHOCKIV目錄第1章緒論111引言112項目要求113研究意義1第2章硬件設計221硬件設計概要222單片機控制部分223溫度檢測電路6231溫度檢測電路6232報警電路9233控制電路及顯示電路9第3章軟件設計1331中斷控制程序1332顯示程序1433溫度測量1534溫度處理21結論23參考文獻24致謝261第1章緒論11引言水溫控制系統(tǒng)無論是工業(yè)生產過程，還是日常生活都起著非常重要的作用，過低過高的水溫都會使水資源失去應有的作用，從而造成水資源的極大浪費，給生活生產帶來許多不利因素。在能源日益緊張的今天，電熱水器、飲水機、電飯煲之類的家用電器在保溫時，由于簡單的溫度控制系統(tǒng)，因而會造成很大的能源浪費。基于8051單片機的水溫控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的水溫控制系統(tǒng)相比具有操作方便、價格便宜、精確度高和開展容易等優(yōu)點，因此市場前景看好1。12項目要求設計制作一個水溫自動控制系統(tǒng)，控制對象為10L水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現自動控制，以保持設定溫度保持不變?；?051單片機水溫控制器晶振采用12MHZ，具體要求如下1初始溫度設置為50度，溫度低于50度加熱；2越限報警溫度為70度，溫度高于70度，報警，停止加熱；3控制精度為1度4控制范圍為環(huán)境溫度室溫到70度13研究意義在人類生活的環(huán)境中，溫度扮演著及其重要的角色。自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)的發(fā)展與是否掌握溫度有著密切的聯系。溫度不但對于工業(yè)如此重要，在農業(yè)生產中溫度的檢測與控制也有著十分重要的意義。同時，溫度測量系統(tǒng)在電子產品中的應用越來越廣泛，比如空調、電飯煲、太陽能熱水器等都用到了溫度控制系統(tǒng)。當前，能源問題是最熱門的話題，也是我們急需解決的，因而我們從節(jié)省能源，保護環(huán)境出發(fā)，設計出本系統(tǒng)。本設計使用單片機作為核心進行控制。單片機具有集成度高，通用性好，功能強，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，在數字、智能化方面有廣泛的用途2。單片機對溫度的控制問題是一個日常生活中經常會遇到的問題。因此，對該系統(tǒng)的研究有著極其重要的意義。2第2章硬件設計21硬件設計概要根據需求，我的系統(tǒng)以AT89S52單片機3為中心控制器件,由溫度采集電路、顯示電路、加熱電路、報警電路組成。溫度采集使用18B204，使用它可以使電路簡化?？刂齐娐酚猛獠恐袛鄟碚{節(jié)溫度，為了使操作方便，加一個顯示控制溫度值的數碼管，來便于使用。報警電路，這個電路用一個三極管這為放大器去驅動一個喇叭。總硬件框圖如圖21所示圖21總硬件設計示意圖22單片機控制部分此部分是電路的核心部分，系統(tǒng)采用了51系列單片機。在眾多的51單片機系列中，AT89系列單片機在我國得到及其廣泛的應用，越來越受到人們的矚目。AT89系列單片機是美國ATMEL公司的8位FLASH單片機產品。它的最大特點是在片內含有FLASH存儲器，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中修改程序容易，使開發(fā)調試更為方便。AT89系列單片機以8031為內核，是與8051系列單片機兼容的系列，其型號可以分為標準型、低檔型和高檔型3類。高檔型單片機有AT89S51、AT89S52、AT89S53和AT89S8252等型號，其中AT89S52為ATMEL所生溫度采集電路AT89S52加熱電路顯示電路報警電路3產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，內部有8KB的可下載FLASH存儲器，2KB的EEPROM，提高了存儲容量，系統(tǒng)不必擴展外部程序存儲器和數據存儲器這樣大大的減少了系統(tǒng)硬件部分5。因此，本系統(tǒng)使用AT89S52單片機作為微處理器，微處理器電路如圖22所示圖22微處理器電路圖1、AT89S52主要功能列舉如下（1）擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程FLASH（2）晶片內部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至12MHZ）（3）內部程序存儲器（ROM）為8KB（4）內部數據存儲器（RAM）為256字節(jié)（5）32個可編程I/O口線（6）8個中斷向量源（7）三個16位定時器/計數器（8）三級加密程序存儲器（9）全雙工UART串行通道2、AT89S52各引腳功能介紹6如圖23所示4圖23AT89S52引腳圖VCCAT89S52電源正端輸入，接5V。