1、單片機綜合設計 恒溫控制器 專 業 班 級 ： 測控102 學 生 姓 名 ： 羅麗嬌 學 號 : 120103107056 指 導 老 師 ： 程萬勝基于單片機的恒溫控制器的設計與實現一. 設計目的 在現代化的工業生產中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數。例如：在冶金工業、化工生產、電力工程、造紙行業、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態簡單和靈活性大等優點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量和數量。因此，單片機對溫

2、度的控制問題是一個工業生產中經常會遇到的問題，以單片機為主要核心的應用技術已成為一項新的工程應用技術。單片機以其集成度高、運算速度快、體積小、運行可靠、價格低廉等優勢，在過程控制系統、數據采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器以及網絡技術等方面得到了廣泛的應用。 溫度控制系統是比較常見的和典型的過程系統，溫度是工業生產過程中重要的被控參數之一，在冶金、機械、食品、化工等各類工業生產過程中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐，對工件的處理溫度等均需要對溫度嚴格控制。利用單片機、溫度傳感器實現對溫度的控制，具有體積小、編程簡單、價格低的優點，在發電廠、紡織、食品、醫藥、倉庫等許多領域得到了很快的

3、應用。因此具有很好的發展前景和可靠的使用價值。二. 總體設計1. 研究內容及創新點：本設計是將溫度通過DS18B20（常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開消低，抗干擾能力強，精度高的特點。）進行采樣并轉換為0-5V的電壓信號進入AT89c51（芯片）單片機，從I/O口輸出到液晶屏顯示其溫度。同時顯示電路顯示設定的恒溫值，恒溫值在一定范圍內可調。當實際溫度高于設定的恒定溫度1時，單片機發出指令信號，繼電器吸合，風扇開始吹風。當溫度低于設定的恒溫值1時，單片機發出指令信號，繼電器斷開，風扇停止吹風。2.設計要求：DS18B20數字量溫度采集LCD液晶顯示屏溫度控制并給予工作狀態顯示3.總體設計：根

4、據技術指標，該系統為一個溫度采集控制系統。該系統主要由控制部分和執行部分組成。控制部分包括單片機最小系統模塊、DS18B20、顯示模塊、電源模塊等。執行部分主要由加熱和冷卻裝置組成。整個系統實現對數據的采集運算，對溫度參數的設置，對采集數據的顯示和加熱裝置的控制。本次設計主要分為硬件設計和軟件設計。硬件設計分為電源電路，測溫電路，單片機最小系統， LED顯示電路，繼電器控制電路。軟件設計分為溫度采集程序，顯示子程序，溫度控制子程序等。在硬件電路的設計中系統采用220V/50Hz交流電供電，電源電路負責提供5V、+12V和-12V直流電源,主要用到了集成穩壓塊7805、7812和7912。測溫電

5、路負責將現場溫度近似線性的轉換為05V的直流電壓信號，信號送至單片機。單片機將測溫電路送過來的電壓信號進行顯示和計算，并通過相應的程序完成相應的動作。單片機最小系統是單片機以及整個系統能夠正常工作的前提，包括晶振電路，復位電路等。最小系統外圍電路測控對象DS18B20單片機顯示模塊電源模塊繼電器模塊三.系統硬件設計1.單片機的選擇：AT89S52是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機。片內帶有一個8KB的Flash可編程、可擦除只讀存儲器（EPROM）。它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器（NURAM）技術，而且其輸出引腳和指令系統都與MSC-51兼容。片內的Flash

6、存儲器允許在系統內改編程序或用常規的非易失性存儲器編程器來編程。因此AT89S52是一種功能強、靈活性高，且價格合理的單片機，可方便地應用在各種控制領域。同時支持ISP在線下載。2.溫度傳感器的選擇：DS18B20數字溫度計是DALLAS公司生產的1Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數字溫度計，十分方便。DS18B20產品的特點：（1） 只要求一個端口即可實現通信。（2） 在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號。（3） 實際應用中不需要外部任何元器件即可實現測溫。（4） 測量溫度范圍在55&#

