基于单片机的温度控制器的与实现论文

基于单片机的温度控制器的设计和实现学 院：专 业：姓 名：指导老师：信息学院信息工程学 号：职 称：090103021043高级工程师、 助理工程师中国珠海二一三年五月 诚信承诺书本人郑重承诺：本人所呈交的毕业设计基于单片机的温度控制器的设计和实现是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。承诺人签名： 日期： 年 月 日 基于单片机的温度控制器的设计和实现摘 要随着生产生活的需要，自动化控制越来越起到至关重要的作用。温度控制是工业生产过程中很普遍的过程控制，人们需要对各种加热炉，热处理炉，反应炉等锅炉中温度进行测量与控制。特别是冶金，化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用，其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的，工业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和时变性的特征，同时要实现温度控制的快速性和准确性，对于提高产品质量具有很重要的意义。本文介绍了数字温度测量及自动控制系统的设计。本文采用单片机来实现对温度的控制。它的主要组成部分有：STC89C52单片机、温度传感器、键盘与显示电路、温度控制电路。它可以实时的显示和设定温度，实现对温度的自动控制。通过实验表明，本设计对温度的控制具有简单方便的特点，并且大幅度提高了被控制温度的技术指标。关键词： 单片机，温度传感器，键盘和显示 Designed and implement the temperature-control of single chip summery ABSTRACT With production and living need, that automatic control is playing more and more important role.Temperature-control is very common process-control during the manufacture producing.People need like heating-stove. heat-treating furnaces reaction furnace. These all kinds of boilers.Especially in metallurgy chemical industry construction materials foods mechanical oil these industry .It is crucial effective on it. The temperature-control effect straightly impact on the quality of production. So designing a kind of effective temperature-control system is very valuable.During producing ,temperature-control is provided with single direction ,time lag, habituation alterant with time .simultaneously implement temperature-control fastly and precisely.that is crucial meaningful for enhancing quality of production. In this text, it introduce how design the digital temperature -measure and automatic system. This essay use single-chip to control the temperature.It chief component by: STC89c52 single-chip temperature transducer keyboard display circuit and temperature-control circuit .It can display and set temperature in the currently time.It controls temperature automaticly.This design control temperature easily and conveniently. It improve the technology standard of temperature-control.The keyword：single chip temperature transducer keyboard and displayer.