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1、毕 业 论 文 正 文 第1页数字温度自动控制系统毕业设计摘 要随着科技的不断进步，在工业生产中温度是常用的被控参数，而采用单片机来对这些被控参数进行控制已成为当今的主流。本文介绍了数字温度测量及自动控制系统的设计。阐述了以AT89C2051单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。主要组成部分：AT89C2051单片机、温度传感器、显示电路、温度控制电路。它可以实时的显示和设定温度，实现对温度的自动控制。而且设有大功率驱动电路。测试表明，本设计对温度的控制有方便、简单的特点，大幅提高了被控温度的技术指标。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。文中介绍了该
2、控制系统的硬件部分，包括：温度检测与温度控制电路。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。关键词： 温度自动控制;AT89C2051;DS18B20哈尔滨职业技术学院印制目 录绪 论2第1章系统总体设计31.1系统设计任务与要求31.1.1系统设计任务与要求31.1.2重点研究内容31.1.3实现途径及方法41.2系统总体方案设计4第2章系统硬件各功能模块的设计62.1主控模块的设计62.1.1单片机的选择62.1.2 温度传感器的选择82.1.3复位和时钟电路的设计122.1.4 温度采集电路132.2人机接口设计142.2.1键盘的设计142.2.2显示电路的设计14第3章软
3、件设计183.1主程序模块183.2数据采集和显示模块203.3输入模块21第4章 调试与仿真234.1 调试234.1.1硬件调试234.1.2软件调试244.1.3综合性能调试244.2 仿真25结 论26参考文献27致 谢29附录1：源程序30附录2：各部分模块子程序41绪 论 温度是表征物体冷热程度的物理量。在很多生产过程中，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新
4、的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占了系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单
5、片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。 随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。第1章 系统总体设计1.1 系统设计任务与要求1.1.1 系统设计任务与要求该温度自动控制系统采用AT89C2051单片机为主控芯片，传感器采用数字温度传感器DS18B20，实现对温度的检测和控制。主要技术指标：可调节的范围为099。该温度自动控制系
6、统由温度信号采样电路，键盘及显示电路，温度控制电路，电源电路，时钟信号电路等构成，并运用程序算法进行温度控制和调整。根据设计任务，详细分析温度自动控制系统的设计需求，并进行软硬件的总体设计。由键盘电路输入设定温度信号给单片机，温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机，单片机根据输入与反馈信号的偏差进行计算，输出反馈量给温度控制电路，实现升温。显示电路实现现场温度的实时监控。设计人员需完成全部硬件和软件的设计，做出成品并对设计结果进行验证。1.1.2 重点研究内容本设计包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括温度信号采样电路，键盘及显示电路，温度控制电路，电源电路，时钟信号电路等，其中硬件设计重
7、点是键盘及显示电路和温度控制电路。软件设计主要完成系统初始化、键盘处理子程序、DS18B20和数码管的子程序设计、温度控制计算子程序等工作。1.1.3 实现途径及方法本系统主要通过资料查找、系统需求分析、系统总体设计，软硬件总体设计、详细的软件与硬件设计、调试、资料整理等步骤来完成。本系统利用ProtelDXP软件完成硬件电路版设计工作，利用Keil51软件完成系统控制软件的编译调试工作，通过制作成型来用现实生活进行对设计的真实考验。1.2 系统总体方案设计 在这个系统中我们从性能及设计成本考虑,我们选择AT89C2051芯片。AT89C2051的广泛使用，使单片机的价格大大下降。目前，AT8
8、9C2051的市场零售价已经低于8255、8279、8253、8250等专用接口芯片中的任何一种；而AT89C2051的功能实际上远远超过以上芯片。因此，如把AT89C2051作为接口芯片使用，在经济上是合算的。在温度传感器的选择上我们采用温度芯片DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在01000C时，最大线形偏差小于10C。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。本制作的最大特点之一就是直接采用温度芯片对温度进行测量，使数据传输和处理简单化。采用温度芯片DS18B20测量温度，体现了作品芯片化的这个趋势。部分功能电路的集成，使
9、总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。对于温度的调节系统，我们采用的只是简单的升温方法，当温度低于我们设定的最低温度值时，则单片机系统控制加热装置产生热量来提高温度。在这个过程中，我们通过单片机将传感器所测量出来的温度通过两位数码管可以显示出来。这样就能实时显示温度情况。本设计采用了程序控制。在工程实际中，程序算法控制以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制
10、器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用程序算法控制技术最为方便。温度自动控制系统原理框图如图1-1所示：键盘数码管功率驱动加热装置DS18B20AT89C2051图1.1 温度自动控制系统原理框图第2章 系统硬件各功能模块的设计2.1 主控模块的设计2.1.1单片机的选择 由于本设计所要完成的功能并不是特别强大，而且对硬件的控制IO口数量要求也不是很多，同时要求有较低的成本控制。因此本设计打算使用比较常用的一款单片机那就是AT89C2051。因为它能满足以上的要求，同时它的开发环境也比较成熟。以下是这款单片机的介绍： AT89C2051是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有
11、2K 在系可编程Flash 存储器。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 和在系统可编程Flash，使AT89C2051为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。 AT89C2051具有以下标准功能：2k字节Flash，128字节RAM，15位I/O 口线，2个数据指针，两个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片外晶振及时钟电路。另外，AT89C2051 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，R
12、AM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 AT89C2051的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是比较经济的。该芯片具有如下功能：有15个通用用的IO接口；有1个全双工异步串行通信接口；有2个16位定时/计数器。这样，1个AT89C52，承担了2个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。AT89C2051有20个引脚，有15个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复插除。所以可以降低成本1。其主要工作特性为：l 内含2KB的Flash存储器，擦写次数达1000次；l 内
13、含128字节的RAM；l 具有16根可编程I/O线；l 具有2个16位可编程定时器；l 具有6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构；l 具有1个全双工的可编程串行通信接口；l 具有1个数据指针DPTR；l 两种低功耗工作模式，即空闲模式和掉电模式；l 具有可编程的3级程序锁定位；l 工作电源电压为51.3V，典型值为5V；l 最高工作频率为24MHz。l 引脚排列如图2-1所示。图2-1 AT89C2051引脚排列（PDIP）2.1.2 温度传感器的选择 本设计的温度传感器采用的是DALLAS公司的DS18B20传感器元件原因有它比常用的热电偶传感器有以下好处：它与热电偶相比少去了一个
14、A/D（模数转换芯片）从而使电路有了很大的简化。同时本电路的温度测量范围比较小此器件可以满足，同时此器件的测量精度比较高基本能满足本设计的要求。DS18B20的简介如下：DS18B20原理与特性：本系统采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，大大简化了电路的复杂度，以及算法的要求。首先来介绍一下DS18B20这块传感器的特性及其功能: DSl8B20的管脚及特点 DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如图2.2所示。图2.2 DS
15、18B20的外形及管脚图GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。VDD为电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围3O5.5 V。本文使用外部电源供电。主要特点有： 1. 用户可自设定报警上下限温度值。 2. 不需要外部组件，能测量55+125 范围内的温度。3. 10 +85 范围内的测温准确度为05 。4. 通过编程可实现9l2位的数字读数方式，可在至多750 ms内将温度转换成12 位的数字，测温分辨率可达00625 。 5. 独特的单总线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现与微处理器双向通讯。6. 测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰
