单片机可调温度计的设计.doc

无锡工艺职业技术学院毕业论文 I 无锡工艺职业技术学院无锡工艺职业技术学院 毕业论文 设计 任务书毕业论文 设计 任务书 课题名称 课题名称 单片机可调温度控制器的设计单片机可调温度控制器的设计 系系 部 部 电电 子子 信信 息息 系系 专专 业 业 应应 用用 电电 子子 技技 术术 姓姓 名 名 单单 霞霞 学学 号 号 20082131282008213128 指导教师 指导教师 吕吕 惠惠 芳芳 二二 0 0 一一 0 0 年年 十一月十一月 十八十八 日日 无锡工艺职业技术学院毕业论文 II 毕业设计 论文 任务书 题 目单片机可调温度控制器的设计 学生姓名单霞系部名称电子信息系专业班级电子专 081 课题类型设计应用题目来源生活 图书及网络资料 课题意义 在我们日常生产 生活中经常涉及到控制温度的问题 但是我们 经常所用的测温元件大部分都是用热敏电阻来实现的 本设计采用的 是 DS18B20 温度传感器 DS18B20 温度传感器与传统的热敏电阻相比 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读数 并且 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线 单 线接口 读写 因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单 可靠性更 高 它在测温精度 转换时间 传输距离 分辨率等方面带来了令人 满意的效果 而且 DS18B20 作为温度传感器比热敏电阻更省电 本设 计从开源节流的截流角度出发 节省电能 保护环境 任务与进 度要求 第 1 3 周 搜集相关资料了解课题研究内容 第 4 周 系统总体方案设计 第 5 8 周 绘制电路图并进行硬件设计 第 9 周 焊接并组装实物 第 10 周 检测元件并解决相关问题 第 11 周 电路以及硬件调试 第 12 周 汇总资料 准备终期答辩 主要参考 文献 1 孙育才 MCS 51 系列单片微型计算机及其应用 M 南京 东 南大学出版社 1997 2 王福端 单片机微控系统设计大全 北京 北京航空航天大学出 版社 1998 3 沙占友等 单片机外围电路设计 M 北京 电子工业出版社 2003 4 侯伯亨 李伯成 十六位微型计算机原理及接口技术 D 西安 电子科技大学出版社 1998 5 邬宽明 单片机外围器件实用手册 数据传输接口器件分册 第 2 版 M 北京 北京航天航空大学出版社 2007 6 曹振华 电路设计教程 北京 国防工业出版 2007 7 彭喜源 MCS 51 单片机应用设计 M 哈尔滨 哈尔滨工业大 学出版社 1997 无锡工艺职业技术学院毕业论文 III 8 欧亚军 Proteus 软件在单片机实验室中的应用 北京 清华大 学出版社 2006 9 晃阳 单片机 MS 51 原理及应用开发教程 北京 清华大学出 版社 2007 10 Intel MCS 51 Family of Single Chip Microcomputers User s Manual 1990 起止日期 2010 11 18 2011 4 18 备注 院长院长 教研室主任教研室主任 指导教师指导教师 无锡工艺职业技术学院无锡工艺职业技术学院 毕业论文 设计 开题报告毕业论文 设计 开题报告 系系 部 部 电子信息系电子信息系 专专 业 业 应用电子应用电子 学学 号 号 2008213128 学生姓名 学生姓名 单单 霞霞 指导教师 指导教师 吕吕 慧慧 芳芳 职职 称 称 讲讲 师师 二二 一一 年年 十一十一 月月 二十六二十六 无锡工艺职业技术学院毕业论文 IV 无锡工艺职业技术学院无锡工艺职业技术学院 毕业设计 论文 开题报告表 20102010 年年 1111 月月 2626 日日 姓名单霞系部 电子信息 系 专业应用电子班级 电子专 081 题目单片机可调温度控制器的设计指导教师吕慧芳 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛 但从国内生产的温度控制器 来讲 总体发展水平仍然不高 同日本 美国 德国等先进国家相比 仍然有着较大的差 距 成熟的温控产品主要以 点位 控制及常规的 PID 控制器为主 它们只能适应一般的 温度控制系统 而用于较高控制场合的智能化 自适应控制仪表 国内技术还不十分成熟 形成商品化并广泛应用的控制仪表较少 随着我国经济的发展及加入 WTO 我国政府及企 业对此都非常重视 对相关企业资源进行了重组 相继建立了一些国家 企业的研发中心 开展创新性研究 使我国仪表工业得到了迅速的发展 随着新技术的不断开发与应用 近年来单片机发展十分迅速 一个以微机应用为主的 新技术革命浪潮正在蓬勃兴起 传统的温度采集方法不仅费时费力 而且精度差 单 片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决 本次设计采用 AT89S52 单片机为核心配合 DS18B20 温度传感器 显示电路 输出控制电路 故障报警 电路等组成 软件选用汇编语言编程 单片机可将温度传感器检测到的温度模拟量转 化成数字量 显示于 LED 显示器上 从而达到对温度的灵活控制 二 进度及预期结果 起止日期主要内容预期结果 10 11 18 12 28 10 12 29 2 8 11 2 9 3 1 11 3 2 4 8 11 4 9 4 18 查阅资料 确定设计方案 完成开题报告 设计 翻译 系统整体框图设计 设计单元模块 系统的软件设计与系统调试 