电子工程设计.docx

电子工程设计.docx

《电子工程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子工程设计.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电子工程设计

电子工程设计

系别：

自动化系

姓名学号

张德龙B09040526

朱豪亮B09040529

成占飞B09040506

秦　旭B09040515

温度控制系统设计

一．系统的发展

温度是一个重要的物理量，它反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。

在工、农业生产和日常生活中，各个环节都与温度紧密相联，温度的准确监测及控制占据着极其重要地位。

比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行等。

没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障,还有人们生活中所使用的冰箱、空调的温度控制。

可见，温度的测量和控制是非常重要的。

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛。

利用单片机对温度进行控制的技术也随之而生，并日益发展和完善，且越来越显示出它的优越性。

二．系统的基本设计思路

本系统是对温度进行实时监测与控制，实现了基本的温度控制功能：

当温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。

当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降，同时红灯亮。

当温度下降到上限温度以下时，停止降温。

温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。

三个数码管即时显示温度，精确到小数点一位。

本系统的电路方框图如图1所示，它由三部分组成:

①控制部分主芯片采用单片机STC89C52；②显示部分采用液晶显示实现温度显示；③温度采集部分采用DS18B20温度传感器。

加热继电器

电风扇继电器

图1温度控制系统电路方框图

1.控制部分

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。

另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。

2.显示部分

在液晶显示器上显示要控制的温度，并且附带显示日期和时间的功能，具备校准功能与即时间同步，便于记录发生温度异常故障的时间，具有在异常温度下的报警功能。

用二极管发光作为异常报警信号。

显示模块：

采用1602液晶显示屏，它具有显示功能强大，内置192种字符，可显示大量符号、数字，清晰可见，且功耗小寿命长抗干扰能力强。

所以采用1602液晶显示屏。

显示日期时间用DS1302时钟芯片，它是一种高性能时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年、进行计数，且精度高，位的RAM作为数据暂存区，工作电压2.5V~5.5V范围内，2.5V时耗电小于300nA。

所以采用DS1302时钟芯片。

3.温度采集部分

DS18B20温度传感器是一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温。

这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作，由DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。

数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.0口，单片机接受温度并存储。

此部分只用到DS18B20和单片机，硬件很简单。

（1）DS18B20的性能特点如下：

①独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

②多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；

③无须外部器件；④可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V；

⑤零待机功耗；⑥温度以3位数字显示；⑦用户可定义报警设置；

⑧报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；

⑨负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

（2）DS18B20的组成：

①64位光刻ROM开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。

64位闪速ROM的结构如下.表1ROM结构

8b检验CRC

48b序列号

8b工厂代码（10H）

MSBLSBMSBLSBMSBLSB

图3DS18B20内部结构图

②非挥发的温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限值。

③高速暂存存储，可以设置DS18B20温度转换的精度。

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PRAM。

高速暂存RAM的结构为8字节的存储器。

头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。

第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。

DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。

它的内部存储器字节定义如表2所示，低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。

表2DS18B20字节定义

TM

R1

R0

1

1

1

1

1

由表3可见，分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。

因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。

高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。

第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。

转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。

单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。

当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。

表3DS18B20温度转换时间表

R1

R0

分辨率/位

温度最大转向时间/ms

0

0

9

93.75

0

1

10

187.5

1

0

11

375

1

1

12

750

④CRC的产生在64bROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。

主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。

系统对DS18B20的各种操作按协议进行。

操作协议为：

初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数

三DS18B20温度传感器

1.DS18B20的工作原理

（1）DS18B20工作时序

根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：

①每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位；②复位成功后发送一条ROM指令；

③最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待15～60微秒左右后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，具体工作方法如图4，5，6所示。

初始化时序

图4初始化时序

总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，主机响应应答脉冲。

应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。

主机输出低电平，保持低电平时间至少480µs，以产生复位脉冲。

接着主机释放总线，4.7KΩ上拉电阻将总线拉高，延时15～60µs，并进入接受模式，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时480µs。

