毕业设计（论文）-基于单片机AT89C51温度控制系统.doc

20122012 届本科生毕业设计届本科生毕业设计 题目题目： 基于单片机基于单片机 AT89C51AT89C51 温度控制系统温度控制系统 作作 者者 姓姓 名名： 学学 号号： 系系 (院院)： 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 专专 业业： ： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 指指导导教教师师姓名姓名： 指指导导教教师职师职称称： 硕硕 士士 20122012 年年 1111 月月 1818 日日 SuZhou University Year 2012 Dissertation For Bachelors Degree Title: AT89C51 microcontroller based temperature control system Author: Wangyang Student ID: 2008080637 Department: Electronic and Electronical Engineering Major: Electronic Eenineering and Antomation Instructor: Li Na Professional Title: A Masters Degree November 20th, 2011 摘 要 单片机自20世纪70年代问世以来，已广泛地应用在工业自动化、自动检测、控 制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各方面。它具有功能 齐全，应用可靠，抗干扰能力强，简单方便，前景广阔，等优点。此外，单片机的 体积小、性能价格比高、应用灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要 额地位。 本温度控制系统就是以 AT89C51 单片机为控制核心。主要由温度传感模块，单 片机编程模块，显示模块，控制模块等部分组成。温度信号由温度传感器 DS18B20 采集，经过放大转化为电压信号进行编码，测温分辨率 0.1。水温实时控制由继 电器电热丝和风扇进行升温和降温。显示部分由 1602LCD 液晶显示温度的当前值及 温度上下限。实现对温度的加热、制冷及实时监控。该系统具有温度超调量小、调 节时间短、测量精确等优点、且控制方便、显示直观、性能稳定、可靠性高。由于 设备的局限性本系统不含继电器、加热和制冷设备，但可实现温度上下限设定和报 警装置等功能。 关键字：51 单片机; DS18B20; 温度; 控制 ABSTRACT Microcontroller from its inception in the 1970s, has been widely used in industrial automation, automatic detection, control, smart instrumentation, electromechanical integration equipment, automotive electronics, home appliances and so on. It has a full- featured, application reliability, anti-interference ability, simple and broad prospects, and so on. In addition, the chips small size and high cost performance, application flexibility and strong features in the embedded micro-control system in the amount of very important position. The temperature control system is to AT89C51 microcontroller for the control of the core. Mainly by the temperature sensing module, microcontroller programming module, display module, control module and other components. Temperature signal from the temperature sensor DS18B20 acquisition, through magnification into a voltage signal is encoded, temperature resolution of 0.1 . Real-time control temperature and fan heating wire from the relay for heating and cooling. In part by the 1602LCD LCD display the current temperature value and temperature on the lower limit. Achieve the temperature of the heating, cooling and real-time monitoring. The system has a temperature overshoot, the adjustment time is short, precise measurement, etc., and easy to control, display and intuitive, stable performance and high reliability. Due to equipment limitations of the system