毕业设计（论文）-单片机多点水温控制系统设计.doc

目 录1 引言11.1 多点水温控制系统功能要求11.2 总体设计电路12 主要元器件介绍12.1 主控芯片STC89C5212.2 MAX23252.3 LCD12864显示器62.4 18B2082.5 74LS21与门122.6 74HC573锁存器123 系统硬件构成143.1 设计原理143.2 STC89C52最小系统设计153.3 主从机间通信电路163.4 温度控制电路163.5 温度检测电路173.6 指示电路17参考文献：19附录201引言1.1多点水温控制系统功能要求：设计一个具有一个主机，若干个分机的水温控制系统。主机与分机见采用RS232总线互联构成多分机通信。主机可以显示、设定每个分机的水温，设定范围30度100度，也可以设置温度报警。分机把温度数据发给主机，并对本地的水温按主机设定的温度进行PID控制。制作一个主机，采用12864LCD，可以显示16个分机的数据。实际只需制作两个分机，但可以改变分机编号。主要功能如下：设定温度，实时温度显示温度上下限报警及设定目标温度的设定PID控制参数的设定从机传数据给主机主机控制从机模块的温度控制1.2总体设计电路 多点水温控制系统包括实现温度控制和多机通信的单片机AT89C51、报警电路、（LCD182864）、三极管输出加热电路、MAX232构成的多机通信模块、DS18B20温度传感器 2.1.单片机控制部分主控芯片STC89C52STC89C521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。2.1.1 性能简介STC89C52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 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，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。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。图2-1-1 STC89C52芯片引脚图其主要功能特性： 兼容MCS-51指令系统 8k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 256K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STC89C52提供以下标准功能：8K字节Flash闪速存储器，256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6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。2.1.2 STC89C52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1-1为P1口第二功能。表2-1-1 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（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如下表1-2。 表2-1-2 P3口的第二功能 端口功能第二功能端口引脚第二功能RXD（P3.0）串行输入口T0（P3.4）定时/计数器0外部输入TXD（P3.1）串行输出口T1（P3.5）定时/计数器1外部输入INT0（P3.2）外中断0WR（P3.6）外部数据存储器写选通INT1（P3.3）外中断1RD（P3.7）外部数据存储器读选通RST：复位输入。当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。WDT益出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO 位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目地，要注意的是：第当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位禁位后，只有一条MOVX 和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚伎被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，高有两次有效的PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时,该引脚加上12V的编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 2.2MAX232资料简介MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。 2.2.1 MAX232引脚说明第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。 8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。2.2.2 MAX232主要特点 片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V- 功耗低，典型供电电流5mA 内部集成2个RS-232C驱动器 内部集成两个RS-232C接收器 高集成度，片外最低只需4个电容即可工作 符合所有的RS-232C技术标准 只需要单一+5V电源供电2.3 LCD12864显示器2.3.1 12864简介带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。基本特性: 低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V） 显示分辨率:12864点 内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选) 内置 128个168点阵字符 2MHZ时钟频率 显示方式：STN、半透、正显 驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS 视角方向：6点 背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10 通讯方式：串行、并口可选 内置DC-DC转换电路，无需外加负压 无需片选信号，简化软件设计 工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +60表2-3-1 12864引脚说明：引脚名称方向说明引脚名称方向说明1VSS-电源地11DB4I数据42VDD-电源正12DB5I数据53VO-驱动电压输入13DB6I数据64RS(CS)OH/L并行的指令、数据选通信号；串行的片选信号14DB7I数据75R/W(SID)OH/L并行的读写选择信号；串行的数据口15PSBOH/L并、串行接口选择；H:并行;L;串行6E(SCLK)OH/L并行的使能信号；串行的同步时钟16NC-空脚7DB0I数据017/RSTO复位；低电平有效8DB1I数据118NC-空脚9DB2I数据219LEDA-背光源正级10DB3I数据320LEDK-背光源负极2.3.2指令说明 模块控制芯片提供两套控制命令，基本指令和扩充指令如下：指令表2-3-2：（RE=0：基本指令）指 指 令 码功 能令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清除显示0000000001将DDRAM填满20H,并且设定DDRAM的地址计数器(AC)到00H地址归位000000001X设定DDRAM的地址计数器(AC)到00H,并且将游标移到开头原点位置;这个指令不改变DDRAM 的内容显示状态开/关0000001DCBD=1: 整体显示 ONC=1: 游标ONB=1:游标位置反白允许进入点设定00000001I/DS指定在数据的读取与写入时,设定游标的移动方向及指定显示的移位游标或显示移位控制000001S/CR/LXX设定游标的移动与显示的移位控制位;这个指令不改变DDRAM 的内容功能设定00001DLXREXXDL=0/1：4/8位数据RE=1: 扩充指令操作RE=0: 基本指令操作设定CGRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0设定CGRAM 地址设定DDRAM地址0010AC5AC4AC3AC2AC1AC0设定DDRAM 地址（显示位址）第一行：80H87H第二行：90H97H读取忙标志和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0读取忙标志(BF)可以确认内部动作是否完成,同时可以读出地址计数器(AC)的值写数据到RAM10数据将数据D7D0写入到内部的RAM (DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM)读出RAM的值11数据从内部RAM读取数据D7D0(DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM)指令表2-3-3：（RE=1：扩充指令）指 指 令 码功 能令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0待命模式0000000001进入待命模式,执行其他指令都棵终止待命模式卷动地址开关开启000000001SRSR=1：允许输入垂直卷动地址SR=0：允许输入IRAM和CGRAM地址反白选择00000001R1R0选择2行中的任一行作反白显示，并可决定反白与否。