目 录1 绪论11.1背景和意义11.2发展现状21.3 设计研究意义及目的31.3 文章总体概述41.4方案所实现的要求41.5总体设计方案42单片机的选择以及介绍52.1 中央控制电路52.2 STC89C52简介62.3 本章小结83系统硬件设计方案9 3.1 复位电路9 3.2 时钟电路10 3.3键盘及显示模块11 3.4温度采集电路的设计15 3.5报警电路20 3.6加热控制电路20 3.7温度采集电路结构22 3.8本章小结224 系统软件设计方案234.1 系统子程序分析234.2软件整体设计思路234.3中断服务程序设计234.4 温度采集子程序244.5 LCD显示模块流程图264.6 本章小结275 系统PCB板制作及系统调试285.1 系统的调试285.2 单片机系统调试285.3 DS18B20采温调试285.4 温度控制电路的调试285.5 系统程序仿真调试295.6 本章小结30 6 实物的演示及其心得体会316.1 整体温度测试演示316.2 支路温度测试演示316.3超过上下限警报的系统选择以及演示336.4 心得体会38 参考文献39致 谢40附 录41附录一：原理图41附录二：PCB42附录三：程序源码431 绪论在生产和科学研究中,为了便于测量结果准确一致,需要给物体冷热程度以定量的描述。因此为了更加科学的描述物体的种种性能随着温度变化的关系，应当建立适当的标准来测量物体的冷热程度。温度的数值表示方法称为温标，温标是温度的标尺，各种温度计的数值也是通过温标来决定的。因为它是通过随着温度变化而变化的物理量来定义温度的数值。同时温标是测量温度的参照标准，同时也是表示温度数值的一套规律，随着社会的发展，温标的复现也在不断的发展。将近没20年会对温标进行一次较大的更新和修改。990年国际温标是根据第18届国际计量大会第7号决议的要求,由第77届国际计量委员会于1989年会议通过的。 本世纪初国际权度局制定的“标准温标”范围从0100,其复现性为0.02,随着科学技术的发展,标准温标的复现精度大幅提高,前苏联计量科学研究院在0400范围内温标定点精度达0.0005,美国标准局水三相点的温度复现性达0.0001。1. 1 背景和意义随着人们生活水平的不断提高，温度的控制在现实生活中引起了高度重视，它是工农业和交通运输业的重要参数，同时也是影响其他领域发展的因数之一。随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，液位、温度、流量、压力是最常见的过程变量，在这四种当中温度又是一个非常重要的过程变量，尤其是在化工行业、电力行业、冶金行业、机械加工业以及食品加工业应用的十分广泛，这几个行业都需要对各种反应炉、热处理炉、加热炉以及锅炉的温度进行控制，尽量按照人们的要求去变化，通过计算机控制相应的执行部件，可以避免温度过高或过低，减少带来的经济损失，使人身、财产安全得到很好的保证。在国民经济各部门和日常生活中，经常对多路温度进行信息的采集。在温度采集的时候常用到的测温元件有热电阻、热敏电阻和热电偶等。这些元件在多路采集的情况下，很难实现每一路信号的同时采集，而且电路结构相对复杂，需要连接放大和模/数转换电路。实际上，随着传感器技术和软件的不断发展，各种温度传感器的性能实现多元化，再利用计算机、单片机、CPLD/FPGA和 PLC等辅助工具或元器件，控制多路温度在实际应用中是非常广泛的。因此，从结构、性能、参数、设计思想等方面权衡把握，才能更好的设计出满足使用性能和要求的控制电路。1.2 发展现状 多路温度控制系统的研究现状目前，多路温度控制的方法有基于计算机的温度控制系统、基于单片机的温度控制系统、基于CPLD/FPGA的温度控制系统、基于DSP控制的多路温度采集系统和基于PLC的温度控制系统。 PC机对多路温度控制系统，具有电路简单，可靠性好，通用性强的特点，广泛应用于乡镇粮站中，对粮仓温度的自动控制。用VB语言实现上位机数据传送，可方便地控制通信对象的选择，具有较大的灵活性。与一般的控制系统相同，计算机要不停的去采集被控制对象的全部状态信息，按照一定的控制方式处理后，计算机控制系统可以是开环的也可以是闭环的，有两种方式：一种是计算机把来自被控制对象的信息处理之后，仅仅向工作人员提供一些操作的信息，在通过工作人员影响被控制对象。