温度测量仪论文修改.docx
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温度测量仪论文修改
常州机电职业技术学院
毕业设计(论文)说明书
作者:
陈军强学号:
40931245
系部:
电气工程系
专业:
应用电子技术
题目:
基于单片机控制的温度测量仪的设计
指导者:
评阅者:
2012年04月
摘要
本设计以AT89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。
温度信号由温度芯片DS18B20采集,并以数字信号的方式传送给单片机。
文中介绍了该控制系统的硬件部分,包括:
温度检测电路、温度控制电路、PC机与单片机串口通讯电路和一些接口电路。
单片机通过对信号进行相应处理,从而实现温度控制的目的。
文中还着重介绍了软件设计部分,在这里采用模块化结构,主要模块有:
数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、超温报警程序。
关键词:
AT89S51单片机DS18B20温度芯片温度控制串口通讯
目录
第1章绪论1
1.1课题背景及研究意义1
1.2国内外的研究现状1
1.2.1温度传感器1
1.2.2湿度传感器3
1.3设计要求4
第2章系统概述5
2.1方案5
2.2主控制部分方案5
第3章硬件设计11
3.1键盘单元11
3.2温度控制及超温和超温警报单元12
3.3温度测试单元13
3.4温度控制器件电路13
3.5七段数码管显示单元14
3.6接口通讯单元15
3.7电源输入部分16
第4章程序设计18
4.1程序结构分析18
4.2主程序19
第5章应用系统的调试30
5.1调试环境30
5.2调试方法30
5.3调试结果30
结论31
致谢32
参考文献………………………………………………………………………………………331绪论
1.1课题背景及研究意义
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。
这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。
传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。
控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。
而采用数字温度传感器DS18B20,因其内部集成了A/D转换器,使得电路结构更加简单,而且减少了温度测量转换时的精度损失,使得测量温度更加精确。
数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信,大大减少了接线的麻烦,使得单片机更加具有扩展性。
由于DS18B20芯片的小型化,更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接,故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头,探入到狭小的地方,增加了实用性。
更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。
1.2 国内外的研究现状
1.2.1温度传感器
成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。
其种类很多,大致可分为以下5类:
1、模拟集成温度传感器;2、模拟集成温度控制器;3、智能温度传感器;4、通用智能温度控制器;5、微机散热保护专用的智能温度控制器。
集成温度传感器的主要应用领域有以下3个方面:
1.温度测量:
可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测系统及网络化测温系统。
2.温度控制:
适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、环境温度监测及报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器及微机系统的过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路、音频功率放大器的过热保护电路及家用电器。
3.特殊应用:
例如,热电偶冷端温度补偿、测量温差、测量平均温度、测量温度场、电子密码锁(仅对内含64位ROM的单线总线智能温度传感器而言)及液晶显示器表面温度监测等[2]。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。
它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器,典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。
目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU);并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开发水平。
进入21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器,采用的是8位A/D转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到1℃。
目前,国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器,所用的是9~12位A/D转换器,分辨力一般可达0.5~0.0625℃。
由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器,能输出13位二进制数据,其分辨力高达0.03125℃,测温精度为±0.2℃。
为了提高多通道智能温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。
以AD7817型5通道智能温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。
新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。
例如,DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC),使其功能更加完善。
DS1624还增加了存储功能,利用芯片内部256字节的E2PROM存储器,可存储用户的短信息。
另外,智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展,这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。
智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化,所采用的总线主要有单线总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线[3]。
1.2.2湿度传感器
湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。
湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种,产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。
空气中的水蒸汽吸附在感湿材料上后,元件的阻抗、介质常数发生很大的变化,从而制成湿敏元件。
近年来,国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。
国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一,质量价格都相差较大,用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度,需要在这方面作深入的了解。
现在国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品,电容式湿敏元件较为多见,感湿材料种类主要为高分子聚合物,氯化锂和金属氧化物。
