温度控制器

姓名：班级：学号：1智能电子产品设计课程题目：温度采集控制器学生姓名：学院：班级：指导教师：姓名：班级：学号：2第1章概述本设计以AT89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。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。文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路、PC机与单片机串口通讯电路和一些接口电路。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。文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、超温报警程序。1.温度调节系统构成系统主要包括单片机控制模块，温度采集模块，温度显示模块，温度上下限调整模块，温度调整模块等五大部分。系统总体框架如图1所示。图1-1温度调节系统温度显示模块温度采集模块温度上下调限整模块温度调整模块单片机控制模块姓名：班级：学号：3第2章控制器方案2.1控制器方案设计系统的原理是采用温度传感器对温度进行控制，并把温度状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中，再通过3位八段LED显示器显示出温度的测量值及报警安全提示。用LED显示是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点，根据当前的温度值和用户设定的温度值决定是否增加或减少温度。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，温度增加；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，温度降低。温度检测A/D转换器LED显示电路键盘操作温度控制电路报警电路8051单片机图2-1硬件电路设计图2.2控制器原理图所设计系统的原理图共分为七大模块：主模块、指示灯、加热器启动或停止模块、温度的测量模块、键盘模块、报警模块和电源设计模块。如下图2-2所示。姓名：班级：学号：4图2-2控制原理图2.3主要芯片概述2.3.1单片机AT89C511．AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。2．功能特性：兼容MCS-51指令系统32个双向I/O口姓名：班级：学号：52个16位可编程定时/计数器，全双工UART串行中断口线，2个外部中断源，中断唤醒省电模式，看门狗（WDT）电路，灵活的ISP字节和分页编程，4k可反复擦写(1000次）ISPFlashROM，4.5-5.5V工作电压，时钟频率0-33MHz128x8bit内部RAM，低功耗空闲和省电模式，3级加密位软件设置空闲和省电功能。3.系统中所用一些引脚的简介P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）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。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.3.2数字温度传感器DS18B202*DS18B20的外形和内部结构DS18B20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下图:DS18B20引脚定义(1)DQ为数字信号输入/输出端；DS18B20VCCDCGNDR?RES2VCC3DQ2GND1U2DS18B20姓名：班级：学号：6(2)GND为电源地；(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图2-3：DS18B20内部结构图3*DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。图2-4：DS18B20测温原理框姓名：班级：学号：72.4LED数码管2.4.1.LED数码管显示器的结构LED显示器是一种由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。单片机系统中通常使用8段LED数码显示器，其外形及引脚如图2-5（a）所示，由图可见8段LED显示器由8个发光二极管组成。其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，通过不同的组合可用来显示各种数字，包括A～F在内的部分英文字母和小数点“.”等字样。a数码管引脚排列bLED显示器两种不同的接法图2-5LED数码管显示器LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起构成共阳极，使用时共阳极接+5V,每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时不点亮。这称为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起构成共阴极，使用时共阴极接地，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阳极端输姓名：班级：学号：8入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时不点亮。这称为共阴极LED显示器。如图2-5（b）所示。图2-6LED显示器动态显示接口电路姓名：班级：学号：9第3章硬件电路设计3.1主模块单片机控制模块是温度控制器的核心，它控制了温度的采集、处理与显示、温度上下限值的设定与温度越限时加热器的启动与停止。本文选用AT89C51作为控制器件。P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.0/AD821P2.1/AD922P2.2/AD1023P2.3/AD1124P2.4/AD1225P2.5/AD1326P2.6/AD1427P2.7/AD1528P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17P1.78P1.67P1.56P1.45P1.34P1.23P1.12P1.01EA31ALE30PESN29XTAL118XTAL219RST9U1AT89C51C133pFC233pFX1CRYSTALC322uFR81K12345678910111213141516JPHEADER8X2主模块3-1主模块3.2键盘设定温度模块温度上下限设置模块温度上下限设置模块包括四个按键：（1）模式切换键：进行模式之间的切换，模式包括设置温度上限模式、设置温度下限模式，每次按下该键就在这两种模式之间切换。（2）温度上下限增加键：增加温度上下限的值。（3）温度上下限减少键：减少温度上下限的值。（4）确定键：确定保存设置。姓名：班级：学号：10图3-2温度控制器面板设计表3-1规格参数电源电压100~240VAC，50/60Hz24VAC/DC，50/60Hz电压范围额定供给电压的85%~110%功耗5VA3VA/2W传感器输入多点输入控制输出继电器输出250VAC，3A阻性负载电源输出12VDC，21mA控制方法ON/OFF或自动调节报警输出250VAC，1A阻性负载设置方法使用面板按键设置显示方法4位，七段数字显示其他功能·输入移动·温度单位更改·报警输出·传感器错误检测3.3温度采集模块数字化温度传感器DS18B20,测量温度范围为-55°C~+125°C,在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。并且还可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。图3-3为温度采集模块姓名：班级：学号：11R?RES2VCC3DQ2GND1U2DS18B20图3-3温模块3.4报警电路路由一个三极管和蜂鸣器组成。当温度值在设定的范围时，单片机AT89C51的P3.7口高电平引脚始终保持高电平，当所采集的温度越限时，P3.7口便由高电平改为低电平，使三极管导通从而发出蜂鸣声进行报警来提醒操作人员实施相应的措施，如图3-4所示LSSPEAKERR?10KQ?PNP1+5图3-4报警模块3.5电源模块电源模块为系统板上其它模块提供＋5V电源，电源输入有两种方式，一种为交直流电源从电源插座输入，输入的电压要求，直流输入应大于7.5V，交流输入应大于5V，通过7805三端稳压器得到5V的直流电源供给系统其它模块工作，另一种为从USB接口获取＋5V电源，只要用相应配套的USB线从电脑主机获取＋5V直流电源，在电源模块中加有保护电路，即电路中有短路，不会对7805三端稳压器及电脑主机电源有损害！其电路原理图如图3-5所示姓名：班级：学号：12图3-5电路原理图3.6总结整个系统的工作原理是：由AT89C51单片机控制，按预先编制的程序定时对被测信号进行采样，并自动进行零漂校正，最后显示所测温度值，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行温度值的控制，并输出0~10mA控制电流，配以主回路实现温度的控制及显示。系统程序分传感器控制程序和显示器程序和温度控制程序三部分，传感器控制程序是按照DS18B20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。标度转换程序根据温度检测值求的实际炉温，数字调节器程序根据恒温给定值与实际值的偏差。，调节温度的变化使之与给定恒温值一致。AT89C51对温度的控制是通过双向可控硅实现的。双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路。在给定周期T内，AT89C51只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。姓名：班级：学号：13软件设计流程图本软件流程图设计简易合理，方便易于操控，能够针对温度的不同状态和不同外界条件进行控制,温度运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善;同时大大提高了控制系统的抗干扰能力。下主程序流程图姓名：班级：学号：14第4章设计总结这次设计，不仅是对我的一种锻炼，也是对我大学二年所学知识的综合检查。从开始设计到设计的完成，我感觉收获很多，不仅在理论上有了很大的升华,并且还在实践中锻炼了自己。使自己成长了许多。对于软件设计，因为以前的编程经验不够，因此，