基于51單片機的溫度控制系統(tǒng)的設計

1、基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設計1. 設計要求要求設計一個溫度測量系統(tǒng)， 在超過限制值的時候能進行聲光報警。 具體設 計要求如下： 數(shù)碼管或液晶顯示屏顯示室內(nèi)當前的溫度； 在不超過最高溫度的情況下， 能夠通過按鍵設置想要的溫度并顯示； 設有四個 按鍵，分別是設置鍵、加 1 鍵、減 1 鍵和啟動 /復位鍵； DS18B20溫度采集； 超過設置值的C時發(fā)出超限報警，采用聲光報警，上限報警用紅燈指示，下 限報警用黃燈指示，正常用綠燈指示。2. 方案論證根據(jù)設計要求，本次設計是基于單片機的課程設計， 由于實現(xiàn)功能比擬簡單， 我們學習中接觸到的 51 系列單片機完全可以實現(xiàn)上述功能，因此可以選用 AT89C

2、51單片機。溫度采集直接可以用設計要求中所要求的DS18B20。報警和指示模塊中，可以選用 3 種不同顏色的 LED 燈作為指示燈，報警鳴笛采用蜂鳴 器。顯示模塊有兩種方案可供選擇。方案一：使用 LED 數(shù)碼管顯示采集溫度和設定溫度；方案二：使用 LCD 液晶顯示屏來顯示采集溫度和設定溫度。LED 數(shù)碼管結構簡單，使用方便，但在使用時，假設用動態(tài)顯示那么需要不斷 更改位選和段選信號， 且顯示時數(shù)碼管不斷閃動， 使人眼容易疲勞； 假設采用靜態(tài) 顯示那么又需要更多硬件支持。 LCD 顯示屏可識別性較好，背光亮度可調(diào)，而且 比 LED 數(shù)碼管顯示更多字符， 但是編程要求比 LED 數(shù)碼管要高。綜合考

3、慮之后， 我選用了 LCD 顯示屏作為溫度顯示器件，由于顯示字符多，在進行上下限警戒 值設定時同樣可以采集并顯示當前溫度， 可以直觀的看到實際溫度與警戒溫度的 比照。 LCD 顯示模塊可以選用 RT1602C。3. 硬件設計根據(jù)設計要求，硬件系統(tǒng)主要包含6個局部，即單片機時鐘電路、復位電路、 鍵盤接口模塊、溫度采集模塊、LCD顯示模塊、報警與指示模塊。其相互聯(lián)系 如下列圖1所示：圖2單片機內(nèi)部時鐘方式電路圖1硬件電路設計框圖3.1單片機時鐘電路形成單片機時鐘信號的方式有內(nèi)部 時鐘方式和外部時鐘方式。本次設計米用 內(nèi)部時鐘方式，如圖2所示。單片機內(nèi)部有一個用于構成振蕩器 的高增益反相放大器，引腳

4、XTAL1和圖3單片機按鍵復位電路XTAL2分別為此放大器的輸入端和輸出 端，其頻率X圍為1.212MHz，經(jīng)由片 外晶體振蕩器或陶瓷振蕩器與兩個匹配 電容一起形成了一個自激振蕩電路，為單片機提供時鐘源。時也為了系統(tǒng)調(diào)試方便，需要設計一個復位電路單片機的復位電路有上電復位和按鍵復位兩種形式， 因為本次設計要求需要 有啟動/復位鍵，因此本次設計采用按鍵復位，如圖3。復位電路主要完成系統(tǒng)的 上電復位和系統(tǒng)在運行時用戶的按鍵復位功能。3.3鍵盤接口模塊本次設計需要的按鍵有4個，除去 一個復位按鍵外，還有3個功能按鍵， 因此選擇獨立式鍵盤。如圖 4，將鍵盤 直接與單片機P1 口的P1.0、P1.1、P

