基于单片机的温度报警系统毕业论文.docx
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基于单片机的温度报警系统毕业论文
基于单片机的温度报警系统毕业论文
摘要
温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是具有不一般的价值与意义。
在现代化的工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
例如:
在冶金工业、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。
采用MCS-51单片机来对温度进行控制,不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。
因此,单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
将这个问题地解决,能很好地提升生产效率,节约资源,降低生产成本。
本文从硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路,对硬件原理图和程序框图作了简捷的描述该设计结构简单,控制算法新颖,控制精度高,有较强的通用性。
关键词:
单片机温度控制数字PID控制
ABSTRACT
Inthemodernindustrialproduction,thecurrent,voltage,temperature,pressure,andflow,velocity,andswitchquantityisaccusedofmainparameters.Forexample,nmetallurgicalindustry,chemicalindustry,electricpowerengineering,paperindustry,machineryandfoodprocessingandsoonmanydomains,peopleneedtoallkindsofheatingfurnace,heattreatmentfurnace,reactorsandboilertemperaturedetectionandcontrol.UsingMCS-51SCMtocontroltemperature,hasnotonlyconvenientcontrol,simpleandflexibleconfigurationadvantages,andcangreatlyimprovethetechnicalindexesarecontrolledtemperature,whichcangreatlyimprovetheproduct'squalityandquantity.Therefore,theproblemoftemperaturecontrolchipisaindustrialproductionweoftenencounterproblems.Basedonit,forexample,hopetoreceiveothercasesandtheeffect.
FromthetwoaspectsofhardwareandsoftwareareintroducedMCS-51SCMtemperaturecontrolsystemdesign,hardwarediagramandtheproceduresforthedescriptionofthesimplediagram.
Keywords:
MicrocomputerTemperaturecontrolsystemDigitalPIDcontrol
第一章总体设计方案及要求
1.1系统设计方案
由系统的结构框图,可以看出整个温度控制系统的电路组成主要由数字电路和模拟电路两部分的结合,就可以完成对被测物体的温度控制,进而实现温度报警。
本设计以单片机为核心由主控模块、输入通道、输出通道、保护电路、电源电路组成等。
硬件总体结构框图如下图所示。
由结构框图可见,温度控制系统以单片机为核心,并扩展外部存储器构成主控模块。
被测对象的温度由DS18B20温度传感器检测外界温度并转化为数字信号,通过单片机处理发出报警信号并驱动相应的电机工作,其系统框图如下所示:
图1、温度报警系统原理框图
传感器检测转化成数字信号送给单片机处理,一方面将被测对象的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来;另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较,根据其偏差值的大小,最后通过控制继电器来驱动电机工作,进而达到对被测物体温度进行控制的目的,如果实际测得的温度值超过或低于系统设定的极限安全温度,保护电路会做出反应同时报警电路报警提示,从而保护被测物体。
单片机快速、准确的进行温度采集、数据处理、显示和控制主要是时钟电路提供的时钟频率,使单片机正常的协调处理各项任务。
各个器件工作的电源电压主要有电源电路提供。
则温度的设定范围就通过矩阵键盘进行设定,并且温度的设定范围可以人为的重复修改,使被测物体在正常的温度范围下工作,而采集的温度值和设定的温度值要能直观的看到就要通过相应的显示电路显示到相应的界面上,如液晶、数码管、点阵等。
其中保护电路就是保护被测物体避免被损坏。
1.2课程设计的任务要求
1、设计一个温度报电机工作警系统:
温度显示范围为0——51度可以更大范文,当温度大于40度时,上限报警指示灯点亮,并驱动电机1转动;当温度小于于10度时,下限报警指示灯点亮,并驱动电机2转动;
课程设计的要求
1、根据任务要求选择方案、设计电路、确定元器件型号和参数
2、硬件设计:
要求设计出完整的电路原理图,包括电源模块、单片机最小系统电路、按键电路、报时电路、显示电路。
3、软件设计:
包括编程思路,主程序和各子程序模块的流程图及编写方法,并用汇编语言或C语言编写出完整的源程序。
4、按图焊接电路,检查无误后通电调试,调试电路的功能是否符合要求。
5、调试与仿真:
对设计的硬件和程序进行仿真调试,并给出仿真结果。
制作实物进行调试。
第一章硬件电路的设计
硬件电路主要有两大部分组成:
模拟部分和数字部分;从功能模块上来分有:
主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、电源电路、控制执行电路以及掉电保护电路。
各个模块电路通过主机电路控制,协调一致的进行工作。
完成对被测物体的温度控制。
2.1单片机的最小系统硬件电路的设计
单片机的最小系统由单片机和时钟电路、复位电路以及电源电路组成,单片机的I/O接相应的处理电路,其原理图如下所示:
图2.1单片机的最小系统
