基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，溫度的測(cè)量及控制變得越來越重要，溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本文詳細(xì)地講述了基于單片機(jī)at89s51和溫度傳感器ds18b20的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器ds18b20采集溫度數(shù)據(jù)，數(shù)碼管同步顯示溫度設(shè)定值和當(dāng)前測(cè)量值，可通過按鍵以1的步進(jìn)改變溫度設(shè)定值，系統(tǒng)復(fù)位后默認(rèn)設(shè)定溫度值為45。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器啟動(dòng)加熱器加熱，同時(shí)點(diǎn)亮紅色發(fā)光二極管，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，加熱器停止加熱，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)量和控制溫度的目的

2、。系統(tǒng)稍微改裝可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。系統(tǒng)具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 溫度控制 傳感器 數(shù)碼管design of temperature control system based on single chip microcontrollerundergraduate：supervisor: abstract: with the development of the society,the control of temperature become more and more i

3、mportant. temperature is a important physical parameters in production process and scientific experiments.the design and implementation of temperature control system based on single chipmicrocontroller at89c51 and ds18b20 are introduced in this paper. temperature data are collected by ds18b20, tempe

4、rature settings and current measurements are displayed by digital tube; the temperature settings can be change by the key-presses with 1 step. the default temperature value is 45 . when the temperature is under the settings, the heater starts with the red-led on,oppositely, the heater stopped heatin

5、g when the temperature is higher than the set value.the system is control convenient, simple, flexibility. after repeated testing, the system can operate stably.key words: single chip microcontroller, temperature control，sensor，led目錄引言11.概述21.1課題研究的目的及意義21.2課題研究現(xiàn)狀分析21.3技術(shù)指標(biāo)22.總體設(shè)計(jì)32.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證32.2系統(tǒng)結(jié)

6、構(gòu)框圖33.硬件設(shè)計(jì)33.1元器件的選擇33.1.1單片機(jī)選擇33.1.2傳感器選擇63.2單片機(jī)控制模塊73.3溫度數(shù)據(jù)采集模塊83.4顯示模塊83.5溫度設(shè)置模塊103.6控制電路114.軟件設(shè)計(jì)114.1主程序流程圖114.2溫度傳感器ds18b20工作過程及時(shí)序124.2.1初始化時(shí)序124.2.2寫時(shí)序134.2.3讀時(shí)序145.系統(tǒng)調(diào)試155.1測(cè)試環(huán)境155.2測(cè)量方法155.3測(cè)試結(jié)果15結(jié)論16參考文獻(xiàn)17致 謝18附錄19附錄1 系統(tǒng)總原理圖19附錄2 系統(tǒng)pcb圖20附錄3 源程序清單21引言在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。

7、其中，溫度控制也越來越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問題。 單片機(jī)是一種集cpu、ram、rom、i/o接口和中斷系統(tǒng)等部分于一體的器件，只需要外加電源和晶振就可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信息的處理和控制。因此，單片機(jī)廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)控制中。隨著“信息時(shí)代”的到來，作為獲取信息的手段傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對(duì)其要求越來越

8、高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，使得人們可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、信息處理和自動(dòng)控制，但是它們都不同程度地存在溫漂和非線性等影響因素。傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例的分析了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合

9、起來，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效，各自都在開發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。其發(fā)展速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。為了提高對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度監(jiān)控系統(tǒng)。文中傳感器理論與單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)地講述了基于單片機(jī)at89s51和溫度傳感器ds18b20的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟

10、硬件實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)控制模塊，顯示模塊和溫度設(shè)置模塊，驅(qū)動(dòng)電路五個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，系統(tǒng)稍微改裝可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。1.概述1.1課題研究的目的及意義隨著社會(huì)的發(fā)展，溫度的測(cè)量及控制變得越來越重要。溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度，壓力，流量，速度等進(jìn)行有效的控制。其中溫度的控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確測(cè)量和有效控制溫度

