毕业设计（论文）基于AT89S51单片机的温度控制系统设计.doc

目录摘 要IABSTRACTII第一章 引言11.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义11.2 温度控制系统的目的11.3 温度控制系统完成的功能2第二章 系统总体设计32.1 元器件基本知识32.1.1 单片机AT89S5132.1.2 模数转换器AD080972.1.3 温度传感器 AD590102.1.4 数码管LED显示器132.2.2 功能15第三章 软件详细设计163.1 流程图163.2 源代码18第四章 实验过程中积累的经验234.1 实验过程中出现的问题及解决方法234.2 ADC0809的CLK信号与单片机的经典接法24总 结25致 谢27参考文献28摘 要温度是日常生活中无时不在的物理量，温度的控制在各个领域都有积极的意义。很多行业中都有大量的用电加热设备，如用于热处理的加热炉，用于融化金属的坩锅电阻炉及各种不同用途的温度箱等，采用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便、简单、灵活性大等特点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。因此，智能化温度控制技术正被广泛地采用。本温度设计采用现在流行的AT89S51单片机，配以AD590温度传感器，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基本思想和原理。相信能在实际应用中为我们的生活带来更大的便利。关键词：AT89S51 模式转换 单片机 控制AbstractTemperature is the ever-present in daily life physical quantities, temperature control in various fields have positive significance. A lot of businesses have a lot of electric heating equipment, such as for heat treatment furnace for melting the metal crucible resistance furnace and a variety of different uses of the temperature boxes, using SCM to control them is not only easy to control, Simple, flexibility and other characteristics, but also can greatly improve the temperature was charged with technical indicators, which can greatly improve product quality. Therefore, intelligent temperature control technology is being widely adopted.The temperature of the design with the now popular AT89S51 microcontroller, together with the AD590 temperature sensor, is a smart use of simple temperature control example. It completed the acquisition of temperature, conversion, display and control a series of tasks. Because of the time, this article does not explore in depth the temperature of the concrete examples. For example, under temperature control, water heaters, electric fans and other equipment related to temperature. But it provides a temperature control device through the basic ideas and principles. I believe in practical application to our lives more convenient.Key words: AT89S51 mode conversion SCM control第一章 引言1.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义 随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。1.2 温度控制系统的目的本设计的内容是温度测试控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。1.3 温度控制系统完成的功能本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：当温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降，同时红灯亮。当温度下降到上限温度以下时，停止降温。温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。三个数码管即时显示温度，精确到小数点后一位。第二章 系统总体设计2.1 元器件基本知识2.1.1 单片机AT89S51（1）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：0Hz33MHz 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 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电压工作范围（2）内部结构 图2-1 是单片机AT89S51的内部结构总框图。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部分。 CPU由运算器和控制逻辑构成。其中包括若干特殊功能寄存器。 AT89S51时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式。（如图2-2所示） AT89S51在物理上有四个存储空间：片内/片外程序存储大路、片内/片外数据存储器。片内有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的寻址范围。 AT89S51内部有一个可编程的、全双工的串行接口。它串行收发存储在特殊功能寄存器SFR的串行数据缓冲器SBUF中的数据。图2-1 AT89S51 内部结构框图 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（表2-1），用于特殊信号的输入输出和控制信号。 AT89S51内部有两个16位可编程定时器/计数器T0、T1。最大计数值为216-1。工作方式和定时器或计数器的选择由指令来确定。图2-2 AT89S51的时钟电路表2-1 P3口引脚的特殊功引脚号第二功能P3.0RXD(串行输入)P3.1TXD(串行输出)P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器外部输入0）P3.5T1（定时器外部输入1）P3.6WR（外部数据存储器）P3.7RD（外部数据存储器） 中断系统允许接受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。