单片机温度控制系统实施研究.docx
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单片机温度控制系统实施研究
烟台南山学院
毕业论文
题目单片机温度控制系统实施研究
姓名:
李爱臣
所在学院:
计算机与电气自动化学院
所学专业:
电气工程及其自动化
班级:
08电气工程03班
学号:
200806709087
指导教师:
刘新红
完成时间:
2012.4.15
毕业论文(设计)任务书
论文题目
单片机温度控制系统实施研究
院部
计算机与电气自动化
专业
电气工程及其自动化
班级
08级03班
毕业论文(设计)的要求
设计单片温度控制系统,用于实现温度控制,具体要求为:
(1)温度连续可调,范围在0℃-30℃;
(2)超调量≤20%;
(3)温度误差≤±0.5°C;
(4)人机对话方便。
毕业论文(设计)的内容与技术参数
(1)基于课题研究的需求,确定系统的总体设计方案;
(2)进行系统硬件电路设计,实现温度控制在0℃到30℃之间;
(3)进行系统软件设计,并进行调试,实现温度控制过程。
毕业论文(设计)工作计划
(1)2011-11-25到2011-12-25进行相关资料查询,书写开题报告。
(2)2011-12-25到2012-03-15进行系统整体设计,包括硬件电路和软件部分。
(3)2012-03-15到2012-04-15撰写论文,准备答辩。
接受任务日期年月日要求完成日期年月日
学生(签名)年月日
指导教师(签名)年月日
院长(主任)(签名)年月日
摘要
本设计以AT89C51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:
AT89C51单片机、DS18B20温度芯片、温度控制、串口通讯
ABSTRACT
ThisdesigntakesAT89C51monolithicintegratedcircuitascoretemperaturecontrolsystem'sprincipleofworkanddesignmethod.ThetemperaturesignalbythetemperaturechipDS18B20gathering,andtransmitsbydigitalsignal'swayforthemonolithicintegratedcircuit.Inthearticleintroducedthiscontrolsystem'shardwarepart,including:
Temperatureexaminationelectriccircuit,temperature-controlcircuit,PCmachineandmonolithicintegratedcircuitserialportcommunicationchannelandsomeinterfacecircuit.Themonolithicintegratedcircuitthroughcarriesoncorrespondingprocessingtothesignal,thusrealizesthetemperaturecontrolgoal.Inthearticlealsoemphaticallyintroducedthesoftwaredesignpart,usesthemodularstructureinhere,themainmoduleincludes:
Nixietubedisplaysequence,keyboardscanningandpressedkeydisposalprocedure,temperaturesignalprocessingprocedure,black-whitecontrolprocedure,excesstemperaturewarningprocedure.
Keywords:
AT89C51MonolithicIntegratedCircuit,DS18B20TemperatureChip,TemperatureControl,SerialPortCommunication
目录
1概述1
1.1课题背景及意义1
1.1.1课题背景1
1.1.2课题意义1
1.2国内外单片机温度控制系统的研究现状2
1.3课题研究的内容2
2总体设计3
2.1设计要求3
2.2工作原理3
3设计方案5
3.1温度采集部分方案设计5
3.2主控制部分方案6
3.2.1描述6
3.2.2功能特性6
3.2.3AT89C51引脚功能说明6
3.2.4AT89C51单片机内部构造及功能9
3.3总线11
3.4单片机的工作方式11
3.4.1复位及复位电路11
3.4.2时钟电路和时序12
3.4.3单片机的低功耗方式14
4各单元的设计15
4.1键盘单元15
4.2温度控制及超温和超温警报单元16
4.3温度测试单元17
4.3.1温度测试原理17
4.3.2DS18B20的测温流程18
4.4温度控制器件电路18
4.5七段数码管显示单元18
4.5.17段数码管的结构与工作原理20
4.5.27段数码管驱动方法20
4.5.374Ls164的工作原理21
4.6接口通讯单元21
6程序设计24
6.1程序结构分析24
6.2主程序分析....................24
6.3程序代码(详见附录程序清单)25
7测设分析26
结论27
致谢28
参考文献29
附录30
1概述
1.1课题背景及意义
1.1.1课题背景
工业温度控制是计算机的一个重要应用领域,计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要发展起来的一门专业技术,它主要研究如何将计算机技术、通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程,并设计出所需要的计算机控制系统。
随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用,以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活对温度的控制水平。
本设计就是基于单片机AT89C51温度控制系统的实施研究的设计,通过本次课程实践,我们更加明确了单片机的广泛用途和使用方法,以及工作原理。
1.1.2课题意义
现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。
传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。