然而另外一种是计算机仅仅按照时间或者某种设定的规律来影响被控对象。计算机的控制系统有两部分组成分为被控制对象和控制部分构成，其中控制部分又是由软件部分和硬件部分所组成，它不同于只有硬件所构成的模拟控制器。计算机的控制软件又是由应用软件和系统软件组成，计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。基于FPGA的高精度多路温度采集器，无需计算机干涉，可以采集多路温度信号，对计算机的服务定时约束非常松弛。采集器内置了串行接口，可以通过电平转换芯片和计算机的串行口直接连接，电路结构小型紧凑，系统工作稳定可靠。但是不能更改程序的电路设计。基于DSP控制的多路温度测试系统，是通过温度传感器DS18B20来实现的。此系统还带有RS232通用串行接口，可以实现与个人电脑的实时通信。整个设计电路具有很多优点，例如，结构简单、多路温度信号的采集所用的时间短、以及数据传输方便。此系统通过DSP作为温度的采集和控制核心，结合DSP软件的设计，来实现多路温度信号的同时采集。基于PLC的温度控制系统。主要用在工业生产方面，适用于高效率的工作模式。PLC功能的扩充是在控制器中扩充了PID控制功能，因此在逻辑控制与PID控制的混合应用场所中，采用PLC控制较为合理。采用PLC控制不仅方便、简单、灵活性好，可以提高被测温度的技术指标，还能够提高产品的质量和数量。但是在温度测量时必须采用PLC恒温控制，同时PID算法在PLC中的实现和PID参数都将影响系统控制性能，这就对多路温度精确地控制提高了难度。由于生产现场对温度的影响是多方面的，让温度的控制相对复杂，许多传统的加热炉是采用继电器控制技术来进行电气的控制，硬件方面为了实现逻辑的控制是通过固定的方式接线，这样会使控制系统的体积变大，耗电多，容易出故障而且效率不高，无法保证正常的工业生产工作，随着LC生产技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于PLC控制技术所取代，而PLC本身优越的性能可以使温度控制系统变得经济、高效、稳定且维护方便。这将对改造传统继电器控制系统具有重要性意义。基于单片机89C51的温度控制系统。采用温度传感器DS18B20采集温度数据，液晶显示屏LCD1602显示温度数据，存储器存储温度上下限设定值，按键设置温度上下限，另外，单片机内的ROM比较小，所以在设计中系统必须在外面配置EPROM电路和扩展电路，所以在该项目中运用该方案必须完成硬件电路的设计、组装、调试；应用软件的编制、调试、固化、脱机运行。单片机控制的优点是成本较低。现在的整体设计成本比较低，因为现在的外围电路的元器件价格不高，而且单片机价格相对来说同样比较低。设计可以相对比较灵活，因为可以对外部存储器的容量根据所需要来进行扩展。1.3 设计研究意义及目的单片机的多路温度采集系统的设计有单片机模块、温度采集模块、LCD液晶显示模块、基本的复位电路和报警电路，各部分组合完成基础的电路硬件模块。需要的软件设计用的程序为C语言，并通过程序合理的编写完成要求，最后达到调试、仿真和实物。单片机在生产中应用及其广泛，涉及生活的每个角落，尤其为电子和计算机发展提供了技术实践。近年来单线多点数字化测量技术的发展使温度检测技术实现了快速、可靠、低成本、数字化与网络化。本文提出了一种结构简单、低能耗、方便实用的系统解决方案。此方案采用新型的单线智能化温度传感器，能通过数字形式直接输出被测量点的温度值，并且还具有远程传输数据、测量误差小、抗干扰能力强、分辨率高和成本低的有点，是研发和开发具有高性价比的新一代温度测量控制系统的核心部件，并使用8051单片机作为微控制器，提高了系统运行速度，最后完成多路温度采集与显示系统的仿真设计。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。因此温度这个词语在生产和生活中出现的概率居高不下，与温度想对应的温度测量以及控制同时也成为了生活生产中广泛使用的词语，并且在各行各业同时发挥着无法替代的作用。设计的温度采集系统可以随时的采集不同地方的温度，又可以根据环境的要求实时设置温度区间并进行判断是否超出要求的温度范围，并对超出温度范围的同时响应报警电路，为进一步的人为或是计算机进行温度的调节和控制做出准备。 1.4 文章总体概述在当今的社会，随着科学的飞速发展，人们生活水平的提高，温度的控制以及测量已经成为了工业生产和生活中必不可少的部分，在工业生产中温度是必不可少的因素，温度的控制直接关系到工业生产的效率以及成本，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。