池州學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院成人學(xué)生畢業(yè)論文題目基于單片機溫度控制系統(tǒng)專業(yè)電子信息科學(xué)與技術(shù)班級層次專升本學(xué)習(xí)形式學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)老師時間摘要根據(jù)我所在水泥企業(yè)提供的條件，本設(shè)計是以STC89C51為控制系統(tǒng)核心，基于DS18B20的溫度控制系統(tǒng)，通過單片機系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)對溫度的顯示和控制功能。本溫度控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由溫度傳感器對外界溫度進行檢測，經(jīng)過調(diào)理電路得到合適的電壓信號。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片得到相應(yīng)的溫度值，將所得的溫度值與設(shè)定溫度值相比較得到偏差。通過對偏差信號的處理獲得控制信號，去調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對溫度的顯示和控制。本文主要介紹了溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方法，主要由三部分構(gòu)成系統(tǒng)整體方案設(shè)計。硬件設(shè)計，主要包括溫度檢測電路、顯示電路、鍵盤設(shè)計和控制電路、報警電路。系統(tǒng)軟件設(shè)計，軟件的設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包括顯示模塊、鍵盤模塊和控制模塊等。關(guān)鍵詞單片機；溫度傳感器；溫度檢測，DS18B20ABSTRACTACCORDINGTOMYCONDITIONSPROVIDEDBYTHECEMENTENTERPRISESTHISDESIGNISTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMBASEDONDS18B20,STC89C51ASCORECONTROLSYSTEM,THROUGHTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEMDESIGNTOACHIEVETHETEMPERATUREDISPLAYANDCONTROLFUNCTIONSTHISTEMPERATURECONTROLSYSTEMISACLOSEDLOOPFEEDBACKCONTROLSYSTEM,BYTHETEMPERATURESENSORTOTESTTHEOUTSIDETEMPERATURE,THROUGHTHEMODULATIONCIRCUITTOGETTHERIGHTVOLTAGESIGNALBYTHEA/DTRANSFORMATIONCHIPTOGETTHECORRESPONDINGTEMPERATUREVALUE,SETTHETEMPERATUREVALUEANDTEMPERATUREVALUEISCOMPAREDTOGETDEVIATIONTHROUGHTOTHEDEVIATIONSIGNALPROCESSINGGAINCONTROLSIGNAL,TOADJUST,SOASTOREALIZETHETEMPERATUREDISPLAYANDCONTROLTHISPAPERMAINLYINTRODUCESTHEWORKINGPRINCIPLEANDDESIGNMETHODOFTEMPERATURECONTROLSYSTEMMAINLYCONSISTSOFTHREEPARTS1THESYSTEMOVERALLSCHEMEDESIGN2THEHARDWAREDESIGNMAINLYINCLUDESTHETEMPERATUREDETECTIONCIRCUIT,DISPLAYCIRCUIT,KEYBOARDDESIGNANDCONTROLCIRCUIT,ALARMCIRCUIT3THESYSTEMSOFTWAREDESIGN,THEDESIGNOFSOFTWAREADOPTSMODULARDESIGN,MAINLYINCLUDESTHEDISPLAYMODULE,KEYBOARDMODULEANDCONTROLMODULE,ETCKEYWORDSSTC89C51MICROCONTROLLERTEMPERATURESENSORTEMPERATUREDETECTIONDS18B20引言因我在水泥企業(yè)工作，溫度控制不僅對產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要而且還是重要設(shè)備保護連鎖。例如高壓電機定子溫度，變頻器溫度等。在工業(yè)企業(yè)中,如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題。這類控制對象慣性大,滯后現(xiàn)象嚴(yán)重,存在很多不確定的因素,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，因其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡單，而且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。數(shù)字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳即可與單片機進行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器DS18B20做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性。更能串接多個數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行范圍的溫度檢測。1系統(tǒng)總體設(shè)計11系統(tǒng)設(shè)計方案本次設(shè)計主要以硬件為主附帶軟件的方案。以DS18B20作為溫度傳感檢測元件，控制模塊以STC89C51系列單片機是從引腳到內(nèi)核都是完全兼容標(biāo)準(zhǔn)8051單片機，選用光電耦合器，雙向可控硅和功率電阻組成可以與單片機端口和市電連接大功率工作的設(shè)備，以供風(fēng)扇與加熱器的正常工作。