基于单片机的温度测量仪设计【开题报告+文献综述+毕业论文】

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本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于单片机的温度测量仪设计一、课题研究意义及现状温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。温度控制器发展初期是机械式温度控制器，这类控制器采用金属片或充气式膜盒感测温度，使用波段开关调整风速。但这类控制器由于它外观陈旧、控制精度差、容易打火、功能单一等缺点，已被淘汰，现在已被智能电子式温度控制器全面取代。在温度控制中，采用的测量元件和方法不同，产品的工艺不同都会影响温度数据采集的精度。温度控制可以采用多种方式实现，可以采用继电器，也有PLC，还有单片机等。对于继电器，它具有零电压导通，零电流关断，灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好，耐腐蚀、抗干扰、寿命长、体积小，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等优点，但也存在通态压降，需要散热措施，有输出漏电流，交直流不能通用，导通后的管压降大，触点组数少，成本高等缺点；PLC主要应用于强电方面的工业控制，或者整条流水线的控制，相对于单片机的功耗要大，单个CPU价格昂贵，但比较稳定；单片机适合于实时工业控制，相对于微机价格较为低廉，可编程性和可扩展性强；专用工控机配置硬盘容量小、数据安全性低且存储选择性小。相较各部分优点，对于温度控制单片机是不错的选择。而且单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度、以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入式控制。同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的，可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响。单片机温度控制中温度信息主要是由传感器进行测量，并转换成为毫伏级的电压信号，把经过的信号放大到单片机可以处理的范围以内，再经过A／D转换器来转换到数字信号，并且输入到主机中去。在单片机对信号进行采集的时候，想要更大程度的提高测量的精度，在采样的时候就必须对信号进行数字滤波。在这个时候，信号经过数字滤波以后，标度就会逐渐转换出来，并通过LED 把温度显示出来。因此，基于单片机的温度控制器可以安全可靠地运行，智能地控制环境温度稳定在某一给定值，或者给定值附近。二、课题研究的主要内容和预期目标本课题主要研究利用温度传感器采集外界的温度模拟量，通过A/D转换器将放大后的模拟量转换为单片机能够识别的数字量，并通过液晶显示进行实时显示。主要分为以下几步:（1）熟悉多功能温度计的硬件结构，分析多种温度计的工作原理。（2）控制器采用单片机STC89C51，温度传感器采用DS18B20，并通过液晶显示进行实时显示；报警部分运用蜂鸣器报警；（3）能够测量和显示当前环境温度等信息；本设计要求完成系统的软硬件部分并且能够进行实物作品演示。三、课题研究的方法及措施整个系统主控部分采用STC89C51构成单片机应用系统，工作时由键盘输入设定温度值，温度采集模块采用DS18B20数字温度传感器，并通过液晶显示进行实时显示；报警部分运用蜂鸣器报警；外围控制用继电器。系统整体框图如下：温度控制系统框图硬件部分包括：1.单片机最小系统：采用STC89C51单片机；2.温度采集模块：采用DS18B20温度传感器；3.温度显示模块：采用LCD1602字符型液晶显示进行实时显示；4.串行通信模块：本系统采用MAX232电平转换来实现RS-232标准接口通信与PC机进行串行通信；5.报警电路：报警部分运用蜂鸣器报警；6.外部设备控制电路：输出的控制信号，经过NPN晶体管放大，再通继电器控制工作。 本设计的难点主要在温度检测时芯片本身会发热，其上的温度和室内有一定的误差。在仔细阅读芯片、传感器等资料后，设计本课题的硬件电路。在研究过程中，使用检测仪器是必不可少的，如：万用表、稳压电源等。进行实物的焊接。在焊接的过程中，尽量避免虚焊、短路，一个模块分开焊接，边焊接边调试，保证每个模块正确且工作正常，以避免给今后的设计带来不必要的麻烦。在软件方面，根据自己实际的电路，进行编程。用C51语言编写过程中，在完成一个功能的调试后，再添加下一个功能，并且不断的进行调试，最后完成设计要求。四、课题研究进度计划毕业设计期限：自2010年10月15日至2011年4月28日。第一阶段（2010.9.13-9.26）：确定和分析课题，搜集资料。第二阶段（2010.10.18-11.14）：学习相关理论知识，完成开题报告、文献综述、外文翻译。第三阶段（2010.11.15-12.29）：设计系统的电路图并制板；焊接和调试所制好的PCB板；第四阶段（2011.1.4-2.4）：编写相关的主控程序，进行系统调试；第五阶段（2011.2.5-3.21）：作品的完善和验收，写论文；第六阶段（2011.3.22-4.20）：修改整理论文，准备答辩。五、参考文献[1]罗淳.《模糊自整定PID的温室温度控制器的设计》[D].武汉科技大学；[2]徐翔.《基于AT89S52单片机与DS18B20的温度控制系统的设计》[C].中国矿业大学计算机科学与技术学院；[3]巫莉.《电气控制与PLC应用》[M].中国电力出版社，2008；[4]杜生海,邢闻译.《FPGA设计指南》[M].北京:人民邮电出版社,2007,12；[5]赵世霞.《VHDL与微机接口设计》[M].北京:清华大学出版社,2004,7；[6]王志刚.《现代电子线路》[M].第四版.北京：清华大学出版社,2008；[7]路而红.《专用集成电路设计与电子设计造化》[M].清华大学出版社，2004；[8]高西全，丁玉玉.《数字信号处理》[M].西安电子科技大学出版社,2008；[9]李业德，唐诗.《单片机与DS18B20组成的多点温度测控系统》[J].山东工程学院学报第15卷第4期2001；[10]李士勇.《模糊控制，神经控制和智能控制论》[M].哈尔滨工业大学出版社；[11]江孝国，王婉丽，祁双喜.《高精度PID温度控制器》[J].2000；[12]庞晓青,彭自强.《工业控制计算机》[J].(武汉理工大学自动化学院，湖北武汉，430070),2007年20卷第3期；[13]刘文慰，葛锁良.《AT89C2051在自适应模糊PID温度控制器中的应用》[J]. 合肥工业大学电气与自动化工程学院第30卷第1期2004；[14]《AppendixF:PIDTemperatureControl》[J].文章出自www.lakeshore.com；[15]邬国杨.《模拟电子技术》[M].