在生活中，炎热高温的夏天，人们也需要通过空调来控制温度使得自己变得凉爽，温度控制器的设计不但是我在论文上所要提到的，在现实生活中也是着必不可少的部分，工业生产中的成本的降低以及效率提升，都与温度有着密切的联系。接下来将会分为系统的硬件设计、软件设计以及PCB板的制作来详细介绍“基于单片机的温度控制器的设计”。1.5 方案所实现的要求本设计所能实现的研究目标： 1、温度显示和调节范围：-55+125 2、显示分辨率：0.5 3、能随时调节改变上，下限温度。 4、当实温超出上下限，系统能发出警报 5、对掉电，断电或复位等情况下，能记录保存上一次设定的上下限温度值。 6、四路进行温度的测量。1.6 总体设计方案 系统主要包括单片机中央控制模块，温度采集模块，键盘及温度显示模块，温度上下限调整模块，加热模块和报警模块等六大部分组成。如下图1所示键盘及温度显示模块加热模块报警模块单片机中央控制模块温度采集模块温度上下限调整模块图1整体设计流程图2单片机的选择以及介绍2.1 中央控制电路中央控制电路作为系统的核心，对该电路的设计显得优为重要。首先须选择一款合适的单片机作为处理核心。选择单片机是要注意以下几点1、单片机的字长与速度。2、单片机的功能，其中包括寻址方式、寻址空间、中断能力、定时范围等。3、开发工具及软件环境。4、项目的开发成本，这里包括单片机本身的价格，还有单片机接口扩展芯片的价格也是包含在里面的。5、系统的功耗，特别是在野外作业的系统来说，这尤为重要。6、单片机售后服务。7、保密性能好。在本次设计中，没有设计大的数据采集和处理，所以没有必要选择16甚至更加高档的单片机做中央处理核心，选择8位的51系列单片机足可以胜任。考虑为以后的系统功能扩展留下空间，可供选择的单片机有AT89C52，STC89C52，飞利浦和摩托罗拉的同等级单片机。飞利浦和摩托罗拉的单片机都具有高可靠性且编程简单，但价格较前两种高出许多，故不采用。由于编程工具的限制，没有AT系列单片机的编程器，STC89C52成了不二的选择。该单片机是一款与8031完全兼容，是一款8位的，具有16地址总线的单片机，其最高频率可达到24M，最底可为0M，支持休闲模式和掉电模式，功耗底。STC89C52有8KB可擦除1000次Flash程序存储区，利于系统扩展和功能升级和功能调试，具有三位保密位，安全有保障。本系统中STC89C52配置十分简单, 如图2-2所示,只需要维持STC89C52芯片能正常工作的复位电路和晶振电路.其中的晶振采用6MHz,则STC89C52运行一个周期的指令需要2us。在最小配置的晶振电路中，为使单片机的时钟更加稳定须旁接两个瓷片电容。在选择瓷片电容时，要兼顾晶振的易起振性和稳定性。电容值小的容易起振但稳定性差，电容值大稳定性好但不容易起振，此最小配置选择30pf兼顾了稳定性和容易起振。此中央控制电路即可以执行内部程序也可以执行外部存储器程序，当STC89C52的EA端置高时先执行内部8K的程序存储区的程序；当EA端被置低时单片机就不执行内部的程序，停止在那里，直接从外部存储器中读取中断程序。图2-2 STC89C52最小配置2.2 STC89C52简介单片微型计算机简称单片机，是指在一块芯片上集成的完整的计算机系统，虽然大部分功能集成在一小块的芯片上，但是“麻雀虽小，五脏俱全”它具有计算机的大部分部件，例如：CPU、内存、内部和外部总线系统。目前大部分单片机还具有外存。单片机也被称为微控制器（Microcontroler），因为它最早被用在工业控制领域。单片机只有CPU芯片从芯片的专用处理器的发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEI公司的Z80单片机便是最早的用这种想法设计出来的处理器，至此之后，专用的处理和单片机的发展便分道扬镳。期的单片机都是8位或4位的。凭借简单可靠并且性能也不错获得了众多的号品，在这其中INTEL的8031是最成功的，此后MCS51系列单片机系统便是通过8031的基础上发展起来的。基于这个系统，MCS51单片机系统至今为止仍然被广泛使用。渐渐的随着工业控制领域的要求有所提高，出现了十六位的单片机，却因为十六位单片机的性价比不是很理想所以并没有得到广泛的使用。在90年代后期，随着科学的发展和消费电子产品的增多，单片机的技术获得了质的飞跃。随着INTEL公司的I960系列单片机得到了广泛的应用，特别是ARM系列的应用，十六位单片机在主流市场的高端地位立马被三十二位单片机所取代。与此同时传统的8位单片机的性能也有了质的飞跃，相对80年代来说处理能力提高了数百倍。