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1、温度控制系统课程设计专 业 电气工程及其自动化 班 级 10级电气6班 组员 姓 名 丁明明、张如意、王权 吴广、杨德伟、王亚勇2013年 0506 月一、设计要求（1）用单片机控制一个由1kw电炉加热的电烤箱，最高温度不超过120。（2）电烤过程恒温控制，温度可通过系统设置，误差不超过2。（3）实时显示温度和设置温度，显示精确为1。（4）温度超出设置温度5时发超限报警，对升温和降温过程不作要求。二、主要功能模块 温度控制系统的主要功能模块包括温度测量（温度传感器、放大器、ADC转换器）、温度控制（光电隔离、驱动电路、可控硅电路、电炉）、温度给定（按键）、温度显示和报警等几部分。根据具体情况选
2、择合适型号的单片机，温度传感器、ADC转换器等硬件设备进行设计。三、要求完成的主要任务：1. 根据功能要求完成硬件电路设计，提供硬件电路图。2. 使用汇编或者C语言完成软件部分设计，实现相应功能。要求程序加注释并提供软件流程图。3. 使用Proteus软件进行系统仿真，并提供仿真截图，测试数据，误差分析。摘要随着现代信息技术的飞速发展，温度控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度测量与控制系统的设计与研究有十分重要的意义。本次设计的目的在于学习与了解单片机技术应用和开发的基本流程。设计中用单片机作为数据处理与控制单元，温度数据采样
3、与处理用DS18B20数字温度传感器，把温度信号通过单总线传递到单片机上。单片机数据处理之后，发出控制信息改变报警和控制执行模块的状态，同时将当前温度信息发送到LCD进行显示。本系统可以实现多路温度信号采集与显示，可以使用按键来设置温度限定值，通过进行温度数据的运算处理，发出控制信号达到控制蜂鸣器和继电器的目的。关键词：AT89C51；DS18B20温度传感器；温度控制；温度显示、设置；报警 目录第一章 绪论- 1 -1.课程设计的性质、目的- 1 -2.课程设计的内容- 1 -3.温度控制系统设计题目要求- 2 -第二章 系统总体设计及方案论证- 3 -2.1系统总体设计- 3 -2.2单片
4、机- 4 -2.3温度采集与传感器- 6 -2.4人机交互与串口通信- 7 -第三章 硬件设计- 9 -3.1系统结构框图- 9 -3.2单片机主控单元- 10 -3.3温度信号采集单元- 12 -3.4人机交互与串口通信单元设计- 18 -3.5控制执行单元设计- 20 -第四章 软件设计- 21 -4.1设计思路、流程图- 21 -4.2温度采集子程序- 22 -4.3数据处理子程序- 26 -4.4人机交互子程序- 27 -4.5执行子程序- 31 -第五章 总体电路图- 32 -第六章 结论- 34 -第七章：程序设计- 35 -参考文献- 52 - 51 -第一章 绪论1.课程设计的
5、性质、目的单片机原理及接口技术课程设计是在基本学完该课程之后，综合运用所学单片机知识，完成一个单片机应用系统设计，从而加深对单片机软硬知识的理解，获得初步的应用经验，为走出校门从事单片机应用的相关工作打下基础。 通过该课程设计，主要达到以下目的：巩固和加深对单片机原理和接口技术知识的理解，使学生增进对单片机系统的感性认识，加深对单片机理论方面的理解，为顺利完成毕业设计打下基础。使学生掌握对单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O口和串行口通讯等，进一步深化和巩固所学基础理论、专业知识及实验技能，培养学生综合运用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。 培养学生根据
6、课题需要选学参考书籍、查阅手册和文献资料的能力，了解与课题有关的硬件元器件的工程规范，能按课程设计任务书的要求编写课程设计说明书，学会方案论证的比较方法，初步掌握工程设计的基本方法，能正确反映设计和实验成果，能用计算机绘制电路图和流程图。使学生了解和掌握单片机应用系统的软、硬件设计过程、方法及实现，提高学生的技术应用能力，为以后设计和实现单片机应用系统打下良好基础。这一环节对掌握常用仪器、仪表的正确使用方法，学会软、硬件的设计和调试方法，掌握单片机技术在生产实践中的应用，提高学生的工程实践能力、动手能力、创新能力，使学生树立正确的人生观，养成严谨、踏实的工作作风。2.课程设计的内容课程设计主要
7、内容包括：理论设计、调试及写出总结报告等，其中理论设计又包括选择总体方案、硬件系统设计和软件系统设计。硬件设计包括单元电路、选择元器件及计算参数等；软件设计包括模块化层次结构图、程序流程图等。程序设计是课程设计的关键环节，通过调试，进一步完善程序设计，使之达到课题所要求的指标，使理论设计更接近于实际产品。课程设计的最后要写出设计总结报告，把理论设计内容，调试的过程及性能指标的测试结果进行全面的总结，把实践内容上升到理论高度。3.温度控制系统设计题目要求（1）用单片机控制一个由1kw电炉加热的电烤箱，最高温度不超过120。（2）电烤过程恒温控制，温度可通过系统设置，误差不超过2。（3）实时显示温
8、度和设置温度，显示精确为1。（4）温度超出设置温度5时发超限报警，对升温和降温过程不作要求。第二章 系统总体设计及方案论证2.1系统总体设计本章主要内容是论述基于51单片机的多路温度采集控制系统的总体设计以及方案论证。本系统由单片机、温度信号采集与A/D转换、人机交互、控制执行单元、电源系统单元、通信单元六部分组成，功能模块具体实现的器件的不同，将直接影响整个系统的性能及成本，为了达到高效、实用的目的，在系统设计之前的方案论证是十分重要的，系统设计原理图如图2.1所示：单片机温度信号采集及A/D转换人机交互及串口通信控制执行及报警单元电源系统设计图2.1 系统设计原理图单片机：该部分的功能不仅