11、是優(yōu)質(zhì)，高產(chǎn)，低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。在工業(yè)的研制和生產(chǎn)中，為了保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運(yùn)行并提高控制精度，采用微電子技術(shù)是重要的途徑。它的作用主要是改善勞動(dòng)條件，節(jié)約能源，防止生產(chǎn)和設(shè)備事故，以獲得好的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。本課題采用51單片機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)。作為控制系統(tǒng)中的一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用了微機(jī)原理、自動(dòng)控制原理、傳感器原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、鍵盤顯示技術(shù)等諸多方面的知識(shí)，是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次綜合測(cè)試。1.2課題研究現(xiàn)狀分析由于現(xiàn)代工藝越來越多的需要對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，而

12、且需要的精度越來越高。所以溫度控制系統(tǒng)國內(nèi)外許多有關(guān)人員的重視，得到了十分廣泛的應(yīng)用。溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，而且成果顯著。由于單片微處理器的性能日益提高、價(jià)格又不斷降低，使其性能價(jià)格比的優(yōu)勢(shì)非常明顯。因此，如何將單片微處理器應(yīng)用到鍋爐溫度自動(dòng)控制領(lǐng)域，為越來越多的生產(chǎn)廠家所重視。目前先進(jìn)國家各種爐窯自動(dòng)化水平較高，裝備有完善的檢測(cè)儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已采用集散系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的形式，大部分配有先進(jìn)的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標(biāo)。單片微型計(jì)算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路的技術(shù)的發(fā)展而誕生的。由于它具有體積小，功能強(qiáng)，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表，家用電器，節(jié)能裝置

13、，軍事裝置，機(jī)器人，工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化，智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量又降低了成本，簡化了設(shè)計(jì)。1.3技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，能夠?qū)t溫進(jìn)行控制。爐溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在爐溫變化時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。若測(cè)量值高于溫度設(shè)定范圍，由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路使加熱器停止工作。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，啟動(dòng)加熱器。通過繼電器的反復(fù)開啟和關(guān)閉，使?fàn)t溫保持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。溫度設(shè)定范圍為099，最小區(qū)分度為1，溫度控制的誤差1能夠用數(shù)碼管精確顯示當(dāng)前實(shí)際溫度值按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、加一鍵、減一鍵越限報(bào)警2.總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方

14、案論證實(shí)現(xiàn)溫度控制的方法主要有以下幾種。方案一：采用純硬件的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于速度較快，但可靠性比較差控制精度比較低、靈活性小、線路復(fù)雜、調(diào)試、安裝都不方便。且要實(shí)現(xiàn)題目所有的要求難度較大。方案二：fpga/cpld或采用帶有ip內(nèi)核的fpga/cpld方式。即用fpga/cpld完成采集，存儲(chǔ)，顯示及a/d等功能，由ip核實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及信號(hào)測(cè)量分析等功能。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的測(cè)量與與控制，操作方便；缺點(diǎn)是調(diào)試過程復(fù)雜，成本較高。方案三：單片機(jī)與高精度溫度傳感器結(jié)合的方式。即用單片機(jī)完成人機(jī)界面，系統(tǒng)控制，信號(hào)分析處理，由前端溫度傳感器完成信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換

15、。這種方案克服了方案一、二的缺點(diǎn)，所以本課題任務(wù)是基于單片機(jī)和溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)控制模塊，顯示模塊和溫度設(shè)置模塊，驅(qū)動(dòng)電路五個(gè)部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。溫度傳感器單片機(jī)鍵盤控制復(fù)位電路顯示電路報(bào)警電路控制電路圖1 系統(tǒng)框圖 其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，由單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)送顯示部分顯示。設(shè)置模塊可設(shè)置預(yù)定溫度，當(dāng)檢測(cè)到的溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)加熱，并發(fā)出報(bào)警聲；當(dāng)檢測(cè)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，停止加熱。3.硬件設(shè)計(jì)3.1元器件的選擇3.1.1單片機(jī)選擇單片機(jī)的選擇在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至