5、1.2 相連。3個鍵設計思路如下：當按下S1 鍵時，系統(tǒng)進入上下限警戒值調(diào)整狀 態(tài)；當?shù)谝淮伟聪耂1鍵時，進行上限 警戒值設定，當?shù)诙伟聪?S1鍵時， 進行下限警戒值設定，當?shù)谌伟聪?S1鍵時，回到正常工作狀態(tài)。在警戒值調(diào) 整狀態(tài)下，按下S2鍵，上下限警戒值加1,按下S3鍵，上下限警戒值減1,正 常工作狀態(tài)下，按下S2和S3鍵無作用。GND三1o aS2oS33457P10 P11P12卩口P14圖4鍵盤接口模塊3.4溫度采集模塊本次設計中的溫度傳感器使用的是 DALLAS公司的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20,這是一種常用的溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力 強、精度高的特

6、點。DS18B20采用獨特的一線接口，具有只需要一條口線通信多點的能力，簡化了分布式溫度傳感應用，無需外部元件?？捎脭?shù)據(jù)總線供電，電壓X圍為3.0V至5.5V，測量溫度的X圍為-55C至+125 C,在-10C至+85CX圍內(nèi)精度為 )5C。溫度傳感器可編程的分辨率為912位，溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為 750毫秒，用戶可定義的非易失性溫度報警設置，應用X圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費電子產(chǎn)品溫度計、或任何熱敏感系統(tǒng)。由于DS18B20是一條口線通信,所以中央微處理器與DS18B20只有一個一條口線連接。因為每一個DS18B20 的包含一個獨特的序號，多個 DS18B20可以同時存在于一

7、條總線，這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控制，感測建筑物 內(nèi)溫設備或機器，并進行過程監(jiān)測和控制。DALLAS DSW20DS IKB20 To-yiNC LU NG ! vM czn dq m功能GND接地數(shù)將輸入/輸出，對于單線操 作：漏極開路。當工作在寄生 電源模式時用來提供電源。VDD可選的VDD弓IH1。工作于寄 生電源按式時VDD必須接地心B NC 7 II NC6 | I NC 5 hl 1 GhlD圖6 DS18B20外部電源連接方式圖5 DS18B20封裝與引腳DS18B20的核心功能是它的直接讀數(shù)字的溫度傳感器。溫度傳感器的精度為用戶可編程的9

8、、10、11或12位，分別以05C, 0.25C, 0.125C和0.0625C 增量遞增。在上電狀態(tài)下默認的精度為 12位。DS18B20啟動后保持低功耗等待 狀態(tài)；當需要執(zhí)行溫度測量和 AD轉(zhuǎn)換時，總線控制器必須發(fā)出44h命令。在 那之后，產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)以兩個字節(jié)的形式被存儲到高速暫存器的溫度存放器 中，DS18B20繼續(xù)保持等待狀態(tài)。當DS18B20由外部電源供電時，總線控制器 在溫度轉(zhuǎn)換指令之后發(fā)起“讀時序 ，DS18B20正在溫度轉(zhuǎn)換中返回0,轉(zhuǎn)換結 束返回1。如果DS18B20由寄生電源供電，除非在進入溫度轉(zhuǎn)換時總線被一個 強上拉拉高，否那么將不會由返回值。在硬件上，DS18B20

9、與單片機的連接有兩種方法：一種是VDD接外部電源， GND接地，DQ與單片機的I/O 口相連；另一種是用寄生電源供電，此時，VDD、 GND接地，DQ接單片機的I/O 口。無論 是接外部電源還是用內(nèi)部寄生電源，I/O口線要接5kQ左右的上拉電阻。本次設計中，采用外部電源方式，其連接方式如圖6所示。單總線DQ端接單 片機的P1.7 口，DQ端接一個4.7k Q的上 拉電阻，這樣單總線DQ在閑置狀態(tài)時為 高電平。3.5LCD顯示模塊在本次設計中，使用 RT1602C字符型液晶顯示模塊(LCM)來設計當前溫度 和上下限警戒值的顯示電路。RT1602C字符型液晶顯示模塊是16字X 2行的采用5X 7點

