单片机课程设计.doc

1 2011 2012 学年学年 第第 2 学期学期 单片机应用技术单片机应用技术 课课 程程 设设 计计 报报 告告 题题 目 目 数字式温度控制仪设计数字式温度控制仪设计 专专 业 业 自动化自动化 班班 级 级 自动化自动化 姓姓 名 名 指导教师 指导教师 电气工程系 2012年 4 月 28 日 任务书任务书 课题名称课题名称 指导教师 职称 指导教师 职称 执行时间执行时间2011 2012 学年第学年第 2 学期学期 第第 10 周周 学生姓名学生姓名学号学号承担任务承担任务 2 画总体电路图画总体电路图 显示电路显示电路 A D 转换电路转换电路 加热电源控制电路加热电源控制电路 温度变送电路温度变送电路 键盘电路键盘电路 主程序流程图主程序流程图 采样程序流程图采样程序流程图 控制子程序流程图控制子程序流程图 显示子程序流程图显示子程序流程图 设计目的设计目的 1 进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理 2 掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性 控制 方法 3 通过课程设计 掌握以单片机核心的电路设计的基本方 法和技术 了解有关电路参数的计算方法 4 通过程序设计和仿真 逐步掌握模块化程序设计方法和 仿真软件的使用 5 通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程 使 学生了解开发一单片机应用系统的全过程 为今后从事相 应打下基础 设计要求设计要求 1 通过数字传感器 Pt100 采集烧水炉中的当前温度值 并在 LED 数码管上显示出当前烧水炉内的温度值 1 2 2 设计键盘给定 通过按键给定要控制的烧水炉中的 目标温度 该设定值也可显示在 LED 数码管上 与测量值 轮流显示 3 4 3 设计控制电路 对烧水炉的通断电状态进行自动控 制 采用通断控制电路 控制占空比 实现 PWM 控制算法 使烧水炉中的温度稳定在设定值 5 6 4 控制参数 温度测量范围为 30 90 测量精度为 0 5 控制精度 3 3 摘摘 要要 此次设计的数字数温度控制仪是以 AT89C51 单片机为控制核心 通过 PT100 热电阻来采集烧水炉内的温度值 所采集到的电压模拟信号经过放大处 理后在进行 A D 转换 最后送入单片机并通过 LED 数码管显示出来 同时该控 制系统可以通过控制电路来对加热炉的电源进行通断控制 从而使烧水炉中的 温度稳定在设定值的范围内 控制系统包括 信号放大电路 复位电路 时钟 电路 LED 显示电路 控制电路 键盘电路 数字式温度控制仪的硬件原理图如下 温度传感器 PT100 A D 转换器 LED 显示电路 烧水炉 AT89C51 复位电路 时钟电路 放大器 键盘 控制电路 4 目目 录录 第一章 系统硬件电路设计第一章 系统硬件电路设计 1 1 1 显示电路 1 1 2 A D 转换电路 1 1 3 加热电源的控制电路 2 1 4 温度变送电路 3 1 5 键盘电路 3 1 6 总体电路图 4 第二章 系统程序设计第二章 系统程序设计 5 2 1 主程序流程图 5 2 2 采样子程序流程图 5 2 3 控制子程序流程图 6 2 4 显示子程序流程图 7 2 5 程序清单 8 参考文献参考文献 11 5 0 第一章 系统硬件电路设计第一章 系统硬件电路设计 1 11 1 显示电路 显示电路 本系统采用四只共阳极的 LED 数码管显示所采集到的温度值 它的接口电 路如下所示 单片机的 P0 口作为数码管的数据位 用于输出要显示的温度值 即控制数码管的 a dp 端口 p2 4 p2 7 四个 I O 接口用作数码管的片选位来 控制数码管的公共极 其中三极管起到驱动的作用 增加 LED 数码管的亮度 便于观察 显示器的显示过程如下 CPU 向字段输出口 P0 口 送出字形码时 所有显示器接收到相同的字形码 但究竟是哪个显示器亮 则取决于 DPY 端 而这一端是由单片机的 P2 4 P2 7 四个 I O 接口控制的 动态显示尽管占用 CPU 的资源相对较多 但多个 LED 数码管可以共用八个 I O 接口 不存在 I O 接口浪费的现象 可以有效地降低成本 基于此考虑 该控制系统采用动态扫 描的显示方式 