单片机课程设计——基于51单片机的温度控制系统设计
单片机课程设计报告
题目：温度控制系统设计
学院:通信与信息工程学院
专业：测控技术与仪器专业
班级: 测控三班
成员: 徐郡
二〇一四年六月十二日
一、引言
温度是工业控制中主要的被控参数之一,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同,则采用的测温元件、测方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展,微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术,也便随之而生,并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。
作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域较广泛。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此,了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
为了提高对传感器的认识和了解,尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途,基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本系统利用传感器与单片机相结合，应用性比较强，本系统可以作为仓库温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统，以及构成智能电饭煲等等。课题主要任务是完成环境温度监测，利用单片机实现温度监测并通过报警信号提示温度异常。本设计具有操作方便,控制灵活等优点。
本设计系统包括单片机,温度采集模块，显示模块，按键控制模块,报警和指示模块五个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控,完成了课题所有要求。
二、实验目的和要求
2.1学习ＤS18Ｂ20温度传感芯片的结构和工作原理。
２.2掌握LEＤ数码管显示的原理及编程方法。
2.3掌握独立式键盘的原理及使用方法。
2.4掌握51系列单片机数据采集及处理的方法。
三、方案设计
总体设计方案采用ＡT8９C５2单片机作控制器,温度传感器选用DS18B20来设计数字温度计,系统由5个模块组成：主控制器、测温电路、显示电路、控制电路、报警及指示电路。主控制器由单片机AT８9Ｃ5２实现，测温电路由ＤＳ18Ｂ２０温度传感器实现，显示电路由4位LＥD数码管直读显示,，报警指示电路由蜂鸣器和发光二级管构成,控制电路由按键构成。本设计所使用的数字温度计与传统的温度计相比,具有读数方便，测温范围广，测温准确等特点，其输出温度采用数字显示，主要用于对温度的精度要求较高的场所，或科研实验室使用，并且加有报警装置,超过限制温度可发出报警信号，还可以调整报警上下限温度。该设计控制器使用单片机AT8９C52，测温传感器使用DS18B2０，用4位共阳极LED数码管以I/O口传送数据，实现温度显示,能准确达到以上要求。
四、实验原理
利用温度传感器芯片监测环境温度,将温度信号转换为数字信号传送到单片机内部，单片机通过对温度数据进行处理，利用四位八段数码管显示环境温度，并利用蜂鸣器和发光二极管发出超限警报信号。通过按键操作可以改变报警温度的上下限。
五、材料清单
六、基本芯片及其原理
６.１单片机
８９C５２是INＴEL公司MCS－51系列单片机中基本的产品，它采用IＮTEL 公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了ＨMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80Ｃ51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能,适合于类似马达控制等应用场合。8９C52内置８位中央处理单元、２56字节内部数据存储器ＲAＭ、８k片内程序存储器(ＲＯM)32个双向输入/输出(I/O)口、3个１6位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。此外,８９Ｃ５２还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而ＲAＭ定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下,保存ＲAM数据,时钟振荡停止,同时停止芯片内其它功能。8９C52有ＰDIＰ(4０pｉｎ）和PLC Ｃ(４4ｐin)两种封装形式。
本次课程设计所使用的单片机为STC8９Ｃ５2单片机,是深圳宏晶科技生产的完全兼容INTEL公司MCS-51系列的单片机。
6.２温度传感器及其原理
传感器ＤＳ18B20具有体积小、精度高、适用电压宽、采用一线总线、可组网等优点,在实际应用中取得了良好的测温效果。
美国Ｄaｌlas半导体公司的数字化温度传感器DＳ１８20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器,在其内部使用了在板(ON－Ｂ0ARＤ)专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
现在，新一代的ＤS1８B20体积更小、更经济、更灵活。使用户可以充分发挥“一线总线”的优点。同DS1820一样,ＤS18B２０也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~＋125°C，在-１０～+85°Ｃ范围内,精度为±0．5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量,如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同,新的产品支持３V～5.５V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。
６.２．１ DS18Ｂ２0的特性
（1)适应电压范围更宽,电压范围：3.0~5．5Ｖ,寄生电源方式下可由数据线
供电。
（2）独特的单线接口方式，ＤS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DＳ18B２０的双向通讯。