近年来,国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展,为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件,也将湿度测量技术提高到新的水平。
湿敏元件是最简单的湿度传感器。
湿敏元件主要分为电阻式、电容式两大类。
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。
湿敏电阻的种类很多,例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。
湿敏电阻的优点是灵敏度高,主要缺点是线性度和产品的互换性差。
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。
当环境湿度发生改变时,湿敏电容的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比。
湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化,其精度一般比湿敏电阻要低一些。
国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。
以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例,其测量范围是(1%~99%)RH,在55%RH时的电容量为180pF(典型值)。
当相对湿度从0变化到100%时,电容量的变化范围是163pF~202pF。
温度系数为0.04pF/℃,湿度滞后量为±1.5%,响应时间为5s。
除电阻式、电容式湿敏元件之外,还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件(利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率)、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。
湿敏元件的线性度及抗污染性差,在检测环境湿度时,湿敏元件要长期暴露在待测环境中,很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。
目前,国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司(HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型),Humirel公司(HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型),Sensiron公司(SHT11、SHT15型)。
这些产品可分成以下三种类型:
(1)线性电压输出式集成湿度传感器;典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。
其主要特点是采用恒压供电,内置放大电路,能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号,响应速度快,重复性好,抗污染能力强。
(2)线性频率输出集成湿度传感器;典型产品为HF3223型。
它采用模块式结构,属于频率输出式集成湿度传感器,在55%RH时的输出频率为8750Hz(型值),当上对湿度从10%变化到95%时,输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。
这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。
(3)频率/温度输出式集成湿度传感器;典型产品为HTF3223型。
它除具有HF3223的功能以外,还增加了温度信号输出端,利用负温度系数(NTC)热敏电阻作为温度传感器。
当环境温度变化时,其电阻值也相应改变并且从NTC端引出,配上二次仪表即可测量出温度值。
2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化温度/温度传感器,其外形尺寸仅为7.6(mm)×5(mm)×2.5(mm),体积与火柴头相近。
出厂前,每只传感器都在温度室中做过精密标准,标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中,在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。
它们不仅能准确测量相对温度,还能测量温度和露点。
测量相对温度的范围是0~100%,分辨力达0.03%RH,最高精度为±2%RH。
测量温度的范围是-40℃~123.8℃,分辨力为0.01℃。
测量露点的精度[4]。
1.3设计要求
1.温度连续可调,范围为0℃-40℃
2.超调量σ%≤20%
3.温度误差≤±0.5℃
4.人-机对话方便
2系统概述
2.1方案
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点,特别适合用于构成多点温度测控系统,可直接将温度转化成串行数字信号(按9位二进制数字)给单片机处理,且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片,它具有三引脚TO-92小体积封装形式,温度测量范围-55~+125℃,可编程为9~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出,其工作电源既可在远端引入,业可采用寄生电源方式产生,多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上,CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。
综上,在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。
该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,且此元件线形较好。
在0—100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄氏度。
该芯片直接向单片机传输数字信号,便于单片机处理及控制。
图2-1温度芯片DS18B20
2.2主控制部分方案
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
由于系统控制方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和成本等因素,因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控芯片。
主控模块采用单片机最小系统是由于AT89S51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为0~24MHz,并且价格低廉,批量价在10元以内。
其主要功能特性:
兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写(>1000次)ISPFlashROM
32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压
2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz
全双工UART串行中断口线128x8bit内部RAM
2个外部中断源低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式3级加密位
看门狗(WDT)电路软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针
可以看出AT89S51提供以下标准功能:
4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,看门狗(WDT),两个数据指针,两个16位定时器/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟。
