基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要： 本設(shè)計(jì)以AT89S51單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。溫度信號(hào)由溫度芯片DS18B20采集，并以數(shù)字信號(hào)的方式傳送給單片機(jī)。文中介紹了該控制系統(tǒng)的硬件部分，包括：溫度檢測(cè)電路、溫度控制電路、PC機(jī)與單片機(jī)串口通訊電路和一些接口電路 。單片機(jī)通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制的目的。文中還著重介紹了軟件設(shè)計(jì)部分，在這里采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要模塊有：數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號(hào)處理程序、繼電器控制程序、超溫報(bào)警程序。 關(guān)鍵詞：AT89S51單片機(jī) DS18B20溫度芯片 溫度控制 串口通訊畢業(yè)論文外文摘要Title B

2、ased on Monolithic Integrated Circuits Temperature Control Systems Design AbstractThis design take at89S51 monolithic integrated circuit as core temperature control systems principle of work and design method. The temperature signal by the temperature chip DS18B20 gathering, and transmits by digital

3、 signals way for the monolithic integrated circuit. In the article introduced this control systems hardware part, including: Temperature examination electric circuit, temperature-control circuit, PC machine and monolithic integrated circuit serial port communication channel and some interface circui

4、t. The monolithic integrated circuit through carries on corresponding processing to the signal, thus realizes the temperature control goal. In the article also emphatically introduced the software design part, uses the modular structure in here, the main module includes: Nixietube display sequence,

5、keyboard scanning and pressed key disposal procedure, temperature signal processing procedure, black-white control procedure, excess temperature warning procedure.Keywords：AT89S51 Monolithic Integrated Circuit ；DS18B20 Temperature Chip；Temperature Control；Serial Port Communication目 次1 引言12 設(shè)計(jì)要求13 工作

6、原理14 方案設(shè)計(jì)與論證24.1 主控制部分 34.2 測(cè)量部分 35 各單元的設(shè)計(jì) 85.1 鍵盤單元85.2 溫度控制及超溫和超溫警報(bào)單元 105.3 溫度控制器件電路115.4 溫度測(cè)試單元 115.5七段數(shù)碼管顯示單元115.6 接口通訊單元 136 電源輸入單元147 程序設(shè)計(jì)157.1 概 述157.2 程序結(jié)構(gòu)分析 167.3 主程序 178. 測(cè)設(shè)分析 17結(jié)論 18參考文獻(xiàn) 19致謝20附錄A使用說(shuō)明 21附錄B程序清單 211 引言溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域 ,如家電、汽車、材料、電力電子等 ,常用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和所要求的性能指標(biāo)有所不同 , 在工業(yè)企

7、業(yè)中,如何提高溫度控制對(duì)象的運(yùn)行性能一直以來(lái)都是控制人員和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員努力解決的問題。這類控制對(duì)象慣性大,滯后現(xiàn)象嚴(yán)重,存在很多不確定的因素,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳,甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡(jiǎn)單實(shí)用 ,但由于繼電器動(dòng)作頻繁 ,可能會(huì)因觸點(diǎn)不良而影響正常工作?？刂祁I(lǐng)域還大量采用傳統(tǒng)的PID控制方式,但PID控制對(duì)象的模型難以建立,并且當(dāng)擾動(dòng)因素不明確時(shí),參數(shù)調(diào)整不便仍是普遍存在的問題。而采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，因其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，而且減少了溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)的精度損失，使得測(cè)量溫度更加精確。數(shù)字溫度傳感器DS

8、18B20只用一個(gè)引腳即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器DS18B20做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實(shí)用性。更能串接多個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行范圍的溫度檢測(cè)。2 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)基于單片計(jì)算機(jī)的溫度控制器，用于控制溫度。具體要求如下: 1. 溫度連續(xù)可調(diào)，范圍為0-40 2. 超調(diào)量%20% 3. 溫度誤差0.5 4. 人-機(jī)對(duì)話方便 3 工作原理溫度傳感器 DS18B20 從設(shè)備環(huán)境的不同位置采集溫度，單片機(jī) AT89S51 獲取采集的溫度值，經(jīng)處理

9、后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度值，再根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度上下限值，通過加熱和降溫對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后超過設(shè)定溫度的上限時(shí)，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器開啟降溫設(shè)備 (壓縮制冷器) ，當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度的下時(shí) , 單片機(jī)通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器開啟升溫設(shè)備 (加熱器) 。 當(dāng)由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設(shè)備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時(shí)候，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出警笛聲。 系統(tǒng)中將通過串口通訊連接PC機(jī)存儲(chǔ)溫度變化時(shí)的歷史數(shù)據(jù)，以便觀察整個(gè)溫度的控制過程及監(jiān)控溫度的變化全過程。PC機(jī)加熱器繼電器