目前，性能和90年代中期的专用处理器相差不大的高端的32位单片机并且其主频已经超过了300HZ，普通的型号出厂的价格跌落到1美金，连最高的型号也不过10美金而已。现如今的单片机系统已经不是单单的在裸机环境下使用和开发，众多的全系的单片机上已经运用到了专用的嵌入式操作系统。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。并且使用了ATMEL的技术通过高密度非易失性存储器来制造，而且还和工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。单片机总控制电路如下图所示：图1 单片机总控制电路STC89C52具体介绍如下： 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7STC89C52主要功能如表一所示。 表一 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能2.3 本章小结本章主要介绍了此设计的所需要的中央控制电路所需的单片机进行了对比与分析，最终选择了STC89C52单片机作为中央控制电路，同时在又对STC89C52单片机进行了一些介绍。接下来会将硬件的选择以及设计详细的介绍。3系统硬件设计方案该系统由六部分组成：STC89C52RC核心单片机，温度采集电路，数码管显示电路，报警警电路，复位电路，晶振等，其中温度采集主要由DS18B20组成，在短时间内把热力学温度信号数字,送入单片机，由单片机控制显示电路显示，并且判断是否达到设定温度，若达到设定温度，由单片机启动报警电路，报警。 主 控 制 器 温度显示器 （液晶显示屏）多路温度采集 （DS18B20）报警控制电路（发光二极管） 输入控制电路 （按键） 图1 系统设计框图3.1 复位电路由于单片机在复位短为高时系统复位，复位电路由一个阻值为4K和一个150欧的电阻分压得到低电平，经74LS14滤波整形反向后得到高电平使系统上电复位。复位电路图如图2-3。 图 2-3 复位电路在管脚1处的电压为V1 式（2-1） 当电平低于0.8V视为低电平，高于3.6V视为高电平。管脚1处的0.18V电压经反向后变成5V高电平。开关闭合的时候同时也闭合了电容C4充电，稳定了复位脚的电平。为保证复位电路能够正常的进行工作，在设计电路的时候必须在开关断开时有给电容C4的放电回路，故加一IN4148做泄放二极管。电容C5主要是为了抑制开关动作时在闭合瞬间产生的尖峰脉冲对整个设计系统的冲击，同理也是起到了减少电路干扰的作用。3.2 时钟电路时钟电路对于单片机来说是很重要的，就等同与我们人类的心脏一样工作，单片机的所有操作，程序的执行，都是在时钟脉冲的同步下才使得进行的，时钟电路控制着单片机的工作节奏。STC89C52内部都有一个反相放大器，芯片内部的反相放大器的输入和输出端分别是XTAL1、XTAL2，外接定时反馈元件就组成震荡器产生时钟送至单片机内部的各个部件。如下图2-4所示，片内电路与片外器件构成一个时钟发生电路。片内振荡器的震荡频率fOSC非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz12MHz 之间选取，这次毕设用的时钟频率是6MHz。XTAL2输一个正弦波。图中C16、C17是反馈电容，其值在5pF30pF之间选择,其典型值是30Pf。本系统采用的是0.01UF。其作用有两个：一个是使振荡器起振，而另一个则是对振荡器的频率f起微调作用（C16、C17大，f变小）。图2-4 时钟电路3.3 键盘及显示模块由于在风扇的面板处有也有一个控制电路，因此在这里我们一样也加上了显示与键盘的模块。显示与按键电路构成一个人机交互界面，整个系统的用户体验度的好画也就在这个模块的设置上。本文采用了四个方案进行论证。方案一： 采用74LS164 芯片在本次设计中，用单片机的串行口来外接三片74LS164作为6位LED显示器的静态显示接口，把单片机的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路就可以了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码。使用这种方法，占用CPU的内部资源少，控制程序简单，但占用较多的硬件资源。故本次设计采用可提供单独锁存的I/O接口电路的串并转换电路74LS164。其电路原理图如图2.8所示。 图2.8 74LS164的静态显示74LS164为TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入、并行输出的功能。