恒温控制系统设计

课程设计 第 II 页 恒温控制系统设计 摘 要 本设计基于AT89C51和DB18B20来实现温度控制器的制作，它以89C51单片机为核心，配以DS18B20(数字温度传感器)，LED灯（模拟对温度的控制系统），数码管来作为实时问的的显示。系统的设计思路比较简单，且易于实施。在硬件设计方面，由AT89C51、DS18B20(数字温度传感器)、数码管，小风扇，金属膜电阻构成的电路，在软件方面，以单片机和DS18B20数字温度传感器为中心，详细的阐述了系软件设计的思想，主图以及相应电路模块的流程图。 关键词：DS18B20传感器,AT89C51,温度处理，程序 目录 11 绪论 22 相关芯片的介绍 22.1 AT89C51芯片 32.2 DS18B20数字温度传感器 32.2.1 DS18B20的基本介绍 42.2.2 DS18B20指令以及读写 63 硬件电路设计 63.1主控制电路设计 73.2外围接口电路 84 软件系统软件设计 84.1软件系统设计 84.2 程序组成 114.3 总程序 185 实时仿真 21总结 22致谢 23参考文献 1 绪论 随着电子技术，特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展，人类生活发生了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、高可靠性、高性能价格比、开发较为容易，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走人家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。本课题研究的内容就是以单片机为主要控制元件，通过温度传感器，实现对温度的测量，并通过数码管直接显示所测温度。 由于使用模拟温度传感器来读取温度的话操作比较麻烦，因此本课程设计恒温控制系统是由数字温度传感器、单片机系统、温度显示系统、温控电路构成。其基本工作原理：单片机通过程序处理和数字温度传感器进行通讯，从而读取其中的温度，然后同过程序处理实现数码管的控制显示出当前的温度，当温度超出所要求的温度范围后，通过程序处理实现单片机对温控电路的控制，当温度达到要求的范围之后停止温控电路的工作，从而实现恒温控制。基本工作原理框图如图1所示。 图1 电路整体框图 2 相关芯片的介绍 2.1 AT89C51芯片 AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大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。AT89C51引脚图如图2所示。 图2 AT89C51引脚图 AT89C51的功能特性 AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个十六位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 2.2 DS18B20数字温度传感器 2.2.1 DS18B20的基本介绍 数字化温度传感器DS18B20芯片是世界上第一片采用单总线方式的温度传感器。如图2为芯片的外形图和引脚图。图中显示了该芯片的两种封装形式，SOIC为小外形集成电路封装，另一种为三极管外形封装。 图 2 DS18B20芯片外形及引脚 该芯片测量物体的温度，并在单总线上传送测量数据。和传统的模拟信号测量方式相比，它提高了抗御干扰的能力，适用于环境控制、设备控制、过程控制以及测温类消费电子产品等领域。 1）三极管外形封装的DS18B20，外形如同一只小功率三极管，其引脚定义是： 1、GND 接地 2、DQ 单总线接口 3、VDD 电源 2） DS18B20芯片的主要特点 工作电压3.0V～5.5V 温度测量范围 -55°C～125°C 在－10°C～ +85°C范围内，测量精度为±0.5°C。 待机状态下无功率消耗。 可编程分辨率9～12位，每位分别代表0.5°C、0.25°C、0.125°C和0.0625°C。 温度测量时间200ms。 温度传感器是芯片的核心部分，它连续地对物体温度进行测量，并连续地将新测量结果存放在高速暂存器RAM中，存放形式如表1： 表1 温度传感器的温度表 低字节（LS Byte） Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 23 22 21 2 0 2 -1 2 -2 2 -3 2 -4 高字节（MS Byte） Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 S S S S S 26 25 2 4 测量温度值被放在两个字节中，高字节的高5位是符号位，代表一位符号。若这5位均为“0”，表示符号为正，测量温度为正值；若这5位均为“1”，则表示符号为负，测量的温度为负值。高字节的低3位和低字节的8位，共11位，是测量的数值部分。测量值为正时，将数值乘以0.0625即可得到实际测量温度数；测量值为负时，将数值其变补再乘以0.0625即可得到实际测量温度的绝对值。比如温度+125°C对应的转换数字为07D0H，温度－55°C对应的转换数字为FC90H。 2.2.2 DS18B20指令以及读写 1）DS18B20的ROM指令和RAM指令 ROM指令用来确认DS18B20的身份，即在众多的单总线芯片或多个DS18B20中指定某一个芯片作为操作对象。确定的基本方式是核对各芯片的64位的序列号代码，该过程比较复杂，需要若干条ROM指令的配合；在仅用1个DS18B20芯片的场合，只需用“跳过”指令（CCH），就可省略确认身份的过程。 DS18B20的RAM指令见表2。RAM指令用来对已经确认身份、被指定为操作对象的DS18B20芯片进行具体的读写操作。 表2 DS18B20的RAM指令 指令 代 码 功 能 温度变换 44H 启动温度转换，12位转换时最长为750ms。 