基于单片机温度控制系统设计-----建模.doc

沈阳理工大学课程设计论文

课程设计任务书
学 院
信息科学与工程学院
专 业
自动化
学生姓名
杨琨
班级学号
0903010411
课程设计题目
基于单片机温度控制系统设计-----建模
实践教学要求与任务:
1） 构成闭环单片机温度控制系统
2） 建模
3） 实验调试
4） THFCS-1现场总线控制系统实验
5） 撰写实验报告

工作计划与进度安排:
1） 第1～2天，查阅文献，构成闭环温度控制系统
2） 第3～4天，建模
3） 第5～6，实验调试
4） 第7～9天，THFCS-1现场总线控制系统实验
5） 第10天，撰写实验报告
指导教师：

201 年 月 日
专业负责人：

201 年 月 日
学院教学副院长：

201 年 月 日

34

摘 要

近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月异更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构,以及具体应用对象特点的软件结合,以作完善。本文从硬件和软件两方面来讲述水温自动控制过程,在控制过程中主要应用AT89C51，ADC0809，LED显示器，LM324比较器,而主要是通过 DS18B20 数字温度传感器采集环境温度,以单片机为核心控制部件,并通过四位数码管显示实时温度的一种数字温度计。软件方面采用汇编语言来进行程序设计, 使指令的执行速度快,节省存储空间。为了便于扩展和更改,软件的设计采用模块化结构,使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。使硬件在软件的控制下协调运作。而系统的过程则是:首先,通过设置按键,设定恒温运行时的温度值,并且用数码管显示这个温度值。然后,在运行过程中将采样的温度模拟量送入 A/D 转换器中进行模拟-数字转换,再将转换后的数字量用数码管进行显示,最后，用单片机来控制加热器,进行加热或停止加热,直到能在规定的温度下恒温加热。

关键字：单片机系统；传感器；数据采集；模数转换器；温度

目 录

1 绪论 1
1.1 课题的背景及其意义 1
1.2 课题研究的内容及要求 1
1.3 课题的研究方案 2
2 设计理论基础 5
2.1 单片机的发展概况 5
2.2 AT89C51系列单片机介绍 6
2.2.1 AT89C51系列基本组成及特性 6
2.2.2 AT89C51系列引脚功能 6
2.2.3 AT89C51系列单片机的功能单元 9
2.3 ADC0809模数转换器 10
2.4 运算放大器LM324 10
2.5 数码显示管LED 11
2.6 数字温度计DS18S20 11
3 电路设计 12
3.1 单片机控制单元 12
3.2 温度采样部分 12
3.3 模数转换部分 13
3.4 显示部分 13
4 软件设计 15
4.1 主程序流程图 15
4.2 中断子程序流程图 16
4.3 按键流程图 16
4.4 显示流程图 17
5 系统调试及结论分析 18
5.1 硬件调试 18
5.1.1 硬件电路故障及解决方法 18
5.1.2 硬件调试方法 18
5.2 软件调试 19
5.2.1 软件电路故障及解决方法软件 19
5.2.2 软件调试方法 19
5.3 结论分析 20
6 总结与展望 21
参考文献 22
附 录 23