（3）外部特性（引脚功能）图2-3 AT89S51引脚图AT89S51芯片有40条引脚，双列直插式封装引脚图如2-3所示： Vcc(40)：电源+5V Vss(20): 接地 XTAL1（19）和XTAL2（18）：使用内部振荡电路时，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（3932）：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（18）：准双向通用I/O口。 P2口（2128）：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（1017）：多用途口，既 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。在访问片外丰储器时，若ALE为有效高电平，则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（21）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，使内部复位。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中的信号不丢失。 EA/Vpp(31):内部和外部程序存储器选择线。EA=0时访问外部ROM 0000HFFFFH；EA=1时，地址0000H0FFFH空间访问内部ROM，地址1000HFFFFH空间访问外部ROM。 PSEN（29）：片外程序存储器选通信号，低电平有效。 2.1.2 模数转换器AD0809（1）主要特性 8路8位AD转换器，即分辨率8位。 具有转换起停控制端。 转换时间为100s 单个5V电源供电 模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 工作温度范围为-4085摄氏度 低功耗，约15mW。（2）内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图2-4所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近寄存器、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2-4 ADC0809内部结构框图（3）外部特性（引脚功能）寄存器、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2-5 ADC0809的引脚图ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图2-5所示。下面说明各引脚功能。IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8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）： AD转换启动信号，输入，高电平有效。EOC（7）： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE（9）：数据输出。允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，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2-2所示。表2-2 ADDA、ADDB、ADDC模拟通道地址码（4）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较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，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，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。2.1.3 温度传感器 AD590（1）主要特性集成温度传感器AD590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：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1mA/K。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（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： mA/K 公式（2-2）式中： 流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T热力学温度，单位为K。 AD590的测温范围为-55+150。 AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，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710MW。 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，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1A输出电流，因此在室温25时，其输出电流Iout=（273+25）=298A。（2）内部结构  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1mA/K。（3）外部特性（引脚功能） Vcc(0):电源430v GND(1):接地。如图2-6AD590封装图所示（4）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4V30V检测 图2-6 AD590封装图的温度范围为55150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1uA。如图2-7基本应用电路是AD590用于测量热力学温度。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比， 图2-7 AD590基本应用电路当电阻10kW时，输出电压VO随温度的变化为10mV/K。   Vo的值为电流I乘上10K，以室温25而言，输出值为10K×298A=2.98V     测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。  由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。表2-2 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10K电压（单位：V）-10263.22.6320273.22.73210283.22.83220293.22.93230303.23.03240313.23.13250323.23.23260333.23.332100373.23.7322.1.4 数码管LED显示器（1）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15mS。利用眼睛的视觉惯性，从显示器上便可以见到相当稳定的数字显示。（2）引脚功能 如图2-8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2-8 4位LED引脚图2.2 原理图及功能2.2.1 原理图图2-9 4位温度显示器原理图2.2.2 功能利用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的其中一个通道进行A/D转换，将转换的结果进行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与灭。本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：当温度低于或高于限定温度时，LED灯亮告警。温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。四个数码管即时显示温度，精确到小数点一位。