单片机控制温度加热系统设计毕业论文.doc

单片机控制温度加热系统设计毕业论文目录第一章绪论11.1 课题的意义11.2 国内外研究状况和发展趋势11.2.1温度检测技术简介11.2.2温度检测技术的发展31.3 课题的研究方案41.3.1 课题的主要研究的内容41.3.2用单片机实现其具体控制功能4第二章方案论证52.1题目分析52.2总体方案选择52.2.1方案一热敏电阻加A/D52.2.2方案二数字传感器52.3硬件电路方案的选择62.3.1显示器的选择62.3.2温度传感器的选择62.3.3单片机的选择72.3.4按键电路的设计72.3.5固态继电器的选择82.4软件方案选择10第三章硬件电路设计113.1硬件系统框图113.2 AT89C51功能简述113.2.1 主要特性113.2.2特性概述123.2.3 芯片擦除123.2.4 89C51管脚说明133.3 EPROM2764功能简述153.4 RAM6264功能简述163.5 74LS373功能简述173.6 温度传感器DS18B20的工作原理183.6.1 DS18B20的概述183.6.2 DS18B20的主要特性183.6.3 DS18B20的工作过程193.6.4 DS18B20的测温原理203.6.5温度检测电路设计223.7 时钟电路223.8复位电路233.9显示电路253.9.1 移位寄存器芯片74LS164253.9.2 七段LED数码管263.10 加热主电路273.11系统电源283.12 报警电路28第四章 PID控制算法304.1 控制算法PID的原理和特点304.2 控制算法PID的优点314.3 控制算法PID的参数整定33第五章软件系统流程图345.1 主程序流程345.2 DS18B20的度温度子程序流程355.3 PID算法子程序365.4 键盘程序37总结38致谢39参考文献40附录1：程序清单42附录2：系统原理图55第一章绪论1.1 课题的意义现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、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。采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。1.2 国内外研究状况和发展趋势1.2.1温度检测技术简介一、随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的方法种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法1：1.利用物体热胀冷缩原理制成的温度计，利用此原理制成的温度计大致分成三大类。（1）玻璃温度计，它是利用玻璃感温包内的测温物质(水银、酒精、甲苯、煤油等)受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的；（2）双金属温度计，它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在上一起制成的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片，由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度；（3）压力式温度计，它是由感温物质(氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等)随温度变化，压力发生相应变化，用弹簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。2.利用热电效应技术制成的温度检测元件利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用的热电偶有以下几种。（1）镍铬-镍硅，型号为WRN，分度号为K，测温范围0-900，短期可测1200。（2）镍铬-康铜，型号为WRK，分度号为F，测温范围0-600，短期可测800。（3）铂铑-铂，型号为WRP，分度号为S，在1300以下的温度可长期使用，短期可测1600。（4）铂铑30铂铐6，型号为 WRR，分度号为B，测温范围300-1600，短期可测1800。3.利用热阻效应技术制成的温度计用此技术制成的温度计大致可分成以下几种。（1）电阻测温元件，它是利用感温元件（导体）的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有铂热电阻(分度号为Pt100、Pt10两种)和铜热电阻(分度号有Cu50、Cu100两种)。（2）导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大负温度系数，也就是说温度升高时，其阻值降低。（3）陶瓷热敏元件，它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制作而成的热敏元件，常称为PCT或NCT热敏元件。PCT热敏元件分为突变型及缓变型二类。突变型PCT元件的温阻特性是当温度达到顶点时，它的阻值突然变大，有限流功能，多数用于保护电器。缓变型PCT元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大，起温度补偿作用。NCT元件特性与PCT元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值减小。二、近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。1.晶体管温度检测元件半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大12个数量级，二级管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。2.核磁共振温度检测器所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温度检测器。这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可作理想的标准温度计之用。3.信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表现代工业过程自动化系统是现场总线控制系统，它是信息技术进入工业自动化后出现的新一代的自动控制系统。现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。所有的现场仪表均接到现场总线上。在这样的系统中，通常不应使用各种不同输出的温度计，必须将输出转变成统一的电信号，这样“温度计”就变成了“温度变送器”。在现场总线控制系统中的温度变送器主要是热电偶变送器和热电阻变送器，也有辐射温度变送器。1.2.2温度检测技术的发展生产管理一体化、网络化是当今工业自动化控制领域的大趋势，要实现这些功能，必须借助于工业计算机、现场网络及开放的工业数据库。利用先进技术手段监测各种复杂生产环境的被控参数（如温度、流量及压力等），使生产和管理一体化，可以有效地提高生产和管理的自动化水平。