基于-51单片机恒温控制器设计Microcontroller.doc

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基于51单片机恒温控制器的设计 Microcontroller-based temperature controller design

：杜治协
学号：20213313
专业：机械设计制造及其自动化
学制：4年
指导教师：王新年

理工大学高科学院

摘要
随着现代工业的逐步开展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种 最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、 化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、 热处理炉、反响炉和锅炉的温度进展控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有 限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进展控制不仅具有控制方 便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，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 中经常会遇到的控制问题。 本系统实现了单片机AT89C51 对水温进展控制，采用AD590 作为温度传感器， 通过按键、数码显示等组成人机交互接口来实现设置和调节初始温度值。系统启 动后，数码管显示测量到的温度值，当加热到设定值后立刻报警。另外，本系统 通过软件实现对按键误差、加热过冲的调整，以提高系统的平安性、可靠性和稳 定性。本文详细地表达了用 MCS-51 单片机设计实验室恒温控制系统的硬件电路 及软件实现，细致地介绍了设计构图，各功能模块的程序流程图以及程序清单．该 装置控制温度围广泛，可靠性强，灵敏度高，使用灵活． 关键词：DS18B20，单片机，恒温控制，单总线传输方式 目录 摘要................................................................................................................................................... 1 目录................................................................................................................................................... 2 一 引言........................................................................................................................................... 3 二 方案设计与论证 ....................................................................................................................... 3 三 系统总体设计 ........................................................................................................................... 4 1. 元器件根本知识 .................................................................................................................. 4 〔1〕 单片机AT89S51 ................................................................................................... 4 〔2〕 模数转换器AD0809 ............................................................................................ 7 〔3〕 温度传感器 AD590 ............................................................................................. 9 〔4〕 数码管LED 显示器 ........................................................................................... 12 2. 原理图及功能实现 ............................................................................................................ 13 〔1〕原理图 ................................................................................................................... 13 〔2〕功能实现 ............................................................................................................... 