基于单片机的数字温度控制器

单片机原理及系统课程设计专业：电气工程及其自动化班级：电气1203班姓名：学号：指导教师：任丽苗兰州交通大学自动化与电气工程学院2014年12月29日评语：考勤（10）守纪（10）过程（40）设计报告（30）答辩（10）总成绩（100）单片机原理及系统课程设计报告1基于单片机的数字温度控制器1设计目的近十余年来，单片机技术的发展极为迅速，广泛应用于生产、生活的各个领域。本文所设计的控制系统采用AT89C51单片机作为控制核心，设计了数字温度控制器,从硬件结构和软件设计方面阐述了该系统的实现原理。硬件是指以AT89C51单片机为核心，由外接温度测量电路、时钟电路、键盘、复位电路，模拟加热及冷却电路、LCD显示电路组成。而软件部分则主要是为实现系统功能而进行的编程和结果的仿真。2设计要求按照设计思路具体功能如下：(1)温度检测功能，精度为0.1摄氏度，范围为-55—135摄氏度；(2)温度显示功能，使用LCD1602显示温度；(3)温度设定功能，使用键盘更改预设温度值；(4)温度控制功能，模拟加热控制和冷却控制；(5)报警功能，使用蜂鸣器鸣音提示。3设计方案及原理本次设计以AT89C51为主芯片，利用数字温度传感器DS18B20、电阻、LCD1602、LED灯等组成的电路，再利用软件将温度传感器输入的数据与已经设定好的温度进行比较，以达到控制温度的效果。此外，根据不同的要求，可以利用键盘进行预设温度的改变。AT89C51显示装置继电器温度检测温度设定时钟控制报警装置加热制冷装置图1系统组织框图单片机原理及系统课程设计报告24硬件设计4.1硬件电路图系统硬件主要由控制模块、温度采集模块、显示模块、报警模块等组成。如图2所示。P2.0P2.2P2.2P2.0P2.6P2.7P2.5XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51X1C130pFC230pFR110KC310uD714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3LCD1LM016L234567891RP1RESPACK-826.0DQ2VCC3GND1U2DS18B20R25k34%RV15k设置键加键减键晶振电路复位电路DS18B20温度传感器LCD1602显示电路Q1PN4249R410kLS1SOUNDER蜂鸣器鸣音提示+5VQ2NPND4DIODER12330RL15V+5VD5LED-GREENR1333065412U4OPTOCOUPLER-NPN12U5:A7407R11330+5V+5V加热器控制LED灯模拟实际加热状态+5VQ3NPND7DIODER9330RL25V+5VD6LED-YELLOWR10330LED灯模拟实际冷却状态65412U4-OPTOCOUPLER-NPN34U5:B7407R8330+5V+5V冷却控制图2硬件电路图4.2模块电路分析(1)控制模块控制模块采用AT89C51单片机，AT89C51单片机内部有一个高增益、反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。通过这两个引脚在芯片外并接石英晶体振荡器和电容，构成一个稳定的自激振荡器。通过复位电路来实现AT89C51的复位操作。单片机的P3.3口接受温度传感器DS18B20检测到的温度值，经过处理后将温度值传输到LCD1602液晶显示器显示出来。电路图见附录1。(2)温度采集模块温度采集模块主要完成对温度信号的采集和转换工作。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位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。DQ为数据输入/输出引脚，GND为地信号，VDD为外接供电电源输入端，当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DS18B20智能温度传感器进行单片机原理及系统课程设计报告3温度采集和转换输出数字型的温度值，然后通过数据引脚传到单片机，单片机接受温度并存储。DS18B20可将温度信号直接转换为数字信号，实现了与单片机的直接接口，从而省去了信号调理和A/D转换等复杂模/数转换电路。电路图见附录1。(3)温度显示模块温度显示模块采用LCD1602液晶显示器对整数、一位小数进行显示，从P0口送数，P2口扫描。LCD1602液晶屏为5V电压驱动，带背光，可显示两行，每行16个字符。液晶1、2端为电源，液晶4端为向液晶控制器写数据/写命令选择端，接单片机P2.0端口。液晶5端为读/写选择端，因为我们不需要从液晶中读取数据，只向其写入命令和数据，因此此端始终选择为写状态，即低电平接地。液晶6端为使能信号，是操作必须的信号。电路图见附录1。(4)报警控制模块当传感器接收到的温度高于或低于预设的范围时，此时蜂鸣器开始报警提示，模拟温度控制的LED灯也开始亮起。电路图见附录1。(5)复位电路模块工作原理是：单片机通电时，电容两端相当于是短路，则RST引脚上为高电平，然后电源通过电子对电容充电，RST两端电压慢慢下降，降到一定程度，即为低电平，单片机开始正常工作。上电复位的时间要在10ms以上，才能保证上电，一般可以取电容的大小为10μF，电阻为10KΩ。