10、陣圖形來顯示字 符的液晶顯示器，采用標準的16腳接口，其引腳定義如圖7所示。引腳號引腳名說明引腳號引腳名說明1GND/V ss電源地7D08位雙向數(shù)據(jù)線2Vdd+5V電源8D13Vl液晶顯示偏壓信號9D24RS數(shù)據(jù)/命令控制，H/L10D35R/W讀/寫控制，H/L11D46E使能端12D515BLA背光源正極13D616BLK背光源負極14D7圖7 RT1602C的引腳定義RT1602C的內(nèi)部結構可以分為3個局部：LCD控制器、LCD驅(qū)動器、LCD顯示器，其中LCD控制器采用的是HD44780。RT1602C與單片機的連線如圖8所示。圖8RT1602C與單片機連線LCM的數(shù)據(jù)總線與單片機的P

11、0 口通過一個上拉電阻排相連，LCM的三條 控制線RS、RW、EN分別與單片機的I/O 口 P2.0 P2.1、P2.2相連，第1、2引 腳分別與地、電源相連，第3引腳使用一個10kQ的可調(diào)電阻對顯示屏的明亮進 行調(diào)整。3.6報警與指示模塊在本次設計中，采用 LED發(fā)光二極管作為系統(tǒng)指 示燈，采用蜂鳴器作為報警 鳴笛。當溫度高于上限警戒 值時，點亮紅色發(fā)光二極管， 蜂鳴器發(fā)出響聲；當溫度低 于下限警戒值時，點亮黃色 發(fā)光二極管，蜂鳴器發(fā)出響聲；溫度在正常X圍內(nèi)時，圖9報警與指示模塊點亮黃色發(fā)光二極管。整個報警與指示電路如圖 9所示，其中綠、紅、黃色指示 燈分別接單片機P2.0、P2.1、P2.

12、2 口，電平拉低時點亮 LED，蜂鳴器電路接單 片機的P2.7 口，電平拉高時蜂鳴器響。至此便完成了整個硬件電路的設計工作，整個系統(tǒng)的原理圖見附錄二，系統(tǒng)I/O分配表如下：I/O 口功能說明I/O 口功能說明P0.0P0.7LCM數(shù)據(jù)口P2.1LCM讀/寫控制P1.0P1.3鍵盤輸入P2.2LCM使能P1.7DS18B20溫度米集P2.4P2.6LED信號輸出P2.0LCM數(shù)據(jù)/命令控制P2.7報警信號輸出4軟件設計單片機應用系統(tǒng)的設計中，軟件設計占有重要的位置。在本次設計中，根據(jù) 功能要求，可以把系統(tǒng)程序劃分為5個模塊，即主程序模塊、顯示模塊、溫度測 量模塊、鍵盤掃描模塊、其它子程序模塊，如

13、圖 10所示。圖10軟件設計框圖4.1主程序設計主程序的內(nèi)容包括單片機初始化、相關部件初始化和一些其它子程序的調(diào)用等。主程序清單如下，程序流程圖如圖11所示主程序開始初始化單片機/LCD初始化初始化顯示模塊1r鍵盤掃描讀取溫度J1顯示字形轉(zhuǎn)換顯示初始化溫度傳感器圖11主程序流程圖void ma in (void)P仁 Oxff;P2|=0x70;P2&=0x7f;Temp_set 仁90;Temp_set2=10;Delay(500); ini t_LCD();in it_18B20();Display_str(0,0,str2);Display_str(0,1,str2);Delay(200

14、0);/初始化P1 口以便讀入/上限報警溫度初值90/下限報警溫度初值10/延時500ms啟動/DS18B20初始化/開機界面/開機界面Display_str(0,0,str0);Display_str(0,1,str1);while(1)Key_sca n();/掃描鍵盤Read_temp();讀取溫度Cha nge();Display();/顯示Alarm();/指示燈與報警程序Delay(1000);4.2顯示模塊顯示程序主要完成的功能是模式、上下限警戒值和測量溫度值的顯示，模塊 中包含LCD初始化、顯示單個字符子函數(shù)、顯示一個字符串子函數(shù)。程序流程 圖如圖12所示，LCD初始化程序如下

