电子信息工程专业毕业论文--基于单片机的恒温箱控制系统设计 摘 要恒温控制在工业生产过程中举足轻重温度的控制直接影响着工业生产的产量和质量本设计是基于AT89C51单片机的恒温箱控制系统系统分为硬件和软件两部分其中硬件包括温度传感器显示控制和报警的设计软件包括键盘管理程序设计显示程序设计控制程序设计和温度报警程序设计编写程序结合硬件进行调试能够实现设置和调节初始温度值进行数码管显示当加热到设定值后立刻报警另外本系统通过软件实现对按键误差加热过冲的调整以提高系统的安全性可靠性和稳定性本设计从实际应用出发选取了体积小精度相对高的数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器单片机AT89C51作为主控芯片数码管作为显示输出实现了对温度的实时测量与恒定控制[关键词] 单片机温度传感器恒温控制报警Abstract The system makes use of the single chip AT89C51 as the temperature controlling center uses numeral thermometer DS18B20 which transmits as 1-wire way as the temperature sensor through the pressed key the numerical code demonstrated composite of the man-machine interactive connection to realize set and adjust the initial temperature value After the system works the digital tube will demonstrate the temperature value when temperature arriving to the setting value the buzzer will be work immediately In addition the system through the software adjusting to the pressed key error and the excessively hutting All of these are in order to enhance the systems security reliability and stabilityKeywords DS18B20MCUConstant temperature control 1-wire transmission目 录1 引言 12 系统概述 121 简述 13 设计思路分析 24 方案论证 241 温度传感器 242 显示部分 243 输出控制 35 硬件设计及工作原理 351 系统功能及工作流程介绍 352 功能模块 553 系统硬件设计 5com DS18B20测温电路 5com DS18B20的特点介绍 6com 单线1-wire技术 6com DS18B20的引脚及功能介绍 7com 输出控制电路 9com 温度越线报警电路 106 系统的应用软件设计 1061 软件描述 10com 键盘管理模块 10com 显示模块 11com 控制模块 11com 温度报警模块 12com 主程序和中断服务程序流程 127 系统调试与仿真 1471 硬件调试 14com 脱机检查 14com 仿真调试 14com 检查CPU的时钟电路 14com 对扩展的RAMROM进行检查调试 1572 软件调试 15com 交叉汇编 15com 用汇编语言 15com 手工汇编 1573 系统仿真 158 抗干扰技术 1881 硬件抗干扰技术 1882 软件抗干扰技术 189 系统制作与测试 19结束语 21参 考 文 献 22致谢 231 引言温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制特别是在冶金化工建材食品机械石油等工业中具有举足重轻的作用其温度的控制效果直接影响着产品的质量因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的对于不同场所不同工艺所需温度高低范围不同精度不同则采用的测温元件测温方法以及对温度的控制方法也将不同产品工艺不同控制温度的精度不同时效不同则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同因而对温度的测控方法多种多样随着电子技术和微型计算机的迅速发展微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用利用微机对温度进行测控的技术也便随之而生并得到日益发展和完善越来越显示出其优越性然而现有的温度传感元件大多为模拟器件热电耦体积大应用复杂而且不容易实现数字化等缺点阻碍了应用领域的扩展本设计从实际应用出发选取了体积小精度相对高的数字式温度传感元件DS18B20作为温度采集器单片机AT89C51作为主控芯片数码管作为显示输出实现了对温度的实时测量与恒定控制2 系统概述21 简述单片机已经在测控中获得了广泛的应用它除了可以测量电信号以外还可以用于温度湿度等非电信号的测量能独立工作的单片机温度检测温度控制系统已经广泛应用到很多领域单片机的接口信号是数字电信号要想用单片机获取温度这类非电信号的信息毫无疑问必须使用温度传感器温度传感器的作用是将温度信息转换为电流或电压输出如果转换后的电流或电压输出是模拟信号那么还必须进行AD转换以满足单片机接口的需要传统的温度检测大多以热敏电阻为温度传感器但热敏电阻的可靠性差测量温度准确率低而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由单片机进行处理随着微电子技术的发展单片微处理器功能日益增强价格低廉在各方面得到广泛应用在温度控制器中应用单片机具有设计简单可靠性高控制精度高功能易扩展有较强的通用性等优点温度控制器主要实现对恒温箱温度的控制并满足不同用户的个性需求因此一个较完善的控制器应具有以下功能 