单片机电子体温计设计LCD.docx
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单片机电子体温计设计LCD
NANCHANGUNIVERSITYGONGQINGCOLLEGE
课程(设计)
THESISOFBACHELOR
(2010—2013年)
中文题目:
温度计设计
英文题目:
Thermometerdesign
学院:
南昌大学共青学院
系别:
信息工程系
专业班级:
10级应用电子技术
学生姓名:
学号:
指导教师:
二○一二年十二月
摘要
随着国民经济的发展,人们需要对各中加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。
采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便,简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而能够大大的提高产品的质量和数量。
在日常生活及工业生产过程中,经常要用到温度的检测及控制,温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。
在生产过程中,为了高效地进行生产,必须对它的主要参数,如温度、压力、流量等进行有效的控制。
温度控制在生产过程中占有相当大的比例。
温度测量是温度控制的基础,技术已经比较成熟。
传统的测温元件有热电偶和二电阻。
而热电偶和热电阻测出的一般都是电压,再转换成对应的温度,这些方法相对比较复杂,需要比较多的外部硬件支持。
我们用一种相对比较简单的方式来测量。
我们采用美国DALLAS半导体公司继DS18B20之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件,温度范围为-55~125ºC,最高分辨率可达0.0625ºC。
DS18B20可以直接读出北侧温度值,而且采用三线制与单片机相连,减少了外部的硬件电路,具有低成本和易使用的特点。
本文介绍一种基于AT89C51单片机的一种温度测量及报警电路,该电路采用DS18B20作为温度监测元件,测量范围0℃-~+100℃,使用LED模块显示,能设置温度报警上下限。
正文着重给出了软硬件系统的各部分电路,介绍了集成温度传感器DS18B20的原理,AT89C51单片机功能和应用。
该电路设计新颖、功能强大、结构简单。
关键词:
温度测量;DS18B20;AT89C51
Abstract
Withthedevelopmentofthenationaleconomy,peopleneedtoresponsetoheatingfurnaces,heattreatmentfurnaces,furnaceandboilertemperaturemonitoringandcontrol.Usingsingle-chipmicrocomputertocontrolnotonlyhavecontroloverthem,advantagesofsimplicityandflexibility,andcansignificantlyincreasethetemperaturespecifications,whichcangreatlyimprovethequalityandquantityofproducts.Inthecourseofdailylifeandindustrialproduction,oftenusingtemperaturedetectionandcontroltemperaturesarecommonlyinproductionprocessesandscientificexperimentsandoneoftheimportantphysicalparameters.Intheprocessofproduction,inordertoefficientlyproduce,itmustbethemainparameters,suchastemperature,pressure,flow,foreffectivecontrol.Temperaturecontrolintheproductionprocessaccountedforalargeproportion.Temperaturemeasurementisthebasisoftemperaturecontrol,technologyismoremature.Traditionaltemperaturemeasuringcomponentthermocoupleandresistance.Aregenerallyvoltageofthermocoupleandthermalresistancemeasured,thenconvertedtothecorrespondingtemperature,thesemethodsarerelativelycomplexandrequiresmoreexternalhardwaresupport.Weareinarelativelysimplewaytomeasure.WeusetheUnitedStatesafterDS18B20DALLASsemiconductorcompanylaunchedanimprovedsmarttemperaturesensorDS18B20asthedetectiondevice,temperaturerangesfrom-55~125ºc,maximumresolutionupto0.0625ºc.DS18B20candirectlyreadoutthetemperaturevalueonthenorthside,butalsousewireconnectedtothemicrocontroller,reducedexternalhardwarecircuits,lowcostandeasytousefeatures.DescribesaAT89C51microcontrollerbasedtemperaturemeasurementandalarmcircuits,thecircuitusesDS18B20temperaturemonitoringcomponent,measuringrange0°c-~+100°c,usingtheLEDdisplaymodule,setthetemperaturelowerlimitforalarm.Bodyfocusonhardwareandsoftwarecomponentsofthesystemaregivencircuit,introducedtheprincipleofintegratedtemperaturesensorDS18B20,AT89C51microcontrollerfunctionsandapplications.Theinnovativecircuitdesign,powerful,simplestructure.