电路图见附录1。(6)振荡电路模块振荡电路对于单片机来说非常重要，没有晶振就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。单片机工作时是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步地执行。单片机内部有一个用于构成片内振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体（或陶瓷振荡器）一起构成自激振荡器，振荡电路图3-4所示。图中外接石英晶体（或陶瓷振荡器）以及电容C1或C2构成并联振荡电路，接在放大器的反馈回路中。电容的大小没有严格的要求，但也会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和稳定性。电路图见附录1。(7)温度设置模块考虑到温度计的工作环境及用途的不确定性，本次设计的温度计的报警范围可以改变初始的设置。温度的设置键与单片机的P3.0口相连，温度的增加键与单片机的P3.1口连接，温度的减小键与单片机的P3.2口连接。当用户按下设置单片机原理及系统课程设计报告4键时，经过延时后，此时用户就可以通过加减键来设置温度，电路图见附1?。5软件设计5.1主程序流程图主程序流程图如图3所示。开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开YNNY图3主程序流程图5.2子程序流程图（1）LCD液晶显示流程图如图4所示，温度计算处理如图5所示。单片机原理及系统课程设计报告5开开LCD开开开开开LCD开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开NY开开开开开开开开开开开开开“-”开开开开开BCD开开开开开开BCD开开开开“+”NY图4LCD液晶显示流程图图5温度计算处理流程图6系统仿真及实际调试首先要在Keil软件编写源程序，经过编译、调试生成.HEX文件；然后双击ProteusISIS原理图中的单片机AT89C51，选择好要加载的《*.HEX》文件；最后进行仿真运行。其中，红色方块代表高电平，蓝色代表低电平，灰色代表悬空。通过调节DS18B20温度传感器的温度使液晶显示器上显示相应的温度，若温度超出设定的范围，则发出报警。系统仿真及实际调试结果如附录一所示。7总结本次课程设计中设计的数字温度计可测量某一点环境的温度，测量范围为-55℃～＋128℃，精度为±0.5℃。用LCD1602液晶显示器显示实际温度值。并设定测控温度的下限和上限，当温度超出范围时发出报警。通过基于AT89C51单片机和DS18B20温度传感器的数字温度计的设计，掌握了单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法，了解了数字温度传感器DS18B20的测温原理，学会了对仿真软件Proteus，KeilC的基本操作。在设计过程中，对整个硬件电路和软件程序单片机原理及系统课程设计报告6设计做了分析，介绍了数字温度计的设计方案选择及原理介绍，并通过仿真软件Proteus实现了在一定范围的温度显示与报警控制。在设计过程中也遇到了许多困难，通过老师和同学的帮助以及查询相关资料，最终得以解决，使其功能能够完全实现。参考文献[1]王思华.单片机原理及应用系统设计[M].北京:科学出版社,2012.9[2]江志红.51单片机技术与应用系统开发案例精选[M].北京:清华大学出版社,2008.12[3]张靖武等.单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.4[4]李华.单片机原理及应用[M].兰州:兰州大学出版社,2001.5单片机原理及系统课程设计报告7附录11.在温度范围内的仿真结果P2.0P2.2P2.2P2.0P2.6P2.7P2.5XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51X1C130pFC230pFR110KC310uD714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3LCD1LM016L234567891RP1RESPACK-826.0DQ2VCC3GND1U2DS18B20R25k34%RV15k设置键加键减键晶振电路复位电路DS18B20温度传感器LCD1602显示电路Q1PN4249R410kLS1SOUNDER蜂鸣器鸣音提示+5VQ2NPND4DIODER12330RL15V+5VD5LED-GREENR1333065412U4OPTOCOUPLER-NPN12U5:A7407R11330+5V+5V加热器控制LED灯模拟实际加热状态+5VQ3NPND7DIODER9330RL25V+5VD6LED-YELLOWR10330LED灯模拟实际冷却状态65412U4-OPTOCOUPLER-NPN34U5:B7407R8330+5V+5V冷却控制图12.温度超下限报警时的仿真结果图23.温度超上限报警时的仿真结果单片机原理及系统课程设计报告8P2.0P2.2P2.2P2.0P2.6P2.7P2.5XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T11