單片機水溫控制系統(tǒng)

單片機的水溫控制系統(tǒng)張冰冰摘要溫度控制系統(tǒng)可以說是無所不在，熱水器系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、冰箱、電飯煲、電風扇等家電產品以至手持式高速高效的計算機和電子設備，均需要提供溫度控制功能。本系統(tǒng)的設計可以用于熱水器溫度控制系統(tǒng)和飲水機等各種電器電路中。它以單片機AT80C51為核心，通過3個數碼管顯示溫度和4個按鍵實現人機對話，使用單總線溫度轉換芯片DS18B20實時采集溫度并通過數碼管顯示，并提供各種運行指示燈用來指示系統(tǒng)現在所處狀態(tài)，如：溫度設置、加熱、停止加熱等，整個系統(tǒng)通過四個按鍵來設置加熱溫度和控制運行模式。緒論及時準確地得到溫度信息并對其進行適時的控制,在許多工業(yè)場合中都是重要的環(huán)節(jié).水溫的變化影響各種系統(tǒng)的自動運作，例如冶金、機械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等，對工件的水處理溫度要求嚴格控制。對于不同控制系統(tǒng)，其適宜的水質溫度總是在一個范圍。超過這個范圍，系統(tǒng)或許會停止運行或遭受破壞，所以我們必須能實時獲取水溫變化。對于，超過適宜范圍的溫度能夠報警。同時，我們也希望在適宜溫度范圍內可以由檢測人員根據實際情況加以改變。傳統(tǒng)的溫度采集電路相當復雜，需要經過溫度采集、信號放大、濾波、AD轉換等一系列工作才能得到溫度的數字量，并且這種方式不僅電路復雜，元器件個數多，而且線性度和準確度都不理想，抗干擾能力弱?，F在常用的溫度傳感器芯片不但功率消耗低、準確率高，而且比傳統(tǒng)的溫度傳感器有更好的線性表現，最重要的一點是使用起來方便單片機對對溫度的控制是工業(yè)生產中經常使用的控制方法.自從1976年Intel公司推出第一批單片機以來，80年代單片機技術進入快速發(fā)展時期，近年來，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機繼續(xù)朝快速、高性能方向發(fā)展。單片機主要用于控制，它的應用領域遍及各行各業(yè)，大到航天飛機，小至日常生活中的冰箱、彩電，單片機都可以大顯其能。單片機將微處理器、存儲器、定時/計數器、I/O接口電路等集成在一個芯片上的大規(guī)模集成電路，本身即是一個小型化的微機系統(tǒng)。單片機技術與傳感與測量技術、信號與系統(tǒng)分析技術、電路設計技術、可編程邏輯應用技術、微機接口技術、數據庫技術以及數據結構、計算機操作系統(tǒng)、匯編語言程序設計、高級語言程序設計、軟件工程、數據網絡通信、數字信號處理、自動控制、誤差分析、儀器儀表結構設計和制造工藝等的結合，使得單片機的應用非常廣泛。同時，單片機具有較強的管理功能。采用單片機對整個測量電路進行管理和控制，使得整個系統(tǒng)智能化、功耗低、使用電子元件較少、內部配線少、成本低，制造、安裝、調試及維修方便。1系統(tǒng)總體設計1.1硬件總體設計設計并制作一個基于單片機的熱水器溫度控制系統(tǒng)的電路，其結構框圖如圖1-11.2軟件總體設計

良好的設計方案可以減少軟件設計的工作量，提高軟件的通用性，擴展性和可讀性。本系統(tǒng)的設計方案和步驟如下：(1)根據需求按照系統(tǒng)的功能要求，逐級劃分模塊。(2)明確各模塊之間的數據流傳遞關系，力求數據傳遞少，以增強各模塊的獨立性，便于軟件編制和調試。(3)確定軟件開發(fā)環(huán)境，選擇設計語言，完成模塊功能設計，并分別調試通過。(4)按照開發(fā)式軟件設計結構，將各模塊有機的結合起來，即成一個較完善的系統(tǒng)。首先接通電源系統(tǒng)開始工作，系統(tǒng)開始工作后，通過按鍵設定溫度值的上限值和下限值，確定按鍵將設定的溫度值存儲到指定的地址空間，溫度傳感器開始實時檢測，調用顯示子程序顯示檢測結果，調用比較當前顯示溫度值與開始設定的溫度值比較，如果當前顯示值低于設定值就通過繼電器起動加熱裝置，直到達到設定值停止加熱，之后進行保溫，如果溫度高于上限進行報警。2硬件系統(tǒng)設計

2.1硬件電路分析和設計報告本次設計主要思路是通過對單片機編程將由溫度傳感器DS18B20采集的溫度外加驅動電路顯示出來，包括對繼電器的控制，進行升溫，當溫度達到上下限蜂鳴器進行報警。P1.7開關按鈕是用于確認設定溫度的，初始按下表示開始進入溫度設定狀態(tài)，然后通過P1.5和P1.6設置溫度的升降，再次按下P1.7時，表示確認所設定的溫度，然后轉入升溫或降溫。P2.3所接的發(fā)光二極管用于表示加熱狀態(tài)，P2.5所接的發(fā)光二極管用于表示保溫狀態(tài)。P2.3接繼電器。P3.1是溫度信號線。整個電路都是通過軟件控制實現設計要求2.1.1單片機最小系統(tǒng)電路因為80C51單片機內部自帶8K的ROM和256字節(jié)的RAM，因此不必構建單片機系統(tǒng)的擴展電路。