毕业设计单片机的温度控制系统.docx
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毕业设计单片机的温度控制系统
毕业项目任务书
毕业项目题目
单片机的温度控制系统
项目指导教师(校内专任教师)
王美萍
职称
教师
项目指导教师(校外指导教师)
李宁
职务
班长
一、项目主要内容与基本要求:
1.本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计,主要是介绍了对水箱温度的显示、控制及报警,实现了温度的实时显示及控制。
水箱水温控制部分,提出了用DS18S20、AT89C51单片机及LED的硬件电路完成对水温的实时检测及显示,利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。
2.用单片机实现其具体控制功能如下:
(1)能够连续测量水的温度值,用十进制数码管来显示水的实际温度。
(2)能够设定水的温度值,设定范围是30℃~90℃。
(3)能够实现水温的自动控制,如果设定水温为85℃,则能使水温保持恒定在85℃的温度下运行。
(4)用单片机AT89C51控制,通过按键来控制水温的设定值,数值采用数码管显示。
二、各阶段任务安排:
十二月份:
确定项目的方案制定多个方案进行选择。
一月份:
进行各个资料的收集与整理,挑选适合的资料。
二月份:
硬件电路的设计。
三月份:
软件部分的设计。
四月份:
系统的调试与结论的分析
三、参考资料:
1张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社
2曹巧媛主编.单片机原理及应用(第二版)
3何力民编.单片机高级教程.北京:
北京航空大学出版社
4金发庆等编.传感器技术与应用.北京机械工业出版社
5王锦标,方崇智.过程计算机控制.北京:
清华大学出版社
6邵惠鹤.工业过程高级控制.上海:
上海交通大学出版社
7胡寿松.自动控制原理.北京:
国防工业出版社,
8刘伯春.智能PID调节器的设计及应用.电子自动化
海尔学院
毕业项目设计书
项目名称:
单片机的温度控制系统设计
专业名称:
电气自动化
姓名:
杨帅
学号:
201029043207
班级:
二班
指导教师:
王美萍
2013年4月
目录
第1章前言
1.1课题的背景及其意义2
第2章设计理论基础
2.1单片机的发展概况3
2.2AT89C51系列单片机介绍4
2.2.1AT89C51系列基本组成及特性4
2.2.2AT89C51系列引脚功能5
2.2.3AT89C51系列单片机的功能单元7
2.3ADC0809模数转换器8
2.4运算放大器LM32410
2.5移位寄存器74LS16411
2.6数码显示管LED12
2.7数字温度计DS18S2012
第3章电路设计
3.1单片机控制单元14
3.2温度采样部分14
3.3显示部分15
3.4调节执行单元15
第4章软件设计
4.1主程序流程图17
4.2按键流程图18
4.3显示流程图19
第5章系统调试及结论分析
5.1硬件调试20
5.1.1硬件电路故障及解决方法21
5.1.2硬件调试方法21
5.2软件调试22
5.2.1软件电路故障及解决方法22
5.2.2软件调试方法23
5.3结论分析23
第6章总结
6.1总结24
第1章前言
1.1课题的背景及其意义
现代工业设计,工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用,早期的温度控制主要用于工厂时间生产中,能起到实时采集温度数据,提高生产效率,产品质量之用。
随着人们生活质量的提高,现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店,厂房以及家庭生活中,在有些应用中,如高精度的生产厂房,对温度的要求极其严格,温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。
因此,这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备,提供温度数据值,使人们对温度的变化做及时的调整,多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值,及时反映生产,生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料,提示人们温度变化情况,协助人们能及时的调整,起到温度报警作用,使温度控制更好的服务于社会生产,生活。
电子技术的飞速发展,给人类的生活带来了根本的的变革,特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机,更是将人类社会带入了一个新的时代。
利用微机的强大功能。
人们可以完成各种各样的控制。
然而,微机造价高,对于大多数的工业控制来说,也并不需要微机那样强大的功能,于是单片机就运用而生了。
单片机其实就是一个简化的微机,将微机的CPU,存储器,I/O接口。
定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机了,它主要用来完成各种控制功能。
相对微机来说,单片机价格低,非常适合于应用在简单的控制场合以降低成本。
另外,单片机是按照工业控制要求设计的,其可靠性很高,可在工业现场复杂的环境下运行。
单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比,在工业控制,数据采集,智能化仪表,家用电器等方面得到极为广泛的应用。
温度是表征物体冷热程度的物理量,温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。
温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。
由于温度测量的普遍性,温度传感器的数量在各种传感器中居首位。
而且随着科学技术和生产的不断发展,温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。
温度是一个模拟量,如果采用适当的技术和元件,将模拟的温度量转化为数字量虽不困难,但电路较复杂,成本较高。
第2章设计理论基础