16、關(guān)重要，要滿足大內(nèi)存、高速率、通用性、價(jià)格便宜等要求，本課題選擇at89s51作為主控芯片。at89s51是一個(gè)低功耗，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes isp(in-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的at89s51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。at89s51芯片具有以下特性：指令集和芯片引腳與intel公司的8051

17、兼容；4kb片內(nèi)在系統(tǒng)可編程flash程序存儲(chǔ)器；時(shí)鐘頻率為033mhz；128字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（ram）；32個(gè)可編程輸入/輸出引腳；2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；6個(gè)中斷源，2級(jí)優(yōu)先級(jí)；全雙工串行通信接口；監(jiān)視定時(shí)器；2個(gè)數(shù)據(jù)指針。at89s51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。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

18、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)用引腳有rst/vpd、ale/p、psen和ea/vpp等4種形式。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)

19、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。ale/ p （30腳）：當(dāng)訪問外部存儲(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口的地址信號(hào)。psen(29腳):片外程序存儲(chǔ)器讀選通輸出端,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，以通過數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，pesn信號(hào)將不出現(xiàn)。ea/vpp（31腳）：ea為訪問外部程序儲(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)訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器4

20、kb（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)，無論片內(nèi)有無程序存儲(chǔ)器，均只訪問外部程序存儲(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p0口（39腳22腳）：這8條引腳有兩種不同功能，分別適用于兩種不同情況。第一種情況是89s51不帶片外存儲(chǔ)器，p0口可以作為通用i/o口使用，p0.0-p0.7用于傳送cpu的輸入/輸出數(shù)據(jù)。第二種情況是89s51帶片外存儲(chǔ)器，p0.0-p0.7在cpu訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)用于傳送片外存儲(chǔ)器的低8位地

21、址，然后傳送cpu對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。 p1口（1腳8腳）：這8條引腳和p0口的8條引腳類似，p1.7為最高位，p1.0為最低位。當(dāng)p1口作為通用i/o口使用時(shí)，p1.0-p1.7的功能和p0口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。 p2口（21腳28腳）：這組引腳的第一功能和上述兩組引腳的第一功能相同，既它可以作為通用i/o口使用。它的第二功能和p0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高8位地址。 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

22、輸入輸出或第2功能。p3口的第2功能見表1。表1 單片機(jī)p3口管腳第2功能引腳第2功能p3.0p3.1p3.2p3.3p3.4p3.5p3.6p3.7rxd（串行口輸入端0）txd（串行口輸出端）int0（部中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效）int1（中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效）t0（時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖端）t1（時(shí)器/計(jì)數(shù)器1數(shù)脈沖端）wr（部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效）rd（部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效）at89s51單片機(jī)引腳圖如圖2所示圖2 單片機(jī)引腳圖3.1.2傳感器選擇本系統(tǒng)采用dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器ds18b20采集溫度數(shù)據(jù)，ds

23、18b20屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。 ds18b20的性能特點(diǎn)：采用單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線，也可通過其它i/o口線與微機(jī)接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值（9位二進(jìn)制數(shù)，含符號(hào)位），測(cè)溫范圍為-55-+125，測(cè)量分辨率為0.0625,內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲(chǔ)器rom，適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)，用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限，內(nèi)含寄生電源。ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻rom,溫度傳感器,非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器th

24、和tl,高速暫存器。ds18b20的管腳排列如圖3所示。 圖3ds18b20引腳分布圖ds18b20高速暫存器共9個(gè)存存單元，如表2所示： 表2 ds18b20高速暫存器序號(hào)寄存器名稱作 用序號(hào)寄存器名稱作用0123溫度低字節(jié)溫度高字節(jié)th/用戶字節(jié)1hl/用戶字節(jié)2以16位補(bǔ)碼形式存放以16位補(bǔ)碼形式存放存放溫度上限存放溫度下限4、5678保留字節(jié)1、2計(jì)數(shù)器余值計(jì)數(shù)器/crc以12位轉(zhuǎn)化為例說明溫度高低字節(jié)存放形式及計(jì)算：12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18b20的兩個(gè)高低兩個(gè)8位的ram中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位。如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625