如圖2－1，單片機最小系統(tǒng)有復位電路和振蕩器電路。值得注意的一點是單片機的31腳必須接高電平，否則系統(tǒng)將不能運行。因為該腳不接時為低電平，單片機將直接讀取外部程序存儲器，而系統(tǒng)沒有外部程序存儲器，所以必須接VCC。在按鍵兩端并聯一個電解電容，濾除交流干擾，增加系統(tǒng)抗干擾能力。2.1.2鍵盤電路鍵盤是單片機應用系統(tǒng)中的主要輸入設備，單片機使用的鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤采用硬件線路來實現鍵盤的編碼，每按下一個鍵，鍵盤能夠自動生成按鍵代碼，并有去抖功能。因此使用方便，但硬件較復雜。非編碼鍵盤僅僅提供鍵開關狀態(tài)，由程序來識別閉合鍵，消除抖動，產生相應的代碼，轉入執(zhí)行該鍵的功能程序。非編碼鍵盤中鍵的數量較少，硬件簡單，在單片機中應用非常廣泛。圖為按鍵和AT80C51的接線圖，檢測儀共設有4個按鍵，每個按鍵由軟件來決定其功能，4個按鍵功能分別為：(1)SW1：設定按鍵(設定按鍵)(2)SW2：加法按鍵(當前位加5)(3)SW3：減法按鍵(當前位減5)(4)SW4：退出設置鍵(系統(tǒng)初始化)2.1.3數碼管及指示燈顯示電路（1）數碼管顯示說明各個數碼管的段碼都是單片機的數據口輸出，即各個數碼管輸入的段碼都是一樣的，為了使其分別顯示不同的數字，可采用動態(tài)顯示的方式，即先只讓最低位顯示0(含點)，經過一段延時，再只讓次低位顯示1，如此類推。由視覺暫留，只要我們的延時時間足夠短，就能夠使得數碼的顯示看起來非常的穩(wěn)定清楚，過程如表3-1。（2）運行指示燈說明本熱水器溫度控制系統(tǒng)中共使用到3個LED指示燈和3個數碼管。右上角的紅色LED是電源指示燈；數碼管右邊的紅色LED是加熱指示燈，當剛開機或溫度降到設定溫度5℃以下時，該燈會亮，表示目前處于加熱狀態(tài)；當溫度上升到設定溫度時，該LED滅，同時數碼管右邊的綠色LED亮，表示目前處于保溫狀態(tài)，用戶可以使用熱水器；當溫度再次下降到設定溫度5℃以下時，綠色LED滅，紅色加熱的LED燈亮，不斷循環(huán)。

2.1.4溫度采集電路（1）DS18B20介紹Dallas最新單線數字溫度傳感器DS18B20簡介新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬、更經濟。Dallas半導體公司的數字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。DS18B20、DS1822“一線總線”數字化溫度傳感器同DS18B20一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范圍內,精度為±0.5℃。DS1822的精度較差為±2℃。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。其DS18B20的管腳配置和封裝結構如圖2-4所示。引腳定義：①DQ為數字信號輸入/輸出端；②GND為電源地；③VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。（2）DS18B20的單線（1－wirebus）系統(tǒng)單線總線結構是DS18B20的突出特點，也是理解和編程的難點。從兩個角度來理解單線總線：第一，單線總線只定義了一個信號線，而且DS18B20智能程度較低（這點可以與微控制器和SPI器件間的通信做一個比較），所以DS18B20和處理器之間的通信必然要通過嚴格的時序控制來完成。第二，DS18B20的輸出口是漏級開路輸出，這里給出一個微控制器和DS18B20連接原理圖。這種設計使總線上的器件在合適的時間驅動它。顯然，總線上的器件與（wiredAND）關系。這就決定：（1）微控制器不能單方面控制總線狀態(tài)。之所以提出這點，是因為相當多的文獻資料上認為，微控制器在讀取總線上數據之前的I/O口的置1操作是為了給DS18B20一個發(fā)送數據的信號。這是一個錯誤的觀點。如果當前DS18b20發(fā)送0，即使微控制器I/O口置1，總線狀態(tài)還是0;置1操作是為了是I/O口截止（cutoff），以確保微控制器正確讀取數據。（2）除了DS18B20發(fā)送0的時間段，其他時間其輸出口自動截止。自動截止是為確保：1時，在總線操作的間隙總線處于空閑狀態(tài)，即高態(tài)。2時，確保微控制器在寫1的時候DS18B20可以正確讀入。2.1.5電源電路2.1.6報警電路設計3系統(tǒng)總設計本系統(tǒng)采用的是循環(huán)查詢方式，來顯示和控制溫度的。主要包括四段程序的設計：DS18B20讀溫度程序，數碼管的驅動程序，鍵盤掃描程序，以及抱經處理程序。3.1主程序流程圖3.2各個模塊的流程圖3.2.1讀取溫度DS18B20模塊的流程由于DS18B20采用的是一根數據線實現數據的雙向傳輸，而對AT89S52單片機來說，硬件上并不支持單總線協議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念。