基于單片機溫度控制系統(tǒng)gai

-.z邕江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書〔論文〕設(shè)計題目基于51單片機的恒溫水箱專題局部恒溫水箱系統(tǒng)姓名阮鵬學(xué)號院〔系〕工學(xué)院專業(yè)與學(xué)制應(yīng)用電子技術(shù)(三年制)班別10應(yīng)電指導(dǎo)教師朱浩亮日期2012年11月19日摘要隨著微機測量和控制技術(shù)的迅速開展與廣泛應(yīng)用，以單片機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)生活中對溫度的控制水平。因此對溫度系統(tǒng)的設(shè)計與研究一直備受廣闊科研工作者的重視。本系統(tǒng)主要通過51單片機實現(xiàn)水溫的自動監(jiān)控和水位越限報警及調(diào)整，這個系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，單片機獲取被控對象即水容器里的水溫和水位信息，與預(yù)置的水溫和水位進展比擬，單總線型數(shù)字式的溫度傳感器DS18B20作為溫度采集，通過繼電器輸出差異控制信息作用于加熱器和抽水泵，實現(xiàn)水溫和水位的自動調(diào)節(jié)。恒溫水箱控制系統(tǒng)主要是由中央控制器、溫度檢測器、顯示器等模塊組成。系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，計算溫度子程序、按鍵處理程序、LCD顯示程序以及數(shù)據(jù)存儲程序等。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機，DS18B20溫度芯片，液晶顯示電路，溫度控制目錄一、緒論1(一)課題研究的背景1(二)課題研究的目的和意義1二、硬件電路的設(shè)計2(一)系統(tǒng)設(shè)計的框架2(二)單片機最小系統(tǒng)電路2(三)單片機的選型31.STC89C52單片機簡介32.STC89C52單片機時序43.晶振電路與復(fù)位電路的設(shè)計4(四)溫度傳感器電路5(五)系統(tǒng)電源電路的設(shè)計6(六)LCD顯示電路7(七)繼電器模塊電路8(八)按鍵接口電路8(九)工作指示模塊9(十)存儲器接口電路10三、系統(tǒng)軟件設(shè)計10(一)計算溫度子程序11圖11讀溫度流程圖12(二)按鍵處理子程序12圖12按鍵處理流程圖13(三)溫度檢測與控制子程序13(四)顯示數(shù)據(jù)刷新子程序14圖14數(shù)據(jù)刷新子程序15〔一〕測設(shè)分析151、測試環(huán)境15四、完畢語16參考文獻17致謝181：系統(tǒng)原理圖192：PCB原理圖203：仿真原理圖214：實物圖22一·溫度控制驅(qū)動程序23-.z一、緒論(一)課題研究的背景溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域,如家電、汽車、材料、電力電子等,常用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場合和所要求的性能指標有所不同,在工業(yè)企業(yè)中,如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題。隨著微機測量和控制技術(shù)的迅速開展與廣泛應(yīng)用，以單片機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)生活中對溫度的控制水平。本設(shè)計就是基于單片機STC89C52溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過數(shù)字溫度傳感器檢測外部溫度對水箱進展恒溫控制的設(shè)計，通過控制繼電器的通斷，進而控制電爐的加熱來實現(xiàn)恒溫控制。通過本次課程實踐，我們更加的明確了單片機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的開展，溫度的測量及控制變得越來越重要。本文采用單片機STC89C52設(shè)計了溫度實時測量及控制系統(tǒng)。單片機STC89C52能夠根據(jù)溫度傳感器DS18B20所采集的溫度在液晶屏上實時顯示，通過控制從而把溫度控制在設(shè)定的*圍之內(nèi)。所有溫度數(shù)據(jù)均通過液晶顯示器LCD顯示出來。系統(tǒng)可以根據(jù)時鐘存儲相關(guān)的數(shù)據(jù)。通過該課程的學(xué)習(xí)使我們對計算機控制系統(tǒng)有一個全面的了解、掌握常規(guī)控制算法的使用方法、掌握簡單微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)軟硬的設(shè)計方法，進一步鍛煉同學(xué)們在微型計算機應(yīng)用方面的實際工作能力。二、硬件電路的設(shè)計(一)系統(tǒng)設(shè)計的框架本課題設(shè)計的是一種以STC89C52單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以實時存儲相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)并記錄當前的時間。其主要包括：電源模塊、溫度采集模塊、按鍵處理模塊、繼電器模塊、LCD顯示模塊、加熱模塊、制冷模塊以及單片機最小系統(tǒng)。STC89C52單片機電源模塊STC89C52單片機電源模塊溫度采集模塊按鍵處理模塊LCD顯示模塊加熱模塊制冷模塊繼電器模塊(二)單片機最小系統(tǒng)電路在課題設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中，控制核心是STC89C52單片機，該單片機為51系列增強型8位單片機，它有32個I/O口，片內(nèi)含4KFLASH工藝的程序存儲器，便于用電的方式瞬間擦除和改寫，而且價格廉價，其外部晶振為12MHz，一個指令周期為1μS。