它的A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，公用一个输入信号时可并接。T（第8脚）为时钟输入端，可连接到串行口的TXD端。每一个时钟信号的上升沿加到T端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74LS164中。R（第9脚）为复位端，当R0时，移位寄存器各复位为0，只有当R1时，时钟脉冲才起作用。Q1Q8（第36和1013引脚）并行输出端分别接LED显示器的dp、g、f、e、d、c、b、a各段对应的引脚上。所谓时钟脉冲端，其实就是需要高、低、高、低的脉冲，在74LS164获得时钟脉冲的瞬间，如果数据输入端（第1、2脚）是高电平，则就会有一个1进入到74LS164的内部。如果数据输入端是低电平，则就有一个0进入其内部。在给出了8个脉冲后，最先进入74LS164的第一个数据就到达了最高位，然后再来一个脉冲，从单片机RXD端输出的数据就 进入到第一片74LS164中，当第二个8个脉冲到来后，第一个数据就进入第二片74LS164，而新的第二个数据就进入到了第一片74LS164中，这样依次类推。方案二：8255解决方案8255内部有三个并行数据输入/输出端口，有两个工作方式控制电路，一个读写控制逻辑电路，一个8位数据总线缓冲器。8255有3种基本工作方式。方式0（基本I/O方式）：输出具有锁存功能，输入没有锁存功能。方式0适用于无条件传输数据的设备，如读一组开关状态、控制一组显示灯，不需要应答信号，CPU可以随时读出开关状态，随时可以把一组数据送指示灯显示。方式1（应答I/O方式）：PA口、PB口定义为方式1时，PC口的某些位为状态控制线，其余的线做I/O线。方式1适用于打印机等具有握手信号的输入/输出设备。方式2（双向选通I/O方式）：方式2是方式1输入和方式1输出的结合。方式2仅对PA口有意义。方式2使PA口成为8位双向三态数据总线口，既可发送数据又可接收数据。PA口为方式2工作时，PB口仍可作方式0和方式1I/O口，PC口高5位作状态控制线。 设计中，8255只用来接三个数码管作为显示电路。扩展8255作显示电路时，见如图2.10所示。由于C口只有在方式0时才用作输入或者输出，故采用方式0这种最基本的输入输出工作方式。在这种方式下，3个端口都可以有程序设定为输入或者输出。程序中只要将相应的字形数据写入8255的PA，PB，PC口，显示器就显示出3位字符。 图2.10 三位静态显示器接口方案三：独立键盘与LCD1602显示独立键盘也就是把键盘直接的接入到I/O口上。原理图如图2-7。图2-7 独立键盘原理图液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要如果需要显示字符，那么需要先输入显示符的地址，既告诉模块在什么地方显示字符，图2.5是1602的内部显示地址图2.5 1602LCD内部显示地址 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。图2-9 字符的代码和字符的图形对应关系图方案四：HD7279键盘显示电路此方案采用HD7279A，它共有28个引脚。它是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。 HD7279内部含有译码器，可直接接收BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式.此外,还具有多种控制指令 ,如消隐,闪烁,左移,右移,段寻址等.RC引脚用于外接振荡元件，其典型值为R=1.5k,C=15pF。复位端是RESET，其可以保持25ms到复位结束并且是有低变到高，通常接+5V电压就行了;DIG0DIG7为8个LED管的位选择端;SASG为LED数码管ag段的输出端,DP为小数点的驱动端。DIG0DIG7和SASG也分别是64键盘的列线和行线端口，完成键盘扫描、译码和键码识别。HD7279与微处理器仅需4条接口线，其中CS为片选信号；DATA为串行数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA为输入端；当HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端；CLK为串行传送的时钟输入端，其上升沿表示数据有；KEY为按键信号输出端，无键按下时为高电平；有键按下时变为低电平并一直保持到键释放为止。电路原理图如图3.14所示，图中有三个数码管和九个键盘，三位数码管用来显示温度值。 