(3）DS18Ｂ20支持多点组网功能，多个ＤS1８B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
（４)DＳ18Ｂ20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
（５)温范围－55℃～+1２5℃,在-1０~+8５℃时精度为±0.5℃。
（6)可编程的分辨率为９~1２位，对应的可分辨温度分别为０.5℃、0.２5℃、0．１2５℃和0.0６２5℃，可实现高精度测温。
(7)在9位分辨率时最多在9３．75mｓ内把温度转换为数字，1２位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快。
(８)测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU,同时可传送CＲC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
（9）负压特性:电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
6.2.2 DS1８B20内部结构及DS１8B２0的管脚排列
64位光刻RＯM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DＳ18Ｂ20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同。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,高速暂存器。
DS18B20的引脚定义：
图一DＳ1８Ｂ2０引脚定义
(1)DＱ为数字信号输入/输出端。
(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）。
6.2.3 DS１8Ｂ2０的编程
(1）DS18B20的初始化：
①先将数据线置高电平“1”。
②延时(该时间要求的不是很严格,但是尽可能的短一点)
③数据线拉到低电平“0”。
④延时75０us（该时间的时间范围可以从480us到９60us）。
⑤数据线拉到高电平“1”。
⑥延时等待(如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由ＤS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制)。
⑦若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第(5)步的时间算起)最少要４80微秒。
⑧将数据线再次拉高到高电平“１”后结束。
初始化程序代码如下：
void ds_rｅｓet(voiｄ）
{
ｃhar presence=1；
while(prｅｓeｎｃe)
?｛
?whｉle(presence)
?{
???DQ=１;
??_nｏp_();
?_ｎｏｐ_();
?ＤQ=０；
?delaｙ(50);
?DQ=1;
??delay(6）;
??prｅsence=DQ；
??｝
??ｄelay(４5);
preseｎce=~DＱ;
}
ＤQ=1;
}
（2)ＤＳ１8B２0的写操作：
①数据线先置低电平“０”。
②延时确定的时间为15us。
③按从低位到高位的顺序发送字节(一次只发送一位)。
④延时时间为45uｓ。
⑤将数据线拉到高电平。
⑥重复上(1)到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。
⑦最后将数据线拉高。
写操作程序代码如下：
ｖoid ｄs_write(ｕcｈar ds_wｒdata）
{
?uｃhar i;
fｏr(i=８;ｉ>0；i--）
?{
?DQ=1;
?＿noｐ_();
_noｐ＿（);
?DＱ=0;
?_nｏp_();
?＿ｎop_（);
??_ｎoｐ_（);
?_nｏｐ_();
?ＤQ=ds_wrdata&０x０１；//最低位移出?dｅlａy(6);
dｓ_wｒdaｔa=dｓ_ｗrdata/2; ／/右移１位?}
ＤQ＝1;
?delaｙ(1)；
}
(3)ＤＳ１8B20的读操作:
①将数据线拉高“１”。
②延时2ｕs。
③将数据线拉低“0”。
④延时1５us。
⑤将数据线拉高“1”。
⑥延时15us。
⑦读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。
⑧延时30ｕs。
读操作程序代码如下:
ucｈar ｄs_reaｄ(void）
{
?uｃhａｒi;
?ucｈar valｕe=0；
for(i＝8;i>0；ｉ--)
{
DQ=1;_ｎop_(）;
??＿ｎop_();
?valuｅ>>=1;
?DＱ＝0;
??_nop_();
??_ｎｏp_();
?_nop_();
?_nop_（);
??ＤQ=1;
??_nop_();
?＿nop＿（）;
?_ｎoｐ_(）;
＿ｎop_(）;
?ｉf（DQ)vaｌｕe|=0x80;
delａy(6）;
?}
DQ=1;
ｒeturn(vaｌue）;
}
6.2.４ DS18Ｂ2０传感器的温度数据关系:
图二温度传感器的温度数据关系
6．２.５ＤS18Ｂ20的外部电源供电方式：
在外部电源供电方式下，ＤＳ18B20工作电源由ＶDD引脚接入,此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题,可以保证转换精度,同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B２0传感器，组成多点测温系统。
图三 外部电源供电连接图
七、系统框图
本系统设计由５个模块组成:主控制器(单片机）、温度采集模块、温度显示模块、控制电路模块、报警及指示模块。主控制器由单片机AT89C52实现，测温电路由DS １8B ２0温度传感器实现，显示电路由4位LED 数码管直读显示，报警指示电路由蜂鸣器和发光二级管构成,控制电路由按键构成。
系统框图如下：
图四 系统框图
温度显示
温度采集 控制按键 报警指示
P1.0 P1.3~P1.7
P0.0~P0.7 P2.0~P2.3
P3.0~P3.3
单
片机
八、工作流程图
8.1主程序流程图
图五主要功能流程图
图六指示、报警模块流程图
图七
九、硬件电路图
图八显示模块
图九按键控制模块