温度的测量与显示用户设定功能 如温度设定定时设定等 对电加热管的控制功能 一些功能键 如定时自动加热恒温控制手动加热等 安全措施 漏电检测安全失效保护限温保护等 本文将采用一种数字温度传感器来实现基于51单片机的恒温箱控制系统设计整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分根据系统具体指标要求可以对每一个具体部分进行分析设计图2 基本硬件电路图52 功能模块根据上面对工作流程的分析系统软件可以分为以下几个功能模块 1 键盘管理监测键盘输入接收温度预置启动系统工作 2 显示显示设置温度及当前温度 3 温度检测及温度值变换完成AD转换及数字滤波 4 温度控制根据检测到的温度控制电炉工作 5 报警当预置温度或当前炉温越限时报警53 系统硬件设计com DS18B20测温电路DS18B20数字温度计是Dallas公司生产的1－Wire器件即单总线器件与传统的热敏电阻有所不同DS18B20可直接将被测温度转化成串行数字信号以供单片机处理具有连线简单微型化低功耗高性能抗干扰能力强精度高等特点因此用它来组成一个测温系统具有电路简单在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计十分方便目前已被众多行业进行广泛的运用锅炉温控表粮库冷库工业现场温度监控仪器仪表温度监控农业大棚温度监控等通过编程DS18B20可以实现9～12位的温度读数信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出因此从微处理器到DS18B20仅需连接一条信号线和地线读写和执行温度变换所需的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源每片DS18B20在出厂时都设有唯一的产品序列号因此多个DS18B20可以挂接于同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度传感器特别适合于构成多点温度测控系统com DS18B20的特点介绍1独特的单线接口方式与单片机通信只需一个引脚DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯 2在使用中不需要任何外围元件 3可用数据线供电电压范围30～55 V 4测温范围为-55 ～125 ℃在-10～85℃范围内误差为05 ℃ 5通过编程可实现9～12位的数字读数方式 6用户可自设定非易失性的报警上下限值 7支持多点组网功能通过识别芯片各自唯一的产品序列号从而实现单线多挂接多个DS18B20可以并联在唯一的线上简化了分布式温度检测的应用实现多点测温 8负压特性电源极性接反时温度计不会因发热而烧毁但不能正常工作9告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出预设告警界限的器件com 单线1-wire技术 目前常用的微机和外设之间数据传输的串行总线有I2C总线SPI总线等其中I2C总线采用同步串行两线一根时钟线一根数据线方式而SPI总线采用同步串行三线一根时钟线一根输入线和一根数据出线方式这两种总线需要至少两根或两根以上的信号线美国达拉斯半导体公司推出了一项特有的单线1-wire技术该技术与上述总线不同它采用单根信号线即可传输时钟又能传输数据而且数据传输是双向的因而这种单线技术具有线路简单硬件开销少成本低廉便于扩展的优点单线技术适用于单主机系统单主机能够控制一个或多个从机设备主机可以是微控制器从机可以是单线器件它们之间的数据交换控制都由这根线完成主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至数据线以允许设备在不发送数据时能够释放该线而让其他设备使用单线通常要外接一个约5KΩ的上拉电阻这样当该线闲置时其状态为高电平主机和从机之间的通信主要分3个步骤初始化单线器件识别单线器件和单线数据传输由于只有一根线通信所以它们必须是严格的主从结构只有主机呼叫从机时从机才能应答主机访问每个单线器件必须严格遵循单线命令序列即遵守上述3个步骤的顺序如果命令序列混乱单线器件将不会响应主机所有的单线器件都要遵循严格的协议以保证数据的完整性1-wire协议由复位脉冲应答脉冲写0写1读0和读1这几种信号类型组成这些信号中除了应答脉冲其他均由主机发起并且所有命令和数据都是字节的地位在前com DS18B20的引脚及功能介绍DS18B20的外形及TO－92封装引脚排列见左图其引脚功能描述见表1实测温度和数字输出的对应关系见表2表1 DS18B20详细引脚功能描述序号 名称 引脚功能描述 1 GND 地信号 2 DQ 数据输入输出引脚开漏单总线接口引脚当被用着在寄生电源下也可以向器件提供电源 3 VDD 可选择的VDD引脚当工作于寄生电源时此引脚必须接地 表2 温度值分辨率配置表温度 数字输出二进制 数字输出十六进制 125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H 85℃ 0000 0101 0101 0000 0550H 250625℃ 0000 0001 1001 0001 0191H 10125℃ 0000 0000 1010 0010 00A2h 05℃ 0000 0000 0000 1000 0008H 0℃ 0000 0000 0000 0000 000H -05℃ 1111 1111 1111 0000 FFF8H -10125℃ 1111 1111 0101 1110 FF5EH -250625℃ 1111 1110 0110 1111 FF6FH -55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90H com DS18B20的使用方法 由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式即在一根数据线实现数据的双向传输而对AT89S51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时序来完。
