【毕业论文】通信工程专业论文 基于单片机的温度控制系统（WORD档）P73.doc

本科毕业设计（论文）基于单片机的温度控制系统2012年6月本科毕业设计（论文）基于单片机的温度控制系统学 院： 专 业： 通信工程 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 2012.6.17 XX大学毕业设计（论文）任务书学院： 里仁学院 系级教学单位：电子工程系 学号学生姓名XX专 业班 级通信工程4班题目题目名称基于单片机的温度控制系统题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容采用单片机技术进行温度控制系统设计，系统采用DS18B20作为温度传感器，LCD1602液晶作为显示模块，以AT89S51单片机为处理器，具有现场温度采集并显示，超过上限报警，超过下限自动加温的功能，并可通过键盘自主设置温度上下限值。基本要求根据设计的要求，要利用温度传感器实时温度。当温度高于设定的温度时（40），打开降温装置进行调整使温度在设定的范围内。当温度低于设定的温度时（35），打开升温装置进行调整使温度在设定的范围内。同时要求能设定温度。参考资料(1) 单片机C语言与PROTUES仿真技能实训。(2) 单片机应用开发与实践。(3) Protel实用教程。(4) 51单片机应用程序开发与实践。周 次第1 2 周第 3 4 周第5 7周第 8 10周 第11 14 周应完成的内容查阅资料、掌握单片机设计系统方法。学习DS18B20及LCD1602资料。进行系统方案论证。进行系统硬件设计，并绘制原理图。采用C51进行系统软件设计。系统优化。指导教师：职称：教授 2012年 3 月 1 日系级教学单位审批： 2012 年3月 10 日摘要本设计以AT89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。并且从热力学角度对本设计的控制环境进行简单分析，了解温度场进而确定传感器的合理检测位置。文中介绍了该控制系统的硬件部分，其中温度检测电路的检测精度可达到1。温度控制电路由三极管的导通与否来驱动继电器的开关，进而对升降温设备进行控制。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：LCD液晶显示程序、键盘及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、超温报警程序。关键词 AT89S51单片机；DS18B20温度芯片；温度控制；键盘和显示Abstractthis design as the core of the AT89S51 temperature control system of the working principle and design method. Temperature signal chip DS18B20 collection by the temperature, and the way to digital signal transfer to the microcontroller. And from the Angle of the design of thermodynamics this simple control environment analysis, understand the temperature field and then determine the reasonable detecting position sensor. The paper introduces the hardware part of the control system, including temperature detection circuit detection accuracy can reach 1 . Temperature control circuit of the transistor by conduction or not to drive the relay of the switch, and then to rise cooling equipment control. SCM through to signal processed, so as to achieve the purpose of temperature control. This paper has mainly introduced the software design part, here the modularized structure, main module has: LCD display, keyboard and a key program procedures, temperature signal processing program, relay control procedures, super temperature alarming program.Keywords AT89S51 Monolithic Integrated Circuit；DS18B20 Temperature Chip；Temperature Control；Keyboard and Demonstration目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 目的及意义21.1.2 内容及其要求2第2章 方案论证42.1 题目分析42.1.1 对浴室环境的设定42.1.2 浴室温度场分析52.1.3 整体工作原理92.2 温度传感器的选择112.2.1 采用模拟集成温度传感器112.2.2 采用数字单片智能温度传感器122.3 显示器的选择132.3.1 LED显示器132.3.2 LCD液晶屏132.4 核心芯片的选择142.4.1 采用凌阳单片机142.4.2 采用AT89S51单片机142.5本章小结21第3章 系统的硬件设计223.1 系统的设计223.2 温度传感单元设计233.3 温度控制单元的设计253.4 键盘单元的设计273.5 显示单元的设计273.6 本章小结28第4章 系统的软件设计304.1 系统程序结构304.2 系统软件流程304.3 本章小结31结论33参考文献35致谢36附录137附录242附录346附录451附录564第1章 绪论1.1 课题背景温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活、医疗、工业生产等方面的温度测量及控制。