同时,AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式何在RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。
AT89S51引角功能说明
Vcc:
电源电压
GND:
地
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口,作为输出口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号校验期间,P1接收低8位地址。
表2-1为P1口第二功能。
表2-1P1口第二功能
端口引脚
第二功能
P1.5
MOSI(用于ISP编程)
P1.6
MISO(用于ISP编程)
P1.7
SCK(用于ISP编程)
P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。
在访问8位地址的外部数据存储器时,P2口线上的内(也即特殊功能寄存器,在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时,P2也接收高位地址和其它控制信号。
)
P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端口时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,P3口的第二功能如下表2-2。
表2-2P3口的第二功能
端口功能
第二功能
端口引脚
第二功能
RXD(P3.0)
串行输入口
T0(P3.4)
定时/计数器0外部输入
TXD(P3.1)
串行输出口
T1(P3.5)
定时/计数器1外部输入
INT0(P3.2)
外中断0
WR(P3.6)
外部数据存储器写选通
INT1(P3.3)
外中断1
RD(P3.7)
外部数据存储器读选通
RST:
复位输入。
当振荡工作时,RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。
WDT益出将使该引脚输出高电平,设置SFRAUXR的DISRTO位(地址8EH)可打开或关闭该功能。
DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目地,要注意的是:
第当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位禁位后,只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此外,该引脚伎被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。
PSEN:
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器,高有两次有效的PSEN信号。
EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU公访问外部程序存储器(地址0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程电压Vpp。
XTAL1:
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
AT89S51单片机内部构造及功能:
特殊功能寄存器:
特殊功能寄存器的片内空间分存如下图2-2所示。
这些地址并没有全部占用,没有占用的地址不可使用,读这些地址将得到一个随意的数值。
而写这些地址单元将不能得到预期的结果。
中断寄存器:
各中断允许控制位于IE寄存器,5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。
图2-2为AUXR辅助寄存器。
图2-2AUXR辅助寄存器
双时钟指针寄存器:
为方便地访问内部和外部数据存储器,提供了两个16位数据指针寄存储器:
PD0位于SFR区块中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H,当SFR中的位DPS=0时选择DP0,而DPS=1时选择DP1。
在使用前初始化DPS。
图2-3双时钟指针寄存器
电源空闲标志:
电源空闲标志(POF)在特殊功能寄存储器SFR中PCON的第4位(PCON.4),电源打开时POF置“1”,它可由软件设置睡眠状态
并不为复位所影响。
存储器结构:
MCS-51单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构,均具有64KB外部程序和数据的寻址空间。
程序存储器:
如果EA引脚接地(GND),全部程序均执行外部存储器。
在AT89S51,假如接至Vcc(电源+),程序首先执行从地址0000H-0FFFH(4KB)内部程序存储器,再执行地址为1000H-FFFFH(60KB)的外部程序存储器。
数据存储器:
在AT89S51的具有128字节的内部RAM,这128字节可利用直接或间接寻址方式访问,堆栈操作可利用间接寻址方式进行,128字节均可设置为堆栈区空间。
看门狗定时器(WDT):
WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置,它由一个14bit计数器和看狗复位SFR(WDTRST)构成。
外部复位时,WDT默认为关闭状态,要打开WDT,必按顺序将01H和0E1H写到WDTRST寄存器,当启动了WDT,它会随晶体振荡器在每个机器周期计数,除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT,当WDT溢出,将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。
引脚图详见图2-4
图2-4AT89S51单片机引脚图
3硬件设计
3.1键盘单元
单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路,以及专一的复位功能外,其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。
键开关状态的可靠输入:
为了去抖动我采用软件方法,它是在检测到有键按下时,执行一个10ms的延时程序后,再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平,如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态,从而消除了抖动影响
在这种行列式矩阵键盘非编码键盘的单片机系统中,键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。
当确认有按键按下后,下一步就要识别哪一个按键按下。
对键的识别通常有两种方法:
一种是常用的逐行扫描查询法;另一种是速度较快的线反转法。
对照图示3-1的4*4键盘,说明线反转法工作原理。
首先辨别键盘中有无键按下,有单片机I/O口向键盘送全扫描字,然后读入行线状态来判断。
方法是:
向行线输出全扫描字00H,把全部列线置为低电平,然后将列线的电平状态读入累加器A中。
如果有按键按下,总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。
判断键盘中哪一个键被按下是通过将列线逐列置低电平后,检查行输入状态来实现的。
方法是:
依次给列线送低电平,然后查所有行线状态,如果全为1,则所按下的键不在此列;如果不全为1,则所按下的键必在此列,而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。
键盘共有16个按键,用于方便设定温度。
…,数字按键,输入数字0----9;
,设置的确认,修改设置温度时进行确认;
设置的清除,修改设置温度时进行删除;
开启电源
关闭电源
显示及设置转换到温度点1,按此按键后,显示预设置温度的数码管
闪烁;
显示及设置转换到温度点2,按此按键后,显示预设置温度的数码管
闪烁;
图3-14*4键盘
表3-
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