基于51单片机的温度控制系统方案Word下载.docx
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更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行围的温度检测。
1.2温度控制系统的目的
温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛,比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。
而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视,其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。
针对此问题,本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度监测和控制系统,实现对温度的实时检测,具有提醒和控制的功能,本设计的容是温度测试控制系统,控制对象是温度。
它的特点在于应用广泛,功能强大,小巧美观,便于携带,是一款既实用又廉价的控制系统。
1.3温度控制系统完成的功能
本设计是对温度进行实时监测与控制,设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能:
此设计中温度恒定值设置为60℃,上下跳转温度为1℃,设计精度值为0.1。
当温度低于设定下限温度即59℃时,绿灯亮,报警提醒需要外界的加热措施。
当温度上升到上限温度时,停止加温,红灯亮保持温度。
当温度高于设定上限温度即61℃时,红灯亮,需要外界采取降温措施(本设计中没有附加外界的加热和降温措施)。
当温度下降到恒温度时,停止降温。
温度在上下限温度之间时,执行机构不执行。
第二章总体设计方案
2.1方案一
利用温度传感器将温度测出,通过某种电信号传给外部电路产生一种变化,然后由外部电路控制装置的开启。
测温电路的设计,可以使用热敏电阻之类的传感器件利用其感温效应,(如电阻随温度的变化有一个变化的曲线,即利用它的变化特性曲线)温度的变化使得电阻发生了变化根据欧姆定律,电阻的变化会带来电流或这电压的变化。
再将随被测温度变化的电压或电流采集过来,然后进行模拟信号换成数字信号(A/D)转换,将数字信号送入单片机,用单片机进行数据的处理,将温度显示在电路上,这样就可以将被测温度显示出来。
最后还有外围的控制电路,采取一定的措施来控制产生温度的电路,如加温、降温、保持不动、或者报警。
这种设计需要用到A/D转换电路,感温电路比较麻烦。
设计流程图如图2.1
图2.1设计流程图
2.2方案二
利用温度传感器芯片直接将温度数据测出,之后通过单片机程序控制温度的上、下限值,用外部电路产生显示和控制加热和降,来达到设计的要求。
考虑使用温度传感器,结合单片机电路设计,采用一只DS18B20温度传感器,直接读取被测温度值,之后进行转换,依次完成设计要求。
比较以上两种方案,很容易看出,采用方案二,电路比较简单,软件设计容易实现,故实际设计中拟采用方案二。
在设计中温度的控制流程如图2.2所示。
图2.2温度控制整体流程
在本系统的总体电路设计方框图如图2.3所示,它由五部分组成:
单片机AT89C51控制部分;
DS18B20温度传感器采集部分;
3位LED数码管显示部分;
按键调节部分;
二极管报警部分。
图2.3温度计电路总体设计方案
整个设计总体分为以下几个部分:
控制部分、显示部分、温度采集部分、按键控制部分。
1、控制部分
由单片机AT89C51芯片在程序控制和外围简单组合电路作用下运行,和控制温度的上、下限,和LED的温度显示。
控制发光二级管的亮灭,起到提醒报警功能。
2、显示部分
显示电路采用3位7断共阳LED数码管,从P3口送数,P0口扫描。
有两部分显示电路,第一是显示DS18B20温度传感器所检测的当前温度,第二是设定恒定的温度值。
3、温度采集部分
由DS18B20智能温度传感器直接采集被测温度。
4、按键控制部分
由三个按键控制调节,用来调节温度的恒定限值,起到预设调节作用。
第三章温度传感器DS18B20
3.1DS18B20简介
DS18B20封装与引脚
Ds18b20封装与引脚如图3.1
图3.1DS18B20的封装与引脚
DS18B20的简单性能
1、独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
2、测温围-55℃~+125℃,固有测温分辨率0.5℃。
3、支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现多点测温。
4、工作电源:
3~5V/DC。
5、在使用中不需要任何外围元件。
6、测量结果以9~12位数字量方式串行传送。
7、不锈钢保护管直径Φ6。
8、适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。
9、标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选。
10、PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。
3.2DS18B20的工作原理
DS18B20部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器,为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。
高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器,为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。
初始时,温度寄存器被预置成-55℃,每当计数器1从预置数开始减计数到0时,温度寄存器中寄存的温度值就增加1℃,这个过程重复进行,直到计数器2计数到0时便停止。
初始时,计数器1预置的是与-55℃相对应的一个预置值。
以后计数器1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。
为了补偿振荡器温度特性的非线性性,斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。
