毕业设计（论文）基于单片机控制的温度闭环控制系统的设计

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1、目录第一章 绪论21.1 国内外现状21.2 研究意义31.3 本文内容3第二章 系统框图及创新点介绍42.1 系统框图42.2 创新点介绍4第三章 系统硬件设计43.1 CPU介绍43.1.1 CPU介绍43.1.2主要功能特性53.1.3AT89C52各引脚功能及管脚电压53.1.4自动重装载（向上或向下计数器）方式83.1.5波特率发生器83.1.6可编程时钟输出93.1.7中断103.1.8时钟振荡器103.1.9空闲节电模式113.1.10掉电模式113.1.11程序存储器的加密113.1.12Flash存储器的编程113.2 传感器介绍123.2.1温度传感器的历史及简介123.2

2、.2 DS18B20性能特点与内部结构123.2.3 DS18B20工作时序173.2.4 DS18B20的操作协议193.2.5 DS18B20序列号编码213.2.6 DS18B20的测温原理223.2.7 DS18B20的测温流程233.2.8 DS18B20数据校验与纠错233.2.9 DS18B20在测温系统中的应用253.2.10测温系统的硬件工作原理253.2.11 注意事项263.3 键盘电路介绍263.3.1 键盘接口技术263.3.2 独立式键盘接口273.4 显示电路介绍273.4.1字符型液晶显示器RT1602C273.4.2 RT1602C 与单片机接口及程序28第四

3、章 系统软件设计284.1 软件设计流程图284.2 键盘程序设计284.3 显示程序设计35第五章 系统测试395.1 软硬件测试结果39第六章 结论39第一章 绪论1.1 国内外现状温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。

4、使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。 温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段。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、

5、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。同时温度也是生活中最常见的一个物理量，也是人们很关心的一个物理量，它与我们的生活息息相关，有着十分重要的意义，在工业生产中，温度过高或过低会直接影响到产品的质量、对机械设备和控制系统中的各种元器件造成一定的损坏，严重的会影响到生产安全。在日常生活中，温度过高或

6、过低同样会造成一些不良影响。在实际生产、生活等各个领域中，温度是环境因素的不可或缺的一部分，对温度及时精确的控制和检测显得尤为重要。比如，农业上土壤各个层面上的温度将会影响植物的生长；在医院的监护中也用到温度的测量。在工业中，料桶里外上限温度要求不一，以及热处理中工件各个部位的温度对工件形成后的性能至关重要等等。现代电子工业的飞速发展对自动测试的要求越来越高。随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切

7、向着数字化控制，智能化控制方向发展。1.2 研究意义采用单片机对温度进行控制,不仅具有控制方便和组态简单的优点,而且可以提高被控温度的技术指标。针对以上情况，在控制成本的前提下，通过本设计设计一款能够实时检测控制温度，又具有对系统设定不同的报警温度的温度控制报警系统功能。此系统能够满足现代生产生活的需要，效率高，具有较强的稳定性和灵活性。因此，在生产和生活中要对温度进行严格的控制，使温度在规定的范围内变化。通过本系统提高学生对于温度控制的认识。在学习实践中提高对理论的认知能力和动手解决实际问题的能力，达到教学实践相结合的目的。1.3研究内容本项目采用STC89C52单片机作为核心控制芯片，采用

8、DS18B20作为温度传感器，将采集到的温度数据显示在1602液晶上，同时可以将温度数据上传到PC机内显示。本文内容分为以下几个部分。第一章 绪论。第二章 系统框图及创新点介绍。第三章 系统硬件设计。第四章 系统软件设计。第五章 系统测试。第六章 结论。第二章 系统框图及创新点介绍2.1 系统框图单片机按键输入电路显示电路测温传感器DS18B20时钟电路复位电路报警电路PC第三章 系统硬件设计3.1 CPU介绍3.1.1 CPU简介 STC89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。 STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦

9、写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储

10、器可有效地降低开发成本。 STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 3.1.2主要功能特性 兼容MCS51指令系统 8k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART串行通道 2个外部中断源 共8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 3.1.3 STC89C52各引脚功能及管脚电压概述：STC89C52为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C5

11、1内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控

12、制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 3.2 传感器介绍3.2.1温度传感器的历史及简介温度的测量是从金属(物质)的热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它的缺点是只能近距离观测，而且水银有毒，玻璃管易碎。代替水银的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低，只能作为一个概略指示。不过在居民住宅中

13、使用已可满足要求。在工业生产和实验研究中为了配合远传仪表指示，出现了许多不同的温度检测方法，常用的有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型、光纤式及石英谐振型等。它们都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值，热电势等)的变化的原理。随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器。3.2.2 DS18B20性能特点与内部结构DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易于与未处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。该器件将半导体温敏器件、A/D转化器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数

14、字值。信号传输采用两芯（或三芯）电缆构成的单总线结构。一条单总线上可以挂接若干个数字温度传感器，每个传感器有一个唯一的地址码。微控制器通过对器件的寻址，就可以读取某个传感器的温度值，从而简化了信号采集系统的电路结构。(1) DS18B20的性能特点如下：1) 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2) 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；3) 无须外部器件；4) 可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V；5) 零待机功耗；6) 温度以3位数字显示；7) 用户可定义报警设置；8) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；9) 负电压特性，电源极

15、性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 (2) DS18B20的外形及管脚排列如下图2: 图3.7 DS18B20封装(3) DS18B20内部结构主要由六分组成：1) 64位光刻ROM。开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因10。64位闪速ROM的结构如下：8b检验CRC48b序列号8b工厂代码（10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB图3.8 DS18B20内部结构2) 非挥发的温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限值。3) 高速暂存存