常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用，但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时，参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。本设计是一个数字温度测量及控制系统，能测室内的温度，并能在超限的情况下进行控制、调整，并报警。保证环境保持在限定的温度中。1.1.1 目的及意义 随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。本文采用单片机AT89S51设计了温度实时测量及控制系统。单片机AT89S51能够根据温度传感器DS18B20所采集的温度在液晶屏上实时显示，通过控制从而把温度控制在设定的范围之内。所有温度数据均通过液晶显示器LCD显示出来。系统可以根据时钟存储相关的数据。温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是在工农业生产过程中一个很重要而且很普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品、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。而且随着科学技术的发展和生产的不断发展，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制参数之一。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，也可以广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭试问测量及工业设备测量场合。但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术原件，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。1.1.2 内容及其要求 (1) 内容 本次的毕业设计的题目是基于单片机的温度控制系统。它是多种技术知识的结合，不仅涉及到软件的设计，而且还将应用于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1。本设计主要介绍了对浴室温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。浴室温度的控制部分，提出了用DS18B20、AT89S51单片机及LCD的硬件电路完成对室温的实时监测及显示，利用DS18B20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热暖灯的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。(2) 要求 具体指标要求正常工作温度范围为3540，温度误差为<1。具体控制要求根据设计的要求，要利用温度传感器实时温度。当温度高于设定的温度时(40)，打开降温装置进行调整使温度在设定的范围内。当温度低于设定的温度时(35)，打开升温装置进行调整使温度在设定的范围内。同时要求能设定温度。国外温度测控系统研究国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。国内温度测控系统研究我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。第2章 方案论证2.1 题目分析 本设计是一个数字温度控制系统，能测量温度，并能在超限的情况下进行控制、调整，并报警。2.1.1 对浴室环境的设定传热模型的建立：从传热学角度来看，浴室是一个近似于封闭的空间，浴室内部安装的浴霸则是相当于一个稳定输出热量的内热源。浴霸进入稳定工作状态之后，浴室内部的温度场梯度分布是基本趋于稳定的。设定浴室的尺寸设定为长宽均为4m，高为3m的一个长方体空间，其表面积达到了80平方米，而浴霸的表面积不过是0.4到0.6平方米左右，热源和空间的表面积比例接近了1:200，空间的表面积是热源的200倍，符合于空间表面积远大于热源表面积的状况。图2-1 浴室模型图2-1为浴室模型，高为3m，长宽均为4m，上表面的凹槽代表热源(浴霸)从图中可以更直观的看出，浴霸的表面积相比于传热空间的表面积可以忽略，可以视为一个热源点，因而浴室模型做了如下的简化处理。图2-2 简化的传热模型热源视为一个发热点，只需要考虑其功率和热量，不需要考虑其尺寸影响，建立了如图2-2所示的传热模型。图2-2所示的传热模型，是在浴室内部建立起的一个半径为2m的圆球传热模型，半球以外的部分，接收到的辐射能量很少，温度场基本梯度很缓，可以视为热量均匀分布，温度一致。浴霸的功率一般在2600w以上，3000w以下，在下面的分析计算当中，设定为2800w。注：浴霸将所获得的电能主要转化为了热能，通过热辐射发散到了周围环境当中；转化为光能所消耗的电能仅有二十瓦左右，相比于整体的2800W的功率，尚不足百分之一，因而在计算的时候，是不考虑电能转化为光能的损失的。2.1.2 浴室温度场分析温度场分布的分析：自然界的热量传递有热传导，对流传热和热辐射三种方式。一个热源点散发热量，不考虑尺寸，热传导的作用是微乎其微可以忽略的；而周围的环境是近似于封闭的，虽然热源周围有着气态流体的存在，但是其宏观流动性的表现并不是很明显，无论是自然对流传热还是强制对流传热，其强度都是微弱的；因而，在这个模型当中，只需要深入分析计算热辐射的影响。在一个仅仅考虑热辐射的传热模型当中，热源视为类同于质点的存在之后，由于浴霸在浴室当中的位置（设定在浴室上表面中心），浴室当中的热量阶梯是呈现半球面分布的；以浴霸为球心，半径持续连续延伸的每一个半球面上，都会有一个特定的温度和辐射强度。图2-3 浴室内温度场分布示意图图2-3表示了从浴室上表面看，温度场的分布，呈现同心圆的规律，是连续分布的，由内而外温度逐渐递减，图中表现为暖色调向冷色调的过渡；我们需要确定的就是，这些连续存在的半球面温度场，哪一个上面的辐射强度和温度恰好和整个房间的平均温度和平均辐射强度相吻合，得出一个确定的半径数值。传热学的分析计算：在持续稳定工作的情况之下，从传热学角度来看，通过前面的分析，我们可以把我们要求解决的问题，转化为如下问题：在以热源为球心的半球，球径尺寸延伸到了多少的时候，热源辐射能量被室内空气吸收达到了一半？也即是球径尺寸延伸到了多少的时候，温度降达到了一半？计算式表达如下： (2-1)其中P=2800w，表示的是浴霸的功率；S表示的半球的表面积。