计数器1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加1℃计数器所需要的计数个数。
DS18B20部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。
在计数器2停止计数后,比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25℃进行比较,若低于0.25℃,温度寄存器的最低位就置0;
若高于0.25℃,最低位就置1;
若高于0.75℃时,温度寄存器的最低位就进位然后置0。
这样,经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了,其最后位代表0.5℃,四舍五入最大量化误差为±
1/2LSB,即0.25℃。
温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示,最高位为符号位,其余8位以二进制补码形式表示温度值。
测温结束时,这9位数据转存到暂存存储器的前两个字节中,符号位占用第一字节,8位温度数据占据第二字节。
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。
DS18B20部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号;
同样的,高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。
当计数门打开时,DS18B20进行计数,计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。
芯片部还有斜率累加器,可对频率的非线性度加以补偿,测量结果存入温度寄存器中。
一般情况下的温度值应该为9位,但因符号位扩展成高8位,所以最后以16位补码形式读出。
DS18B20工作过程一般遵循以下协议:
初始化——ROM操作命令——存储器操作命令——处理数据。
3.3DS18B20的测温原理
测温原理
每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号,在出厂前已写入片ROM中。
主机在进入操作程序前必须用读ROM(33H)命令将该DSl8B20的序列号读出。
ROM命令代码见表3.1。
程序可以先跳过ROM,启动所有DSl8B20进行温度变换,之后通过匹配ROM,再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。
DS18B20的测温原理,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震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,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℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-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行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3.2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值。
表3.1ROM操作命令
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS18B20ROM中的编码
符合ROM
55H
发出此命令之后,接着发出64位ROM编码,访问单线总线上与该编码相对应的DS18B20使之作出响应,为下一步对该DS18B20的读写作准备
搜索ROM
0F0H
用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址,为操作各器件作好准备
跳过ROM
0CCH
忽略64位ROM地址,直接向DS18B20发温度变换命令,适用于单片工作。
告警搜索
命令
0ECH
执行后,只有温度超过设定值上限或者下限的片子才做出响应
温度变换
44H
启动DS18B20进行温度转换,转换时间最长为500MS,结果存入部9字节RAM中
读暂存器
0BEH
读部RAM中9字节的容
写暂存器
4EH
发出向部RAM的第3,4字节写上、下限温度数据命令,紧跟读命令之后,是传送两字节的数据
复制暂存器
48H
将E2PRAM中第3,4字节容复制到E2PRAM中
重调E2PRAM
0BBH
将E2PRAM中容恢复到RAM中的第3,4字节
读供电方式
0B4H
读DS18B20的供电模式,寄生供电时DS18B20发送“0”,外接电源供电DS18B20发送“1”
图3.2测温原理部装置
DS18B20的温度采集过程
由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,他有严格的时隙概念,因此读写时序很重要,系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。
操作协议为:
初始化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
温度的采集流程如图3.3所示。
图3.3DS18B20测温流程
第四章单片机接口设计
4.1设计原则
DS18B20有2种供电方式,一种是直流电源,还有一种是寄生虫方式供电。
采用电源供电方式,此时DS18B20的1脚接地,2脚作为信号线,3脚接电源。
电源是利用直流稳压电源。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10μs。
采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。
由于单线制只有一根线,因此发送接收口必须是三状态的。
主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤:
●初始化;
●ROM操作指令;
●存储器操作指令。
4.2单片机引脚连接
单片机引脚图
单片机引脚如图4.1所示。
图4.1单片机引脚
串口引脚
串口引脚的连接图如附录1。