本设计系统的基本组成单元包括:
主机、温度采样单元、单片机控制单元、调节执行单元四部分,本章将逐一进行介绍。
2.1单片机的发展概况
1970年微型计算机研制成功之后,随之即出现了单片机(即单片微型计算机)—美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008,这也算是单片机的第一次公众亮相。
1976年Intel公司首先推出能称为单片机的MCS-48系列单片微型计算机。
它以体积小、功能全、价格低等特点,赢得了广泛的应用,同时一些与单片机有关公司都争相推出各自的单片机。
1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机,Zilog公司相继推出Z8单片机系列。
1980年Intel公司在MCS-48系列基础上又推出高性能的MCS-51系列单片机。
这类单片机均带有串行I/O口,定时器/计数器为16位,片内存储容量(RAM,ROM)都相应增大,并有优先级中断处理功能,单片机的功能、寻址范围都比早期的扩大了,它们是当时单片机应用的主流产品。
1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位单片机MK68200和MCS-96系列,NS公司和NEC公司也分别在原有8位单片机的基础上推出了16位单片机HPC16040和μPD783××系列。
1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196,1988年推出带EPROM的87C196单片机。
由于16位单片机推出的时间较迟、价格昂贵、开发设备有限等多种原因,至今还未得到广泛应用。
而8位单片机已能满足大部分应用的需要,因此,在推出16位单片机的同时,高性能的新型8位单片机也不断问世。
纵观这短短的20年,经历了4次更新换代,单片机正朝着集成化、多功能、多选择、高速度、低功耗、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容的方向发展。
新一代的80C51系列单片机除了上述的结构特性外,其最主要的技特点是向外部接口电路扩展,以实现微控制器(microcontroller)完善的控制功能为己任。
这一系列单片机为外部提供了相当完善的总线结构,为系统的扩展和配置打下了良好的基础。
由于80C51系列单片机所具有的一系列优越的特点,获得广泛使用指日可待。
下面我们就来重点介绍一下本毕业论文讨论的系统所用的AT89C51系列单片机。
2.2AT89C51系列单片机介绍
2.2.1AT89C51系列基本组成及特性
AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
而在众多的51系列单片机中,要算ATMEL公司的AT89C51更实用,也是一种高效微控制器,因为它不但和8051指令、管脚完全兼容,而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的,这种工艺的存储器,用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。
而这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。
AT89C51基本功能描述如下:
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器,而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器,能重复写入/擦除1000次,数据保存时间为十年。
它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容,不仅可完全代替MCS-51系列单片机,而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低了系统成本。
只要程序长度小于4k,四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程,而且写入时间仅10毫秒,仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制领域。
AT89C51芯片提供三级程序存储器锁定加密提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。
另外,AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点。
128×8位内部RAM,32位双向输入输出线,两个十六位定时器/计时器,5个中断源,两级中断优先级,一个全双工异步串行口及时钟发生器等。
AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。
间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时,CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态,内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。
这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。
掉电模式是VCC电压低于电源下限,当振荡器停止振动时,CPU停止执行指令。
该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变,一直到掉电模式被终止。
只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后,通过硬件复位、掉电模式可被终止。
2.2.2AT89C51系列引脚功能
AT89C51有40引脚双列直插(DIP)形式。
其与80C51引脚结构基本相同,其逻
辑引脚图如图2-1。
各引脚功能叙述如下:
1.电源和晶振
VCC——运行和程序校验时加+5V
GND——接地
XTAL1——输入到振荡器的反向放大器
XTAL2——反向放大器的输出,输入到内部时钟发生器(当使用外部振荡器时,XTAL1接地,XTAL2接收振荡器信号)