7、176;C到125°C之間。（5） 數字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。（6） 內部有溫度上、下限告警設置。由于本系統要求靈敏度高、線性度好、實際尺寸小、使用方便、熱響應快而且價格便宜等優點。所以采用方案四中的DS18B20。3.顯示模塊的選擇：使用傳統液晶顯示屏。低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，對外界環境要求低，易于維護，同時其精度比較高，稱重輕，精確可靠，操作簡單。編碼顯示數字，程序編譯容易，資源占用較少。4.溫度測量模塊DS18B20是一種單端通信的數字式溫度傳感器，這就大大減小了溫度測量電路的復雜程度，我們將單片機的一條I/O分

8、配給溫度傳感器，即可完成溫度采集的的硬件需求。單片機通過對溫度傳感器的初始化，發出溫度轉換命令，寫入和讀出數據的命令來實現溫度值的測量。另外，也考慮過用模擬式的溫度傳感器，但由于數據采集部分需要A/D轉換，還需要設計相應的放大電路，電路設計較為復雜，并且在可靠性和抗干擾能力上都不如數字式溫度傳感器，所以最終選擇了用數字式傳感器DS18B20進行溫度測量的較簡單的溫度測量模塊。(1) DS18B20的測溫原理本系統在溫度采集中使用的DS18B20測溫原理圖如圖3-2所示：圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器1；高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩頻率明

9、顯改變，所產生的信號作為減法計數器2的脈沖輸入。圖中還隱含著計數門，當計數門打開時，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數，進而完成溫度測量，計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55所對應的一個基數分別置入減法計數器1、溫度寄存器中。圖4-2 DS18B20測溫原理圖(2) DS18B20的性能特點DS18B20是一種使用方便的溫度傳感器，其性能特點如下：（1） 具有獨特的單線接口方式，只要求一個端口即可實現通信 （2） 內含64位經過激光修正的只讀存儲器ROM （3） 在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號 （4） 實際應用中不需要外部

10、任何元器件即可實現測溫 （5） 測量溫度范圍在55到125之間，測量分辨率為0.0625 （6） 數字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇（7） 內部有溫度上、下限告警設置，用戶可分別設定各路溫度的上、下限 （8） 支持多接點 （9） 可用數據線供電，電壓范圍：3.05.5V （10） 負壓特性：電源極性接反時，溫度計不會因發熱而燒毀，但不能正常工作7。 (3) DS18B20的引腳功能圖4-3 底視圖系統所選的是3腳的PR-35封裝DS18B20數字溫度傳感器，引腳功能如下表所示：DS18B20的引腳功能描述序號名稱引腳功能描述 1GND接地信號 2DQ數字信號輸入/輸出引腳。開漏單總線

11、接口引腳。3VDD可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地，也可以向 器件提供電源 (5) DS18B20的內部存儲器DS18B20的內部有一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM，后者存放高溫度和低溫度觸發器TH、TL。高速暫存存儲器由9個字節組成，其分配如表3-2所示。當溫度轉換命令發布后，經轉換所得的溫度值以二字節補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節。單片機可通過單線接口讀到該數據，讀取時低位在前，高位在后，對應的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉換為十進制；當S=1時，先將補碼變為原碼，再計算十進制值。表中對應的一部分溫度值。第3和第4

12、字節是TH 和TL的拷貝，是易失性的，每次上電復位時被刷新，第5字節為配置寄存器，它主要用來確定溫度值的數字轉換分辨率8。低5位一直為1，TM是測試模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動。表3-2 DS18B20暫存寄存器分布單片機可通過單線接口讀到該數據，讀時低位在前，高位在后，數據格式如下表：溫度數字輸出（二進制輸出）數字輸出（十六進制）+12500000000 1111101000 FAH+2500000000 0011001000 32H+0.500000000 0000000100 01H000000000 0000000000