初始值R1R000，第一次设定为反白显示，再次设定变回正常睡眠模式0000001SLXXSL=0：进入睡眠模式SL=1：脱离睡眠模式扩充功能设定00001CLXREG0CL=0/1：4/8位数据RE=1: 扩充指令操作RE=0: 基本指令操作G=1/0：绘图开关设定绘图RAM地址0010AC60AC50AC4AC3AC3AC2AC2AC1AC1AC0AC0设定绘图RAM先设定垂直(列)地址AC6AC5AC0再设定水平(行)地址AC3AC2AC1AC0将以上16位地址连续写入即可备注;当IC1在接受指令前,微处理器必须先确认其内部处于非忙碌状态,即读取BF标志时,BF需为零,方可接受新的指令;如果在送出一个指令前并不检查BF标志,那么在前一个指令和这个指令中间必须延长一段较长的时间,即是等待前一个指令确实执行完成。2.4 DS-18B20 数字温度传感器 DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。2.4.1 DS18B20工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。 DS18B20有4个主要的数据部件： （1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位 （28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用 是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。 表2-4-1: DS18B20温度值格式表 这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0， 这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际 温度。 例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FE6FH，-55的数字输出为FC90H 。 表2-4-2: DS18B20温度数据表 （3）DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL和结构寄存器。 （4）配置寄存器 该字节各位的意义如下： 表2-4-3： 配置寄存器结构 TMR1R011111低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用 户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位） 表2-4-4： 温度分辨率设置表 R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms 0110位187.5ms 1011位375ms 1112位750ms 高速暂存存储器 高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表5所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在 高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算： 当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。表 2是对应的一部分温度值。第九个字节是 冗余检验字节。 表2-4-5： DS18B20暂存寄存器分布 寄存器内容 字节地址温度值低位 （LS Byte）0温度值高位 （MS Byte）1高温限值（TH）2低温限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行 复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后 释放，当DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。 表2-4-6： ROM指令表 指 令 约定代码功 能读ROM33H读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址） 符合 ROM 55H发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS1820 使之作出响应，为下一步对该 DS1820 的读写作准备。 搜索 ROM 0FOH用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件作好准备。 跳过 ROM 0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变换命令。适用于单片工作。 告警搜索命令 0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。 表2-4-6： RAM指令表 指 令 约定代码功 能温度变换44H启动DS1820进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中。 读暂存器 0BEH 读内部RAM中9字节的内容 写暂存器 4EH 发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。 复制暂存器 48H 将RAM中第3 、4字节的内容复制到EEPROM中。 重调 EEPROM 0B8H 将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3 、4字节。 读供电方式 0B4H 读DS1820的供电模式。寄生供电时DS1820发送“ 0 ”，外接电源供电 DS1820发送“ 1 ”。 2.5 74LS21芯片74LS21 为2组4输入端与门。芯片引脚如图5-1：图5-1 74LS21引脚图74LS21功能如图表5-1表2-5-12.6 74HC573锁存器八进制 3 态非反转透明锁存器74HC573 高性能硅门 CMOS 器件 SL74HC573 跟 LS/AL573 的管脚一样。器件的输入是和标准 CMOS 输出兼容 的；加上拉电阻，他们能和 LS/ALSTTL 输出兼容。 当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同 步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。 u36755X出能直接接到 CMOS，NMOS 和 TTL 接口上 u25805X作电压范围：2.0V6.0V u20302X输入电流：1.0uA CMOS 器件的高噪声抵抗特性 OE120Vcc1D2191Q2D3182Q3D4173Q4D5164Q5D6155Q6D7146Q7D8137Q8D9128QGND1011LE3系统硬件构成3.1设计原理 本设计主要由单片机、键盘电路、液晶显示器、加热电路和测温电路部分组成。把从机的加热的温度传给主机，主机判断该温度是否达到要求，再把信息（加热/停止加热）传给从机执行。原理框图如图3-1-1和图-1-2所示。主机STC89C52键盘输入复位电路指示灯电路晶振电路显示电路报警电路从机电路 图3-1-1主机原理框图从机STC89C52复位电路主机电路晶振电路加热电路测温电路 图3-1-2 从机原理框图3.2 STC89C52最小系统设计单片机的最小系统接法如图3-2-1报警电路如图3-2-2图3-2-1 单片机最小系统图、图3-2-2报警电路3.3主从机间通信电路 主从机间通信通过MAX232连接使通信距离更远其接法如图3-3-1图3-3-1 MAX232接线图34 温度控制电路对于加热10电阻的温度控制可以采用移相控制或周波控制方式。移相控制方式是通过改变晶闸管的导通角来控制输出电压，从而控制加热对象的温度，控制电路相对复杂，但控制精度比较高。周波控制的方式输出电路图如图3-4-1所示，它实际上通过调节一定时间周期内的供电时间比例（即交流周期波数）来控制加热对象在本周期内获得的电能，从而控制其温度。由于控制加温的时间比例实现起来相对简单，因此周波控制方式在温度控制系统中获得比较广泛的应用，本系统确定采用周波控制方式。图3-4-1 周波控制方式的输出电路由图4可知，单片机的I/0口脚输出低电平时，控制三极管导通，加热元件接通5V电压，开始加热，对象的温度升高；I/O脚输出高电平时，三极管开路，加热元件两端无电压，停止加热，对象的温度开始下降。采用控制时间比例的具体方法如下。（1） 设定一个标准的加温周期T，以T为周期对温度进行采样，获得温度的测量值。（2） 根据设定值和测量值的偏差，进行PID预算。（3） 将PID的输出转换为三极管的通断时间。如果PID的输出为0%，则三极管的接通时间为0即本周期无输出；如果PID输出为