撰写毕业设计论文 完成初稿元模块设计 撰写设计说明书 完成 完成 完成 完成 完成 无锡工艺职业技术学院毕业论文 V 完成课题的 现有条件 毕业设计指导老师 有关书籍 网络资料 单片机实训室 审查意见 指导教师 年 月 日 系部意见 主管领导 年 月 日 无锡工艺职业技术学院无锡工艺职业技术学院 毕业设计 论文 评阅表 设计类 设计类 毕业设计 题目 单片机可调温度控制器的设计 学生姓名单霞学生班级电子专 081指导教师姓名吕慧芳 评审项目指标满分评分 能体现本专业培养目标 题目大小 难度适中 学生工 作量饱满 能得到较全面训练 10 选题 题目与生产 科研等实际问题结合紧密 10 课题调研 文献检索 能独立查阅文献以及从事其它形式的调研 能较好地理 解课题任务并提出实施方案 有分析整理各类信息从中 获取新知识的能力 15 外文应用能正确引用外文文献 翻译准确 文字流畅 5 无锡工艺职业技术学院毕业论文 VI 设计图纸 插图 简洁 规范 无差错 设计栏目齐全 合理 能正确使用国家标准单位 15 设计说明书 论文 结构严谨 表达清楚 文字通顺 用语正确 基本无错别字和病句 书写格式符合规范 15 能根据毕业设计目标进行实验设计 对数据的运算及处 理正确无差错 对实验结果的分析准确 20 设计说明 书 论文 设计具有创新性或实用价值 10 合计100 意见及建议 评阅人签名 评阅人签名 年年 月月 日日 无锡工艺职业技术学院毕业论文 VII 无锡工艺职业技术学院无锡工艺职业技术学院 毕业设计 论文 成绩考核评定表 学生姓名学生姓名单霞系部名称系部名称电子信息系专业班级专业班级电子专 081 题目题目单片机可调温度控制器的设计 1 毕业设计 论文 指导教师评语及成绩 毕业设计 论文 指导教师评语及成绩 指导教师签字 指导教师签字 年年 月月 日日 2 毕业设计 论文 答辩委员会评语及成绩 毕业设计 论文 答辩委员会评语及成绩 答辩主席 或组长 签字 答辩主席 或组长 签字 年年 月月 日日 3 毕业设计 论文 总成绩 毕业设计 论文 总成绩 a 指导教师b 评阅教师c 毕业答辩成绩总成绩总成绩 成绩 成绩 成绩 成绩 无锡工艺职业技术学院毕业论文 VIII 给定成绩给定成绩 a 0 4 b 0 2 c 0 4 无锡工艺职业技术学院无锡工艺职业技术学院 毕业设计 论文 答辩记录表 系部 电子信息系 成绩 姓 名单霞学 号 20082132 18 毕业届别 08 专业应用电子 毕业设计 论文 题 目 单片机可调温度控制器的设计 答辩日期 时间 2011 5 14 答辩组成员 签字 无锡工艺职业技术学院毕业论文 IX 答辩记录 记录人 签字 年 月 日 答辩小组组长 签字 年 月 日 系部盖章 无锡工艺职业技术学院毕业论文 X 无锡工艺职业技术学院无锡工艺职业技术学院 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目 题目 单单 片片 机机 可可 调调 温温 度度 控控 制制 器的设计器的设计 系系 部 部 电子信息系电子信息系 专专 业 业 应用电子应用电子 学学 号 号 20082131282008213128 学生姓名 学生姓名 单单 霞霞 指导教师 指导教师 吕吕 惠惠 芳芳 职职 称 称 副教授副教授 二二 0 0 一一 一一 年年 五五 月月 十十 日日 无锡工艺职业技术学院毕业论文 XI 目目 录录 1 绪 论 1 2 单片机简介 2 2 1 单片机介绍 2 2 2 常用单片机及兼容机 2 3 系统方案的论证 3 3 1 各模块电路的方案选择及论证 3 3 1 1 控制器模块 3 3 1 2 温度采集模块 4 3 1 3 键盘与显示模块 4 3 2 系统各模块的最终方案 5 4 系统的硬件介绍及设计 6 4 1 AT89S52 芯片概述 6 4 1 1 AT89S52 的引脚及功能 6 4 1 2 AT89S52 的中央处理器 8 4 1 3 AT89S52 的时钟及复位电路 9 4 2 单总线数字式温度计 DS18B20 介绍 11 4 2 1 DS18B20 性能特点 11 4 2 2 DS18B20 引脚结构 11 4 2 3 DS18B20 工作原理及应用 12 4 3 显示模块介绍及设计 12 4 3 1 LED 发光原理 13 4 3 2 数码管介绍 13 4 4 键盘设计方案 15 4 5 声音报警电路设计 15 5 系统软件介绍及设计 16 5 1 系统软件设计原则 16 5 2 程序流程图介绍 16 5 2 1 程序流程图的作用 16 5 2 2 绘制流程图的步骤 16 无锡工艺职业技术学院毕业论文 XII 5 2 3 流程图的绘制软件 17 5 3 系统程序流程图 17 5 4 系统软件的实现 18 5 4 1 DS18B20 驱动程序 19 5 4 2 按键驱动程序和按键处理程序 20 结 论 22 致 谢 23 参 考 文 献 24 附录 I 硬件电路图 25 附录 II 系统程序 26 毕业设计说明书 论文 缩写稿 43 The Abbreviation Version of the Thesis of Undergraduates 47 单片机可调温度控制器的设计 1 摘摘 要 要 随着新技术的不断开发与应用 近年来单片机发展十分迅速 一个以微机应用 为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起 单片机的应用已经渗透到电力 冶金 化工 建材 机械 食品 石油等各个行业 传统的温度采集方法不仅费时费力 而且精度 差 