西安电子科技大学出版社2002；[16]王树勋.《MCS一51单片微型计算机原理与开发》[M]．北京机械工业出版社； 毕业论文文献综述电气工程及自动化温度控制系统研究综述摘要：随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。本文简单介绍了温度控制系统的研究现状，并详细介绍了温度控制器的三个主要组成部分。关键字：温度控制；温度检测；模糊PID控制引言现代信息技术的三大基础是信息采集控制（即温度控制器技术），信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产，科学研究和生活等领域，而且人们生活环境的需求，温度控制器的数量日渐上升[1]。对于温度控制，以往，在实际的温度控制系统中，多采用热敏电阻器或热电偶测量温度，后来又有继电器、PLC、单片机，专用工控机等.实现方法不同的测温方式有不同的优缺点：对于热敏电阻器这种温度采集电路有时需要冷端补偿电路，这样就增加了电路的复杂性，而且该种电路易受干扰，使采集到的数据准确性不高[2]；继电器具有零电压导通，零电流关断，灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好，耐腐蚀、抗干扰、寿命长、体积小，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等优点，但也存在通态压降，需要散热措施，有输出漏电流，交直流不能通用，导通后的管压降大，触点组数少，成本高等缺点；PLC主要应用于强电方面的工业控制，或者整条流水线的控制，相对于单片机的功耗要大，单个CPU价格昂贵，但比较稳定[3]；单片机适合于实时工业控制，相对于微机价格较为低廉，可编程性和可扩展性强；专用工控机配置硬盘容量小、数据安全性低且存储选择性小[4][5]。温度控制系统研究现状温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。 温度控制器发展初期是机械式温度控制器，这类控制器采用金属片或充气式膜盒感测温度，使用波段开关调整风速。但这类控制器由于它外观陈旧，控制精度差，容易打火，功能单一等缺点，已被淘汰，现在已被智能电子式温度控制器全面取代[6]。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。现在温度控制器大致可以分为三部分：温度检测部分，温度控制部分和显示部分。1温度检测部分：温度检测部分是温度系统最关键部分，它直接影响整个温度控制系统。在集成温度传感器出现以前，多采用热电偶温度传感器和热电阻温度传感器。热电偶温度传感器将温度转变为电动势，它的优点主要在于结构简单，使用方便，但它灵敏度比较低，容易受到环境的信号干扰，也容易受到前置放大器温漂的影响，不适合测量微小的温度变化。热电阻传感器是利用电阻值随温度升高而增大这一特性[7]。现在随着半导体集成电路的发展，多采用集成温度传感器，它的工作原理是利用PN结的温度特性制成，同传统的温度传感器相比，优点在于灵敏度高，线性好，不需要线性补偿，测量重复性好，响应速度快，但它需要用放大器，滤波器等电路进行信号放大[8]。如今，很多地方也使用了DS18B20数字温度传感器，它的测量范围为-50℃至+125℃，精度可达到0.1℃，不需要A/D转换电路，直接将温度值转换成数字量[9]。2温度控制部分：对于温度控制，可以采用单片机控制或者PLC控制，实现温度控制的方法很多，有采用模拟电路实现的，也有采用计算机构成的智能控制。模拟控制温度的方法主要有开关式控制法、比例式控制法和连续式控制法。这三者属连续式控制法最为精确，而且电路最为复杂。智能控制方法主要包括模糊控制，神经网络和遗传算法控制等[10]。由于温度控制具有升温单向性，大惯性、大滞后等特点，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差，这很难用数学方法建立精确的模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果，要解决温度控制器这个问题，就要有一套很好的控制方法，传统模拟系统中的控制器已有一套成熟的方法，其中以PID控制器为代表。PID控制器原理简单，易于实现，适用范围广等优点[11]。但随着模糊技术的反展，可以采用模拟控制为基础的温度智能控制系统，人工智能中的模糊控制技术，采用PID与模糊控制技术相结合的PID模糊技术，是更为明智的选择。PID模糊控制，是针对以上的情况而制定的、新的温度控制方案，用先进的数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar三方面的结合调整，形成一个模糊控制，来解决惯性温度误差问[12][13]。模糊控制和PID控制结合的形式有多种：模糊-PID复合控制；比例-模糊-PI控制；模糊-积分混合控制；参数模糊自整定PID控制，较常用的是模糊-PID复合控制和参数模糊自整定PID控制两种方法。 3温度显示部分：显示处理模块主要完成人机交互作用，具体实现可以采用将采样温度值，设定温度值以字符的形式通过液晶显示出来，可以采用HT1621作为显示驱动器；也可以采用LED数码管进行显示[14]。如今，智能温度控制器正朝着高精度、总线标准化、高可靠性及安全性以及网络化虚拟化方向迅速发展；其中包括提高温度控制器测温精度和分辨力；增加温度控制器测试功能；温度控制器总线技术的标准化与规范化；温度控制器可靠性及安全性设计；虚拟温度器和网络温度控制器的设计。总结与展望温度在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等部分中，都是最基本的检测参数之一。特别是化学工业自动化系统中，一般温度检测占全部检测点的50％以上，可见温度检测的重要性所在[15]。随着科学技术的不断发展，各企业对温度检测技术提出了更高的要求适应性更强、精度更高、性能更稳定、并具有智能功能的新一代温度检测仪表。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。我们需要取长补短，设计出更新型的温度控制器。参考文献[1]罗淳.《模糊自整定PID的温室温度控制器的设计》[D]武汉科技大学；[2]徐翔.《基于AT89S52单片机与DS18B20的温度控制系统的设计》[C].中国矿业大学计算机科学与技术学院；[3]巫莉.《电气控制与PLC应用》[M].中国电力出版社，2008；[4]杜生海,邢闻译.《FPGA设计指南》[M].北京:人民邮电出版社,2007,12；[5]赵世霞.《VHDL与微机接口设计》[M].北京:清华大学出版社,2004,7；[6]王志刚.《现代电子线路》[M].第四版.北京：清华大学出版社.2008；[7]路而红.《专用集成电路设计与电子设计造化》[M].清华大学出版社，2004；[8]高西全，丁玉玉.《数字信号处理》[M].西安电子科技大学出版社.2008；[9]李业德，唐诗.