without relays, heating and cooling equipment, but can achieve the lower limit on the temperature setting and alarm functions. Keyword: 51 single; DS18B20; temperature; control 目 录 引 言.1 1 系统设计方案.2 1.1 设计任务.2 1.2 设计要求.2 1.3 系统设计方案.2 2 各某块电路的方案选择及论证.3 2.1 主控模块.3 2.1.1 方案选择.3 2.2 温度控制部分.4 2.1.1 度控制单元.4 2.1.2 温度采集单元.4 3 系统硬件及各电路设计.5 3.1 中央处理器.5 3.1.1 AT89C51 单片机.5 3.1.2 AT89C51 引脚简单介绍.6 3.1.3 AT89C51 特殊功能寄存器.7 3.1.4 时钟电路.8 3.1.5 复位电路.8 3.1.6 串行通信.9 3.1.7 1602LED 液晶显示 .11 3.1.5 按键控制单元.13 3.2 数字温度传感器 DS18B20.13 4 系统软件设计.16 4.1 系统主程序的设计 .16 4.2 键盘处理及显示子程序设计.17 结 论.19 参考文献.20 附录一.21 附录二.23 致 谢.34 宿州学院毕业论文（设计） 单片机温度控制系 统 1 基于单片机 AT89C51 温度控制系统 （宿州学院 08 级电气三班）指导教师：李娜 引 言 温度控制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 属的电阻炉及各种不同用途的温度箱等。用单片机对它们进行控制不仅具有控制方 便、简单、灵活性大灯特点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而从 而能够大大提高产品的质量，单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进 行比较，由此作出判断是否启动继电器以开启设备，并且在设计中还加入常用的 LCD 液晶显示及常用电路，使得整个设计更加完全，更加灵活。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形同发展 的主流方向。在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求主要是保证温度在 一定温度范围内变化，稳定性好，不震荡。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完全的领域，却又是与人们息 息相关的问题。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、粮食储存、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的主要 参数之一。 单片机自 20 世纪 70 年代问世以来，已广泛地应用在工业自动化、自动检测、 控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各方面。它具有功 能齐全，应用可靠，抗干扰能力强，简单方便，前景广阔，等优点。此外，单片机 的体积小、性能价格比高、应用灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重 要额地位。从工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等方面直至 国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。 国内外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得 成果。目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器精度和分辨率较低， 温度控制效果不是很理想但价格很便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。 日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一套商品化的，性能优异的温度 控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。 宿州学院毕业论文（设计） 系统方案设 计 2 1 1 系统设计方案系统设计方案 1.11.1 设计任务设计任务 设计和制作一个温度控制装置，能够控制加热或制冷装置使温度达到某一设定 值，同时在 LED 上显示出来。并且能设置温度上下限，当温度超过设定值时报警电 路会报警。 1.21.2 设计要求设计要求 该设计要求学生熟练掌握单片机的原理及应用，并对系统温度传感某块、显示 某块有一定的了解。 1.31.3 系统设计方案系统设计方案 该系统以 AT89C51 单片机为核心，温度传感器随时将温度信号转化为电信号经 单片机识别，单片机根据传入的信号控制控制电路，控制加热或制冷系统，同时在 LCD 上显示出来，形成对温度的检测和控制。该系统为一个闭环反馈调节系统。结 构图如下。 5 5 1 1 单单 片片 机机 DS18B20DS18B20 继电器继电器 加热制加热制 冷冷 检测检测 显显 示示 报警系统 图图 1 系统硬件结构系统硬件结构 宿州学院毕业设计 方案选择及论证设计 3 2 2 各某块电路的方案选择及论证各某块电路的方案选择及论证 2.12.1 主控模块主控模块 2.1.12.1.1 方案选择方案选择 方案一：采用 DSP 作为系统控制器。DSP（digital signal processor）是一种 独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。