余芳毕业论文

. ;. 基于基于 AT89C51AT89C51 单片机温度控制系统设计单片机温度控制系统设计 摘摘 要要 随着电子科技的发展，温度控制在生活中的应用领域越来越广泛，同时在工业自动 化控制中占有非常重要的地位。同时随着 51 单片机的成熟和普及，51 单片机已经应用于 各行各业，从温度控制系统的发展来看，以单片机为核心构成的微机温度控制系统调节 装置己经成为主要的发展方向。它根据用户所需温度与设定温度之差值来控制温度，从 而达到改变用户所需温度的目的。有很多控制方案可选。首选方案就是 PID 控制。 本课题研究 AT89C51 芯片在温度控制系统中的应用，实现对温度的测量，并能根据 设定值对温度进行调节，实现温控的目的。本文简述了温度控制的原理，介绍了基于 AT89C51 单片机的检测系统的硬件设计，并说明了用模糊 PID 控制方法设计出的温度控 制的控制算法及其系统实现方法，实现对温度的检测，显示和报警功能。 关键词关键词：AT89C51 单片机 温度控制 PID 控制 . ;. The temperature control system based on the AT89C51 Abstract With the development of the electronic technology, the temperature control is widely used in the application areas of the life, and has the important station in the control of the automation industry. With the maturation and popularization of the 51 series single-chip, it has used in the every walk of life, From the development of the temperature control system, the main direction of development is micro-computer temperature control system device based on single-chip. It controls the temperature by the difference of the temperature the users need and the temperature set, so as to change the temperature to satisfy users. There are many control method to be selected. The first is PID control method. The task is to research the applications of AT89C51 chip in the temperature control system, measuring the temperature, and adjusting the temperature according to the set value, achieving the aim of the temperature control. The paper explains the principle of temperature control, introduces the hard design of detecting system based on single-chip AT89C51, and illustrates the way and algorithm by fuzzy PID control method to achieve temperature control, display and alarm. Keywords:AT89C51 ; monolithic computer; temperature control; PID control . ;. 目录 摘 要.I ABSTRACT .II 第一章 绪 论.1 1.1 选题背景和意义.1 1.2 温度控制系统的发展状况.2 1.3 PID 的发展.4 1.4 本文的主要设计工作.4 第二章 系统分析.6 2.1 系统介绍.6 2.2 PID 控制理论.7 2.2.1 模糊 PID 控制.9 2.3 系统开发环境.10 第三章 硬件电路设计.16 3.1 系统硬件设计.16 3.1.1 AT89C51 的芯片分析介绍.17 3.2 温度检测电路.22 3.2.1 传感器的选择.22 3.2.2 检测电路的设计.23 3.3 电源电路.24 3.4 显示电路.25 3.4.1 芯片介绍.26 3.4.2 LED 数码管简介.27 3.5 通信电路.30 3.6 继电器控制电路.31 第四章 软件设计.33 4.1 程序总体设计.33 4.2 系统各模块设计.40 4.2.1 键盘管理模块.40 4.2.2 显示模块.42 4.2.3 温度检测模块.42 4.3 本章小结.45 . ;. 第五章 总结和展望.46 参考文献.47 致谢.50 附录 部分驱动程序.51 . ;. 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 选题背景和意义选题背景和意义 温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程 中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、 速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。 我们都知道温度在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等部分 中，都是最基本的检测参数之一，特别是化学工业自动化系统中，一般温度检测占全部 检测点的 50%以上，可见温度检测的重要性所在。而且在我们的日常生活中也使用微波 炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。另外在各高等院校的 实验室中，无不将温度作为被控参数，构成微机测控系统，供学生作综合实验或课程设 计。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有 必要和有意义的。 