单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决 本系统以 AT89S52 单片机为核心 采用了 DS18B20 单总线可编程温度传感器 来 实现对温度的采集和转换 大大简化了电路的复杂度 以及算法的要求 在一些温控 系统电路中 广泛采用的是通过热电偶 热电阻或 PN 结测温电路经过相应的信号调理 电路 转换成 A D 转换器能接收的模拟量 再经过采样 保持电路进行 A D 转换 最终送入单片机及其相应的外围电路 完成监控 关键词关键词 温度控制 AT89S52 DS18B20 温度传感器 Design and Implementation of Adjustable Temperature Controller Based on Single chip Microcomputer ABSTRACT With the new technology development in recent years the application of SCM is developing very rapidly And a microcomputer application of new technology revolution wave is flourishing the application of SCM has penetrated into electric power metallurgy chemical industry building materials machinery food oil and other industries The traditional temperature sampling method not only time consuming and poor precision microcontroller of the collection of temperature and data processing problem can be solved According to the function 单片机可调温度控制器的设计 2 requirement this system with AT89S52 put forward the feasibility schemes And took one of the most economical most reliable highest rate schemes Using a single bus DS18B20 programmable temperature sensor to achieve collection and conversion the temperature Simplifying the circuit Some systems widely used the circuit is the thermal resistance and thermocouple temperature detection circuit or PN junction through the corresponding signal circuit converts A D converter can receive the analog through sampling keep on A D circuit chip and eventually into the periphery of the circuit and the corresponding control But because of the traditional signal circuit realizing complex difficult to control the interference and precision Introduces microcontroller combined temperature control system design DS18B20 therefore this system using a new kind of programmable temperature sensor DS18B20 Do not need complex signal circuit and A D circuit chip It can directly and complete data acquisition and processing It realized easy and high precision And according to different requirements it can be used in all occasions KEY WORDS Temperature Control AT89S52 DS18B20 单片机可调温度控制器的设计 3 1 绪 论 目前单片机渗透到我们生活的各个领域 几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪 迹 20 世纪末 电子技术获得了飞速的发展 在其推动下 基于单片机的现代电子产 品几乎渗透了社会的各个领域 有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的 提高 同时也使现代电子产品性能进一步提高 产品更新换代的节奏也越来越快 基 于单片机的发展趋势 本设计以单片机为核心制作了一个可调温度控制系统 本次设计运用 AT89S52 单片机作为主控芯片 配合 DS18B20 