基于51单片机的温度自动控制系统实现步进电机控制设计—毕业设计论文

毕业设计论文题目温度自动控制系统实现学院专业学生姓名学号指导教师职称摘要温度控制是我们工业生产过程和日常生活中经常遇到的过程控制；在我们日常生活中，家里的饮水机、电风扇、空调、暖气开关、宿舍的热水系统无不需要用到自动温控系统。而要实现对多个温度系统的控制目前在市场上是很少的，单个的主机对各个温控的对象进行控制显得资源浪费，为了解决这个问题，实现一个主机对多个系统进行控制，本课题主要对实现了双通道的温度自动控制系统的说明。本设计主要是基于STC89C51单片机和DS18B20温度传感器的温度自动控制系统，并采用1602液晶屏作为温度显示模块，设计中充分利用单片机的管脚资源，实现两个通道的温度控制系统，独立键盘可以对正常温度的范围进行设定，还可选择工作的测温通道，控制模块主要是通过控制信号的输出实现对相关升降温器件进行开关控制，从而实现一个双通道的温控自动控制系统。设计中采用MCS51单片机来对温度进行控制，是因为其具有控制方便、组态简单和灵活性大，集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，重量轻，能耗低，价格便宜，可靠性好，抗干扰能力强和使用方便等方面的独特的优点；而且可以大幅度提高被控温度的技术指标。所以此装置不仅轻便、稳定，而且功能非常实用。本文从硬件电路的设计、软件设计两方面介绍了MCS51单片机温度控制系统的设计思路，对硬件原理图和程序框图作了简单的描述，对设计的实现过程和调试过程也做了相应的说明。关键字单片机；1602液晶屏；DS18B20；温度控制ABSTRACTTEMPERATURECONTROLISOURINDUSTRIALPROCESSESANDFREQUENTLYENCOUNTEREDINEVERYDAYLIFEPROCESSCONTROLINOURDAILYLIFE,HOMEWATERDISPENSER,ELECTRICFANS,AIRCONDITIONING,HEATINGSWITCH,DORMITORIESNOTNEEDTOUSEAHOTWATERSYSTEMHASNOAUTOMATICTEMPERATURECONTROLSYSTEMINORDERTOACHIEVEAPLURALITYOFTEMPERATURECONTROLOFTHESYSTEMCURRENTLYONTHEMARKETISVERYSMALL,FOREACHINDIVIDUALHOSTOBJECTSTOCONTROLTHETEMPERATUREBECOMESWASTEOFRESOURCES,ANDINORDERTOSOLVETHISPROBLEM,THEREALIZATIONOFASYSTEMFORCONTROLLINGAPLURALITYOFHOSTTHEPROJECTIMPLEMENTSADUALCHANNELAUTOMATICTEMPERATURECONTROLSYSTEMTHISDESIGNISBASEDMAINLYONSTC89C51MCUANDDS18B20TEMPERATURESENSORAUTOMATICTEMPERATURECONTROLSYSTEM,ANDTHEUSEOF1602ASATEMPERATURELCDDISPLAYMODULE,DESIGNEDTOFULLYUTILIZETHEMICROCONTROLLERPINRESOURCESTOACHIEVETWOCHANNELTEMPERATURECONTROLSYSTEMCANSEPARATEKEYBOARDSETTINGTHENORMALTEMPERATURERANGE,TEMPERATUREMAYCHOOSETOWORKCHANNEL,THECONTROLMODULEISIMPLEMENTEDBYACONTROLSIGNALOUTPUTOFTHERELEVANTSWITCHINGCONTROLOFHEATINGANDCOOLINGDEVICES,INORDERTOACHIEVEATWOCHANNELCONTROLSYSTEMFORAUTOMATICTEMPERATURECONTROLDESIGNUSEDINMCS51MICROCONTROLLERTOCONTROLTHETEMPERATURE,BECAUSEOFITSEASYTOCONTROL,CONFIGURATIONSIMPLICITYANDFLEXIBILITY,HIGHINTEGRATION,STRONGFUNCTION,VERSATILITY,ANDINPARTICULAR,ITHASSMALLSIZE,LIGHTWEIGHT,CONSUMPTIONISLOW,CHEAP,GOODRELIABILITY,ANTIINTERFERENCEABILITYANDEASEOFUSEOFTHEUNIQUEADVANTAGESCONTROLLEDTEMPERATUREANDCANGREATLYIMPROVETHETECHNICALSPECIFICATIONSSOTHISDEVICEISNOTONLYLIGHTWEIGHT,STABLE,ANDISVERYPRACTICALTHISARTICLEFROMTHEHARDWARECIRCUITDESIGN,SOFTWAREDESIGNINTRODUCESTWOMCS51MICROCONTROLLERTEMPERATURECONTROLSYSTEMDESIGN,HARDWARESCHEMATICSANDBLOCKDIAGRAMBRIEFLYDESCRIBED,THEREALIZATIONOFTHEDESIGNPROCESSANDTHEDEBUGGINGPROCESSHASMADETHECORRESPONDINGINSTRUCTIONSKEYWORDSSCM1602LCDSCREENDS18B20TEMPERATURECONTROL引言51绪论611温度测量与控制技术的发展与现状62设计任务73设计构思及理论831设计思路832方案论证8321主机模块8322显示模块9323温度测量94系统电路的设计及原理说明1041电路系统说明1042电路设计说明10421单片机电路10422供电系统电路11423显示模块电路12424时钟电路12425复位电路12426按键电路13427报警电路14428控制电路15429保护电路155关键元器件介绍1651STC89C51单片机16511单片机主要功能1651251单片机常用管脚功能16513单片机内部寄存器18514常见的寄存器1952LCD1602液晶屏195211602液晶屏的优点19522管脚功能20523指令说明及时序20524地址映射及标准字库表2153DS18B20温度传感器22531DS18B20的简介22533DS18B20初始化操作流程23534DS18B20与单片机的典型接口设计25535数据采集电路的设计256系统原理图及PCB图2561系统原理图2562系统PCB图267软件设计2671软件组成2772主程序模块2773数据采集模块28731初始化程图2874温度设置模块3075软件抗干扰措施318结论31谢辞32参考文献33附录34引言温度是生活及生产中非常基本的物理量，它是物体冷热程度的表征。自然界中一切物理和化学过程都紧密与温度相关联。在我们的日常生活中，温度的测量和控制都直接影响我们的生活环境，以及我们的生产生活，对工业、农业等都用重要的影响。因此，温度的测量和控制在国民经济许多的方面中，均受到了相当程度的重视。在我们实际的生活环境下，由于系统内部与外界的热交换是很难控制的，而且其他热源的干扰也是难以精确的计算，因此温度量的变化，容易受到难以预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换，尽可能的符合人们的要求，我们就需要其他手段来实现这样一个隔热的目的。例如，可以让目标系统的内部环境与其外部环境的温度同步变化。由热力学第二定律，这两个温度相同的系统之间逐步的达到最终的热平衡，利用这样一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把外界和目标系统完全进行热隔离。另外，在大多数的实际环境中，温度增加要比使温度降低方便得多。因此，对温度的控制精度要求，如果是比较高的情况下，冲现象是不允许出现的，即目标温度的控制不能让实际温度超过。尤其是隔热效果、较好的环境，温度一旦出现过冲，温度是很难被降低下来的。这是因为，很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。道理同样，对于只有冷却，没有加热环节的应用中，目标温度高于实际温度，对控制效果的影响也是非常大的。但生活中同样存在很多的应用，有时在一个环境中要对多个系统进行温度控制。鉴于上述这些特点，高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。同一环境同样可能需要多通道的温度控制系统，下面就简要的讨论一下，自动温度检测与控制技术的发展与现状。1绪论11温度测量与控制技术的发展与现状近些年来，自动温度控制系统中，温度的测量与控制在理论上的发展比较成熟，但在实际应用中，为了保证能快速实时地对温度进行采样，确保采集的数据传输更可靠，并对温度场进行精确的温度控制，仍然是我们目前需要解决的问题。温度测控技术包括两个方面。分别是温度测量技术和温度控制技术；在温度测量技术中又分为两种方式接触式测温，这种测量方法的优点是简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度，但由于检测元件容易受到热惯性的影响，并且响应时间较长，由于有些物体的热容量较小，而无法实现精确的测量，运动物体的温度也是难以测量。非接触式测温方法，它是通过对辐射能量的检测来实现温度测量，其优点是不破坏被测温度场，可以测量有那些物体热容量较小的情况，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但它的缺点是，测量误差较大，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要考虑多种影响因素，在满足测量精度的前提下，尽量降低我们的成本投入。目前是测温技术常见的有以下几种方式。