13 四 软件详细设计 ......................................................................................................................... 15 1.主程序软件流程图 .............................................................................................................. 15 2. 源代码................................................................................................................................ 16 五 实验过程中经历及心得 ......................................................................................................... 18 1.实验过程中出现的问题及解决方法 .................................................................................. 18 2. ADC0809 的CLK 信号与单片机的经典接法 .................................................................. 19 六 致 ..................................................................................................................................... 20 七 参考文献 ................................................................................................................................. 21 一 引言 随着社会主义现代化的开展，在科学技术突飞猛进的今天，人工智能起不不 可无视的作用。尤其是各种智能化的仪器、仪表在农、工业的广泛应用给社会带 来了极大的便利。本文就是一个利用温度来实现简单智能控制的例子。它完成了 从温度的采集、转换、显示以及控制的一系列任务。由于时间关系，本文并未深 入探讨温度的具体实例。例如根据温度来控制热水器、电风扇等与温度有关的设 备。但是它提供了一个通过温度来控制设备的根本思想和原理。相信能在实际应 用中为我们的生活带来更大的便利。 二 方案设计与论证 根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案： 〔1〕方案一：此方案是采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设 定给定值，反响的温度值与给定的温度值比拟后，决定加热或者不加热。器特点 是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统 静差大，不稳定。系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，而且不易实 现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。 〔2〕方案二：采用单片机89s51 为核心。采用了温度传感器AD590 采集温度变 化信号，并通过单片机处理后去控制温度，使其到达稳定。使用单片机具有编程 灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件 编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。 比拟两种方案，方案二明显的改善了方案一的缺乏及缺点，并具有控制简单、 控制温度精度高的特点。因此本设计电路采用方案二。 三 系统总体设计 1. 元器件根本知识 〔1〕单片机AT89S51 a.主要特性 ● 与MCS-51 单片机产品兼容 ● 4K 字节在系统可编程Flash 存储器 ● 1000 次擦写周期 ● 全静态工作：0Hz—33MHz ● 32 个可编程I/O 口线 ● 2 个16 位定时器/计数器 ● 6 个中断源 ● 全双工UART 串行通道 ● 低功耗空闲和掉电模式 ● 掉电后中断可唤醒 ● 看门狗定时器 ● 双数据指针 ● 灵活的ISP 编程〔字或字节模式〕 ● 4.0---5.5V 电压工作围 b.部构造 图3-1 是单片机AT89S51 的部构造总框图。它可以划分为CPU、存储器、 并行口、串行口、定时/计数器和中断逻辑几个局部。 ● CPU 由运算器和控制逻辑构成。其中包括假设干特殊功能存放器〔SFR〕 ● AT89S51 时钟有两种方式产生，即部方式和外部方式。〔如图 3-2 所 示〕 ● AT89S51 在物理上有四个存储空间：片/片外程序存储大路、片/片 外数据存储器。片有 256B 数据存储器 RAM 和 4KB 的程序存储器 ROM。除此之 外，还可以在片外扩展RAM 和ROM，并且和有64KB 的寻址围。 ● AT89S51 部有一个可编程的、全双工的串行接口。它串行收发存储在 特殊功能存放器SFR 的串行数据缓冲器SBUF 中的数据。 图3-1 AT89S51 部构造框图 ● AT89S51 共有4 个〔P0、P1、P2、P3 口〕8 位并行I/O 端口，共32 个引 脚。P0 口双向 I/O 口，用于分时传送低 8 位地址和 8 位数据信号；P1、P2、P3 口均为准双向I/O 口；其中P2 口还用于传送高8 位地址信号；P3 口每一引脚还 具有特殊功能〔图3-3〕，用于特殊信号的输入输出和控制信号。 ● AT89S51 部有两个16 位可编程定时器/计数器T0、T1。最大计数值为 2 16 -1。工作方式和定时器或计数器的选择由指令来确定。 图3-2 AT89S51 的时钟电路 图3-3 P3 口引脚的特殊功能 ● 中断系统允许承受 5 个独立的中断源，即两个外部中断，两个定时器/ 计数器中断以及一个串行口中断。 c.外部特性〔引脚功能〕 AT89S51 芯片有40 条引脚，双列直插式封装引脚图如2-4 所示： ● Vcc(40)：电源+5V ● Vss(20): 接地 ● XTAL1〔19〕和XTAL2〔18〕：使用部振荡电路时，用来接石英晶体和 电容；使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。 ● P0 口〔39—32〕：双向 I/O 口，既可作地址/数据总线口用，也可作普 通I/O 口用。 ● P1 口〔1—8〕：准双向通用I/O 口。 ● P2 口〔21—28〕：准双向口，既可作地址总线口输出地址高8 位，也可 作普通I/O 口用。 ● P3 口〔10—17〕：多用途口，既 图3-4 AT89S51 引脚图 可作普通I/O 口，也可按每位定义的 第二功能操作。 ● ALE/~PROG〔30〕：地址锁存信号输出端。在片外丰储器时，假设ALE 为有效高电平，那么P0 口输出地址低8 位，可以用ALE 信号作外部地址锁存信 号。公式〔2—1〕fALE=1/6fOSC ,也可作系统中其它芯片的时钟源。第二功能~PROG 是对EPROM 编程时的编程脉冲输入端。 ● RST/VPD〔9〕：复位信号输入端。AT89S51 接能电源后，在时钟电路作用 下，该脚上出现两个机器周期以上的高电平，使部复位。第二功能是 VPD， 即备用电源输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，VPD 将为 RAM 提供备用电源，发保证存储在RAM 中的信号不丧失。 ● ~EA/Vpp(31):部和外部程序存储器选择线。~EA=0 时外部 ROM 0000H—FFFFH；~EA=1 时，地址 0000H—0FFFH 空间部 ROM，地址 1000H—FFFFH 空间外部ROM。 ● ~PSEN〔29〕：片外程序存储器选通信号，低电平有效。 〔2〕 模数转换器AD0809 a.主要特性 ● 8 路8 位A／D 转换器，即分辨率8 位。 ● 具有转换起停控制端。 ● 转换时间为100μ s ● 单个＋5V 电源供电 ● 模拟输入电压围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。 ● 工作温度围为-40～＋85 摄氏度 ● 低功耗，约15mW。 b.部构造 ADC0809 是CMOS 单片型逐次逼近式A／D 转换器，部构造如图3-5 所示， 它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比拟器、8 位开关树型 D／A 转换器、 逐次逼近存放器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809 可处理 8 路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。 输入输出与TTL 兼容。 图3-5 ADC0809 部构造框图 c.外部特性〔引脚功能〕 ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 3-6 所示。下面 说明各引脚功能。 ●IN0～IN7：8 路模拟量输入端。 ●2-1～2-8：8 位数字量输出端。 ●ALE〔22〕：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 ●START〔6〕： A／D 转换启动信号，输入，高电平有效。 ●EOC〔7〕： A／D 转换完毕信号，输出，当A／D 转换完毕时，此端输出一个 高电平 〔转换期间一直为低电平〕。 图3-6 ADC0809 引脚图 ●OE〔9〕：数据输出允 许信号，输入，高电平有效。当 A／D 转换完毕时，此端输入一个高电平，才能 翻开输出三态门，输出数字量。 ●CLK〔10〕：时钟脉冲输入端。典型值为640KHZ。 ●REF〔+〕、REF〔-〕：参考电压输入端。 ●Vcc〔11〕：电源，＋5V。 ●GND〔13〕：地。 ●ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。 如表2-1 所示。 表3-1 ADDA、ADDB、ADDC 模拟通道地址码 d.ADC0809 的工作过程 首先输入3 位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码 选通8 路模拟输入之一到比拟器。START 上升沿将逐次逼近存放器复位。下降沿 启动 A／D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进展。直到 A／D 转换 完成，EOC 变为高电平，指示 A／D 转换完毕，结果数据已存入锁存器，这个信 号可用作中断申请。当OE 输入高电平 时，输出三态门翻开，转换结果的数字量 输出到数据总线上。 〔3〕温度传感器 AD590 a.主要特性 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特 性如下： ● 流过器件的电流〔A〕等于器件所处环境的热力学温度〔开尔文〕度数， 即： A/K 公式〔2-2〕 式中： —流过器件〔AD590〕的电流，单位为A； T—热力学温度，单位为K。 ● AD590 的测温围为-55℃～+150℃。 ● AD590 的电源电压围为4V～30V。电源电压可在4V~6V 围变化，电流 变化1A，相当于温度变化 1K。AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电 压，因而器件反接也不会被损坏。 ● 输出电阻为710M。 ● 精度高。AD590 共有I、J、K、L、M 五档，其中M 档精度最高，在-55℃～ +150℃围，非线性误差为±0.3℃。 ● AD590 的输出电流值说明如下： 其输出电流是以绝对温度零度〔-273℃〕为基准，每增加1℃，它会增加1μ A 输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=〔273+25〕=298μ A。 b.部构造 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 b-e 结压 降的不饱和值VBE 与热力学温度T 和通过发射极电流I 的下述关系实现对温度的 检测： 公式〔2-3〕 式中：K—波尔兹常数； q—电子电荷绝对值。 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等 优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两 种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输 出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1A/K。 c.外部特性〔引脚功能〕 0 1 AD590 - + A . . . . ● Vcc(0):电源4—30v ● GND(1):接地。 d.典型应用电路 AD590 产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4 V－30V 检测的温度围为－55℃－＋150℃，它有非常好的线性输 出性能，温度每增加1℃，其电流 增加1uA 0 1 AD590 - + A R1 10k +5 V0 . . . . 图3-8 是AD590 用于测量热力学 温度的根本应用电路。因为流过AD590 的电流与热力学温度成正比， 当电阻 10k 时，输出电压VO 随温 度的变化为10mV/K。 图3-8 AD590 其本应用电路 ● Vo 的值为电流I 乘上10K，以室温25℃而言，输出值为10K×298μ A=2.98V ● 测量Vo 时，不可分出任何电流，否那么测量值会不准。 由于AD590 的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进展调整。 表3-2 AD590 温度与电流的对应关系表 摄氏温度〔单位：℃〕 AD590 电流〔单位：uA〕 经10KΩ 电压〔单位：V〕 -10 263.2 2.632 0 273.2 2.732 10 283.2 2.832 20 293.2 2.932 30 303.2 3.032 40 313.2 3.132 50 323.2 3.232 60 333.2 3.332 100 373.2 3.732 〔4〕数码管LED 显示器 a.综合知识 ● 数码显示器有静态和动态显示两种显示方式。 ● LED 显示器工作在静态显示方式时，其阴极点〔或阳极〕连接在一起接 地〔或+5V〕，每一个的段选线〔a,b,c,d,e,f,g,p〕分别与一个8 位口相连。 ● LED 显示 器工作在动态显示方式时，段选码端口 I/O1 用来输出显示字 符的段选码，I/O2 输出位选码。 I/O1 不断送待显示字符的段选码，I/O2 不断送出不同的位扫描码，并使每位显 示字符显示一段时间，一般 为1—5mS。利用眼睛 的礼视觉惯性，从显示器上便可以见到相当稳定的数字显示。 b.引脚功能 如图3-9 所示： ● 段选〔a,b,c,d,e,f,g,p〕：对应8 个发光二极管，接I/O 口，共阴〔或 共阳〕时接地〔或+5V〕，根据条件控制发光二极管的亮或灭。 ● 位选〔A,B,C,D〕:共阴〔或共阳〕时接地〔或+5V〕分别用选中对应位的 LED 图3-9 4 位LED 引脚图 2. 原理图及功能实现 〔1〕原理图 图3-1 4 位温度显示器原理图 图3-2 水温调整原理图 〔2〕功能实现 利用 AD590 温度传感器完成温度的测量，把转换的温度值的模拟量送入 ADC0809 的其中一个通道进展A/D 转换，将转换的结果进展温度值变换之后送入 数码管显示。再根据限定条件来控制发光二极管的亮度来模拟当前输出量。 A.电热控制局部 电热控制采用可控硅来实现，双向可控硅和电热器串接在200V 单相交流电 路中，单片机的P2.7 通过光电隔离器件和驱动电路送到可控硅的控制端，通过 P1.7 口控制可控硅的通断。 B.温度检测局部 温度检测局部包括温度传感器、变换器和A/D 转换3 局部。用于温度检测的 传感器有性能稳定、抗氧能力强和检测精度高等特点。考虑到应用围要求广泛， 这里选用铂热电阻，要求其检测围在0—500℃之间。变送器将温度变化引起 的铂热电阻值变化转化成电压信号，当温度在0—500℃时变送器输出0-5V 左右 电压。 A/D 转换局部采用ADC0809 组成A/D 转换电路，ADC0809 是一种8 路模拟输 入的8 位逐次逼近式A/D 转换器件。由于温度的控制精度要求≤±2℃显然采用 8 位A/D 转换器完全可以到达要求的精度。ADG0809 的EOC 转换完毕信号接MSC –52 的外部中断1 上，MSC-51 通过地址P2.0 和读写信号来控制转换器的模拟量 输入通道地址锁存、启动和输出允许，如图2.因为0809 部有地址锁存器，所 以不需另加锁存器。当电路设计好后，调整变换器输出，当温度为0℃时变化器 输出0V，AD 转换器转换结果为00H；当温度为500℃时变换器输出5V，AD 转换 器结果为FAH〔250〕。也就是说，温度在0~500℃时，AD 转换器转换结果为00 H—FAH(0~250),显然转化结果乘以2 正好是温度值，这样一方面可以方便标度转 换，另一方面可以防止转换时带来的误差。 C.显示和报警局部 显示器设有3 位LED 数码显示器，当停顿加热时显示设定温度启动加热时用 于显示定时温度。为了充分利用MSC—51 的资源，节省并行I/O 口线，因此采用 串行口，工作方式O 作LED 显示器的接口，采用了74LS164 移位存放器构成显示 器接口电路，如图2. 