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1、枣庄学院专业基础学科训练设计报告 题 目 单片机大棚温湿度控制系统 院 部 机电工程学院 专业及班级 机电一体化技术专业2014级专一班 设 计 人 学 号 基于单片机的温度控制系统设计 【摘 要】温度是工业控制中主要的被控参数之一，在日常生活中也经常要用到温度的检测及控制。本文介绍了一种以AT89C51单片机为核心的控制器，以DS18B20为温度传感器的温度控制器。首先，通过对元器件的选择，设计控制器的硬件电路；然后，设计相关应用程序；最后，通过仿真，对整个系统进行调试、分析。最终实现温度采集、显示、控制等功能。仿真结果表明，所设计的控制器能够完成所需功能，并且具有测量精准高、实时性好、使用
2、方便等特点。【关键词】：温度控制；AT89C51；温度显示；DS18B20 目 录1 绪 论11.1课题背景及意义11.2课题研究的内容11.3.温度控制器的选择22. 温度控制器的硬件电路设计32.1 温度传感器的选择32.1.1 数字温度传感器32.1.2 热电阻温度传感器42.1.3 方案选择42.2 温度采集模块电路的设计42.2.1 DS18B20介绍42.2.2 温度传感器工作原理52.2.3 DS18B20工作原理介绍72.2.4 DS18B20使用中的注意事项82.2.5 DS18B20和AT89C51单片机连接电路92.3 显示模块设计102.3.1 LCD液晶显示器简介10
3、2.3.2 液晶模块简介112.3.3 液晶显示部分与STC89C51单片机的接口132.4 按键电路的设计142.4.1 单片机检测按键的原理142.4.2 矩阵键盘的设计153. 系统软件设计163.1 主程序的设计163.2 DS18B20初始化程序173.3 LCD初始化程序的设计193.4 继电器控制的程序204. 仿真结果及分析264.1 系统仿真264.2 仿真分析275. 总结28参考文献29附 录30致谢361 绪 论1.1课题背景及意义日常生活中温度控制在各行各业中都起着重要的作用，因此能够检测温度变化的温度检测设备出现在人们的视线中。它能使人们能及时看到温度变化的第一手资
4、料，提示温度变化情况，协助人们及时调整，并有温度报警作用，让温度控制更好的服务于整个社会和人们的生活。21世纪是电子技术飞速发展的时代，人类的生活发生了质的变化，特别是随着大规模集成电路的出现微型计算机应运而生，让人类社会进入了一个新的时代。虽然微机可以完成各种各样的工程控制，但是微机价格高，对于大多数的工业控制来说，并不是最佳选择。于是单片机就出现在了人们的视野中。它是一个简化的微机，将微机的中央处理器，存储单元，I/O接口，定时器/计数器等集成在一片芯片上。和微机比较，单片机价格低廉，适合应用在工业的控制场合以降低成本。另外，单片机可靠性高，性能稳定。可在复杂的工业环境下运行。单片机依靠其
5、高性价比，在工业控制，工业生产，家用电器制造等方面得到了广泛的应用。温度是表征物体冷热程度的物理量，工农业生产过程中温度是一个重要的参数。温度测量在产品生产，工业设计，能源节约中起到了关键性的作用。随着科学技术的进步和生产的需要，温度传感器不断更新丰富起来。温度作为一个模拟量，如果采用合适的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽说不难，但电路也很复杂，成本也很高。温度测量中测量温度是重点，本设计中单片机温度测量同样如此。1.2课题研究的内容本设计研究的主要课题是基于单片机的水温控制系统，介绍了对炉内温度的显示、控制和报警，实现了温度的实时显示及控制。其中炉内温度控制中，采用AT89C51单片
6、机、DS18B20、和LCD的硬件电路检测和显示实时水温，采用DS18B20与单片机相接再由硬件与软件电路组合来实现对加热电阻丝的控制和超出规定的上下限温度的报警。1.3.温度控制器的选择 温度控制器选择基于51单片机的温度控制器，图2-1是基于51单片机的温度控制器框图。该控制器由温度采集模块、控制模块、显示模块、报警模块以及电源模块等组成。基于单片机的温度控制器框图如图2-1所示。图1-1 基于单片机温度控制器框图51单片机是控制器的控制核心，因此单片机的选择，对所设计系统的实现以及功能的扩展有着很大的影响。单片机种类很多，在众多51系列单片机中，较为常用的是ATMEL 公司的AT89C5
7、1和AT89S52单片机，AT89C51片内4KROM是Flash工艺的，使用专用的编程器自己就可以随时对单片机进行电擦除和改写，片内有128字节的RAM。而AT89S52含有在系统可编程的Flash存储器，片内有8K闪存，RAM的容量也较AT89C51大，为256字节。显然这种单片机优点更多，开发时间也大为缩短。2. 温度控制器的硬件电路设计2.1 温度传感器的选择温度是表征物体冷热程度的物理量,它可以通过物体随温度变化的某些特性（如电阻、电压变化等特性）来间接测量，利用这种物理特性制成的传感器称为温度传感器。常用的温度传感器有热电偶、热敏电阻、热电阻、集成温度传感器及数字式温度传感器等多种
8、温度传感器。2.1.1 数字温度传感器典型的数字温度传感器如DS18B20，该传感器主要特性如下：1.数据线供电是寄生电源方式下的供电方式，电压适应的范围更宽，电压范围：3.05.5V；2.DS18B20在和微处理器的连接仅仅需一条总线即就可以实现DS18B20和微处理器双向的通信，它的单线接口方式十分特殊；3.DS18B20可以支持多个点的组网功能，多个DS18B20可并联的在唯一的总线上，能够实现组网的多点测温；4.转换的电路及全部传感器元件就像一只三极管集成在的集成电路内，DS18B20在使用的时候不需要任何的外围元件；5.在-10+85时精度为0.5，测温范围55+125；6.可分辨温
