基于单片机的温度检测与控制.doc

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1、摘 要本系统以STC89C52单片机为核心部件，外加温度采集电路、及显示电路和越限报警等电路。采用单总线型数字式的温度传感器DS18B20，使系统具有测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强，动态显示的方式等特点。本设计既可以对当前温度进行检测又可以对温度进行数码显示，两位整数一位小数的显示方式具有更高的显示精度，若超越极限温度则触发蜂鸣器报警。利用功能强大的Keil和具有互动电路仿真的Proteus进行程序的编写和仿真。最后完成整个系统的硬件制作。关键词：仿真 温度检测 报警 DS18B20ABSTRACTThis system with STC89C52MCU as the core compo

2、nent, and the temperature collection circuit, and display circuit and an alarm circuit. A single bus digital temperature sensor DS18B20, so the system has little error of temperature measurement, high resolution, strong anti-interference ability, dynamic display of the characteristics of the system.

3、 This design can not only on the current temperature detection and temperature digital display, two integer a decimal display shows a higher accuracy, if the temperature is beyond the limit trigger buzzer alarm. Using the powerful Keil and with interactive circuit simulation Proteus procedures for t

4、he preparation and simulation. The final completion of the system hardware production.Key words: simulation temperature detection alarm DS18B20目录i目 录第一章绪 论11.1课题背景21.2研究设计内容2第二章主要系统芯片介绍52.1主控芯片简介52.1.1主控制器采用STC89C52单片机52.1.2STC89C52引脚介绍62.1.3STC89C52最小系统72.1.4主要功能特性：82.2温度传感器简介92.2.1DS18B20的外形和内部结构1

5、0第三章系统方案设计133.1主控电路设计133.2复位电路133.3显示电路设计153.4报警电路设计16第四章系统程序设计174.1C语言介绍174.2程序设计184.2.1主程序：194.2.2延时设计224.2.3 18B20控制程序234.2.1按键检测程序25第五章系统仿真调试275.1Proteus275.1.1Proteus的工作过程295.1.2Proteus仿真界面305.2软件调试305.2.1调试软件简介305.2.2仿真结果32第六章系统硬件设计37第七章总结与展望39致 谢41参考文献43第二章 主要系统芯片介绍11第一章 绪 论温度是工业生产中常见的工艺参数之一,

6、任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中温度控制占有着极为重要的地位，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电磁能等。温度检测与控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求主要保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不震荡，对系统的快速性要求不高。温度控制对象，在工业控制过程中，是相当重要的控制对象，因为温度直接影响到了燃烧、化学反应、发酵、烘烤、蒸馏、浓度、结晶以及空气流动等物理的和

7、化学的变化过程。温度控制的不好很有可能引起严重的安全事故，产品质量和产量等一系列的问题。温度控制是许多设备的重要组成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。不论是在生活还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。当今，单片机的技术已经非常成熟了，它集成度高、功能强、存储量大、速度快、抗干扰性强和指令丰富等的优点，使它的应用遍及各个领域。本文设计的系统就是单片机应用于温度控制的一个例子。本系统是一种高精度、测控速度快、测控温度范围广的应用性比较强的基于单片机的温度测控系统。国外对温度

8、控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单

9、回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。1.1 课题背景自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。在科学技术突飞猛进的今天，温度检测、控制起不可忽视的作用。温度控制无论在医疗电子领域还是工业控制领域应用都非常广泛，如在冶金工业、

10、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制，医疗电子领域的生化分析仪等，内部都涉及到温度控制。本课题它完成了从温度的采集、转换、显示以及报警的一系列任务。本文介绍了以STC89C52单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机，单片机进行温度的判断是否超越所设置的温度极限，若低于或高于所设温度，单片机将发出信号使蜂鸣器自动报警。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报警，完成了课题所有要求。1.2 研究设

11、计内容本系统采用的新型智能化温度传感器DS18B20，能以数字形式直接输出被测点温度值，具有测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、成本低，是研制和开发具有高性价比的新一代温度检测系统的核心器件。本系统设计了一个由数字化测温元件构成的温度检测报警系统，本系统包括了温度检测、温度显示、温度越限报警等部分。本系统主要运用了单片机STC89C52，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K bytes的可反复擦写的。兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元等强大功能。也采用了新型传感器DS18B20，利用它的体积小，高精度、强大的读写功能等

12、特点进行温度的采集。用PNP型三极管做驱动，采用4位共阳LED动态显示方式。主要采用了自动复位操作。第二章 主要系统芯片介绍2.1 主控芯片简介2.1.1 主控制器采用STC89C52单片机STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数

13、器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。 STC89C52是由深圳宏晶科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机。STC89C52主要功能如表2.1所示，其PDIP封装如图2.1主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bi

14、t内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能表2.1 STC89C52主要功能2.1.2 STC89C52引脚介绍 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地

15、址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。P0口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/