随着科学技术的不断发展, 各企业对温度检测技术提出了更高的要求，希望利用新的 检测方法，制造出适应性更强、精度更高、性能更稳定、并具有智能功能的新一代温度 检测仪表。目前，温度的自动控制系统大多采用的电子式控制方式，主要存在以下两个 明显缺点:采用的元器件比较落后，导致电路较为复杂，使用的逻辑元器件也较多，增 加了备件管理和维护工作的难度；由于系统整体比较复杂，同时模拟仪表的实现功能 的限制， 因此这些温度控制器都采用了最简单的控制规律，不能提供很好的控制性能。 综合以上的各种不利因素，我们认为此类控制系统己经无法满足日益提高的控制性能需 求，必须采用新的控制方式1。 现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小 型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行 速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系 统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个 如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的 快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，用在不需要大量复杂 运算的系统中是非常适合的。 . ;. 单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智 能化均离不开单片机的应用。单片机的体积小，价格便宜，功能也不断在提升，成为工 业技术改造和新产品开发较为理想的微控单元核心部件，在信号检测、工业过程控制、 智能仪器仪表、机电一体化系统、家用电器等众多领域都有着十分广泛的应用2。将单片 机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同 时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。 1.21.2 温度控制系统的发展状况温度控制系统的发展状况 温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日 常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源， 它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力 的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当 前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC 的温度控制系统， 基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS） ，现场总线控制系统 （FCS）等。 单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点， 已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的4位机发展到32位机，其性能进 一步得到改善。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。但相对其他温度系 统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。 PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如 逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组 件，控制各 种机械或工作程序。PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使 用，目前在工业领域上被广泛应用。相对于 IPC，DCS，FSC等系统而言，PLC是具有成 本上的优势。因此，PLC占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。 工控机（IPC）即工业用个人计算机。IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用 日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。过 去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉 的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模 型不易建立，以经典的PID为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。而计算机提供 了诸如数字滤波，积分分离PID，选择性PID。 参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊 . ;. 判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无法实现的。在工业锅炉温度检测控制系统 中采用工控机可大大改善对锅炉的监控品质，提高了平均热效率。但如果单独采用工控 机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。 集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中的新型控制系统。与常 规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。DCS的关键是通信，也可以说数据公 路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此， 数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。基本DCS的温度控制系统提供了生 产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率。但 DCS在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带 电插拔，由于设计上的高要求，导致了DCS成本太高。 