基于單片機的水溫控制系統(tǒng)方案

./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(diào)系統(tǒng)、冰箱、電飯煲、電風(fēng)扇等家電產(chǎn)品以至手持式高速高效的計算機和電子設(shè)備,均需要提供溫度控制功能。本系統(tǒng)的設(shè)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(shù)碼管顯示溫度和4個按鍵實現(xiàn)人機對話,使用單總線溫度轉(zhuǎn)換芯片DS18B20實時采集溫度并通過數(shù)碼管顯示,并提供各種運行指示燈用來指示系統(tǒng)現(xiàn)在所處狀態(tài),如：溫度設(shè)置、加熱、停止加熱等,整個系統(tǒng)通過四個按鍵來設(shè)置加熱溫度和控制運行模式。關(guān)鍵詞：單片機,數(shù)碼管顯示,單總線,DS18B20AbstractTemperaturecontrolsystemcanbesaidtobeubiquitous,waterheaters,airconditioningsystems,refrigerators,ricecookers,electricfansandotherhomeappliancesaswellashigh.speedandefficienthand.heldcomputersandelectronicequipmentarerequiredtoprovidetemperaturecontrol.Thesystemdesigncanbeusedfordrinkingwaterheatertemperaturecontrolsystemsandotherelectricalcircuits.AT80C51microcontrollerasthecoreofit,throughthethreetemperaturedigitaldisplayand4keystoachieveman.machinedialogue,theuseofsingle.chipbustemperatureconversiontemperatureDS18B20real.timeacquisitionandthroughthedigitaldisplayandoffersavarietyofoperatinglighttoindicatesystemnowliveinthestate,suchas:temperaturesetting,heating,andstopheating,theentiresystemthroughthefourbuttonstosettheheatingtemperatureandcontroltheoperatingmodeKeywords:Microcontroller,digitaldisplay,singlebus,DS18B20.目錄TOC\o"1-3"\h\u307731緒論160991.1課題的背景及研究意義1296921.2國外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢186151.3論文主要工作概述1144972系統(tǒng)方案論證283042.1系統(tǒng)方案設(shè)計及論證2319302.2功能模塊設(shè)計及論證279122.2.1溫度采樣模塊2319142.2.2鍵盤及顯示模塊267012.3總體設(shè)計簡介3210502.3.1硬件總體設(shè)計365282.3.2軟件總體設(shè)計3209543硬件系統(tǒng)設(shè)計4104933.1單片機控制系統(tǒng)4253343.2人機交互電路5304833.2.1鍵盤電路5133283.2.2數(shù)碼管及指示燈顯示電路648103.3溫度采集控制電路8287913.3.1溫度采集電路8309943.3.2加熱管控制電路1232753.4電源電路12209133.5報警電路13104294系統(tǒng)軟件設(shè)計141434.1主程序設(shè)計14142454.2子程序設(shè)計1557424.2.1DS18B20讀取子程序15283854.2.2鍵盤掃描子程序17174883.2.3報警中斷子程序18123185系統(tǒng)調(diào)試19202455.1系統(tǒng)工作流程1958815.2軟件調(diào)試19115545.3硬件電路調(diào)試20196115.4數(shù)據(jù)測試201540總結(jié)226460致2319567參考文獻2410927附錄1：系統(tǒng)源程序2511541附錄2：系統(tǒng)硬件總圖36.1緒論1.1課題的背景及研究意義及時準(zhǔn)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(yīng)爐等,對工件的水處理溫度要求嚴(yán)格控制。對于不同控制系統(tǒng),其適宜的水質(zhì)溫度總是在一個圍。超過這個圍,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,超過適宜圍的溫度能夠報警。同時,我們也希望在適宜溫度圍可以由檢測人員根據(jù)實際情況加以改變。1.2國外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢單片機對對溫度的控制是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)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(shù)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(yīng)用領(lǐng)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(shù)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(shù)與傳感與測量技術(shù)、信號與系統(tǒng)分析技術(shù)、電路設(shè)計技術(shù)、可編程邏輯應(yīng)用技術(shù)、微機接口技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機操作系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計、高級語言程序設(shè)計、軟件工程、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字信號處理、自動控制、誤差分析、儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝等的結(jié)合,使得單片機的應(yīng)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、部配線少、成本低,制造、安裝、調(diào)試及維修方便。