《单片机与DS18B20组成的多点温度测控系统》[J].山东工程学院学报第15卷第4期2001；[10]李士勇.《模糊控制，神经控制和智能控制论》[J].哈尔滨工业大学出版社；[11]江孝国，王婉丽，祁双喜.《高精度PID温度控制器》[J].2000； [12]庞晓青,彭自强.《工业控制计算机》[J].(武汉理工大学自动化学院，湖北武汉，430070)2007年20卷第3期；[13]刘文慰，葛锁良.《AT89C2051在自适应模糊PID温度控制器中的应用》[J].合肥工业大学电气与自动化工程学院第30卷第1期2004；[14]邬国杨.《模拟电子技术》[M].西安电子科技大学出版社2002；[15]王树勋.《MCS一51单片微型计算机原理与开发》[M]．北京机械工业出版社； 毕业设计（20__届）基于单片机的温度测量仪设计 摘要温度控制现在广泛应用于各个领域。在冶金工业，化工生产，电力过程，造纸行业，机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都在对温度进行测量和控制。在工业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员努力想要解决的问题，由于所选器件的不同，还有很多不确定因素难以建立精确的数学模型，导致温度的不稳定和失控。而随着单片机的出现，很多问题都有了进一步的解决。本系统采用STC89C51单片机来驱动数字温度传感器DS18B20，进行温度数据的采集、读取和处理，并通过液晶显示器LCD1602显示出来。同时通过RS-232串行口与PC机连接，将温度数据传送至PC机系统。本系统的软件设计主要分为以下几部分：主程序，温度上下限值设定子程序、温度读取子程序、温度显示子程序、串口通信子程序、输出控制子程序和报警子程序等，所有程序编写都采用C51语言。关键词：温度控制；单片机；数字温度传感器；液晶显示 AbstractNow,temperaturecontroliswidelyusedinmanyareas.Peopleareinthetemperaturemeasurementandcontrolinindustrylightingindustry,metallurgicalindustry,chemicalproduction,powerprocess,paperindustry,machinerymanufacturingandfoodprocessingandmanyotherareas.Howtoimprovetheoperatingperformanceoftemperaturecontrolhasbeentheobjectwhichcontrolpersonnelwanttosolve.Asselectingdifferentdevice,therearemanyuncertainfactorsdifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel,leadtotemperatureinstabilityandlossofcontrol.WiththeMCUappears,manyoftheproblemshavefurthersolution.ThesystemusesmicrocontrollerSTC89C51todrivethedigitaltemperaturesensorDS18B20;collect,readandprocesstemperaturedata,anddisplaythroughLCD1602.AtthesametimeitsendstemperaturedatatoPCthroughRS-232serialport.Thissystemsoftwareismainlydividedintothefollowingseveralparts:mainprogram,temperaturelimitssettingsubroutine,temperaturereadingsubroutine,temperaturedisplaysubroutine,serialcommunicationsubroutine,outputcontrolsubroutineandalarmsubroutine,etc.,allprogrammingareusingC51language.KeyWords:Temperaturecontrol;MCU;DigitalTemperatureSensor;LCD 目录1引言11.1背景介绍11.2温度控制的现状及前景11.3课题研究的内容22总体设计32.1课题达到的技术要求32.2器件选择32.2.1单片机选择32.2.2通信口选择32.2.3温度传感器选择42.2.4显示方式的选择42.3总体设计方案53硬件设计63.1单片机主控模块63.2温度模块83.2.1数字温度传感器DS18B2083.2.2温度设定模块103.2.3温度显示模块113.3串口通信模块123.4外围控制模块133.5报警电路模块133.6小结134软件设计154.1系统主程序154.2温度测量子程序164.3读温度子程序174.4温度转换子程序184.5计算温度子程序194.6液晶显示204.7小结215制作过程226结论24致谢25参考文献26附录1系统原理图27附录2程序清单28 1引言1.1背景介绍现代信息技术的三大基础是信息采集控制（即温度控制器技术），信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产，科学研究和生活等领域，而且由于人们生活环境的需求，温度控制器的数量日渐上升[1]。对于温度控制，以往，在实际的温度控制系统中，多采用热敏电阻器或热电偶测量温度，后来又有继电器、PLC、单片机，专用工控机等.实现方法不同的测温方式有不同的优缺点：对于热敏电阻器这种温度采集电路有时需要冷端补偿电路，这样就增加了电路的复杂性，而且该种电路易受干扰，使采集到的数据准确性不高[2]；继电器具有零电压导通，零电流关断，灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好，耐腐蚀、抗干扰、寿命长、体积小，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等优点，但也存在通态压降，需要散热措施，有输出漏电流，交直流不能通用，导通后的管压降大，触点组数少，成本高等缺点；PLC主要应用于强电方面的工业控制，或者整条流水线的控制，相对于单片机的功耗要大，单个CPU比较稳定[3]，但价格昂贵；单片机适合于实时工业控制，相对于微机价格较为低廉，可编程性和可扩展性强；专用工控机配置硬盘容量小、数据安全性低且存储选择性小[4][5]。1.2温度控制的现状及前景温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。