现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络 技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基于总线控 制系统（FCS）的温度控制系统具有高精度、高智能、便于管理等特点，FCS系统由于信 息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而且它可以对现场装置(含变 送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的。但是FCS还没 有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，目前现场总线的国际标准共有 12种之多，这给FSC的广泛应用添加了很大的阻力。 各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在 实际运用中，为了达到更好的控制系统可以采取多个系统的集成，做到互补长短。 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有着较大差距。成熟 产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于 控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应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，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较 多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的 自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速， 并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领 先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应 用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。 . ;. 1.31.3 PIDPID 的发展的发展 PID 的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。 自 ziegler 和 Nichol:提出 PID 参数整定方法起，有许多技术已经被用于 PID 控制器的 手动和自动整定。根据发展阶段的划分，可分为常规 PID 参数整定方法及智能 PID 参数 整定方法;按照被控对象个数来划分，可分为单变量 PID 参数整定方法及多变量 PID 参数 整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点；按控制量的 组合形式来划分，可分为线性 PID 参数整定方法及非线性 PID 参数整定方法，前者用于 经典 PID 调节器，后者用于由非线性跟踪微分器和非线性组合方式生成的非线性 PID 控制器。从目前 PID 参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段 时间内研究和实践的重点。 对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况 下的 PID 参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少 量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。 对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著藕合的多变量过程的多变量 PID 参数整定方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。 智能 PID 控制技术有待进一步研究，将自适应和自整定有机结合，使其具有自动 诊断功能;结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有 PID 控制器设 计思想及整定方法进行改进;将预测控制、模糊控制等智能控制和 PID 控制相结合，进一 步提高控制系统性能。这些都是智能 PID 控制发展的极有前途的方向。 1.41.4 本文的主要设计工作本文的主要设计工作 本文首先对基于AT89C51单片机温度控制系统进行整体设计，实现对温度的测量， 并能根据设定值对温度进行调节，达到温控的目的。系统主要包括单片机控制模块，温 度采集模块，温度显示模块和执行模块等四大部分。采用RS485串行通信协议，这里主要 介绍了这四大模块和电路的设计。然后完成软件设计，控制算法基于数字PID算法。本论 文考虑采用模糊PID控制。通过设计、研究，提高了温度控制系统的性能。 单片机控制模块即是指AT89C51，本设计是以计算机为控制系统的上位主机，负责 从键盘接收指令，由串行口输出后，再经过接口电路发送到单片机；AT89C51作为下位 控制，主用来接收和解释上位机发来的指令，控制温度在规定的范围内。即驱动电路的 . ;. 核心为：以AT89C51单片机为控制中心，一方面通过计算机通信设置，另一方面解释输 入指令并执行。 . ;. 第二章第二章 系统分析系统分析 2.12.1 系统介绍系统介绍 温度控制系统主要是实现对实时温度的控制以及显示，主要可以将系统规划为以下 几个模块，如图 2-1 所示。 图 2-1 系统结构框图 1.硬件部分 单片机控制部分是指 AT89C51 芯片，来控制主要的程序。温度显示模块采用传感器， 直接采集温度传入单片机。温度显示模块是来显示当前的温度值和所设定的温度值，采 用 LED（数码管）显示。在执行模块本设计采用继电器加热，即温度低于所设定的温度值 时启动继电器加热，使温度上升达到要求。这些模块在后面的硬件电路设计中会进行详 细的介绍。硬件开发工具为 Protel99se/cadence。 2.软件部分 本设计的控制算法是基于数字 PID 算法，软件采用结构化模块程序设计，应用程序 主要由主程序、中断服务程序和各子程序组成。在后面的软件设计中会进行详细的介绍。 软件编译环境使用 KeilC51 软件。 . ;. 2.22.2 PIDPID 控制理论控制理论 PID 控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。