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)計說明書（論文）設(shè)計題目 基于51單片機(jī)的恒溫水箱專題部分 恒溫水箱系統(tǒng)姓 名 阮鵬學(xué) 號 院（系 ） 工學(xué)院專業(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)生活中對溫度的控制水平。因此對溫度系統(tǒng)的設(shè)計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51單片機(jī)實現(xiàn)水溫的自動監(jiān)控和水位越限報警及調(diào)整，這個系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，單片機(jī)獲取被控對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，通過繼電器輸出差異控制信息作用于加熱器和抽水泵，實現(xiàn)水溫和水位的自動調(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2(一)系統(tǒng)設(shè)計的框架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)簡介32.STC89C52單片機(jī)時序43. 晶振電路與

3、復(fù)位電路的設(shè)計4(四)溫度傳感器電路5(五)系統(tǒng)電源電路的設(shè)計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)存儲器接口電路10三、系統(tǒng)軟件設(shè)計10(一)計算溫度子程序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） 測設(shè)分析151、測試環(huán)境15四、結(jié)束語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：實物圖22一·溫度控制驅(qū)動程序23 一、緒論(一)課題研究的背景溫

4、度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域 ,如家電、汽車、材料、電力電子等 ,常用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場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象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題。隨著微機(jī)測量和控制技術(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)生活中對溫度的控制水平。本設(shè)計就是基于單片機(jī)STC89C52溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過數(shù)字溫度傳感器檢測外部溫度對水箱進(jìn)行恒溫控制的設(shè)計，通過控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制電爐的加熱來實現(xiàn)恒溫控制。通過本次課程實踐，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的發(fā)展，溫度的測量及控制變得越來越重要。本文采用單片機(jī)STC89C52設(shè)計了溫度實時測量及控制系統(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時顯示，通過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)均通過液晶顯示器LCD顯示出來。系統(tǒng)可以根據(jù)時鐘存儲相關(guān)的數(shù)據(jù)。通過該課程的學(xué)習(xí)使我們對計算機(jī)控制系統(tǒng)有一個全面的了解、掌握常規(guī)控制算法的使用方法、掌握簡單微型計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟硬的設(shè)計方法，進(jìn)一步鍛煉同學(xué)們在微型計算機(jī)應(yīng)用方面的實際工作能力。 二、硬件電路的設(shè)計(一)系統(tǒng)設(shè)計的框架本課題設(shè)計的是一種以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)可以實時存儲相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)并記錄當(dāng)前的時間。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)計框架(二)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路在課題設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中，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I/O口，片內(nèi)含4K FLASH工藝的程序存儲器，便于用電的方式瞬間擦除和改寫，而且價格便宜，其外部晶振為12

7、MHz，一個指令周期為1S。使用該單片機(jī)完全可以完成設(shè)計任務(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)計的溫度控制系統(tǒng)主控制芯片選型為STC89C52單片機(jī)，其特點如下。1.STC89C52單片機(jī)簡介STC89C52單片機(jī)包括：一個8位的微型處理器CPU；一個512K的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM；4K片內(nèi)程序存儲器；四個8位并行的I/O接口P0-P3，每個接口既可以輸入，也可以輸出；兩個定時器/記數(shù)器；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工UART的串行I/O口；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(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。以上各個部分通過內(nèi)部總線相連接。2.STC89C52單片機(jī)時鐘1. STC89C52內(nèi)部有一個用于構(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)計單片機(jī)內(nèi)部帶有時鐘電路，只需要在片外通過XTAL1、XTAL2引腳接入定時控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位，它通過復(fù)位端經(jīng)電阻與+5V電源實現(xiàn)，只要能保證復(fù)位信號高電平持續(xù)時間大于2個機(jī)器周期就可實現(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來作為本課題的溫度傳感器。傳感器輸出信號進(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、存儲器等做在一個很小的集成電路芯片上。本設(shè)計中溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件DS18B20，是在經(jīng)過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：測溫范圍為-55+125 ，測溫精度為士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)換的最大時間為750ms；可以通過數(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越強(qiáng)大，體積越來越小，而價格也越來越低。一支DS18B20的體積與普通三極管相差無幾，價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僅需占用1個I/O端口且一條總線上可以掛接幾十個DS18B20，測溫時無需任何外部元件，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)接口大為簡化，給系統(tǒng)的調(diào)試帶來方便。同時因為DS18B

