基于单片机的温度控制系统的设计

基于单片机的温度控制系统设计1.设计要求要求设计一个温度测量系统，在超过限制值的时候能进行声光报警。具体设计要求如下：①数码管或液晶显示屏显示室内当前的温度；②在不超过最高温度的情况下，能够通过按键设置想要的温度并显示；设有四个按键，分别是设置键、加1键、减1键和启动/复位键；③DS18B20温度采集；④超过设置值的±5℃时发出超限报警，采用声光报警，上限报警用红灯指示，下限报警用黄灯指示，正常用绿灯指示。2.方案论证根据设计要求，本次设计是基于单片机的课程设计，由于实现功能比较简单，我们学习中接触到的51系列单片机完全可以实现上述功能，因此可以选用AT89C51单片机。温度采集直接可以用设计要求中所要求的DS18B20。报警和指示模块中，可以选用3种不同颜色的LED灯作为指示灯，报警鸣笛采用蜂鸣器。显示模块有两种方案可供选择。方案一：使用LED数码管显示采集温度和设定温度；方案二：使用LCD液晶显示屏来显示采集温度和设定温度。LED数码管结构简单，使用方便，但在使用时，若用动态显示则需要不断更改位选和段选信号，且显示时数码管不断闪动，使人眼容易疲劳；若采用静态显示则又需要更多硬件支持。LCD显示屏可识别性较好，背光亮度可调，而且比LED数码管显示更多字符，但是编程要求比LED数码管要高。综合考虑之后，我选用了LCD显示屏作为温度显示器件，由于显示字符多，在进行上下限警戒值设定时同样可以采集并显示当前温度，可以直观的看到实际温度与警戒温度的对比。LCD显示模块可以选用RT1602C。3.硬件设计根据设计要求，硬件系统主要包含6个部分，即单片机时钟电路、复位电路、键盘接口模块、温度采集模块、LCD显示模块、报警与指示模块。其相互联系如下图1所示：图1硬件电路设计框图单片机时钟电路复位电路键盘接口模块温度采集模块单片机LCD显示模块报警与指示模块单片机时钟电路形成单片机时钟信号的方式有内部时钟方式和外部时钟方式。本次设计采用内部时钟方式，如图2所示。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为此放大器的输入端和输出端，其频率范围为~12MHz，经由片外晶体振荡器或陶瓷振荡器与两个匹配电容一起形成了一个自激振荡电路，为单片机提供时钟源。复位电路复位是单片机的初始化操作，其作用是使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，以防止电源系统不稳定造成CPU工作不正常。在系统中，有时会出现工作不正常的情况，为了从异常状态中恢复，同时也为了系统调试方便，需要设计一个复位电路。单片机的复位电路有上电复位和按键复位两种形式，因为本次设计要求需要有启动/复位键，因此本次设计采用按键复位，如图3。复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。键盘接口模块本次设计需要的按键有4个，除去一个复位按键外，还有3个功能按键，因此选择独立式键盘。如图4，将键盘直接与单片机P1口的、、相连。3个键设计思路如下：当按下S1键时，系统进入上下限警戒值调整状态；当第一次按下S1键时，进行上限警戒值设定，当第二次按下S1键时，进行下限警戒值设定，当第三次按下S1键时，回到正常工作状态。在警戒值调整状态下，按下S2键，图2单片机内部时钟方式电路图3单片机按键复位电路图4键盘接口模块上下限警戒值加1，按下S3键，上下限警戒值减1，正常工作状态下，按下S2和S3键无作用。温度采集模块本次设计中的温度传感器使用的是DALLAS公司的单总线数字温度传感器DS18B20，这是一种常用的温度传感器，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点。DS18B20采用独特的一线接口，具有只需要一条口线通信多点的能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件。可用数据总线供电，电压范围为至，测量温度的范围为-55℃至+125℃，在-10℃至+85℃范围内精度为±℃。