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
2.I/O(4个口,32根)
P0口——8位、漏极开路的双向I/O口。
当使用片外存储器(ROM、RAM)时,作地址和数据分时复用。
在程序校验期间,输出指令字节(需加外部上拉电路)。
P0口(作为总线时)能驱动8个LSTTL负载。
P1口——8位、准双向I/O口。
在编程/校验期间,用于输入低位字节地址。
P1口可驱动4个LSTTL负载。
对于80C51,P1.0——T2,是定时器的计数端且位输入;P1.1——T2EX,是定时器的外部输入端。
这时,读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。
P2口——8位、准双向I/O口。
当使用片外存储器(ROM及RAM)时,输出高8位地址。
在编程/校验期间,接收高位字节地址。
P2口可以驱动4个LSTTL负载。
P3口——8位、准双向I/O口,具有内部上拉电路。
P3口提供各种替代功能。
在提供这些功能时,其输出锁存器应由程序置1。
P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。
3.串行口
P3.0——RXD(串行输入口),输入。
P3.1——TXD(串行输出口),输出。
4.中断
P3.2——INT0外部中断0,输入。
P3.3——INT1外部中断1,输入。
5.定时器/计数器
P3.4——T0定时器/计数器0的外部输入,输入。
P3.5——T1定时器/计数器1的外部输入,输入。
6.数据存储器选通
P3.6——WR低电平有效,输出,片外存储器写选通。
P3.7——RD低电平有效,输出,片外存储器读选通。
7.控制线(共4根)
输入:
RST——复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
EA/Vpp——片外程序存储器访问允许信号,低电平有效。
在编程时,其上施加21V的编程电压。
注意:
在加密方式1时,EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
输入、输出
2.2.3AT89C51系列单片机的功能单元
1.并行I/O接口:
单片机芯片内有一项主要功能就是并行I/O口。
51系列共有4个8位的并行I/O口,分别记作P0、P1、P2、P3每个口都包含一个锁存器,一个输出驱动器和输入缓冲器。
实际上,它们已被归入专用寄存器之列,并且具有字节寻址和位寻址功能。
在访问片外扩展存储器时,低八位地址和数据由P0口分时传送,高八位地址由P2口传送。
2.定时器/计数器:
定时器/计数器(timer/counter)是单片机中的重要部件,其工作方式灵活、编程简单,使用它对减轻CPU的负担和简化外围电路都大有好处。
C51系列包含有两个16位的可编程定时器/计数器分别称为定时器/计数器T0和定时器/计数器T1;在C51部分产品中,还包含有一个用做看门狗的8位定时器。
定时器/计数器的核心是一个加1计数引脚上施加器,其基本功能是加1功能。
在单片机的定时器T0或T1中,有一个定时器发生由0到1的跳变时,计数器增1,即为计数功能;在单片机内部对机器周期或其分频进行计数,从而得到定时,这就是定时功能。
在单片机中,定时功能和计数功能的设定和控制都是通过软件来进行的。
定时器/计数器内部结构及其原理:
由定时器0、定时器1、定时器方式寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON组成。
当定时器/计数器设置为定时工作方式时,计数器对内部机器周期计数,每过一个机器周期,计数器加1,直至计满溢出。
3.振荡器:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
当输入至内部时钟信号时要通过一个二分频触发器,而对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4.芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦除操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
5.中断系统
中断系统是单片机的重要组成部分。
实时控制、故障自动处理、单片机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。
中断系统大大提高了系统的效率。
C51系统有关中断的寄存器有4个,分别为中断源寄存器TCON和SCON、中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP;中断源有5个,分别为外部中断0请求INT0、外部中断1请求INT1、定时器0溢出中断请求TF0、定时器1溢出中断请求TF1和串行中断请求R1或T1。
5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器IP和顺序查询逻辑电路共同决定,5个中断源分别对应5个固定的中断入口地址。
中断的特点是分时操作,实时处理和故障处理。
2.3ADC0809模数转换器
ADC0809是位A/D转换芯片,它是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。
ADC0809由单+5V电源供电;片内带有锁存功能的8路模拟多路开关,可对8路0~5V的输入模拟电压分时进行转换,完成一次转换约需100µS;片内具有多路开关的地址译码器和锁存器、高阻抗斩波器、稳定的比较器,256电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。
ADC0809是引脚双列直插式封装,引脚及其功能(图2-2):
1.D7~D0:
8位数字量输出引脚。
2.IN0~IN7:
8路模拟量输入引脚。
3.VCC:
+5V工作电压。
4.GND:
接地。
5.REF(+):
参考电压正端。
6.REF(-):
参考电压负端。
7.START:
A/D转换启动信号输入端。
8.A、B、C:
地址输入端。
9.ALE:
地址锁存允许信号输入端。
