基于单片机的温度控制器毕业论文.doc

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1、. . .基于单片机的温度控制器毕业论文目 录第一章绪论71.1 课题的背景与意义71.2 相关技术的发展概况71.2.1温度调节系统构成71.2.2近年来国温度调节系统的发展81.2.3 近年来国外温度调节系统的发展81.3 本文研究容9第二章控制器方案102.1 控制器方案设计102.2 控制器功能与原理102.2.1控制器的基本功102.2.2控制器原理图112.3主要芯片概述112.3.1 单片机AT89C51112.3.2 数字温度传感器DS18B20122.3.3 二四译码器142.3.4 锁存、译码驱动芯片芯片MC1499515第三章硬件电路设计173.1主模块173.2键盘设定

2、温度模块温度上下限设置模块173.3温度采集模块183.4报警电路193.5温度控制模块193.6源模块203.7总结20第四章课题设计总结22参考文献23附录124附录247致谢49第一章 绪论1.1 课题的背景与意义温度控制系统在国各行各业的应用虽然己经十分广泛，但从国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”控制与常规的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与加入WTO，我国政府

3、与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。目前，温度控制器产品从模拟、集成温度控制器发展到智能数码温度控制器。智能温控器（数字温控器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结合，特点是能输出温度数据与相关的温度控制量，适配各种控制器，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平，现阶段正朝着高精度高质量的方向发展,相信以我国的实力，温控技术在不久的将来一定会为于世界前列！1.2 相关技术的发展概况1.2.1温度调节系统构成系统主要包括单片机控制模块，温度采集模块，温

4、度显示模块，温度上下限调整模块，温度调整模块等五大部分。系统总体框架如图1所示。温度显示模块温度采集模块温度上下调限整模块温度调整模块单片机控制模块1.2.2近年来国温度调节系统的发展1、温度控制器广泛应用于家用电器，主要为冰箱、冷柜、空调、饮水机、微波炉等制冷制热产品配置。2、在工业园购地或新建厂房，增添设备，可年产温度控制器500万只。目前国市场价每只温度控制器11元，出口价每只2美元。年产500万只温度控制器，年产值可达6000万元，年利润可达1500万元，投资回收期3.5年左右3、目前国温度控制器生产企业较少，仅、各有一家规模稍大一点的生产厂家，他们的生产能力远远不能满足电子温度控制器

5、市场的需求。4、温度控制器不仅在国市场销售顺畅，而且在国际市场也十分看好，特别是日本、意大利、美国等国家对温度控制器产品的需求量很大，出口前景十分乐观。5、由于沿海发达地区产业的梯度转移，科龙集团已在新建分厂，华意集团也与签订了投资意向，境的昌河集团微型汽车规模日益壮大，汽车、空调用温度控制器需求量也必将增大。1.2.3 近年来国外温度调节系统的发展因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统（DCS），个人电脑（PC）和可编程逻辑控制器（PLC）。工业电子温度控制器全球市场的增长率在2003年为3.6%， 2004年为3.5%，2005年为2.5 % 。预计2006年全球市场的增长率仅为1.

6、2% ，而预测2010年的综合年度增长率（CAGR）仅为0.7% 。欧洲和北美工业电子温度控制器市场受到这一趋势的影响最大。这两个较大地区的市场预计将在2010年出现负增长。然而，亚太市场，较小的拉丁美洲和其他地区的市场预计仍将保持增长。中国作为一个主要的制造中心和工业电子温度控制器市场的崛起是这一增长的驱动因素。OEM厂商以与众多的终端工业厂商已经开始转移到中国大陆，以获得低成本的劳动力和原料优势。日本经济的复苏同样推动该地区走出了停滞发展时期。OEM厂家和主要终端工业公司将制造业务向中国的转移，以与温度控制器价格的下降，是欧洲和北美工业电子温度控制器市场预测下降的主要原因。此外，许多位于欧

7、洲和北美的工业电子温度控制器供应商已经说明一旦准备充分，他们将很快在中国展开他们的制造工业电子温度控制器业务。通过在中国生产电子温度控制器，供应商不但可以获得更便宜的劳动力和原料的竞争优势，而且他们这样更接近主要的发展市场。1.3 本文研究容本文重点对该系统的硬件、软件进行分析设计。在硬件上对各部分电路一一进行了理论分析与方案论证进行了设计，介绍了DS18B20数字温度传感器在单片机下的硬件连接与软件编程，并给出了软件流程图，最终设计完成了该系统的硬件电路。在软件设计上根据硬件电路和该温度采集系统所需要实现的功能，经过反复的模拟运行、调试、修改，最终完成了该系统的软件设计。通过硬件与软件的密切