温度传感器可编程的分辨率为9~12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置，应用范围包括恒温控制、工业系统、温度计、或任何热敏感系统。由于DS18B20是一条口线通信，所以与DS18B20只有一个一条口线连接。因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线，这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。图5DS18B20封装及引脚DS18B20的核心功能是它的直接读数字的温度传感器。温度传感器的精度为用户可编程的9、10、11或12位，分别以℃，℃，℃和℃增量递增。在上电状态下默认的精度为12位。DS18B20启动后保持低功耗等待状态；当需要执行温度测量和AD转换时，总线控制器必须发出[44h]命令。在那之后，产生的温度数据以两个字节的形式被存储到高速暂存器的温度寄存器中，DS18B20继续保持等待状态。当DS18B20由外部电源供电时，总线控制器在温度转换指令之后发起“读时序”，DS18B20正在温度转换中返回0，转换结束返回1。如果DS18B20由寄生电源供电，除非在进入温度转换时总线被一个强上拉拉高，否则将不会由返回值。在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法：一种是VDD接外部电源，GND接地，DQ与单片机的I/O口相连；另一种是用寄生电源供电，此时，VDD、GND接地，DQ接单片机的I/O口。无论是接外部电源还是用内部寄生电源，I/O口线要接5kΩ左右的上拉电阻。本次设计中，采用外部电源方式，其连接方式如图6所示。单总线DQ端接单片机的口，DQ端接一个Ω的上拉电阻，这样单总线DQ在闲置状态时为高电平。图6DS18B20外部电源连接方式显示模块在本次设计中，使用RT1602C字符型液晶显示模块(LCM)来设计当前温度和上下限警戒值的显示电路。RT1602C字符型液晶显示模块是16字×2行的采用5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，采用标准的16脚接口，其引脚定义如图7所示。引脚号引脚名说明引脚号引脚名说明1GND/Vss电源地7D08位双向数据线2Vdd+5V电源8D13VL液晶显示偏压信号9D24RS数据/命令控制，H/L10D35R/W读/写控制，H/L11D46E使能端12D515BLA背光源正极13D616BLK背光源负极14D7图7RT1602C的引脚定义RT1602C的内部结构可以分为3个部分：LCD控制器、LCD驱动器、LCD显示器，其中LCD控制器采用的是HD44780。RT1602C与单片机的连线如图8所示。图8RT1602C与单片机连线LCM的数据总线与单片机的P0口通过一个上拉电阻排相连，LCM的三条控制线RS、RW、EN分别与单片机的I/O口、、相连，第1、2引脚分别与地、电源相连，第3引脚使用一个10kΩ的可调电阻对显示屏的明亮进行调整。报警与指示模块在本次设计中，采用LED发光二极管作为系统指示灯，采用蜂鸣器作为报警鸣笛。当温度高于上限警戒值时，点亮红色发光二极管，蜂鸣器发出响声；当温度低于下限警戒值时，点亮黄色发光二极管，蜂鸣器发出响声；温度在正常范围内时，点亮黄色发光二极管。整个报警与指示电路如图9所示，其中绿、红、黄色指示灯分别接单片机、、口，电平拉低时点亮LED，蜂鸣器电路接单片机的口，电平拉高时蜂鸣器响。至此便完成了整个硬件电路的设计工作，整个系统的原理图见附录二，系统I/O分配表如下：I/O口功能说明I/O口功能说明图9报警与指示模块~LCM数据口LCM读/写控制~键盘输入LCM使能DS18B20温度采集~LED信号输出LCM数据/命令控制报警信号输出4.软件设计单片机应用系统的设计中，软件设计占有重要的位置。在本次设计中，根据功能要求，可以把系统程序划分为5个模块，即主程序模块、显示模块、温度测量模块、键盘扫描模块、其它子程序模块，如图10所示。图10软件设计框图主程序设计主程序的内容包括单片机初始化、相关部件初始化和一些其它子程序的调用等。