傳統(tǒng)的溫度采集電路相當(dāng)復(fù)雜,需要經(jīng)過溫度采集、信號放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換等一系列工作才能得到溫度的數(shù)字量,并且這種方式不僅電路復(fù)雜,元器件個數(shù)多,而且線性度和準(zhǔn)確度都不理想,抗干擾能力弱?，F(xiàn)在常用的溫度傳感器芯片不但功率消耗低、準(zhǔn)確率高,而且比傳統(tǒng)的溫度傳感器有更好的線性表現(xiàn),最重要的一點是使用起來方便。1.3論文主要工作概述課題采用的是單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20,可直接將溫度轉(zhuǎn)換值以16位數(shù)字碼的方式串行輸出：將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字編碼只需1秒左右。而且它具有獨特單線接口方式,即與微處理器接口時僅需占用1個I/O口；支持多節(jié)點；測溫時無需任何外部元件,可以通過數(shù)據(jù)線直接供電,具有超低功耗工作方式。測溫圍為—55℃～+125℃本文主要結(jié)構(gòu)：為緒論,介紹水溫控制背景發(fā)展及現(xiàn)狀；為系統(tǒng)的方案論證,比較了幾種不同的方案,為本設(shè)計篩選出合適的方案；為硬件系統(tǒng)設(shè)計,在合理方案的基礎(chǔ)上,選定合適的元器件,組成基本系統(tǒng),實現(xiàn)相應(yīng)的功能；為軟件設(shè)計,論述了主程序以及各個子程序的功能；為系統(tǒng)調(diào)試,對設(shè)計的系統(tǒng)進行測試,發(fā)現(xiàn)并解決在調(diào)試階段的問題。2系統(tǒng)方案論證2.1系統(tǒng)方案設(shè)計及論證方案1：采用傳統(tǒng)的二位模擬控制方法,選用模擬電路,用電位器設(shè)定給定值,采用上下限比較電路將反饋的溫度值與給定的溫度值比較后,決定加熱或者不加熱。由于采用模擬控制方式,系統(tǒng)受環(huán)境的影響大,不能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得教高,而且不能用數(shù)碼顯示和鍵盤設(shè)定。方案2：采用單片機AT89C51為核心。采用了溫度傳感器18B比較上述兩種方案,方案2明顯的改善了方案缺點,并具有控制簡單、控制溫度精度高的特點,因此本設(shè)計電路采用方案2。2.2功能模塊設(shè)計及論證本設(shè)計以單片機為控制核心,系統(tǒng)由溫度采集模塊、加熱模塊、鍵盤顯示模塊及電源模塊等四大模塊組成。現(xiàn)將各部分主要元件及電路做以下的論證：溫度采樣模塊方案1：采用熱敏電阻,可滿足35℃..95℃的測量圍,但熱敏電阻精度、重復(fù)性和可靠性都比較差,對于檢測精度小于1方案2：Dallas最新單線數(shù)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(jīng)濟。Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)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(jīng)濟的特點,使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò),為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20、DS1822"一線總線"數(shù)字化溫度傳感器同DS18B20一樣,DS18B20也支持"一線總線"接口,測量溫度圍為.55℃~+125℃,在.10℃~+85℃圍,精度為±0.5℃。經(jīng)上述比較,方案2明顯優(yōu)于方案1,故選用方案2。鍵盤及顯示模塊控制與顯示電路是反映電路性能、外觀的最直觀部分,所以此部分電路設(shè)計的好壞直接影響到電路的好壞。方案1：采用可編程控制器8279與數(shù)碼管及地址譯碼器74LS138組成,可編程/顯示器件8279實現(xiàn)對按鍵的掃描、消除抖動、提供LED的顯示信號,并對LED顯示控制。用8279和鍵盤組成的人機控制平臺,能夠方便的進行控制單片機的輸出。方案2：采用數(shù)碼管與地址譯碼器74LS138組成顯示系統(tǒng),按鍵直接與80C對比兩種方案可知,方案1雖然也能很好的實現(xiàn)電路的要求,但考慮到電路設(shè)計的成本和電路整體的性能,我們采用方案2。2.3總體設(shè)計簡介硬件總體設(shè)計設(shè)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(jié)構(gòu)框圖如圖2.1：電源電源單片機AT8051數(shù)碼管顯示繼電器溫度傳感器DS18B20報警鍵盤指示燈圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Figure2.1SystemStructurecurve軟件總體設(shè)計良好的設(shè)計方案可以減少軟件設(shè)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(shè)計方案和步驟如下：<1>根據(jù)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(shù)據(jù)流傳遞關(guān)系,力求數(shù)據(jù)傳遞少,以增強各模塊的獨立性,便于軟件編制和調(diào)試。