VSS電源地端。XTAL1單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。XTAL2系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，一般在設計上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一20PF的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機。RESETAT89S52的重置引腳，高電平動作，當要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間，AT89S51便能完成系統(tǒng)重置的各項動作，使得內部特殊功能寄存器之內容均被設成已知狀態(tài)，并且至地址0000H處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序7。EA/VPP“EA“為英文“EXTERNALACCESS“的縮寫，表示存取外部程序代碼之5意，低電平動作，也就是說當此引腳接低電平后，系統(tǒng)會取用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，EA引腳必須接低電平，因為其內部無程序存儲器空間。如果是使用8751內部程序空間時，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至8751內部EPROM時，可以利用此引腳來輸入21V的燒錄高壓（VPP）。ALE/PROGALE是英文“ADDRESSLATCHENABLE“的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。AT89S52可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74LS373），將端口0的地址總線（A0A7）鎖進鎖存器中，因為AT89S52是以多工的方式送出地址及數據。平時在程序執(zhí)行時ALE引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6，因此可以用來驅動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。PSEN此為“PROGRAMSTOREENABLE“的縮寫，其意為程序儲存啟用，當8051被設成為讀取外部程序代碼工作模式時（EA0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到EPROM的OE腳。AT89S52可以利用PSEN及RD引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數據存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。PORT0（P00P07）端口0是一個8位寬的開路汲極（OPENDRAIN）雙向輸出入端口，共有8個位，P00表示位0，P01表示位1，依此類推。其他三個I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內部有一提升電路，P0在當做I/O用時可以推動8個LS的TTL負載。如果當EA引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數據存儲器），P0就以多工方式提供地址總線（A0A7）及數據總線（D0D7）。設計者必須外加一鎖存器將端口0送出的地址栓鎖住成為A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一完整的16位地址總線，而定址到64K的外部存儲器空間。PORT2（P20P27）端口2是具有內部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負載，若將端口2的輸出設為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用。P2除了當做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52擴充外接程序存儲器或數據存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)A8A15，這個時候P2便不能當做I/O來使用了。PORT1（P10P17）端口1也是具有內部提升電路的雙向I/O端口，其6輸出緩沖器可以推動4個LSTTL負載，同樣地若將端口1的輸出設為高電平，便是由此端口來輸入數據。