15、，其它子函數(shù)程序詳見附錄一。*LCD初始化void ini t_LCD(void)P0=0;Delay(15);LCD_Comma nd(0x38,0);Delay(5);LCD_Comma nd(0x38,0);Delay(5);LCD_Comma nd(0x38,0);圖12顯示程序流程圖Delay(5);LCD_Command(0x38,1); 8位數(shù)據(jù)傳送，2行顯示，5*7字形LCD_Comma nd(0x08,1); / 關閉顯示LCD_Comma nd(OxO1,1); / 清屏LCD_Comma nd(0x06,1); /顯示光標右移設置LCD_Comma nd(0x0c,1);

16、 /顯示屏翻開，光標不顯示不閃爍 4.3溫度測量模塊溫度測量程序主要功能是讀出數(shù)字溫度傳感器的溫度值。要正確地讀出溫度值必須嚴格遵守單總線器件的命令序列，否那么單總線器件不會響應主機。單總線器件 的命令序列如圖13所示。溫度測量模塊程序流程圖如圖14所示，DS18B20初始化程序如下，其它子程序詳見附錄DS18B20初始化*/圖14溫度測量程序流程圖圖13單總線命令序列void in it_18B20(void) uchar x=0;DQ=1;/DQ 復位Delay_us(4);延時DQ=0;/將DQ拉低Delay_us(250);精確延時大于 480usDQ=1;/拉高總線Delay_us(

17、40);x=DQ;Delay_us(20);4.4鍵盤掃描模塊本次設計中使用了 4個按鍵，除了 1個復位鍵還有3個功能鍵，具體功能前 面已介紹。鍵盤掃描程序如下，其它子程序詳見附錄一，相關流程圖如圖 15所 示。鍵盤掃描void Key_sca n(v oid)uchar temp;P仁 Oxff;if(P1!=Oxff)Delay(20); /延時消抖if(P1!=0xff)temp=P1;switch(temp) case 0xfe:Key_set();break;/P1.0按下，功能選擇case 0xfd:Key_i nc();break;/P1.1按下，數(shù)字加一case 0xfb:Ke

18、y_dec();break;圖15鍵盤掃描程序流程圖default:break;/P1.2按下，數(shù)字減一4.5其它子程序程序中使用的其它子程序，包括延時子程序、顯示字符轉(zhuǎn)換子程序等，具體 詳見附錄一。5. 仿真分析在本次的設計中，使用了 Proteus仿真軟件進行了功能測試，具體仿真步驟 與分析如下。(1)按照原理圖，從Proteus元件庫中找出對應元件，搭建硬件仿真電路，將程序 燒寫到單片機中，仿真圖見附錄三。(2)點擊運行按鈕開始仿真，初始上下限值為90C和10C，當前溫度為25C，當前模式為N正常工作，綠燈亮，蜂鳴器不響，如圖 16iPbrn * 謁lPl j!ku WAl rn su-

19、nr l-l鼻卄pg* 肝“A#中眸“曲砂ra fst 沖鼻ThFi tJJTT hfc w Ml 內(nèi) rgviri z、Hihr$0C LOWT IOC nodfreh D：25CRF1圖16正常模式下仿真圖也色邨H按下S1鍵，進入上限警戒值設置模式 H，此時按S2、S3鍵可以進行上限值圖17上限值設定仿真圖設定，同時溫度正常顯示，設置上限值 80C,如圖17(4)再次按下S1鍵，進入下限警戒值設置模式 L,此時按S2、S3鍵可以進行下限值設定，同時溫度正常顯示，設置下限值20C，如圖18J 1 - 1 J S-T.p d H “口氣 X* T 夢需幫 :f;smDiLEEELLOW圖18下

20、限值設定仿真圖(5)再次按下S1鍵，返回正常模式N，調(diào)節(jié)DS18B20溫度，測量溫度隨之改變,降低溫度，超過下限值5C以下時，黃燈亮，蜂鳴器報警，如圖 19。巧F 3 J JFTI d J mlr7 ! 宀 III id* PS rj iri圖19下限報警仿真圖(6)升高溫度，超過上限值5C以上時，黃燈亮，蜂鳴器報警，如圖20。圖20上限報警仿真圖(7)按下 S4 鍵，單片機復位。在本次仿真中， 可以看出， 本次設計的硬件電路和軟件程序均能成功仿真出 來，設計要求的各種功能均已到達。6. 總結本次課程設計為期一周， 到此已全部結束。 回想一周中的設計過程， 我深深 感覺收獲良多。 由于從前只是