温度追踪测量（也可以称作是温度分布测定技术）是一种利用微机来实现数据采集、数据通讯传输和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中记录和说明热加工产品与空气温度关系的技术，追踪测量得到的数据被显示为图表或数字。这个过程最简单的形式就是它可以告诉生产者所生产的产品的温度、保持这个温度有多长时间以及在什么时间达到了什么温度。通过分析数据，生产人员可以保证产品达到最好的质量、解决产品存在问题、优化生产工艺路线及节约能耗。1.国内外温度检测技术动向 (1)扩展检测范围现在工业上通用的温度检测范围为-2003000，而今后要求能测量超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如10K以下的温度检测是当前重点研究课题。 (2)扩大测温对象温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。(3)发展新型产品利用以前的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。2.国内外温度检测发展趋势根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展：(1)继续生产量大面广的传统的温度检测元件，如:热电偶、热电阻、热敏电阻等。(2)加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。如近来已经开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。(3)向智能化、集成化、适用化方向发展。新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展，向机电一体化方向发展。1.3 课题的研究方案1.3.1 课题的主要研究的内容本次所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。水箱水温控制部分，提出了用DS18S20、AT89C51单片机及LED的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。而炉内温度控制部分，采用一套PID闭环负反馈控制系统，由DS18S20检测炉内温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在LED中显示。控制器是用89C51单片机，用PID算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点2-1，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS18S20都有唯一的产品号，可以一并存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS18S20供电，而且不需要额外电源。同时DS18S20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。1.3.2用单片机实现其具体控制功能 1.用单片机AT89C51控制，能够连续测量水的温度值，用十进制数码管来显示水的实际温度。 2.能够设定水的温度值，设定范围是小于等于100度 3.温度控制精度：设定值1度第二章方案论证2.1题目分析利用单片机结合温度传感器实现对水温进行控制，加热范围：T=10100，控制精度：1，加热功率:P=5kw,择相应的控制算法。2.2总体方案选择2.2.1方案一热敏电阻加A/D测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。2.2.2方案二数字传感器在温控系统中，直接采用数字传感器DS18B20，由于它体积更小、适用电压更宽、更经济现场温度直接以“一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，系统里安放一个DS18B20悬挂于水箱中间.通过这这个回馈温度与设定温度相比较得到偏差，后输出控制脉冲，该控制脉冲经过触发三极管，使之触发，使固态继电器导通，程序控制同步触发脉冲的来临时间，从而控制继电器的通断时间，以达到对电热阻丝温度的调节和功率的改变实现对水的恒温和升温控制。系统硬件电路由温度检测、单片机与键盘/显示器、固态继电器控制电路等部分组成如图2-1所示。图2-1系统的控制方案框图综上所述的两种方案，该设计选用方案二比较合适。2.3硬件电路方案的选择2.3.1显示器的选择LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势已取消到该网页的导航。利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器2-2，而具体对比如下：1、LED与LCD的功耗比大约为1:10，LED更节能。2、LED拥有更高的刷新速率，在视频方面有更好的性能表现。 3、LED提供宽达160的视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动画信息，可以播放电视、录像、VCD、DVD等彩色视频信号。 4、LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。综上所以用LED作为显示器2.3.2温度传感器的选择（1）数字温度传感器典型的数字温度传感器如DS18B20，该传感器主要特性如下：1.数据线供电是寄生电源方式下的供电方式，电压适应的范围更宽，电压范围：3.05.5V；2.DS18B20在和微处理器的连接仅仅需一条总线即就可以实现DS18B20和微处理器双向的通信，它的单线接口方式十分特殊；3.DS18B20可以支持多个点的组网功能，多个DS18B20可并联的在唯一的总线上，能够实现组网的多点测温；4.转换的电路及全部传感器元件就像一只三极管集成在的集成电路内，DS18B20在使用的时候不需要任何的外围元件；5.在-10+85时精度为0.5，测温范围55+125；6.可分辨温度依次为0.5、0.25、0.125和0.0625，相对应的可以编程的分辨率是912位，可实现高精度测温；7.12位分辨率时最多在750毫秒内把温度值转换为数字，在9位分辨率时最多在93.75毫秒内把温度转换为数字，速度更快8.负压特性：接反电源的极性时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作（2）热电阻温度传感器热电阻的测量精度高,性能稳定,使用方便,测量范围宽,在高精度、低温测量中占有重要的地位。热电阻传感器主要用于中低温度(-200+650或850)范围的温度测量。常用的工业标准化热电阻有铂热电阻和铜热电阻。铂电阻传感器是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。以铂电阻作为测温元件进行温度测量的关键是要能准确地测量出铂电阻传感器的电阻值。铂电阻具有适用范围广、测量范围大、稳定性高、重复性好、价格低廉、使用方便等优点，成为目前工业和实验室中温度测量应用最广泛普遍的传感元件之一，工业中应用较多的热电阻传感器如Pt100。（3）两种方案的选择对比上述两种方案，虽然Pt100的测量温度范围比较大，但是由于其测温原理是电阻值随着温度的改变而改变，需要设计非常优良的温度采集电路，其中应包括测温部分，线性化部分，放大部分，A/D转换部分，这就会使外围的电路更加复杂。