畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)測(cè)溫淋浴控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)隨著微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機(jī)為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對(duì)溫度的控制水平。本設(shè)計(jì)論述了一種以stc89c52單片機(jī)為主控制單元，以ds18b20為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)并記錄當(dāng)前的時(shí)間。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相關(guān)的硬件電路和相關(guān)應(yīng)用程序。硬件電路主要包括stc89c52單片機(jī)最小系統(tǒng)，測(cè)溫電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、lcd液晶顯示電路以及通訊模塊電路等。系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，計(jì)算溫度子程序、按鍵處理程序、lcd顯示程序以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等。關(guān)鍵詞 stc89c52單片機(jī)

2、；ds18b20；顯示電路目 錄一、引言3(一)課題研究的背景3(二)課題研究的目的和意義3二、硬件電路的設(shè)計(jì)3(一)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架3(二)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路4(三)單片機(jī)的選型51.stc89c52單片機(jī)簡(jiǎn)介52.stc89c52單片機(jī)時(shí)序63.stc89c52單片機(jī)引腳介紹6(四)溫度傳感器電路8(五)lcd顯示電路10(六)電機(jī)驅(qū)動(dòng)11三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)12(一)計(jì)算溫度子程序13(二)計(jì)算溫度子程序14(三)顯示數(shù)據(jù)刷新子程序16四、結(jié)束語(yǔ)17參考文獻(xiàn)18致謝19附件1：系統(tǒng)原理圖20一、引言(一)課題研究的背景工業(yè)控制是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要

3、而發(fā)展起來(lái)的一門專業(yè)技術(shù)，它主要研究如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通過(guò)信息技術(shù)和自動(dòng)控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，并設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。隨著微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機(jī)為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對(duì)溫度的控制水平。本設(shè)計(jì)就是基于單片機(jī)stc89c52溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)本次課程實(shí)踐，我們更加的明確了單片機(jī)的廣泛用途和使用方法，以及其工作的原理。(二)課題研究的目的和意義隨著社會(huì)的發(fā)展，溫度的測(cè)量及控制變得越來(lái)越重要。本文采用單片機(jī)stc89c52設(shè)計(jì)了溫度實(shí)時(shí)測(cè)量及控制系統(tǒng)。單片機(jī)stc89c52 能夠根據(jù)溫度傳感器ds18b20 所采

4、集的溫度在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)控制從而把溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。所有溫度數(shù)據(jù)均通過(guò)液晶顯示器lcd顯示出來(lái)。系統(tǒng)可以根據(jù)時(shí)鐘存儲(chǔ)相關(guān)的數(shù)據(jù)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)使我們對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有一個(gè)全面的了解、掌握常規(guī)控制算法的使用方法、掌握簡(jiǎn)單微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟硬的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步鍛煉同學(xué)們?cè)谖⑿陀?jì)算機(jī)應(yīng)用方面的實(shí)際工作能力。 二、硬件電路的設(shè)計(jì)(一)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架本課題設(shè)計(jì)的是一種以stc89c52單片機(jī)為主控制單元，以ds18b20為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)并記錄當(dāng)前的時(shí)間。其主要包括：電源模塊、溫度采集模塊、按鍵處理模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、lcd

5、顯示模塊、通訊模塊以及單片機(jī)最小系統(tǒng)。圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架(二)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路在課題設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制核心是stc89c52單片機(jī)，該單片機(jī)為51系列增強(qiáng)型8位單片機(jī)，它有32個(gè)i/o口，片內(nèi)含4k flash工藝的程序存儲(chǔ)器，便于用電的方式瞬間擦除和改寫，而且價(jià)格便宜，其外部晶振為12mhz，一個(gè)指令周期為1s。使用該單片機(jī)完全可以完成設(shè)計(jì)任務(wù)，其最小系統(tǒng)主要包括：復(fù)位電路、震蕩電路以及存儲(chǔ)器選擇模式（ea腳的高低電平選擇），電路如下圖2所示：圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)(三)單片機(jī)的選型本課題設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)主控制芯片選型為stc89c52單片機(jī)，其特點(diǎn)如下：1.stc89c52單