温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段;
(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件);
(2)模拟集成温度传感器/控制器;
(3)智能温度传感器。
国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
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°C。
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°C。
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°C,测温精度为±0.2°C。
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。
目前,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(1-Wire)总线、I2C总线、SMBsus总线和spI总线。
温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。
以往在生产过程和科学实验中,要对温度进行控制,一般采用数字调节仪表或者模拟,但是它们却存在一定的缺陷而采用单片机进行温度的调节与控制就大大提高了可靠性和灵敏度。
目前,随着物联网概念的日渐普及,基于单片机所组成的数据采集和控制系统,已在各个领域得到了广泛的应用。
传感器是信息产业的重要基础元件,应用在航天、军工、家电、汽车电子、IT、医疗和特种设备等方面。
从市场角度看,如果我国的大中型企业将温度控制系统引入生产,可以降低消耗,控制成本,从而提高生产效率。
嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的要求,符合国家经济发展政策,具有十分广阔的市场前景。
现今,应用比较成熟的如电力脱硫设备中,主控制器在主蒸汽温度控制系统中的应用,已经达到了世界前进水平。
如今,在微电子行业中。
温度控制系统也越来越重要,如单晶炉、神经网络系统的控制。
因此。
温度控制系统经济前景非常广泛,我国的高新精尖行业研究其应用的意义更是更加重大。
1.2国内外单片机温度控制系统的研究现状
国内外温度控制系统发展迅速,并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。
目前社会上温度控制大多采用智能调节器,国产调节器分辨率和精度较低,温度控制效果不是很理想,但价格便宜,国外调节器分辨率和精度较高,价格较贵。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先,都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表.并在各行业广泛应用。
它们主要具有如下的特点:
一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制;二是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制;三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制;四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术,运用先进的算法,适应的范围广泛;五是温控器普遍具有参数自整定功能。
借助计算机软件技术,温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。
有的还具有自学习功能,能够根据历史经验及控制对象的变化情况,自动调整相关控制参数,以保证控制效果的最优化;六是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。
目前,国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
近年来,温度的检测在理论上发展比较成熟,但在实际测量和控制中,如何保证快速实时地对温度进行采样,确保数据的正确传输,并能对所测温度场进行较精确的控制,仍然是目前需要解决的问题。
温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。
在温度的测量技术中,接触式测温发展较早,这种测量方法的优点是:
简单、可靠、低廉、测量精度较高,一般能够测得真实温度;但由于检测元件热惯性的影响,响应时间较长,对热容量小的物体难以实现精确的测量,并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温,不能用于超高温测量,难于测量运动物体的温度。
另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法,其优点是:
不破坏被测温场,可以测量热容量小的物体,适于测量运动物体的温度,还可以测量区域的温度分布,响应速度较快。
但也存在测量误差较大,仪表指示值一般仅代表物体表观温度,测温装置结构复杂,价格昂贵等缺点。
因此,在实际的温度测量中,要根据具体的测量对象选择合适的测量方法,在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。
1.3课题研究的内容
(1)基于课题研究的需求,介绍了采集温度的DS18B20温度芯片;
(2)着重介绍了主控制部分的单片机AT89C51的引脚功能;
(3)为了更好的完成设计还介绍了各个单元的组成及功能;
(4)详细的介绍了单片机温度控制的过程。
2总体设计
2.1设计要求
设计基于单片机AT89C51的温度控制系统,用于实现控制温度。
具体要求如下:
(1)温度连续可调,范围为0℃-30℃;
(2)超调量σ%≤20%;
(3)温度误差≤±0.5℃;
(4)人-机对话方便。
2.2工作原理
在具体设备环境不同的位置处,由温度传感器DS18B20来进行温度的采集,将采集的温度值传给单片机AT89C51,经过具体的处理后得到当前环境中一个稳定的温度值,再根据当前设定的温度上下限值,通过加热和降温对当前的温度进行调整。
当采集的温度经过处理后超过设定温度的上限值时,单片机就会通过三极管驱动继电器开启降温设备(压缩制冷器)当采集的温度经过处理后低于设定温度的下限值时,单片机就会通过三级管驱动继电器开启升温设备(加热器)。