Keywords:
Temperaturmeasurement;DS18B20;AT89C51
第一章课题背景及研究意义
随着新技术的不断开发与应用,近年来单片机发展十分迅速,一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起,单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。
传统的温度采集方法不仅费时费力,而且精度差,单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。
温度是工业对象中的一个重要的被控参数。
然而所采用的测温元件和测量方法也不相同;产品的工艺不同,控制温度的精度也不相同。
因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。
传统的控制方式以不能满足高精度,高速度的控制要求,如温度控制表温度接触器,其主要缺点是温度波动范围大,由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的,受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制,通断频率很低。
近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式,如:
PID控制,模糊控制,神经网络及遗传算法控制等。
这些控制技术大大的提高了控制精度,不但使控制变得简便,而且使产品的质量更好,降低了产品的成本,提高了生产效率。
本系统所使用的加热器件是电炉丝,功率为三千瓦,要求温度在400~1000℃。
静态控制精度为2.43℃。
本设计使用单片机作为核心进行控制。
单片机具有集成度高,通用性好,功能强,特别是体积小,重量轻,耗能低,可靠性高,抗干扰能力强和使用方便等独特优点,在数字、智能化方面有广泛的用途。
1.1国内外现状
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比,仍然有着较大的差距。
成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主,它们只能适应一般温度系统控制,而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内技术还不十分成熟,形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
随着我国经济的发展及加入WTO,我国政府及企业对此都非常重视,对相关企业资源进行了重组,相继建立了一些国家、企业的研发中心,开展创新性研究,使我国仪表工业得到了迅速的发展。
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:
CPU、内存、内部和外部总线系统,目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器,实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器(Microcontroller),是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是
通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂
的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用,32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位,并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前,高端的32位单片机主频已经超过300MHz,性能直追90年代中期的专用处理器,而普通的型号出厂价格跌落至1美元,最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
1.2课题的设计目的
1.巩固、加深和扩大单片机应用的知识面,提高综合及灵活运用所学知识解决工业控
第二章系统设计方案
2.1方案选择
该系统主要由温度测量和数据采集两部分电路组成,实现的方法有很多种,下面将列出两种在日常生活中和工农业生产中经常用到的实现方案。
2.1.1方案一
采用热电偶温差电路测温,温度检测部分可以使用低温热偶,热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成,热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。
通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压,便可推断出检测结点的温度。
数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行A/D转换后,就可以用单片机进行数据的处理,在显示电路上,就可以将被测温度显示出来。
热电偶的优点是工作温度范围非常宽,且体积小,但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点,并且这种设计需要用到A/D转换电路,感温电路比较麻烦。
系统主要包括对A/D0809的数据采集,自动手动工作方式检测,温度的显示等,这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。
此外还有复位电路,晶振电路,启动电路等。
故现场输入硬件有手动复位键、A/D转换芯片,处理芯片为51芯片,执行机构有4位数码管、报警器等。
【1】
系统框图如图2-1所示。
图2-1热电偶温差电路测温系统框图
2.1.2方案二
采用数字温度芯片DS18B20测量温度,输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路。
且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,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。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输,由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。
这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大。
采用51单片机控制,软件编程的自由度大,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制,而且体积小,硬件实现简单,安装方便。
既可以单独对多DS18B20控制工作,还可以与PC机通信上传数据,另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用,编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。
【1】
该系统利用AT89C51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示,能够实现快速测量环境温度,并可以根据需要设定上下限报警温度。
该系统扩展性非常强,它可以在设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据,在数据处理同时显示时间,并可以利用AT24C16芯片作为存储器件,以此来对某些时间点的温度数据进行存储,利用键盘来进行调时和温度查询,获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信,方便的采集和整理时间温度数据。
从以上两种方案,容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小,但是线性误差较大。
方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单,故本次设计采用了方案二。
2.2系统设计原理
利用温度传感器DS18B20可以直接读取被测温度值,进行转换的特性,模拟温度值经过DS18B20处理后转换为数字值,然后送到单片机中进行数据处理,并与设置的温度报警限比较,超过限度后通过扬声器报警。
同时处理后的数据送到LCD中显示。
2.3系统组成
本课题以是80C51单片机为核心设计的一种数字温度控制系统,系统整体硬件电路包括,传感器数据采集电路,温度显示电路,上下限报警调整电路,单片机主板电路等组成。
系统框图主要由主控制器、单片机复位、报警按键设置、时钟振荡、LED显示、温度传感器组成。
系统框图如图2-2所示
图2-2系统基本方框图
1.主控制器
单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点,四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要,很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。
2.显示电路
显示电路采用LCD液晶显示,从P3口RXD,TXD串口输出段码。
显示电路是使用的串口显示,这种显示最大的优点就是使用口资源比较少.
