基于单片机的温度采集与控制系统的设计

基于单片机的温度采集与控制系统的设计内容摘要：

但在实际测量和控制中 ， 如何保证快速实时地对温度进行采样 ， 确保数据的正确传输 ， 并能对所测温度场进行较精确的控制 ，仍然是目前需要解决的问题。 温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。 在温度的测量技术中 ， 接触式测温发展较早 ， 这种测量方法的优点是 ： 简单、可靠、低廉、测量精度较高 ， 一般能够测得真实温度 ， 但由于检测元件热惯性的影响 ， 响应时间较长 ， 对热容 量小的物体难以实现精确的测量 ， 并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温 ， 不能用于超高温测量 ， 难于测量运动物体的温度。 另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法 ， 其优点是 ： 不破坏被测温场 ， 可以测量热容量小的物体 ， 适于测量运动物体的温度 ， 还可以测量区域的温度分布 ， 响应速度较快。 但也存在测量误差较大 ， 仪表指示值一般仅代表物体表观温度 ， 测温装置结构复杂 ， 价格昂贵等缺点。 因此 ， 在实际的温度测量中 ， 要根据具体的测量对象选择合适的测量方法 ， 在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。 目前 ， 国内已研制出利用计 算机、单片机和 PLC 的集群温室集中控制系统和单栋温室集中控制系统 ， 实现对温室内的空气温湿度、光照、地温、土壤湿度等参数进行测量和控制。 智能化温室代表着温室的发展方向 ， 将智能控制系统运用到温室环境因子的控制中 ， 正是目前智能温室发展的趋势。 在各个方面与欧美等发达国家相比 ， 存在较大差距 ， 尚需深入研究。 [2] 本课题研究的主要内容 随着电子技术和单片机的迅速发展 ， 单片机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。 利用单片机对温度进行测控得到日益发展和完善 ， 且越来越显示出其优越性。 单片机在工业控制、尖端武 器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。 采用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安徽工程大学毕业设计 3 数量。 单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点 ， 成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件 ， 尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。 因此 ， 单片机对温度的控制问题是一个经常会遇到的问题。 基于此 ， 本课题围绕基于单片机的温度测控系统展开应用研究。 [3] 童昊：基于单片机的温度采集与控制系统的设计 4 第 2 章 本系统的总体设计 本系统的 构 成与设计目标 本温度控制系统 用于选定区域内的温度的检测与控制，系统 功能由 AT89C51 单片机及其外围器件协同完成。 由于在系统中所有的电压均为 +5V， 故单片机通过 LM7805电源供电 ； 独立键盘作为人机接口 ， 通过单片机 1/0 口输入 ， 从而实现手动控制与人工调节功能 ； DS18B20 将检测到的温度值转化为数字量输入到单片机中 ， 通过单片机处理而实现相应温度控制 功能 ； 强电控制与驱动电路用来控制 加热器 和通风机的启停 ； 报警电路在温室温度超出设定范围时发出报警声 ； LED 显示模块主要是起到显示功能 ， 把当前温度信息很醒目 的显示在屏面上 ， 使人们能比较直观进行温度设置 ， 了解受控环境目前的温度信息。 系统的 结构 框图如图 21 所示 ，系统由 AT89C51 单片机、电源模块、键盘及显示模块、报警及指示模块、控制模块和传感器模块组成。 传感器模块由多个DS18B20 传感器共同连接与单片机 口构成多点温度检测；控制模块由 SSR 固态继电器、电机和电热器组成；报警指示模块由蜂鸣器和多个发光二极管组成；键盘及显示模块由五个独立按键和 4 个 LED 数码管 构成。 本系统的开发设计具有以下功能 ：。 本装置可以通过数 字 单总线 温度传感器对温室内的温度进行多点实时 温度 采集并显示。 本系统能够通过控制温度调节 模块 ， 将温室内的温度参数调节到用户所设定的数值附近。 的实际需要 ， 设置 相应 不同的温度控制范围。 系统设置及控制应具备一定的灵活性。 当温室内的温度超出所允许的范围时 ， 本系统装置能够发出 声光报警 ，并 准确提示 出 超限报警 区域所在。 键 盘 及 显示 模 块电 源A T 8 9 C 5 1 P 3 . 3 V s sD S 1 8 B 2 0V c cD S 1 8 B 2 0D S 1 8 B 2 0N 1 N 2N 3报 警 及 指示 模 块传感器模块控 制 模 块 图 21 系统结构框图 本系统的工作原理 该温度测控系统的工作原理就是 用户通过键盘输入系统设定温度的上限值与下限值 ， 温度信息由集温度测量和 A/D 转换于一体的 DS18B20 温度传感器测量并转换成数字信号输入主机 (单片机 AT89C51)， 此信号经过标度转换后 ， 一方面通过 LED 将温度显安徽工程大学毕业设计 5 示出来 ； 当测得的温度越限时 ， 蜂鸣器报警 ； 另一方面 ， 将该温度值与设定的温度值进行比较 ， 如果温度过高则控制 SSR固态继电器启动降温设备 ， 如果温度过低则控制 SSR固态继电器启动加温设备 ， 如果温度在正常范围之内则继续进行温度检测。 这样就可以控制输出设备 ， 实时调节 温度的变化 ， 使其逐渐趋于给定值且达到控制的目的。 [4] 本 系统的性能设计指标 (1)温度控制范围 :－ 20℃ ~＋ 100℃ ； (2)温度测量精度 : 177。 ℃ ； (3)显示分辨率 : 177。 ℃ ； (4)工作电压 :AC220V／ 50HZ177。 10%。 童昊：基于单片机的温度采集与控制系统的设计 6 第 3 章 系统的硬件设计 系统 单片机 AT89C51 简介 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高 性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。 该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 [5] AT89C51 提供以下标准功能： 4k 字 节 Flash闪速存储器 ， 128 字节 8 位 内部 RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时 /计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工 串行通信 口，片内振荡器及 时钟电路。 同时， AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种 软件 可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信 口及 中断系统 继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 单片机 AT89C51 的引脚图如图 31 所示 ： 图 31 AT89C51 引脚图 管脚说明： 安徽工程大学毕业设计 7 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL门电流，当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。 当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口， 如 表 31 所示： 表 31 P3 口的特殊功能 口 表 口管脚 备选功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） RXD（串行输入口） INT0（外部中断 0） INT1（外部中断 1） T0（记时器 0 外部输入） T1（记时器 1 外部输入） WR（外部数据存储器写选通） RD（外部数据存储器读选通） RST：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC指令是 ALE 才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。 童昊：基于单片机的温度采集与控制系统的设计 8 EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， EA将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 其中 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式下， CPU 停止 工作。 但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。 在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 [6] 单片机最小系统 单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的，在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，电路中电容器 C1 和 C2 对振荡器频率有微调作用，通常取（ 30177。 10） pF 石英晶体选择 6MHz或 12MHz都可以。 单片机的 RST 管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口。 复位信号是高电平有效，高电平有效的持 续时间为 2 个机器周期以上。 单片机的复位方式可由手动复位方式完成。 电阻、电容器的参考值 R1=10kΩ、 C1=100μF、 C2=。 最小系统 由时钟电路、复位开关和电源部分组成。 如下图 32： 图 32 单片机最小系统 安徽工程大学毕业设计 9 单总线温度传感器 DS18B20 简介 DS18B20 数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有 LTM8877， LTM8874 等等。 主要根据应用场合的不同而改变其外观。 封装后的 DS18B20 可用于 电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。 耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 技术性能描述：独特的单。