当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障,或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候,单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。
系统中将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据,以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。
图2-1工作原理图
3设计方案
3.1温度采集部分方案设计
由于本设计是精度控制系统,并且有控制范围上的要求,所以在选择传感器上要着重考虑其精度和测试温度范围。
AD590和DS18B20都包含一个可以精确测量环境温度的片内温度传感器,但AD590是模拟传感器,需对温度模拟信号进行数字化处理,在调理和放大信号时,又会带来新的误差,影响精度,而DS18B20包含一个10位AD转换器,是一个以0.25的分辨力将温度数字化的数字式温度传感器,并且其测温理论范围为-55度到125度,因其精度高,范围可选这两大特点,故本设计的传感器选为DS18B20。
温度采集电路模块如图3-1所示。
DS18B20内部结构主要有四个部分组成:
1)64位光核ROM;2)温度传感器;3)非易失性温度报警触发器TH和TL;4)配置寄存器。
其中DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端。
器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量:
在信号线处于高电平期间把能量存储在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作,直到高电平到来再给寄生电源(电容)充电。
DS18B20也可以用外部5V电源供电。
图3-1温度采集电路
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,用12位存储温度值,用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625°C/LSB形式表达,其中S为符号位,负温度S=1,正温度S=0。
如下图3-2为18B20的温度存储方式:
图3-218B20的温度存储方式
这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得温度大于0,这5位为0,只要将测得数值乘以0.0625即可得到实际温度。
例如:
0550H为+85°C,0191H为+25.0625°C,FC90H为-55°C。
3.2主控制部分方案
3.2.1描述
AT89C51是一个低电压,高性能CMOS8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器(PENROM)。
这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产,并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。
片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元,有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。
3.2.2功能特性
AT89C51提供以下的功能标准:
4K字节闪烁存储器,128字节随机存取数据存储器,32个I/O口,2个16位定时/计数器,1个5向量两级中断结构,1个串行通信口,片内震荡器和时钟电路。
另外,AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作,并支持两种软件的节电模式。
闲散方式停止中央处理器的工作,能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容,但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。
3.2.3AT89C51引脚功能说明
VCC:
电源电压。
GND:
地。
P0口:
是一组8位漏极开路双向I/O口,即地址/数据总线复用口。
作为输出口时,每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。
当“1”被写入P0口时,每个管脚都能够作为高阻抗输入端。
P0口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时,转换地址和数据总线复用,并在这时激活内部的上拉电阻。
P0口在闪烁编程时,P0口接收指令,在程序校验时,输出指令,需要接电阻。
P1口:
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4个TTL电路。
对端口写“1”,通过内部的电阻把端口拉到高电平,此时可作为输入口。
因为内部有电阻,某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。
闪烁编程时和程序校验时,P1口接收低8位地址。
表3.1P1口的第二功能
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:
是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。
对端口写“1”,通过内部的电阻把端口拉到高电平,此时,可作为输入口。
因为内部有电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器时,P2口线上的内容在整个运行期间不变。
闪烁编程或校验时,P2口接收高位地址和其它控制信号。
P3口:
是一组带有内部电阻的8位双向I/O口,P3口输出缓冲故可驱动4个TTL电路。
对P3口写如“1”时,它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时,被外部拉低的P3口将用电阻输出电流。
P3口除了作为一般的I/O口外,更重要的用途是它的第二功能,如下表所示:
表3.2P3口的第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0(RXD)