主机选用INTEL公司的MCS-51系列单片机89C51来实现,利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点,可擦除下载,力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。
本系统选用的89C51芯片时时钟可达12MHZ,运算速度快,控制功能完善,完全能满足温度控制系统的要求。
其内部具有128字节数据存储器RAM,还可以通过地址、数据线进行外围扩展。
而且内部含有4KB的EPROM不需要外扩展存储器,也有数据通信接口,通过TXD、RXD与PC机连接,可以进行人机操作,使得操作更加简单、方便。
具有五个中断源,两个中断优先级,两个外部中断、两个定时中断还用一个通信中断
2.1.1单片机AT89S52的介绍
AT89S52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。
使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52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。
R8位微控制器8K字节在系统可编程,其管脚功能图如下所示。
图2.2STC89S52的管脚图
1、功能管脚描述
VCC:
电源
GND:
地
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0P1.分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。
在flash编程和校验时P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能
P1.0T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出;P1.1T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)P1.5MOSI(在系统编程用);P1.6MISO(在系统编程用);P1.7SCK(在系统编程用)
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
2、引脚第二功能
P3.0RXD(串行输入);P3.1TXD(串行输出);P3.2INT0(外部中断0);P3.3INT0(外部中断0);P3.4T0(定时器0外部输入);P3.5T1(定时器1外部输入);P3.6WR(外部数据存储器写选通);P3.7RD(外部数据存储器写选通)
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
ALE/PROG:
地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。
在一般情况下,
ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN:
外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端
2.1.2复位电路
复位使单片机处于起始状态,并从该起始状态开始运行。
AT89C51的RST引脚为复位端,该引脚连续保持2个机器周期(24个时钟振动周期)以上高电平,则可使单片机复位。
内部复位电路在每一个机器周期的S5P2期间采样斯密特触发器的输出端,该触发器可抑制RST引脚的噪声干扰,并在复位期间不产生ALE信号,
图2.3复位电路
内部RAM处于不断电状态。
其中的数据信息不会丢失,也即复位后,只影响SFR中的内容,内部RAM中的数据不受影响。
外部复位有上电复位和按键电平复位。
由于单片机运行过程中,其本身的干扰或外界干扰会导致出错,此时我们可按复位键重新开始运行。
为了便于本设计运行调试,复位电路采用按键复位方式。
2.1.3时钟电路
时钟电路是单片机的心脏,它控制着单片机的工作节奏。
MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的,其典型值为12MHZ。
AT89C51内部有一个反相振荡放大器,XTAL1 和XTAL2分别是该反向振荡放大器的输入端和输出端。
该反向放大器可配置为片内振荡器,石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
本设计采用的晶振频率为12MHZ。
51系列单片机还可使用外部时钟。
在使用外部时钟时,外部时钟必须从XTAL1输入,而XTAL2悬空。
时钟电路如下图所示:
图2.4时钟电路
2.2显示硬件电路的设计
显示电路用液晶作为显示电路,字符型液晶显示直观明了,用字符提示不像数码管,显示更加直观。
2.2.1液晶显示电路
液晶显示电路主要用于当前温度的显示和设定时的温度显示,以便于工作人员的观察。
1、液晶的介绍
①、基本操作时序
读状态输入:
RS=L,R/W=H,E=H输出:
D0~D7=状态字
读数据输入:
RS=H,R/W=H,E=H输出:
无
写指令输入:
RS=L,R/W=L,D0~D7=指令码,E=高脉冲输出:
D0~D7=数
写数据输入:
RS=H,R/W=L,,D0~D7=数据,E=高脉冲输出:
无。
②、液晶1602接口信号写操作时序
通过RS确定是写数据还是写命令。
读/写控制端设置为写模式,即低电平。
将数据或命令送达数据线上,给E一个高脉冲将数据送入液晶控制器,完成写操作。
写操作时序如下图所示:
图2.5液晶些操作时序
③、液晶1602接口信号
2.2.2液晶显示电路的设计
如图所示:
液晶的数据线接P0口,用来传输显示数据的信息。
而RS、RW、E分别接单片机的P2.5、P2.6、P2.7口,控制液晶的读写操作。
通过单片机的控制显示出租车计费系统的路程和价格。
其原理图如下所示:
图2.6液晶显示硬件电路
2.3键盘硬件电路的设计
如图所示按键KEY10、KEY11分别与P3.2(INTO)、P2.1相连,采用外部中断方式。
当外部中断1响应,就可以进行当前温度的显示与设定温度显示的界面切换,同时兼用温度上限和下限温度的值的设定。
图2.7键盘电路
2.4温度传感器的硬件电路设计
2.4.1温度传感器电路设计
温度数据采集电路主要由数字温度传感器DS18B20采集被测物体的温度。
温度传感器的单总线(1-Wire)与单片机的I/O连接,P3.7是单片机的高位地址线。
P3端口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O,每个端口都有第二功能,其输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对该端口写“1”,可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平,此时可作为输入口使用,这是因为内部存在上拉电阻,某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
如图2.8所示:
温度传感器DS18b20与单片机只用一根线连接即单总线或one_wire总线。
数字温度传感器DS18B20只要三个端口,电路连接很简单,一根电源线接电源,一根接地,一根接数据时钟线接单片机的I/O口,数据时钟线上必须接一个4.7k上拉电阻,防止时钟数据高阻悬挂,就会得不到相应的数据信息,因此也得不到准确的温度信息,从而测得的温度也是不准确,所以必须接一个47K上拉电阻,消除高阻悬挂,获取准确的温度信息。
图2.8温度传感器硬件电路示意图
2.4.2温度传感器DS18B20的简介
DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1-Wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。
一、DS18B20产品的特点
1、只要求一个端口即可实现通信。
2、在DS18B20中的每个件上都有独一无二的序列号。
3、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
4、测量温度范围在-55.C到+125.C之间。
5、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
6、内部有温度上、下限告警设置。
7、三个管脚,1脚是接地脚,2脚是单总线、可向电源提供电源、3脚是电源脚。
8、数据线和时钟线共用一根线传输信息即单总线。
二、DS18B20的内部结构
DS18B20的内部框图如下图所示。
64位RO存储器件独一无二的序列号。
暂存器包含两字节(0和1字节)的温度寄存器,用于存储温度传感器的数字输出。
暂存器还提供一字节的上线警报触发(TH)和下线警报触发(TL)寄存器(2和3字节),和一字节的配置寄存器字节)使用者可以通过配置寄存器来设置温度转换的精度。
(4,暂存器的5、6和7字节器件内部保留使用。
第八字节含有循环冗余码(CRC)。
使用寄生电源时,DS18B20不需额外的供电电源;当总线为高电平时,功率由单总线上的上拉电阻通过DQ引脚提供;高电平总线信号同时也向内部电容CPP充电,CPP在总线低电平时为器件供电。
其中INTERNALVDD-内部VDD64-BITROMAND1-wirePROT-64位ROM和单线端MEMORYCONTROLLOGIC-存储器控制逻辑SCRATCHPAD暂存器TEMPERATURESENSOR温度传感器ALARMHIGHTRIGGER(TH)REGISTER上限温度触发ALARMLOWTRIGGER(TL)REGISTER下限温度触发8-BITCRCGENERTOR8位CRC产生器POWERSUPPLLYSENSE电源探测PARASITEPOWERCIRCUIT寄生电源电路。
图2.9DS18B20的内部框图
三、DS18B20的4个主要数据部件
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是:
开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度,所以数字温度传感器不需要A/D转化器等外围器件就能获取温度值,集成度高,使用方便,测量精度高。
DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦EEPROM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
配置寄存器,五位一直都是"1",TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率
四、DS18B20的工作过程
(1)初始化
DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。
由主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。
DS18B20发出响应主机的应答脉冲时,当即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。
(2)ROM命令
ROM命令通过每个器件64-bit的ROM码,使主机指定某一特定器件(如果有多个器件挂在总线上)与之进行通信DS18B20,每个ROM命令都是8bit长。
(3)功能命令
主机通过功能命令对DS18B20进行读/写Scratchpad存储器,或者启动温度转换。
五、DS18B20的信号方式
DS18B20采用严格的单总线通信协议,以保证数据的完整性。
该协议定义了几种信号类型:
复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。
除了应答脉冲所有这些信号都由主机发出同步信号。
总线上传输的所有数据和命令都是以字节的低位在前。
(1)初始化序列:
复位脉冲和应答脉冲
在初始化过程中,主机通过拉低单总线至少480µs,以产生复位脉冲(TX)。
然后主机释放总线并进入接收(RX)模式。
当总线被释放后,4.7kΩ的上拉电阻将单总线拉高。
DS18B20检测到这个上升沿后,延时15µs~60µs,通过拉低总线60µs~240µs产生应答脉冲。
初始化波形如图3-3所示。
图2.10DS18B20初始化时序图
(2)读和写时序
在写时序期间,主机向DS18B20写入指令,而在读时序期间,主机读入来自DS18B20的指令。
在每一个时序,总线只能传输一位数据。
读/写时序如图3-4所示。
图2.11DS18B20读/写时序图控制器采样
写时序:
存在两种写时序:
“写1”和“写0”。
主机在写1时序向DS18B20写入逻辑1,而在写0时序向DS18B20写入逻辑0。
所有写时序至少需要60µs,且在两次写时序之间至少需要1µs的恢复时间。
两种写时序均以主机拉低总线开始。
产生写1时序:
主机拉低总线后,必须在15µs内释放总线,然后由上拉电阻将总线拉至高电平。
产生写"0"时序:
主机拉低总线后,必须在整个时序期间保持低电平(至少60µs)。
在写时序开始后的15µs~60µs期间,DS18B20采样总线的状态。
读时序:
DS18B20只
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