写时序

图5写时序

写时序包括写0时序和写1时序。

所有写时序至少需要60µs，且在2次独立的写时序之间至少需要1µs的恢复时间，都是以总线拉低开始。

写1时序，主机输出低电平，延时2µs，然后释放总线，延时60µs。

写0时序，主机输出低电平，延时60µs，然后释放总线，延时2µs。

读时序

图6读时序

总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。

所有读时序至少需要60µs，且在2次独立的读时序之间至少需要1µs的恢复时间。

每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1µs。

主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15µs之内采样总线状态。

主机输出低电平延时2µs，然后主机转入输入模式延时12µs，然后读取总线当前电平，然后延时50µs。

⑵ROM操作命令

当主机收到DSl8B20的响应信号后，便可以发出ROM操作命令，这些命令如下表：

表4ROM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，结果存入内部9字节RAM中

读暂存器

0BEH

读内部RAM中9字节的内容

写暂存器

4EH

发出向内部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字节内容复制到E2PRAM中

重调E2PRAM

0BBH

将E2PRAM中内容恢复到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”

2.DS18B20的测温原理

每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内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。

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的测温原理如图7所示，图中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，图中还隐含着计数门，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6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.

图7测温原理方框图

四．STC89C52单片机

图8STC89C52单片机引脚图

1.设计方式

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。

另一种是寄生电源供电方式，单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

本设计采用电源供电方式，P1.1口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89S51的P1.0来完成对总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有足够强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。

如采用寄生电源供电方式，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：

⑴初始化；⑵ROM操作指令；⑶存储器操作指令。

2.引脚连接

（1）晶振控制电路

单片机XIAL1和XIAL2分别接30PF的电容，中间再并个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路。

图9晶振控制电路图

（2）串口引脚

P0口接8个2.2K的电阻然后接到显示电路上。

P1.0接DS18B20温度传感器，如图10所示。

图10DS18B20和单片机接口电路

P1.1和P1.2引脚接到继电器电路的4.7K电阻上，进行控制加热器和电风扇的继电器，P1口其他引脚悬空

P2口中P2.0、P2.1、P2.2分别接到显示电路的4.7K电阻上，P2.5接蜂鸣器电路，其他引脚悬空

P3口中P3.5、P3.6、P3.7接到按键电路上

（3）其它引脚

ALE引脚悬空，复位引脚RST接到复位电路上（如图11所示），VCC接电源，VSS接地，EA接电源

图11复位电路图

五.控制程序

#include

#include

//#include"LCD1602.h"

//#include"DS1302.h"

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

sbitbuzzer=P1^3;

sbitDS1302_CLK=P1^0;//实时时钟时钟线引脚

sbitDS1302_IO=P1^1;//实时时钟数据线引脚

sbitDS1302_RST=P1^2;//实时时钟复位线引脚

sbitwireless_1=P3^0;

sbitwireless_2=P3^1;

sbitwireless_3=P3^2;

sbitwireless_4=P3^3;

sbitACC0=ACC^0;

sbitACC7=ACC^7;

charhide_sec,hide_min,hide_hour,hide_day,hide_week,hide_month,hide_year;//秒,分,时到日,月,年位闪的计数

sbitSet=P1^5;//模式切换键

sbitUp=P1^6;//加法按钮

sbitDown=P1^7;//减法按钮

sbitout=P1^4;//立刻跳出调整模式按钮

sbitDQ=P2^3;//温度传送数据IO口

chardone,count,temp,flag,up_flag,down_flag;

uchartemp_value;//温度值

ucharTempBuffer[5],week_value[2];

voidshow_time（）;//液晶显示程序

/***********1602液晶显示部分子程序****************/

//PortDefinitions**********************************************************

sbitLcdRs=P2^0;

sbitLcdRw=P2^1;

sbitLcdEn=P2^2;

sfrDBPort=0x80;//P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.数据端口

//内部等待函数**************************************************************************

unsignedcharLCD_Wait（void）

{

LcdRs=0;