图3.13 7279键盘显示电路方案比较：结合本次设计需用到的键盘数量与显示内容分析,方案一需占用单片机口资源较少，但软件相对复杂一些，而方案一与方案二都显得太过繁琐了，用8255也不太经济了。而方案三I/O少，元件电路简洁，同时有能满足本设计的需要显示的内容也需要控制的按键所以选择方案三。3.4温度采集电路的设计温度采集电路的核心是温度传感器，而当前温度传感器的种类繁多，有集成温度传感器，有热电阻传感器，数字化温度传感器等等。温度传感器选取的不同就会有不同的采样转换电路,以下介绍了三种不同的方案: 方案一：以集成温度传感器AD590作为环境温度变化的敏感元件它将温度的变化转换为电流的变化，经过转换电路将电流信号变换、放大成0 5V的电压信号后，经A/D转换器转换成8位数字信号送入单片机系统。AD590的工作原理是利用电路能产生一个与绝对温度成正比的电流输出，而作为绝对温度与电流的转换器件。电路制造中利用激光修正技术对芯片内部电阻进行调整，在25（298.20K）时，使器件产生电流为298.2A的输出。由于AD590输出的电模拟量很小，需进行放大，运算放大器采用斩波自稳零集成运算放大器ICL7650。其电路原理图如图2-10。图2-10 AD590采温电路在本电路中，5V通过R1，R2，Rw1加在AD590上，当温度变化时，通过AD590的电流发生变化，则R1，Rw1上的压降变化，从而使运放反相输入端的电压随温度变化。这个电压被运放放大由脚输出，再经R6，C4滤除干扰信号后由输出端输出V0。可见V0是随被测物体的温度而变化的。Rw1是调零电位器，Rw3用于调节放大器的输入失调，Rw2为满度调节电位器。该电路测温范围为：0100，输出电压为05V。方案二：采用含温度传感器PT100的电桥电路为主的采集电路此电路中采用接触式温度传感器PT100。PT100是国产的一种软衬底薄膜热敏电阻，是表面测温的一种良好器件。其主要指标如下：（1）0C电阻R。=100；（2）允许最大电流Imax1Ma；（3）时间常数1s；（4）互换精度0.2%；（5）年漂移量0.3（6）测温范围-100-300C. 该热敏元件的特点是体积小，重量轻，薄而柔软，可完全和曲面相贴合，适用于平面，狭缝的温度测量。其测温电路的工作原理：温度传感器PT100作为电桥电路的一个桥臂，电桥在某一温度时呈现平衡状态，其输出是为零；当温度发生变化时，PT100的阻值也跟着发生变化，电桥的平衡被打破，电桥将输出一个电压值，这样就实现了温度信号到电压信号的转变。由于电桥输出的电压信号很小(毫伏级)，所以应经过一个高精度而且放大倍数也很匹配的运放将该信号进行放大。电压量到数字量的转变方法是将放大后的电压信号输入A/D转换器，A/D转换器将电压信号转换成数字量信号，这样就完成了温度采集的过程。应当注意的是：使用运放时，要考虑到该运放的放大倍数是否能达到系统的要求，要能够实现对其放大倍数进行调节。其电路原理图如图2-11。图2-11 PT-100温度采集电路方案三：用数字温度传感器DS18B20进行温度的采集本次设计采用的数字温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测量元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。其主要性能特点如下:1、独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2、 多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能； 3、 无须外部器件；4、 可以通过数据线供电，电压范围为3.0-5.5V；5、 零待机功耗；6、 温度以9或12位数字量读出；7、 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧掉，但不能正常工作。DS18B20的管脚排列如下:1、 DQ为数字信号输入/输出端； 2、 GND为电源地；3、 VDD为外接供电电源输入端；图2-12 DS18B20外形及引脚排列图 DS18B20的测温原理如图2-13所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，高温系数振荡器来觉得计数门的开启时间，每次开始测量之前，要先把最低温度值范围值既-55所对应的基数分别放置到温度寄存器和减法计数器1中，同时温度寄存器和减法计数器1预置在最低温度范围所对应的一个基数值。低温度系数晶振产生的脉冲信号是由减法计数器1进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。