<3>確定軟件開發(fā)環(huán)境,選擇設(shè)計語言,完成模塊功能設(shè)計,并分別調(diào)試通過。<4>按照開發(fā)式軟件設(shè)計結(jié)構(gòu),將各模塊有機的結(jié)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(shè)定溫度值的上限值和下限值,確定按鍵將設(shè)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(diào)用顯示子程序顯示檢測結(jié)果,調(diào)用比較當(dāng)前顯示溫度值與開始設(shè)定的溫度值比較,如果當(dāng)前顯示值低于設(shè)定值就通過繼電器起動加熱裝置,直到達到設(shè)定值停止加熱,之后進行保溫,如果溫度高于上限進行報警。3硬件系統(tǒng)設(shè)計本設(shè)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(qū)動電路顯示出來,通過對繼電器的控制,進行升溫,當(dāng)溫度達到上下限蜂鳴器進行報警。P1.7開關(guān)按鈕是用于確認(rèn)設(shè)定溫度的,初始按下表示開始進入溫度設(shè)定狀態(tài),然后通過P1.5和P1.6設(shè)置溫度的升降,再次按下P1.7時,表示確認(rèn)所設(shè)定的溫度,然后轉(zhuǎn)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(xiàn)設(shè)計要求。3.1單片機控制系統(tǒng)80C51單片機部自帶8K的ROM和256字節(jié)的RAM,不必構(gòu)建單片機系統(tǒng)的擴展電路。如圖3.1,單片機最小系統(tǒng)有復(fù)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(lián)一個電解電容,濾除交流干擾,增加系統(tǒng)抗干擾能力。圖3.1單片機最小系統(tǒng)圖Figure3.1Smallestsingle.chipsystemcurve3.2人機交互電路鍵盤電路鍵盤是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的主要輸入設(shè)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(xiàn)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(fù)雜。非編碼鍵盤僅僅提供鍵開關(guān)狀態(tài),由程序來識別閉合鍵,消除抖動,產(chǎn)生相應(yīng)的代碼,轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序。非編碼鍵盤中鍵的數(shù)量較少,硬件簡單,在單片機中應(yīng)用非常廣泛。圖為按鍵和AT80C<1>SW1：設(shè)定按鍵<設(shè)定按鍵><2>SW2：加法按鍵<當(dāng)前位加5><3>SW3：減法按鍵<當(dāng)前位減5><4>SW4：退出設(shè)置鍵<系統(tǒng)初始化>圖3.2單片機按鍵和AT80C51的接線圖Figure3.2AT80C51microcontrollerbuttonsandwiringcurve數(shù)碼管及指示燈顯示電路數(shù)碼管顯示各個數(shù)碼管的段碼都由單片機的數(shù)據(jù)口輸出的信號控制,數(shù)碼管可以采用靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種驅(qū)動方式。①靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅(qū)動,或者使用如BCD碼二.十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單,顯示亮度高,缺點是占用I/O端口多,如驅(qū)動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8＝40根I/O端口來驅(qū)動,要知道一個89S51單片機可用的I/O端口才32個,實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動,增加了硬件電路的復(fù)雜性。

②動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一,動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起,另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路,位選通由各自獨立的I/O線控制,當(dāng)單片機輸出字形碼時,所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼,但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形,取決于單片機對位選通COM端電路的控制,所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開,該位就顯示出字形,沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端,就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示,這就是動態(tài)驅(qū)動。在實際應(yīng)用中,每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為1～2ms,由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng),盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮,但只要掃描的速度足夠快,給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù),不會有閃爍感,動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的,能夠節(jié)省大量的I/O端口,而且功耗更低,過程如表3.1。