本設(shè)計采用基于STC89C51單片機與DS18B20溫度傳感器、加熱制冷部分構(gòu)成機箱監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計，其整體框架圖如下圖1所示，其軟件流程如圖2所示外接溫度采集模塊STC89C51單片機高低溫報警溫度按鍵系統(tǒng)數(shù)碼管顯示溫度溫度是否過高溫度是否過低開風(fēng)扇，低溫報警閃爍開加熱器，高溫報警閃爍圖1系統(tǒng)設(shè)計方案框架主程序調(diào)入按鍵掃描程序調(diào)入設(shè)置DS18B20溫度報警值程序調(diào)入讀取溫度程序判斷DS18B20是否正常調(diào)入按鍵掃描程序調(diào)入數(shù)碼管溫度顯示程序空操作否是判斷HI_ALARM和LO_ALARM是否為1保持否報警并驅(qū)動后級電路操作是圖2軟件流程2硬件電路設(shè)計及工作原理21參數(shù)采集模塊設(shè)計211溫度傳感器DS18B20芯片介紹與運用DS18B20是數(shù)字溫度傳感器芯片，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗小、抗干擾能力強、使用方便等優(yōu)點?？梢栽谌€上同時并聯(lián)多個溫度傳感器，每臺分機上可以連接多根電纜，每根電纜上可以并聯(lián)幾十個點，構(gòu)成串行總線工作方式。由于18B20芯片送出的溫度信號是數(shù)字信號，因此簡化了A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計，提高了測量效率和精度；并且芯片的ROM中存有其唯一標(biāo)識碼，即不存在相同標(biāo)識碼的DS18B20，特別適合與微處理芯片構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)。DS18B20的性能特點1適用電壓范圍3055V；2測溫范圍55125,精度為05；3無須外部器件，獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；4多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；5零待機功耗；6用戶可定義的EEPROM,設(shè)定的報警溫度存在非易失存儲器中；7報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；8可編程的分辨率12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為05、025、0125和00625；9負(fù)壓特性電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。引腳定義及分布如圖3所示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）。圖3DS18B20引腳分布圖DS18B20的測溫原理DS18B20的測溫原理如圖4所示。用一個高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個門周期，內(nèi)部計數(shù)器在這個門周期內(nèi)對一個低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進行計數(shù)來得到溫度值。計數(shù)器被預(yù)置到對應(yīng)于55的一個值。如果計數(shù)器在門周期結(jié)束前到達(dá)0，則溫度寄存器的值增加，表明溫度大于55。同時，計數(shù)器被復(fù)位到一個值，這個值由斜坡式累加器電路確定，斜坡式累加器電路用來補償感溫振蕩器的拋物線特性。然后計數(shù)器又開始計數(shù)直到0，如果門周期未結(jié)束，將重復(fù)這一過程。圖4DS18B20測溫原理圖對應(yīng)的溫度計算當(dāng)符號位S0時，表示測得的溫度值為正值，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)S1時，測得的溫度值為負(fù)值，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進制值。如表1所示表1DS18B20溫度值格式表溫度/二進制表示十六進制表示125000001111101000007D0H8500000101010100000550H25062500000001100100010191H10125000000001010001000A2H0500000000000010000008H000000000000000000000H051111111111111000FFF8H101251111111101011110FF5EH2506251111111001101111FE6FH551111110010010000FC90HDS18B20與單片機的接口電路DS18B20可以采用電源供電方式如圖5所示，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接5V電源。此設(shè)計DS18B20的I/O接在P1端口P17，電源與數(shù)字輸入輸出腳間需要接一個47K電阻。圖5DS18B20與單片機的接口當(dāng)DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10US。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。22執(zhí)行動作模塊設(shè)計與MOC3081的簡介當(dāng)傳感器把數(shù)據(jù)傳送給單片機后，單片機把信號發(fā)送給執(zhí)行動作模塊，讓其做出相應(yīng)的開啟關(guān)閉空調(diào)或加熱器的動作，這個模塊部分接的是220V的電壓，所以還必須用到光電雙向可控硅MOC3081對電路進行保護隔離。其電路圖如圖6所示STC89C51單片機162MOC3081534162MOC3081534風(fēng)扇加熱管220V220V5V圖6執(zhí)行動作模塊結(jié)構(gòu)框圖（一）MOC3081的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形圖如圖7所示圖7MOC3081內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形圖（二）MOC3081的性能特點1適用最大電壓范圍800V，耐壓高，安全可靠；2工作溫度范圍40100；36引腳交叉光隔離器TRIAC驅(qū)動輸出電壓峰4輸入端正向電流最大值為50MA；反向電壓為6V5輸出端正向電流最大值為12A，耐壓800V6過零點觸發(fā)7絕緣電壓可達(dá)7500VMOC3081是美國摩托羅拉公司最新光電器件，它可以用直流低電壓，小電流控制交流高電壓，大電流。光耦以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強的特點。對于既包括弱電控制部分，又包括強電控制部分的工業(yè)應(yīng)用測控系統(tǒng)，采用光耦隔離可以很好地實現(xiàn)弱電和強電的隔離，達(dá)到抗干擾目的。