它不仅具有可编程性，而 且其实时运行速度可达每秒数以万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数 字化电子世界中日益重要的电脑芯片。DSP 具有对元件值的容限不敏感，受温度、 环境等外部因素影响小，容易实现集成，可分时复用，共享处理器，方便调整处理 器的系数实现自适应，可用于频率非常低的信号等优点。但 DSP 硬件电路比较复杂， 且价格昂贵，数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。 方案二：采用单片机作为系统控制器。单片机具有可靠性强、性价比搞、电压 低、功耗低等优点得到迅猛发展和大范围推广，单片机算术运算功能强，软件编程 灵活，自由度大，可用软件编程实现各种逻辑功能，本身带有定时器、计数器，可 以用来定时和计数，并且其功耗低，体积小，计数成熟和成本低等优点。 基于以上分析，拟定方案二，有 AT89C51 单片机作为控制器。 根据上面的方案选择，电路原理图如下图 2。 图图 2 主控电路主控电路 宿州学院毕业论文（设计） 方案选择及论证设 计 4 2.22.2 温度控制部分温度控制部分 2.1.1 度控制单元 方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率，可控硅是一种半控器件，应 用于交流电的功率控制有两种形式,但是该方案电路设计复杂，需使用光耦合驱 动芯片以及变压器等器件。 方案二：采用继电器控制。使用继电器可以很容易地实现通过较高的电压 和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现 电气隔离。这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功 率或零功率，对控制精度将造成影响。但可以由多路加热丝组成功率控制，由 单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能。 基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，简单易行，可实现性强。 2.1.2 温度采集单元 方案一：选用集成温度传感器 AD590。AD590 的测温范围是-55+150， 最大非线性误差为0.3，响应时间仅为 20us，重复性误差低至0.05。 电源电压范围是 4V30V，且能承受 44V 正向电压喝 0V 反向电压，不会因为反 接而损坏。此外 AD590 是温度-电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的 帮助。但需要放大电路和 A/D 转换电路，电路设计较为繁琐 方案二：使用带有 A/D（模数转换）单片集成的 DS18B20 传感器。DS18B20 测温范围为55125，无需其他外加电路，直接输出数字量，可直接与 单片机通信，读取测温数据。具有线路简单，性能稳定体积小的特点。 比较以上方案，所以选择方案二。 宿州学院毕业论文（设计） 系统硬件及各电路设 计 5 3 3 系统硬件及各电路设计系统硬件及各电路设计 3.13.1 中央处理器中央处理器 MCS-51 系列单片机主要包括基本型产品 8031/8051/8751(对应的低功耗型 80C31/80C51/87C51 和增强型产品 8032/8052/8752。虽然他们是 8 位的单片机， 但是具有品种全、兼容性强性能价格比高等特点且软硬件应用设计资料丰富齐 全，已为我国广大工程技术人员所熟悉和掌握。在 20 世纪 80 年代和 90 年代， MCS-51 系列单片机是在我国应用最为广泛的单片机机型之一。 3.1.1 AT89C51 单片机 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗 称单片机。具有四个 4 个 8 位可编程并行 I/O 口，2 个可编程 16 位定时器，中 断系统具有五个中断源五个中断向量。 图图 3 AT89C51AT89C51 单片机实物图单片机实物图 宿州学院毕业论文（设计） 系统硬件及各电路设 计 6 CPUCPU 运算器运算器 控制器控制器 数据存储器数据存储器 RAMRAM P0P0P2P2 程序存储器程序存储器 4KB4KB FlashFlash ROMROM 看门看门 狗定狗定 时器时器 P1P1 串串 行行 口口 定时器定时器/ /计数器计数器 1616 位两个位两个 中断中断 系统系统 特殊功能特殊功能 寄存器寄存器 （SFRSFR） P3P3 图图 4 AT89C51AT89C51 单片机的片内硬件组成结构单片机的片内硬件组成结构 3.1.2 AT89C51 引脚简单介绍 图图 5 AT89C51AT89C51 引脚图引脚图 40 个引脚按其功能可分为如下 3 类： 电源及时钟引脚VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。 控制引脚PSEN、ALE/PROG、EA/VPP、RST。 I/O 口引脚P0、P1、P2、P3，为 4 个 8 位 I/O 口的外部引脚。 3.1.3 AT89C51 特殊功能寄存器 AT89C51 中的 CPU 对片内各功能部件的控制是采用特殊功能寄存器集中控 XTAL1 XTAL2 宿州学院毕业论文（设计） 系统硬件及各电路设 计 7 制方式。特殊功能寄存器（SFR）的单元地址映射在片内 RAM 的 80HFFH 区域 中，共有 26 个，离散地分布在该区域中，其中有些 SFR 还可以进行位寻址。 