因此選用動態(tài)驅(qū)動方式。表3.1數(shù)碼管編碼表Tab.3.1Digitalcoding段碼位碼顯示器狀態(tài)08H01H□□□□□□□0abH02H□□□□□□1□12H04H□□□□□2□□22H08H□□□□3□□□a1H10H□□□4□□□□24H20H□□5□□□□□04H40H□6□□□□□□aaH80H7□□□□□□□本論文中使用了3個數(shù)碼管,其中前兩位使用動態(tài)掃描顯示實測溫度,在設(shè)置加熱溫度的時候,兩個數(shù)碼管是閃爍,以提示目前處在溫度設(shè)置狀態(tài)。第三位數(shù)碼管靜態(tài)顯示符號"℃"?！?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(shù)碼管。綠色LED1為電源指示燈,即接通電源后該燈會亮起；紅色LED2是加熱指示燈,當(dāng)剛開機或溫度降到設(shè)定溫度5℃黃色LED3為保溫狀態(tài)指示燈,用戶可以使用熱水器；當(dāng)溫度再次下降到設(shè)定溫度5℃圖3.3LED數(shù)碼管顯示電路圖Figure3.3LEDdigitaldisplaycircuitcurve3.3溫度采集控制電路溫度采集電路〔1DS18B20介紹Dallas最新單線數(shù)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(jīng)濟。Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)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(jīng)濟的特點,使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò),為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20、DS1822"一線總線"數(shù)字化溫度傳感器同DS18B20一樣,DS18B20也支持"一線總線"接口,測量溫度圍為.55℃~+125℃,在.10℃~+85℃圍,精度為±0.5℃。DS1822的精度較差為±2圖3.4DS18B20管腳圖Figure3.4DS18B20pincurve引腳定義：①DQ為數(shù)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?！?DS18B20的單線〔1.wirebus系統(tǒng)單線總線結(jié)構(gòu)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(yán)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(shè)計使總線上的器件在合適的時間驅(qū)動它。顯然,總線上的器件與〔wiredAND關(guān)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(dāng)多的文獻資料上認(rèn)為,微控制器在讀取總線上數(shù)據(jù)之前的I/O口的置1操作是為了給DS18B20一個發(fā)送數(shù)據(jù)的信號。這是一個錯誤的觀點。如果當(dāng)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(shù)據(jù)?！?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。由于DS18B20采用的是1.Wire總線協(xié)議方式,即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,而對AT89S52單片機來說,硬件上并不支持單總線協(xié)議,因此,我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問?！?DS18B20的供電方式在圖3.5中示出了DS18B20的寄生電源電路。當(dāng)DQ或VDD引腳為高電平時,這個電路便"取"的電源。寄生電路的優(yōu)點是雙重的,遠程溫度控制監(jiān)測無需本地電源,缺少正常電源條件下也可以讀ROM。為了使DS18B20能完成準(zhǔn)確的溫度變換,當(dāng)溫度變換發(fā)生時,DQ線上必須提供足夠的功率。有兩種方法確保DS18B20在其有效變換期得到足夠的電源電流。第一種方法是發(fā)生溫度變換時,在DQ線上提供一強的上拉,這期間單總線上不能有其它的動作發(fā)生。如圖3.5所示,通過使用一個MOSFET把DQ線直接接到電源可實現(xiàn)這一點,這時DS18B20工作在寄生電源工作方式,在該方式下VDD引腳必須連接到地。圖3.5DS18B20供電方式1Figure3.5DS18B20PowerSupply1curve另一種方法是DS18B20工作在外部電源工作方式,如圖3.6所示。這種方法的優(yōu)點是在DQ線上不要求強的上拉,總線上主機不需要連接其它的外圍器件便在溫度變換期間使總線保持高電平,這樣也允許在變換期間其它數(shù)據(jù)在單總線上傳送。此外,在單總線上可以并聯(lián)多個DS18B20,而且如果它們?nèi)坎捎猛獠侩娫垂ぷ鞣绞?那么通過發(fā)出相應(yīng)的命令便可以同時完成溫度變換。圖3.6DS18B20供電方式2Figure3.6DS18B20PowerSupply2curve〔4DS18B20設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題DS18B20具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用接口線少等優(yōu)點,但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償,由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送。因此,在對DS18B20進行讀寫編程時,必須嚴(yán)格的保證讀寫時序,否則將無法讀取測溫結(jié)果。