1 绪论

1.1 课题的背景及其意义
二十一世纪是科技高速发展的信息时代,电子技术,微型单片机技术的应用更是空前广泛,伴随着科学技术和生产的不断发展,需要对各种参数进行温度测量。因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多,与之相对应的,温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语,同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。如在日趋发达的工业之中,利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。在农业中,用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。温度是表征物体冷热程度的物理量,温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量,提高生产效率,节约能源,生产安全,促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性,温度传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展,温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。在单片机温度测量系统中的关键是测量温度,控制温度和保持温度,温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此,单片机温度测量则是对温度进行有效的测量,并且能够在工业生产中得到了广泛的应用,尤其在电力工程,化工生产,机械制造,冶金工业等重要工业领域中,担负着重要的测量任务。在日常生活中,也可广泛实用于地热,空调器,电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量,如果采用适当的技术和元件,将模拟的温度量转化为数字量虽不困难,但电路较复杂,成本较高。
1.2 课题研究的内容及要求
我本次的设计题目是单片机水温控制系统设计-----建模。它是多种技术知识的结合,不仅涉及到软件的设计,而且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合,使其具有精度高,测量误差小,稳定性好等特点。电路板的设计技术和机械加工工艺的巧妙结合,使其具备了显示直观,体积做工精细等特点,能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础。因为经过我们调查发现许多应用场合原来就有测温控温仪器,只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高, 以往的那些测温控温的仪器根本不能满足现在的要求。 其中,有部分应用场合对精度提高的幅度要求也不是特别高。因此,为了提高性价比,我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良, 以此为出发点,主要阐述的是水温自动控制系统的一种实现方法。本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计,主要是介绍了对水箱温度的显示,控制及报警,实现了温度的实时显示及控制。水箱水温控制部分, 提出了用 DS18S20, AT89C51 单片机及 LED 的硬件电路完 成对水温的实时检测及显示,利用 DS18S20 与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。而炉内温度控制部分,采用一套 PID 闭环负反馈控制系统,由 DS18S20 检测炉内温度,用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号,并在 LED 中显示。控制器是用 89C51 单片机,用 PID 算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构,去调节电阻炉的加热功率,从而控制炉内温度。它具有微型化,低功耗,高性能,抗干扰能力强,易配微处理器等优点,特别适合于构成多点的温度测控系统,可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理,而且每片 DS18S20 都有唯一的产品号,可以一并存入其 ROM 中,以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个 DS18S20 芯片。从 DS18S20 读出或写入 DS18S20 信息仅需要 一根口线,其读写及其温度变换功率来源于数据总线,该总线本身也可以给所挂接的 DS18S20 供电, 而且不需要额外电源。同时 DS18S20 能提供九位温度读数,它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。而且利用本次的设计主要实现温度测试,温度显示,温度门限设定,超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。而且还要以单片机为主机,使温度传感器通过一根口线与单片机相连接,再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。用单片机实现其具体控制功能如下: (1)能够连续测量水的温度值,用十进制数码管来显示水的实际温度.。(2)能够设定水的温度值,设定范围是 30℃～90℃。(3)能够实现水温的自动控制,如果设定水温为85℃,则能使水温保持恒定在 85℃的温度下运行。(4)用单片机 AT89C51 控制,通过按键来控制水温的设定值,数值采用数码管显示。
1.3 课题的研究方案
温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。 温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式：

方案1：
图1.1
此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，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，系统静态差大、不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码管显示，不能用键盘设定。
方案2：
图1.2
此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码管显示，对键盘进行设定。

方案3：
图1.3
此方案采用89C51单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可以用数码管来显示水温的实际值，能用键盘输入设定值。本方案选用了AT89C51芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。
结论：前两种方案是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂的控制规律，控制方案的修改也较为繁琐。而方案三是采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。也使得系统所测得结果的精度大大提高。所以，经过对三种方案的比较，本次毕业设计采用了方案三。

2 设计理论基础

2.1 单片机的发展概况
1970年微型计算机研制成功之后，随之即出现了单片机（即单片微型计算机）— 美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008，这也算是单片机的第一次公众亮相。 1976年Intel公司首先推出能称为单片机的MCS-48系列单片微型计算机。它以体积小、功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用，同时一些与单片机有关公司都争相推出各自的单片机。1978年下半年Motorola公司推M6800系列单片机，Zilog公司相继推出Z8单片机系列。1980年Intel公司在MCS-48系列基础上又推出高性能的MCS-51系列单片机。这类单片机均带有串行I/O口，定时器/计数器为16位，片内存储容量（RAM，ROM）都相应增大，并有优先级中断处理功能，单片机的功能、寻址范围都比早期的扩大了，它们是当时单片机应用的主流产品。1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位单片机MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分别在原有8位单片机的基础上推出了16位单片HPC16040和µPD783××系列。1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196，1988年推出带EPROM的87C196单片机。由于16位单片机推出的时间较迟、价格昂贵、开发设备有限等多种原因，至今还未得到广泛应用。而8位单片机已能满足大部分应用的需要，因此，在推出16位单片机的同时，高性能的新型8位单片机也不断问世。 纵观这短短的20年，经历了4次更新换代，单片机正朝着集成化、多功能、多选择、高速度、低功耗、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容的方向发展。新一代的80C51系列单片机除了上述的结构特性外，其最主要的技特点是向外部接口电路扩展，以实现微控制器（microcontroller）完善的控制功能为己任。这一系列单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展和配置打下了良好的基础。由于80C51系列单片机所具有的一系列优越的特点，获得广泛使用指日可待。
2.2 AT89C51系列单片机介绍
2.2.1 AT89C51系列基本组成及特性
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积, 增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k, 四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且写入时间仅10毫秒, 仅为8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89C51 芯片提供三级程序存储器锁定加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段, 能完全保证程序或系统不被仿制。另外,AT89C51 还具有MCS-51系列单片机的所有优点。128×8 位内部RAM, 32 位双向输入输出线, 两个十六位定时器/计时器, 5个中断源, 两级中断优先级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的, 当外围器件仍然处于工作状态时, CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态, 内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限, 当振荡器停止振动时, CPU 停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变, 一直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。
2.2.2 AT89C51系列引脚功能
AT89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。其与80C51引脚结构基本相同，其逻辑引脚图如图2.1。