温度控制器发展初期是机械式温度控制器，这类控制器采用金属片或充气式膜盒感测温度，使用波段开关调整风速。但这类控制器由于它外观陈旧，控制精度差，容易打火，功能单一，已被淘汰，现在已被智能电子式温度控制器全面取代[6]。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度 控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。温度控制现在广泛应用于各个领域，在冶金工业，化工生产，电力过程，造纸行业，机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都在对温度进行测量和控制，在工业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员努力想要解决的问题，由于所选器件的不同，还有很多不确定因素难以建立精确的数学模型，导致温度的不稳定和失控。而随着单片机的出现，很多问题都有了进一步的解决，由于单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度、以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入式控制。同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的，可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响。再采用DS18B20数字温度传感器，让测量温度更加精确，而且其内部集成了A/D转化，使得电路结构更加简单，减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量更加精确。在当今电子信息时代，电子自动化、信息采集控制在任何行业都是不可逆转的潮流，电子式温度控制器全面取代机械式温度控制器将在未来很短时间内实现，1.3课题研究的内容本课题主要研究利用温度传感器采集外界的温度模拟量，通过A/D转换器将放大后的模拟量转换为单片机能够识别的数字量，并通过液晶显示进行实时显示。主要分为以下几步:（1）熟悉多功能温度计的硬件结构，分析多种温度计的工作原理。（2）控制器采用单片机STC89C51，温度传感器采用DS18B20，并通过液晶显示进行实时显示；报警部分运用蜂鸣器报警；外围控制用继电器。（3）能够测量和显示当前环境温度等信息；本文主要介绍了基于单片机的温度测量仪的设计思路和方案，并完成该系统的总体设计、硬件设计和软件设计。硬件设计部分介绍了主要模块的工作原理及实现方法。软件设计部分介绍了主程序、温度测量及液晶显示子程序等。 2总体设计2.1课题达到的技术要求系统总体指标及功能要求如下：1)采用单片机作为主控电路；2)实时采集温度；3)串行口传送数据；4)能够测量和显示当前环境温度。2.2器件选择2.2.1单片机选择方案一：采用8031单片机，该单片机片内不带程序存储器，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路74HC373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后才可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言，不利于本次设计的系统。方案二：采用STC89C51，STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。本设计选用的是方案二。2.2.2通信口选择方案一无线传输：此方案是指PC机与单片机通过无线信道传输数据。无线传输的最大优势是应用范围广，受距离约束较小，在一定范围内可以不用考虑距离问题，还可以应用在一些高温、危险的场合，但性能不太稳定。 方案二有线传输：此方案是指PC机与单片机之间通过电缆线传输数据。有线传输的优势是性能比较稳定，调试简单。本系统选用方案二。且选用串口通信，串行口选用了标准RS-232C接口。2.2.3温度传感器选择方案一：采用接触式温度传感器，像热电偶、热敏电阻以及铂热电阻等，其利用产生的热电动势或电阻随温度的变化的特性来测量物体的温度，一般还采用与开关组合的双金属片或磁继电开关进行温度控制。采用热电偶、热敏电阻以及铂热电阻等测量物体的温度。如热敏电阻具有负温度系数（NTC），也就是说它的电阻值会随温度的下降而升高。其构成的温度传感器在线路上传送的是模拟信号，需要进过A/D转换出数字量后，再由微机处理。方案二采用非接触式传感器，其通过检测光传感器中红外线来测量物体的温度[9]。如数字温度传感器DS18B20，DS18B20具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、易与单片机连接等特点，而且它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量，它采用1线总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输。对于这种温度直接通过“一线总线”以数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点[7]。DS18B20采用多种封装方式，从而使系统设计更灵活、方便。本系统采用方案二。2.2.4显示方式的选择方案一：采用LED显示，LED数码显示管是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED显示管，其中7个用于显示字符，1个用来显示小数点，故通常称之为八段发光二极管数码显示器。但LED显示字符少，而且不能显示汉字。方案二：采用LCD显示，在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件的优点有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低。本系统采用方案二。 2.3总体设计方案本系统通过单片机来驱动数字传感器DS18B20，进行温度数据采集、读取和处理，并通过液晶显示器显示出来。同时通过RS-232串行口与PC机连接，将数据传送至PC机系统，当温度超过上限值则由蜂鸣器报警并由外围设置控制电路。系统的总体结构框图如图2-1所示。图2-1总体结构框图 3硬件设计本系统就是采用STC89C51单片机芯片作为控制芯片，采用数字温度传感器DS18B20测出当前环境的温度，并用液晶显示器LCD1602显示出来。3.1单片机主控模块由于系统控制方案简单，数据量也不大，考虑到电路的简单和成本等因素，因此采用单片机STC89C51作为主控芯片。本系统的单片机芯片采用STC89C51[8]，STC89C51系列单片机是从引脚到内核都完全兼容标准8051的单片机，有PDIP-40、plcc-44、PQFP-44三种封装形式。