21、在理論上學習了單片機以與各種其它知識， 即使是 實驗也只是按照實驗指導書進行操作， 并沒有實際的獨立設計一個系統(tǒng)， 因此在 剛開始接觸本次課程設計時，有一點無從下手的感覺。后來通過查閱相關資料， 漸漸開始了解課程設計的一般過程， 開始明白一些元器件的相關作用與編程實現(xiàn) 方法，并在此期間通過不斷深入的學習和鍛煉， 開始漸漸能熟練運用和熟練編程 起來。通過本次計算機控制技術的課程設計， 我更深層次的把理論知識和實際設計 結合在一起，鍛煉了我的綜合運用所學的專業(yè)根底知識和解決實際工程問題的能 力。同時也提升了我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī) X 以與電腦制圖等其他 知識能力水平。 對各種系統(tǒng)的適用條

22、件， 各種設備的選用標準， 各種管道的安裝 方式，我都是隨著設計的不斷深入而逐漸熟悉并學會應用的。 并且，通過對整體 的掌控，對局部的取舍， 對細節(jié)的斟酌處理， 以與繪圖的技巧都使我在設計領域 的能力得到了鍛煉，得到了較豐富經(jīng)驗。 最后，通過這次的課程設計，我也深 刻地認識到， 只有將書本與具體的實踐相結合， 才會有真正的收獲， 才能穩(wěn)固自 己的所學， 認識到自己的缺乏， 同時我們也要有一種積極學習的態(tài)度， 時代在進 步我們也要跟著時代前進， 要不斷學習， 不斷創(chuàng)新， 用自己的知識與行動來證明 自己的價值。本次課程設計以單片機為核心，介紹了用 DS18B20 溫度傳感器進行溫度采 集，并將其傳

23、輸給AT89C51單片機進行處理再送到LCD顯示屏顯示。在此期間 可以通過按鍵進行上下限警戒值設置，通過 LED 和蜂鳴器進行指示和報警。本 文是采用模塊化的方式進行表達， 對各模塊的設計進行了比擬詳細地闡述， 并著 重分析硬件搭建過程和系統(tǒng)軟件的設計過程，使用單片機 C 語言進行程序沒計。 本次設計的基于 DS18B20 的溫度測量系統(tǒng)是一個分布式的溫度測量系統(tǒng)，它可 以遠程對溫度實現(xiàn)測量和監(jiān)控，廣泛應用于電力工業(yè)、煤礦、森林、火災、高層 建筑等場合。本設計應用性比擬強，可以應用在倉庫溫度、大棚溫度、機房溫度、水池等 的監(jiān)控。當然，本次設計還存在一些缺乏，例如在本次設計中，由于時間較短， 警

24、戒值只是在199C之間，沒有能夠擴展到負溫度和100C以上；在本次設計中 只是用了 4 個獨立按鍵， 實現(xiàn)簡單的上下限警戒值設定， 操作較麻煩， 如果能夠 設計出多按鍵的矩陣式鍵盤， 那么能夠?qū)囟冗M行很方便的設定。 此外如果把本設 計方案擴展為多點溫度控制， 加上上位機， 那么可以實現(xiàn)遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)， 將具 有更大的應用價值。7. 參考文獻1 潘新民，王燕芳 . 微型計算機控制技術 M. ：電子工業(yè)， 20212 王迎旭 . 單片機原理與應用 M. ：機械工業(yè)， 20213 康華光 . 電子技術根底 M. ：高等教育， 20214 周正華，唐寧 RT1602C 與 FPGA 接口技術 J.