停止斜率累加器减法计数器1减到0计数比较器预置温度寄存器高温度系数振荡器减法计数器2减到0低温度系数振荡器预置 图2-13 DS18B20测温原理框图DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器（如图2-14所示）。 图2-14 DS18B20内部结构图另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，其有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。DS18B20它与单片机的硬件接口非常简单，如图2-15所示，只需占用一个单片机双向I/O口，在这里将其跟P1.5进行连接，用P1.5口进行DS18B20与单片机进行数据的传输。而在DS18B20的3脚应加一个限流电阻，同时也能防止干扰的影响。 图2-15 DS18B20与单片机连接图方案比较：方案一AD590其精度虽高，但采样电路略显麻烦：为了控制在输出0 5V的电压，要求有多级运放组成采样转换电路。方案二使用的PT-100非常适合对常温的测量，但其电路也稍显复杂，难以保证测量精度。方案三使用了数字温度传感器DS18B20，其硬件简单，测温精度高。综上本次设计采用了方案三。3.5报警电路方案一：利用蜂鸣器实现 峰鸣音的报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过MCS-51的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7404或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。在图中，P3.2接7404输入端。当P3.2输出高电平“0”时，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P3.2输出低电平“1”时，蜂鸣器停止发声。如下图2-16报警电路。图2-16 报警电路 方案二：利用LED灯实现本方案是利用LED灯来实现温度报警的功能，每一路都有两种颜色的LED灯，则共有8个LED灯，当超过上限的时一种颜色的LED灯发亮，超过下限的时候则另一种颜色的LED发亮，此方案在遇到上述的问题时，则不会分不清楚是哪路超过上限还是下限，例如当第一路和第二路的温度都超过下限设定的温度时候，则第一路和第二路设定下限的LED灯会亮起，并且4路上下限的LED灯和每一路上下限的是通过并联联起来的，不会造成分不清，故，采用此方案。3.6加热控制电路 当测出的温度与设定的温度范围不符时，低于设定温度，将由加热控制电路（即温度控制电路）进行调整，温度控制电路由以下两种方案：方案一：可控硅调功方法温度的控制电路可以采用可控硅调整功的方法来实现。双向可控硅它就相当于两个反相而且并联的普通的可控硅，具有正反相都能控制导通的特性，可用作调温器。 图2-17可控硅调功器输出功率与通断电T关系对于这样的执行机构，单片机只要输出能控制可控硅通断时间的脉冲作为信号就可以了，这可用一条功线通过程序输出控制脉冲。为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路，此电路输出对应于50HZ交流电压过零时刻的脉冲作为触发双向可控硅的同步脉冲，是可控硅在交流电压过零时刻触发导通，电路如下图： 图2-18过零触发电路方案二：采用4N25和继电器等构成一个开关器件其原理如图2-19所示电路。该电路适用驱动气动元件中的电气转换阀，从而实现微机对气动开关的控制。图2-19 加热控制电路原理图方案比较：方案一控制较为复杂，系统安全与稳定性不高。因此选用方案二，简单易实现的继电器控制电路。3.6温度采集电路结构温度采集电路结构如图2-20所示。图中给出了4路温度采集电路，4只智能温度传感器DS18B20的信号输出端都连接到单片机的P1.7端，电阻R6作为上拉电阻。如果需要增加，可以在P3.0端再连接更多的智能温度传感器DS18B20。工作时，由程序控制读取某智能温度传感器DS18B20采集的温度数据，送单片机处理。图2-20 多点温度采集电路 3.7本章小结硬件的的选择以及设计可以称之为本设计的核心内容。本章就是将设计中的六大模块的实质性内容的设计方法表达出来，同时利用对比的方法将本设计中的六大模块所使用用的元器件选择出来。在接下来则会详细介绍一下软件的一些相关设计。4 系统软件设计系统软件采用C语言编写，在Windows XP的环境下Keil uVision3进行编写，对STC89C52进行编程以实现各项功能。在整个软件的设计过程中