基于单片机的温度控制系统设计9.docx

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1、智能仪器报告设计基于51单片机的温度限制系统设计专业：生物医学工程姓名：孙犁组员：孙犁(09073111)杨应胜(09073120)刘晓林(09073119)赵杨(07073057)摘要：随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研、各个领域，已经成为一种比较成熟的技术，本文主要介绍了一个基于AT89S51单片机的温度自动限制系统，具体描述了利用温度传感器DS18B20开发测温系统的过程，重点对传感器在单片机下的硬件连接，软件编程以及各模块系统流程进行了详尽分析，对各部分的电路也一一进行了介绍,该系统可以便利的实现温度采集和显示，并可依据须要随意设定温度，它运用起来相当便利，

2、具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适合于我们日常生活和工、农业生产中的温度限制，也可以当作温度处理模块嵌入其它系统中，作为其他主系统的协助扩展。DS18B20与AT89C51结合实现最简温度限制系统，该系统结构简洁，抗干扰实力强，适合于恶劣环境下进行现场温度的限制，有广泛的应用前景。关键词：单片机；温度限制；T89S51;DS18B20；仿真；一、引言随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的精确度和精确度的要求都有了几何级的增长，而如何精确而又快速的获得这些参数就须要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技

3、术）中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的特别广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与环境的温度休戚相关，在工业生产过程中须要实时测量温度,在农业生产中也离不开温度的测量，因此探讨温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经验了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器模拟集成温度传感器智能集成温度传感器。目前的智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年头中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度限制量，适配各种微限制器（MClJ）。社会

4、的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高牢靠性及平安性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向快速发展，本文将介绍智能集成温度传感器DS18B20的结构特征及限制方法，并对以此传感器，89S51单片机为限制器构成的数字温度限制装置的工作原理及程序设计作了具体的介绍。其具有读数便利，便利限制，输出温度采纳数字显示，主要用于对温度限制要求比较精确的场所，或科研试验室运用。该设计限制器运用ATMEL公司的AT89S51单片机，测温传感器运用DALLAS

5、公司DS18B20,用液晶来实现温度显示。二、设计内容及性能指标本设计主要是介绍了单片机限制下的温度检测系统，具体介绍了其硬件和软件设计，并对其各功能模块做了具体介绍，其主要功能和指标如下：利用温度传感器(DS18B20)测量某一点环境温度测量范围为0C+100C,精度为0.5C用液晶进行实际温度值显示能够依据须要设定温度三、系统方案比较、设计与论证该系统主要由温度测量和温度设置及系统状态显示三部分电路组成，下面介绍实现此系统功能的方案。1、温度测量方案一采纳数字温度芯片DS18B20测量实际温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及限制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很

6、稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采纳了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微限制器AT89C51构成的温度测量装置，它干脆输出温度的数字信号，可干脆与计算机连接。这样，测温系统的结构就比较简洁，体积也不大。采纳51单片机限制，软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑限制，而且体积小，硬件实现简洁，安装便利。既可以单独对多DS18B20限制工作，还可以与PC机通信上传数据，另外AT89C51在工业限制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的协作运用都很成熟。方案二采纳热电偶温差电

7、路测温，温度检测部分可以运用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成(如下图)，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则运用带有A/D通道的单片机，在将随被测温度改变的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围特别宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小、简洁遭遇来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且这种设计须要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。图1热电偶电路图从以上两种方案，

8、简洁看出方案二的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是线性误差较大。方案一的测温装置电路简洁、精确度较高、实现便利、软件设计也比较简洁，故本次设计采纳了方案一。2、设置温度方案一采纳键盘输入设置温度，键盘则可以用4X4型，而该系统仅需12个按键，故可用4X3型。该型键盘比较常用，而且用到的接口得到了极好的利用，仅须要8个接口。方案二可采纳2X8型，该键盘须要10个接口。综上所述，我们选择第一种方案。3、状态显示方案一可以采纳不同颜色的LED来显示不同的状态。用LED-BLUE的状态改变来显示是否按下按键，分别用LED-RED、LEDTELLOW、LED-GREEN来表示加热、保持、降温。从而知道