图2.1
各引脚功能叙述如下：
1． 电源和晶振
VCC——运行和程序校验时加+5V
GND——接地
XTAL1——输入到振荡器的反向放大器
XTAL2——反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器 （当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号）
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。
2． I/O（4个口，32根）
P0口——8位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。
P1口——8位、准双向I/O口。在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。P1口可驱动4个LSTTL负载。对于80C51，P1.0——T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1——T2EX，是定时器的外部输入端。这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。
P2口——8位、准双向I/O口。当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。
P3口——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。P3口提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。
3． 串行口 P3.0——RXD（串行输入口），输入。 P3.1——TXD（串行输出口），输出。 4．中断 P3.2——INT0外部中断0，输入。 P3.3——INT1外部中断1，输入。
5． 定时器/计数器 P3.4——T0定时器/计数器0的外部输入，输入。 P3.5——T1定时器/计数器1的外部输入，输入。
6． 数据存储器选通 P3.6——WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。 P3.7——RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。
7． 控制线(共4根) 输入：
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。 EA/Vpp——片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21V的编程电压。 注意：在加密方式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）。 输入、输出： ALE/PROG——地址锁存允许信号，输出。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入，输入编程脉冲（PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。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低位字节。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。 注意：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。 输出： PSEN——片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。
2.2.3 AT89C51系列单片机的功能单元
1． 并行I/O接口：
单片机芯片内有一项主要功能就是并行I/O口。51系列共有4个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低八位地址和数据由P0口分时传送，高八位地址由P2口传送。
2． 定时器/计数器
定时器/计数器（timer/counter）是单片机中的重要部件，其工作方式灵活、编程简单，使用它对减轻CPU的负担和简化外围电路都大有好处。 C51系列包含有两个16位的可编程定时器/计数器分别称为定时器/计数器T0和定时器/计数器T1；在C51部分产品中，还包含有一个用做看门狗的8位定时器。定时器/计数器的核心是一个加1计数引脚上施加器，其基本功能是加1功能。在单片机的定时器T0或T1中，有一个定时器发生由0到1的跳变时，计数器增1，即为计数功能；在单片机内部对机器周期或其分频进行计数，从而得到定时，这就是定时功能。在单片机中，定时功能和计数功能的设定和控制都是通过软件来进行的。
3． 振荡器
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。当输入至内部时钟信号时要通过一个二分频触发器，而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。
4． 芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。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。
5． 中断系统
中断系统是单片机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、单片机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断系统大大提高了系统的效率。 C51系统有关中断的寄存器有4个，分别为中断源寄存器TCON和SCON、中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP；中断源有5个，分别为外部中断0请求INT0、外部中断1请求INT1、定时器0溢出中断请求TF0、定时器1溢出中断请求TF1和串行中断请求R1或T1。5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器IP和顺序查询逻辑电路共同决定，5个中断源分别对应5个固定的中断入口地址。中断的特点是分时操作，实时处理和故障处理。
2.3 ADC0809模数转换器
ADC0809是位A/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。ADC0809由单+5V电源供电；片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0～5V的输入模拟电压分时进行转换，完成一次转换约需100µS；片内具有多路开关的地址译码器和锁存器、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。
2.4 运算放大器LM324
本次设计所用的运算放大器是LM324，而LM324的系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特点是短跑保护输出、真差动输入级、底偏置电流为最大100mA、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。
2.5 数码显示管LED
LED显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也是被广泛运用的。如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。
LED数码管作为显示字段的数码型显示器件，它是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符，常用的LED数码管有7段和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连在一起，通常此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极接在一起，通常此共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。本次设计所用的LED数码管显示器为共阳极。LED数码管的使用与发光二极管相同，根据材料不同正向压降一般为1.5～2V，额定电流为10MA，最大电流为40MA。静态显示时取10MA为宜，动态扫描显示可加大脉冲电流，但一般不超过40MA。
2.6 数字温度计DS18S20
在传统的模拟信号远距离的温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术。另外考虑到一般的测量现场的电磁环境非常的恶劣，各种干扰信号较强，模拟信号很容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效的方案。在实际的温度测量过程中被广泛应用，同时也取得了良好的测量效果。