它的主要性能是：8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。本系统采用的是40条管脚的STC89C51单片机，工作电压范围是2.0V~3.8V，工作频率范围是0~40MHz。单片机STC89C51最小系统如图3-1所示。图3-1单片机最小系统单片机的时钟产生方法有内部时钟方式和外部时钟方式两种[9] 。本系统采用的是内部时钟方式。STC89C51单片机内部有一个高增益反相放大器。XTAL1和XTAL2引脚分别是该放大器的输入端和输出端。该放大器与两个引脚间跨接的石英晶振Y1和微调电容C3、C2，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器，如图3-1所示。C3、C2的取值对振荡频率输出的频率值、稳定性及振荡电路起振速度有少许影响，电容值一般为18-33pF。在焊接电路板时，晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证晶振稳定和可靠地工作。本系统选用了大小为11.0592MHz的晶振和30pF的陶瓷电容。单片机的复位操作有两种方式：上电复位和手动复位。本系统采用的是手动复位，这种复位方式更加人性化，不必要切断电源即可对系统进行复位，如图3-1所示。单片机在正常工作时，RST应保持低电平。当RST为高电平并且保持一段时间就能实现复位。如果RST一直处于高电平，单片机就会处于循环复位状态，无法执行程序。上电复位是单片机上电的瞬间，RC电路充电，RST引脚上出现高电平，只要RST端保持两个机器周期以上的高电平，就能使单片机有效地复位。上电后，只要按下复位按键使RST持续一段时间的高电平，就能使单片机复位。图3-2中的二极管D2的作用是快速放电。在上电时，二极管截止，电流流经电阻到地；在下电时，电容放电，电流反向，二极管导通，把电阻短路，实现快速放电。本系统选用的是11.0592MHz的晶振，因此一个机器周期约为1.0851μs，那么复位的脉冲宽度至少要2.1702μs。另外，实际应用中还要考虑晶振稳定时间、电源稳定时间、参数漂移等因素，必须有足够的余量，增大复位的可靠性。因为晶振从起振到稳定大约需要10ms，故复位时间通常定为大于10ms，复位的时间由RC电路的时间常数τ来决定。用到的计算公式有机器周期T的计算如式3-1所示和时间常数τ的计算如式3-2所示。其中fosc是晶振频率。T=1/fosc×12（3-1）τ=RC（3-2）RC的典型值为C=10μF，R=8.2KΩ，本系统选用的C10的值为22μF和R5的值为10K，D2选用1N4007。 3.2温度模块3.2.1数字温度传感器DS18B20温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。接触式温度传感器有热电偶、热敏电阻以及铂热电阻等利用其产生的热电动势或电阻随温度的变化的特性来测量物体的温度，一般还采用与开关组合的双金属片或磁继电开关进行温度控制。非接触式传感器是通过检测光传感器中红外线来测量物体的温度[10]。采用热敏电阻是实现温度测量的方法之一。许多热敏电阻具有负温度系数（NTC），也就是说它的电阻值会随温度的下降而升高。其构成的温度传感器在线路上传送的是模拟信号，需要进过A/D转换出数字量后，再由微机处理。还可以采用美国Dallas公司生产的DS18B20数字温度传感器来实现。本系统就是采用美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DS18B20。它是美国DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单总线数字温度传感器。DS18B20的1脚为电源地；2脚为数字信号输入/输出端；3脚位外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）DS18B20的内部结构如图3-2所示，主要由4个部分构成：64位ROM，温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器[10]。图3-2DS18B20的内部结构DS18B20工作电压范围为3~5.5V，可编程9位-12位A/D转换精度，并可分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量。温度测量范围为-55℃~125℃，测温最高分辨率可达0.0625℃，在-10℃~+85℃范围内其测温准确度为±0.5℃。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。DS18B20 具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、易与单片机连接等特点，而且它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量。它采用1线总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对STC89C51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议程序以完成对DS18B20芯片的访问。DS18B20的测温原理如图3-3所示，DS18B20内部的低温度系数振荡器受温度的影响很小，能产生稳定的频率信号f0，它把产生的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数振荡器随温度变化，其震荡频率明显改变，它所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。图中还隐藏着计数门，当计数门打开时，DS18B20对f0计数，进而完成温度测量，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。每次测温前，首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值中。减法计数器1对低温系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数。如此循环知道减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中[11]。图3-3DS18B20的测温原理 DS18B20用于多路温度测量时电路图如图3-4所示，用4只DS18B20同时测量4路温度，在本系统中，即采用多路温度测量。P1.2口接DS18B20。图3-4多路温度测量原理图3.2.2温度设定模块温度设定用按键来完成，按键设定采用C程序完成（以下会具体说明），去抖动设置等都由C程序完成，不需要外围繁琐的外部接口电路，设备简单。液晶显示数值设定，变化范围为00~99，开始设定显示为30，按S0，数值加一，按S1数值减一，按S2数值归零，按S3显示当前温度，设定值都设定为无符号整形变量与温度传感器传回的数值进行比较的同时做出相应报警信号提示。