它是最广泛应用的一种控制器。 PID 控制器的数学模型可以用下面的表达式表示： （2-1） )( )( 1 )()( dt tde Tddtte Ti tekptu 其中：u(t)为控制器的输出 e(t)为控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号 Kp 为控制器的比例系数 Ti 为控制器的积分时间 Td 为控制器的微分时间 在 PID 控制器中，他的数学模型由比例、积分、微分三部分组成。这三部分分别是： (1)比例部分 比例部分数学式表示如下： )(tkpe 偏差一旦产生，控制器立即有控制作用，使控制量朝着减小偏差的方向变化，控制 作用强弱取决于比例系数 Kp，Kp 越大，则过渡过程越短，控制结果的稳态误差也越小； 但 Kp 越大，超调量也越大，越容易产生振荡，导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不 稳定。故而，比例系数 Kp，选择必须适当才能取得过渡时间少、稳态误差小而又稳定的 效果。 (2)积分部分 积分部分数学表达式表示如下： dttekp)( 从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断地积 累，输出控制量以消除偏差。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。可是积分作 用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会 使闭环系统不稳定。 积分时间 T i，对积分部分的作用影响极大。当 T i，较大时，则积分作用较弱，这时， 有利于系统减小超调，过渡过程不易产生振荡。但是消除静差所需的时间较长。当 T i 较 . ;. 小时，则积分作用较强。这时系统过渡过程中有可能产生振荡，但消除静差所需的时间 较短。 (3)微分部分 微分部分数学表达式表示如下： dt tde kpTd )( 微分控制敏感出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量， 克服振荡，提高系统的稳定性，但使系统抑制干扰的能力降低。微分部分的作用强弱由 微分时间 Td 决定。Td 越大，则它抑制 e(t)变化的作用越强，Td 越小，它反抗 e(t)变化的 作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。 在计算机直接数字控制系统中，PID 控制器是通过计算机 PID 控制算法程序实现的。 计算机直接数字控制系统大多数是采样数据控制系统。进入计算机的连续时间信号，必 须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计 算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。在数字计算机中， PID 控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分， 用差商代替微商，使 PID 算法离散化，将描述连续时间算法的微分方程，变为描述离散 一时间 PID 算法的差分方程，即为数字 PID 位置型控制算式，如下式(2-2)： (2-2) Ts keke Tdie Ti Ts kekpku k i ) 1()( )()()( 0 式中：u(k)为 k 采样周期时的输出 e(k)为 k 采样周期时的偏差 Ts 为采样周期 令 KI=KpTs/Ti, KD=KpTd/Ts,即有 (2-3)1()()()()( 0 kekeKDieKIkKpeku k i 其中 Kp、KI、KD分别为比例、积分、微分系数。 PID 控制是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈控制用该方法或其较小的变形来 控制。PID 调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控 制中用的 84%仍是纯 PID 调节器，若改进型包含在内则超过 90%)。我们今天所熟知的 PID 控制器产生并发展于 1915-1940 年期间。尽管自 1940 年以来，许多先进控制方法不 断推出，但 PID 控制器以其结构简单，及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、 . ;. 电力、轻工和机械等工业过程控制中。 2.2.1 模糊 PID 控制 常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入变量，因此，一般认为这种控 制器具有Fuzzy比例和微分控制作用，而缺少Fuzzy积分控制作用，众所周知，在线性控制 理论中，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢；比例控制作用动态响应快；而 比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。故把PI(PID)控 制策略引入模糊控制器，构成Fuzzy-PI(或PID)复合控制，使动静态性能都得到很好的改善， 即达到动态响应快，超调小、稳态误差小。 模糊控制和PID控制结合的形式有多种： (1)模糊-PID复合控制 控制策略是:在大偏差范围内，即偏差e在某个闭值之外时采用模糊控制，以获得良好 的瞬态性能:在小偏差范围内，即e落到阐值之内时转换成PID(或PI)控制，以获得良好的稳 态性能。二者的转换阐值由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。常用的是模糊 控制和PI控制两种控制模式相结合的控制方法称之为Fuzzy-PI双模控制。 (2)比例-模糊-PI控制 当偏差e大于某个阈值时，用比例控制，以提高系统响应速度，加快响应过程；当偏 差e减小到闭值以下时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中的 超调。在该方法中，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，这就相当于模糊控制论域 被压缩，等效于语言变量的语言值即分档数增加，提高了灵敏度和控制精度。但是模糊 控制没有积分环节，必然存在稳态误差，即可能在平衡点附近出现小振幅的振荡现象。 故在接近稳态点时切换成PI控制，一般都选在偏差语言变量的语言值为零时，(这时绝对 误差实际上并不一定为零)切换至PI控制。 (3)模糊-积分混合控制 模糊-积分混合控制是将常规积分控制器和模糊控制器并联构成的。 (4)参数模糊自整定PID控制 PID控制的关键是确定PID参数，该方法是用模糊控制来确定PID参数的，也就是根据 系统偏差e和偏差变化率ec，用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。其实现思想是先找 出PID各个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec， 在根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同e和ec对控制参数的不同 . ;. 要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于用单片机实现。其原理 框图如图2-2所示： 图2-2 参数模糊自整定PID控制算法原理图 2.32.3 系统开发环境系统开发环境 1Protel99 SE 软件 Protel 公司近 10 年来致力于 Windows 平台开发的最新结晶,能实现从电学概念设计到 输出物理生产数据,以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的 Protel 最 新产品已不是单纯的 PCB（印制电路板）设计工具,而是一个系统工具,覆盖了以 PCB 为 核心的整个物理设计。 最新版本的 Protel 软件可以毫无障碍地读 Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名 EDA 公司设计文件,以便用户顺利过渡到新的 EDA 平 台。 Protel99 SE主要由原理图设计系统、印制电路板设计系统两大部分组成。 （1）原理图设计系统 这是一个易于使用的具有大量元件库的原理图编辑器，主要用于原理图的设计。它 可以为印制电路板设计提供网络表。该编辑器除了具有强大的原理图编辑功能以外，其 分层组织设计功能、设计同步器、丰富的电气设计检验功能及强大而完善的打印输出功 能，使用户可以轻松完成所需的设计任务。 （2）印制电路板设计系统 它是一个功能强大的印制电路板设计编辑器，具有非常专业的交互式布线及元件布 局的特点，用于印制电路板（PCB）的设计并最终产生PCB文件，直接关系到印制电路板 . ;. 的生产。Protel99SE的印制电路板设计系统可以进行多达32层信号层、16层内部电源/接地 层的布线设计，交互式的元件布置工具极大地减少了印制板设计的时间。 同时它还包含一个具有专业水准的PCB信号完整性分析工具、功能强大的打印管理系 统、一个先进的PCB三维视图预览工具。 此外，Protel99SE还包含一个功能强大的基于 SPICE 3f5的模/数混合信号仿真器，使设计者可以方便地在设计中对一组混合信号进行仿 真分析。 同时，它还提供了一个高效、通用的可编程逻辑器件设计工具。 Protel99 SE 共分 5 个模块,分别是原理图设计、PCB 设计（包含信号完整性分析）、 自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD 设计。 以下介绍一些 Protel99SE 的部分最新功 能： 可生成 30 多种格式的电气连接网络表； 强大的全局编辑功能； 在原理图中选择一级器件，PCB 中同样的器件也将被选中； 同时运行原理图和 PCB，在打开的原理图和 PCB 图间允许双向交叉查找元器件、 引脚、网络； 既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到 PCB），也可以进行反向注释（由 PCB 到原理图），以保持电气原理图和 PCB 在设计上的一致性； 满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出,GB4728 国标库）；方便易用的数模混 合仿真（兼容 SPICE 3f5）； 支持用 CUPL 语言和原理图设计 PLD,生成标准的 JED 下载文件；PCB 可设计 32 个信号层，16 个电源-地层和 16 个机加工层； 强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查； 智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺； 提供大量的工业化标准电路板做为设计模版； 放置汉字功能； 可以输入和输出 DXF、DWG 格式文件,实现和 AutoCAD 等软件的数据交换； 智能封装导航（对于建立复杂的 PGA、BGA 封装很有用）； 方便的打印预览功能,不用修改 PCB 文件就可以直接控制打印结果； 独特的 3D 显示可以在制板之前看到装配事物的效果； 强大的 CAM 处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、 测试点报告等； . ;. 经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从 PCB 启动； 反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合； 下面简单介绍 Protel99se 的使用，首先新建设计数据库文件，点击 File(文件)中 new 项， 新建设计数据库（如图 2-3） 。 图 2-3 界面 在 Browse 选项中选取需要存储的文件夹，然后点击 OK 即可建立自己的设计数据库。 图 2-4 操作界面 . ;. 图 2-5 Protel99SE 界面图 2. KeilC51 软件简介 KeilC51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统， 与汇编相比 C 语言在功能上，结构性，可读性，可维护性上有明显的优势，因而易学易 用。用过汇编语言后再使用 C 来开发，体会更加深刻。Keil C51 软件提供丰富的库函数 和功能强大的集成开发调试工具，Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后 生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的 汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。这个集成开 发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE 可为 它们提供单一而灵活的开发环境。