8、配合，最终设计完成达到了题目所要求的功能。本设计采用的是AT89S51单片机，对多点温度进行采集。通过集成温度传感器DS18B20将温度值转换为电量输出。通过键盘实现增加或减少温度上下限模式的切换；可以利用小键盘设定温度的最大值和最小值，当温度高于设定的上限值时，单片机停止加热器加热，同时点亮红色发光二极管，当温度低于设定的下限时，单片机启动加热器加热，同时点亮绿色发光二极管。在软件上进行主程序和子程序的编程，使该温度控制系统实现智能化发展，精度更高。第二章 控制器方案2.1 控制器方案设计本系统采用了单片机AT89C51，利用数字温度传感器DS18B20对环境进行测温，同时采用二四译码器对四

9、段LED进行选通显示，同时还采用了锁存器MC14495对以显示的LED所存，进行下一段LED的显示，此外还有键盘设备来实现温度上下限值的调试，红绿灯报警温度的越线，热电阻丝对温度进行调整等来实现该温度控制器的智能化。总体硬件结构框图如图2-1显示。2.2 控制器功能与原理2.2.1控制器的基本功本设计的目的是以单片机为核心设计出一个温度采集系统。通过本课题设计，综合运用单片机与接口技术、微机原理、微电子技术，锻炼动手操作能力，综合运用能力，学习论文的写作方法和步骤。设计的温度控制器有以下功能：1. 测温围：-55+125。2. 测温分辨力：=0.53. 测温准确度：=0.5。4. 测温点数：在

10、此设计中可测4个点,也可以扩展到8点。5. 温度显示：采用4个7段数码管。6. 温限可经键盘实现简单的人机互动,灵活设定温度围。7. 超温度围报警。8.本设计利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度控制系统，文中传感器理论单片机实际应用有机结合，简单讲述了利用新型芯片探测环境温度的过程，以与实现模数转换的原理过程。通过对本设计，提高我对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以与其用法与用2.2.2控制器原理图所设计系统的原理图共分为七大模块：主模块、指示灯、加热器启动或停止模块、温度的测量模块、键盘模块、报警模块和电源设计模块。如以下图2-2所示。图2-22.3主要芯片概述2.3

11、.1 单片机AT89C511AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统与80C51引脚结构，芯片集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部

12、双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片时钟振荡器。2功能特性：兼容MCS-51指令系统32个双向I/O口 2个16位可编程定时/计数器，全双工UART串行中断口线，2个外部中断源，中断唤醒省电模式，看门狗（WDT）电路，灵活的ISP字节和分页编程，4k可反复擦写(1000次）ISPFlash ROM，4.5-5.5V工作电压，时钟频率0-33MHz128x8bit部RAM，低功耗空闲和省电模式，3级加密位软件设置空闲和省电功能。3.系统中所用一些引脚的简介 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O

13、口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当

14、振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。XTAL1：反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.3.2 数字温度传感器DS18B201、适应电压围更宽，电压围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电.2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯3、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件与转换电路集成在形如一只三极管的集成电路5、温围55125，在-10+8

15、5时精度为0.56、可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温7、在9位分辨率时最多在93.75ms把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms把温度值转换为数字，速度更快8、测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 2、DS18B20的外形和部结构DS18B20部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形与管脚排列如

16、以下图:DS18B20VCCDCGNDDS18B20引脚定义(1)DQ为数字信号输入/输出端；(2)GND为电源地；(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图2： DS18B20部结构图3、DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在

17、55所对应的一个基数值。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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。图3： DS18B20测温原理框2.3.3二四译码器译码的的含义就是把输入的二进制代码的特定含义翻译成被编码的信息。译码器是以一种常见的组合逻辑电路，它的输入代码组合会在某一个输出端产生特定的信号。译码器按照用途可

18、分为3类：变量译码器、码制编码器和显示译码器。本系统用到了变量译码器，所以在这里我们只介绍变量译码器。变量译码器有n个输入端，m个输出端，它们的关系应满足：m10时，（hI）端输出“1”电平。另外还有输入数据时，电路输入端VCR为0电平（其他输入状态时为高阻）的功能。电路部还有一个290的限流电阻。而为选通端，电路中的锁存器在LE为0时输入数据，在LE1时锁存数据。下表为4511的真值表。从表中可以看出，当显示数据大于等于10时，（hI）端输出1电平。 4511真值表与显示容表输 入 输 出显 示D C B Aa b c d e f g h+I数 值0 0 0 01 1 1 1 1 1 0 0

19、 00 0 0 10 1 1 0 0 1 0 0 10 0 1 01 1 0 1 1 0 1 0 20 0 1 11 1 1 1 0 0 1 0 30 1 0 00 1 1 0 0 1 1 0 40 1 0 11 0 1 1 0 1 1 0 50 1 1 01 0 1 1 1 1 1 0 60 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 71 0 0 01 1 1 1 1 1 1 0 81 0 0 11 1 1 1 0 1 1 0 91 0 1 01 1 1 0 1 1 1 1 A1 0 1 10 0 1 1 1 1 1 1 B1 1 0 01 0 0 1 1 1 0 1 C1 1 0 1 0