使用該單片機完全可以完成設(shè)計任務(wù)，其最小系統(tǒng)主要包括：復(fù)位電路、震蕩電路以及存儲器選擇模式〔EA腳的上下電平選擇〕，電路如下列圖2所示：圖2單片機最小系統(tǒng)(三)單片機的選型本課題設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)主控制芯片選型為STC89C52單片機，其特點如下。1.STC89C52單片機簡介STC89C52單片機包括：一個8位的微型處理器CPU；一個512K的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM；4K片內(nèi)程序存儲器；四個8位并行的I/O接口P0-P3，每個接口既可以輸入，也可以輸出；兩個定時器/記數(shù)器；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工UART的串行I/O口；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率是12MHZ。以上各個局部通過內(nèi)部總線相連接。2.STC89C52單片機時鐘1.STC89C52內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳R*D和T*D分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。3.晶振電路與復(fù)位電路的設(shè)計單片機內(nèi)部帶有時鐘電路，只需要在片外通過*TAL1、*TAL2引腳接入定時控制單元〔晶體振蕩和電容〕，即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位，它通過復(fù)位端經(jīng)電阻與+5V電源實現(xiàn)，只要能保證復(fù)位信號高電平持續(xù)時間大于2個機器周期就可實現(xiàn)復(fù)位，其電路如圖3所示。圖3晶振電路和復(fù)位電路圖圖3晶振電路和復(fù)位電路圖裝圖(四)溫度傳感器電路采用一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20來作為本課題的溫度傳感器。傳感器輸出信號進4.7K的上拉電阻直接接到單片機的P1.0引腳上。DS18B20溫度傳感器是美國達拉斯(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、存儲器等做在一個很小的集成電路芯片上。本設(shè)計中溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件DS18B20，是在經(jīng)過多方面比擬和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因：〔1〕系統(tǒng)的特性：測溫*圍為-55℃～+125℃，測溫精度為士0.5℃；溫度轉(zhuǎn)換精度9～12位可變，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以16位二進制數(shù)碼的方式串行輸出；12位精度轉(zhuǎn)換的最大時間為750ms；可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式?！?〕系統(tǒng)本錢：由于計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的開展，新型大規(guī)模集成電路功能越來越強大，體積越來越小，而價格也越來越低。一支DS18B20的體積與普通三極管相差無幾，價格只有十元人民幣左右?！?〕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僅需占用1個I/O端口且一條總線上可以掛接幾十個DS18B20，測溫時無需任何外部元件，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：由于引線的減少，使得系統(tǒng)接口大為簡化，給系統(tǒng)的調(diào)試帶來方便。同時因為DS18B20是全數(shù)字元器件，故障率很低，抗干擾性強，因此，減少了系統(tǒng)的日常維護工作。DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：單線數(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VDD接地，它是通過內(nèi)部電容在空閑時從數(shù)據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換的時間較長。這種情況下，用單片機的一個I/O口來完成對DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，相應(yīng)的完成溫度測量的時間較短。DS18B20的引腳圖及單片機的接口電路如圖4所示。圖4溫度傳感器接口(五)系統(tǒng)電源電路的設(shè)計本系統(tǒng)采用雙電源輸出，分別是+5V、+12V輸出。+5V是系統(tǒng)供電電源，12V是繼電器工作供電電源。本裝置的直流穩(wěn)壓電源采用通常的橋式全波整流、電容濾波、三端固定輸出的集成穩(wěn)壓器件進展設(shè)計，并且所有的集成穩(wěn)壓芯片均裝有充分裕量的散熱片。系統(tǒng)的供電電源電路如圖5所示。圖5系統(tǒng)電源模塊(六)LCD顯示電路本課題設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)是采用液晶屏1602作為顯示模塊，其接口原理圖如下列圖6所示：圖6液晶顯示接口電路(七)繼電器模塊電路1、繼電器模塊繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統(tǒng)〔又稱輸入回路〕和被控制系統(tǒng)〔又稱輸出回路〕之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)〞。