结果存入内部9字节RAM中 指令 代 码 功 能 读暂存器 BEH 读DS18B20RAM中9字节内容 写暂存器 4EH 发出向内部RAM的2、3、4字节写上、下限温度数据和配置寄存器命令，紧跟该命令之后，是传送三字节的数据 复制暂存器 48H 将RAM中2、3字节的内容复制到E2PROM中 重调E2PROM B8H 将E2PROM中内容恢复到RAM中的第2、3字节 读供电方式 B4H 读供电模式。寄生供电模式时发送“0”， 外接电源供电发“1” 2） DS18B20的读写操作过程 1、DS18B20的初始化： （1） 先将数据线置高电平“1”。（2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）（3） 数据线拉到低电平“0”。（4） 延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。（5） 数据线拉到高电平“1”。（6） 延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。（7） 若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。（8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。 2、DS18B20的写操作： （1） 数据线先置低电平“0”。（2） 延时确定的时间为15微秒。（3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。（4） 延时时间为45微秒。（5） 将数据线拉到高电平。（6） 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。（7） 最后将数据线拉高。 3、DS18B20的读操作： （1）将数据线拉高“1”。（2）延时2微秒（3）将数据线拉低“0”。（4）延时15微秒。（5）将数据线拉高“1”。（6）延时15微秒。（7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。（8）延时30微秒。 根据DS18B20的通讯，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行 复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后 释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。 3 硬件电路设计 3.1主控制电路设计 由于本系统是利用AT89C51单片机设计的，因此，首先应该构建以51单片机为核心的最小系统，然后在此最小系统的基础上进行扩展外围接口从而实现不同功能的控制。 单片机的最基本的电路，由复位电路（RST）和晶振电路（为系统工作提供时钟脉冲）两部分组成，电路图如图3所示。 图3 单片机最基本电路 通过此最基本电路可以在外围加上显示电路、和温控电路以及DS18B20的温度读取电路再加上程序的控制就可以工程一个恒温控制系统。 3.2外围接口电路 1、DS18B20电路 这个芯片是单总线设计模式，因此电路的连接非常简单，仅仅有数据口DQ和单片机的P1.1口相连接，然后就是电源线和地线，如下图所示： 图4 DS18B20电路 2、数码管显示电路 图5 数码显示电路 数码显示电路（共阳数码管）是单片机的P2、P3口来控制的。P2口接的是数码管的段选地址，用以显示不同的数字；P3口接的是数码管的为选，用不同的位选以控制不同的数码管的显示情况。 3、温度控制电路 图6 温度控制电路 温度控制电路是由单片机的P1口输出高低电平控制三极管Q1的导通与不导通来控制继电器开关的闭合情况，这里用两个发光二极管作为温度控制的模拟实现温度的控制。 4 软件系统软件设计 4.1软件系统设计 一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用与C51系列单片机相对应的C51语言和结构化程序设计方法进行软件编程。 本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序（初始化子程序、写程序和读程序）。 4.2 程序组成 系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，写入子程序，门限调节子程序等。 1）主程序 主程序的主要功能是负责对DS18B20传感器测量温度的读取，然后再通过C51的程序对读出的温度进行转化处理，最后在对温度的要求对环境进行控制并通过显示设备显示出来。温度的读取显示与控制要相隔相当短的时间重复操作，以实现对温度的准确控制。 通过调用读温度子程序把从温度传感器中读出的整数部分与小数部分存放在一个字符串中，然后通过调用显示子程序显示出来，主程序的流程图如下图7所示。 图7 主程序流程图 2）读出温度子程序 读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写，程序流程图如图8所示。 DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有16位数，小数4位，整数7位，还有5位符号位，具体的参数见DS18B20温度传感器的介绍（表1）。 图8 读出温度子程序流程图 3)温度处理并显示程序 由于单片机从DS18B20中读取道德温度是两个字节的数据，在这两个字节的数据中高字节的8为数据中，高5位数据代表着符号位，当这5位全部为1时，表示这时所读取的温度是负值；低3位和低字节中的8位数据分别代表着实时的温度，所以并不能直接将温度通过显示设备显示出来，而是需要通过相应的程序作为处理才能作为最终的温度显示出来如图8所示。 