如果是使用8052或是8032的話，P10又當做定時器2的外部脈沖輸入腳，而P11可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。PORT3（P30P37）端口3也具有內部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個TTL負載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數控制及外部數據存儲器內容的讀取或寫入控制等功能。其引腳分配如下P30RXD，串行通信輸入。P31TXD，串行通信輸出。P32INT0，外部中斷0輸入。P33INT1，外部中斷1輸入。P34T0，計時計數器0輸入。P35T1，計時計數器1輸入。P36WR外部數據存儲器的寫入信號。P37RD，外部數據存儲器的讀取信號。整個單片機系統(tǒng)接口分配情況如下P0口復用于傳輸LED位數據以及值數據傳輸、P2口的P20P21作為六位LED的公共端的控制信號、P1口分配做鍵盤接口、P30和P31分別用于串口通信的數據的接收端和發(fā)送端、P32用于溫度數據接口8。23溫度檢測電路231溫度檢測電路DS18B20數字傳感器是DALLAS公司生產的1WIRE總線技術的典型產品9。它可以將被測溫度直接轉換成數字量，因此單片機可以方便的通過串行總線實現讀取。另外，1WIRE具有成本低、節(jié)省I/O口、抗干擾能力強，便于總線擴展和維護等特點。DS18B20通過編程后，可以實現912位的溫度度數。由于DS18B20可以由數據線本身提供電源，因此單片機與其連接時，需要一根數據線和地線。DS18B20的工作性能如下（1）1WIRE數據通信7（2）可用數據線供電，電壓范圍355V（3）最高12位分辨率（4）12位分辨率時的最大工作周期為750MS（5）可選擇寄生工作方式（6）檢測溫度范圍為55C125C（7）被測溫度在10C85C時，精度為05C（8）內置EEPROM，限溫報警功能（9）64位光刻ROM，內置產品序列號，方便多機掛接（10）封裝形式多樣（11）負壓特性。電源極性接反時，芯片不會燒毀DS18B20內部結構10主要由四部分組成64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖24所示圖24DS18B20的結構圖DQ為數字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是開始8位（28H）是產品類型標號，接8著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRCX8X5X41）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以00625/LSB形式表達，其中S為符號位。表2112位轉化后得到的12位數據LSBYTEM231201234BI76T5BI4TBI0SS645398這是12位轉化后得到的12位數據，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數值乘于00625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘于0062511即可得到實際溫度。例如125的數字輸出為07D0H，250625的數字輸出為0191H，250625的數字輸出為FF6FH，55的數字輸出為FC90H。溫度檢測控制電路如圖25所示GNDVCS18B20VCR47KAT89S52P32圖25溫度檢測控制電路圖232報警電路報警電路設計12的工作過程如圖26所示，該報警電路由兩個主要部件組成，BUZZ喇叭報警裝置和三極管，如果來自單片機P11端的信號使三極管的發(fā)9射極導通，即有電流通過時，那么從VCC到BUZZ到集電極也會有電流通過，這樣會讓BUZZ報警裝置發(fā)出報警聲音，如果來自來單片機P11端的信號使三極管的發(fā)射極沒有導通，則無電流通過，喇叭不發(fā)聲音。即當P11端的信號為低電平時，喇叭報警，當P11端的信號為高電平時喇叭不響。圖26報警電路233控制電路及顯示電路通過2個外部電路來控制溫度，只要在中斷口讓2個開關接地。然后把調節(jié)后的溫度通過數碼管顯示出來。1、LED顯示器13結構與原理LED顯示器由7條發(fā)光二極管組成顯示字段，有的還帶有一個小數點DP將7段發(fā)光二極管陰極連在一起，成為共陰極接法，當某個字段的陽極為高電平時，對應的字段就點亮。共陽極接法是將LED的所有陽極并接后就連到5V上，當某一字段的陰極為0時，對應的字段就點亮。靜態(tài)串行顯示器的結構圖如27所示10ABCDEFGDPVCCABCDEFGDP共陰極共陽極圖27靜態(tài)串行顯示器的結構圖點亮LED顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法14。