6、片機(jī)簡(jiǎn)介目前，51系列單片機(jī)在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，因此我們可以在許多單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，配接各種類型的語(yǔ)音接口，構(gòu)成具有合成語(yǔ)音輸出能力的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，以增強(qiáng)人機(jī)對(duì)話的功能。stc89c52單片機(jī)是深圳宏晶科技有限公司生產(chǎn)的一種單片機(jī)，在一小塊芯片上集成了一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分。每一個(gè)單片機(jī)包括：一個(gè)8位的微型處理器cpu；一個(gè)512k的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ram；4k片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；四個(gè)8位并行的i/o接口p0-p3，每個(gè)接口既可以輸入，也可以輸出；兩個(gè)定時(shí)器/記數(shù)器；五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個(gè)全雙工uart的串行i/o口；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接

7、。最高允許振蕩頻率是12mhz。以上各個(gè)部分通過(guò)內(nèi)部總線相連接。2.stc89c52單片機(jī)時(shí)序 stc89c52單片機(jī)的一個(gè)執(zhí)器周期由6個(gè)狀態(tài)(s1s6)組成，每個(gè)狀態(tài)又持續(xù)2個(gè)震蕩周期，分為p1和p2兩個(gè)節(jié)拍。這樣，一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩周期組成。若采用12mhz的晶體振蕩器，則每個(gè)機(jī)器周期為1us，每個(gè)狀態(tài)周期為16us；在一數(shù)情況下，算術(shù)和邏輯操作發(fā)生在n期間，而內(nèi)部寄存器到寄存器的傳輸發(fā)生在p2期間。對(duì)于單周期指令，當(dāng)指令操作碼讀人指令寄存器時(shí)，使從s1p2開(kāi)始執(zhí)行指令。如果是雙字節(jié)指令，則在同一機(jī)器周期的s4讀人第二字節(jié)。若為單字節(jié)指令，則在51期間仍進(jìn)行讀，但所讀入的字節(jié)操作碼被

8、忽略，且程序計(jì)數(shù)據(jù)也不加1。在加結(jié)束時(shí)完成指令操作。多數(shù)stc89c52指令周期為12個(gè)機(jī)器周期，只有乘法和除法指令需要兩個(gè)以上機(jī)器周期的指令，它們需4個(gè)機(jī)器周期。 對(duì)于雙字節(jié)單機(jī)器指令，通常是在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)從程序存儲(chǔ)器中讀人兩個(gè)字節(jié)，但movx指令例外，movx指令是訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的單字節(jié)雙機(jī)器周期指令，在執(zhí)行movx指令期間，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器被訪問(wèn)且被選通時(shí)跳過(guò)兩次取指操作。3.stc89c52單片機(jī)引腳介紹stc89c52單片機(jī)的40個(gè)引腳中有2個(gè)專用于主電源引腳，2個(gè)外接晶振的引腳，4個(gè)控制或與其它電源復(fù)用的引腳，以及32條輸入輸出i/o引腳。下面按引腳功能分為4個(gè)部分?jǐn)⑹鰝€(gè)引腳的

9、功能。（1）電源引腳vcc和vssvcc（40腳）：接+5v電源正端；vss（20腳）：接+5v電源正端。（2）外接晶振引腳xtal1和xtal2xtal1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于hmos單片機(jī)，該引腳接地；對(duì)于choms單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。xtal2（18腳）：接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于hmos單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。對(duì)于chmos芯片，該引腳懸空不接。（3）控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳 控制信號(hào)或與其它電

10、源復(fù)用引腳有rst/vpd、ale/p、psen和ea/vpp等4種形式。（a）rst/vpd（9腳）：rst即為reset，vpd為備用電源，所以該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)復(fù)位到初始狀態(tài)。當(dāng)vcc發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時(shí)，該引腳可接上備用電源vpd（+5v）為內(nèi)部ram供電，以保證ram中的數(shù)據(jù)不丟失。（b）ale/ p （30腳）：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ale（允許地址鎖存信號(hào)）以每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出，用于鎖存出現(xiàn)在p0口的低（c）psen(29腳):片外程序存儲(chǔ)器讀選通輸出端,