LcdRw=1;

LcdEn=1;

LcdEn=0;

returnDBPort;

}

//向LCD写入命令或数据************************************************************

#defineLCD_COMMAND0//Command

#defineLCD_DATA1//Data

#defineLCD_CLEAR_SCREEN0x01//清屏

#defineLCD_HOMING0x02//光标返回原点

voidLCD_Write（bitstyle,unsignedcharinput）

{

LcdEn=0;

LcdRs=style;

LcdRw=0;

DBPort=input;

LcdEn=1;

LcdEn=0;

LCD_Wait（）;

}

//设置显示模式************************************************************

#defineLCD_SHOW0x04//显示开

#defineLCD_HIDE0x00//显示关

#defineLCD_CURSOR0x02//显示光标

#defineLCD_NO_CURSOR0x00//无光标

#defineLCD_FLASH0x01//光标闪动

#defineLCD_NO_FLASH0x00//光标不闪动

voidLCD_SetDisplay（unsignedcharDisplayMode）

{

LCD_Write（LCD_COMMAND,0x08|DisplayMode）;

}

//设置输入模式************************************************************

#defineLCD_AC_UP0x02

#defineLCD_AC_DOWN0x00//default

#defineLCD_MOVE0x01//画面可平移

#defineLCD_NO_MOVE0x00//default

voidLCD_SetInput（unsignedcharInputMode）

{

LCD_Write（LCD_COMMAND,0x04|InputMode）;

}

//初始化LCD************************************************************

voidLCD_Initial（）

{

LcdEn=0;

LCD_Write（LCD_COMMAND,0x38）;//8位数据端口,2行显示,5*7点阵

LCD_Write（LCD_COMMAND,0x38）;

LCD_SetDisplay（LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR）;//开启显示,无光标

LCD_Write（LCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCREEN）;//清屏

LCD_SetInput（LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE）;//AC递增,画面不动

}

//液晶字符输入的位置************************

voidGotoXY（unsignedcharx,unsignedchary）

{

if（y==0）

LCD_Write（LCD_COMMAND,0x80|x）;

if（y==1）

LCD_Write（LCD_COMMAND,0x80|（x-0x40））;

}

//将字符输出到液晶显示

voidPrint（unsignedchar*str）

{

while（*str!

='\0'）

{

LCD_Write（LCD_DATA,*str）;

str++;

}

}

/***********DS1302时钟部分子程序******************/

typedefstruct__SYSTEMTIME__

{

unsignedcharSecond;

unsignedcharMinute;

unsignedcharHour;

unsignedcharWeek;

unsignedcharDay;

unsignedcharMonth;

unsignedcharYear;

unsignedcharDateString[11];

unsignedcharTimeString[9];

}SYSTEMTIME;//定义的时间类型

SYSTEMTIMECurrentTime;

#defineAM（X）X

#definePM（X）（X+12）//转成24小时制

#defineDS1302_SECOND0x80//时钟芯片的寄存器位置,存放时间

#defineDS1302_MINUTE0x82

#defineDS1302_HOUR0x84

#defineDS1302_WEEK0x8A

#defineDS1302_DAY0x86

#defineDS1302_MONTH0x88

#defineDS1302_YEAR0x8C

voidDS1302InputByte（unsignedchard）//实时时钟写入一字节（内部函数）

{

unsignedchari;

ACC=d;

for（i=8;i>0;i--）

{

DS1302_IO=ACC0;//相当于汇编中的RRC

DS1302_CLK=1;

DS1302_CLK=0;

ACC=ACC>>1;

}

}

unsignedcharDS1302OutputByte（void）//实时时钟读取一字节（内部函数）

{

unsignedchari;

for（i=8;i>0;i--）

{

ACC=ACC>>1;//相当于汇编中的RRC

ACC7=DS1302_IO;

DS1302_C