毕业设计(论文)-基于8051单片机的温度控制系统的设计.doc
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1、学号 20080603050111 密级 公开 毕业论文毕业论文 基于基于 80518051 单片机的温度控制系统的设计单片机的温度控制系统的设计 学 院 名 称: 专 业 名 称:电子信息科学与技术 学 生 姓 名: 指 导 教 师: 二一二年五月 BACHELORS DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITY The Design of temperature control system Based on 8051 SCM College :School of Peili Engineerning DS18B20 Sensors;the temper
2、ature controls; manifestation gives or get an lectric shock IV 目目 录录 第 1 章 绪论 1 1.1 引言 .1 1.2 项目要求 .1 1.3 研究意义 .1 第 2 章 硬件设计 2 2.1 硬件设计概要 .2 2.2 单片机控制部分 .2 2.3 温度检测电路 .6 2.3.1 温度检测电路 6 2.3.2 报警电路9 2.3.3 控制电路及显示电路 9 第 3 章 软件设计 .13 3.1 中断控制程序 13 3.2 显示程序 14 3.3 温度测量 15 3.4 温度处理 21 结 论 23 参考文献 24 致 谢 2
3、6 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 引言引言 水温控制系统无论是工业生产过程,还是日常生活都起着非常重要的作用, 过低过高的水温都会使水资源失去应有的作用,从而造成水资源的极大浪费,给 生活生产带来许多不利因素。在能源日益紧张的今天,电热水器、饮水机、电饭 煲之类的家用电器在保温时,由于简单的温度控制系统,因而会造成很大的能源 浪费。基于 8051 单片机的水温控制系统与传统的水温控制系统相比具有操作方 便、价格便宜、精确度高和开展容易等优点,因此市场前景看好1。 1.21.2 项目要求项目要求 设计制作一个水温自动控制系统,控制对象为 10L 水,容器为搪瓷器皿。 水温可以在
4、一定范围内由人工设定,并能在环境温度降低时实现自动控制,以保 持设定温度保持不变。 基于 8051 单片机水温控制器晶振采用 12MHZ,具体要求如下: (1)初始温度设置为 50 度,温度低于 50 度加热; (2)越限报警温度为 70 度,温度高于 70 度,报警,停止加热; (3)控制精度为 1 度 (4)控制范围为环境温度室温到 70 度 1.31.3 研究意义研究意义 在人类生活的环境中,温度扮演着及其重要的角色。自 18 世纪工业革命以 来,工业的发展与是否掌握温度有着密切的联系。温度不但对于工业如此重要, 在农业生产中温度的检测与控制也有着十分重要的意义。同时,温度测量系统在 电
5、子产品中的应用越来越广泛,比如:空调、电饭煲、太阳能热水器等都用到了 温度控制系统。当前,能源问题是最热门的话题,也是我们急需解决的,因而我 们从节省能源,保护环境出发,设计出本系统。 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2。单片机对温度的控制问题是 一个日常生活中经常会遇到的问题。因此,对该系统的研究有着极其重要的意义。 2 第第 2 2 章章 硬件设计硬件设计 2.12.1 硬件设计概要硬件设计概要 根据需求,我的系统以 AT89S52 单片机3为
6、中心控制器件,由温度采集电路、 显示电路、加热电路、报警电路组成。 温度采集使用 18B204,使用它可以使电路简化。控制电路用外部中断来调 节温度,为了使操作方便,加一个显示控制温度值的数码管,来便于使用。报警 电路,这个电路用一个三极管这为放大器去驱动一个喇叭。总硬件框图如图 2.1 所示: 图 2.1 总硬件设计示意图 2.22.2 单片机单片机控制部分控制部分 此部分是电路的核心部分,系统采用了 51 系列单片机。在众多的 51 单片机 系列中,AT89 系列单片机在我国得到及其广泛的应用,越来越受到人们的瞩目。 AT89 系列单片机是美国 ATMEL 公司的 8 位 Flash 单片
7、机产品。它的最大特点是在 片内含有 Flash 存储器,在系统的开发过程中修改程序容易,使开发调试更为方 便。AT89 系列单片机以 8031 为内核,是与 8051 系列单片机兼容的系列,其型号 可以分为标准型、低档型和高档型 3 类。高档型单片机有 AT89S51、AT89S52、AT89S53 和 AT89S8252 等型号,其中 AT89S52 为 ATMEL 所生 温度采集电路 AT89S52 加热电路 显示电路报警电路 3 产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器,内部有 8KB 的可下载 Flash 存储器, 2KB 的 EEPROM,提高了存储容量,系统不必扩展外部程序存
8、储器和数据存储器这 样大大的减少了系统硬件部分5。因此,本系统使用 AT89S52 单片机作为微处理 器,微处理器电路如图 2.2 所示: 图 2.2 微处理器电路图 1、AT89S52 主要功能列举如下: (1)拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash (2)晶片内部具时钟振荡器(传统最高工作频率可至 12MHz) (3)内部程序存储器(ROM)为 8KB (4)内部数据存储器(RAM)为 256 字节 (5)32 个可编程 I/O 口线 (6)8 个中断向量源 (7)三个 16 位定时器/计数器 (8)三级加密程序存储器 (9)全双工 UART 串行通道 2、AT89S52