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字段時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止，這種方式，每一顯示位都需要一個8位輸出口控制，占用硬件較多，一般僅用于顯示器位數較少的場合。所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點亮各位顯示器。對每為顯示器而言，每隔一段時間顯示一次。顯示位的亮度既跟導通電流有關，也和點亮時間與間隔時間的比例有關。動態(tài)顯示器因硬件成本較低而被采用。為了顯示字符，要為LED顯示器提供顯示段碼，組成一個“8”字形的7段，再加上1個小數點位，共計8段，因此提供LED顯示器的顯示段碼為一個字節(jié)。2、LED顯示器與單片機的接線圖本設計通過單片機P0口并經總線驅動器74LS245控制6位數碼管的段碼，通過位選線P2021經三極管逐位逐位去控制數碼管掃描顯示。由于采用動態(tài)顯示，其優(yōu)點是占用硬件資源少，功耗小。但必須注意掃描周期必須控制在視覺停頓時間內，一般在20MS以內，否則會出現閃爍或跳動現象。如圖28所示為LED與單片機的接線圖15。11圖28LED與單片機的接線圖顯示器有四個LED數碼管組成。輸入串行數據線DIN和位移信號CLK，四個串/并移位寄存器與芯片74LS245相連。每片的并行輸出作為LED數碼管的碼段。74LS245是用來驅動LED的設備16，它是8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數據。74LS245還具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數據。當AT89S52單片機的P0口總線負載達到或超過P0最大負載能力時，必須接入74LS245等總線驅動器。當片選端CE低電平有效時，DIR“0”，信號由B向A傳輸（接收）；DIR“1”，信號由A向B傳輸（發(fā)送）；當CE為高電平時，A、B均為高阻態(tài)。P0口與74LS245輸入端相連,E端接地，保證數據現暢通。AT89S52的RD和PSEN相與后接DIR，使得RD或PSEN有效時，74LS245輸入，其它時間處于輸出。74LS245的電路如圖29所示12圖2974LS245電路示意圖第3章軟件設計總體設計程序總體是控溫，所以應該不斷測溫并控制。如圖31所示NYY開始初始化調各顯示子程序調溫度轉換子程序溫度70C報警溫度50C加熱N結束停止加熱13圖31程序總體設計流程圖31中斷控制程序中斷程序的流程圖如圖32所示圖32中斷程序的流程圖首先設計控溫的程序17，程序如下外部中斷1KEY_1CLREA關閉外部中斷INCDIS1把個位加一MOVA,DIS1CJNEA,10,KEY判斷個位是否為十MOVDIS1,0是十把它置一顯示并打開中斷外部中斷1處理溫度的個位結束外部中斷2處理溫度的十位結束14KEYMOVA,DIS2MOVB,10MULABADDA,DIS1求出調整后的溫度MOVTEMPER_CONFIG,A保存調整后的溫度LCALLDISPLAY顯示調整后的溫度SETBEX0SETBEX1SETBEA打開中斷RETI中斷返回外部中斷2KEY_2CLREAINCDIS2MOVA,DIS2CJNEA,10,KEYMOVDIS2,0AJMPKEY其中DIS1,DIS2是定義的變量，用來保存數碼管的顯示數字。TEMPER_CONFIG也是定義變量用來保存設定溫度值。32顯示程序根據數碼管的顯示特點，要在實現一位后延時一會兒再顯示下一位。下面是數碼管顯示代碼18顯示DISPLAYMOVA,DIS2MOVDPTR,TABLEMOVCA,ADPTRMOVP0,A15SETBP21DSDELY1MOVR6,11DJNZR6,DJNZR7,DSDELY1MOVA,DIS1MOVDPTR,TABLEMOVCA,ADPTRMOVP0,ASETBP20MOVR7,25DSDELY2MOVR6,11DJNZR6,DJNZR7,DSDELY2RET33溫度測量根據DS18B20的通訊協議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。當主機收到DS18B20的響應信號后，便可以發(fā)出操作命令，這些命令可以分為ROM命令和RAM命令兩種19。CPU的操作過程如圖33所示。由于DS18B20與單片機間采用串行數據傳送，因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。操作時序主要有初始化時序、讀時序和寫0時序和寫1時序四種，如圖34所示。在溫度測量儀表中，對DS18B20的操作主要是復位、讀數據和寫數據三種，而兩種操作又都是按位進行的，所以首先應該按照DS18B20的時序要求，編寫讀、寫時間片的程序，其流程圖如圖35所示。