能够满足的S如下式： (2-2) 即 (2-3)想要求得平均温度对应的半径，现在的问题就是求出辐射强度。我们已知的条件为平均温度范围为35oC到40oC，我们可以计算出平均温度为35oC和40oC时，分别对应的辐射强度，进而求出两个平均温度分别对应的半径，如果某个平均温度位于这两个温度之间，那么相应的半径也位于两个半径值之间。计算过程和公式如下：首先取平均温度为35oC的状况：室温为25oC空气的定压比热容按理想气体状况取值：=1.40KJ/K.kg空气的密度按常温状况下取值：=1.29kg/m3经历时间t后，室内空气吸收辐射热量，平均温度达到了35oC，需要的能量： (2-4) =866.88KJ浴室的墙壁表面是光洁的，对于辐射到其上的能量，能够将绝大部分反射，因而不论空气对于热量的吸收率是多少，热量往返反射之间，最终都会被空气吸收；所以在能量计算中，从整体考虑，可以处理为热源的能量全部被空气所吸收，不去分段考较每一个瞬间的辐射。所以平均温度达到35oC，所需要的时间： =866.88KJ/2.8KW =309.6S按照传热学辐射理论，计算辐射强度（计算中，空气吸收率取0.19）：即 =532W/m2又计算得：r1=0.6473m图2-4 平均温度为35oC时，所在位置示意图取平均温度为40oC的状况：室温为25oC空气的定压比热容按理想气体状况取值，=1.40KJ/K.kg空气的密度按常温状况下取值，=1.29kg/m3经历时间t1后，室内空气吸收辐射热量，平均温度达到了40oC，需要的能量:KJ平均温度上升到40oC需要的时间：=464.4S按照传热学辐射理论，计算辐射强度（计算中，空气吸收率取0.19）： =798W/m2又计算得：r2=0.5285m浴室内部的温度梯度是逐渐变缓的，温度降越来越小，越远离浴霸的球面，其温度降越缓；靠近浴霸所在，温度降剧烈。而且随着时间的延长，浴室的整体温度升高，其平均温度所在也是不断地内移的，温度越高越是靠近中心热源所在。结论：根据以上计算结果，可以得出结论，当平均温度从35oC升高到40oC的时候，平均温度所在位置从距离热源的半球面内移到了距离热源的半球面上。2.1.3 整体工作原理根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89S51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。选用数字温度传感器DS18B20，省却了采样保持电路、运放、数模转换电路以及进行长距离传输时的串并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本2。该系统的总体设计思路如下：温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89S51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符LCD，1602液晶模块。检测范围35摄氏度到40摄氏度。本系统除了显示温度以外还可以设置一个温度值，对所测温度进行监控当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备(排风扇)，当采集的温度经处理后低于设定温度时，单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备(浴霸)。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感器出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。图2-5 工作原理图温度控制系统采用AT89S51单片机作为微处理单元进行控制。独立式键盘把设定温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器，还可以通过键盘完成温度检测功能的转换。温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比较来控制温度控制器。中央微处理器AT89S51：AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。AT89S51单片机综合了微型处理器的基本功能。按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的AT89S51单片机作为整个系统的控制器3。2.2 温度传感器的选择2.2.1 采用模拟集成温度传感器集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。图2-6是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k时，输出电压随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使=273.2mV。或在室温下(25)条件下调整电位器,使=273.2+25=298.2(mV)。但这样调整只可保证在0或25附近有较高精度4。AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出数字量送给单片机进行温度控制。图2-6 基于AD590测温基本应用电路2.2.2 采用数字单片智能温度传感器智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU). 智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-WIRE)总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线5。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS18B20，智能温度控制器适配各种微控制器,构成智能化温控系统；它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125，可编程为9位12位A/D转换精度,，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55+125，在-10+85范围内精度为0.5。DS18B20的精度较差为±0.2。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小6。DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的“DS1820”体积更小、更经济、更灵活。