9、各引脚功能介绍6如图 2.3 所示: 4 图 2.3 AT89S52 引脚图 VCC:AT89S52 电源正端输入,接+5V。 VSS:电源地端。 XTAL1:单芯片系统时钟的反相放大器输入端。 XTAL2:系统时钟的反相放大器输出端,一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了,此外可以在两引脚与地之间 加入一 20PF 的小电容,可以使系统更稳定,避免噪声干扰而死机。 RESET:AT89S52 的重置引脚,高电平动作,当要对晶片重置时,只要对此引 脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间,AT89S51 便能完成系统重 置的各项动作,使得内
10、部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态,并且至地址 0000H 处开始读入程序代码而执行程序7。 EA/Vpp: “EA“为英文“External Access“的缩写,表示存取外部程序代码之 5 意,低电平动作,也就是说当此引脚接低电平后,系统会取用外部的程序代码 (存于外部 EPROM 中)来执行程序。因此在 8031 及 8032 中,EA 引脚必须接低电 平,因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时,此引脚 要接成高电平。此外,在将程序代码烧录至 8751 内部 EPROM 时,可以利用此引 脚来输入 21V 的烧录高压(Vpp)。 ALE/PROG:ALE 是
11、英文“Address Latch Enable“的缩写,表示地址锁存器启 用信号。AT89S52 可以利用这支引脚来触发外部的 8 位锁存器(如 74LS373), 将端口 0 的地址总线(A0A7)锁进锁存器中,因为 AT89S52 是以多工的方式送 出地址及数据。平时在程序执行时 ALE 引脚的输出频率约是系统工作频率的 1/6,因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录 8751 程序代码时, 此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。 PSEN:此为“Program Store Enable“的缩写,其意为程序储存启用,当 8051 被设成为读取外部程序代码工作模式时(EA=0)
12、,会送出此信号以便取得程序代 码,通常这支脚是接到 EPROM 的 OE 脚。AT89S52 可以利用 PSEN 及 RD 引脚分别启 用存在外部的 RAM 与 EPROM,使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共 用 64K 的定址范围。 PORT0(P0.0P0.7):端口 0 是一个 8 位宽的开路汲极(Open Drain)双 向输出入端口,共有 8 个位,P0.0 表示位 0,P0.1 表示位 1,依此类推。其他三 个 I/O 端口(P1、P2、P3)则不具有此电路组态,而是内部有一提升电路,P0 在 当做 I/O 用时可以推动 8 个 LS 的 TTL 负载。如果当 EA 引脚
13、为低电平时(即取用 外部程序代码或数据存储器),P0 就以多工方式提供地址总线(A0A7)及数据 总线(D0D7)。设计者必须外加一锁存器将端口 0 送出的地址栓锁住成为 A0A7,再配合端口 2 所送出的 A8A15 合成一完整的 16 位地址总线,而定址 到 64K 的外部存储器空间。 PORT2(P2.0P2.7):端口 2 是具有内部提升电路的双向 I/O 端口,每一 个引脚可以推动 4 个 LS 的 TTL 负载,若将端口 2 的输出设为高电平时,此端口 便能当成输入端口来使用。P2 除了当做一般 I/O 端口使用外,若是在 AT89S52 扩 充外接程序存储器或数据存储器时,也提供
14、地址总线的高字节 A8A15,这个时 候 P2 便不能当做 I/O 来使用了。 PORT1(P1.0P1.7):端口 1 也是具有内部提升电路的双向 I/O 端口,其 6 输出缓冲器可以推动 4 个 LS TTL 负载,同样地若将端口 1 的输出设为高电平, 便是由此端口来输入数据。如果是使用 8052 或是 8032 的话,P1.0 又当做定时器 2 的外部脉冲输入脚,而 P1.1 可以有 T2EX 功能,可以做外部中断输入的触发脚 位。 PORT3(P3.0P3.7):端口 3 也具有内部提升电路的双向 I/O 端口,其输 出缓冲器可以推动 4 个 TTL 负载,同时还多工具有其他的额外特
15、殊功能,包括串 行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制 等功能。 其引脚分配如下: P3.0:RXD,串行通信输入。 P3.1:TXD,串行通信输出。 P3.2:INT0,外部中断 0 输入。 P3.3:INT1,外部中断 1 输入。 P3.4:T0,计时计数器 0 输入。 P3.5:T1,计时计数器 1 输入。 P3.6:WR:外部数据存储器的写入信号。 P3.7:RD,外部数据存储器的读取信号。 整个单片机系统接口分配情况如下:P0 口复用于传输 LED 位数据以及值数据 传输、P2 口的 P2.0-P2.1 作为六位 LED 的公共端的控制信号、P1 口分