9、该系统的状态。方案二可以采纳LCD来显示其系统的状态,但专用LCD来显示该系统的状态不经济。综上所述各方案，可以采纳测温装置电路简洁、精确度较高、实现便利的温度测量装置，即温度测量方案一。而键盘可采纳4x3型。而状态显示，由于才用LCD(AMPIREI28X64)来显示，有多余的显示区域，因此，两个方案可以一起用。系统图如下：状有显示电路按键输入电路温度测量电路设置温度显示实际温度显示状态显示图2温度限制系统框图该系统利用AT89C51芯片限制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并用1.CD(AMPlREI28X64)显示该系统实际温度和设置温度。该系统还具有特别强的扩展性，可以将它用在实

10、际生活用品中，如电饭煲的温度限制，使其达到预设温度。四、系统器件选择1、温度传感器的选择由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，须要比较多的外部元件支持，且硬件电路困难，制作成本相对较高。这里采纳DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。DALLASDS1820一 OA-OQ-Qzo OQ Qzo -图3外部封装形式图4传感器电路图2、单片机的选择对于单片机的选择，可以考虑运用8031与8051系列，由于8031没有内部RAM,系统又须要大量内存存储数据，因而不适用。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CM0S8位单片机，片内含4

11、kbytes的可编程的Flash只读程序存储器，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP),也可用传统方法进行编程，所以低价位AT89S51单片机可为供应很多高性价比的应用场合，可敏捷应用于各种限制领域，对于简洁的测温系统已经足够。单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只须要两个口就能满意电路系统的设计须要，很适合便携手持式产品的设计运用系统可用二节电池供电。主要特性如下与MCS-51兼容4K字节可编程闪耀存储器寿命：100O写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I

12、/O线 两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路1PlOPOOPllPOlP12P 02P13P 03P14P04P15P05P16P 06P17PO?INTlATEp20INTOP21TlP 23TOP 24EA/VPP 26XlX2RESETRXDTXDRDALEJPWRPSEN3923833743653563473383213 42112 221523241425312627192810189W Q113016 o 29图5 AT89S51单片机引脚图3、显示器件选择在本设计中温度测量范围为0C+10(C,精度为0.5(,因此只须要液晶显

13、示器就可以完成相关的显示功能。五、硬件设计电路温度采集电路设计原理图如图6所示，限制器运用单片机AT89C2051,温度传感器运用DS18B20,用液晶实现温度显示。本温度计大体分三个工作过程。首先，由DS18820温度传感器芯片测量当前的温度，并将结果送入单片机。然后，通过89C205I单片机芯片对送来的测量温度读数进行计算和转换，井将此结果送入液晶显示模块。最终，SMCI602A芯片将送来的值显示于显示屏上。由图6可看到，本电路主要由DS18820温度传感器芯片、SMCI602A液晶显示模块芯片和89C2051单片机芯片组成。其中，DSI8B20温度传感器芯片采纳“一线制”与单片机相连，它

14、独立地完成温度测量以及将温度测量结果送到单片机的工作。以下是用AItiUnl软件画的电路原理图和PCB板电路图：图6电路原理图具体原理电路图见附件1下面具体分析温度检测电路：DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。DS18B20的电源供电方式有2种：外部供电方式和寄生电源方式。工作于寄生电源方式时，VDD和GND均接地，他在须要远程温度探测和空间受限的场合特殊有用，原理是当1Wire总线的信号线DQ为高电平常，窃取信号能量给DS18B20供电，同时一部分能量给内部电容充电，当DQ为低电平常释放能量为DS18B20供电。但寄生电源方式须要强上拉

15、电路，软件限制变得困难（特殊是在完成温度转换和拷贝数据到E2PR0M时），同时芯片的性能也有所降低。因此，在条件允许的场合，尽量采纳外供电方式。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O线要接5KQ左右的上拉电。在这里采纳前者方式供电。DS18B20与芯片连接电路如图7所示：DS18B20图7DS18B20与单片机的连接六、软件设计整个系统的功能是由硬件电路协作软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。从软件的功能不同可分为两大类：一是监控软件（主程序），它是整个限制系统的核心，特地用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件（子程序），它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算

16、、显示、通讯等。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。各执行模块规划好后，就可以规划监控程序了。首先要依据系统的总体功能选择一种最合适的监控程序结构，然后依据实时性的要求，合理地支配监控软件和各执行模块之间地调度关系。图10主程序流程图图11DS18B20初始化流程图DS18B20复位初始化子程序：INIT_1820：SETBP3.1NOPCLRP3.1；主机发出延时537微秒的复位低脉冲MOVRl,#3TSRl:MOVRO,#107DJNZR0,$DJNZRl,TSRlSETBP3.1;然后拉高数据线NOPNOPNOPM