16、储，可以设置DS18B20温度转换的精度。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PRAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图2.1所示。头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。它的内部存储器结构和字节定义如图2.2所示。低5位一直为，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式， Byte0温度测量值LSB（50H）Byte1温度测

17、量值MSB（50H）E2PROMByte2TH高温寄存器-TH高温寄存器Byte3TL低温寄存器-TL 低温寄存器Byte4配位寄存器-配位寄存器Byte5预留（FFH）Byte6预留（0CH）Byte7预留（IOH）Byte8循环冗余码校验（CRC）图2.3 DS18B20内部存储器结构DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率,如图2.3。TM R1R0 1 1 1 1 1图2.4 DS18B20字节定义由表2.1可见，分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM的第6、7、8

18、字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2.2是一部分温度值对应的二进制温度数据6。表2.1 DS18B20温度转换时间表：R1R0分辨

19、率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750表2.2一部分温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5

20、EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H4) CRC的产生 在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。5）寄生电源寄生电源有二极管VD1、VD2、寄生电容C

21、和电源检测电路组成，如图所示。电源检测电路用于判定供电方式。DS18B20有两种供电方式：3.05.5V的电源供电方式和寄生电源供电方式（直接从数据线获取电源）。若采用外部电源给器件供电，外部电源接VCC引脚通过VD2向器件供电，如图所示。寄生电源供电时，VCC端接地，器件从单线总线上获取电源，如图所示。在I/O线呈低电平时，改由电容C上的典雅继续向器件供电。该寄生电源的优点：第一，检测远程温度时无需本地电源；第二、缺少正常电源时也能读ROM。外部电源供电寄生电源供电6）温度报警信号DS18B20完成温度转化后，就把测的的温度值与Th、Tl做比较，若TTh或T=99)y=0;MoveMouse

22、(2, 1);WDR(numy/10); MoveMouse(3, 1);WDR(numy%10);MoveMouse(2, 1);else if(flag=3) mo+;if(mo=13)mo=1;MoveMouse(5, 1);WDR(nummo/10); MoveMouse(6, 1);WDR(nummo%10);MoveMouse(6, 1); else if(flag=4) mo+=10;if(mo=13)mo=1;MoveMouse(5, 1);WDR(nummo/10); MoveMouse(6, 1);WDR(nummo%10);MoveMouse(5, 1); else if

23、(flag=5)d+;if(d31)d=1;MoveMouse(8, 1);WDR(numd/10); MoveMouse(9, 1);WDR(numd%10);MoveMouse(9, 1); else if(flag=6)d+=10;if(d31)d=1;MoveMouse(8, 1);WDR(numd/10); MoveMouse(9, 1);WDR(numd%10); MoveMouse(8, 1);else if(flag=7)h+;if(h=24)h=0;MoveMouse(0, 0);WDR(numh/10);MoveMouse(1, 0);WDR(numh%10);MoveMo

24、use(1, 0); else if(flag=8)h+=10;if(h=24)h=0;MoveMouse(0, 0);WDR(numh/10);MoveMouse(1, 0);WDR(numh%10);MoveMouse(0, 0); else if(flag=9) mi+ ; if(mi=60) mi=0; MoveMouse(3, 0); WDR(nummi/10); MoveMouse(4, 0); WDR(nummi%10);MoveMouse(4, 0); else if(flag=10) mi+=10 ; if(mi=60) mi=0; MoveMouse(3, 0); WDR(

25、nummi/10); MoveMouse(4, 0); WDR(nummi%10);MoveMouse(3, 0); while(key1=0); /防止按下一次按键后执行多次操作 else if(key2=0) delay1(100);/键盘去抖动 if(key2=0) if(flag=1) y-;MoveMouse(2, 1); WDR(numy/10%10); MoveMouse(3, 1); WDR(numy%10); MoveMouse(3, 1);else if(flag=2) y-=10;if(y=-1)y=99;MoveMouse(2, 1); WDR(numy/10%10);

26、 MoveMouse(3, 1); WDR(numy%10); MoveMouse(2, 1);else if(flag=3) mo-;if(mo=10)mo-=10;if(mo=0)mo=12;MoveMouse(5, 1);WDR(nummo/10); MoveMouse(6, 1);WDR(nummo%10);MoveMouse(5, 1); else if(flag=5)d-;if(d=10)d-=10;if(d=0)d=31;MoveMouse(8, 1);WDR(numd/10); MoveMouse(9, 1);WDR(numd%10); MoveMouse(8, 1);else

27、 if(flag=7)h-;if(h=10)h-=10;if(h=-1)h=23 ;MoveMouse(0, 0);WDR(numh/10);MoveMouse(1, 0);WDR(numh%10);MoveMouse(0, 0);else if(flag=9)mi-;if(mi=10)mi-=10;if(mi=-1)mi=59;MoveMouse(3, 0);WDR(nummi/10);MoveMouse(4, 0);WDR(nummi%10);MoveMouse(3, 0); while(key2=0); /防止按下一次按键后执行多次操作 else if(key3=0) WIR(0x0f)

28、; delay1(100);/键盘去抖动 if(key3=0) flag+; switch(flag) case 1:MoveMouse(3, 1);break; case 2:MoveMouse(2, 1); break; case 3:MoveMouse(6, 1);break; case 4:MoveMouse(5, 1);break; case 5:MoveMouse(9, 1);break; case 6:MoveMouse(8, 1);break; case 7:MoveMouse(1, 0);break; case 8:MoveMouse(0, 0);break; case 9:MoveMouse(4, 0);break; case 10:MoveMouse(3, 0);break;