1 21 2 A DA D 转换电路 转换电路 由于温度传感器采集到的是模拟电压信号 而计算机只能识别数字信号 因此必须经过 A D 转换 将采集到的模拟信号转换为数字信号才能通过 LED 数 码管显示 目前市场上面可选择的 A D 芯片众多 此次我们选用 TI 公司推出的低能耗 易 使用的 TLC549CP 芯片作为 A D 转换器 它是以 8 位开关电容逐次逼近的 A D 转 1 换器为基础而构造的 CMOS 型 A D 转换器 TLC549CP 具有一个模拟输入端口和 一个三态的数据串行输出接口 可以方便地与微处理器和外围设备连接 它仅 仅使用输入 输出时钟和芯片选择输入作为数据控制 其最高的 I O CLOCK 频率 为 1 1MHz I O CLOCK 和内部系统时钟可以实现高速数据传送 TLC549CP 每秒 可实现 40000 次转换 A D 转换电路如下图所示 1 31 3 加热电源的控制电路 加热电源的控制电路 该电路通过对加热炉电源的通断进行控制 可以达到控制加热炉加热升温的 目的 从而保证加热炉的温度可以稳定在设定值的范围内 继电器是一种当输入量 电 磁 声 光 热 达到一定值时 输出量将发生 跳跃式变化的自动控制器件 广泛应用于电力保护自动化运动遥控测量和通讯 等装置中 目前控制系统中比较广泛采用的是固态继电器 固态继电器具有寿 命高 灵敏度高 快速转换 电磁干扰小的优点 所以我们选用 S220ZK 型固态继 电器来控制电源的通断 它是一种直流输入交流输出型继电器 输入电压是 4 31V 输出端可以接入 40 280V 的交流电压 这些均满足系统的设计要求 具体电路如下 2 1 41 4 温度变送电路 温度变送电路 温度是一个基本的物理量 自然界中一切过程无不与温度密切相关 温度 传感器最早开发的 应用最广的一类传感器 在一般的工业控制系统中 热电 阻用的比较广泛 在该控制系统中温度传感器的主要作用是检测烧水炉内温度 及其变化情况 基于上述分析选用铂电阻 Pt100 热电阻作为温度传感器 Pt100 的电阻值随温度的变化而变化 并具有良好的重现性 Pt100 接入电路的方式 一般有两线制 三线制和四线制 为了减小误差我们选用三线制 由于温度传感器采集到的模拟电压信号较弱且线性度不好 所以必须先经 过放大才能进行 A D 转换 信号放大芯片的种类较多 考虑到方便问题 我们 选用 LM324N 作为模拟量放大芯片 温度变送电路如下 1 51 5 键盘电路 键盘电路 键盘是一组按键的集合 它是最常用的单片机输入设备 通过键盘输入数 据或命令 实现简单的人机对话 键盘可以分为独立式和矩阵式 独立连接式键盘是最简单的连接电路 每个按键独立的接入一根数据线 平时所有的数据输入线都被连接成高电平 当任何一个键按下时 与之相连的数 据输入线将被拉成低电平 要判断是否有键按下 只要用位处理指令即可 这 种键盘的优势是结构简单 使用方便 但随着键数的增加 I O 口线也增加 矩阵式键盘 也就是所讲的行列式键盘 由行线和列线组成 按键位于行 列的交叉点上 行列分别连接到按键开关的两端 行线通过上拉电阻接到高电 平 无按键动作时 行线处于高电平状态 有按键下按下时 交点的行线和列 线接通 行线电平状态将有与此行线相连的列线电平决定 如果列线电平低 3 则行线电平低 如果列线电平高 则行线电平也高 这一点是识别矩阵键盘按 键是否被按下的关键所在 由于矩阵键盘中的行 列线为多键共用 各按键均 影响该键所在的行和列的电平 所以必须将行列线信号配合起来作适当的处理 才能确定闭合键的所在位置 矩阵式键盘节约了很多 I O 口 适用于按键数量 较多的场合 该控制系统的 2 2 键盘即采用矩阵式键盘 如下图所示 1 61 6 总体电路图 总体电路图 4 第二章 系统程序设计第二章 系统程序设计 2 12 1 主程序流程图 主程序流程图 系统的主程序包括系统的初始化子程序 采样子程序 显示子程序 控制 子程序等 主程序流程图如下所示 2 22 2 采样子程序流程图 采样子程序流程图 这是该控制系统软件设计中心比较核心的一个子程序 他涉及定时器的定时 A D 转换 调温对照表等环节 采样子程序流程图如下图所示 开始开始 初始化子程序初始化子程序 采样子程序采样子程序 控制子程序控制子程序 显示子程序显示子程序 开始 定时器 T0 初始 化 TO 定时开始 5 N Y N Y 2 