因此系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協議進行。操作協議為：初始化DS18B20（發(fā)復位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數據DS18B20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，DS18B20必須首先調用啟動溫度轉換函數，根據數據手冊上對應轉換時間來超作，如為12位轉換，則應該是最大750mS，另外在對DS18B20超作時，時序要求非常嚴格，因此最好禁止系統(tǒng)中斷。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數據，因此，對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協議來保證各位數據傳輸的正確性和完整性。該協議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，而每一次命令和數據的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數據，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數據接收。數據和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20的讀時序：（1）對于DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。（2）對于DS18B20的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內就得釋放單總線,以讓DS18B20把數據傳輸到單總線上。DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。DS18B20的寫時序：（1）對于DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。（2）對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內就得釋放單總線。系統(tǒng)程序設計主要包括三部分：讀出溫度子程序、溫度轉換命令子程序、顯示溫度子程序。程序代碼為：GET_TEMPER: SETB DQ ;讀出轉換后的溫度值 LCALL INIT_1820 ;先復位DS18B20 JB FLAG1,TSS2 RET ;判斷DS1820是否存在?若DS18B20不存在則返回TSS2: MOV A,#0CCH ;DS18B20已經被檢測到!!!!!!!!!!!!!!!跳過ROM匹配 LCALL WRITE_1820 MOV A,#44H ;發(fā)出溫度轉換命令 LCALL WRITE_1820LCALLDISPLAY ;這里通過調用顯示子程序實現延時一段時間,等待AD轉換結束,12位的話750微秒 LCALL INIT_1820 ;準備讀溫度前先復位 MOV A,#0CCH ;跳過ROM匹配 LCALL WRITE_1820 MOV A,#0BEH ;發(fā)出讀溫度命令 LCALL WRITE_1820 LCALL READ_18200 ;將讀出的溫度數據保存到35H/36H RET3.2.2鍵盤掃描處理流程此流程為鍵盤掃描處理，CPU通過檢測各數據線的狀態(tài)(0或1)就能知道是否有按鍵閉合以及哪個按鍵閉合。鍵盤管理程序的功能是檢測是否有按鍵閉合，如果有按鍵閉合，消除抖動，根據鍵號轉到相應的鍵處理程序，按鍵流程圖如圖3-3所示。3.2.3報警處理流程運行程序后，溫度傳感器DS18B20即可對環(huán)境進行溫度采集，并送LED數碼管顯示。我們可以在程序里設定溫度上限值，當采集到的外界溫度高于當前所設定溫度上限值時，程序就會進入報警子程序，觸發(fā)蜂鳴器進行報警。其程序流程圖如圖3-4所示。4系統(tǒng)調試4.1硬件電路調試4.2軟件調試如果硬件電路檢查后，沒有問題卻實現不了設計要求，則可能是軟件編程的問題，首先應檢查初始化程序，然后是讀溫度程序，顯示程序，以及繼電器控制程序，對這些分段程序，要注意邏輯順序，調用關系，以及涉及到了標號，有時會因為一個標號而影響程序的執(zhí)行，除此之外，還要熟悉各指令的用法，以免出錯。還有一個容易忽略的問題就是，源程序生成的代碼是否燒入到單片機中，如果這一過程出錯，那不能實現設計要求也是情理之中的事。本人在設計的時候在偉福仿真軟件進行調試，通過此軟件進行調試可以很方便的觀察單片機內部各個寄存器及內部存儲器變化情況，以方便進行調試。圖為單片機功能調試圖：硬件與軟件調試相結合，仔細檢查各個模塊的設計，舊能順利完成任務，實現設計要求，在調試過程中必須認真耐心，不能有一點馬虎，否則遺漏一個小的問題就會導致