串行输入口
P3.1(TXD)
串行输出口
P3.2(INT0)
外部中断0输入
P3.3(INT1)
外部中断0输入
P3.4(T0)
定时/计数器0外部输入
P3.5(T1)
定时/计数器1外部输入
P3.6(WR)
外部数据存储器写选通
P3.7(RD)
P3口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。
RST:
复位输入。
当震荡器工作时,RET引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。
ALE/
:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE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以时钟震荡频率的1/16输出固定的正脉冲信号,因此它可对输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时,闪烁存储器编程时,这个引脚还用于输入编程脉冲。
如果必要,可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。
这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。
此外,这个引脚会微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。
PSEN:
程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器读取指令时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号不出现。
EA/VPP:
外部访问允许。
欲使中央处理器仅访问外部程序存储器,EA端必须保持低电平。
需要注意的是:
如果加密位LBI被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平,CPU则执行内部程序存储器中的指令。
闪烁存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电压VPP,当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。
XTAL1:
震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
震荡器反相放大器的输出端。
时钟震荡器:
AT89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器。
外接石英晶体及电容C1,C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。
对外接电容C1,C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。
如果使用石英晶体,我们推荐电容使用30PF±10PF,而如果使用陶瓷振荡器建议选择40PF±10PF。
用户也可以采用外部时钟。
采用外部时钟的电路如图示。
这种情况下,外部时钟脉冲接到XTAL1端,即内部时钟发生器的输入端,XTAL2则悬空。
由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的,所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。
(a)内部振荡电路
(b)外部振荡电路
图3-3振荡电路
闲散节电模式:
AT89C51有两种可用软件编程的省电模式,它们是闲散模式和掉电工作模式。
这两种方式是控制专用寄存器PCON中的PD和IDL位来实现的。
PD是掉电模式,当PD=1时,激活掉电工作模式,单片机进入掉电工作状态。
IDL是闲散等待方式,当IDL=1,激活闲散工作状态,单片机进入睡眠状态。
如需要同时进入两种工作模式,即PD和IDL同时为1,则先激活掉电模式。
在闲散工作模式状态,中央处理器CPU保持睡眠状态,而所有片内的外设仍保持激活状态,这种方式由软件产生。
此时,片内随机存取数据存储器和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。
闲散模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
终止闲散工作模式的方法有两种,一是任何一条被允许中断的事件被激活,IDL被硬件清除,即刻终止闲散工作模式。
程序会首先影响中断,进入中断服务程序,执行完中断服务程序,并紧随RETI指令后,下一条要执行的指令就是使单片机进入闲散工作模式,那条指令后面的一条指令。
二是通过硬件复位也可将闲散工作模式终止。
需要注意的是:
当由硬件复位来终止闲散工作模式时,中央处理器CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条开始继续执行程序的,要完成内部复位操作,硬件复位脉冲要保持两个机器周期有效,在这种情况下,内部禁止中央处理器CPU访问片内RAM,而允许访问其他端口,为了避免可能对端口产生的意外写入:
激活闲散模式的那条指令后面的一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。
掉电模式:
在掉电模式下,振荡器停止工作,进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令,片内RAM和特殊功能寄存器的内容在中指掉电模式前被冻结。
退出掉电模式的唯一方法是硬件复位,复位后将从新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容,在VCC恢复到正常工作电平前,复位应无效且必须保持一定时间以使振荡器从新启动并稳定工作。
表3.3闲散和掉电模式外部引脚状态
模式
程序存储器
ALE
P0
P1
P2
P3
闲散模式
内部
1
1
数据
数据
数据
数据
闲散模式
内部
1
1
浮空
数据
地址
数据
掉电模式
外部
0
0
数据
数据
数据
数据
掉电模式
外部
0
0
数据
数据
数据
数据
程序存储器的加密:
AT89C51可使用对芯片上的三个加密位
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