uVision2 包含一个器件数据库(device database)，可以自 动设置汇编器、编译器、连接定位器及调试器选项，来满足用户充分利用特定微控制器 的要求。此数据库包含：片上存储器和外围设备的信息，扩展数据指针(extra data pointer) 或者加速器(math accelerator)的特性。 C51 编译器可以实现对 8051 系列所有资源的操作。SFR 的存取由 sfr 和 sbit 两个关键 字来提供。变量可旋转到任一个地址空间。C51 允许用户使用 C 语言编写中断服务程序， 快速进、出代码和寄存器区的转换功能使 C 语言中断功能更加高效。 可再入功能是用关 . ;. 键字来定义的。多任务，中断或非中断的代码要求必须具备可再入功能。 C51 工具包的整体结构，如图 2-6，其中 uVision 与 Ishell 分别是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑，编译，连接，调试，仿真等整个开发 流程。开发人员可用 IDE 本身或其它编辑器编辑 C 或汇编源文件.然后分别由 C51 及 A51 编译器编译 生成目标文件(.OBJ).目标文件可由 LIB51 创建生成库文件，也可以与 库文件一起经 L51 连接定位生成绝对目标文件(.ABS).ABS 文件由 OH51 转换成标准的 Hex 文件，以供调试器 dScope51 或 tScope51 使用进行源代码级调试，也可由仿真器使 用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如 EPROM 中。 图 2-6 整体结构 Keil 公司的 uVision3 整合式开发环境（integrated development environment，简称 IDE）是一套相当好用的 8051 开发软件，在整合式开发环境里，包括项目管理器（project manage） 、源程序编辑器（editor） 、组译器（assembler） 、编译器（complier） 、链接器 （linker/locator） 、调试器（debugger）等，我们可以从建立设计项目开始，然后编辑源程 序（C 语言或汇编语言） 、编译、组译、链接，再进行调试，而调试就是一种程序功能仿 真。当然，还能生成在线仿真或烧录到芯片所需要的 HEX 文件等。 源代码由uVision3 IDE创建并被C51编译或A51汇编编译器和汇编器从源代码生成可重 定位的目标文件 Keil C51编译器完全遵照ANSI C语言标准支持C语言的所有标准特性另 外直接支持8051结构的几个特性被添加到里面Keil A51宏汇编器支持8051及其派生系列的 全部指令集。 . ;. uVision3源代码级调试器是一个理想地快速可靠的程序调试器此调试器包含一个高速 模拟器能够让你模拟整个8051系统包括片上外围器件和外部硬件当你从器件库中选择器 件时这个器件的特性将自动配置 uVision3调试器为你在实际目标板上测试你的程序提供 了几种方法安装MON51目标监控器到你的目标系统并且通过Monitor-51接口下载你的程序 利用高级的GDIAGDI接口把uVision3调试器绑定到你的目标系统。 uVision3调试器支持用Monitor-51进行目标板调试此监控程序驻留在你的目标板的存 储器里它利用串口和uVision3调试器进行通信利用Monitor-51uVision3调试器可以对你的目 标硬件实行源代码级的调试。 Keil uVision3作为自动控制工程师的常用工具软件，在控制系统设计、仿真中具有重 要的地位。以其方便的图形界面，对各种控制工具包的支持，成为控制工程首选的设计 软件。 . ;. 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计 3.13.1 系统硬件设计系统硬件设计 本设计是基于 AT89C51 单片机温度控制系统测量控制显示装置，控制模块是整个设 计方案的核心，它控制了温度的采集、处理与显示、温度上下限值的设定与温度越限时 继电器加热的启动。系统主要包括控制模块，温度采集模块，温度显示模块和执行模块 等部分。 图 3-1 系统方框图 原理图工作简介： 单片机 AT89C51 能够根据 SMARTEC 温度传感器所采集的温度数据来控制是否启动 继电器加热，从而把温度控制在设定的范围之内。TXD、RXD 作为串行数据输入和输出 线。当温度低于设定的下限时，单片机启动继电器加热。温度的增减由 PC 机控制。数据 送到单片机控制模块执行，并将执行的结果通过 75176 返回到 PC 机中。单片机将 SMARTEC 测到的经程序换算过的温度从 4511 的数据输入端口 A，B，C，D 送入到 LED 中显示出来。当温度低于设定的下限或高于上限时，由 2003 大电流驱动的蜂鸣器就会发 出响声，起到报警的作用。这即是其实现的功能。原理图如下： LED 显示温度 单 片 机 AT89C51 继电器控制 加 热 PC 机 通信 控制 SMARTEC温 度检测 . ;. 图 3-2 电路图 3.1.1 AT89C51 的芯片分析介绍 8051源自Intel公司的MCS-51系列芯片，目前采用的8051以其他厂商所发行的兼容芯 片为主，如Atmel公司的89C51/89s51系列。Atmel公司生产的AT89C51单片机因为内置了 Flash存储器及其他性能的改进加上低廉的价格，曾一度成为国内MCS-51单片机的代名词。 AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个4KB的FLASH可 编程、可擦除只读存储器（EPRAOM）。它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非 易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC51兼容。片内的 FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器来编程。因此AT89C51 是一种功能强，灵活性高，且价格合理的单片机，可方便的应用在各种控制领域。 . ;. 图3-3 三种封装形式及其管脚图 数据存储器 RAM：内部有 128B、外部最多可扩展至 64KB。4 组可位寻址的 8 位输 入输出端口，即 P0、P1、P2 及 P3。1 个全双工串行口，即 UART；两个 16 位定时器/计 数器。5 个中断源，即 INT0、INT1、T0、T1、TXD 及 RXD。111 个指令码。