单片机微机测量和控制技术.doc

摘要：随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。本设计论述了一种以STC89C52单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统可以实时存储相关的温度数据并记录当前的时间。系统设计了相关的硬件电路和相关应用程序。硬件电路主要包括STC89C52单片机最小系统，测温电路、实时时钟电路、LCD液晶显示电路以及通讯模块电路等。系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，计算温度子程序、按键处理程序、LCD显示程序以及数据存储程序等。 关键词：STC89C52单片机；DS18B20；显示电路1 绪 论1.1 本课题研究背景和意义工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。本设计就是基于单片机STC89C52温度控制系统的设计，通过本次课程实践，我们更加的明确了单片机的广泛用途和使用方法，以及其工作的原理。随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。本文采用单片机STC89C52设计了温度实时测量及控制系统。单片机STC89C52 能够根据温度传感器DS18B20 所采集的温度在液晶屏上实时显示，通过控制从而把温度控制在设定的范围之内。所有温度数据均通过液晶显示器LCD显示出来。系统可以根据时钟存储相关的数据。通过该课程的学习使我们对计算机控制系统有一个全面的了解、掌握常规控制算法的使用方法、掌握简单微型计算机应用系统软硬的设计方法，进一步锻炼同学们在微型计算机应用方面的实际工作能力。1.2 本课题研究的内容单片机最小系统电路单片机是仪表的主体，对于小型仪表来说，单片机内部的存储器已经足够；大型仪表要进行复杂的数据处理，或者要完成复杂的控制功能，其监控程序较大，测量数据较多，这时就需要在单片机外部扩展片外存储器。被测量的模拟信号经过A/D转换后，通过输入通道进入单片机内部；单片机根据由键盘置入的各种命令，或者送往打印机打印，或者经过D/A转换后成为能够完成某种控制功能的模拟电压。通信接口的功能是通过。GPIB或者RS-232接口总线与其他仪器仪表甚至计算机作远距离通信，以达到资源共享的目的。智能化测量控制仪器仪表的整个工作过程是在软件程序的控制下自动完成的，装在仪表内部EPROM中的监控程序由许多程序模块组成，每一个模块完成一种特定功能，例如实现某种算法、执行某一中断服务程序、接受并分析键盘输入命令等。编制完善的监控程序中的某些功能模块，能够取代某些硬件电路和功能。但是需要指出的是，智能化测量控制仪表中引入单片机后，有可能降低对某些硬件电路的要求，但这绝不是说可以忽略测试电路本身的重要性，尤其是直接获取被测信号的传感器部分，仍应给予充分的重视，有时提高整台仪表性能的关键仍然在于测试电路尤其是传感器的改进。现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。在以下章节里，将会介绍关于以数据采集系统为基础，结合计算机控制理论和计算机通信技术等综合技术，研发一款适合市场需求、和满足毕业设计要求的智能化仪表。本设计采用了模块化的思想，条理清楚，主要分为硬件原理设计和软件程序设计。2 系统的硬件设计本系统实现的功能主要是：把过程控制中的变量（温度）采集，并实时通过LCD显示、通过串口与计算机通讯实现曲线显示和数据保存显示出来，其中PC机可以控制仪表的工作、系统给定温度值和PID四个参数可以任意设定，系统利用的增量式PID算法去改变PWM的输出值，然后去控制可控硅的开关，最终实现被控对象的温度值趋向于给定的温度值如图2.1所示。本系统的控制方框图如图2.2所示图2.1 系统阶跃响应曲线 图2.2 系统的控制方框图2.1 硬件的总体设计系统硬件的总体结构图如图2.3所示，由结构图可以看出，系统模块较多，所以对I/O口资源要合理分配，各模块以单片机为核心联联系在一起，其中电源模块为每一个模块提供电源。单片机MTmega16L光电隔离MOC3041可控硅BT138-800温度传感器AD590运放AD524A/D转换器TLC2543键盘电源串口RS-232CLCD显示屏TC1602A图2.3 系统硬件总体结构图2.2 系统器件的选型首先根据系统实现的功能大致了解所需的配件资源包括：主控制器、温度传感器、运算放大电路、A/D转换器、液晶显示电路、键盘电路、控制输出接口、串口通信电路、供电电路等。2.2.1主控制器本系统对主控制器的大体要求：1、本系统功能较多，程序代码较长，单片机的程序存储器空间要求较大， 要求8KB的系统内可编程Flash。2、因为内部变量较多，数据缓冲区会占用不少的RAM空间，所以单片机的RAM空间要尽可能大。3、要求参数设定可以在断电后仍可保存，这就要求单片机具有内部EEPROM。4、要求有独立的硬件PWM接口。5、为了监控程序，防止程序跑飞，所以要求有内部看门狗。本系统采用ATMEL公司的AVR系列单片机的ATmega16L，该产品特性以下：1、高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器2、先进的RISC 结构（131条指令-大多数指令执行时间为单个时钟周期、32个8 位通用工作寄存器、全静态工作、工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS只需两个时钟周期的硬件乘法器）3、非易失性程序和数据存储器（16K 字节的系统内可编程Flash、擦写寿命：10000次）4、具有独立锁定位的可选Boot 代码区，通过片上Boot 程序实现系统内编程真正的同时读写操作。