在DS18B20有關(guān)資料中均未提及1Wire上所掛DS18B20數(shù)量問題,容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個DS18B20,在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)1Wire上所掛DS18B20超過8個時,就需要考慮微處理器的總線驅(qū)動問題,這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要加以注意。連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。實際應(yīng)用中,測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線,其中一對線接地線與信號線,另一組接VCC和地線,屏蔽層在源端單點接地。本文以廣泛應(yīng)用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20為例,說明了1Wire總線的操作過程和基本原理。事實上,基于1Wire總線的產(chǎn)品還有很多種,如1Wire總線的E2PROM、實時時鐘、電子標(biāo)簽等。他們都具有節(jié)省I/O資源、結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)快捷、成本低廉、便于總線擴展等優(yōu)點,因此有廣闊的應(yīng)用空間,具有較大的推廣價值。本設(shè)計將溫度傳感器DS18B20與單片機TXD引腳相連,讀取溫度傳感器的數(shù)值。DS18B20與單片機連接圖如圖所示3.7所示。圖3.7DS18B20與單片機連接圖Figure3.7ConnectionwiththeMCUDS18B20curve加熱管控制電路繼電器是常用的輸出控制接口,可以做交直流信號的輸出切換。它具有控制系統(tǒng)〔又稱輸入回路和被控制系統(tǒng)〔又稱輸出回路,通常應(yīng)用于自動控制電路中,它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種"自動開關(guān)"。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器控制接點操作說明如下：●COM：Common,共同點。輸出控制接點的共同接點?！馧C：NormalClose常閉點。以Com為共同點,NC與COM在平時是呈導(dǎo)通狀態(tài)的?！馧O：NormalOpen常開點。NO與COM在平時是呈開路狀態(tài)的,當(dāng)繼電器動作時,NO與COM導(dǎo)通,NC與COM則呈開路狀態(tài)。當(dāng)89S52的P2.5輸出高電平時,繼電器不導(dǎo)通,反之當(dāng)輸出低電平時,繼電器導(dǎo)通,這樣就激活了連接回路。圖3.8單片機控制繼電器電路Figure3.8MCUcontrolrelaycircuitcurve3.4電源電路采用L7805穩(wěn)壓塊,輸出為5V。電子組件要正常運作都需要電源電壓供電,一般常用的電源電壓為+5V或+12V,因為數(shù)字IC〔IngegratedCircuit：集成電路所供給的電壓為+5V,而CMOSIC所供給的電壓為+12V,7805是一個穩(wěn)壓塊。7805穩(wěn)壓管把高電壓轉(zhuǎn)換到低電壓,7805穩(wěn)壓管具有保護單片機的作用。L7805輸出端要并聯(lián)上一個電解電容,濾除交流電干擾,防止損壞單片機系統(tǒng)。本設(shè)計采用兩種供電方式,一種為DC7.18V直流穩(wěn)壓電源變換成5V的直流電；另一種為四節(jié)干電池共6V經(jīng)二極管加壓后得到將近5V的直流電源,電源配以開關(guān)和指示燈,以方便使用。黃色發(fā)光二極管表示保溫,紅色的表示加熱狀態(tài)。圖3.9系統(tǒng)電源設(shè)計圖Figure3.9Systempowersupplydesigncurve3.5報警電路同時可以在系統(tǒng)里設(shè)定溫度上限值,由于加熱停止后,加熱管還有余熱當(dāng)采集到的外界溫度高于當(dāng)前所設(shè)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。報警電路原理圖如圖所示。圖3.10報警電路圖Figure3.10Alarmcircuitcurve圖中的三極管8550的作用是增加驅(qū)動能力,比9012的驅(qū)動電流還大些,因此選用8550。當(dāng)程序進入報警子程序時,把P2.7置0,就會觸發(fā)蜂鳴器,為了使報警聲音效果更好,對P2.7取反,發(fā)出報警嘟嚕聲音。4系統(tǒng)軟件設(shè)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。主要包括的程序：DS18B20讀溫度程序,數(shù)碼管的驅(qū)動程序,鍵盤掃描程序,以及報警處理程序。4.1主程序設(shè)計運行程序后,首先進行初始化,然后溫度傳感器DS18B20即可對環(huán)境進行溫度采集,并送LED數(shù)碼管顯示。我們可以在程序里設(shè)定溫度上限值,當(dāng)采集到的外界溫度高于當(dāng)前所設(shè)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。低于設(shè)定溫度時啟動加熱程序,對水溫進行加熱。主程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1主程序流程圖Figure4.1Mainprocessescurve此流程為加熱程序處理,CPU通過檢測溫度數(shù)值,確定溫度是否在圍,確定是否需要加熱。加熱管理程序的功能是檢測溫度是否等于規(guī)定值,如果溫度低于固定值,啟動加熱,達到預(yù)定溫度值時停止加熱。加熱流程圖如圖4.2所示。.圖4.2加熱程序流程圖Figure4.2Heatingprocessescurve4.2子程序設(shè)計DS18B20讀取子程序由于DS18B20采用的是單數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,而對AT89S52單片機來說,硬件上并不支持單總線協(xié)議,因此,我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)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(yán)格的時隙概念。