16、配做键盘 接口、P3.0 和 P3.1 分别用于串口通信的数据的接收端和发送端、P3.2 用于温度 数据接口8。 2.32.3 温度检测电路温度检测电路 2.3.12.3.1 温度检测电路温度检测电路 DS18B20数字传感器是DALLAS公司生产的1Wire总线技术的典型产品9。它 可以将被测温度直接转换成数字量,因此单片机可以方便的通过串行总线实现读 取。另外,1Wire具有成本低、节省I/O口、抗干扰能力强,便于总线扩展和维 护等特点。DS18B20通过编程后,可以实现912位的温度度数。由于DS18B20可 以由数据线本身提供电源,因此单片机与其连接时,需要一根数据线和地线。 DS18
17、B20的工作性能如下: (1)1Wire数据通信 7 (2)可用数据线供电,电压范围35.5V (3)最高12位分辨率 (4)12位分辨率时的最大工作周期为750ms (5)可选择寄生工作方式 (6)检测温度范围为55C+125C (7)被测温度在10C+85C时,精度为0.5C (8)内置EEPROM,限温报警功能 (9)64位光刻ROM,内置产品序列号,方便多机挂接 (10)封装形式多样 (11)负压特性。电源极性接反时,芯片不会烧毁 DS18B20 内部结构10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 的管脚
18、排列如图 2.4 所示: 图 2.4 DS18B20 的结构图 DQ 为数字信号输入/输出端;GND 为电源地;VDD 为外接供电电源输入端(在 寄生电源接线方式时接地)。 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码。64 位光刻 ROM 的排列是:开始 8 位(28H)是产品类型标号,接 8 着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号,最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码 (CRC=X8+X5+X4+1)。光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同,这样就 可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的
19、。 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量,以 12 位转化为例:用 16 位符 号扩展的二进制补码读数形式提供,以 0.0625/LSB 形式表达,其中 S 为符号 位。 表 2.1 12 位转化后得到的 12 位数据 LSByte MSByte 232221202-12-22-32-4 bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0 SSSS262425S bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9bit8 这是 12 位转化后得到的 12 位数据,存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中, 二进制中的前面 5 位
20、是符号位,如果测得的温度大于 0,这 5 位为 0,只要将测 到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度;如果温度小于 0,这 5 位为 1,测到的 数值需要取反加 1 再乘于 0.062511即可得到实际温度。例如+125的数字输出 为 07D0H,+25.0625的数字输出为 0191H,-25.0625的数字输出为 FF6FH,- 55的数字输出为 FC90H。温度检测控制电路如图 2.5 所示: GND VCC D DS18B20 VCC R 4.7K AT89S52 P3.2 图 2.5 温度检测控制电路图 2.3.22.3.2 报警电路报警电路 报警电路设计12的工作过程:如图
21、2.6 所示,该报警电路由两个主要部件组 成,BUZZ 喇叭报警装置和三极管,如果来自单片机 P1.1 端的信号使三极管的发 9 射极导通,即有电流通过时,那么从 VCC 到 BUZZ 到集电极也会有电流通过,这 样会让 BUZZ 报警装置发出报警声音,如果来自来单片机 P1.1 端的信号使三极管 的发射极没有导通,则无电流通过,喇叭不发声音。即当 P1.1 端的信号为低电 平时,喇叭报警,当 P1.1 端的信号为高电平时喇叭不响。 图 2.6 报警电路 2.3.32.3.3 控制电路及显示电路控制电路及显示电路 通过 2 个外部电路来控制温度,只要在中断口让 2 个开关接地。然后把调节 后的
22、温度通过数码管显示出来。 1、LED 显示器13结构与原理 LED 显示器由 7 条发光二极管组成显示字段,有的还带有一个小数点 dp 将 7 段发光二极管阴极连在一起,成为共阴极接法,当某个字段的阳极为高电平时, 对应的字段就点亮。共阳极接法是将 LED 的所有阳极并接后就连到+5V 上,当某 一字段的阴极为 0 时,对应的字段就点亮。 静态串行显示器的结构图如 2.7 所示: 10 a b c d e f g dp V cc a b c d e f g dp 共阴极 共阳极 图 2.7 静态串行显示器的结构图 点亮 LED 显示器有静态和动态两种方法14。所谓静态显示,就是显示某一字 段时
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