第五章硬件电路设计
5.1主要硬件电路设计
硬件电路主要包括:
显示电路,DS18B20温度传感器检测电路,按键电路,晶振电路,二极管显示报警电路,电源电路。
(1)显示电路
图5.1显示测量结果电路图
图5.2显示限定温度电路
(2)DS18B20温度传感器检测电路
温度采集通过数字化的温度传感器DS18B20,通过QD接向单片机的P3.0口。
DS18B20温度传感器电路如图5.3所示。
图5.3温度传感器电路引脚图
(3)按键电路
按键电路如图5.4所示。
由K2、K3、K4三个按键控制上、下限温度值。
P3.1接口接K4按键。
P3.2接口接入K3按键。
P3.3接口接K2按键。
1.K2温度上下限减少键:
减少温度上下限的值。
2.K3温度上下限增加键:
增加温度上下限的值。
3.K4温控开关键:
进入温控的切换键。
图5.4按键电路图
(4)晶振控制电路
晶振采用的是12MHZ的标准晶振。
接入单片机的XTAL1、XTAL2。
晶振控制电路如图5.5所示。
图5.5晶振控制电路图
(5)复位电路
复位电路采用了人工复位的方式,按下按键K1使单片机复位。
直接接到单片机的RESET引脚。
复位电路如图5.6所示
图5.6复位电路图
(6)二极管显示报警电路
图5.7二极管显示电路
(8)电源部分
电源部分才用的是直流稳压电源,产生5V的稳定直流电压。
电源设计部分如图5.8所示。
图5.8电源部分电路
5.2软件系统设计
软件系统设计
一个应用系统要完成各项功能,首先必须有较完善的硬件作保证。
同时还必须得到相应设计合理的软件的支持,尤其是微机应用高速发展的今天,许多由硬件完成的工作,都可通过软件编程而代替。
甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作,用软件编程有时会变得很简单,如数字滤波,信号处理等。
因此充分利用其部丰富的硬件资源和软件资源,采用与C51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。
程序设计语言有三种:
机器语言、汇编语言和高级语言。
机器语言是机器唯一能“懂”的语言,用汇编语言或高级语言编写的程序(称为源程序)最终都必须翻译成机器语言的程序(成为目标程序),计算机才能“看懂”,然后逐一执行。
高级语言是面向问题和计算过程的语言,它可通过于各种不同的计算机,用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统,而且语句的功能强,常常一个语句已相当于很多条计算机指令,于是用高级语言编制程序的速度比较快,也便于学习和交流,但是本系统却选用了汇编语言。
原因在于,本系统是编制程序工作量不大、规模较小的单片机微控制系统,使用汇编语言可以不用像高级语言那样占用较多的存储空间,适合于存储容量较小的系统。
同时,本系统对位处理要求很高,需要解决大量的逻辑控制问题。
51指令系统的指令长度较短,它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率,编成的程序占用存单元少,执行也非常的快捷,与本系统的应用要求很适合。
而且AT89C—51指令系统有丰富的位操作(或称位处理)指令,可以形成一个相当完整的位操作指令子集,这是AT89C—51指令系统主要的优点之一。
对于要求反应灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化”产品,可以充分体现出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。
本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序(初始化子程序、写程序和读程序)。
程序组成
系统程序主要包括主程序,读出温度子程序,写入子程序,门限调节子程序等。
1)主程序
主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值,温度测量每1s进行一次。
这样可以在一秒之测量一次被测温度,其程序流程见图5.9所示。
通过调用读温度子程序把存入存储中的整数部分与小数部分分开存放在不同的两个单元中,然后通过调用显示子程序显示出来。
图5.9主程序流程图
2)读出温度子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节,在读出时需进行CRC校验,校验有错时不进行温度数据的改写,程序流程图如图5.10所示。
DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格,所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的,同时,要注意读进来的是高位在后低位在前,共有12位数,小数4位,整数7位,还有一位符号位。
图5.10读出温度子程序
3)写入子程序
写入子程序的流程图如5.11所示。
图5.11写入子程序
4)门限调节子程序
门限调节子程序流程如图5.12所示。
图5.12门限调节电路
结束语
本文详细讲述了系统设计方案,并给出了相关程序流程。
本设计应用性比较强,可以应用在仓库温度、大棚温度、机房温度、水池等的监控。
另外,如果把本设计方案扩展为多点温度控制,加上上位机,则可以实现远程温度监控系统,将具有更大的应用价值。
本文的创新点在于详细设计了基于单片机AT89C51的温度监控系统,设计程序已经.此系统可广泛用于温度在DS18B20测温围之的场合,有良好的应用前景。
由于单片机的各种优越的特性,使得它的经济效益显的更加突出,有很好的实用性。
附录
附录1
原理电路总设计图
附录2
源程序:
FK1EQU24H;
F(k)实测温度
FKEQU25H;
F(k)实测温度暂存
RKEQU26H;
R(k)给定温度
SHI1EQU30H;
实测温度十位
SHI2EQU31H;
实测温度个位
SHI3EQU32H;
实测温度小数位
GAOEQU33H;
给定温度十位
ZHOEQU34H;
给定温度个位
DIEQU35H;
给定温度小数位
CNTEQU37H;
按键消抖计数器
LSBEQU50H;
检测温度低8位
MSB
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- 关 键 词:
- 基于 51 单片机 温度 控制系统 方案