使您可以充分发挥“一线总线”的长处。DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器7。由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便，与AD590相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B208。2.3 显示器的选择2.3.1 LED显示器采用传统的七段数码LED显示器。LED虽然价格便宜，但在现代的许多仪表、各种电子产品中逐渐被LCD所取代。2.3.2 LCD液晶屏采用LCD液晶屏进行显示。LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要23伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线，比传统的数码LED显示器显示的界面有了质的提高。在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。优点为：(1)显示质量高，由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。(2)数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单操作也很方便。(3)功率消耗小，相比而言液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动IC上，因而耗电量比其他器件要小很多。虽然LCD显示器的价格比数码管要贵，但它的显示效果好，是当今显示器的主流，所以采用LCD作为显示器。2.4 核心芯片的选择2.4.1 采用凌阳单片机随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital SignalProcessing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的µnSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称µnSP）。围绕µnSP所形成的16位µnSP系列单片机（以下简称µnSP家族）采用的是模块式集成结构，它以µnSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。µnSP内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。利用凌阳单片机有一定的好处，凌阳的优势是硬件性能，抗干扰能力强，但凌阳单片机我们没有系统的学习，这对于刚接触单片机的我们来说不是很容易上手，其价格也要比89S51昂贵一些，因此我们并没有将其作为首选。2.4.2 采用AT89S51单片机由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流9。单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能，其数据总线的宽度不断更新，从8位、16位迅速过渡到32位、64位，并且不断提高运算速度和完善通用操作系统，以突出其高速海量数值运算的能力，在数据处理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛应用；单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。因此，单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速发展，成为近代计算机技术发展史上一个重要里程碑10。由于MCS系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达到最优化，工作也相对稳定。51的优点是价钱便宜，I/O口多，程序空间大。因此，测控系统中，使用51单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和语言也大大简化。单片机的典型代表是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的MCS51系列单片机。MCS51单片机很快在我国得到广泛的推广应用，成为电子系统中最普遍的应用手段，并在工业控制、交通运输、家用电器、仪器仪表等领域取得了大量应用成果11。以MCS-51技术核心为主导的单片机已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象，并以此为基核，推出许多与MCS51有极好兼容性的CHMOS单片机，同时增加了一些新的功能，所以用AT89S51。AT89S51 是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求13。由于系统控制方案简单，数据量也不大，考虑到电路的简单和成本等因素，因此在本设计中选用A TMEL公司的A T89S51单片机作为主控芯片。主控模块采用单片机最小系统是由于A T89S51芯片内含有4kB的 E2PROM无需外扩存储器，电路简单可靠，其时钟频率为024 MHz，并且价格低廉，批量价在10元以内。其主要功能特性： 兼容MCS-51指令系统 4k可反复擦写(>1000次）ISP Flash ROM 32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压 2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33MHz 全双工UART串行中断口线 128x8 bit内部RAM 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程 双数据寄存器指针 可以看出AT89S51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式何在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位14。AT89S51引角功能说明Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。表2-1为P1口第二功能。表2-1 P1口第二功能端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问位地址的外部数据存储器（如执行：MOVX Ri 指令）时，P2口线上的内