DS18B20是数字式温度传感器，只需一根总线就可以与单片机通信，是外围的电路大大简化，测量的精度更准确。因此本控制器的设计中，温度传感器拟选择DS18B20作为温度采集传感器2.3.3单片机的选择本次设计采用的是AT89C51型号单片机，AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年2-3。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积, 增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k, 四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且写入时间仅10毫秒, 仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89C51芯片提供三级程序存储器锁定加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段, 能完全保证程序或系统不被仿制。另外,AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点3。1288位内部RAM, 32 位双向输入输出线, 两个十六位定时器/计时器, 5个中断源, 两级中断优先级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的, 当外围器件仍然处于工作状态时, CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态, 内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限, 当振荡器停止振动时, CPU停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变, 一直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。2.3.4按键电路的设计单片机检测按键的原理：单片机的I/O口即可以作为输出也可以作为输入使用当该检测按键使用的是它的输入功能，我们把按键的其中一端接地，另一段与单片机的I/O口相连，开始时先给I/O口赋一个高电平，然后让单片机一直不断循环检测该I/O口是已经否变为了低电平，若是按键闭合，就相当于此I/O口通过按键接地了，变成低电平，程序如果检测到I/O口变为了低电平就说明该按键已被按下，然后就执行相应的指令和程序1.矩阵式键盘接口矩阵式键盘（也称行列式键盘）适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交点上。一个33的行列结构可以构成一个有9个按键的键盘。同理，一个44的行列结构可以构成一个16键的键盘，很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。按键设置在行列线交点上，行列线分别接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平，列线电平如果为高电平，则行线电平为高电平。这是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行列线为多键公用，各按键均影响该键所在行列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来比做适当的处理，才能确定闭合键的位置，本系统只用到四个按键不予选择。2.独立式按键接口独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。由于本系统只用到了四个按键所以选择这种按键方式即可。综上所述本次设计键盘共有4个键，采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计，当某个键按下的时候低电平有效，四个键分别为K1K4。K1复位键，K2功能转换键，K3加一键，K4减一键。2.3.5固态继电器的选择本设计中采用的是固态继电器（SSR）是一种无触点通断功率型电子开关，又称固态开关。固态继电器的主要特点有：输入功率小：由于其输入端是采用的光电耦合器，其驱动电流仅需几毫安便能可靠地控制，所以直接用TTL、HTL、CMOS等集成驱动电路控制。高可靠性：由于其结构上无可动触部件，且采用全塑料密闭式封装，所以SSR开关时无抖动和回跳现象，无机械噪声，同时能耐潮、耐振、耐腐蚀；由于无触点火花，可用在有易燃易爆介质的场合。低电磁噪声：交流型SSR在采用了过零触发技术后，电路具有零电压开启、零电流关断的特性，可使对外界和本系统的射频干扰减低到最低程度。能承受的浪涌电流大：其数值可为SSR额定值的610倍。对电源电压适应能力强：交流型SSR的负载电源可以在30220V范围内任选。抗干扰能力强：由于输入与输出之间采用了光电隔离，割断了两者的电气联系，避免了输出功率负载电路对输入电路的影响。另外又在输出端附加了干扰抑制网络，有效地抑制了线路中dV/di和di/dt的影响。综合以上的特点，系统采用交流-过零-常开式固态继电器。过零触发型ACSSR为四端器件，其内部电路如图2-2所示。1、2为输入端，3、4为输出端。R0为限流电阻，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开，V1构成反相器，R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路，UR为双向整流桥，由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲，R3、R7为分流电阻，分别用来保护V3和V4，R8和C组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。图2-2SSR内部机构图要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处，而一般是指在1025V或-(1025)V区域内进行触发，如图2-3所示。图中交流电压分三个区域，区为-10V+10V范围，称为死区，在此区域中加入输入信号时不能使SSR导通。区为1025V和-(1025)V范围，称为响应区，在此区域内只要加入输入信号，SSR立即导通。区为幅值大于25V的范围，称为抑制区在此区域内加入输入信号，SSR的导通被抑制。、图2-3过零固态继电器的波形当输入端未加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止，V1饱和，V3和V4因无触发电压而截止，此时SSR关闭。当加入输入信号时，光耦合器中的发光二极管发光，光敏晶体管饱和，使V1截止。此时若V3两端电压在-(1025)V或1025V范围内时，只要适当选择分压电阻R4和R5，就可使V2截止，这样使V3触发导通，从而使V4的控制极上得到从R6URV 3URR7或反方向的触发脉冲，而使V4导通，使负载接通交流电源。而若交流电压波形在图2-3中的区内时，则因V2饱和而抑制V3和V4的导通，而使SSR被抑制，从而实现了过零触发控制。