图8 温度处理并显示程序流程图 4.3 总程序 #include //包含单片机寄存器的头文件 #include //包含_nop_()函数定义的头文件 #include #include sbit DQ=P1^1; //定义数据口 sbit jdq=P1^0; //定义继电器控制口 sbit dot=P2^7; //定义显示小数点 unsigned char code xiaoshu[]={0xc0,0xc0,0xf9,0xf9,0xa4,0xb0,0xb0,0x99, 0x92,0x92,0x82,0xf8,0xf8,0x80,0x80,0x90}; char duan[4]={0,0,0,0}; //存放段控的数据 unsigned char code weikong[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20}; //存放数码管的位控数据 unsigned char code table[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e}; //数码管显示字符 int bai,shi,ge,flag=0,i; unsigned char temp; unsigned char TL; //储存暂存器的温度低位 unsigned char TH; //储存暂存器的温度高位 unsigned char TN; //储存温度的整数部分 unsigned int TD; //储存温度的小数部分 /*--------------------1ms的延时程序--------------------*/ void delay1ms() { unsigned char i,j; for(i=0;i<10;i++) for(j=0;j<33;j++); } /*--------------------带参数nms的延时程序------------------*/ void delaynms(int n) { unsigned char i; for(i=0;i>=1; _nop_(); //等待一个机器周期 DQ = 1; //将数据线"人为"拉高,为单片机检测DS18B20的输出电平作准备 for(time_DS18B20=0;time_DS18B20<3;time_DS18B20++); //延时约6us，使主机在15us内采样 if(DQ==1) dat|=0x80; //如果读到的数据是1，则将1存入dat else dat|=0x00;//如果读到的数据是0，则将0存入dat将单片机检测到的电平信号DQ存入r[i] for(time_DS18B20=0;time_DS18B20<8;time_DS18B20++);//延时3us,两个读时序之间必须有大于1us的恢复期 } return(dat); //返回读出的十进制数据 } /*--------------------写一个字节的程序---------------------- */ WriteOneChar(unsigned char dat) { unsigned char i=0; for (i=0; i<8; i++) { DQ =1; // 先将数据线拉高 _nop_(); //等待一个机器周期 DQ=0; //将数据线从高拉低时即启动写时序 DQ=dat&0x01; //利用与运算取出要写的某位二进制数据,并将其送到数据线上等待DS18B20采样 for(time_DS18B20=0;time_DS18B20<10;time_DS18B20++);//延时约30us，DS18B20在拉低后的约15~60us期间从数据线上采样 DQ=1; //释放数据线 for(time_DS18B20=0;time_DS18B20<1;time_DS18B20++) ;//延时3us,两个写时序间至少需要1us的恢复期 dat>>=1; //将dat中的各二进制位数据右移1位 } for(time_DS18B20=0;time_DS18B20<4;time_DS18B20++) ; //稍作延时,给硬件一点反应时间 } void ReadyReadTemp(void) { Init_DS18B20(); //将DS18B20初始化 WriteOneChar(0xCC); // 跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0x44); // 启动温度转换 for(time_DS18B20=0;time_DS18B20<100;time_DS18B20++); //温度转换需要一点时间 Init_DS18B20(); //将DS18B20初始化 WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器,前两个分别是温度的低位和高位 TL=ReadOneChar(); //先读的是温度值低位 TH=ReadOneChar(); //接着读的是温度值高位 } /*--------------------温度数据显示子程序---------------------- */ void display() { if(TH>=8) { TH=~TH; //当温度为负数时求负数的补码 TL=~TL; TL=TL+1; flag=1; //当温度为负值时标志置1 if(TL==0) TH+=1; } duan[0]=TL&0X0f; //保存小数部分的值 temp=(((TH<<4)&0x70)|(TL>>4)); //将高8位的低3位和低8位的高4位合并构成温度的整数部分 duan[3]=temp/100; //取百位 duan[2]=temp%100/10; //取十位 duan[1]=temp%10; //取个位 P2=xiaoshu[duan[0]];//显示小数部分 P3=0x01; delaynms(3); P3=0; if(duan[3]) //显示百位 { P3=weikong[3]; P2=table[duan[3]]; delaynms(3); P3=0; } if(duan[3]) //显示十位 { P3=weikong[2]; P2=table[duan[2]]; delaynms(3); P3=0; } else { if(duan[2]) //显示十位 { P3=weikong[2]; P2=table[duan[2]]; delaynms(3); P3=0; } } P3=weikong[1]; //显示个位 P2=table[duan[1]]; dot=0; //显示小数点 delaynms(3); P3=0; if(flag) //当温度为负数时显示符号位 { P2=0xbf; if(!duan[3]) { P3=0x08; if(!duan[2]) P3=0x04; } else { P3=0x10; } delaynms(1); P3=0; flag=0; } delaynms(25); //延时一段时间 } /*--------------------主程序---------------------- */ void main() { while(1) //不断检测并显示温度 { ReadyReadTemp(); //读温度准备 display(); if((temp<25)||(temp>35)) //如果温度超出范围继电器工作控制温度 { jdq=1; } else { jdq=0; } } } /*---------------------总程序结束------------------------*/ 5 实时仿真 通过硬件电路的设计之后，根据对系统的不同的要求实时设计出与要求相对应的软件程序，总体电路图如图8所示。 图9系统总体电路图 通过kell软件进行软件编写和编译，然后用protues绘制完电路图并把编译生成的xxx.hex文件添加到51单片机内，然后运行。 当温度在正常的温度范围之内时，绿灯D1处于常亮状态，运行的具体情况如图10所示。 图10 正常温度范围状态 当温度超出正常的温度状态时，用通过p1.0口控制继电器来控制D1、D2的工作状态，来模拟对温度的恒温控制，状态如图11所示 图11 超出正常温度的范围显示状态 总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识,来解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生动手能力的和理论相结合的过程，此次恒温控制系统的设计，是一次知识的综合应用，能够让我在系统设计的同时能够充分的应用所学的知识，用尽所能的投入其中。 同时，在这次恒温系统的设计过程当中，自己还是遇到了许多的问题，从中认识到了不足。因此，就以此激励自己要多看书，学习课本知识，同时平时还要多做一些系统性的电路系统设计，来巩固知识。通过遇到的这些问题，自己就主动用过这办法解决，这大大的提高了自己学习的主动性以及自学能力，巩固了自己所学的知识，对以后的工作有着很大的帮助。 致谢 虽说我在课程设计这段的日子中遇到了好多自己难以解决的问题和困难。但在这次的课程的设计中，从不知道和处下手到这次的课程设计的圆满的完成，都是在吕云朋和李文芳等老师细心地指导和督促下，在自己的同学热心的帮助下，通过自己的努力最终克服所有的难题和困难，在这次设计过程中，李老师和吕老师能够在百忙中抽出时间，不厌其烦的帮我帮我解决遇到的难题，对老师的关爱和帮助表示强烈的感谢，在理论的知识的整理中，通过吕老师指导更好的解决自己难以解决的地方，同时对我们的授课老师吕云朋老师表示感谢。首先，吕运朋老师一个学期以来认真授课并指导我们实验，帮我打下了坚实的理论基础。在课程设计中，也帮助我理清思路，拟定格式，使我能够按时完成这篇设计。可以说，没有吕老师和李老师的耐心辅导与帮助，我很难在规定时间内完成这样一篇论文。我向老师表示由衷的感谢！ 同时，在此期间，我从我的室友和同学得到了很多帮助，帮助我找资料，为我解决难题，并在我身后一直支持我，鼓励我不要放弃继续努力！我也要他们表示感谢 最后，再次感谢我所有的老师们和同学们，谢谢你们！ 参考文献 [1] 胡汉才．单片机原理与接口技术[M]．北京：清华大学出版社，1995.6． [2] 楼然苗等．51系列单片机设计实例[M]．北京：北京航空航天出版社，2003.3． [3] 何立民. 单片机高级教程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001． [4] 赵晓安. MCS-51单片机原理及应用[M]. 天津：天津大学出版社，2001.3． [5] 肖洪兵. 跟我学用单片机[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,2002.8． [6] 夏继强. 单片机实验与实践教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2001． [7]于凤明．单片机原理及接口技术[M]．北京：中国轻工业出版社．1998． 数码管显示 信号采集 温度显示 89C52 单片机 数字温 度传感器 温度控制 编写控制程序 用数字温度传感器进行温度的采集 用数字温度传感器进行温度的采集 用数字温度传感器进行温度的采集 用数字温度传感器进行温度的采集 用数字温度传感器进行温度的采集 用数字温度传感器进行温度的采集 启动温控 温控电路 处理程序 开始 调用读温度子程序 温度处理并显示 温度是否 超出规定范围 N Y/N Y 继电器工作 DS18B20复位、应答子程序 跳过ROM匹配命令 写入子程序 温度转换命令 写入子程序 显示子程序(延时) DS18B20复位、应答子程序 跳过ROM匹配命令 写入子程序 读温度命令子程序 终 止 判断温度的正负 （高字节数 >127？） Y/N N Y 温度为负数， 求出温度的补码 对温度进行处理保存 小数部分、百位、十位和个位 把处理后的 数据显示出来