25、即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625才能得到實(shí)際溫度。表3 溫度高低字節(jié)存放形式高8位 s s s s s 26 25 24 低8位 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 在硬件上，ds18b20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是vcc接外部電源，gnd接地，i/o與單片機(jī)的i/o線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí)udd、gnd接地，i/o接單片機(jī)i/o。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，i/o口線要接5k左右的上拉電阻。 ds18b20有六條控制命令，如表4所示：表4 ds18b20控制命令指 令約定代碼操 作 說 明溫度轉(zhuǎn)換

26、讀暫存器寫暫存器復(fù)制暫存器重新調(diào)e2ram讀電源供電方式44hbeh4eh48hb8hb4h啟動(dòng)ds18b20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換讀暫存器9個(gè)字節(jié)內(nèi)容將數(shù)據(jù)寫入暫存器的th、tl字節(jié)把暫存器的th、tl字節(jié)寫到e2ram中把e2ram中的th、tl字節(jié)寫到暫存器th、tl字節(jié)啟動(dòng)ds18b20發(fā)送電源供電方式的信號(hào)給主cpucpu對(duì)ds18b20的訪問流程是：先對(duì)ds18b20初始化，再進(jìn)行rom操作命令，最后才能對(duì)存儲(chǔ)器操作，數(shù)據(jù)操作。ds18b20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。如主機(jī)控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)ds18b20的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要

27、對(duì)ds18b20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條rom指令，最后發(fā)送ram指令，這樣才能對(duì)ds18b20進(jìn)行預(yù)定的操作。3.2單片機(jī)控制模塊控制模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)方案的核心，它控制了溫度的采集、處理與顯示、溫度值的設(shè)定與溫度越限時(shí)控制電路的啟動(dòng)。本控制模塊由單片機(jī)at89s51及其外圍電路組成，電路如圖4所示。圖4 單片機(jī)控制模塊電路該電路采用按鍵加上電復(fù)位，s2為復(fù)位按鍵，復(fù)位按鍵按下后，復(fù)位端通過51的小電阻與電源接通,迅速放電,使rst引腳為高電平,復(fù)位按鍵彈起后,電源通過8.2k的電阻對(duì)10kf的電容c5重新充電,rst引腳端出現(xiàn)復(fù)位正脈沖.at89s51內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器,用于構(gòu)成振

28、蕩器,但要形成時(shí)鐘脈沖,外部還需附加電路,本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式,利用芯片內(nèi)部的振蕩器,然后在引腳xtal1和xtal2兩端跨接晶體振蕩器,就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器,發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路,c6和c7的值通常選擇為30pf左右,晶振y1選擇12mhz.為了減小寄生電容,更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)引腳xtal1和xtal2靠近。單片機(jī)的31腳（ea）接+5v電源，表示允許使用片內(nèi)rom。3.3溫度數(shù)據(jù)采集模塊溫度由dallas 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器ds18b20 采集。ds18b20 測(cè)溫范圍為-55c+125c，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.062

29、5c，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16 位補(bǔ)碼形式串行輸出。cpu 只需一根端口線就能與諸多ds18b20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。本設(shè)計(jì)采用三引腳pr-35封裝的ds18b20，其引腳圖見圖3。vcc接外部+5v電源，gnd接地，i/o與單片機(jī)的p3.4（t0）引腳相連。3.4顯示模塊顯示部分采用led靜態(tài)顯示方式，共陰極的數(shù)碼管的公共端com連接在一起接地，每位的段選線與74hc164的8位并口相連，只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符，考慮到節(jié)約單片機(jī)的i/o資源，因而采用串行接口方式，外接8位移位寄存器74hc164構(gòu)成顯示電路，電路