25、 中國科技信息， 2021(10) 廖琪梅，韓彬等基于DS18B20的溫度測量儀J.國外電子元器件，2021(2)附錄一：程序清單 #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define BUSY 0x80 void Delay(uint); void init_LCD(void); void LCD_Command(uchar,uchar); void LCD_Data(uchar); void ReadyLCD(void); void Display_char(ucha

26、r,uchar,uchar); void Display_str(uchar,uchar,uchar code *Data); void Change(void); void Display(void); void init_18B20(void); uchar Read_18B20(void); void Write_18B20(uchar); void Read_temp(void); void Delay_us(uchar i); void Key_scan(void); void Key_set(void); void Key_inc(void); void Key_dec(void)

27、; void Alarm(void);sbit LCD_RS=P2P;sbit LCD_RW=P2M;sbit LCD_EN=P2A2;sbit DQ=P1A7;sbit Normal=P2A4;sbit Alarm_H=P2A5;sbit Alarm_L=P2A6;sbit Alarm_BEEP=P2A7;uchar Set_flag=0;uchar Temp_mea,Temp_set1,Temp_set2;uchar Temp_high_1,Temp_high_2;uchar Temp_low_1,Temp_low_2;uchar Temp_true_1,Temp_true_2;exter

28、n uchar code str0=High: C Low: C; extern uchar code str1=Mode:Deg: C;extern uchar code str2= Hellow! ; extern uchar code str3=0123456789; extern uchar code mode=NHL;主程序/ 上限報警溫度初值 90/ 下限報警溫度初值 10/ 延時 500ms 啟動void main(void)P1=0xff;P2|=0x70;P2&=0x7f;Temp_set1=90;Temp_set2=10;Delay(500);init_LCD();/LCD

29、 初始化init_18B20();/DS18B20 初始化Display_str(0,0,str2);/ 開機界面Display_str(0,1,str2);/ 開機界面Delay(2000);Display_str(0,0,str0);Display_str(0,1,str1);while(1)延時 kmsKey_scan();/ 掃描鍵盤Read_temp();/ 讀取溫度Change();Display();/ 顯示Alarm();/ 指示燈與報警程序Delay(1000);void Delay(uint k)uint i,j;for(i=0;ik;i+)for(j=0;j60;j+)*

30、顯示模塊*LCD初始化void init_LCD(void)P0=0;Delay(15);LCD_Command(0x38,0);Delay(5);LCD_Command(0x38,0);Delay(5);LCD_Command(0x38,0);Delay(5);LCD_Command(0x38,1); /8 位數(shù)據(jù)傳送， 2 行顯示， 5*7 字形LCD_Command(0x08,1); / 關閉顯示LCD_Command(0x01,1); / 清屏LCD_Command(0x06,1); / 顯示光標右移設置LCD_Command(0x0c,1); / 顯示屏翻開，光標不顯示不閃爍寫指令數(shù)

31、據(jù)到 LCD*/void LCD_Command(uchar LC,uchar BC) if(BC) ReadyLCD();P0=LC;LCD_RS=0; / 選中指令存放器LCD_RW=0; / 寫模式LCD_EN=1;_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EN=0;寫顯示數(shù)據(jù)到 LCD*/void LCD_Data(uchar LD)ReadyLCD();P0=LD;LCD_RS=1; / 選中數(shù)據(jù)存放器LCD_RW=0; / 寫模式LCD_EN=1;_nop_();_nop_();_nop_();LCD_EN=0;檢測LCD忙狀態(tài)*/void ReadyLCD(void

32、)P0=0xff;LCD_EN=1;LCD_RS=0;LCD_RW=1;_nop_();while(P0&BUSY)LCD_EN=0;_nop_();_nop_();LCD_EN=1;_nop_(); _nop_();LCD_EN=0;顯示個字符*/void Display_char(uchar X,uchar Y,uchar Data) Y&=0x01;X&=0x0f;if(Y) X|=0x40;X|=0x80;LCD_Command(X,0); LCD_Data(Data);顯示一串字符 */void Display_str(uchar X,uchar Y,uchar code *Data) uchar List=0;Y&=0x01;X&=0x0f; while(X0;i-)DQ=0;_nop_();dat=1;DQ=1;Delay_us(1);if(DQ) dat|=0x80;Delay_us(10);return(dat);/*