10、2DS18B20 溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸鍵盤電路MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片 片AT89S518BIT CPU數(shù)據(jù)顯示超溫報(bào)警輸入電源壓縮制冷器繼電器1 N3-1工作原理圖4 方案設(shè)計(jì)4.1 溫度測(cè)量部分方案DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)（按9位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個(gè)傳感器芯片，它具有三引腳TO-92小體積封裝形式，溫度測(cè)量范圍55125，可編程為912位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16

11、位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，業(yè)可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到三根或者兩根線上，CPU只需一根端口線就能與多個(gè)DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。從而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。綜上，在本系統(tǒng)中我采用溫度芯片DS18B20測(cè)量溫度。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件，且此元件線形較好。在0100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于1攝氏度。該芯片直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)處理及控制。圖4-1溫度芯片DS18B204.2 主控制部分方案AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能

12、CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中

13、斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。由于系統(tǒng)控制方案簡(jiǎn)單 ,數(shù)據(jù)量也不大 ,考慮到電路的簡(jiǎn)單和成本等因素 ,因此在本設(shè)計(jì)中選用 A TMEL 公司的 A T89S51單片機(jī)作為主控芯片。主控模塊采用單片機(jī)最小系統(tǒng)是由于 A T8

14、9S51芯片內(nèi)含有4 kB的 E2PROM ,無(wú)需外擴(kuò)存儲(chǔ)器 ,電路簡(jiǎn)單可靠 ,其時(shí)鐘頻率為 024 MHz ,并且價(jià)格低廉 ,批量?jī)r(jià)在 10元以內(nèi)。其主要功能特性： 兼容MCS-51指令系統(tǒng) 4k可反復(fù)擦寫(1000次）ISP Flash ROM 32個(gè)雙向I/O口 4.5-5.5V工作電壓 2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘頻率0-33MHz 全雙工UART串行中斷口線 128x8 bit內(nèi)部RAM 2個(gè)外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級(jí)加密位 看門狗（WDT）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的ISP字節(jié)和分頁(yè)編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 可以看出AT89S51提供以下標(biāo)

15、準(zhǔn)功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘。同時(shí), AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式何在RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一個(gè)硬件復(fù)位。AT89S51引角功能說(shuō)明Vcc：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時(shí)，每位

16、能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“1”可作為高阻抗輸入端口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。表4-1為P1口第二功能。表4-1 P1口第二功能端口引腳第二

17、功能P1.5MOSI（用于ISP編程）P1.6MISO（用于ISP編程）P1.7SCK（用于ISP編程）P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流I。在訪問位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行：MOVX Ri 指令）時(shí)，P2口線上的內(nèi)（也即特殊功能寄存器，在整個(gè)訪問期間不改變。Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2也接收高位地址和其它控制信號(hào)。）P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出

18、緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端口時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流I。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如下表4-2。 表4-2 P3口的第二功能 端口功能第二功能端口引腳第二功能RXD（P3.0）串行輸入口T0（P3.4）定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入TXD（P3.1）串行輸出口T1（P3.5）定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入INT0（P3.2）外中斷0WR（P3.6）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通INT1（P3.3）外中斷1RD（P3.7）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通RST：復(fù)位輸入

19、。當(dāng)振蕩工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。WDT益出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRTO 位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目地，要注意的是：第當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位禁位后

20、，只有一條MOVX 和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳伎被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無(wú)效。PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高有兩次有效的PSEN信號(hào)。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU公訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器

21、編程時(shí),該引腳加上12V的編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。AT89S51單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)造及功能：特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的片內(nèi)空間分存如下圖3-2所示。這些地址并沒有全部占用，沒有占用的地址不可使用，讀這些地址將得到一個(gè)隨意的數(shù)值。而寫這些地址單元將不能得到預(yù)期的結(jié)果。中斷寄存器：各中斷允許控制位于IE寄存器，5個(gè)中斷源的中斷優(yōu)先級(jí)控制位于IP寄存器。圖4-2為AUXR輔助寄存器。圖4-2 AUXR輔助寄存器雙時(shí)鐘指針寄存器：為方便地訪問內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，提供了兩個(gè)16位數(shù)據(jù)指針寄存儲(chǔ)器：PD0位于SFR區(qū)塊中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，當(dāng)SFR中的位DPS=0時(shí)選擇DP0,而DPS=1時(shí)選擇DP1。在使用前初始化DPS。圖4-3 雙時(shí)鐘指針寄存器電源空閑標(biāo)志：電源空閑標(biāo)志（POF）在特殊功能寄存儲(chǔ)器SFR中PCO