因此系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20〔發(fā)復(fù)位脈沖→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)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(diào)用啟動溫度轉(zhuǎn)換函數(shù),根據(jù)數(shù)據(jù)手冊上對應(yīng)轉(zhuǎn)換時間來超作,如為12位轉(zhuǎn)換,則應(yīng)該是最大750mS,另外在對DS18B20超作時,時序要求非常嚴(yán)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(shù)據(jù),因此,對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)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(shè)備,而每一次命令和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),在進行寫命令后,主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)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?！?對于DS18B20的讀時隙是從主機把單總線拉低之后,在15秒之就得釋放單總線,以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€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?！?對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同,當(dāng)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(dāng)要寫1時序時,單總線被拉低之后,在15us之就得釋放單總線。系統(tǒng)程序設(shè)計主要包括三部分：讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、顯示溫度子程序。圖4.3讀取溫度DS18B20模塊的流程圖Figure4.3ReadthetemperatureDS18B20moduleprocessescurve程序代碼為：GET_TEMPER: SETBDQ ;讀出轉(zhuǎn)換后的溫度值LCALLINIT_1820 ;先復(fù)位DS18B20JBFLAG1,TSS2RET ;判斷DS1820是否存在?若DS18B20不存在則返回TSS2: MOVA,#0CCH ;DS18B20已經(jīng)被檢測到!!!!!!!!!!!!!!!跳過ROM匹配LCALLWRITE_1820MOVA,#44H ;發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令LCALLWRITE_1820LCALLDISPLAY ;這里通過調(diào)用顯示子程序?qū)崿F(xiàn)延時一段時間,等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束,12位的話750微秒LCALLINIT_1820 ;準(zhǔn)備讀溫度前先復(fù)位MOVA,#0CCH ;跳過ROM匹配LCALLWRITE_1820MOVA,#0BEH ;發(fā)出讀溫度命令LCALLWRITE_1820LCALLREAD_18200 ;將讀出的溫度數(shù)據(jù)保存到35H/36HRET鍵盤掃描子程序此流程為鍵盤掃描處理,CPU通過檢測各數(shù)據(jù)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(jù)鍵號轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵處理程序,按鍵流程圖如圖4.4所示。圖4.4鍵盤掃描子程序流程圖Figure4.4Keyboardscanroutineprocessescurve3.2.3報警中斷子程序運行程序后,溫度傳感器DS18B20即可對環(huán)境進行溫度采集,并送LED數(shù)碼管顯示。我們可以在程序里設(shè)定溫度上限值,當(dāng)采集到的外界溫度高于當(dāng)前所設(shè)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4.5所示。圖4.5報警子程序流程圖Figure4.5Processalarmsubroutinecurve5系統(tǒng)調(diào)試5.1系統(tǒng)工作流程本系統(tǒng)上電后數(shù)碼管顯示當(dāng)前測量溫度,此時加熱指示燈和保溫指示燈均不點亮；若此時按"自動加熱"鍵,則單片機自動將預(yù)加熱溫度設(shè)置為80℃5.2軟件調(diào)試如果硬件電路檢查后,沒有問題卻實現(xiàn)不了設(shè)計要求,則可能是軟件編程的問題,首先應(yīng)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(diào)用關(guān)系,以及涉及到了標(biāo)號,有時會因為一個標(biāo)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(xiàn)設(shè)計要求也是情理之中的事。本人在設(shè)計的時候在偉福仿真軟件進行調(diào)試,通過此軟件進行調(diào)試可以很方便的觀察單片機部各個寄存器及部存儲器變化情況,以方便進行調(diào)試。圖為單片機功能調(diào)試圖：圖5.1單片機功能調(diào)試圖Figure5.1Single.chipdebugfunctioncurve硬件與軟件調(diào)試相結(jié)合,仔細檢查各個模塊的設(shè)計,實現(xiàn)設(shè)計要求,在調(diào)試過程中必須認(rèn)真耐心,不能有一點馬虎,否則遺漏一個小的問題就會導(dǎo)致整個設(shè)計的失敗。