3 电路设计

本设计采用按键作为输入控制，通过温度多采样单元采集温度信息，经过LM324放大器放大及ADC0809数模转换器将其转换，由主机AT89C51进行处理并将实际温度值和设定温度值分别显示在共阳极数码显示管LED上。
3.1 单片机控制单元
单片机控制单元，如图3.1所示，包括按键控制电路，其中按键控制电路这一模块设置了：“设置”、“加1”、“右移”、“确定”四个按键，来实现人机对话。人为地设定温度门限值，使电路在人为设定的某一温度值相对稳定的工作。
图3.1 按键控制电路
3.2 温度采样部分
温度采样单元，如3-2所示，用于采集被控对象的温度参数，它由温度电压转换、小信号放大及A/D转换三部分组成。其中，将温度转化为电量的温度电压转换由温度传感器-热敏电阻实现，小信号放大由桥式放大电路实现，A/D转换选择模数转换器ADC0809，将采集到的温度模拟信号转换为AT89C51能够处理的二进制数字信号。

图3.2 温度采样单元
3.3 模数转换部分
模数转换是将模拟输入信号转换为N位二进制数字输出信号的技术。采用数字信号处理能够方便地实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。与之相应的是，作为模拟系统和数字系统之间桥梁的模数转换的应用日趋广泛。为了满足市场的需求，各芯片制造公司不断推出性能更加先进的新产品、新技术，令人目不暇接。
3.4 显示部分
通过74LS164芯片将主机处理的温度信息显示在LED数码管上。图3-3则为温度控制系统的单片机显示部分。而显示部分在整个的设计过程中的作用也是很大的。

图3.3 温度显示电路
3.5 调节执行单元
调节执行单元，如图3-4所示，采用实时控制的方法，在主机AT89C51的P1.4口输出温度控制信号，由光电耦合器MOC3041（光电耦合器）和可控硅SCR组成。其中光电耦合器MOC3041的作用是将单片机系统与可控硅SCR电路隔开，避免在高压过程中的干扰信号影响单片机的运行；可控硅SCR的作用是相当于一个固态的触点，使之有能力开启或关断电炉，从而控制电炉通断，以实现对水温的实时控制。

图3.4 调节执行单元

4 软件设计

4.1 主程序流程图
系统的软件部分由主程序流程图、中断子程序流程图、按键流程图和显示流程图四部分组成。系统的主程序流程图如图4.1，当有信号输入时，主程序启动，根据内部设定的条件逐步运行，达到设计目的。
图4.1 主程序流程图

4.2 中断子程序流程图
图4.2为中断子程序的流程图，这个主要是为了保障整个软件程序在运行时可以达到中断，从而使系统进一步达到完善。
图4.2 中断子程序流程图
4.3 按键流程图
图4-3为系统的按键流程图。主要是通过人为的对外部按键的控制来调节系统的温度，从而实现系统对温度的手动和自动控制。