32 3 控制子程序流程图 控制子程序流程图 当需要将烧水炉的温度稳定在某一设定值的范围时 这就需要设计一个控制电 路来对电源进行控制 从而实现加热炉的间歇性加热 控制子程序流程图如下 图所示 Y N Y N A D 转换完成 A D 转换一次 T0 定时到 比对温度对照表 输出温度值 temp 返回 开始 取温度采样值 temp 关断电源 接通电源 返回 小于设定值 大于设定值 6 2 42 4 显示子程序流程图 显示子程序流程图 该系统的 LED 显示根据实际需求采用的是动态的现实方法 这样可以节省 I O 接口资源 显示子程序流程图 如下图所示 N Y N Y 开始 取温度采样值 temp 通选百位 LED Temp 10 延时 百位 LED 显示 关断百位显示 Temp 10 百位置零 延时 Temp 10 通选十位 LED 十位 LED 显示 关断十位显示 关断个位显示 延时 个位 LED 显示 个位置零 Temp 10 通选个位 LED Temp 10 7 2 52 5 程序清单 程序清单 中断用来显示 1000msAD 转换一次 include reg52 h include intrins h sbitP27 P2 7 sbitP26 P2 6 sbitP25 P2 5 sbitP24 P2 4 unsigned int disp val 无符号整型变量作显示缓冲 unsigned charpoint 无符号字符型变量作小数点标志 point unsigned char temp 温度值 const unsigned char code NUM 10 0 xC0 0 xF9 0 xA4 0 xB0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xF8 0 x80 0 x90 const unsigned char code tem 80 0 1 2 4 5 6 8 9 11 13 15 16 18 19 20 22 23 25 26 27 29 30 21 32 33 34 36 37 39 40 41 43 44 46 47 48 50 51 53 54 56 57 58 60 61 63 64 65 67 68 70 71 72 74 75 77 78 80 81 82 83 84 85 87 88 90 91 92 94 95 97 98 100 ad 转换值与温度对照表 const code DIS BIT 4 0 x7F 0 xEF 0 xDF 0 xBF 4 位数码管位码 个十百千 AD 转换 START sbit CS P1 0 sbit IOCLK P1 1 sbit DATAOUT P1 2 unsigned int ms500 0 void time0 void interrupt 1 T0 定时中断服务程序 static unsigned char bit n 0 TH0 2000 256 TL0 2000 256 if bit n 4 bit n 0 switch bit n case 2 P2 0 xff P0 NUM temp 100 否则仅百位数码管显示 8 P2 DIS BIT 2 选中百位数码管 break case 1 P2 0 xff P0 NUM temp 10 否则仅十位数码管显示 P2 DIS BIT 1 选中十位数码管 break case 0 P2 0 xff P0 NUM temp 10 否则仅个位数码管显示 P2 DIS BIT 0 选中个位数码管 break ms500 AD 转换 END void adcon unsigned char count tmp i tmp 0 EX0 0 关外部中断 IOCLK 0 IOCLK 置低 CS 0 片选有效 nop 延时 1 4us for count 0 count 7 count IOCLK 1 if DATAOUT tmp tmp tmp 1 IOCLK 0 IOCLK 1 if DATAOUT tmp IOCLK 0 CS 1 temp tem tmp 184 for i 0 i 3 i nop 适当延时超过 17us EX0 1 void main void 9 TMOD 0 x01 定时器 T0 方式 1 TH0 2000 256 2ms 定时初值 晶振为 12 000MHz TL0