13、 00H-0.511111111 11111111FF FFH-2511111111 11001110FF CEH-12511111111 10010010FF 92HR1和R0決定溫度轉換的精度位數，用來設置分辨率如表3-4所示，默認為12位，分辨率為0.0625。6，7，8字節保留未用，為全邏輯1，第9字節是冗余檢驗字節9。表3-4 配置存儲器與分辨率關系R0R1溫度計分辨率/bit最大轉換時間/ms00993.7501 10187.510113751112750溫度算法(分辨率為0.0625): (1)當SSSSS=11111b ,D=-1;當SSSSS=00000b,D=1 (2)當D

14、=1時，溫度值T=(高字節×256+低字節)×0.0625 (3)當D=-1時，溫度值T=-(256-高字節)×256-低字節×0.062510 溫度采集過程如圖3-4所示： 圖3-4溫度采集過程圖(6) DS18B20的工作時序DS18B20的工作時序主要包括：初始化時序、寫時序、讀時序。(1) 初始化時序 初始化時序見圖3-5主機總線在t0時刻發送一個最短為480s的低電平復位脈沖信號，接著在t1時刻釋放總線并進入接收狀態，DSl8B20在檢測到總線的上升沿之后，等待15s60s，接著在t2時刻發出低脈沖(60s240s)，如圖中虛線所示，18B20

15、響應之后又恢復為高電平，t2t4稱為18B20的響應時間，最少為480s。圖3-5 初始化時序(2) 寫時序 當主機總線t0時刻從高拉至低電平時，就產生寫時序，見圖3-6，從t0時刻開始15s之內應將所需寫的位送到總線上，DSl8B20在t0后15s60s間對總線采樣。若為低電平，寫入的位是0；若為高電平，寫入的位是1。連續寫2位間的時序應大于1s。 圖3-6 寫時序（3）讀時序 見圖3-7主機總線t0時刻從高拉至低電平時總線只須保持低電平1s之后在t1時刻將總線拉高，產生讀時序，讀時序在t1時刻后t2時刻前有效。t2距t0為15s，也就是說，t2時刻前主機必須完成讀位，并在t0后的60s12

16、0s內釋放總線。圖3-7 讀時序5.單片機最小系統電路單片計算機應該是一個最小的應用系統，但由于應用系統中有一些功能器件無法集成到芯內部，如晶振、復位電路等，需要在片外加接相應的電路。1、單片機的時鐘電路MCS-51單片機內部的振蕩電路是一個高增益反相放大器，引線XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。單片機內部雖然有振蕩電路，但要形成時鐘，外部還需附加電路。MCS-51單片機的時鐘產生方式有兩種：TTLXTAL2XTAL1外部時鐘信號VCC晶振XTAL1XTAL2 圖3-3使用片內振蕩電路的時鐘電路 圖3-4 HMOS型單片機的外部時鐘電路（1） 內部時鐘方式：利用其內部的振蕩電

17、路在XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件，內部振蕩電路便產生自激振蕩，用示波器可以觀察到XTAL2輸出的時鐘信號。最常用的是在XTAL1和XTAL2之間連接晶體振蕩器與電容構成穩定的自激震蕩器，如圖3-8所示。 晶體可在1.212MHz之間選擇。MCS-52單片機在通常應用情況下，使用振蕩頻率為12MHz的石英晶體。對電容值無嚴格要求，但它的取值對振蕩頻率輸出的穩定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響。C1和C2可在20100pF之間取值，一般取30pF左右。（2） 外部時鐘方式在有些系統中，為了各單片機之間時鐘信號的同步，應當引入惟一的合用外部振蕩脈沖作為各單自片機的時鐘。外部時鐘方式中