图4.3 按键子程序流程图
4.4 显示流程图
图4-4为系统的显示流程图。主要是通过对传输过来的信号进行显示后，给操作者提供提示。已达到为本系统提供对温度的显示和监控的目的。
图4.4 显示流程图
5 系统调试及结论分析
单片机应用系统样机组装好以后，便可进入系统的在线（联仿真器）调试，其主要任务是排除样机硬件故障，并完善其硬件结构，试运行所设计的程序，排除程序错误，优化程序结构，使系统达到期望的功能，进而固化软件，使其产品化。
5.1 硬件调试
单片机应用系统的硬件和软件调试是交叉进行的，但通常是先排除样机中明显的硬件故障，尤其是电源故障，才能安全地和仿真器相连，进行综合调试。
5.1.1 硬件电路故障及解决方法
1． 错线、开路、短路：由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的错线、开路、短路等故障。 解决方法：在画原理图时仔细检查、校正即可解决。 2．元器件损坏：由于对元器件使用要求的不熟悉及制作调试过程中操作不当致使器件损坏。 解决方法：在设计过程中要明确各元器件的工作条件，严格按照制作要求进行操作，损坏的元器件要及时更换，以免损坏其他元件或影响电路功能的实现。 3．电源故障：设计中存在电源故障，即上电后将造成元器件损坏、无法正常供电，电路不能正常工作。电源的故障包括：电压值不符和设计要求，电源引出线和插座不对应，各档电源之间的短路，变压器功率不足，内阻大，负载能力差等。 解决方法：电源必须单独调试好以后才能加到系统的各个部件中。本设计中就出现电源故障经过一个稳压电路才使其正常工作。
5.1.2 硬件调试方法
本设计调试过程中所用的调试方法有：静态测试、联仿真器在线调试等。
1．静态测试 在样机加电之前，首先用万用表等工具，根据硬件电器原理图和装配图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。应特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查扩展系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互间的短路或与其它信号线的短路。第二步是加电后检查各个插件上引脚的电位，仔细测量各点电位是否正常，尤其应注意单片机插座上的各点电位，若有高压，联机时将会损坏仿真器。第三步是在不加电情况下，除单片机以外，插上所有的元器件，最后用仿真适配器将样机的单片机插座和仿真器的仿真接口相连，为联机调试做准备。
2．联仿真器在线调试 测试RAM存储器：用仿真器写命令将一批数据写入样机中扩展的RAM，然后用读命令读出其内容，若对任意单元读出和写入内容一致，则扩展RAM和单片机的连接没有逻辑错误。若读出写入内存不一致，则可能是地址数据线短路，试写入不同的数据观察读出结果，或缩小对RAM的读写范围，检查对RAM中其它区域的影响，这样可初步对地址数据线短路错误定位，再用万用表、示波器等进一步确诊。
5.2 软件调试
5.2.1 软件电路故障及解决方法软件
设计软件部分出现这种错误的现象： 1．当以断点或连续方式运行时，目标系统没有按规定的功能进行操作或什么结果也没有，这是由于程序转移到意外之处或在某处死循环所造成的。 解决方法：这类错误的原因是程序中转移地址计算错误、堆栈溢出、工作寄存器冲突等。在采用实时多任务操作系统时，错误可能在操作系统中，没有完成正确的任务调度操作，也可能在高优先级任务程序中，该任务不释放处理器，使CPU在该任务中死循环。通过对错误程序的修改使其实现预期的功能。 2．不响应中断 CPU不响应中断或不响应某一个中断这种错误的现象是连续运行时不执行中断任务程序的规定操作，当断点设在中断入口或中断服务程序中时碰不到断点。 错误的原因有：中断控制寄存器（IE，IP）的初值设置不正确，使CPU没有开放中断或不许某个中断源请求；或者对片内的定时器、串行口等特殊功能寄存器和扩展的I/O口编程有错误，造成中断没有被激活；或者某一中断服务程序不是以RETI指令作为返回主程序的指令，CPU虽已返回到主程序但内部中断状态寄存器没有被清除，从而不响应中断；或由于外部中断源的硬件故障使外部中断请求无效。 解决方法：修改中断控制寄存器（IE，IP）的初值设置。 3．结果不正确 目标系统基本上已能正常操作，但控制有误动作或者输出的结果不正确。这类错误大多是由于计算程序中的错误引起的。错误原因没有查明，没有解决。
5.2.2 软件调试方法
软件调试所使用的方法有：计算程序的调试方法、I/O处理程序的调试法、综合调试法等。
1． 计算程序的调试方法 计算程序的错误是一种静态的固定的错误，因此主要用单拍或断点运行方式来调试。根据计算程序的功能，事先准备好一组测试数据。调试时，用防真器的写命令，将数据写入计算程序的参数缓冲单元，然后从计算程序开始运行到结束，运行的结果和正确数据比较，如果对有的测试数据进行测试，都没有发生错误，则该计算程序调试成功；如果发现结果不正确，改用单步运行方式，即可检查出错误所在。计算程序的修改视错误性质而定。若是算法错误，那是根本性错误，应重新设计该程序；若是局部的指令有错，修改即可。如果用于测试的数据没有全部覆盖实际计算的原始数据的类型，调试没有发现错误可能在系统运行过程中暴露出来。
2． I/O处理程序的调试 对于A/D转换一类的I/O处理程序是实时处理程序，因此一般用全速断点运行方式或连续运行方式进行调试。
3．综合调试 在完成了各个模块程序（或各个任务程序）的调试工作以后，便可进行系统的综合调试。综合调试一般采用全速断点运行方式，这个阶段的主要工作社排除系统中遗留的错误以提高系统的动态性能和精度。在综合调试的最后阶段，应在目标系统的晶振频率工作，使系统全速运行目标程序，实现了预定功能技术指标后，便可将软件固化，然后在运行固化的目标程序，成功后目标系统便可脱机运行。一般情况下，这样一个应用系统就算研制成功了。
5.3 结论分析
通过对系统硬件的调试，进一步理解了水温控制系统的原理，同时也发现了问题，原设计电路缺乏对水温的实时控制，因此后加入调节执行单元，采用实时控制的方法，在主机AT89C51的P1.4口输出温度控制信号，由光电耦合器MOC3041和可控硅SCR组成。其中光电耦合器MOC3041的作用是将单片机系统与可控硅SCR电路隔开，避免在高压过程中的干扰信号影响单片机的运行；可控硅SCR的作用是相当于一个固态的触点，使之有能力开启或关断电炉，从而控制电炉通断，以实现对水温的实时控制。