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、平安保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器電路如圖7所示。圖7繼電器設(shè)計電路(八)按鍵接口電路本課題設(shè)計采用的鍵盤模塊，其接口原理圖如下列圖8所示：圖8鍵盤模塊電路(九)工作指示模塊本系統(tǒng)設(shè)計四路恒溫水箱控制系統(tǒng)，可一路或多路同時使用，為了更明顯知道工作狀態(tài)，設(shè)計了工作指示燈。設(shè)計電路如圖9所示。圖9工作指示電路(十)存儲器接口電路本課題設(shè)計的存儲器采用的是AT24C256，其接口原理圖如下列圖10所示：圖10存儲器電路三、系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件主要是采用C語言，對單片機進展變成實現(xiàn)各項功能。主程序?qū)δK進展初始化，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，來顯示和控制溫度，主程序的主要功能是負責(zé)溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值并負責(zé)調(diào)用各子程序,其程序流程如圖11系統(tǒng)程序流程圖。開場初始化開場初始化啟動啟動DB18B20讀溫度計算溫度LCD顯示圖11系統(tǒng)程序流程圖(一)計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,假設(shè)存在則進展一系列的讀操,作假設(shè)不存在則返回。其程序流程圖如圖12所示。開場開場初始化Ds18B20存在.讀取溫度值存儲操作命令ROM操作命令返回否圖12讀溫度流程圖(二)按鍵處理子程序按鍵處理子程序主要是負責(zé)參數(shù)的設(shè)置，主程序每循環(huán)一次都要對按鍵進展掃描,判斷是否有輸入鍵按下則進展一系列的按鍵輸入操作。其程序流程框圖如圖13所示。開場鍵掃描消除抖動鍵掃描等待鍵釋放求鍵值按鍵處理有鍵按下.確有鍵按下.鍵釋放返回NN圖13按鍵處理流程圖開場鍵掃描消除抖動鍵掃描等待鍵釋放求鍵值按鍵處理有鍵按下.確有鍵按下.鍵釋放返回NN(三)溫度檢測與控制子程序讀取18B20的實時數(shù)據(jù)與設(shè)定值的比擬，開場進展加熱，在加熱的過程中需要進展每2秒一次的跟蹤檢測，并把檢測到的實時數(shù)據(jù)與設(shè)定值比擬，根據(jù)比擬結(jié)果進展不同方式的加熱，其具體流程如圖14所示。調(diào)用按鍵設(shè)定溫度值并進展開場加熱調(diào)用按鍵設(shè)定溫度值并進展開場加熱檢測實際溫度與設(shè)定溫度是否相等.加熱YN每隔2秒檢測1次相差3℃.Y圖14溫度檢測與控制流程圖讀取18B20,調(diào)顯示子程序初始化開場(四)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顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進展刷新操作，當最高顯示位為0時將符號顯示位移入下一位。程序流程圖如圖15。溫度數(shù)據(jù)移入顯示存放器溫度數(shù)據(jù)移入顯示存放器十位數(shù)0.百位數(shù)0.十位數(shù)顯示符號百位數(shù)不顯示百位數(shù)顯示數(shù)據(jù)〔不顯示符號〕完畢NNYY圖15數(shù)據(jù)刷新子程序四、測試分析1、測試環(huán)境環(huán)境溫度28攝氏度，室內(nèi)面積20平方米測試儀器：數(shù)字萬用表，溫度計0100攝氏度2、測試方法使系統(tǒng)運行，采用溫度計同時測量室內(nèi)度變化情況，得出系統(tǒng)測量的溫度。3、測試結(jié)果設(shè)定溫度由0攝氏度到40攝氏度標定溫差<=1攝氏度調(diào)節(jié)時間15s〔具體視現(xiàn)場情況〕靜態(tài)誤差<=1攝氏度最大超調(diào)量2攝氏度4、通過測試分析，對于實際室內(nèi)的溫度控制，可以再提出以下2點方法：Ⅰ增加傳感器個數(shù)，對各個溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進展求算術(shù)平均，可得到較為準確的溫度值。Ⅱ?qū)嶋H室內(nèi)的溫度控制，可采用功率較大的電爐，并且通過風(fēng)扇對箱內(nèi)溫度進展充分攪和，降溫設(shè)備可采用空氣壓縮機等制冷設(shè)備。5、通過實驗測試和分析，發(fā)現(xiàn)雖然傳感器的溫度采集精度最高可得到0.06℃，但測試得到的數(shù)據(jù)最小間隔為0.03℃。通過分析，當對浮點數(shù)求平均處理時，遇到同一時刻兩個傳感頭采集的溫度相差不大，使0.06℃時求出平均溫度變?yōu)?.03℃為了解該數(shù)據(jù)是否真實，可采用一個高精度的數(shù)字溫度計測試，發(fā)現(xiàn)讀出的值與其根本一致，由此推斷如果在同一時間增加采集溫度的個數(shù)，則可以進一步提高溫度的精度。致謝朱浩亮教師在課題開題期間和論文寫作的過程中給予了我真切關(guān)心和事無巨細地指導(dǎo)，導(dǎo)師總是以認真負責(zé)、一絲不茍的工作態(tài)度閱讀并修改文章中缺乏的地方，他優(yōu)良的作風(fēng)和嚴謹治學(xué)的態(tài)度深深影響著我，讓我在實習(xí)的短短日子里學(xué)到了很多書本上所沒有的東西，這對我今后工作非常有幫助；至此,向恩師致以最真摯的感謝和最崇高的敬意！同時我要感謝我的同學(xué)，特別是我的室友們，正是他們在這幾年里陪我一起成長，一起學(xué)習(xí)，才讓我有了今天的成績。他們在平時的學(xué)習(xí)和生活中他們給予了我無私的關(guān)心和幫助，在此表示我最誠摯的謝意。參考文獻[