20、 1 1 1 1 0 1 1 D 1 1 1 01 0 0 1 1 1 1 1 E1 1 1 11 0 0 0 1 1 1 0 F如附图2所示的LED显示部分是使用4511的多位静态LED显示接口电路如附图2所示的LED显示部分是使用4511的多位静态LED显示接口电路，该电路中可直接显示多位16进制数。若要显示带小数点的十进制数，则只要在LED的dp端另加驱动控制即可。LED显示块采用共阴极。在4511部有输出限流电阻，故LED不需要外加限流电阻。该接口软件十分简单。当给P1.7高电平时开显示，由P1.4、P1.5、P1.6控制而一次选中一位LED然后由P1.0P1.3送入BCD码，在LE转

21、高电平时锁存该位数据并译码、驱动显示。显示方法如下：第三章 硬件电路设计3.1主模块单片机控制模块是温度控制器的核心，它控制了温度的采集、处理与显示、温度上下限值的设定与温度越限时加热器的启动与停止。本文选用AT89C5作为控制器件。AT89C5单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片含4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。功能强大的AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。2-1

22、主模块3.2键盘设定温度模块温度上下限设置模块温度上下限设置模块包括四个按键：（1）模式切换键：进行模式之间的切换，模式包括设置温度上限模式、设置温度下限模式，每次按下该键就在这两种模式之间切换。（2）温度上下限增加键：增加温度上下限的值。（3）温度上下限减少键：减少温度上下限的值。（4）温控开关键：是温控与非温控之间的切换键。它用于设置是否进行温度控制即是否让越界的温度值触发加热器的启动或停止。图2-2温度上下限设置模块。图2-3度上下限设置模块3.3温度采集模块数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器

23、网络,为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、数字化温度传感器DS18B20也,测量温度围为 -55C+125C,在-10+85C围,精度为0.5C。并且还可选更小的封装方式,更宽的电压适用围。图2-3为温度采集模块 图 2-4温模块3.4报警电路路由一个三极管和蜂鸣器组成。当温度值在设定的围时，单片机AT89C51的P3.7口高电平引脚始终保持高电平，当所采集的温度越限时，P3.7口便由高电平改为低电平，使三极管导通从而发出蜂鸣声进行报警来提醒操作人员实施相应的措施，如图2-4所示 图 2-5报警模块3.5温度控制模块该温控系统中设有两个模块，分别接于单片机AT89C51的P3.6和P

24、3.7口，当红灯亮时，说明所测温度以高于设定的温度，系统将停止加热器的加热。当绿灯亮时，说明所测温度低于设定的温度，系统将启动加热器的加热。使温度始终保持在所设温度中，以实现智能化。 图 2-6灯加热模块3.6源模块电源模块为系统板上其它模块提供5V电源，电源输入有两种方式，一种为交直流电源从电源插座输入，输入的电压要求，直流输入应大于7.5V，交流输入应大于5V，通过7805三端稳压器得到5V的直流电源供给系统其它模块工作，另一种为从USB接口获取5V电源，只要用相应配套的USB线从电脑主机获取5V直流电源，在电源模块中加有保护电路，即电路中有短路，不会对7805三端稳压器与电脑主机电源有损

25、害！其电路原理图如图2-7所示3.7总结整个系统的工作原理是：由AT89C51单片机控制，按预先编制的程序定时对被测信号进行采样，并自动进行零漂校正，最后显示所测温度值，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行温度值的控制，并输出010mA控制电流，配以主回路实现温度的控制与显示。系统程序分传感器控制程序和显示器程序和温度控制程序三部分，传感器控制程序是按照DS18B20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。标度转换程序根据温度检测值求的实际炉温，数字调节器程序根据恒温给定值与实际值的偏差。，调节温度的变化使之与给定恒温值一致。AT89C51对温度

26、的控制是通过双向可控硅实现的。双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路。在给定周期T，AT89C51只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。第四章 课题设计总结毕业设计是学生即将完成学业的最后一个重要环节，它既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好的开端。所以在此有必要对这次的毕业设计作一个系统的总结。这次毕业设计，我选择了实做的题目，这不仅是对我的一种锻炼，也是对我大学三年所学知识的综合检查。从开始设计到设计的完成，我感觉收获很多，不仅在理论上有了很大的升华,并且还在实践中锻炼了自己。使自己成长了许多。