第三章 软件详细设计3.1 流程图开始指示灯LED灭ADC0809停止工作T1工作于方式1定时4mSCPU、T1开中断且T1开始工作ADC0809采集一次数据等待中断结束图3-1主程序流程图0809转换结束？YNYY中断开始NN不满足，灯灭满足，灯亮指示灯亮条件？确定符号位为负确定符号位为正判断数据正？软件补偿读取转换后数据T1重新置数 确定十位、个位和十分位数据逐位显示数据个位数据？加小数点一位数据？去掉十位“0”超出显示范围？停止扫描结束返回NYNYNY图3-2 中断服务程序流程图3.2 源代码#include <reg51.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned intuchar code dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;/*LED位选*/uchar code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40;/*0，1，2-9，正（不显），负*/uchar dispbuf=0,0,0,10,10,10,10,10;uchar dispcount=0;uchar getdata=0;unsigned long temp=0;uchar i;bit sflag=0; /*正负标志*/sbit ST=P30;sbit OE=P31;sbit EOC=P32;sbit LED=P34;/*当温度超过10度且低于30度时LED亮*/ void main(void) LED=1; ST=0; OE=0; TMOD=0x10; TH1=(65536-4000)/256; /*T1工作于方式1下。每4mS采集一次数据，且刷新一次LED*/TL1=(65536-4000)%256; TR1=1; ET1=1; EA=1; ST=1; ST=0;while(1) ; void t1(void) interrupt 3 using 0 TH1=(65536-4000)/256; TL1=(65536-4000)%256; if(EOC=1) /*转换完毕，显示*/ OE=1; getdata=P0;OE=0;temp=getdata;temp+=168; if(temp<273.2) temp=273.2-temp; sflag=1; if(temp>=273.2) temp=temp-273.2; sflag=0; if(sflag=0) dispbuf3=10; else dispbuf3=11;if(sflag=0 && temp>=10 && temp<=30) /*温度大于10小于30灯亮*/ LED=0;else LED=1;temp*=10;i=0; while(temp/10) /*分位显示*/ dispbufi=temp%10; temp=temp/10; i+; dispbufi=temp;ST=1;ST=0; P1=dispcodedispbufdispcount; P2=dispbitcodedispcount;if(dispcount=1)/*加小数点*/ P1=P1 | 0x80; if(dispcount=2 && P1=dispcode0) /*测量温度是一位数，取掉十位的0*/ P1=dispcode10; dispcount+;if(dispcount=4)dispcount=0; 第四章 实验过程中积累的经验4.1 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，有的则想很久都不能明白；有的需要查资料就可以解决，有的则需请教老师才得以搞定。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4-1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电路刚开始工作，4位LED就冒烟，随着一声响就报废应加限流电阻5ADC0809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64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接下来遇到的基本都是软件问题经过无数次的更改软件，无数次的重新烧写程序，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100的电阻，工作正常4.2 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，为了节约成本，电路板上的所有元器件都是自己手工焊接的。所以，在最开始考虑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。允许范围为10-1280KHz ，典型值为640KHz ，此时转换时间为100uS。通常由MCS51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，若晶振为6MHz，则1/6为1MHz时，A/D转换时间为64uS。 这样做和用软件实现比较，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。和硬件比较，更节省成本，而且拥有和硬件一样快的工作效果。总 结经过一个多月的努力我的毕业设计终于完成了,但是现在回想起来做毕业设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，艰辛同时又充满乐趣,不过乐趣尽在其中！通过本次毕业设计，没有接受任务以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。这次毕业设计要求设计一个基于单片机的温度控制系统，自行设计这对我将来踏上工作岗位是非常有帮助的。这也是我对自己的考验。于是本次设计过程中我完全按照软件设计步骤的要求来进行，从课题分析开始，再进行总体设计、详细设计,最后到系统实现。每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去。也使我掌握了一整套规范的设计操作流程。 在课题分析阶段，由于本次是设计一个单片机控制系统，所以对其中的单片机的工作分析尤为重要。对指导老师提供的资料必须要吃透。这是关键，从查阅资料、提出问题，到慢慢一一解决问题，李老师给了我很大的帮助。 下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结。第一，接到任务以后进行选题。选题是毕业设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目.第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做毕业设计的前期准备工作，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。 第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。 第四，有了研究方向，就要动手实现。编写源代码的时候最好是编写一个小模块就进行调试，这样可以避免设计的最后出现太多的错误而乱成一团糟。一步步地做下去之后，你会发现要做出来并不难，只不过每每做一会儿会发现一处错误要修改，就这样在不断的修改调试，再修改再调试。致 谢匆忙之中马上就要结束大学生活了，作为一名合格的大学生，毕业设计是我对这三年大学学习的一次总结，把我三年的知识做一次巩固。在此要感谢我的指导老师李老师，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！参考文献1 侯伯亨 李伯成 十六位微型计算机原理及接口技术西安电子科技大学出版社2 张友德等 单片机微机原理、应用和实验 复旦大学出版社3 夏路易等 电路原理图与电路板设计教程 Protel 99SE北京希望电子出版社4 马忠梅等 单片机的C语言应用程序设计（第3版）北京航空航天大学出版社5 张志良单片机原理与控制技术 机械工业出版社6 严蔚敏数据结构 清华出版社7 王 闵计算机组成原理电子工业出版社8 方 敏操作系统教程 电子科大出版社9 刘 坚数据与计算机通信高等教育出版社