基于单片机的温度控制系统设计与实现

单片机课程设计摘要近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。本文从硬件和软件两方面来讲述温度自动控制过程,在控制过程中主要应用AT89C51、ADC0809、LED显示器、LM324比较器，而主要是通过DS18B20数字温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过四位数码管显示实时温度的一种数字温度计。系统的过程则是：首先,通过设置按键,设定恒温运行时的温度值，并且用数码管显示这个温度值.然后,在运行过程中将采样的温度模拟量送入A/D转换器中进行模拟-数字转换，再将转换后的数字量用数码管进行显示。关键词：单片机系统；传感器；数据采集；模数转换器；温度单片机课程设计目录摘要................................................................1第1章绪论.........................................................11.1课题的背景及其意义................................................11.2课题研究的内容及要求..............................................21.3课题的研究方案....................................................2第2章设计理论基础..................................................42.1单片机的发展概况..................................................42.2AT89C51系列单片机介绍............................................52.2.1AT89C51系列基本组成及特性..................................52.2.2AT89C51系列单片机的功能单元................................62.3ADC0809模数转换器................................................82.4移位寄存器74LS164................................................92.5数码显示管LED...................................................102.6数字温度计DS18S20...............................................11第3章电路设计....................................................133.1系统整体电路.....................................................13第4章软件设计.....................................................144.1系统的主程序设计................................................144.2DS18B20初始化...................................................144.3DS18B20温度传感器与单片机的接口电路.............................174.4数码管显示与单片机对接...........................................18第5章系统调试.....................................................235.1硬件调试.........................................................235.1.1硬件电路故障及解决方法.....................................235.1.2硬件调试方法...............................................245.2软件调试.........................................................245.2.1软件电路故障及解决方法.....................................245.2.2软件调试方法...............................................25附录................................................................26单片机课程设计第1页第1章绪论1.1课题的背景及其意义二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，需要对各种参数进行温度测量。因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语，同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。如在日趋发达的工业之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。在农业中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。单片机课程设计第2页1.2课题研究的内容及要求本文所要研究的课题是基于单片机温度控制系统的设计与实现，主要是介绍了对温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。温度控制部分，提出了用DS18S20、MSC-51单片机及LED的硬件电路完成对温度的实时检测及显示，利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。而炉内温度控制部分，采用一套PID闭环负反馈控制系统，由DS18S20检测炉内温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在LED中显示。控制器是用MSC-51单片机，用PID算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS18S20都有唯一的产品号，可以一并存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS18S20供电，而且不需要额外电源。同时DS18S20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动报警功能。而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。1.3课题的研究方案温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式：单片机课程设计第3页sSeKsGT1)(（1-1）方案（见图1.2）图1.2方案图本方案采用89C51单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可以用数码管来显示温度的实际值，能用键盘输入设定值。本方案选用了AT89C51芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。本方案是采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。也使得系统所测得结果的精度大大提高。单片机课程设计第4页第2章设计理论基础2.1单片机的发展概况1970年微型计算机研制成功之后，随之即出现了单片机（即单片微型计算机）—美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008，这也算是单片机的第一次公众亮相。1976年Intel公司首先推出能称为单片机的MCS-48系列单片微型计算机。它以体积小、功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用，同时一些与单片机有关公司都争相推出各自的单片机。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机，Zilog公司相继推出Z8单片机系列。1980年Intel公司在MCS-48系列基础上又推出高性能的MCS-51系列单片机。这类单片机均带有串行I/O口，定时器/计数器为16位，片内存储容量（RAM，ROM）都相应增大，并有优先级中断处理功能，单片机的功能、寻址范围都比早期的扩大了，它们是当时单片机应用的主流产品。1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位单片机MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分别在原有8位单片机的基础上推出了16位单片机HPC16040和μPD783××系列。1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196，1988年推出带EPROM的87C196单片机。由于16位单片机推出的时间较迟、价格昂贵、开发设备有限等多种原因，至今还未得到广泛应用。而8位单片机已能满足大部分应用的需要，因此，在推出16位单片机的同时，高性能的新型8位单片机也不断问世。纵观这短短的20年，经历了4次更新换代，单片机正朝着集成化、多功能、多选择、高速度、低功耗、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容的方向发展新一代的80C51系列单片机除了上述的结构特性外，其最主要的技特点是向外部口电路扩展，以实现微控制器（microcontroller）完善的控制功能为己任。这一系列单片机单片机课程设计第5页为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展和配置打下了良好的基础。由于80C51系列单片机所具有的一系列优越的特点，获得广泛使用指日可待。下面我们就来重点介绍一下本毕业论文讨论的系统所用的AT89C51系列单片机。2.2AT89C51系列单片机介绍2.2.1AT89C51系列基本组成及特性AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（F