5.3硬件電路調(diào)試仔細檢查所接電路,按照硬件原理圖接線,理論上是能實現(xiàn)的,如果數(shù)碼管不顯示,則應(yīng)該檢查線路是否正確,或是因為單片機沒有工作,還有集電極和發(fā)射極是否接對。如果只顯示兩個"8",則可能是DS18B20沒有接正確,檢查上拉電路是否接好。另外要注意的是,由單片機輸出的控制信號比較小,需要進行放大才能驅(qū)動繼電器工作,否則就不能實現(xiàn)升溫過程,通常選用8550三極管來進行放大。還有220V交流電綠色接頭和加熱管黃色接頭必須接正確,否則導(dǎo)致電路燒壞。蜂鳴器為低電平有效。5.4數(shù)據(jù)測試1．靜態(tài)數(shù)據(jù)測試取一桶凈水,改變它的溫度,觀察數(shù)碼管上顯示的溫度值,并用溫度計進行測溫,記錄兩組數(shù)據(jù),比較差異。記錄表如下：表5.1靜態(tài)溫度數(shù)據(jù)測試表溫度℃123456顯示溫度234763778490測量溫度244763808491有測試數(shù)據(jù)可知,本系統(tǒng)測溫結(jié)果與溫度計測溫基本一致,能滿足設(shè)計,證明了設(shè)計的合理性。2．動態(tài)數(shù)據(jù)測試進行溫度設(shè)定,通過設(shè)定溫度值〔75℃,觀察加熱管的加熱情況,以及數(shù)碼管的顯示值,再用溫度計測量水溫,每隔一段時間記錄一次數(shù)據(jù),將兩組值進行比較。記錄表如下：〔設(shè)定前溫度為表5.2靜態(tài)溫度數(shù)據(jù)測試表組數(shù)分組12345678910111213顯示溫度25293439424853586267707375測量溫度25283438424953596367717475通過上表可看出在加熱的過程中,顯示的溫度與實測的溫度近似一樣,說明系統(tǒng)的設(shè)計達到精度要求,但還是略有偏差,基本不影響設(shè)計結(jié)果。整個測試過程表明設(shè)計達到了任務(wù)書的要求,證明了該方案是合理可行的,順利完成了設(shè)計,達到了預(yù)想結(jié)果。總結(jié)通過本次的設(shè)計,使我們不僅對單片機這門課程有了更深刻的認(rèn)識,懂得了如何運用課本知識結(jié)合實際來完成定時器的顯示和編程方法以及數(shù)碼顯示電路的驅(qū)動方法,使我們能夠很快的適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展的需求,同時也提高了我們的思維能力和實際操作能力,為以后更好的走上工作崗位奠定了堅實的基礎(chǔ)。另外,這次的設(shè)計還讓我更進一步的認(rèn)識了關(guān)于AT80C在做硬件電路的這段時間里,從思考設(shè)計到對電路的調(diào)試經(jīng)過了許多困難。同樣在對軟件進行設(shè)計時,也可為一路坎坷。但是通過對軟硬件不斷撞墻,不斷思考解決問題的過程中,我學(xué)會了很多東西,同時對單片機也有了更深的認(rèn)識。在做設(shè)計的時候,很需要耐心和對事物的細心,很多時候一個簡單問題的一個簡單的疏忽就會導(dǎo)致整個電路的不工作,只有不斷的檢查不斷的調(diào)試,才能真正完成一個設(shè)計的制作。只有不斷的發(fā)現(xiàn)問題解決問題,才能從問題中改變自己,提升自己對單片機的能力。此設(shè)計雖然能夠完成溫度的顯示和控制,但功能和精度有待于進一步提高。以后可以通過加入PID算法優(yōu)化控制功能,并通過液晶顯示屏實時顯示溫度。致經(jīng)過半年的忙碌和工作,本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲,作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計,由于經(jīng)驗的匱乏,難免有許多考慮不周全的地方,如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo),以及一起工作的同學(xué)們的支持,想要完成這個設(shè)計是難以想象的。首先感光老師出的這些論文選題,給了我這么一個展現(xiàn)自己能力的平臺,并在畢業(yè)設(shè)計過程中對我的悉心幫助。在這一個論文設(shè)計之中,涉及到了方方面面的知識,沒有老師的辛勤栽培,也不會有我今天的成果。在這里也要感我的室友們,是他們在平時無微不至的照顧,才有了我更棒的身體,和更多的學(xué)習(xí)時間。四年的時間里,我們沒有紅過臉,我們一直保持著那份純真的友誼,是我們的互相幫助,才有了今天的這份德業(yè)雙修。所以在這里也要感我們的交通學(xué)院,是學(xué)校給了我們這么寬廣的一個交流平臺,能夠在獲得知識的同時,也能得到同樣珍貴的友誼。在論文即將完成之際,我的心情很是激動,那些埋頭苦干和終日坐在電腦跟前的場景還是歷歷在目,辛勤勞動的付出,相信也能夠給我?guī)硗瑯臃至康氖斋@。從開始進入課題到論文的順利完成,有太多太多需要感的朋友和老師,在這里請接受我真摯的感！參考文獻[l]樂建波編著《溫度控制系統(tǒng)》化學(xué)工業(yè)[2]自美編著《電子線路設(shè)計·實驗·測試〔第二版》華中科技大學(xué)2000[3]武慶生仇梅編著《單片機原理與應(yīng)用》電子科技大學(xué)1998.2[4]譚浩強編著《C程序設(shè)計》.:清華大學(xué)1999年[5]華中理工大學(xué)電子學(xué)教研室編《電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分〔第四版》高等教育2000.6[6]《電子制作》2004.10[7]王彬任艷穎編著《DigitalICSystemDesign》電子科技大學(xué)2005.9[8]麗娟邵欣編著《基于單片機的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)》機械制造[9]郭炳坤簡單的恒溫箱溫控電路[J].