按键输入模块如图3-5所示：图3-5键盘输入模块 3.2.3温度显示模块系统通过单片机读取温度传感器转换的温度值后，需要由温度显示模块显示测得的温度。液晶显示器在日常生活中的应用非常广泛，主要用来显示数字、符号和图形。在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件的优点有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低。本设计选用LCD1602，将单片机输出的数据进行动态显示。LCD1602是字符型显示器，LCD1602分为背光和不带背光两种，在应用中并无差别，本系统用的是带背光。1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口如表3-1所示。表3-1LCD1602引脚接口表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极LCD1602与单片机的连接原理图如图3-6所示： 图3-6LCD1602与单片机的连接原理图3.3串口通信模块单片机内部含有一个可编程全双工串口通信接口，由TXD引脚来传送串行数据，而由RXD引脚来接受数据。该接口具有UART（通用异步接收和发送器）的全部功能，它不仅能同时进行数据的发送和接收，也可作为一个同步移位寄存器使用，可构成双机或者多机通信系统。由于TXD引脚和RXD引脚的工作逻辑电平皆为TTL电平（0V~5V），所以在单片机与PC机之间的数据通信必须经过RS-232信号（+12V~-12V）电平转换。本系统采用MAX232电平转换芯片来实现RS-232标准接口通信电路，其电路连接如图3-7所示：图3-7MAX232串口通信电路 3.4外围控制模块单片机的P1.3口作为外设控制端口，其输出的控制信号，经过NPN晶体管放大，再通过继电器控制[12]，如图3-8所示。图3-8外围控制原理图3.5报警电路模块本系统采用蜂鸣报警电路，此电路由三极管和蜂鸣器组成，当所测温度超过系统所设定的上下限值时，就由单片机控制输出信号控制晶体管导通，则蜂鸣器报警。报警图如图3-9所示。图3-9报警电路模块原理图3.6小结本节主要介绍了单片机控制模块、串口通信模块和温度传感器及显示模块四部分的结构和工作原理。控制模块中采用的是STC89C51单片机，采用该单片机主要是因为其高效能，低功耗，而且使本系统的硬件设计简单化。串口通信电路主要是使单片机与PC之间进行数据通信，本系统采用MAX232电平转换芯片来实现RS-232标准接口电平转换。温度测量使用DS18B20，其内部含有A/D 转换电路，减少外围设备，与单片机直接通过“一线总线”以数字方式传输。它能实时测量温度，并通过液晶进行显示，温度显示使用LCD1602显示器。 4软件设计本系统采用STC89C51单片机为主控部分，把经过DS18B20实时测得的温度数据存入STC89C51的内部数据存储器，并送至LCD1602液晶显示，并与设定的温度上下限值进行比较，然后由单片机输出的控制信号区控制外部设备。在对温度控制程序设计时要考虑到报警部分，当实时测得的温度值与设定的温度上下限值进行比较后，如果发现当前的温度值超过了设定值，则产生报警信号，蜂鸣器报警与硬件电路相联系，本系统的软件设计主要分为以下几部分：主程序，温度上下限值设定子程序、温度读取子程序。温度显示子程序、串口通信子程序。输出控制子程序和报警子程序等，所有程序编写都采用C51语言[13]。4.1系统主程序系统主程序包括初始化，温度上下限设置，温度采集，温度显示和报警等程序，完成对整个系统的控制。系统主程序流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图 4.2温度测量子程序DS18B20的一线工作协议流程是：初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。它的工作过程包括初始化时序、写入时序和读取时序。所以主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：在每一次读取之前都要对DS18B20进行复位，复位成功之后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。对于复位，主机首先发出一个480ms的低电平，然后释放总线变为高电平，DS18B20收到信号之后等待16~60ms，后发出60~240ms的存在脉冲，主机收到信号则便是复位成功。温度测量程序负责温度的实时显示，读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次其流程图见图4-2所示：图4-2温度测量子程序流程图多点测温程序流程图如图4-3所示： 图4-3多点测温程序流程图4.3读温度子程序此程序主要是读出RAM中的9字节，并进行CRC校验，其流程图如图4-4所示： 图4-4读温度子程序流程图4.4温度转换子程序温度转换命令子程序是进行温度转换，本程序采用1s显示延时法等待转换的完成，其流程图如图4-5所示：图4-5温度转换子程序流程图 4.5计算温度子程序计算温度子程序流程图如图4-6所示：图4-6计算温度子程序流程图DS18B20温度/数据对应关系如表4-1所示：表4-1DS18B20温度/数据对应关系温度（℃）输出的二进制码对应的十六进制码+125.00℃000001111101000007D0H+85.00℃00000101010100000550H+25.06℃00000001100100010191H+10.13℃000000001010001000A2H+0.50℃00000000000010000008H0.00℃00000000000000000000H-0.50℃1111111111111000FFF8H-10.13℃1111111101011110FF5EH-25.06℃1111111001101111FF6FH-55.00℃1111110010010000FC90H 4.6液晶显示LCD1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，见表4-2。LCD1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。表4-2LCD控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容液晶显示模块是一个慢显示器件，每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。要显示字符时要先输入显示字符地址。LCD在一行显示方式下，DDRAM的地址范围为00H-4FH；在双行显示方式下，DDRAM的地址范围：第一行为00H-27H，第二行为40H-67H。