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：單線數(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VDD接地，它是通過內(nèi)部電容在空閑時從數(shù)據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換的時間較長。這種情況下，用單片機(jī)的一個I/O口來完成對DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，相應(yīng)的完成溫度測量的時間較短。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，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)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在

13、電路中起著自動調(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)計電路(八)按鍵接口電路本課題設(shè)計采用的鍵盤模塊，其接口原理圖如下圖8所示： 圖8 鍵盤模塊電路(九) 工作指示模塊本系統(tǒng)設(shè)計四路恒溫水箱控制系統(tǒng)，可一路或多路同時使用，為了更明顯知道工作狀態(tài)，設(shè)計了工作指示燈。設(shè)計電路如圖9所示。 圖9工作指示電路 (十)存儲器接口電路本課題設(shè)計的存儲器采用的是AT24C256，其接口原理圖如下圖10所示：圖10 存儲器電路三、系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件主要是采用C語言，對單片機(jī)進(jìn)行變成實現(xiàn)各項功能。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、鍵盤等模塊。用的是循環(huán)查詢

14、方式，來顯示和控制溫度，主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當(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。開始初始化啟動DB18B20讀溫度計算溫度LCD顯示圖11系統(tǒng)程序流程圖(一)計算溫度子程序 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。開始初始化Ds18B20存在？讀取溫度值存儲操作命令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。開始鍵掃描消除抖動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) 溫度檢測與控制子程序讀取18B20的實時數(shù)據(jù)與設(shè)定值的比較，開始進(jìn)行加熱，在加熱的過程中需要進(jìn)行每2秒一次的跟蹤檢測，并把檢測到的實時數(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)行開始加熱檢測實際溫度與設(shè)定溫度是否相等？加熱YN每隔2秒檢測1次相差3？Y圖14 溫度檢測與控制流程圖讀取18B20,調(diào)顯示子程序初始化開始(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時將符號顯示位移入下一位。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)顯示符號百位數(shù)不顯示百位數(shù)顯示數(shù)據(jù)（不顯示符號） 結(jié)束NNYY圖15 數(shù)據(jù)刷新子程序 四、測試分析1、測試環(huán)境環(huán)境溫度28攝氏度，室內(nèi)面積20平方米測試儀器：數(shù)字萬用表，溫度計0-100攝氏度2、測試方法使系統(tǒng)運行，采用溫度計同時測量室內(nèi)度變化情況，得出系統(tǒng)測量的溫度。3、測試結(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)時間 15s（具體視現(xiàn)場情況）靜態(tài)誤差<=1攝氏度 最大超調(diào)量2攝氏度4、通過測試分析，對于實際室內(nèi)的溫度控制，可以再提

17、出以下 2 點方法 ：增加傳感器個數(shù)，對各個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。 對實際室內(nèi)的溫度控制，可采用功率較大的電爐，并且通過風(fēng)扇對箱內(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、通過實驗測試和分析，發(fā)現(xiàn)雖然傳感器的溫度采集精度最高可得到 0.06 ，但測試得到的數(shù)據(jù)最小間隔為 0.03 。通過分析，當(dāng)對浮點數(shù)求平均處理時，遇到同一時刻兩個傳感頭采集的溫度相差不大，使 0.06 時求出平均溫度變?yōu)?0.03 為了解該數(shù)據(jù)是否真實，可采用一個高精度的數(shù)字溫度計測試，發(fā)現(xiàn)讀出的值與其基本一致，由此推斷如果在同一時間增加采集溫度的個數(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題期間和論文寫作的過程中給予了我真切關(guān)心和事無巨細(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，讓我在實習(xí)的短短日子里學(xué)到了很多書本上所沒有的東西，這對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！同時我要感謝我的同學(xué)，特別是我的室友們，正是他們在這幾年里陪我一起成長，一起學(xué)習(xí)，才讓我有了今天的成績。他們在平時的學(xué)習(xí)和生活中他們給予了我無私的關(guān)懷和幫助，在此表示我最誠摯的謝意。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