主程序清单如下，程序流程图如图11所示。/************主程序************/voidmain(void){P1=0xff;真分析在本次的设计中，使用了Proteus仿真软件进行了功能测试，具体仿真步骤及分析如下。(1)按照原理图，从Proteus元件库中找出对应元件，搭建硬件仿真电路，将程序烧写到单片机中，仿真图见附录三。主程序模块显示模块温度测量模块键盘扫描模块其它子程序开始初始化温度传感器初始化单片机初始化显示模块键盘扫描读取温度显示字形转换显示图11主程序流程图开始写显示命令定位显示位置写显示字符结束显示图12显示程序流程图开始发ROM指令初始化发功能指令结束YN开始读DS18B20序列号初始化DS18B20DS18B20存在？发跳过ROM指令图13单总线命令序列图14温度测量程序流程图图15键盘扫描程序流程图延时去抖动开始初始化DS18B20有键按下？Y有键按下？NNY(2)点击运行按钮开始仿真，初始上下限值为90℃和10℃，当前温度为25℃，当前模式为N正常工作，绿灯亮，蜂鸣器不响，如图16。图16正常模式下仿真图(3)按下S1键，进入上限警戒值设置模式H，此时按S2、S3键可以进行上限值设定，同时温度正常显示，设置上限值80℃，如图17。(4)再次按下S1键，进入下限警戒值设置模式L，此时按S2、S3键可以进行下限值设定，同时温度正常显示，设置下限值20℃，如图18。图18下限值设定仿真图(5)再次按下S1键，返回正常模式N，调节DS18B20温度，测量温度随之改变，降低温度，超过下限值5℃以下时，黄灯亮，蜂鸣器报警，如图19。图17上限值设定仿真图图19下限报警仿真图(6)升高温度，超过上限值5℃以上时，黄灯亮，蜂鸣器报警，如图20。(7)按下S4键，单片机复位。在本次仿真中，可以看出，本次设计的硬件电路和软件程序均能成功仿真出来，设计要求的各种功能均已达到。6.总结本次课程设计为期一周，到此已全部结束。回想一周中的设计过程，我深深感觉收获良多。由于从前只是在理论上学习了单片机以及各种其它知识，即使是实验也只是按照实验指导书进行操作，并没有实际的独立设计一个系统，因此在刚开始接触本次课程设计时，有一点无从下手的感觉。后来通过查阅相关资料，渐渐开始了解课程设计的一般过程，开始明白一些元器件的相关作用与编程实现方法，并在此期间通过不断深入的学习和锻炼，开始渐渐能熟练运用和熟练编程起来。通过本次计算机控制技术的课程设计，我更深层次的把理论知识和实际设计结合在一起，锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识和解决实际工程问题的能力。同时也提升了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他知识能力水平。对各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种管道的安装方式，我都是随着设计的不断深入而逐渐熟悉并学会应用的。并且，通过对整体的掌控，对局部的取舍，对细节的斟酌处理，以及绘图的技巧都使我在设计领域的能力得到了锻炼，得到了较丰富经验。?最后，通过这次的课程设计，我也深刻地认识到，只有将书本与具体的实践相结合，才会有真正的收获，才能巩固自己的所学，认识到自己的不足，同时我们也要有一种积极学习的态度，时代在进步我们也要跟着时代前进，要不断学习，不断创新，用自己的知识与行动来证明自己的价值。图20上限报警仿真图本次课程设计以单片机为核心，介绍了用DS18B20温度传感器进行温度采集，并将其传输给AT89C51单片机进行处理再送到LCD显示屏显示。在此期间可以通过按键进行上下限警戒值设置，通过LED和蜂鸣器进行指示和报警。本文是采用模块化的方式进行叙述，对各模块的设计进行了比较详细地阐述，并着重分析硬件搭建过程和系统软件的设计过程，使用单片机C语言进行程序没计。本次设计的基于DS18B20的温度测量系统是一个分布式的温度测量系统，它可以远程对温度实现测量和监控，广泛应用于电力工业、煤矿、森林、火灾、高层建筑等场合。本设计应用性比较强，可以应用在仓库温度、大棚温度、机