11、低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或常數(shù)期間，每個(gè)機(jī)器周期pesn兩次有效，以通過(guò)數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，pesn信號(hào)將不出現(xiàn)。（d）ea/vpp（31腳）：ea為訪問(wèn)外部程序儲(chǔ)器控制信號(hào)，低電平有效。當(dāng)ea端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器4kb（ms52子系列為8kb）。若超出該范圍時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng)ea端保持低電平時(shí)，無(wú)論片內(nèi)有無(wú)程序存儲(chǔ)器，均只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于片內(nèi)含有eprom的單片機(jī)，在eprom編程期間，該引腳用于接21v的編程電源vpp。 （4）輸入/輸出（i/o）引腳p0口、p1口、p2口及p3口(a).p0口

12、（39腳22腳）：p0.0p0.7統(tǒng)稱為p0口。當(dāng)不接外部存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展i/o接口時(shí)，它可作為準(zhǔn)雙向8位輸入/輸出接口。當(dāng)接有外部程序存儲(chǔ)器或擴(kuò)展i/o口時(shí)，p0口為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口。它分時(shí)提供8位雙向數(shù)據(jù)總線。對(duì)于片內(nèi)含有eprom的單片機(jī)，當(dāng)eprom編程時(shí)，從p0口輸入指令字節(jié)，而當(dāng)檢驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。(b).p1口（1腳8腳）：p1.0p1.7統(tǒng)稱為p1口，可作為準(zhǔn)雙向i/o接口使用。對(duì)于mcs52子系列單片機(jī)，p1.0和p1.1還有第2功能：p1.0口用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端t2；p1.1用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端t2ex。對(duì)于eprom編程和進(jìn)行程序校

13、驗(yàn)時(shí)，p0口接收輸入的低8位地址。(c).p2口（21腳28腳）：p2.0p2.7統(tǒng)稱為p2口，一般可作為準(zhǔn)雙向i/o接口。當(dāng)接有外部程序存儲(chǔ)器或擴(kuò)展i/o接口且尋址范圍超過(guò)256個(gè)字節(jié)時(shí)，p2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對(duì)于eprom編程和進(jìn)行程序校驗(yàn)時(shí)，p2口接收輸入的8位地址。(d).p3口（10腳17腳）：p3.0p3.7統(tǒng)稱為p3口。它為雙功能口，可以作為一般的準(zhǔn)雙向i/o接口，也可以將每1位用于第2功能，而且p3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。p3口的第2功能見(jiàn)下表 表1 單片機(jī)p3.0管腳含義引腳第2功能p3.0rxd（串行口輸入端0）p3.1t

14、xd（串行口輸出端）p3.2int0（部中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效）p3.3int1（中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效）p3.4t0（時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖端）p3.5t1（時(shí)器/計(jì)數(shù)器1數(shù)脈沖端）p3.6wr（部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效）p3.7rd（部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效）綜上所述，mcs51系列單片機(jī)的引腳作用可歸納為以下兩點(diǎn)：1).單片機(jī)功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳具有第2功能；2).單片機(jī)對(duì)外呈3總線形式，由p2、p0口組成16位地址總線；由p0口分時(shí)復(fù)用作為數(shù)據(jù)總線。(四)溫度傳感器電路采用一線制數(shù)字溫度傳感器ds18b20來(lái)作為本課題的溫度傳感器。

15、傳感器輸出信號(hào)進(jìn)4.7k的上拉電阻直接接到單片機(jī)的p1.0引腳上。ds18b20溫度傳感器是美國(guó)達(dá)拉斯(dallas)半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件、a/d轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等做在一個(gè)很小的集成電路芯片上。本設(shè)計(jì)中溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件ds18b20，是在經(jīng)過(guò)多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因：（1）系統(tǒng)的特性：測(cè)溫范圍為-55+125 ，測(cè)溫精度為士0.5；溫度轉(zhuǎn)換精度912位可變，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以16位二進(jìn)制數(shù)碼的方式串行輸出；12位精度轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為750ms；可以通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式。（2）系統(tǒng)成本：由