温度传感器 显示 电路 输出控制电路 故障报警电路等组成 设计了一种智能温度控制系统 本设计 完成后 能够实现以下功能 通过串口键盘随机进行一个温度值的设置 通过温度传 感器 DS18B20 将模拟量转换为数字量并将其显示在 LED 上 将测量值与设定值通过 单片机进行比较 若高于所设定温度红色发光二极管发光并伴有蜂鸣器的蜂鸣 低于 设定温度绿色发光二极管发光并伴有蜂鸣 并最终调整温度以符合温度设定值 在设计时 按照设计的要求 从可靠性 经济性 安全性三个方面进行考虑 通 过设计方案的比较 确定出来一套即经济又可行的方案 本次设计是对所学知识的综合运用 把理论知识和实践相结合 在本次设计与检 验过程中遇到了许多实际问题 比如单片机及其电子元器件的市场选择 不熟悉 Keil 和 Proteus 软件的使用方法 不熟悉焊接技巧 可能会发生漏焊 虚焊现象 如何系统 的最佳外观效果等 所有的这些问题 我们都通过查阅资料 咨询老师一一解决了 为设计的成功提供了保障 本文通过方案确认 介绍了设计中所用到的芯片 以及主控芯片的辅助模块的讲 解 通过清晰的程序流程图 给程序的理解提供了方向 还介绍了程序调试软件和硬 件调试软件 最后对本设计的实物制作做了一个概述 单片机可调温度控制器的设计 4 2 单片机简介 2 1 单片机介绍 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统 尽管他的大部分功能集成 在一块小芯片上 但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件 CPU 内存 内 部和外部总线系统 目前大部分还会具有外存 同时集成诸如通讯接口 定时器 实 时时钟等外围设备 而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音 图像 网络 复杂 的输入输出系统集成在一块芯片上 单片机也被称为微控制器 Microcontroller 是因为它最早被用在工业控制领域 单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来 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体积要 求严格的控制设备当中 INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器 从此以 后 单片机和专用处理器的发展便分道扬镳 它是一种在线式实时控制计算机 在线式就是现场控制 需要的是有较强的抗干 扰能力 较低的成本 这也是和离线式计算机的 比如家用 PC 的主要区别 单片机是靠程序的 并且可以修改 通过不同的程序实现不同的功能 尤其是特 殊的独特的一些功能 这是别的器件需要费很大力气才能做到的 有些则是花大力气 也很难做到的 2 2 常用单片机及兼容机 MCS 51 系列单片机及其兼容机在国内拥有广泛的用户 这与 Intel 8 位单片机是最 早引入我国的有关 MCS 51 的硬件结构也决定了其指令系统不会发生变化 所以设计 人员可以较容易地对不同公司的单片机产品进行选型 他们只需将重点放在芯片内部 资源的比较上 目前 在国内市场上 Intel 公司生产的 MCS 51 系列单片机已少见 代之以其他 公司生产的 MCS 51 系列兼容单片机 这些公司主要有 Phillips Dallas SIEMENS AMD Atmel NEC HARRIS WinBond YHUNDAI ADI 等 其中又以 Philips Dallas Atmel WinBond YHUNDAI ADI 等公司占有 市场份额最大 以上各公司开发的 MCS 51 系列兼容单片机各具特色 它们的内部资 源差异很大 在对原来 MCS 51 内核的改进上也不尽相同 每个公司都在其中加入了 本公司的特有技术 例如拥有很大用户群的 Atmel 公司生产的 MCS 51 系列兼容单片 机 AT89 系列单片机 就在原有 MCS 51 内核中加入了该公司的 FLASH 存储器技 术 经过市场的调查 基于本课题的设计要求 考虑其可靠性 经济性 本设计选择 单片机可调温度控制器的设计 5 ATMEl 公司的 AT89S52 芯片 3 系统方案的论证 根据题目要求系统模块分可以划分为 温度测量模块 显示电路模块 报警模块 控制模块 系统总体设计框图如图 3 1 所示 为实现各模块的功能 分别做了几种不 同的设计方案并进行了论证 显示电路测温部分 键盘输入报 警 控 制 部 分 AT89S52 AT89S52 图 3 1 系统总体设计框图 3 1 各模块电路的方案选择及论证 3 1 1 控制器模块 根据题目要求 控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理 控制电热丝和风 扇使控制对象满足设计要求 控制显示电路对温度值实时显示以及控制键盘实现对温 度值的设定等 对控制器的选择有以下三种方案 方案一 采用模拟运算放大器组成 PID 控制系统 对于水温控制是足够的 但要 附加显示 温度设定等功能 要附加许多电路 稍显麻烦 方案二 采用 FPGA 作为系统控制器 FPGA 功能强大 可以实现各种复杂的逻 辑功能 规模大 密度高 它将所有器件集成在一块芯片上 减少了体积 提高了稳 定性 并且可应用 EDA 软件仿真 调试 易于进行功能扩展 FPGA 采用并行的 I O 口方式 提高了系统的处理速度 适合作为大规模实时系统控制核心 由温度传感器 送来的温度信号 经 FPGA 程序对其进行处理 