表表 1 AT89C51AT89C51 寄存器列表寄存器列表 符 号地 址注 释 *ACCE0H 累加器 *BF0H 乘法寄存器 *PSWD0H 程序状态字 SP81H 堆栈指针 DPL82H 数据存储器指针低 8 位 DPH83H 数据存储器指针高 8 位 *IEA8H 中断允许控制器 *IPD8H 中断优先控制器 *P080H 端口 0 *P190H 端口 1 *P2A0H 端口 2 *P3B0H 端口 3 PCON87H 电源控制及波特率选择 *SCON98H 串行口控制器 SBUF99H 串行数据缓冲器 *TCON88H 定时器控制 TMOD89H 定时器方式选择 TL08AH 定时器 0 低 8 位 TL18BH 定时器 1 低 8 位 TH08CH 定时器 0 低 8 位 TH18DH 定时器 1 高 8 位 3.1.4 时钟电路 AT89C51 单片机各功能部件的运行都以时钟信号为准，有条不紊、一拍一 拍地工作。因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响 单片机系统的稳定性。AT89C51 单片机内部有一个用于构成震荡的高增益反相 放大器，它的输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为 XTAL2。这两个引脚跨接石英 宿州学院毕业论文（设计） 系统硬件及各电路设 计 8 晶体和微调电容，构成一个稳定的自己振荡器。外部时钟方式时外部时钟电源 直接接到 XTAL1 端，XTAL2 端悬空。 图图 6 时时钟钟电电路路原原理理图图 3.1.5 复位电路 复位是单片机的初始化操作，只需给 AT89C51 的复位引脚 RST 加上大雨 2 个机器周期（即 24 个时钟震荡周期）的高电平就可使 AT89C51 复位。复位电路 通常采用上自动复位和按钮复位两种方式。上电复位是通过外部复位电路给电 容 C 充电加至 RST 引脚一个短的高电平信号，次信号随着 VCC对电容 C 的充电过 程而逐渐回落，即 RST 引脚上的高电平持续时间取决于电容 C 的充电时间。因 此为保证系统能可靠地复位，EST 引脚上的高电平必须维持足够长的时间。按 键手动复位有电平和脉冲两种形式。 图图 7 复位电路原理图复位电路原理图 3.1.6 串行通信 AT89S51 单片机串行口有两个物理上独立的接受、发送缓冲器 SBUF（属于 特殊功能寄存器） ，可同时发送、接受数据。发送缓冲器只能写入不能读出，两 宿州学院毕业论文（设计） 系统硬件及各电路设 计 9 个缓冲器共用一个特殊功能寄存器字节地址（99H） 。 串行口的控制寄存器共有两个：特殊功能寄存器 SCON 和 PCON。 图图 8 80C5180C51 串行口的结构串行口的结构 PC 机与单片机的点对点串行通信接口设计：在测控系统中，经常使用单片 机在操作现场进行数据采集，但是由于单片机的数据存储容量和数据处理能力 都较低，所以一般情况下单片机通过串行口与 PC 机的串行口相连，把采集到的 数据传送到 PC 机上，再在 PC 机上进行数据处理，由于单片机的输入输出是 TTL 电平，而 PC 机配置的都是 RS-232 标准串行接口，为 9 针 D 型连接器（插 座） ，由于两者电平不匹配，因此必须对单片机输出的 TTL 电平转换为 RS-232 电平。单片机与 PC 机的接口方案如图。 图图 9 单片机与单片机与 PCPC 的串行接口的串行接口 MAX232：MAX232 是美信公司专门为电脑 RS-232 标准串口设计接口电路， 使用+5V 单电源供电该器件符合 TIA/EIA-232-F 标准，每一个接收器将 1 SBUF 发送控制器 接收控制器 移位寄存器 控制门 TI RI A TXD RXD 去串口中断 SMOD 0 1 TH1TL1 2 16 SBUF T1溢出率 宿州学院毕业论文（设计） 系统硬件及各电路设 计 10 TIA/EIA-232-F 电平转换成 5-V TTL/CMOS 电平。每一个发送器将 TTL/CMOS 电 平转换成 TIA/EIA-232-F 电平。它的作用是：电压转换芯片，将 TTL 电平转换 成可以和电脑串口匹配的电压,这样才能使电脑与单片机系统板相连。 图图 10 单片机最小系统串行通信原理图单片机最小系统串行通信原理图 3.1.7 1602LED 液晶显示 N=0(读或写一个字符后地址指针减 1 unsigned char down_limit=10; sbit DQ=P24; sbit RS=P27; sbit RW=P26; sbit EN=P25; sbit Alarm=P20; sbit key=P21; unsigned char code str1=TEMP: C; unsigned char code str2=TH: TL:; uchar data disdata5; uchar data up_value3; uchar data down_value3; uint tvalue; uchar tflag; /*lcd1602 程序*/ void delay1ms(unsigned int ms) unsigned int i,j; for(i=0;i=1; DQ = 1; if(DQ) dat|=0 x80; delay_18B20(10); return(dat); void ds1820wr(uchar wdata) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = wdata delay_18B20(10); DQ = 1; wdata=1; 宿州学院毕业论文（设计） C 语言程 序 27 uint read_temp() uchar a,b; ds1820rst(); ds1820wr(0 xcc); ds1820wr(0 x44); ds1820rst(); ds1820wr(0 xcc); ds1820wr(0 xbe); a=ds1820rd(); b=ds1820rd(); tvalue=b; tvalue=8; tvalue=tvalue|a; if(tvalue20) down_limit=20; break; 宿州学院毕业论文（设计） C 语言程 序 31 case 0 x0A: if(set_num=1) up_limit-; if(up_limit10) up_limit=10; else if(set_num=2) down_limit-;