基于单片机的温度控制系统设计和实现 计算机专业.doc

基于单片机的温度控制系统设计 摘要: 最近这些年，随着科学技术的不断发展和进步，单片机技术通过在各行各业中的应用也日臻完善。而温度测控系统也因单片机所特有的强大处理能力、功耗低以及体积小等优点向着小型化和智能化发展。本设计以STC89C52单片机为主控制芯片，外接温度传感器DS18B20以及外接加热制冷元件组成温度控制系统。通过该系统，人们可以加深对温度控制理论的理解和研究。 本文对比了几种当前比较经常使用的温度控制系统的各自特点，决定通过程序设定温度上下限值，选择AT240C2芯片保存设置的温度值。并且详细讨论了该温度控制系统的硬件构成，软件的设计以及各串口电路设计。其中，硬件部分包括电源模块、温度采集模块、串行通信模块、测试模块以及外设控制模块，除外设控制模块外其余各模块均进行了原理图设计；软件部分主要针对各模块通信协议进行了程序编写。为了充分保证系统的稳定性，同时也采取了相应措施。配备了一组继电器来控制执行单元，使温度能在一定范围。该系统具有良好的稳定性，可行性和鲁棒性，可以进行使用和推广。 关键词: 单片机 温度控制系统 DS18B20 Design of Temperature Control System Based on Microcontroller Abstract：With the continuous development and progress of science and technology nearly, SCM technology through all walks of life in the application is also improving. The temperature measurement and control system is also a small and intelligent development because of its unique powerful processing ability, low power consumption and small size. The design of STC89C52 microcontroller based control chip, an external temperature sensor DS18B20 temperature measurement system. Through this system, people can deepen the understanding and research of temperature control theory. In this paper, the characteristics of several current temperature control systems are compared, and the digital PID temperature controller is considered. And discussed the temperature control system's hardware constitution, the software design and each serial port circuit design in detail. The hardware includes the power supply module, temperature acquisition module, serial communication module, test module and peripheral control module, control module and other peripherals in each module are principle diagram design and PCB production; in the part of software modules of communication protocol and control algorithm for the program. In order to ensure the stability of the system, corresponding measures have been taken. A set of relays is provided to control the execution unit so that the temperature is within a certain range. The system has good stability, feasibility and robustness, and can be used and popularized. Key words：microcontroller temperature control system DS18B20 目录 第1章 绪论 1 1.1 本课题研究的背景与意义 1 1.2 温度控制系统的发展与现状 1 1.2.1 国内发展状况 1 1.2.2 国外发展状况 2 1.3 系统总体设计方案 2 1.3.1 系统性能及特点 2 1.3.2 系统总体架构 3 1.3.3 主要器件的选用 4 1.4 本文主要工作 4 第2章 温度控制系统硬件设计 5 2.1 主控芯片STC89C52简介 5 2.1.1 STC89C52芯片特性 5 2.1.2 时钟模块 5 2.1.3 Digital I/O模块 6 2.1.4 USART模块 6 2.1.5 JTAG模块 7 2.2 系统硬件总体结构 8 