9、度依次为0.5、0.25、0.125和0.0625，相对应的可以编程的分辨率是912位，可实现高精度测温；7.12位分辨率时最多在750毫秒内把温度值转换为数字，在9位分辨率时最多在 93.75毫秒内把温度转换为数字，速度更快；8.直接输出数字温度信号的测量结果，可传送CRC校验码，同时以单总线串行方式传送给CPU，有极强抗干扰和纠错能力；9.负压特性：接反电源的极性时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2.1.2 热电阻温度传感器热电阻的测量精度高,性能稳定,使用方便,测量范围宽,在高精度、低温测量中占有重要的地位。热电阻传感器主要用于中低温度(-200+650或850)范围的温度测量。
10、常用的工业标准化热电阻有铂热电阻和铜热电阻。铂电阻传感器是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。以铂电阻作为测温元件进行温度测量的关键是要能准确地测量出铂电阻传感器的电阻值。铂电阻具有适用范围广、测量范围大、稳定性高、重复性好、价格低廉、使用方便等优点，成为目前工业和实验室中温度测量应用最广泛普遍的传感元件之一，工业中应用较多的热电阻传感器如Pt100。2.1.3 方案选择对比上述两种方案，虽然Pt100的测量温度范围比较大，但是由于其测温原理是电阻值随着温度的改变而改变，需要设计非常优良的温度采集电路，其中应包括测温部分，线性化部分，放大部分，A/D转换部分
11、，这就会使外围的电路更加复杂。DS18B20是数字式温度传感器，只需一根总线就可以与单片机通信，是外围的电路大大简化，测量的精度更准确。因此本控制器的设计中，温度传感器拟选择DS18B20作为温度采集传感器。2.2 温度采集模块电路的设计2.2.1 DS18B20介绍DS18B20引脚图如图2-1所示。图2-1 DS18B20引脚图DALLAS 最新的单线数字温度传感器DS18B20是一种新型“一线器件”，它的体积更小、更适用于多种场合、而且适用电压更宽、也更经济。DALLAS 半导体公司开发的数字化温度传感器DS18B20也是世界上第一片支持“一线总线”接口的数字温度传感器。温度的测量范围为
12、-55+125 摄氏度，能编程为9位12 位转换精度，0.0625摄氏度的测温分辨率，分辨率的设定参数及用户设定的报警温度会存储在EEPROM 中，掉电后依然能保存。用符号扩展的16位数字量方式串行的输出被测温度；采用寄生电源方式产生，其工作的电源既可以远端引入；3 根或2根线上可并联多个DS18B20，CPU只需要一根端口线就能与诸多的DS18B20 通信，较少占用微处理器的端口，可以节省逻辑电路和大量的引线，因而用它来组成的测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可挂多个这样的数字温度计，非常的方便。2.2.2 温度传感器工作原理DS18B20的读写时序及测温原理与DS1820是相同的，得到
13、的温度值的位数却会因为分辨率的不同而不同，而且进行温度转换时的延时时间从2s 减为750ms。 DS18B20的测温原理：低温度系数的晶振，它是用以产生固定频率的脉冲信号给计数器1，它的振荡频率受到温度的影响非常的小。高温度系数的晶振，则它的振荡率会随着温度的变化而明显的改变，产生的信号就作为计数器2的脉冲输入。温度寄存器以及计数器1被预先设置在55所对应的一个基数值。对从低温度系数晶振产生的脉冲，将会通过计数器1来进行减法的计数，当计数器1预置的值减到了0的时候，计数器1的预置值将重新装入，这时候温度寄存器的值就加1。计数器1也就重新开始进行计数，如此循环，停止温度寄存器值的累加时计数器2的
14、计数值到0，所测温度就为此时温度寄存器中的数值。DS18B20功能特点：1.采用了总线技术，与单片机的通信只需要一根I/O线，在一根线上可以挂接多个的DS18B20。2.每只DS18B20它是根据序列号来访问相应的器件，具有一个独有的，不可更改的64位的序列号。3.低压供电，电源范围为3-5V，可本地供电，也能直接通过数据线提供电源（即寄生电源2方式）。4.在-10C至+85C范围内的可以达到精度为0.5摄氏度，测温的范围为55+125摄氏度。5.温度超过了的预定值的器件可以用报警搜索命令识别以及寻址。6.用户可以自己设定报警上下限温度。7.它转换12位的温度的最大时间为750毫秒，可编辑的数
15、据位9-12位。8.DS18B20的分辨率由用户通过EEPROM设置为9-12位。9.DS18B20可以将检测到的温度值直接转化为数字量，并且通过串行通信方式。DS18B20有4个主要数据部件：1. 光刻ROM中的64位序列号在出厂之前就已经被光刻好了，它可看作该DS18B20的地址的序列码。64位光刻ROM的排列为：开始的8位 （28H）是产品类型的标号，接着48位是该DS18B20的自身序列号，最后的8位是前面的56位循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是让每一个DS18B20都不相同，这样的话就能够一根总线上可挂接多个的DS18B20。2. DS18B20温度传感器能实现对温度的测量，以