30、如圖5所示。圖5 顯示模塊電路 74hc164的邏輯功能介紹如下：當(dāng)清除端（clear）為低電平時(shí)，輸出端（qaqh）均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（a，b）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) a、b 任意一個(gè)為低電平，則禁 止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（clock）脈沖上升沿作用下 q0 為低電平。當(dāng) a、b 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 clock 上升沿作用下決定 q0 的狀態(tài)。真值表如表5所示。表5 74hc164真值表inputsoutputsclearclocka bqa qb .qhlhhhhxlx xx xh hl xx ll l .lqa0 qb0.qh0h qanqgnl qanqgn

31、l qanqgnh高電平 l低電平 x任意電平 低到高電平跳變 qa0,qb0,qh0 規(guī)定的穩(wěn)態(tài)條件建立前的電平 qan,qgn 時(shí)鐘最近的前的電平。圖6 74hc164時(shí)序圖在單片機(jī)的txd（p3.1）運(yùn)行時(shí)鐘信號(hào)，將顯示數(shù)據(jù)由rxd（p3.0）口串行輸出至74hc164的a、b端。3.5溫度設(shè)置模塊溫度設(shè)置部分采用獨(dú)立式按鍵，s4為溫度值加1按鍵，與單片機(jī)的p0.0口相連；s3為溫度值減1按鍵，與單片機(jī)的p0.1口相連。當(dāng)沒有鍵按下時(shí)，單片機(jī)與之相連的輸入口線為高電平，當(dāng)任何一個(gè)按鍵按下時(shí)，與之相連的 輸入口線被置為低電平，產(chǎn)生外中斷條件，在 中斷服務(wù)程序中讀取鍵盤值。溫度設(shè)置電路如圖7

32、所示。 圖7 溫度設(shè)置模塊電路3.6控制電路控制電路與單片機(jī)的p0.2口相連，由于單片機(jī)輸出控制信號(hào)非常微弱，需要用三極管來驅(qū)動(dòng)外圍電路，三極管選用npn型的 9014，當(dāng)檢測(cè)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，在單片機(jī)的p0.2口輸出高電平控制信號(hào)，使三極管9014導(dǎo)通，使繼電器兩控制端產(chǎn)生壓差，從而使繼電器吸合，常開觸點(diǎn)接通，控制外部電路對(duì)鍋爐進(jìn)行加熱；當(dāng)檢測(cè)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)輸出低電平信號(hào)，三極管截止，繼電器不吸合，外部電路停止加熱。控制電路電路圖如圖8所示。圖8 控制電路4.軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能如下：利用4只共陰數(shù)碼管，led1顯示檢測(cè)溫度十位，led2顯示檢測(cè)溫度個(gè)位，led3顯示設(shè)

33、定溫度十位，led4顯示設(shè)定溫度個(gè)位，顯示分辨率為1。單片機(jī)復(fù)位后默認(rèn)設(shè)定溫度為40，當(dāng)每按下一次設(shè)定溫度上升按鈕add時(shí)，設(shè)定溫度增加1，最高為120，當(dāng)每按下一次設(shè)定溫度下降按鈕dec時(shí)，設(shè)定溫度減少1，最低設(shè)定為0。當(dāng)設(shè)定溫度大于檢測(cè)溫度時(shí)加熱輸出，當(dāng)設(shè)定溫度小于檢測(cè)溫度時(shí)加熱停止。4.1主程序流程圖溫度控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下：1）鍵盤掃描、鍵碼識(shí)別和溫度顯示；2）爐溫采樣；3）數(shù)據(jù)處理；4）越限報(bào)警和處理。系統(tǒng)流程圖如圖9所示。減加小于與設(shè)定溫度比較開始初始化停止加熱檢測(cè)溫度顯 示判斷按鍵設(shè)定值加設(shè)定值減顯 示大于啟動(dòng)加熱圖9 系統(tǒng)流程圖4.2溫度傳感器ds18b20工作過程及時(shí)序d

