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1、 学号： 常 州 大 学单 片 机 硬 件 实 习 报 告题 目： 学 生： 学院（系）： 专 业 班 级： 指导教师： 单片机硬件实习任务书一、设计题目 温度测控与显示设计二、设计背景 利用单片机实现温度实时控制，数字显示及信息存贮，对于提高效率和产品质量，节约能源有着积极意义。生产过程对控制器要求并不复杂，以51系列为核心组成控制器完全可以满足要求。三、设计内容及目标设计内容：1）查相关资料，了解温度控制、检测方法；2）设计一种温度检测和控制电路；并用Protel绘制硬件电路原理图。3）软件设计，并画出程序流程图及写出程序清单。4）对开发关键技术、主要芯片（特别是检测芯片器件等）加以介绍。
2、5）按要求写硬件实习报告。温度值设定可利用键盘也可直接在软件中设定，显示设定值和实际温度值可利用8255控制。设计目标：设定温度值，当系统采集的温度值低于设定值时，开通加热系统；反之，当温度高于设定值时，关闭加热系统，使加热系统降温。四、进度安排第十七周 星期一：题目安排；图书馆查相关资料； 星期二至星期四：进实验室，硬件设计及软件设计； 星期四下午：设计过程检查及指导； 星期五：完善硬件及软件设计；开始准备实习报告初稿。第十八周 星期一星期四：进实验室，完成实习任务；完善实习报告。 星期五上午在实验现场进行结果演示及答辩。星期五下午交实习报告。五、设计时间：2014 年 6 月 16 日到
3、2014 年 6 月27日 通信工程 教研室 指导教师： 屈霞 _温度测控与显示设计摘要： 该温度测控与显示系统采用单片机进行温度实时采集与控制。温度信号由“一线总线”数字化温度传感器DS18B20提供，DS18B20在-10+85C范围内, 固有测温分辨率为0.5 。温度实时控制采用继电器控制电热丝和风扇进行升温、降温控制。系统具备较高的测量精度和控制精度，能完成升温和降温控制。目 录1. 系统方案选择和论证21.1 题目要求21.1.1基本要求21.1.2发挥部分21.1.3说明21.2系统基本方案21.2.1各模块电路的方案选择及论证21.2.2系统各模块的最终方案52. 硬件设计与实现
4、62.1系统硬件模块关系62.2主要单元电路的设计62.2.1温度采集部分设计62.2.2加热控制部分82.2.3键盘、显示、控制器部分83. 系统软件设计103.1 读取DS18B20温度模块子程序103.2数据处理子程序103.3键盘扫描子程序123.4主程序流程图134. 系统测试144.1 静态温度测试144.2动态温控测量144.3结果分析14附录1：产品使用说明15附录2：元件清单15附录3：系统硬件原理图16附录4：软件程序清单17参考文献261.系统方案选择和论证1.2系统基本方案根据题目要求系统模块分可以划分为：温度测量模块，显示电路模块，加热模块，控制模块，系统的框图如图1
5、.2.1所示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。1.2.1各模块电路的方案选择及论证（1）控制器模块根据题目要求，控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理、控制电热丝和风扇使控制对象满足设计要求、控制显示电路对温度值实时显示以及控制键盘实现对温度值的设定等。对控制器的选择有以下三种方案：Output显示电路加热装置测温部分键盘输入控制部分Input图1.2.1 系统基本模块方框图方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA功能强大，可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进
6、行功能扩展。FPGA采用并行的I/O口方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统控制核心。由温度传感器送来的温度信号，经FPGA程序对其进行处理，控制加热装置动作。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。方案二：采用模拟运算放大器组成PID控制系统。对于水温控制是足够的。但要附加显示、温度设定等功能，要附加许多电路，稍显麻烦。方案三：采用ATMEL公司的AT89C52作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优
7、点。基于以上分析拟订方案二，由AT89C52作为控制核心，对温度采集和实时显示以及加热装置进行控制。（2）加热装置有效功率控制模块根据题目，可以使用电热炉进行加热，控制电热炉的功率即可以控制加热的速度。当水温过高时，关掉电热炉进行降温处理，让其自然冷却。在制作中，我们装设一个小电风扇，当水温超高时关闭电炉开启风扇散热，当需要加热时开启电炉关闭风扇。由于加热的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用220V电源。对加热装置控制模块有以下两种方案：方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式：控制导通的交流周期数达到控制功率的目的；控制导通角的
8、方式控制交流功率。由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标。该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。但该方案可以实现功率的连续调节，因此响应速度快，控制精度也高。方案二：采用继电器控制。使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。但可以由多路加热丝组成功率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率
9、控制提高系统动态性能。基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，采用继电器控制省去光耦和交流过零检测电路，在软件上选用适当的控制算法，同样可以达到较好的效果。（3）温度采集模块题目要求温度静态误差小于等于0.2，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下三种方案：方案一：利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值相应的温度值。最常用的的是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温的条件下其物理，化学性质不变。由铂电阻阻值的变化经小信号变送器XTR101将铂电阻随温度变化的转换为42
10、0mA线形变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到A/D转换器ADC0809.即将模拟信号转换为数字信号。该方案线性度优于0.01。方案二：采用温度传感器AD590K。AD590K具有较高精度和重复性，良好的非线性保证0.1的测量精度。加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。AD590将温度转化为电流信号，因此要加相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号。送入8为A/D转换器，可以获得255级的精度，基本满足题目要求。 方案三：采用数字温度传感器DS18B20。DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。如图1.2.2 所示
11、。图1.2.2 DS18B20测温电路基于以上分析和现有器件所限，温度采集模块选用方案三。DS18B20与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。（4）键盘与显示模块根据题目要求，水温要由人工设定，并能实时显示温度值。对键盘和显示模块有下面两种方案： 方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示三位温度值，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。方案二：采用三位LED七段数码管分别显示温度的十位