9、包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。温度信号采集与传感器：本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号，使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，本设计采用的是数字温度传感器，以上过程都在温度传感器内部完成。 人机交互及串口通信：人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，串口通信的主要功能是
10、完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。电源系统单元：本单元的主要功能是为单片机提供适当的工作电源，同时也为其他模块提供电源。如液晶显示屏、按键等，在本设计当中，电源系统输出 +5 V 的电源。执行单元：是单片机的输出控制执行部分，根据单片机数据处理的结果，驱动继电器控制外部设备，可以达到超温报警及升温或者降温目的，使环境温度始终保持在一个范围之内。2.2单片机在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。目前，8位单片机在国内外仍占有重要地位。在8位单片机中又以MCS51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。MCS51的硬件结构决定了其指令
11、系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。AT89C51单片机是美国Intel公司的8位高档单片机的系列。也是目前应用最为广泛的一种单片机系列。其内部结构简化框图如下所示。AT89C51系列单片机主要有CPU、存储器，IO接口电路及时钟电路等部分组成。AT89C51运算器电路以算术逻辑单元ALU为核心。有累加器ACC、寄存器B、暂存器1、暂存器2、程序状态寄存器PSW和布尔处理机共同组成。它主要完成数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。运算结果的状态由程序寄存器PSW保存。图1.2-1 AT89C51单片机内部结
12、构简化框图AT89C51系列单片机的封装形式有两种：一种是双列直插方式的封装；另一种是方形的封装。AT89C51单片机40个引脚及总线结构图如下所示。其CMOS工艺制造的低地功耗芯片也有采用方形的封装。但为44个引脚，其中4个引脚是不使用的。由于at89C51单片机是高性能的单片机。同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。如图1.2-2单片机引脚图。 1.2_2 单片机引脚图2.3温度采集与传感器本部分主要是论证温度传感器的选型。传感器的选择受到很多因素的影响，首先是各种温度传感器自身的优缺点，其次是各种不同的环境因素，还有就是系统所要求实现的精度等，所以在不同的设计当中温度传感器
13、的选择也将不同。方案一：热电偶传感器热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。它是利用两种不同材料的金属连接在一起，构成的具有热电效应原理的一种感温元件。其优点为精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便，型号种类比较多且技术成熟等。目前广泛应用于工业与民用产品中。热电偶传感器的种类很多，在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。方案二：热电阻传感器热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电阻值的变化。热电阻传感器是中低温区最常用的一种温度传感器。它的主要特点是：测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的，不仅广泛应用于工业测温，而且被制作成标准的基准仪。从热电阻的测温原理
14、可以知道，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。因此，热电阻的引出线的电阻的变化会给测温带来影响。为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。方案三：半导体集成模拟温度传感器半导体IC温度传感器是利用半导体PN结的电流、电压与温度变换关系来测温的一种感温元件。这种传感器输出线性好、精度高，而且可以把传感器驱动电路、信号处理电路等，与温度传感器部分集成在同一硅片上，体积小，使用方便，应用比较广泛的有AD590等。IC温度传感器在微型计算机控制系统中，通常用于室温或环境温度的检测，以便微型计算机对温度测量值进行补偿。方案四：半导体集
15、成数字温度传感器随着科学技术的不断进步和发展，新型温度传感器的种类繁多，应用逐渐广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式、多总线式发展。数字温度传感器，更因适合与各种微处理器的I/O接口相连接，组成自动温度控制系统，这种系统克服了模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端，被广泛应用于工业控制、电子测温、医疗仪器等各种温度控制系统中，数字温度传感器中比较有代表性的有DS18B20等。电子设计中常用的几种温度传感器的性能、价格等的对比，如表2.1所示：表2.1 传感器对比表传感器AD590PT100DS18B20产地美国德国美国量程-50+150-200+450-55+125精度