控制加热装置动作 但由于本设计对 数据处理的速度要求不高 FPGA 的高速处理的优势得不到充分体现 并且其成本偏 高 引脚较多 硬件电路布线复杂 方案三 采用 ATMEL 公司的 AT89S52 作为系统控制器 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算法和逻辑控制 AT89S52 是一种 低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 使得 单片机可调温度控制器的设计 6 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 并且其具有体 积小 技术成熟和成本低等优点 单片机可调温度控制器的设计 7 3 1 2 温度采集模块 温度信号为模拟信号 本设计要对温度进行控制和显示 所以要把模拟量转换为 数字量 该温度采集模块有以下三种方案 方案一 利用热电阻传感器作为感温元件 热电阻随温度变化而变化 用仪表测 量出热电阻的阻值变化 从而得到与电阻值相应的温度值 最常用的的是铂电阻传感 器 铂电阻在氧化介质中 甚至在高温的条件下其物理 化学性质不变 由铂电阻阻 值的变化经小信号变送器 XTR101 将铂电阻随温度变化的转换为 4 20mA 线形变化电 路 再将电流信号转化为电压信号 送到 A D 转换器 ADC0809 即将模拟信号转 换为数字信号 该方案线性度优于 0 01 方案二 采用温度传感器 AD590 AD590 具有较高精度和重复性 良好的非线性 保证 0 1 的测量精度 加上软件非线性补偿可以实现高精度测量 AD590 将温度转 化为电流信号 因此要加相应的调理电路 将电流信号转化为电压信号 送入 8 为 A D 转换器 可以获得 255 级的精度 方案三 采用数字温度传感器 DS18B20 DS18B20 为数字式温度传感器 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 电路简单 如 图 3 2 所示 图 3 2 DS18B20 测温电路 3 1 3 键盘与显示模块 对键盘和显示模块有下面两种方案 方案一 采用液晶显示屏和通用矩阵键盘 液晶显示屏 LCD 具有功耗小 轻 薄短小无辐射危险 平面直角显示以及影象稳定不闪烁 可视面积大 画面效果好 抗干扰能力强等特点 但由于只需显示三位温度值 信息量比较少 且由于液晶是以 点阵的模式显示各种符号 需要利用控制芯片创建字符库 编程工作量大 控制器资 8 单片机可调温度控制器的设计 源占用较多 其成本也偏高 方案二 采用三位 LED 七段数码管分别显示温度的十位 个位和小数位 按键采 用单列 3 按键进行温度设定 数码管具有 低能耗 低损耗 寿命长 耐老化 对外 界环境要求较低 同时数码管采用 BCD 编码显示数字 程序编译容易 资源占用较少 3 2 系统各模块的最终方案 根据以上分析 结合器件和设备等因素 确定如下方案 1 采用 AT89S52 单片机作为控制器 分别对温度采集 LED 显示 温度设定等 进行控制 2 温度测量模块采用数字温度传感器 DS18B20 DS18B20 与传统的热敏电阻相 比 他能够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 并且从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线 单线接口 读写 因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单 可靠性更高 他在测 温精度 转换时间 传输距离 分辨率等方面带来了令人满意的效果 3 显示用 LED 数码管显示实时温度值 用三个单键实现温度值的设定 本系统 中 采用了数码管的动态显示 节省单片机的内部资源 系统的基本框图如图 3 3 所示 CPU AT89S52 首先写入命令给 DS18B20 然 后 DS18B20 开始转换数据 转换后通过 AT89S52 来处理数据 数据处理后的结果就 显示到数码管上 另外由键盘设定温度值送到单片机 单片机通过数据处理发出温度 控制信息到继电器 DS18B20 可以被编程 所以箭头是双向的 AT89S52 AT89S52 AT89S52 LED 数码管DS18B20 键盘输入报警 图 3 3 系统基本框图 单片机可调温度控制器的设计 9 4 系统的硬件介绍及设计 4 1 AT89S52 芯片概述 AT89S52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品 指令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 AT89S52 为众多嵌入 式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 AT89S52 具有以下标准功能 8k 字 节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位 定时器 计数器 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 另 外 AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位 为止 4 1 1 AT89S52 的引脚及功能 AT89S52 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 