34、s18b20工作過程中的協(xié)議如下：（1）初始化（2）rom操作命令（3）存儲(chǔ)器操作命令（4）處理數(shù)據(jù)4.2.1初始化時(shí)序時(shí)序如圖10所示。主機(jī)總線發(fā)送復(fù)位脈沖（最短為480s，最高時(shí)間為960s的低電平信號(hào)），接著再釋放總線（置總線為高電平）并進(jìn)入接收狀態(tài)。ds18b20在檢測(cè)到總線的上升沿后等待1560s發(fā)出器件存在脈沖（低電平持續(xù)60240s）。初始化程序如下所示：init:setbp3.4 nop clrp3.4 movr0,#0ffh djnzr0,$ setbp3.4 movr0,#100liu:jnbp3.4,it3djnzr0,liuclr38hsjmpit7it3: setb3

35、8hit7: mov r0,#240djnzr0,$setbp3.4ret 單片機(jī)主動(dòng)釋放60-240s15-60s480-960s圖10 初始化時(shí)序圖此初始化程序功能為：檢測(cè)ds18b20是否存在，如存在，將位地址38h置1；如不存在，將位地址38h清零。4.2.2寫時(shí)序單片機(jī)寫ds18b20的時(shí)序如圖11所示，當(dāng)主機(jī)總線從高拉至低電平時(shí)就產(chǎn)生寫時(shí)間隙，ds18b20在檢測(cè)到下降沿后15s時(shí)開始采樣總線上的電平，所以15s之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上，ds18b20再1560s間對(duì)總線采樣，每寫一位總時(shí)間必須在60120s之間完成。若低電平寫入的位是0，高電平寫入的位是1，連續(xù)寫時(shí)位間的間隙

36、應(yīng)大于1s。程序如下所示：writer:movr0,#8wr1:clrp3.4movr4,#6djnzr4,$rrcamovp3.4,cmovr4,#40djnzr4,$setbp3.4nopdjnzr0,wr1setbp3.4ret寫060-120s寫1，ds18b20在檢測(cè)到下降沿15s后采樣，采樣時(shí)間為15-60s1560-120sds18b20檢測(cè)到下降沿15s后采樣15s圖11 單片機(jī)寫ds18b20時(shí)序圖4.2.3讀時(shí)序單片機(jī)讀ds18b20的時(shí)序如圖12所示，單片機(jī)主動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)下降沿的啟動(dòng)信號(hào)，并維持低電平大于1s后釋放總線，15s后ds18b20占主動(dòng)權(quán)，ds18b20會(huì)將數(shù)據(jù)

37、按位放在總線上（低位在先，當(dāng)讀取兩個(gè)字節(jié)的溫度值時(shí)，低字節(jié)在先），這時(shí)單片機(jī)可讀取信號(hào)，讀取一位的時(shí)間應(yīng)在60s內(nèi)完成。當(dāng)需要讀取下一位時(shí)再產(chǎn)生下降沿啟動(dòng)信號(hào)。t60s單片機(jī)采樣第二位啟動(dòng)脈沖t60s單片機(jī)采樣第一位啟動(dòng)脈沖圖12 單片機(jī)讀ds18b20的時(shí)序圖read:setbrs0movr4,#2movr0,#36hre1:movr5,#8re2:clrcsetbp3.4nopnopclrp3.4nopnopnopsetbp3.4movr6,#7djnzr6,$movc,p3.4movr6,#20djnzr6,$rrcadjnzr5,re2movr0,adecr0djnzr4,re1clr

38、rs0nopret此程序功能為：讀取ds18b20 a/d轉(zhuǎn)換后的溫度值，轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制存入36h、35h單元，默認(rèn)為12位轉(zhuǎn)換，低8位存入36h單元，高8位存入35h單元（35h單元的高5位均為符號(hào)位，所以判斷符號(hào)只需判斷低12位數(shù)據(jù)的最高位即可）。1表示為零度以下，0表示零度以上，實(shí)際有效位為11位。5.系統(tǒng)調(diào)試5.1測(cè)試環(huán)境 環(huán)境溫度為：23測(cè)試儀器： 標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)、加熱工具（此處選用燒熱的電烙鐵）、制冷工具（此處選用冰塊）5.2測(cè)量方法1.系統(tǒng)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度。我們將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和溫度控制系統(tǒng)的探頭放在一起，選定若干不同溫度點(diǎn)，記錄下標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的溫度和溫度控制系統(tǒng)測(cè)量顯示的溫度進(jìn)行比較。2