16、于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，新型大規(guī)模集成電路功能越來(lái)越強(qiáng)大，體積越來(lái)越小，而價(jià)格也越來(lái)越低。一支ds18b20的體積與普通三極管相差無(wú)幾，價(jià)格只有十元人民幣左右。（3）系統(tǒng)復(fù)雜度：由于ds18b20是單總線器件，微處理器與其接口時(shí)僅需占用1個(gè)i/o端口且一條總線上可以掛接幾十個(gè)ds18b20，測(cè)溫時(shí)無(wú)需任何外部元件，因此，與模擬傳感器相比，可以大大減少接線的數(shù)量，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少工程的施工量。（4）系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)：由于引線的減少，使得系統(tǒng)接口大為簡(jiǎn)化，給系統(tǒng)的調(diào)試帶來(lái)方便。同時(shí)因?yàn)閐s18b20是全數(shù)字元器件，故障率很低，抗干擾性強(qiáng)，因此，減少了系統(tǒng)的日常維護(hù)工作。ds18b20

17、溫度傳感器只有三根外引線：?jiǎn)尉€數(shù)據(jù)傳輸總線端口dq ，外供電源線vdd，共用地線gnd。ds18b20有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時(shí)vdd接地，它是通過(guò)內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來(lái)完成溫度轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長(zhǎng)。這種情況下，用單片機(jī)的一個(gè)i/o口來(lái)完成對(duì)ds18b20總線的上拉。另一種是外部供電方式(vdd接+5v)，相應(yīng)的完成溫度測(cè)量的時(shí)間較短。在本設(shè)計(jì)中采用外部供電方式實(shí)現(xiàn)ds18b20傳感器與單片機(jī)的連接，其接口電路如圖4所示。圖4 溫度傳感器接口 (五)lcd顯示電路本課題設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)是采用液晶屏128*64作為顯示模塊，其接口原理圖如下圖6所示：

18、圖5 液晶顯示接口電路 (六)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)如圖：圖6 異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件主要是采用c語(yǔ)言，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行變成實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。主程序?qū)δK進(jìn)行初始化，而后調(diào)用讀溫度、處理溫度、顯示、鍵盤等模塊。用的是循環(huán)查詢方式，來(lái)顯示和控制溫度，主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理ds18b20的測(cè)量的當(dāng)前溫度值并負(fù)責(zé)調(diào)用各子程序,其程序流程如圖10系統(tǒng)程序流程圖。開(kāi)始初始化啟動(dòng)db18b20讀溫度計(jì)算溫度lcd顯示圖7系統(tǒng)程序流程圖(一)計(jì)算溫度子程序 讀出溫度子程序的主要功能包括初始化,判斷ds18b20是否存在,若存在則進(jìn)行一系列的讀操,作若不存在則

19、返回。其程序流程圖如圖11所示。圖8 讀溫度流程圖(二)計(jì)算溫度子程序計(jì)算溫度子程序?qū)am中讀取值進(jìn)行bcd碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如圖13所示。 開(kāi)始溫度零下?溫度值取補(bǔ)碼置“”標(biāo)志計(jì)算小數(shù)位溫度bcd值計(jì)算整數(shù)位溫度bcd值 結(jié)束置“+”標(biāo)志ny圖9 計(jì)算溫度子程序(三)顯示數(shù)據(jù)刷新子程序顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對(duì)顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)最高顯示位為0時(shí)將符號(hào)顯示位移入下一位。程序流程圖如圖14。溫度數(shù)據(jù)移入顯示寄存器十位數(shù)0？百位數(shù)0？十位數(shù)顯示符號(hào)百位數(shù)不顯示百位數(shù)顯示數(shù)據(jù)（不顯示符號(hào)） 結(jié)束nnyy圖10 數(shù)據(jù)刷新子程序四、結(jié)束語(yǔ)通過(guò)此次畢業(yè)論文的課題設(shè)計(jì)，我們學(xué)會(huì)了怎樣把所學(xué)的書(shū)本知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐中去，并學(xué)會(huì)了如何去思考整個(gè)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)踐過(guò)程中我們遇到了