5、512 字节的EEPROM，擦写寿命： 100，000 次，1K字节的片内SRAM，可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。6、JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容)，符合JTAG 标准的边界扫描功能，支持扩展的片内调试功能，通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。7、外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器，具有独立振荡器的实时计数器RTC，四通道PWM，8路10 位ADC。）8、个单端通道（TQFP 封装的7 个差分通道，2 个具有可编程增益（1x， 10x， 或200x）的差分通道，面向字节的两线接口，两个可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。）9、特殊的处理器特点（上电复位以及可编程的掉电检测，片内经过标定的RC 振荡器，片内/ 片外中断源，6种睡眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及，扩展的Standby模式）10、I/O 和封装（32个可编程的I/O 口，40引脚PDIP封装， 44引脚TQFP 封装， 与44引脚MLF封装。）11、工作电压： ATmega16L：2.7 - 5.5V、ATmega16：4.5 - 5.5V12、速度等级：0 - 8 MHz ATmega16L、0 - 16 MHz ATmega16ATmega16L 在1 MHz， 3V， 25 时的功耗：1、正常模式： 1.1 mA2、空闲模式： 0.35 mA3、掉电模式： 1 AATmega16L芯片引脚如图2.4：图2.4 ATmega16L引脚2.2.2 温度采集电路数据采集系统是智能仪器仪表中被测对象与微机之间的联系通道，因为微机只能接收数字信号，而被测对象常常是一些非电量，所以数据采集系统的前一道环节是感受被测对象，并把被测非电量转换为电信号的传感器，后一道环节是将模拟电信号转换为数字电信号的数据采集电路。除数字传感器外，大多数传感器都是将模拟非电量转换为模拟电量，而且这些模拟电量通常不宜直接用数据采集电路进行数字转换，还需进行适当的信号调理。因此，一般说来，数据采集系统由传感器、模拟信号调理电路、数据采集电路三部分组成，如图2.5所示传感器模拟信号调理数据采集电路微机系统非电量电量数字信号图2.5 数据采集系统的基本组成1、传感器选型由于电阻型温度传感器和PN结温度传感器，测量电路需要恒流源或采用非平衡电桥法，测量电路比较复杂，非平衡电桥法会引入非线性，给温度计的标定带来不便，因此最终选用AD590（如图2.6所示）作为温度传感器。AD590温度传感器的测量电路很简单，工作电压范围宽（530V），使用测温范围为-55150，输出电流与温度关系的线性度好，绝对温度变化1K，输出电流变化1A，即1A/K，0 时，输出电流约273.1510-6A.以5K电阻，用可以显示019 999个数字的2V量程数字电压表测量电流取样电阻上电压，在0100范围，取样电阻上的电压约为1.36851.8685V，数字电压表一个数字变化的温度分辨率为0.0218。图2.6 AD590的引脚温度传感器接口2、仪表放大器选型选用AD公司的精密仪表放大器AD524（引脚如图2-7所示）作为前置放大。AD524采用双电源供电，供电电压最高可达18V。它具有低的增益误差各高的共模抑制比，当增益为1时，共模抑制比大于90dB，增益误差最大为0.05；增益为1000时，共模抑制比可达120dB，且增益误差最大为2。AD524的非线性误差在0.01之内（增益为1000）；输入失调电压50V，输入失调晓以大义漂移0.5V/。AD524两个差动输入端的阻抗完全匹配，而且数值很高，典型值为109，既可以差动输入也可以单端输入。AD524内置输入电源保护电路，适应上电和掉电时各种恶劣的工作环境。同时，它还提供较宽的增益带宽、高的输出转换速率和低的阶跃响应建立时间等优越的动态特性。AD524可以通过改变外围接线来设置增益，增益倍数分别为1、10、100、1000。当需要1到1000之间其它增益时，可通过外接电阻来设置所需增益。图2.7 AD524引脚3、温度采集电路图2.8是一个电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路18，当AD590的电流通过一个5K欧姆的电阻时，温度升高1K这个电阻上的电压升高5mV，即转换成5mV/K。因此，温度在0100间变化时电阻上电压在1.365V1.865V间变化。运算放大器AD524的作用是把绝对温标转换成摄氏温标。给AD524的反相输入端输入一个恒定的电压1.365V。这样，AD524的输出电压即为转换成的摄氏温标。AD524的增益G=10，温度在0100间变化时AD524的输出电压在0V5V间变化。那么，当温度为20流过AD590的电流为293A，5K电阻上的电压为1.465V，AD524的输出值自乘以20后才是真正的温度值即摄氏温度值=(1.465-1.365)200。图2.8 温度采集电路图2.2.3 A/D转换电路TLC2543是11个输入端的12位模数转换器，具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简单、价格低等优点，应用前景好。由于它带有串行外设接口SPI(Seri-al Peripheral Interface) 特别适合I/O口资源紧张的系统使用。