T2 P1 0 T2EX P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 RST RXD P3 0 TXD P3 1 INTO P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL2 XTAL1 GND VCC P0 0 AD0 P0 1 AD1 P0 2 AD2 P0 3 AD3 P0 4 AD4 P0 5 AD5 P0 6 AD6 P0 7 AD7 EA VPP ALE PROG PESN P2 7 A15 P2 6 A14 P2 5 A13 P2 4 A12 P2 3 A11 P2 2 A10 P2 1 A9 P2 0 A8 10 单片机可调温度控制器的设计 图 4 1 AT89S52 引脚 1 电源及时钟引脚 VCC 电源 GND 地 XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 2 控制引脚 RST 复位输入晶振工作时 RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位 看门狗计时完成后 RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平 特殊寄存器 AUXR 地址 8EH 上的 DISRTO 位可以使此功能无效 DISRTO 默认状态下 复位高电平有效 ALE PROG 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低 8 位地址 的输出脉冲 在 Flash 编程时 此引脚 PROG 也用作编程输入脉冲 在一般情况下 ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲 可用来作为外部定时器或时钟使用 然而 特别强调 在每次访问外部数据存储器时 ALE 脉冲将会跳过 如果需要 通过将地 址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置 1 ALE 操作将无效 这一位置 1 ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效 否则 ALE 将被微弱拉高 这个 ALE 使能标志位 地址 为 8EH 的 SFR 的第 0 位 的设置对微控制器处于外部执行模式下无效 PSEN 外部程序存储器选通信号 PSEN 是外部程序存储器选通信号 当 AT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时 PSEN 在每个机器周期被激活两次 而在访问外部 数据存储器时 PSEN 将不被激活 EA VPP 访问外部程序存储器控制信号 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序 存储器读取指令 EA 必须接 GND 为了执行内部程序指令 EA 应该接 VCC 在 Flash 编程期间 EA 也接收 12 伏 VPP 电压 3 I O 口 P0 口 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数据 存储器时 P0 口也被作为低 8 位地址 数据复用 在这种模式下 P0 具有内部上拉电 阻 在 Flash 编程时 P0 口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出指令字节 程 序校验时 需要外部上拉电阻 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输 入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 此 外 P1 0 和 P1 2 分别作定时器 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和时器 计数器 2 的触 发输入 P1 1 T2EX 具体如下表所示 在 Flash 编程和校验时 P1 口接收低 8 位地址 单片机可调温度控制器的设计 11 字节 表 4 1 P1 口第二功能 引脚号第二功能 P1 0T2 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1T2EX 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5MOSI 在系统编程使用 P1 6MISO 在系统编程使用 P1 7SCK 在系统编程使用 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为 输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时 P2 口送出高八位 地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内部上拉发送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 在 Flash 编程和校验时 P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为 输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能 第二功能 使用 