16、O口线，名称为P3.0P3.7图2.1 STC89C52 PDIP封装图2.1.3 STC89C52最小系统 最小系统是指能进行正常工作的最简单电路。STC89C52最小应用系统电路如图2.2所示。它包含五个电路部分：电源电路、时钟电路、复位电路、片内外程序存储器选择电路、输入/输出接口电路。其中电源电路、时钟电路、复位电路是 保证单片机系统能够正常工作的最基本的三部分电路，缺一不可。电源电路 芯片引脚VCC一般接上直流稳压电源+5V，引脚GND接电源+5V的负极，电源电压范围在45.5之间，可保证单片机系统能正常工作。为提高电路的抗干扰性能，通常在引角Vcc与GND之间接上一个10uF的电解

17、电容和一个0.1uF陶片电容，这样可抑制杂波串扰，从而有效确保电路稳定性。时钟电路 单片机引脚18和引脚19外接晶振及电容， STC89C52芯片的工作频率可在233MHz范围之间选，单片机工作频率取决于晶振XT的频率，通常选用11.0592MHz晶振。两个小电容通常取值3pF，以保证振荡器电路的稳定性及快速性。复位电路 一般若在引脚RST上保持24个工作主频周期的高电平，单片机就可以完成复位，但为了保证系统可靠地复位，复位电路应使引脚RST保持10ms以上的高电平。如图复位电路带有上电自动复位功能，当电路上电时，由于C1电容两端电压值不能突变，电源+5V会通过电容向RST提供充电电流，因此在

18、RST引脚上产生一高电平，使单片机进入复位状态。随着电容C1充电，它两端电压上升使得RST电位下降，最终使单片机退出复位状态。正常运行时，可按复位按钮对单片机复位图2.2 STC89C52最小系统2.1.4 主要功能特性： 兼容MCS-51指令系统 8k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压 时钟频率0-33MHz u 全双工UART串行中断口线 u 256x8bit内部RAM u 2个外部中断源 u 低功耗空闲和省电模式 u 中断唤醒省电模式 u 3级加密位 u 看门狗（WDT）电路 u 软件设置空闲和省电功能 u 灵活的ISP字节和分页编程

19、 u 双数据寄存器指针u 2个16位可编程定时/计数器 STC89C42共有4个（P0、P1、P2、P3口）8位并行I/O端口，共32个引脚。P0口双向I/O口，用于分时传送低8位地址和8位数据信号；P1、P2、P3口均为准双向I/O口；其中P2口还用于传送高8位地址信号；P3口每一引脚还具有特殊功能，用于特殊信号的输入输出和控制信号。STC89C52内部有一个可编程的、全双工的串行接口。它串行收发存储在特殊功能寄存器SFR的串行数据缓冲器SBUF中的数据。2.2 温度传感器简介温度传感器选用DS18B20。适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下由数据线供电。独特的单线接

20、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。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。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。 温范围55125，在-10+85时精度为0.5。可编程的分辨率为912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。在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在你750ms内把温度值转换为数字，速度更快。测量结果直接输出数字温度信号，以一

21、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。2.2.1 DS18B20的外形和内部结构DS18B20的外形结构及引脚排列图2.3 DS18B20 外形结构图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、配置寄存器。DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动

22、写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。1、DS18B20的读时序DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。图 2.4 DS18B20的读时序2、DS18B20的写时序DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能

23、够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。图 2.5 DS18B20的写时序第五章 系统仿真调试27第三章 系统方案设计3.1 主控电路设计主控电路采用STC89C52单片机电路如下：图 3.1 STC89C52单片机电路3.2 复位电路当单片机AT89S52的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用

24、的上电复位图如3-5中A图所示。图中电容C1和R1对电源+5V来说构成微分电路。上电后使RST持续一段时间的高电平。由于单片机内的等效电阻作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的功能。 图 3.2上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如上图(B)所示。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。单片机复位后的状态：单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0

25、000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表。表 3.1说明：表中符号*为随机状态；A00H，表明累加器已被清零。PSW00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组；SP07H，表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到08H单元中。Po-P3FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出；IP00000B，表明各个中断源处于低优先级；IE000000B，表明各个中断均被关断；系统复位是任何微

26、机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。3.3 显示电路设计单片机I/O的应用最典型的是通过I/O口与LED数码管构成显示电路，我不采用LCD液晶显示器的主要原因是液晶显示，省电，常用于精密仪器仪表，而且编程复杂，而数码管显示，亮度高，成本低，编程简易，易操作。显示采用4位共阳LED动态显示方式,显示内容有温度值

27、的十位、个位及小数点后两位。用P2口作为段控码输出，P1.0P1.2作为位控码输出，用PNP型三极管做驱动。模块电路如下图图 3.33.4 报警电路设计此设计选择了LED，因为是做设计，仅仅实现功能并未考虑实际需求。 图 3.4 指示灯电路图当温度在正常范围内指示灯灭，当温度低于设限温度或高于设限温度时，指示灯亮。第四章 系统程序设计4.1 C语言介绍C语言是一种面向过程的计算机程序设计语言，它是目前众多计算机语言中举世公认的优秀的结构程序设计语言之一。它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出。1978后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上。 C语言发展如此迅速，而且成