10.EOC:
转换结束信号输出引脚,开始转换时为低电平,当转换结束时为高电平。
11.OE:
输出允许控制端,用以打开三态数据输出锁存器。
12.CLK:
时钟信号输入端,译码后可选通IN0~IN7八个通道中的一个进行转换。
表2-1A、B、C的输入与被选通道的通道关系
2.4运算放大器LM324
本次设计所用的运算放大器是LM324,而LM324的系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比,它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
它的性能特点是短跑保护输出、真差动输入级、底偏置电流为最大100mA、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。
运算放大器LM324的引脚图如图2-3:
由于本次设计中采集电路所采集到的信号值与我们所预期的结果有时会有很大的差距,因此信号值要被真实地反映出来,须采用放大电路进一步处理。
按比例将信号放大的电路,称为比例运算放大电路,简称比例电路。
2.5移位寄存器74LS164
移位寄存器74LS164的引脚如图2-6所示:
74LS164为串行输入、并行输出移位寄存器,其引脚功能如下:
A、B——串行输入端;
Q0~Q7——并行输出端;
MR——清除端,低电平有效;
CLK——时钟脉冲输入端,上升沿有效。
多片74LS164串联,能实现多位LED静态显示。
每扩展一片164就可增加一位显示。
MR接+5V,不清除。
2.6数码显示管LED
LED显示器是单片机应用系统中常见的输出器件,而在单片机的应用上也是被广泛运用的。
如果需要显示的内容只有数码和某些字母,使用LED数码管是一种较好的选择。
LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活,与单片机接口简单易
行。
LED数码管作为显示字段的数码型显示器件,它是由若干个发光二极管组成的。
当发光二极管导通时,相应的一个点或一个笔画发亮,控制不同组合的二极管导通,就能显示出各种字符,常用的LED数码管有7段和“米”字段之分。
这种显示器有共阳极和共阴极两种。
共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连在一起,通常此共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮,相应的段被显示。
同样,共阳极LED显示器的发光二极管的阳极接在一起,通常此共阳极接正电压,当某个发光二极管的阴极接低电平时,发光二极管被点亮,相应的段被显示。
本次设计所用的LED数码管显示器为共阳极。
LED数码管的使用与发光二极管相同,根据材料不同正向压降一般为1.5~2V,额定电流为10MA,最大电流为40MA。
静态显示时取10MA为宜,动态扫描显示可加大脉冲电流,但一般不超过40MA。
2.7数字温度计DS18S20
在传统的模拟信号远距离的温度测量系统中,需要很好的解决引线误差补偿问题、多点切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术。
另外考虑到一般的测量现场的电磁环境非常的恶劣,各种干扰信号较强,模拟信号很容易受到干扰而产生测量误差,影响测量精度。
因此,在温度测量系统中,采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效的方案。
在实际的温度测量过程中被广泛应用,同时也取得了良好的测量效果。
DS18S20数字温度计的主要特性:
1.DS18S20的适应电压范围更宽,其范围为:
3.0-5.5V,而且它能够直接由数据线获取电源(寄生电源),无需外部工作电源。
2.DS18S20提供了9位摄氏温度测量,具有非易失性、上下触发门限用户可编程的报警功能。
3.DS18S20通过1-Wire®总线与中央微处理器通信,仅需要单根数据线(或地线)。
同时,在使用过程中,它不需要任何的外围的元件,全部的传感元件和转换电路集成在形状如一只三极管的集成电路内。
4.DS18S20具有-55°C至+125°C的工作温度范围,在-10°C至+85°C温度范围内精度为±0.5°C。
5.每片DS18S20具有唯一的64位序列码,这些码允许多片DS18S20在同一条1-Wire总线上工作,因而,可方便地使用单个微处理器控制分布在大范围内的多片DS18S20器件。
6.DS18S20的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,同时还可以传送给CRC校验码,它具有极强的抗干扰纠错的能力。
7.DS18S20具有负载特性,当电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但是不能正常的工作。
根据以上这些特性而从中受益的应用包括:
HVAC环境控制、室内,设备或者机器内部的温度监测系统、过程监控和控制系统。
第3章电路设计
本设计采用按键作为输入控制,通过温度多采样单元采集温度信息,经过LM324放大器放大及ADC0809数模转换器将其转换,由主机AT89C51进行处理并将实际温度值和设定温度值分别显示在共阳极数码显示管LED上
3.1单片机控制单元
单片机控制单元,如图3-1所示,包括按键控制电路,其中按键控制电路这一模块设置了:
“设置”、“加1”、“右移”、“确定”四个按键,来实现人机对话。
人为地设定温度门限值,使电路在人为设定的某一温度值相对稳定的工作。
3.2温度采样部分
温度采样单元,如3-2所示,用于采集被控对象的温度参数,它由温度电压转换、小信号放大及A/D转换三部分组成。
其中,将温度转化为电量的温度电压转换由温度传感器-热敏电阻实现,小信号放大由桥式放大电路实现,A/D转换选择模数转换器ADC0809,将采集到的温度模拟信号转换为AT89C51能够处理的二进制数字信号。
温度传感器:
广义来讲,一切随温度变化而物体性质亦发生变化的物质均可作为温度传感器。
例如,我们平常使用的各种材料、元件,其性质或多或少地都会随其
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- 毕业设计 单片机 温度 控制系统