1、TLC2543的引脚及功能TLC2543是12位开关电容逐次逼近模数转换器12。有多种封装形式，其中DB、DW 或N封装的管脚图见图2.9VCC：正电源端，一般接+5V。GND：正电源地。REF+：正基准电压端，一般接+5V。REF-：负基准电压端，一般接地。AIN0AIN10，11路模拟量输入引脚。：片选端，由高到低有效，由外部输入。EOC：转换结束端，向外部输出。I0 CLOCK：控制输入输出的时钟，由外部输入。DATA INPUT：控制字输入端，用于选择转换及输出数据格式。DATA OUT：AD转换结果的输出端。图2.9 TLC2543管脚图TLC2543性能特点：（1）12位分辨率。（2）11个模拟输入通道。（3）线性误差1LSB MAX。（4）采样率为66kbps。（5）输出数据单极性或双极性、数据长短、MSB或LSB前导可编程。（6）正常温度范围内10Ws转换时间。（7）自动采样与保持。（8）片内系统时钟。（9）三种内置自测试方式。（10）转换结束信号EOC。2、TLC2543的使用方法（1） 控制字的格式控制字为从DATA INPUT端串行输入的8位数据，它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。其中高4位(D7D4)决定通道号。对于0通道至l0通道，该4位分别为00001010H，当为10111101时，用于对TLC2543的自检，分别测试( REF+ REF-)2、 REF-、 REF+的值，当为1110时，TLC2543进入休眠状态。低4位决定输出数据长度及格式。其中D3、D2决定输出数据长度，0l表示输出数据长度为8位，11表示输出数据长度为16位，其他为12位。D1决定输出数据是高位先送出，还是低位先送出，为0表示高位先送出。D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码)，若为单极性，该位为0，反之为111。（2）转换过程TLC2543工作在12位数据方式的时序图如图2.10示上电后，片选必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器的内容是随机的。开始时，片选为高，I/O CLOCK、DATA INPUT被禁止，DATA OUT呈高阻状态，EOC为高。使 变低，I/O CLOCK、DATA INPUT使能，DATA OUT脱离高阻状态。12个时钟信号从I/O CLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATA INPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATA OUT一位一位地移出。TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换完成后EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。此后，可以进行新的工作周期。图2.10 TLC2543工作在12位数据方式的时序图（3）TLC2543与单片机的接口由于ATmega16的内部SPI接口的循环移位寄存器是8位的，SPI的IO时钟无法实现12个时钟脉冲，要么8个要么16个。因此，使用模拟12位SPI接口与TLC2543通信。图2.11图2.11 TLC2543与单片机的接口2.2.4 显示电路由于，本系统的参数较多和I/O接口紧张，显示器最终选用液晶显示器TC1602A。图2.12为1602的引脚图，表2-1为TC1602A的引脚说明图2.12 1602的引脚图表2.1 TC1602引脚接口说明引脚标号功能说明 备注1Vss逻辑负电源输入引脚，0V2Vdd逻辑正电源输入引脚，+5V 3VoLCD驱动电源输入引脚，大小可调LCD显示对比度一般接0V4RS数据/指令寄存器选择引脚 RS=“H” ：数据D0-D7 与数据寄存器通信 RS=“L” ：数据D0-D7 与指令寄存器通信 5R/W读/写选择引脚 高电平：读数据 低电平：写数据 若不须要读操作功能，该引脚可直接接地 6E读写使能引脚 高电平有效，下降沿锁定数据 714D0D78 位数据线引脚4 位总线模式下，D0D3 引脚断开 15A背光电源输入引脚，+5V不带背光的模16K背光电源输入引脚，0V 块无此引脚由于，I/O资源的紧张显示器与单片机的接口，本系统采用高四位4线通信法。如图2.12所示图2.12 显示器与单片机接口电路 液晶显示接口电路2.2.5 串行通信电路由于单片机采用的是TTL电平，即逻辑“1”为5V，逻辑“0”为0V，因此为了实现单片机和计算机之间的通信，必须进行RS-232和TTL接口之间的电平转换。常用的实现TTL电平和RS-232C电平转换的芯片有MAXIM公司的MAX232和Intersil公司的ICL232等。二者在功能和引脚上是兼容的。本系统最终采用MAX232作为单片机和计算机之间的通信芯片。图2-13为RS-232的芯片引脚图。图2.14为单片机和计算机通信电路图图2.13 MAX232引脚图 串口通讯接口电路2.2.6 温度控制电路温度控制电路主要由光电耦合器和可控硅组成，如图2.15所示。单片机发出控制信号（PWM）经驱动器后控制光电耦合器的工作状态。当光电耦合器工作后，使双向可控硅的触发极处于高电平，可控硅处于导通状态，进而控制加热棒的工作。系统使用双向可控硅，交流电的220V电压在全周期内都能够加载在加热棒上。使用光电耦合器能够有效地降低外界对系统的影响，增强了系统的稳定性。其中光电耦合器采用MOC3401，可控硅采用BT138-800，其耐压为800V13。图2.15 温度控制电路2.2.7 键盘电路键盘是计算机系统中最常用的输入设备，用户可以通过它