液晶显示程序流程图如图4-7所示。 设十位显示位置显示十位内容设个位显示位置显示个位内容返回开始LCD初始化图4-7液晶显示程序流程图4.7小结本节主要介绍了温度测量，转换及液晶显示程序。温度测量及液晶显示程序是单片机读取当前环境温湿度的值，并输出数据给LCD1602显示。 5制作过程制作过程可分为硬件制作过程和软件编写过程。在制作硬件前，先查阅大量与课题相关的资料，了解温度测量仪的结构和工作原理。在掌握课题相关的理论基础后，根据要达到的要求，画出总体框架图。根据要完成的功能选择元器件。解之后，使用Protel99se电路设计软件画出原理图[14]。在完成原理图后必须对每个元件进行封装，这是绘制电路板图的前提。封装的尺寸要和实际的元件的尺寸相同。绘制电路板图必须很仔细，因为这是电路是否能成功的重要环节。首先根据元器件之间的关系，将元器件放在一个合理的位置，尽量避免线路交叉。布局完成后，采用手动布线。完成后的一部分电路板图如图5-1所示。图5-1单片机控制及液晶显示电路板图然后就是制作PCB电路板。它包括打印图纸、把图纸在PCB板上油印、腐蚀，最后打孔，这里的每一道工序都很重要。接着是焊接元器件，焊接的好坏与否将直接影响到后面的软件调试，若硬件存在问题，即使程序编写正确，也不会达到应有的效果。完成的一部分PCB电路板如图5-2所示。图5-2单片机控制及液晶显示PCB电路板图最后调试，先对硬件调试，硬件调试基本成功后再进行软件调试，C 语言程序在Keiluvision3编译软件中完成。将各部分程序编译完成后，将程序下载到STC89C51单片机，观察硬件是否能实现功能。这些功能的程序不是一次就能完成的，要不断地修改、编译和下载程序，不断地调试。最后实现所有要求的功能，达到预期的目标。 6结论本系统方案按照任务书的要求，通过查阅大量资料、分析和制作调试,经过几个月的努力,基本上已经达到预期的目标。温度测量采用单片机处理，是由于单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度、以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入式控制。同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的，可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响。再采用DS18B20数字温度传感器，让测量温度更加精确，而且其内部集成了A/D转化，使得电路结构更加简单，减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量更加精确。本系统的主控芯片采用的是STC89C51芯片，它是一种低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。在设计的过程中，遇到了很多理论上的疑难和技术上的问题，在老师的指导和帮助下，一步一步的把问题解决，直到最后完成作品。通过此次设计，我学到了许多在课上无法学到的知识，对电子应用设计也有了新的认识，对自身的理论知识水平和操作能力也有了很大的提高。 参考文献[1]罗淳.《模糊自整定PID的温室温度控制器的设计》[D]武汉科技大学[2]徐翔.《基于AT89S52单片机与DS18B20的温度控制系统的设计》[C].中国矿业大学计算机科学与技术学院[3]巫莉.《电气控制与PLC应用》[M].中国电力出版社，2008[4]杜生海,邢闻译.《FPGA设计指南》[M].北京:人民邮电出版社，2007，12[5]赵世霞.《VHDL与微机接口设计》[M].北京:清华大学出版社，2004，7[6]王志刚.《现代电子线路》[M].第四版.北京：清华大学出版社.2008[7]王任远，沈占彬.数字式智能温度控制器的研究[M].平顶山工业职业技术学院，2008年[8]吴金戌,沈庆阳等.8051单片机实践与应用[M].清华大学出版社.2002年9月[9]杨恢先，黄辉先.单片机原理及应用[M].北京：人民邮电出版社.2006年10月[10]何希才,薛永毅,姜余祥.传感器技术及应用[M].北京航空航天大学出版社.2005年4月[11]周琛晖，冯少怀.基于DS18B20的温度测量系统[M].中国矿业大学计算机学院。2009年5月[12]林建雄.基于单片机的温度控制系统研究[M].电力学报，2008年2月[13]赵文博，刘文涛.单片机语言C51程序设计[M].人民邮电出版社.2005年10月[14]夏路易，石宗义.电路原理图与电路板设计教程[M].北京希望电子出版社.2002年6月[15]《AppendixF:PIDTemperatureControl》[J].文章出自www.lakeshore.com 附录1系统原理图 附录2程序清单#include//#include#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint;/******************************************************************//*定义端口*//******************************************************************/sbitLED1=P2^7;sbitLED2=P2^6;sbitLED3=P2^5;sbitLED4=P2^4;sbitDQ=P1^3;//ds18b20端口/******************************************************************//*全局变量*//******************************************************************/uinttemp;ucharflag_get,count,num,minute,second;ucharcodetab[]={0x28,0xEB,0x32,0xA2,0xE1,0xA4,0x24,0xEA,0x20,0xA0,0x60,0x25,0x3C,0x23,0x34,0x74,0xF7,0xFF};//7段数码管段码表共阳ucharstr[6];/******************************************************************//*函数声明*//******************************************************************/voiddelay1(ucharMS);unsignedintReadTemperature(void);voidInit_DS18B20(void);unsignedcharReadOneChar(void); voidWriteOneChar(unsignedchardat);voiddelay(unsignedinti);/******