由于1025V幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就将过零电压粗略地定义为025V，即认为在此区域内，只要加入输入信号，过零触发型ACSSR都能导通。本系统当固态继电器有控制信号输入时，过零触发型固态继电器总是在交流电源电压为零附近使双向可控硅导通。在设定的周期范围内，将双向可控硅接通几个周波，然后断开几个周波，通过改变双向可控硅在设定周期内通断时间的比例改变加热功率，实现水温的自动控制2.4软件方案选择当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关键的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID（比例（proportion）、积分（integral）、导数（derivative）控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。所以本次设计采用传统的PID控制，比较实际温度和水温得到的偏差，通过对偏差的处理获得控制信号来调节固态继电器，通过继电器的通断实现对加热系统的控制，从而调节水温度。第三章硬件电路设计3.1硬件系统框图根据温度控制系统的功能，系统的硬件系统结构如图3-1所示：图3.1硬件系统框图3.2 AT89C51功能简述AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable andErasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次4-1。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.2.1 主要特性1）.与MCS-51 兼容2）.4K字节可编程闪烁存储器3）.寿命：1000写/擦循环4）.数据保留时间：10年5）.三级程序存储器锁定6）.1288位内部RAM7）.32可编程I/O线8）.两个16位定时器/计数器9）.5个中断源10).可编程串行通道11).低功耗的闲置和掉电模12).片内振荡器和时钟电路13).全静态工作：0Hz-24MHz3.2.2特性概述AT89C51 提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51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。掉电方式保存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到下一个硬件复位5.3.2.3 芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式4-2。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片工作，直到下一个硬件复位为止。3.2.4 89C51管脚说明 AT89C51管脚图如3-2所示：图3-2 AT89C51管脚图1）.VCC：供电电压。2）.GND：接地。3).P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。4).P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。5).P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。6).P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。7).P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管脚备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。8).RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。9).ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。10)./PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。11)./EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。12).XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。13).XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出6。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.3 EPROM2764功能简述常见的EPROM芯片有Intel2761（2K*8）、2732（4K*8）、2764（8K*8）、27128（16K*8）、27256、27512。2764是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。各引脚的含义为：A0-A12为13根地址线，可寻址8K字节；O0-O7为数据输出线；CE为片选线；OE为数据输出选通线；PGM为编程脉冲输入端；Vpp是编程电源；Vcc是主电源。正常工作（只读）时，Vpp=Vcc=+5V,PGM=+5V。编程时，Vpp+25V（高压），PGM端加入宽度为50ms的负脉冲。EPROM电路：EPROM 2764的外部引线如图3-3所示。这是一块8K8bit的EPROM芯片，它的引线与SRAM芯片6264是兼容的。这给使用者带来很大方便。因为在软件调试过程中，程序经常需要修改，此时可将程序先放在6264中，读写修改都很方便。调试成功后，将程序固化在2764中，由于它与6264的引脚兼容，所以可以把2764直接插在原6264的插座上。这样，程序就不会由于断电而丢失。l下面介绍2764各引脚的含义: A0一A12：13根地址输入线。用于寻址片内的8K个存储单元。 D0D7：8根双向数据线，正常工作时为数据输出线。编程时为数据输入线。 OE：输出允许信号。低电平有效。当该信号为0时，芯片中的数据可由D0D7端输出。 CE：选片信号。低电平有效。当该信号为0时表示选中此芯片。 PGM:编程脉冲输入端。对EPROM编程时，在该端加上编程脉冲。读操作时该信号为1。 VPP：编程电压输入端。编程时应在该端加上编程高电压，不同的芯片对VPP的值要求的不一样，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V等。说明：EPROM的一个重要优点是可以擦除重写，而且允许擦除的次数超过上万次。一片新的或擦除干净EPROM芯片，其每一个存储单元的内容都是FFH。要对一个使用过的EPROM进行编程，则首先应将其放到专门的擦除器上进行擦除操作。擦除器利用紫外线光照射EPROM的窗口，一般经过1520min即可擦除干净。擦除完毕后可读一下EPROM的每个单元，若其内容均为FFH，就认为擦除干净了。图3-3 芯片2764引脚图3.4 RAM6264功能简述（1）Intel 6264的特性及引脚信号如图3-4所示：Intel 6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造。 A12A0（address inputs）：地址线，可寻址8KB的存储空间。