儀器與未來,1991附錄1：系統(tǒng)源程序EMPER_LEQU 29H ;用于保存讀出溫度的低8位TEMPER_HEQU 28H ;用于保存讀出溫度的高8位FLAG1 EQU 38H ;是否檢測到DS18B20標(biāo)志位A_BITEQU 20H ;數(shù)碼管個位數(shù)存放存位置B_BITEQU 21H ;數(shù)碼管十位數(shù)存放存位置B1 EQU 70H ;溫度小數(shù)點位A1 EQU 71H ;設(shè)定溫度值DQEQUP3.1 ;DQ為DS18B20數(shù)據(jù)位BELLEQUP2.7 ;//蜂鳴報警ORG 0000H ;單片機存分配申明!AJMPMAIN0 ;///////////////////////////////////前面的都是定義MAIN: MOVR0,#10M1: CPLP2.3ACALLDELAY125DJNZR0,M1 ;//此段為燈閃5次,無實際意義 ;///////////////////////////////////////////////MAIN0: MOVA1,#80 ;默認(rèn)加熱為80度MAIN1: LCALLD1820 ;調(diào)用讀溫度子程序LCALLDISPLAY ;調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序MOVA,29HCLRCCJNEA,A1,MAIN1_1SETBBELL ;//溫度相等,關(guān)閉蜂鳴器AJMPMAIN1_1_A ;//下等不用叫蜂鳴器MAIN1_1: JCMAIN1_2 ;為1轉(zhuǎn)移,表示小于設(shè)定溫度CPLBELL ;蜂鳴器斷續(xù)鳴叫MAIN1_1_A: CLRP2.3 ;//下面是表示沒達到溫度SETBP2.5AJMPMAIN2 ;/////////////////////////////////////主要是檢測溫度是否小于設(shè)定的溫度,小于,則開發(fā)熱管CLRP2.3MAIN1_2: SETBBELL ;//關(guān)閉蜂鳴器CLRP2.5 ;//開發(fā)熱管SETBP2.3 ;///////////////////////////////上面的是大于,關(guān)發(fā)熱管MAIN2: JBP1.0,MAIN1 ;//看P1.0有否按下ACALLDELAY125 ;//延時防抖動,常用的手法,網(wǎng)上很多介紹的JBP1.0,MAIN1 ;//再次查看CLRP2.3JNBP1.0,$ ;//等按鍵完全松手才進入!SETBP2.3SETBP2.5 ;///檢測到P1.0按鍵后后進入設(shè)定溫度MAIN2_1: ACALLDISPLAY1JBP1.2,MAIN2_2ACALLDELAY125JBP1.2,MAIN2_2JNBP1.2,$MOVA,#5ADDA,A1CLRCCJNEA,#100,MAIN2_1_1MOVA,#99AJMPMAIN2_1_3 ;////////////////上面這一段是+5度按鍵,按下+5度MAIN2_1_1: JCMAIN2_1_3MAIN2_1_2: CLRCMOVA,#99MAIN2_1_3: MOVA1,AMAIN2_2: JBP1.4,MAIN2_3ACALLDELAY125JBP1.4,MAIN2_3JNBP1.4,$MOVA,A1CJNEA,#99,ZY1MOVB,#4AJMPZY2ZY1: MOVB,#5ZY2: CLRCMOVA,A1SUBBA,BMAIN2_2_1: JNCMAIN2_2_2MOVA1,#0AJMPMAIN2_3 ;////////////////上面這一段是.5度按鍵,按下.5度MAIN2_2_2: MOVA1,AMAIN2_3: JBP1.6,MAIN2_1ACALLDELAY125JBP1.6,MAIN2_1CLRP2.3JNBP1.6,$SETBP2.3AJMPMAIN1 ;/////////////上面這一段是退出的意思的!D1820: LCALLGET_TEMPER ;調(diào)用讀溫度子程序MOVB1,29HMOVA,29HMOVC,40H ;將28H中的最低位移入CRRCAMOVC,41HRRCAMOVC,42HRRCAMOVC,43HRRCAMOV 29H,AMOVA,B1MOVB,#10HMULABMOVB,#10HDIVABMOVB,#10MULABMOVB,#10HDIVABMOVB1,ARET ;//////////上面這一段是讀取溫度后進行轉(zhuǎn)換的意思! ;///////////////////////////////// ;//////////////////////////////// ;///////////////////////////////INIT_1820: SETBDQ ;這是DS18B20復(fù)位初始化子程序NOPCLRDQ ;主機發(fā)出延時537微秒的復(fù)位低脈沖MOVR1,#3TSR1: MOVR0,#107DJNZR0,$DJNZR1,TSR1SETBDQ ;然后拉高數(shù)據(jù)線NOPNOPNOPNOPMOVR0,#25HTSR2: JNBDQ,TSR3 ;等待DS18B20回應(yīng)DJNZR0,TSR2LJMPTSR4 ;延時TSR3: SETBFLAG1 ;置標(biāo)志位,表示DS1820存在LJMPTSR5TSR4: CLRFLAG1 ;清標(biāo)志位,表示DS1820不存在LJMPTSR7TSR5: MOVR0,#117TSR6: DJNZR0,TSR6 ;時序要求延時一段時間TSR7: SETBDQRETGET_TEMPER: SETBDQ ;讀出轉(zhuǎn)換后的溫度值LCALLINIT_1820 ;先復(fù)位DS18B20JBFLAG1,TSS2RET ;判斷DS1820是否存在?若DS18B20不存在則返回TSS2: MOVA,#0CCH ;DS18B20已經(jīng)被檢測到!!!!!!!!!!!!!!!跳過ROM匹配LCALLWRITE_1820MOVA,#44H ;發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令LCALLWRITE_1820LCALLDISPLAY ;這里通過調(diào)用顯示子程序?qū)崿F(xiàn)延時一段時間,等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束,12位的話750微秒LCALLINIT_1820 ;準(zhǔn)備讀溫度前先復(fù)位MOVA,#0CCH ;跳過ROM匹配LCALLWRI