開始元件復位寫SKIPROM命令（CCH）寫啟動轉換命令（44H）延時750S等待轉換結束元件復位寫SKIPROM命令（CCH）寫讀轉換結果命令（BEH）讀轉換結果CRC校驗結束16圖33DS18B20操作過程115S60120S30S15S115S15S115S1560S復位脈沖480960S應答脈沖60240S（A）初始化信號（B）寫1信號（C）寫0信號（D）讀信號17圖34DS18B20操作時序圖35DS18B20操作程序流程圖根據上述可以得到18B20的操作的3個函數20初始化18B20INIT_1820SETBDQNOPCLRDQMOVR0,06BHTSR1DJNZR0,TSR1延時SETBDQ開始總線置1并延時總線置0并延時480S總線置1返回開始設循環(huán)次數為8總線置0并延時16S寫1位數據延時480S總線置1并延時16S8位寫完返回開始設循環(huán)次數為8總線置0并延時16S寫1位數據延時100S總線置1并延時60S8位讀完返回（A）復位操作流程（B）寫操作流程（C）讀操作流程18MOVR0,25HTSR2JNBDQ,TSR3DJNZR0,TSR2LJMPTSR4延時TSR3SETBFLAG1置標志位,表示DS1820存在LJMPTSR5TSR4CLRFLAG1清標志位,表示DS1820不存在LJMPTSR7TSR5MOVR0,06BHTSR6DJNZR0,TSR6延時TSR7SETBDQRET把A的值寫入18B20WRITE_1820MOVR2,8CLRCWR1CLRDQMOVR3,6DJNZR3,RRCAMOVDQ,CMOVR3,23DJNZR3,SETBDQNOPDJNZR2,WR1SETBDQRET讀溫度READ_18200MOVR4,2將溫度高位和低位從DS18B20中讀出MOVR1,77H低位存入77HTEMPER_L,高位存入1976HTEMPER_HRE00MOVR2,8RE01CLRCSETBDQNOPNOPCLRDQNOPNOPNOPSETBDQMOVR3,7DJNZR3,MOVC,DQMOVR3,23DJNZR3,RRCADJNZR2,RE01MOVR1,ADECR1DJNZR4,RE00RET應為讀出的溫度的格式是12位21，TEMPER_L位前四位是整數部分后四位是小數，TEMLPER_H只有低四位是有效的。所以我們要有一個處理溫度的函數得到整數的溫度。讀出的溫度轉換成1個字節(jié)放入TEMPER_NUMTEMPER_COVMOVA,0F0HANLA,TEMPER_L舍去溫度低位中小數點后的四位溫度數值SWAPAMOVTEMPER_NUM,A20MOVA,TEMPER_LJNBACC3,TEMPER_COV1四舍五入去溫度值INCTEMPER_NUMTEMPER_COV1MOVA,TEMPER_HANLA,07HSWAPAORLA,TEMPER_NUMMOVTEMPER_NUM,A保存變換后的溫度數據RET讀溫度到TEMPER_L和TEMPER_HREAD_TEMPMOVA,0CCHLCALLWRITE_1820MOVA,0BEHLCALLWRITE_1820LCALLREAD_18200LCALLINIT_1820MOVA,0CCHLCALLWRITE_1820MOVA,044HLCALLWRITE_1820RET34溫度處理當溫度低于50C時，進行加熱,加熱到50度與70度之間為正常狀態(tài)。當溫度大于70C時，喇叭報警，停止加熱。溫度處理TEMPER_WORKLCALLTEMPER_COVMOVA,TEMPER_NUMCLRCSUBBA,70JNCTEMP_OVER21MOVA,TEMPER_NUMCJNEA,TEMPER_CONFIG,TWRETTWJCOPEN_HASETBHARET溫度超過70喇叭響，并停止加熱TEMP_OVERSETBHAMOVR6,128BELLCLRWAMOVR7,100DJNZR7,SETBWADJNZR6,BELLRET加熱OPEN_HACLRHARET結論本課程設計是8051單片機的溫度控制系統(tǒng)。硬件設計分為了以下模塊顯示模塊、報警模塊、溫度控制模塊和溫度傳感器模塊。然后設計軟件，編寫程序調試硬件電路各個模塊的功能。最后對整個系統(tǒng)聯調，實現了設計要求，對溫度進行了控制。當溫度小于50C時加熱，當溫度大于50C小于70C時是正常狀態(tài)，當溫度大于70C時報警，停止加熱。通過這次的設計，實現了溫度控制的硬件連接，模塊的建立。最終結果表明本設計是合理的，能很好的達到預期的效果和要求。22參考文獻1HUHONGBINMEASURINGFORTEMPERATURECHARACTERISTICOFTEMPERATURERELAYELECTROMECHANICALELEMENT,2003,946482李朝青單片機原理及接口技術（簡明修訂版）杭州北京航空航天大學出版社，1998981063李廣弟單片機基礎北京北京航空航天大學出版社，199415264徐同舉新型傳感器基礎D北京北京大學數學學院,19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