D7D0（data bus）：数据线，双向，三态。（output enable）：读出允许信号，输入，低电平有效。（write enable）：写允许信号，输入，低电平有效。（chip enable）：片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。CE2（chip enable）：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。VCC：+5V工作电压。GND：信号地。（2）Intel 6264的操作方式Intel 6264的操作方式由, CE2的共同作用决定。写入：当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7D0写入被选中的存储单元。读出：当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7D0上。保持：当为高电平，CE2为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。图3-4 6264引脚图3.5 74LS373功能简述74LS373是一款常用的地址锁存器芯片，由八个并行的、带三态缓冲输出的D触发器构成，具体如图3-5所示。在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74LS373芯片。(1).1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);(2).当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态.（3）.锁存端LE由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到LE端再次有效。当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。图3-5 74L373引脚图3.6 温度传感器DS18B20的工作原理3.6.1 DS18B20的概述DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易配微处理器等优点，可直接将温度转化成数字信号处理器处理7。测量的温度范围是55125，测温误差0.5。可编程分辨率912位，对应的可分辨温度分别为0.5，0.25，0.125和0.0625。相较热电偶传感器而言可实现高精度测温。对热电偶温度传感器来说该项目实现的过程为：靠光敏电阻检测光照的大小，光的改变最终改变电阻的大小，给电阻外加一个电压，就改变了电压的大小，再用PCF8951AD转换器件检测电压的变化并转换为数字信号，再传到单片机上作一定的处理后去控制相应的数码管显示出当时的温度。而对DS18B20来说过程则简单的多了，热电偶电阻传感器一直到单片机之前的部分都可以用一个DS18B20来代替了，真正的实现了数字化。单片机后面的部分则两者是一样的！DS18B20与热电阻温度传感器相比价格上，来说要贵出很多！所以在温度的测量精度要求不是很高的话可以选择热电阻温度传感器，实验者应则情而定。3.6.2 DS18B20的主要特性 1).适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电 2).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 3).DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温 4).DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 5）.温范围55+125，在-10+85时精度为0.5 6).可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温 7).在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快 8).测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 9).负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.6.3DS18B20的工作过程DS18B20控制方法（DS18B20有六条控制命令）8：温度转换44H启动DS18B20进行温度转换读暂存器BEH 读暂存器9位二进制数字写暂存器4EH 将数据写入暂存器的TH、TL字节复制暂存器48H 把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中重新调E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节读电源供电方式B4H 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU 1.初始化（1）先将数据线置高电平“1”。（2）延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）（3）数据线拉到低电平“0”。（4）延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。（5）数据线拉到高电平“1”。（6）延时等待（如果初始化成功则在15到60微妙时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。（7）若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。（8）将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。2.写操作（1）数据线先置低电平“0”。（2）延时确定的时间为15微秒。（3）按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。（4）延时时间为45微秒。（5)将数据线拉到高电平。（6）重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。（7）最后将数据线拉高。3. 读操作（1）延时2微秒。（2）将数据线拉低“0”。（3）延时3微秒。（4）将数据线拉高“1”。（5）延时5微秒。（6）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。（7）延时60微秒3.6.4DS18B20的测温原理DS18B20的内部结构 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3-6所示。DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）9。图3-6 DS18B20的引脚图DS18B20输出的温度数据是以摄氏度为单位进行校准的10；对于以华式为单位的应用，必须查表或进行转换。温度数据是以16位符号扩展的二进制补码的形式存储在温度寄存器中。信号位表示温度为正或为负；为正S=0而为负S=1。如果DS18B20设置为12位分辨率，则温度寄存器中所有位都含有有效数