39、.設(shè)定開啟加熱溫度，改變環(huán)境溫度，驗(yàn)證檢測(cè)到的溫度高于設(shè)定溫度時(shí)是否停止加熱，檢測(cè)到的溫度小于設(shè)定溫度時(shí)是否啟動(dòng)加熱。5.3測(cè)試結(jié)果1.本系統(tǒng)測(cè)量顯示溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)量溫度對(duì)比如表6所示。表6 溫度測(cè)量準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)量溫度（）本系統(tǒng)測(cè)量顯示溫度（）232530404560232530404560根據(jù)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測(cè)量并顯示環(huán)境溫度。2.設(shè)定不同的開啟加熱溫度，改變環(huán)境溫度，系統(tǒng)工作情況如表7所示。表7 系統(tǒng)加熱測(cè)量設(shè)定溫度（）環(huán)境溫度（）發(fā)光二極管（亮/滅）15151525252525404040401015302024253030394050亮滅滅亮亮滅亮亮亮

40、滅滅發(fā)光二極管亮表示啟動(dòng)加熱，滅表示停止加熱。根據(jù)表7可知，系統(tǒng)可以自由設(shè)定不同的加熱溫度，溫度設(shè)定當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)加熱，當(dāng)環(huán)境溫度高于或等于設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)停止加熱。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)溫度設(shè)定范圍為0120，最小區(qū)分度為1，溫度控制的誤差1；能夠測(cè)量并用數(shù)碼管顯示當(dāng)前實(shí)際溫度值；通過復(fù)位鍵可以使系統(tǒng)設(shè)定溫度還原默認(rèn)值，通過加一鍵和減一鍵可以以1步進(jìn)設(shè)置預(yù)定溫度；環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，啟動(dòng)加熱，紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，環(huán)境溫度高于或等于設(shè)定溫度時(shí)，停止加熱，紅色發(fā)光二極管滅。達(dá)到了課題要求的技術(shù)指標(biāo)。結(jié)論本文詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)at89s51的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)。

41、系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)控制模塊，顯示模塊和溫度設(shè)置模塊，驅(qū)動(dòng)電路五個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。完成了課題既定的任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：.采用智能溫度傳感器ds18b20采集溫度數(shù)據(jù)，簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，溫度采集數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)；.at89s51單片機(jī)的采用，有利于功能擴(kuò)展；.電路設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)可靠性和安全性。本系統(tǒng)沒有增加外部存儲(chǔ)器，設(shè)定溫度不能保存，斷電復(fù)位后必須重新設(shè)置溫度；采用靜態(tài)顯示方式，從而使用了較多的驅(qū)動(dòng)芯片，增加了硬件電路的復(fù)雜性；只使用兩位顯示，即顯示溫度的十位、個(gè)位，沒有充分發(fā)揮ds18b20的特性。本課題軟件和硬件相結(jié)合，有相當(dāng)

42、大的難度，同時(shí)也有很大的實(shí)用性。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我的理論和實(shí)踐水平都有了較大的提高。在本課題的設(shè)計(jì)中，我熟練掌握了單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)和接口技術(shù)，同時(shí)對(duì)溫度傳感器的原理及應(yīng)用有了一定的了解，掌握了各種控制電路及其相關(guān)元器件的使用。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不僅學(xué)會(huì)如何將所學(xué)專業(yè)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生活中，還學(xué)會(huì)如何克服未知的困難，解決難題的方法。參考文獻(xiàn)1 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)m. 北京:高等教育出版社,20062 張齊，杜群貴.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)m.北京：電子工業(yè)出版社，20073 中國機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì) 組編.單片機(jī)原理與應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社.20014 楊金巖等.8051單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸

43、接口擴(kuò)展技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例m北京：人民郵電出版社，20055 求是科技單片機(jī)通信技術(shù)與工程實(shí)踐m北京：人民郵電出版社，20056 7 楊金巖等.8051單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口擴(kuò)展技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例m北京：人民郵電出版社，20058 郭永貞主編 數(shù)字電子技術(shù)m 西安電子科技大學(xué)出版社 20009 李廣弟 單片機(jī)基礎(chǔ)m,北京：北京航空航天大學(xué)出版社,200110 張洪潤 電子線路與電子技術(shù)m.清華大學(xué)出版社m，200511 張齊，杜群貴 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)m.電子工業(yè)出版社，200412 13 致 謝四年的本科學(xué)習(xí)生涯即將結(jié)束,在本人做畢業(yè)設(shè)計(jì)中，得到了我的導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和無私幫助。他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和謙和

44、的為人給我留下了深刻的印象。雖然老師公務(wù)繁忙，教學(xué)任務(wù)重，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料到設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)物制作等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。在課題實(shí)施階段，感謝實(shí)驗(yàn)室的老師對(duì)我的幫助和實(shí)驗(yàn)器材、場(chǎng)地的支持。其次要感謝大學(xué)四年來所有的授課老師，為我們打下電子專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。最后我要深深地感謝我的家人，正是他們含辛茹苦地把我養(yǎng)育成人，在生活和學(xué)習(xí)上給予我無盡的愛、理解和支持，才使我時(shí)刻充滿信心和勇氣，克服成長路上的種種困難，順利的完成大學(xué)學(xué)習(xí)。還有許許多多給予我學(xué)業(yè)上鼓勵(lì)

45、和幫助的師長、朋友，在此無法一一列舉，在此也表示忠心地感謝！大學(xué)生活的結(jié)束，也是我人生新的生活起點(diǎn)，我將謹(jǐn)記老師們的教誨，將自己的所學(xué)奉獻(xiàn)給社會(huì)。附錄附錄1 系統(tǒng)總原理圖rst9p3.0/rxd10p3.1/txd11p3.4/t014xtal218xtal119gnd20vcc40ea31p0.039p0.138p0.237u1s51r388.2kr3751c510ufs2sw-pb+5vgnd1out2vcc3s1ds18b20+5vc630pc730py112m+5vr302kr312kr391kr322ks3decs4add+5vq1c945p0.2p0.2+5v13254q2jdqq

46、a3qb4qc5qd6qe10qf11qg12qh13a1b2clk8clr9gnd7vcc14c174ls164qa3qb4qc5qd6qe10qf11qg12qh13a1b2clk8clr9gnd7vcc14c274ls164abfcgdedpy76421910abcdefg5dpdp3led3abfcgdedpy76421910abcdefg5dpdp3led2abfcgdedpy76421910abcdefg5dpdp3led4abfcgdedpy76421910abcdefg5dpdp3led1qa3qb4qc5qd6qe10qf11qg12qh13a1b2clk8clr9gnd7v

47、cc14c374ls164qa3qb4qc5qd6qe10qf11qg12qh13a1b2clk8clr9gnd7vcc14c474ls164r1r3r2r4r5r6r7r33220*8r8r9r10r11r12r13r14r34220*8r15r16r17r18r19r20r21r35220*8r22r23r24r25r26r27r28r36220*8r292k+5v+5v+5v+5v+5v+5vd1diode12j1con2+5vrxdrxdtxdtxd附錄2 系統(tǒng)pcb圖附錄3 源程序清單/.主程序及初始化程序/key_addbitp0.0key_decbitp0.1outputbitp0.2org0000hljmpmainorg0100hmain:movsp,#60hmov4ah,#15 ；單片機(jī)復(fù)位后默認(rèn)設(shè)定溫度為15mov4bh,#0clroutputmaai:lcalltemper1lcalldisplaylcallkeysca