6 总结与展望
通过本次设计我们所学过的理论知识接受了实践的检验，增强我的综合运用所学知识的能力及动手能力，为以后的学习和工作打下了良好的基础。本文以AT89C51系列单片机为核心，用AT89C51单片机作为控制器件，温度信号通过热敏电阻和放大器转换成电信号，再由ADC0809转换成为数字信号，测温电路采用桥式电路，温度设定采用按键移位式设定方法，温度控制采用光耦和可控硅控制加热器。软件算法采用设定值和测量值相比较的算法。在单片机应用的基础上，实现了一种用带有E²PROM的AT89C51单片机控制传感器的自动化温度监控系统。
当今社会在飞速发展，科学技术发展的速度更是迅猛无比，尤其是单片机技术在未来社会发展中一定会起着十分重要的作用，而通过本次设计无论是从硬件实现还是到整个程序的完成，无不是对我个人专业能力的一次提高和体现。而本次设计主要是完成两方面工作，软件程序设计和硬件电路板设计。软件设计包括用单片机设计语言设计控制系统并仿真、实现。硬件设计包括绘制电路原理图，生成图后制作电路板、插件焊件、再做硬件测试。通过这些都使我对采用单片机设计方法有了更深的理解和掌握，同时也让我把所学的知识广泛的应用到了实践中，充分的做到了理论与实践相结合。无论从专业知识、动手能力，还是毅志品质，都使我受益非浅。
目前，测温控温系统得到快速的发展，国外的测量控制系统已经成熟，产品也较多。近两年，国内也出现了许多高精度的温度控制系统产品，但相对于用户来说，价格还是偏高。而由于竞争越来越激烈，现在企业发展的趋势是如何最有效的提高生产效率，降低生产成本。寻求性能可靠、价格低廉，且应用广泛的元器件是生产过程的首先要考虑的问题，因此像本设计这种控制简单、精度较高、价格低廉的控制系统会有很好的发展前景，所以学好单片机技术也十分重要。
通过本次的设计，使我感觉到单片机的应用会越来越广泛，而且，在医疗事业的发展中，单片机也会越来越重要。以后的医疗服务会急速的向现代化，智能化方向发展，