28、为最受欢迎的语言之一，主要因为它具有强大的功能。许多著名的系统软件，如DBASE 都是由C 语言编写的。用C 语言加上一些汇编语言子程序，就更能显示C 语言的优势了，像PC- DOS 、WORDSTAR等就是用这种方法编写的。C语言是一种成功的系统描述语言，用C语言开发的UNIX操作系统就是一个成功的范例;同时C语言又是一种通用的程序设计语言，在国际上广泛流行。世界上很多著名的计算公司都成功的开发了不同版本的C语言，很多优秀的应用程序也都使用C语言开发的，它是一种很有发展前途的高级程序设计语言。 1.C是中级语言。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C 语言可以像汇编语言一

29、样对位、字节和地址进行操作， 而这三者是计算机最基本的工作单元。 2.C是结构式语言。结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C 语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。 3.C语言功能齐全。具有各种各样的数据类型，并引入了指针概念，可使程序效率更高。而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以实现决策目的的游戏。4.C语言适用范围大。适合于多种操作系统，如Windows、DOS、UNIX等等；也适用于多种机型。 C语言对

30、编写需要硬件进行操作的场合，明显优于其它解释型高级语言，有一些大型应用软件也是用C语言编写的。 C语言具有较好的可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。它是数值计算的高级语言4.2 程序设计程序流程：图 4.1 程序流程图4.2.1主程序：void main(void) unsigned char a; unsigned int t,cntUp,cntDown,cntDisp; unsigned char mode=0,temMin=25,temMax=27; while(1) t = ReadTemperature(); if (temMax != t

31、emMin) /高低温值相同则不报警 if ( (t temMax * 10) | (t temMin * 10) ) BZ = 0; else BZ = 1; else BZ = 1; switch(mode) case 0: /显示温度 SEG0 = (t / 1000) ? TABLEt / 1000 : 0xFF; /如果为0则不显示 SEG1 = (t % 1000 / 100) ? TABLEt % 1000 / 100 : (SEG0 = 0xFF) ? 0xFF : TABLE0); /如果为0需要看SEG0，SEG0不显示，则本位也不显示 SEG2 = TABLEt % 10

32、0 / 10 & 0x7F; SEG3 = TABLEt % 10; break; case 1: /低温限值修改 SEG0 = TABLE11; SEG1 = 0xFF; SEG2 = TABLEtemMin / 10; SEG3 = TABLEtemMin % 10; break; case 2: /高温限值修改 SEG0 = TABLE10; SEG1 = 0xFF; SEG2 = TABLEtemMax / 10; SEG3 = TABLEtemMax % 10; break; default: break; for(a = 0; a 2) mode = 0; if (KeyShort

33、 & KEY_UP) /+ switch(mode) case 0: /正常状态 break; case 1: /低温限值修改 if (temMin != temMax) /低温不能超过高温限值 temMin+; break; case 2: /高温限值修改 if (temMax != 99) /高温限值不能超过99; temMax+; break; if (KeyShort & KEY_DOWN) /- switch(mode) case 0: /正常状态 break; case 1: /低温限值修改 if (temMin != 0) /低温不能小于0 temMin-; break; cas

34、e 2: /高温限值修改 if (temMax != temMin) /高温限值低于低温限值; temMax-; break; 4.2.2延时设计本系统选用的STC89C52单片机的工作频率为12MHZ。可以知道具体每条指令的周期数，这样就可以通过指令的执行条数来确定时间。具体的延时程序：/*微秒延时*/void Delayus(unsigned int dUT) while(dUT-);/*毫秒延时*/void Delayms(unsigned int dT) unsigned int dA,dB; for(dA=0; dAdT; dA+) for(dB=0; dB0; i-) DQ = 0

35、; / 给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; / 给脉冲信号 if(DQ) dat |= 0x80; Delayus(4); return(dat);/*/void WriteOneChar(unsigned char dat)/写一个字节（DS18B20驱动） unsigned char i=0; DQ = 0; Delayus(5); for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat & 0x01; Delayus(4); DQ = 1; dat=1; /*/unsigned int ReadTemperature(void)/读取温度（DS18B20驱动） uns

36、igned char TL,TH; unsigned int t=0; float tt=0; bit flag=0; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); / 跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换 Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器 TL = ReadOneChar(); /读低8位 TH = ReadOneChar(); /读高8位 t = TH; t = 8; t = t|TL; tt=t*0.0

37、625; t= tt*10+0.5; /放大10倍输出并四舍五入 return(t);4.2.1 按键检测程序/读按键值void KeyRead( void ) unsigned char ReadData = PORT_KEY 0xFF; /读端口值，并取反 ReadData &= (KEY_MENU | KEY_UP | KEY_DOWN); /只取有效按键值 KeyShort = ReadData & (ReadData KeyLong); /只在第一次按下时为按键值，以后为0 KeyLong = ReadData; /长按、短按都为按键值 第五章 系统仿真调试5.1 Proteus Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具