如下表所示 在 Flash 编程和校 验时 P3 口也接收一些控制信号 表 4 2 P3 口第二功能 引脚号第二功能 P3 0RXD 串行输入 P3 1TXD 串行输出 P3 2INT0 外部中断 0 P3 3INT0 外部中断 1 P3 4T0 定时器 0 外部输入 P3 5T1 定时器 1 外部输入 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7RD 外部数据存储器读选通 12 单片机可调温度控制器的设计 4 1 2 AT89S52 的中央处理器 单片机的中央处理器 CPU 其内部的核心部件 它决定了单片机的主要功能特性 由运算器 定时控制部件和专用寄存器三大部分组成 1 运算器 运算器包括算术逻辑单元 ALU 布尔处理器 累加器 A 寄存器 B 暂存器和程 序状态字 PSW 等许多部件 它以算术逻辑单元 ALU 为核心 功能是实现数据的算术 逻辑运算 位变量处理和数据传输操作 单片机的 ALU 功能十分强 它不仅可对 8 位变量进行逻辑 与 或 异或 循环 求补 清零等基本操作 还可以进行加 减 乘 除等基本运算 为了乘除运 算的需要 设置了 B 寄存器 在执行乘法运算指令时 用来存放其中一个乘数和乘积 的高 8 位数 在执行除法运算指令时 B 中存入除数及余数 单片机指令系统中的布 尔指令集 存储器中的位地址空间与 CPU 中的位操作构成了片内的布尔功能系统 它 可对位 bit 变量进行布尔处理 如置位 清零 求补 测试转移及逻辑 与 或 等 操作 在程序实现对位的操作时 它借用了程序状态标志位 PSW 中的一个进位标志 Cy 来作为位操作的 累加器 运算部件中的累加器 ACC 是一个 8 位的累加器 ACC 也可简写为 A 从功能上看 它与一般微机的累加器相比较没有什么特别之处 但需要说明的是 ACC 的进位标志 Cy 就是布尔处理器进行位操作的一个累加器 单片机的程序状态 PSW 是一个 8 位寄存器 它包含了程序的状态信息 2 控制部件 控制部件是单片机的神经中枢 它包括时钟电路 复位电路 指令寄存器 译码 以及信息传送控制部件 它以主振频率为基准发出 CPU 的时序 对指令进行译码 然 后发出各种控制信号 完成一系列定时控制的微操作 用来控制单片机各部分的运行 其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑 如控制地址锁存的地址锁存信 号 ALE 控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号 EA 以及片外取指信号 PSEN 3 专用寄存器 专用寄存器组也称为特殊功能寄存器 主要用与表示当前要执行的指令的内存地 址 存放操作数和知识指令执行后的状态等 它是任何一台计算机的 CPU 不可缺少的 组成部件 4 1 3 AT89S52 的时钟及复位电路 时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号 单片机本身就时一个复杂的同 步时序电路 为保证同步工作放肆的实现 单片机应在唯一的时钟信号控制下 严格 单片机可调温度控制器的设计 13 地按时序执行指令进行功能工作 而时序所研究的时指令执行中各个信号的关系 在 执行指令时 CPU 首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码 并由时序电路 产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作 单片机除了内部时钟方式 图 4 2 外 还可以采用引入外部时钟的振荡方式 图 4 3 单片机复位电路有多种 根据应用的要求 复位操作通常由两种基本形式 上电 自动复位 手动开关复位 影响单片机系统运行稳定性的因素可大体分为外因和内因 两部分 外因是射频干扰 它是以空间电磁场的形式传递在机器内部的导体 引线或零 件引脚 感生出相应的干扰 可通过电磁屏蔽和合理的布线 器件布局衰减该类干扰 电 源线或电源内部产生的干扰 它是通过电源线或电源内的部件耦合或直接传导 可通 过电源滤波 隔离等措施来衰减该类干扰 内因是振荡源的稳定性 主要由起振时间 频率稳定度和占空比稳定度决定 起振时间可由电路参数整定稳定度受振荡器类型温度 和电压等参数影响复位电路的可靠性 XTAL2 XTAL1 GND C1 C2 AT89S52 GND XTAL1 XTAL2 AT89S52 图 4 2 内部振荡电路 图 4 3 外部振荡电路 1 上电自动复位 上电自动复位要求接通电源后 自动实现复位操作 对于 NMOS 型单片机 在 RST 复位端接一个电容至 VCC 和一个电阻接地 就能实现上电自动复位 如图 4 4 所 示 对于 CMOS 型单片机 只要接一个电容至 VCC 即可 在加电瞬间 电容通过电 阻充电 就在 RST 端出现一定时间的高电平 只要高电平持续时间足够长 就可使单 片机有效复位 RST 端在加电时应保持的高电平时间包括 VCC 的上升时间和振荡器的 起振时间 振荡器的起振时间于频率有关 10MHz 晶振时约位 1ms 1MHz 晶振时约 为 10ms 所以一般为了可靠复位 RST 在上电时应保持 20ms 以上的高电平 RC 时间 14 单片机可调温度控制器的设计 常熟越大 上电视 RST 端的高电平时间越长 2 手动开关复位 本设计选择手动开关复位 要求在电源接通的条件下 在单片机运行期间 如果 发生死机 用按钮开关操作使单片机复位 常用的手动开关复位电路如图 4 5 所示 上电后 由于电容充电 