18、是把外部振蕩信號源直接接入XTAL1或XTAL2。由于HMOS和CHMOS單片機外部時鐘進入的引線不同，其外部振蕩信號源接入的方式也不同。HMOS型單片機由XTAL2進入，外部振蕩信號接至XTAL2，而內部反相放大器的輸入端XTAL1應接地11，如圖3-9所示。由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，故還要接一上拉電阻。CHMOS型單片機由XTAL1進入，外部振蕩信號接至XTAL1，而XTAL2可不接地，如圖3-10所示：XTAL2XTAL1不接外部時鐘 圖3-10 CHMOS型單片機的外部時鐘電路2、 AT89S51介紹及引腳功能說明AT89S51是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機。片

19、內帶有一個8KB的Flash可編程、可擦除只讀存儲器（EPROM）。它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器（NURAM）技術，而且其輸出引腳和指令系統都與MSC-52兼容。片內的Flash存儲器允許在系統內改編程序或用常規的非易失性存儲器編程器來編程。因此AT89S51是一種功能強、靈活性高，且價格合理的單片機，可方便地應用在各種控制領域。另外，AT89c51是用靜態邏輯來設計的，其工作頻率可下降到0Hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式空閑方式（Idle Mode）和掉電方式（Power Down Mode）。在這空閑方式中，CPU停止工作，而RAM、定時器/計數器、串

20、行口和中斷系統都繼續工作。在掉電方式中，片內振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結”，使一切功能都暫停，故只保存片內RAM中的內容，直到下一次硬件復位為止。以下是對其引腳及其功能的簡要說明：（1） 主電源引腳：接電源。 （2） 外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶體的一個引腳。在單片機內部，它是構成片內振蕩器的反放大器的輸入端。當采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內部時鐘發生器的輸入端。XTAL2：接外部晶體的另一個引腳。在單片機內部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，此引腳應懸浮不連接。（3） 控制或與其他電源復用引腳RST，ALE/

21、，/VppRST：復位輸入端。當振蕩器運行時，在該引腳上出現兩個機器周期的高電平將使單片機復位。ALE/：當訪問外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的1/6）周期性地出現正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。 ：程序存儲允許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。當AT89S51/LV51由外部程序存儲器取指令（或常數）時，每個機器周期兩次有效（即輸出2個脈沖）。但在此期間內，每當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號將

22、不出現。/Vpp：外部訪問允許端。要使CPU只訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），則端必須保持低電平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被編程，復位時在內部會鎖存端的狀態。當端保持高電平（接Vcc端）時，CPU則執行內部程序存儲器中的程序。（4） 輸入/輸出引腳P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7和P3.0P3.7P0端口（P0.0P0.7）：P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅動8個TTL輸入，對端口寫1時，又可作高阻抗輸入端用。在Flash編程時，P0端口接收指令字節；而在校驗程序時，則輸出指令字節。驗

23、證時，要求外接上拉電阻。P1端口（P1.0P1.7）：P1是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（IIL）。在對Flash編程和程序校驗時，P1接收低8位地址。P2端口（P2.0P2.7）：P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P2作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（IIL）。在對Flash

24、編程和程序校難期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。P3端口（P3.0P3.7）：P3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位12，這時可用作輸入口。P3作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（IIL）。在AT89S51中，P3端口還用于一些復用功能，在對Flash編程或程序校驗地，P3還接收一些控制信號。復用功能如表3-5所列: 表3-5 P3各端口引腳與復用功能表端口引腳復用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2

25、（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6（外部數據存儲器寫選通）P3.7（外部數據存儲器讀選通） 時鐘晶振電路手動復位電路 鍵盤電路6.繼電器控制電路當實際溫度高于設定的恒定溫度1時，單片機發出指令信號，繼電器吸合，風扇開始吹風。當溫度低于設定的恒溫值1時，單片機發出指令信號，繼電器斷開，風扇停止工作。溫度過程控制 當溫度高于所設定的上限溫度時，繼電器閉合，并通過繼電器開動降溫裝置進行降溫，直至溫度達到設定的溫度范圍內停止降溫；當溫度低于設定的最低溫時，溫度的上下限可由使用者自行設定。整體電路圖程序部分#include&l