2.3 温度数据采集电路设计 8 2.3.1 DS18B20芯片简介 8 2.3.2 温度数据采集电路原理图设计 10 2.3.3 温度数据采集模块PCB设计 10 2.4 串行通信接口电路设计 11 2.4.1 TUSB3410芯片简介 11 2.4.2 串行通信接口电路原理图设计 11 2.4.3 串行通信接口PCB设计 12 2.5 JTAG接口电路设计 12 2.6 外设控制电路设计 13 第3章 温度控制系统软件设计 15 3.1 系统软件总体结构 15 3.2 主程序模块设计 16 3.3 温度数据采集模块设计 17 3.4 串行通信模块设计 20 3.5 控制模块设计 21 第4章 用户操作界面设计 23 4.1 可视化编程工具VB简介 23 4.2 数据接收显示模块设计 23 4.3 控制信息输入模块设计 24 4.4 温度告警模块设计 26 4.5 安装文件制作 27 4.6 使用说明 27 第5章 系统调试 30 5.1 IAR Systems开发环境 30 5.1.1 创建项目 30 5.1.2 导入源程序 30 5.1.3 仿真参数设置 31 5.1.4 下载源程序 31 5.2 调试结果及数据分析 33 结论 37 致谢 38 参考文献 39 IV 第1章 绪论 1.1 本课题研究的背景与意义 温度作为一个极为重要的物理常量，其反映了物体的冷热程度，人们的生产和生活很多情况也会受到温度的影响。温度的测量和控制技术已经广泛应用到了各个领域，工农业的生产和其他科研项目很多都需要对温度进行有效的监控。 温度控制系统前提是温度的采集测量，根据测量时是否接触被测物体可以分为非接触式和接触式测量法两类。其中，非接触式测量就是不和被测物体接触，它的特点是测温上限比较高，但是误差较大；接触式测量与之相反，就是接触被测物，其特点是直观可靠，然而产生的误差不可控。在实际的测量控制中，首先需要解决的问题就是怎样快速实时的对温度采样，与此同时还要保证数据传输的正确，并能对所测温度对象进行较为精确的控制。鉴于当前温度测控系统正朝着智能化发展,嵌入式的温控系统也会越来越重要。 本文将微控制器与温度控制系统相结合,设计一个可用于测量温度并进行温度调节的温度控制系统。可用于室温检测控制、水温控制调节、空调的恒温控制等小型系统的环境温度测控。该系统具有低功耗、转换速度快、操作便捷、效果显著的特点。同时具有良好的稳定性和鲁棒性，并且软件部分兼容性较强。 1.2 温度控制系统的发展与现状 1.2.1 国内发展状况 温度控制系统在我国起步较晚，20世纪80年代科学家才开始涉及这一方面研究，所以，总体来说，我们国家在温控方面是落后于西方发达国家的。尤其是在温度控制器方面，我国很多主流产品主要以点位控制为主，但是这种方式有一定弊端，那就是难以对时变和滞后的温度系统加以控制。与此同时，我国的温度测控现状远远没有达到工厂化的程度，具体体现在没有可靠的自正定软件。并且，我国温控系统的装备配套能力也不强，致使很多控制参数需要人工现场根据人工经验调试。可喜的是，国家也在大力开发创新，总体技术也在从简单应用向实用化过度。 1.2.2 国外发展状况 国外对温控技术研究较早，大概始于20世纪70年代。首先出现的是模拟的组合仪表进行数据信息的记录和控制，后来在80年代左右出现了分布式的控制系统，而现在绝大多数发达国家已经在自动化的基础上向着无人化发展，并且在参数自整定方面也取得很大成果。在温控系统中处于重要低位的温度传感器方面，从赛贝发明热电偶传感器到后来西门子发明的铂电阻以及半导体热电偶传感器，再到现在的智能温度传感器，显然可以发现国外在温度传感器方面也是远远超过中国。目前国外的温控系统具备以下特点：一、适用于复杂的温度控制系统的控制，二、普遍采用模糊控制，适用范围广，三、具备参数自整定功能，四、控制精度高同时有很强的抗干扰能力以及良好的鲁棒性。 1.3 系统总体设计方案 1.3.1 系统性能及特点 本文中讨论的是温度测量控制系统的设计与制作。温度测量的速度和精度、系统控制的实时性和准确性、操作部分的功能设置和难易程度以及整个系统工作时的稳定性和功耗是本设计需要权衡的几个重要方面。本次设计的温控系统的性能及特点可以概括为以下几点： (1)能够实现对被测对象实时温度的测量（约每秒更新一次），并且通过PC端的操作界面显示出当前温度值。 (2)操作人员可以方便、简单地通过PC端操作界面设定控制期望的温度值，并可限制在一定的变化范围内。系统能够自动根据设置，通过加热或者通风来调节被控对象的温度。 (3)能够实时监测被控对象温度是否正常。如果系统监测到被控对象的温度超过限定值，则PC端操作界面将产生报警并且提示温度过高还是温度过低。 (4)上位机和下位机通过USB接口通信，易于接口扩展，可用于笔记本。 (5)系统功耗低，可靠性高，不容易出故障。 (6)控制软件安装方便并且对运行环境要求低。 1.3.2 系统总体架构 根据系统设计的特点和要求，系统的总体框图如图1-1所示。 图1-1系统总体框架图 系统主要分为以下几个模块： 主控制芯片模块：该模块是温度测量控制系统的核心部分，它的主要任务包括存储和处理采集到的温度数据、控制通讯端口的数据传输、调节外设的运行状态和功能扩展等。 温度采集模块：该模块是温度测量的重要组成部分，其测量范围、测量精度和转换时间是衡量系统测量性能优劣的重要指标，它的主要任务是采集温度值并将采集到的温度模拟量经A/D转换成数字量后输出。 通讯接口模块：该系统的通讯接口包括串行通信接口、JTAG测试接口和普通I/O口三个部分。串行通信接口用于主控制芯片与主机PC的数据传输。测试接口用于程序设计过程中对系统进行调试和验证。普通I/O口则主要用于主控制芯片启停温度传感器、读入温度数字量以及输出对加热器、散热器或其