使得 RST 持续 一段高电平时间 当单片机已在运行之中时 按下复位键也能是 RST 持续一段时间的 高电平 从而实现上电且开关复位的操作 通常选择 C 10 30 F R 10 1K VCC RST VCC R RST 图 4 4 上电自动复位 图 4 5 手动开关复位 4 2 单总线数字式温度计 DS18B20 介绍 Dallas 半导体公司的数字化传感器 DS18B20 是世界上第一片支持 一线总线 接 口的温度传感器 即单总线器件 一线总线独特而且具有线路简单 体积小的特点 使用户可轻松地组建传感网络 为测量系统的构建引入全新概念 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 图 4 6 DS18B20 的管脚排列图 4 2 1 DS18B20 性能特点 独特的单线接口方式 DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微 处理器与 DS18B20 的双向通讯 测温范围 55 125 固有测温分辨率 0 5 工作电源 3 5V DC 单片机可调温度控制器的设计 15 在使用中不需要任何外围元件 测量结果以 9 12 位数字量方式串行传送 4 2 2 DS18B20 引脚结构 GND 电压地 DQ 单数据总线 VDD 电源电压 4 2 3 DS18B20 工作原理及应用 DS18B20 的温度检测与数据输出全集成与一个芯片之上 从而抗干扰能力更强 其一个工作周期可分为两个部分 即温度检测和数据处理 DS18B20 共有三种形态的存储器资源 它们分别是 ROM 只读存储器 用于存 放 DS18B20ID 编码 其前 8 位是单线系列编码 后面 48 位是芯片唯一的序列号哦 最后 8 位是以上 56 位的 CRC 码 冗余校验 数据在出产是设置不由用户更改 DS18B20 共 64 位 ROM RAM 数据暂存器 用于内部计算和数据存取 数据在掉电后丢失 DS18B20 共 9 个字节 RAM 每个字节为 8 位 第 1 2 个字节是温度转换后的数据信息 第 3 4 个 字节是用户 EEPROM 常用于温度报警值存储 的镜像 在上电复位时其值将被刷新 第 5 个字节则是用户第 3 个 EEPROM 的镜像 第 6 7 8 个字节为计数寄存器 是为 了让那个用户得到更高的温度分辨率而设计的 同样也是内部温度转换 计算的暂存 单元 第 9 个字节为前 8 个字节 的 CRC 码 EEPROM 非易失性记忆体 用于存放长 期需要保存的数据 上下限温度报警值和校验数据 DS18B20 共 3 位 EEPROM 并在 RAM 都存在镜像 方便操作 4 3 显示模块介绍及设计 LED Light Emitting Diode 发光二极管 简称 LED 是一种能够将电能转化为可 见光的固态的半导体器件 它可以直接把电转化为光 该系统的显示电路见图 4 7 16 单片机可调温度控制器的设计 图 4 7 数码管显示电路 4 3 1 LED 发光原理 LED 的心脏是一个半导体的晶片 晶片的一端附在一个支架上 一端是负极 另 一端连接电源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来 半导体晶片由两部分组成 一 部分是 P 型半导体 在它里面空穴占主导地位 另一端是 N 型半导体 在这边主要是 电子 但这两种半导体连接起来的时候 它们之间就形成一个 P N 结 当电流通过 导线作用于这个晶片的时候 电子就会被推向 P 区 在 P 区里电子跟空穴复合 然后 就会以光子的形式发出能量 这就是 LED 发光的原理 光的波长也就是光的颜色 是由形成 P N 结的材料决定的 它是一种通过控制半 导体发光二极管的显示方式 用来显示文字 图形 图像 动画 行情 视频 录像 信号等各种信息的显示屏幕 LED 可以作为显示屏 在计算机控制下 显示色彩变化 万千的视频和图片 故 LED 是一种能够将电能转化为可见光的半导体 此外 LED 可分为共阴极和共阳极两种 如图 4 8 所示 a b c d e f g dp G a b c d e f g dp 5V 单片机可调温度控制器的设计 17 a 共阴极 b 共阳极 图 4 8 LED 显示结构 4 3 2 数码管介绍 由 LED 组成的数码管其发光原理也一样 数码管按段数分为七段数码管和八段数 码管 八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元 多一个小数点显示 按能显示 多少个 8 可分为 1 位 2 位 4 位等数码管 本次设计中为了外观整齐 提高焊接 的可靠性 选择 4 位数码管 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管 共阳数码管是指 将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 COM 的数码管 共阳数码管在应用 时应将公共极 COM 接到 5V 当某一字段发光二极管的阴极为低电平时 相应字段就 点亮 当某一字段的阴极为高电平时 相应字段就不亮 共阴数码管是指将所有发光 二极管的阴极接到一起形成公共阴极 COM 的数码管 共阴数码管在应用时应将公共 极 COM 接到地线 GND 上 当某一字段发光二极管的阳极为高电平时 相应字段就点 亮 当某一字段的阳极为低电平时 相应字段就不亮 常用数码显示字形段码如下表 4 3 所示 通常显示字符段码顺序排列 存放在存 储器中的固定区域 构成段码表 当要显示某字符时