为了结语资源不扩展并行I/O 口，键盘只设置4 个按键，由I/O 的低4 位作为键 盘接口，4 个键分为启动、“+100〞、“+10〞和“+1〞键，其中后 3 个键可以 分别对百位、十位和各位进展加 1，再按会再加 1，假设连续按该键，十位数就会 在0~9 之间循环，从而实现呢置数功能。除上述4 个键以外还设有复位/停顿键， 系统复位后处于停顿加热状态。因此要停顿加热那么按复位键。报警采用蜂鸣器作 为发生器件，将 P1.6 与之相连，当温度超过戒备温度时，实现报警，并关闭电 热器。 四 软件详细设计 软件设计时，必须先弄清恒温控制系统的操作过程和工作过程，加热器开场 时处于停顿状态，首先设定温度，显示器显示温度，温度设定后那么可以启动加热。 温度检测系统不断检测并显示系统中的实时温度，当到达设定值停顿加热，当温 度下降到下限〔小于设定值2℃〕时再自动启动加热，这样不断的循环，使温度 保持在设定围之。启动加热以后就不能再设定温度，因为温度的设定可以根 据实验要求改变，假设要改变设定的温度，可以先按复位键/停顿键再重复上述过 程。 1.主程序软件流程图 图4-1 主程序流程图 2. 源代码 #include 开场 指示灯LED 灭 ADC0809 停顿工作 T1 工作于方式1 定时4mS CPU、T1 开中断且T1 开场工作 ADC0809 采集一次数据 等待中断 完毕 五 实验过程中经历及心得 1.实验过程中出现的问题及解决方法 在实验过程中，我遇到我很多问题。有小的，也有大的；有的很容易就解决 了，有的那么想很久都不能明白；有的需要查资料就可以解决，有的那么需请教教师 才得以搞定。正是这些多多少少，大大小小的问题，随着一个个的解决，才使的 我一步步的进步。在此，我列出在我实验过程中遇到的问题，以及解决方法。 表5-1 实验过程中出现的问题及解决方法 序号 出现问题 解决方法 ① 用Protel 画原理图时的诸多 小问题及画好的原理图如何 copy 到Word 仔细查阅资料 ② 硬件电路完全焊接好，仔细检 查后才发现40Pin的IC插座， 有一 Pin 折弯并未穿过电路 板 更换电路板以及IC 插座，重新焊 接；养成走一步，检查一步的习惯 ③ 手工焊接想减少元器件，去掉 了reset 信号的器件。结果电 路无法工作 加上reset 信号应有的元器件，且 连接正确 ④ 电路刚开场工作，4 位LED 就 冒烟，随着一声响就报废 应加限流电阻 ⑤ ADC0809 的CLK 信号用软件还 是用硬件来提供 详见5.2 ADC0809 的CLK 信号与单 片机的经典接法 ⑥ 4 位LED 显示的数据，自己都 不明白是什么 更改软件数据N 次，重新烧片子N 次，经过N 天才想明白是数据未确 定精度。通过软件确定精度 ⑦ 接下来遇到的根本都是软件 经过无数次的更改软件，无数次的 问题 重新烧写程序，离实验结果就一步 步接近了 ⑧ 单片机控制的发光二极管亮 一段时间后就熄灭 限流电阻太大，最后改用100Ω 的 电阻，工作正常 2. ADC0809 的CLK 信号与单片机的经典接法 因为在整个的实验过程中，为了节约本钱，电路板上的所有元器件都是自己 手工焊接的。所以，在最开场考虑ADC0809 的CLK 信号时，我是用软件做的。 在软、硬件刚做好时，出现的很多问题，是根本无法判断是软件有问题，还 是硬件有错误。但我始终都不想再改动硬件。后来，我在书上看到： ADC0809 的CLK----外部时钟输入端。时钟频率高，A/D 转换速度快。允许 围为10----1280KHz ，典型值为640KHz ，此时转换时间为100uS。通常由MCS—51 型单片机 ALE 端直接或分频后与 0809 CLK 端相连接。当 MCS---51 型单片机无 读写外RAM 操作时，ALE 信号固定为CPU 时钟频率的1/6，假设晶振为6MHz，那么1/6 为1MHz 时，A/D 转换时间为64uS。 这样做和用软件实现比拟，不但节省了人力，而且缩短了软件代码长度，减 轻了CPU 的负担，提高了工作效率。和硬件比拟，更节省本钱，而且拥有和硬件 一样快的工作效率。 六 致 我之所以能顺利完成?四位温度显示器?的设计与实现，是和指导我的导师 是有关。我首先我的指导教师教师。在整个设计完成期间，从原理上的可 行到实际硬件电路上出现的的问题，以及后期软硬件的改良，不管是什么时候遇 到困难，只要和教师一说他就会给我们讲，从不厌其烦。这一点我深表感。 作为一个教师他是负责的，态度是认真的。教师，我最想说一句“您〞！ 再一个就是我要感院方，也就是计算机学院给我们提供这么多的支持。不 管是从教师还是其它的辅助设施上，我深表感，给我们带来了极大的方便。 第三 我也很感论文辩论的各位评委教师，感他们在百忙之中抽出时间 帮我们辩论。我心里深深知道不管他们提出什么样的问题，难也好，容易也好， 其目的只有一个，那就是帮助我们提高，在这我也想说一声您们！您们 帮助我们提高，欢送你们提出珍贵的意见。 七 参考文献 [1] 涂序彦．智能控制理论、方法与技术．：清华大学，1994.11 [2] 建民等．.自适应模糊炉温控制系统．根底自动化，2001.4 [3] 兴池等．模糊控制器在电加热炉中的应用．工业仪表与自动化装置，1999.3 [4] 志君等．糊控制在温度控制系统中的应用．动化与仪器仪表，1998.5 [5] 雷思孝，伯成，雷向莉．单片机原理及实用技术－凌阳 16 位单片机原理 及应用．：电子科技大学，2004．1

第二章系统的根本构成及方案
2.1 系统的根本构成
设计思路是:利用温度传感器直接输出数字温度信号给单片机进展处理,在LED数码管上显示当前环境温度值以及设定温度值,温度低于设定温度值进展加热,假设温度高于设定温度值那么启动风扇降温到设定温度值停在,构造图如下:

温度采集

键盘 加热电阻

51单片机

晶振 直流风扇

温度显示
2.2方案论证
对于温度控制方法有很多:单片机.PLC控制.模拟PID调节器等等.

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