17、OVR0,#25HTSR2：JNBP3.1,TSR3；等待DS18B20回应DJNZR0,TSR21.JMPTSR4；延时TSR3：SETBFLAGl；置标记位，表示DS1820存在1.JMPTSR5TSR4：CLRFLAGl；清标记位，表示DS1820不存在1.JMPTSR7TSR5：MOVRO,#117TSR6：DJNZR0,TSR6；时序要求延时一段时间TSR7：SETBP3.1RET；读出转换后的温度值七、主程序ORGOOOOH1.JMPSTART;外部中断ORG0003H1.JMPINTOORG0030HSTART：MOVSP,#70HMOVP2,#0FOHCLRACLRFO;清设置

18、键CLRFLAG2;清确认键MOVCOUNT,#0;中断次数计数SETBTTOSETBEXOSETBEALCLLINT；LCDI2864初始化子程序LCALLCLEAR；LDCI2864清屏子程序LCALLDisplayi;显示温度自动限制系统”LCLLDISPLY2;显示“设置温度”LCALLDISPLAYS;显示预设的温度LCALLDISPLY4;显示“实际温度”LCALLDTSPLY5LCALLGET.TEMPER;调用读温度子程序ACALLDISPLAYS;调用显示1.CALLGET_TEMPER1.CALLDELAYl1.CALLDISPLAYSMM1：JBF0,MM4;是否按上“设

19、置“键JNBFl,M;是否按下“确认”键CJNE,43H,MM5MOV,55HCJNE,42H,MM5MOVA,56HCJNE,41H,MM51.JMPMM8MM4：MOVA,COUNTCJNEA,ftl,MM21.CALLDISPLAYS1.CALLDTSPLY81.JMPMMMM2：CJNEA,#2,MM31.CALLDTSPLY91.CALLDTSPLY9MM3：CJNE,ft3,MM1.CALLDTSPLY1O1.CAI.LDtsplayio1.JMPMMMM5：JCMM71.JMPMM6MM6：LCALLDTSPLY6CLRPO.5SETBPO.6SETBPO.71.JMPMMM7：

20、LCLLDISPLY7SETBPO.5CLRPO.6SETBPO.71.JMPMMM8：LCALLDISPLAY11SETBPO.5SETBPO.6CLRPO.71.JMPM八、检测与调试1、硬件调试：硬件调试是利用DVCC试验与开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等）,检查用户系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。蜉态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。第一步：目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。其次步用万用表测试。先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象。第三步加电检测。给板加电，检测全部插座或是器件的电源端是否

21、符合要求的值第四步是联机检查。因为只有用单片机开发系统才能完成对用户系统的调试。动态调试是在用户系统工作的状况下发觉和解除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。由分到合是指首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干块,当调试电路时，与该元件无关的器件全部从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。由分到合的调试既告完成。由近及远是将信号流经的各器件依据距离单片机的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。调试时，仍

22、采纳去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。2、软件调试：软件调试是通过对程序的汇编、连接、执行来发觉程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以解除订正的过程。九、总结和体会本设计利用AT89C51芯片限制温度传感器DS18B20,再辅之以部格外围电路实现对环境温度的测控，性能稳定，精度教高，而且扩展性能很强大。由于DS18B20支持单总线协议，我们可以将多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用较少的微处理器的端口就可以实现多点测温监控系统。由于DS18B20的测量精度只有0.5度，往往很多场合须要更加精确的温度，在所测温度精度

23、不变的基础上必需对数据进行校正。由于DS18B20是基于带隙结构的数字式温度传感器，PN结增量电压正比于IC肯定温度(PTAT),它的测温精度较高，但存在着肯定的误差.不过，其误差在时间和外部环境改变的条件下,保持相当高的稳定性。针对这一特性，基于线性插补的数学思想，利用DSP技术,对其进行误差校正补偿.这种误差校正的补偿方法，不需增加硬件电路，计算方法简洁，软件费用也很小，既提高了测量精度，又不需增加成本。它充分利用监控计算机的处理实力，在监控计算机上用线性插补的数学方法对其进行误差校正补偿，能轻易地将其提高其精度。经过将近一个月的单片机试验设计，最终完成了我们的温度限制系统的设计，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是兴奋的，终归学到不少学问。在本次试验中，我意识到，在进行电子设计时，要从实际动身，尽量使电路简约，好用性大，程序也不宜繁琐，要考虑周全。