3.温度传感器
温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20温度传感器。
DS18B20输出信号全数字化。
便于单片机处理及控制,在0—100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄氏度,采用单总线的数据传输,可直接与计算机连接。
用AT89C51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示,能够实现快速测量环境温度,并可以根据需要设定上下限报警温度。
获得的数据可以通过MAX232芯片与计算机的RS232接口进行串口通信,方便的采集和整理时间温度数据。
第三章系统硬件设计
3.180C51单片机的介绍
80C51单片机最初是由Intel公司开发设计的,但后来Intel公司把51核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商,譬如SST、Philip、Atmel等大公司。
如是市面上出现了各式各样的但均以51为内核的单片机,倒是Intel公司自己的单片机却显得逊色了。
这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51指令、并在51的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的。
80C51有40个引脚,4个8位并行I/O口,1个全双工异步串行口,同时内含5个中断源,2个优先级,2个16位定时/计数器。
80C51的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM),和128B的数据存储器(RAM)组成。
【3】
80C51单片机的基本组成框图见图3-1。
【3】
图3-180C51单片机结
由图3-1可见,8051单片机主要由以下几部分组成:
1.cpu系统
8位cpu,含布尔处理器;
时钟电路;
总线控制逻辑。
2.存储器系统
4K字节的程序存储器(ROM/EPROM/Flash,可外扩至64KB);
128字节的数据存储器(RAM,可再外扩64KB);
特殊功能寄存器SFR。
1.I/O口和其他功能单元
4个并行I/O口;
2个16位定时计数器;
1个全双工异步串行口;
中断系统(5个中断源,2个优先级)。
3.1.180C51单片机主要特性
1.一个8位的微处理器(CPU)。
2.片内数据存储器RAM(128B),用以存放可以读/写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等,SST89系列单片机最多提供1K的RAM。
3.片内程序存储器ROM(4KB),用以存放程序、一些原始数据和表格。
但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM,如8031,8032,80C31等。
目前单片机的发展趋势是将RAM和ROM都集成在单片机里面,这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。
SST公司推出的89系列单片机分别集成了16K、32K、64KFlash存储器,可供用户根据需要选用。
4.四个8位并行I/O接口P0~P3,每个口既可以用作输入,也可以用作输出。
5.两个定时器/计数器,每个定时器/计数器都可以设置成计数方式,用以对外部事件进行计数,也可以设置成定时方式,并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。
为方便设计串行通信,目前的52系列单片机都会提供3个16位定时器/计数器。
6.五个中断源的中断控制系统。
现在新推出的单片机都不只5个中断源,例如SST89E58RD就有9个中断源。
7.一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口,用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。
8.片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频率为12MHz。
SST89V58RD最高允许振荡频率达40MHz,因而大大的提高了指令的执行速度。
【3】
3.1.280C51单片机管脚图
图3-280C51单片机管脚图
部分引脚说明:
1.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2:
XTAL2(18脚):
接外部晶体和微调电容的一端;在8051片内它是振荡电路反相放大器的输出端,振荡电路的频率就是晶体固有频率。
若需采用外部时钟电路时,该引脚输入外部时钟脉冲。
要检查8051/8031的振荡电路是否正常工作,可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。
XTAL1(19脚):
接外部晶体和微调电容的另一端;在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时,该引脚必须接地。
2.控制信号引脚RST,ALE,PSEN和EA:
RST/VPD(9脚):
RST是复位信号输入端,高电平有效。
当此输入端保持备用电源的输入端。
当主电源Vcc发生故障,降低到低电平规定值时,将+5V电源自动两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时,就可以完成复位操作。
RST引脚的第二功能是VPD,即接入RST端,为RAM提供备用电源,以保证存储在RAM中的信息不丢失,从而合复位后能继续正常运行。
ALE/PROG(30脚):
地址锁存允许信号端。
当8051上电正常工作后
ALE引脚不断向外输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率fOSC的1/6。
CPU访问片外存储器时,ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。
平时不访问片外存储器时,ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲,因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。
如果想确定8051/8031芯片的好坏,可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。
如有脉冲信号输出,则8051/8031基本上是好的。
ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL(低功耗甚高速TTL)负载。
此引脚的第二功能PROG在对片内带有4KBEPROM的8751编程写入(固化程序)时,作为编程脉冲输入端。
PSEN(29脚):
程序存储允许输出信号端。
在访问片外程序存储器时,此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。
此引肢接EPROM的OE端(见后面几章任何一个小系统硬件图)。
PSEN端有效,即允许读出EPROM/ROM中的指令码。
PSEN端同样可驱动8个LS型TTL负载。
要检查一个8051/8031小系统上电后CPU能否正常到EPROM/ROM中读取指令码,也可用示波器看PSEN端有无脉冲输出。
如有则说明基本上工作正常。
EA/Vpp(31脚):
外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。
当EA引脚接高电平时,CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令,但当PC(程序计数器)的值超过0FFFH(对8751/8051为4K)时,将自动转去执行片外程序存储器内的程序。
当输入信号EA引脚接低电平(接地)时,CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令,而不管是否有片内程序存储器。
对于无片内ROM的8031或8032,需外扩EPROM,此时必须将EA引脚接地。
此引脚的第二功能是Vpp是对8751片内EPROM固化编程时,作为施加较高编程电压(一般12V~21V)的输入端。
3.输入/输出端口P0/P1/P2/P3:
P0口(P0.0~P0.7,39~32脚):
P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口。
作为漏极开路的输出端口,每位能驱动8个LS型TTL负载。
当P0口作为输入口使用时,应先向口锁存器(地址80H)写入全1,此时P0口的全部引脚浮空,可作为高阻抗输入。
作输入口使用时要先写1,这就是准双向口的含义。
在CPU访问片外存储器时,P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。
在此期间,P0口内部上拉电阻有效。
P1口(P1.0~P1.7,1~8脚):
P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。
P1口每位能驱动4个LS型TTL负载。
在P1口作为输入口使用时,应先向P1口锁存地址(90H)写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。
P2口(P2.0~P2.7,21~28脚):
P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。
P口每位能驱动4个LS型TTL负载。
在访问片外E
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