************************************************************//*主函数*//******************************************************************/main(){unsignedcharTempH,TempL;TMOD|=0x01;//定时器设置TH0=0xef;TL0=0xf0;IE=0x82;TR0=1;count=0;while(1){str[5]=0x3C;//显示C符号str[1]=tab[TempH/100];//百位温度str[2]=tab[(TempH%100)/10];//十位温度str[3]=tab[(TempH%100)%10]&0xDF;//个位温度,带小数点str[4]=tab[TempL];if(flag_get==1)//定时读取当前温度{temp=ReadTemperature();if(temp&0x8000){str[0]=0x40;//负号标志temp=~temp;//取反加1temp+=1;} elsestr[0]=0;TempH=temp>>4;TempL=temp&0x0F;TempL=TempL*6/10;//小数近似处理flag_get=0;}}}/******************************************************************//*定时器中断*//******************************************************************/voidtim(void)interrupt1using1//中断，用于数码管扫描和温度检测间隔{TH0=0xef;//定时器重装值TL0=0xf0;num++;if(num==50){num=0;flag_get=1;//标志位有效second++;if(second>=60){second=0;minute++;}}count++;if(count==1) {LED4=1;P0=str[2];LED1=0;}//数码管扫描if(count==2){LED1=1;P0=str[3];LED2=0;}if(count==3){LED2=1;P0=str[4];LED3=0;}if(count==4){LED3=1;P0=str[5];LED4=0;count=0;}}/******************************************************************//*延时函数*//******************************************************************/voiddelay(unsignedinti)//延时函数{while(i--);}/******************************************************************//*初始化*/ /******************************************************************/voidInit_DS18B20(void){unsignedcharx=0;DQ=1;//DQ复位delay(8);//稍做延时DQ=0;//单片机将DQ拉低delay(80);//精确延时大于480usDQ=1;//拉高总线delay(10);x=DQ;//稍做延时后如果x=0则初始化成功x=1则初始化失败delay(5);}/******************************************************************//*读一个字节*//******************************************************************/unsignedcharReadOneChar(void){unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;//给脉冲信号dat>>=1;DQ=1;//给脉冲信号if(DQ)dat|=0x80;delay(5);} return(dat);}/******************************************************************//*写一个字节*//******************************************************************/voidWriteOneChar(unsignedchardat){unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;DQ=dat&0x01;delay(5);DQ=1;dat>>=1;}delay(5);}/******************************************************************//*读取温度*//******************************************************************/unsignedintReadTemperature(void){unsignedchara=0;unsignedintb=0;unsignedintt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);//跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0x44);//启动温度转换delay(200);Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);//跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0xBE);//读取温度寄存器等（共可读9个寄存器）前两个就是温度a=ReadOneChar();//低位b=ReadOneChar();//高位b<<=8;液晶显示程序：#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitep=P1^2;sbitrs=P1^0;sbitrw=P1^1;ucharcodetable[]="ILIKEMCU!";ucharcodetable1[]="ILOVEYOU!";ucharnum;voiddelay(uintz){uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}voidwrite_com(ucharcom){rs=0;rw=0; 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