26、t;reg51.h>#include<intrins.h>#include <absacc.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define BUSY 0x80 /lcd忙檢測標志#define DATAPORT P0 /定義P0口為LCD通訊端口#define PLAYE_ADDR XBYTE0XBFFF /語音報警地址sbit RED_ALARM=P10; /紅色指示燈sbit WRITE_ALARM=P11; /白色指示燈sbit GREEN_ALARM=P12; /綠色指示燈sbit

27、 P1_4=P14; /時鐘調整sbit P1_5=P15; /時鐘加sbit P1_6=P16; /時鐘減sbit DQ = P17; /定義ds18b20通信端口 sbit LCM_RS=P20;/數據/命令端sbit LCM_RW=P21;/讀/寫選擇端sbit LCM_EN=P22; /LCD使能信號sbit ad_busy=P32; /adc中斷方式接口sbit RECLED_EOC=P35; /ISD1420放音結束查詢標志sbit OUT=P37;uchar ad_data; /ad采樣值存儲uchar seconde=0; /定義并初始化時鐘變量uchar minite=0;u

28、char hour=12;uchar mstcnt=0;uchar temp1,temp2,temp; /溫度顯示變量uchar t,set;uchar K;bit ON_OFF=0;bit outflag;uchar code str0="- : : - "uchar code str1="SET: C SA: . C"void delay_LCM(uint); /*ds18b20初始化函數*/void Init_DS18B20(void) unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ復位 delay_18B20(8); /稍做延時 D

29、Q = 0; /單片機將DQ拉低 delay_18B20(80); /精確延時 大于 480us DQ = 1; /拉高總線 delay_18B20(14); x=DQ; /稍做延時后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗 delay_18B20(20);/*ds18b20讀一個字節*/ unsigned char ReadOneChar(void)uchar i=0;uchar dat = 0;for (i=8;i>0;i-) DQ = 0; / 給脈沖信號 dat>>=1; DQ = 1; / 給脈沖信號 if(DQ) dat|=0x80; delay_18B20(

30、4); return(dat);/*ds18b20寫一個字節*/ void WriteOneChar(uchar dat) unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; delay_18B20(5); DQ = 1; dat>>=1; /*讀取ds18b20當前溫度*/void ReadTemperature(void)unsigned char a=0;unsigned char b=0;unsigned char t=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);

31、 / 跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0x44); / 啟動溫度轉換delay_18B20(100); / this message is wery importantInit_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器等（共可讀9個寄存器） 前兩個就是溫度delay_18B20(100);a=ReadOneChar(); /讀取溫度值低位b=ReadOneChar(); /讀取溫度值高位temp1=b<<4;temp1+=(a&0xf0)>>4;tem

32、p2=a&0x0f; temp=(b*256+a)>>4); /當前采集溫度值除16得實際溫度值/*液晶顯示子函數1正常顯示*/void displayfun1(void)WriteCommandLCM(0x0c,1); /顯示屏打開，光標不顯示，不閃爍，檢測忙信號DisplayListChar(0,0,str0);DisplayListChar(0,1,str1); DisplayOneChar(3,0,hour/10+0x30); /液晶上顯示小時DisplayOneChar(4,0,hour%10+0x30);DisplayOneChar(6,0,minite/10+

33、0x30);/液晶上顯示分DisplayOneChar(7,0,minite%10+0x30);DisplayOneChar(9,0,seconde/10+0x30); /液晶上顯示秒DisplayOneChar(10,0,seconde%10+0x30);DisplayOneChar(4,1,K/10+0x30); /液晶上顯示設定的溫度DisplayOneChar(5,1,K%10+0x30); DisplayOneChar(11,1,temp1/10+0x30); /液晶上顯示測得的溫度 DisplayOneChar(12,1,temp1%10+0x30);DisplayOneChar(14,1,temp2/10+0x30);if(ON_OFF=0) /若溫控標志為0DisplayOneChar(14,0,0x4f); / 液晶上顯示不控溫的標志DisplayOneChar(15,0,0x46);elseDisplayOneChar(14,0,0x4f); / 液晶上顯