27、本文首先对整个系统的工作原理和实现方法进行了简单的介绍，给出了系统工作的整体框图。在此基础上，介绍了系统设计用到的各个模块的功能特性，并进性了方案比较，选择出了最优越的方案。在理论上对整个系统有一定了解的情况下，进行了系统模块的电路的设计，充分利用各方面的资料，发挥我所学的特长。整个系统的开发过程是曲折的，首先在硬件设计上，由于以前所学课程有一定的基础，我多方查阅资料，不断的向老师、同学学习请教，以确保设计的电路系统完整，并能实现最完美的系统功能。经过几个月学习，我设计出了各个部分的电路图，并实现了电路图的组合。经过测试与修改，最终完善了硬件电路的设计，并能够比较理想的完成本次毕业设计功能温度

28、控制器。对于软件设计，因为以前的编程经验不够，因此，在这方面花费了很多的精力和时间。尽管过程很艰难，但是在真正意义上学到了知识，为以后的工作和学习积累了宝贵的经验。在研制过程中注重先进、适用的原则，注重科技与应用结合，来用产、学、研结合，侧重于科研技术转化为生产力。本系统经过了设计阶段、开发实现阶段以与最后的应用测试阶段。经过2个月的努力，核心问题已经全部解决，所有功能均已基本实现，只是在通用性上还有待提高。这次毕业设计的经历使我对51单片机的一些特征、性能，以与应用与原理有了深刻的了解，真正做到了学有所得、学有所用，可以说获益匪浅。但是，总的说来，由于我在理论和实践方面存在一定的不足，所以在

29、设计思路和实现功能上难免有不足之处，请各位老师多多批评指正。参考文献1廖德荣 自动控制温度的方法航空航天大学 2006.2 2军 检测技术与仪表 中国轻工业 2008.7 第二版3广弟 朱月秀 冷祖祁 单片机基础 航空航天大学 2008.1 第三版4亮 鹏 自动控制原理 工业大学 2006.5 第二版5守义 钟苏 数字电子技术 电子科技大学 2003.6 第二版6FA PLAZA OMRON感測器技術與溫度控制器 2009.6附录1A51 MACRO ASSEMBLER 18B20 26/03/07 10:50:52 PAGE 1DOS MACRO ASSEMBLER A51 X4.86OBJ

30、ECT MODULE PLACED IN 18B20.OBJASSEMBLER INVOKED BY: C:FLYTOC51COMPILERBINA51.EXE 18B20.ASM DEBUG MACRO SYMBOLS MOD51 LISTLOC OBJ LINE SOURCE 1 ;* 2 ; DS18B20温度计? * 3 ;采用4位LED共阳显示器显示测温值，显示精度0.1度，测温围-55度至+125度 * 4 ;用AT89C2051单片机，12MHZ晶振，设计日期2004.02.27? * 5 ;* 6 ; 7 ;* 8 ; 9 ; 常数定义 10 ; 11 ;* 00E0 12 T

31、IMEL EQU 0E0H ;20MS,定时器 0 时间常数 00B1 13 TIMEH EQU 0B1H ; 0036 14 TEMPHEAD EQU 36H ; 15 ; 16 ;* 17 ; 18 ; 工作存定义 19 ; 20 ;* 0020 21 BITST DATA 20H 0001 22 TIME1SOK BIT BITST.1 0002 23 TEMPONEOK BIT BITST.2 0026 24 TEMPL DATA 26H 0027 25 TEMPH DATA 27H 0028 26 TEMPHC DATA 28H 0029 27 TEMPLC DATA 29H 28

32、; 29 ; 30 ;* 31 ; 32 ; 引脚定义 33 ; 34 ;* 35 ; 00A5 36 TEMPDIN BIT P2.5 ; 37 ; 38 ;* 39 ; 40 ; 中断向量区 41 ; 42 ;*0000 43 ORG 0000H0000 020100 44 LJMP START 45 ;0003 46 ORG 0003H0003 32 47 RETI 48 ;000B 49 ORG 00BH000B 02012D 50 LJMP T0IT 51 ;0013 52 ORG 0013H0013 32 53 RETI 54 ;001B 55 ORG 001BH001B 32 5

33、6 RETI 57 ;A51 MACRO ASSEMBLER 18B20 26/03/07 10:50:52 PAGE 2 58 ;* 59 ; 60 ; 系统初始化 61 ; 62 ;*0100 63 ORG 100H0100 758160 64 START: MOV SP, #60H0103 C293 65 clr p1.30105 7820 66 CLSMEM: MOV R0, #20H ;0107 7960 67 MOV R1, #60H ;0109 7600 68 CLSMEM1: MOV R0, #00H ;010B 08 69 INC R0 ;010C D9FB 70 DJNZ R1, CLSMEM1 ; 71 ;010E 758921 72 MOV TMOD, #00100001B ; 定时器 0 作方式1 (16BIT)0111 758CE0