23具體硬件電路原理分析231單片機模塊本設(shè)計對數(shù)據(jù)的處理速度以及存儲空間的要求不高，一般的內(nèi)置的閃存都能滿足，而STC89C51芯片存儲空間更大能夠在線擦寫程序的優(yōu)點，在運用和軟件調(diào)試時更方便，且自帶的下載版上的數(shù)碼管和按鍵也能對當(dāng)前的溫度分別進行顯示和控制，STC89C51是一款八位，片內(nèi)有4K在線可重復(fù)編程擦去寫入程序的ROM/EPROM的單片機，其硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強等特點。這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單、實用可靠。用STC89C51單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路即可，如下圖8所示。本設(shè)計所選用的晶振為12MHZ，晶振電容為30PF。I/O引腳有四個口，共32根I/O線。包括P0，P1，P2，P3，其中P2P0組成16位數(shù)據(jù)總線，P2高位，P0還可以復(fù)用為八位數(shù)據(jù)總線，P0，P1，P2可做普通接口，其中P3端口第二功能如表2所示圖8單片機模塊及端口說明該部分硬件是單片機模塊，用來處理C51程序，控制后級的驅(qū)動電路和數(shù)碼的顯示部分表2P3端口功能232單片機與報警電路系統(tǒng)中的報警電路是有三極管，蜂鳴器，發(fā)光二極管和限流電阻組成，并與STC89C51的P10P13端口連接。P1接收低八位地址數(shù)據(jù)，如圖9所示圖9報警電路233按鍵模塊按鍵輸入原理在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路及專一的復(fù)位功能外，其它按鍵都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)的。當(dāng)所設(shè)置的功能鍵或數(shù)字鍵按下時，計算機應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)完成該按鍵所設(shè)定的功能，鍵信息輸入是與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的過程。對于一組鍵或一個鍵盤，總有一個接口電路與單片機相連。單片機可以采用查詢或中斷方式了解有無將鍵輸入，并檢查是哪一個鍵按下，將該鍵號送入累加器ACC，然后通過跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序，執(zhí)行完后再返回主程序。獨立式按鍵單片機控制系統(tǒng)中，往往只需要幾個功能鍵，此時，可采用獨立式按鍵結(jié)構(gòu)。獨立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。獨立式按鍵的典型應(yīng)用如圖所示獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大，不宜采用。下圖中按鍵的輸入均采用低電平有效，此外，上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O口線有確定的高電平。當(dāng)I/O內(nèi)部有上拉電阻時，外電路可不接上拉電阻。其P30，P31,P32,P33,接口接按鍵模塊。如圖10所示圖10單個按鍵電路說明該硬件電路是按鍵的部分，主要是用來調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)定好的上下限溫度報警的值。234后級驅(qū)動模塊該電路通過單片機的控制來達(dá)到DS18B20在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)工作。當(dāng)溫度高于上限報警溫度，單片機給P12低電平，驅(qū)動風(fēng)扇工作；當(dāng)溫度低于下限報警溫度，單片機給P13低電平，驅(qū)動加熱棒工作。如圖11所示圖1124用戶自行控制溫度和顯示溫度模塊介紹241當(dāng)前溫度顯示部分介紹LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及原理由8段發(fā)光二極管組成。其中7段組成“8”字，1段組成小數(shù)點。通過不同的組合，可用來顯示數(shù)字09、字母AF及符號“”。LED數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)。而本次采用共陽極，將公共端接到5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。因此改變I/O輸出代碼即可控制發(fā)光二極管亮和暗。如圖12所示圖12如下圖13所示，是基于DS18B20溫度控制系統(tǒng)顯示部分的的設(shè)計框圖，該圖能清楚明了了讓我們知道該系統(tǒng)硬件的基本連接方法。P27P26P25P24P23P22STC89C51P30P31P32P33數(shù)碼管上限溫度下限溫度DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器芯片，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗小、抗干擾能力強、使用方便等優(yōu)點?？梢栽谌€上同時并聯(lián)多個溫度傳感器，每臺分機上可以連接多根電纜，每根電纜上可以并聯(lián)幾十個點，構(gòu)成串行總線工作方式。由于18B20芯片送出的溫度信號是數(shù)字信號，因此簡化了A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計，提高了測量效率和精度；并且芯片的ROM中存有其唯一標(biāo)識碼，即不存在相同標(biāo)識碼的DS18B20，特別適合與微處理芯片構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)。溫度當(dāng)前溫度按鍵P30進入上下限溫度設(shè)置按鍵加減上下限溫度圖13數(shù)碼管顯示溫度示意框圖242按鍵控制調(diào)節(jié)上下限報警限溫度說明上圖13中的P30到P33時對上下限報警溫度調(diào)節(jié)端口，其中P30是設(shè)置是否進入上下限溫度調(diào)節(jié)端口；P31端口是控制調(diào)節(jié)上限報警溫度還是調(diào)節(jié)下限報警溫度；P32和P33分別是加減控制端口。3硬件調(diào)試31硬件整體測試311電路問題分析1調(diào)試硬件電路時。用萬用表測試所有芯片的電源和地是否確實接電源和接地了，測試各個芯片是否處于正常的工作電壓，并測試電路是否有短路、斷路、虛焊，有無接錯線，同時要特別注意過孔是否連接正確。2硬件電路通電時，注意用手背觸摸下芯