薄膜温度传感器在传感器结构改进方面,出现了薄膜温度传感器,它是随着薄膜技术的成熟而发展起来的新型微传感器,其敏感元件为微米级的薄膜,具有体积小、热扰动小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成和安装的特点,并且具有耐磨、耐压、耐热冲击和抗剥离的优良性能,特别适合于微尺度或小空间温度测量、表面温度的测量等场合。近年来发展的陶瓷薄膜热电偶,可以测量更高的温度,克服了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点,在高温表面温度测量领域应用更为广泛。辐射测温技术随着光电和红外探测器的发展,出现了多种多样的红外测温仪,红外测温技术得到了更多的应用。具体表现在1测温范围从高温、中温向中、低温部分拓展2准确度和稳定性更高3工作波段多样化,可根据被测对象的特性选择4从点测量发展到二维面测量5红外测温仪具有小型化和智能化的特点6从测量原理和方法上消除发射率影响,实现物体的真温测量。光纤测温技术黑体空腔式光纤高温计是由黑体空腔与被测介质达到温度平衡,通过光纤将黑体腔的辐射能量传输给光电探测器件,从而实现温度测量。如蓝宝石黑体空腔式光纤高温计,具有测温高、响应快、寿命长的特点,可以部分取代贵金属热电偶。还有一种测量钢水温度的消耗型光纤温度传感器,也是基于以上原理,由普通石英光纤实现测温,因其价格低、准确度高的特点可以取代消耗型贵金属热电偶。新型数字测温技术DS18B20是一种新型的数字温度传感器，在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。目前测温技术的发展可知，测温技术多样，针对不用的应用选择相关的测温技术，测温技术已经是一项比较成熟的技术。2设计任务本课题要求完成一种，基于51单片机和DS18B20为核心的温度自动控制系统，具有温度检测、温度显示、温度范围设置、温控控制信号输出功能。并实现具有双通道的温度自动控制功能的系统。并且具备按预设程序控制运行功能。课题的需要完成的主要任务有（1）搭建单片机的最小系统，包括复位电路、供电电路、时钟电路。（2）加入显示模块，使用1602液晶屏作为显示屏。（3）使用DS18B20进行温度数据的采集。（4）加入键盘控制模块，用对温度控制通道的选择和对温度上下限的数值控制。（5）使用蜂鸣器，实现当超出正常温度范围时，蜂鸣器报警。（6）控制信号可以控制相应的外接控温器件。（7）实现双通道系统温度控制（8）温度显示精度为05摄氏度。3设计构思及理论31设计思路由于本课题主要要求的是，完成一种基于51单片机和DS18B20为核心的温度自动控制系统，具有温度检测、温度显示、温度范围设置、温控控制信号输出功能。并实现具有双通道的温度自动控制功能的系统。本文所温度控制系统硬件部分的研究，按功能大致可以分为以下几个部分单片机主控模块、输出通道、输入通道、电源电路等。硬件总体结构框图如图31所示。由结构框图可见，温度控制系统是以单片机为控制的主机，主控模块由扩展外部存储器构成。被测对象的温度，由DS18B20温度传感器检测温度，并转化为数字信号。图31系统结构框图转化的数字信号将给单片机进行处理，一方面将测得的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来；另一方面将该温度值和设定的温度值相比较，根据其偏差值的大小，采用控制算法进行运算，最后通过单片机的输出管脚输出控制信号。进而对被测物体温度进行控制。如果实际测得的温度值超过，或低于系统给定的极限安全温度，保护电路会做出反应，同时报警电路报警响起，从而保护被测对象。单片机快速、准确的进行温度数据采集、然后处理、显示温度和控制主要是时钟电路，提供的时钟频率，使单片机能正常的处理许多任务。各个器件工作的电源和电压主要有外接电源提供。温度的设定范围就通过独立键盘进行设定，使被测物体在设定的温度范围下工作。32方案论证321主机模块方案一ARM处理器为RISC芯片，是32位的微处理器。具有体积小、功耗低、高性能，功能强大等特点，支持16位32位双指令集，能很好的兼容8位/16位器件，共有37个寄存器，是目前应用于嵌入式系统的主流处理器。因此，使用ARM处理器来作为本课题的主控制芯片是可行的，但是其成本相对较高。方案二51内核单片机是典型的微控制器，其广泛应用于工业控制领域。目前应用广泛的单片机类型有51单片机、AVR单片机、430超低功耗单片机PIC单片机等。STC12C5A60S2单片机属于增强型单片机，具有高速，宽电压，低功耗，低成本,并且具有2个双全工串口通信接口等特点。根据本课题的设计要求可知，使用51单片机实现所有功能。根据以上说明可知，方案一功能强大，但是由于成本相对较高，而方案二也可以实现课题所有要求，并且成本非常低。因此本课题方案二单片机STC12C5A60S2单片机作为主机主控制芯片，而从机控制芯片则选择成本更低的AT89S52单片机作为控制芯片。322显示模块方案一1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶，能够同时显示32个字符（16列2行）。具有微功耗，体质小，显示内容丰富，超薄轻巧，成本低等特点。提供各种控制命令,如清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，还具有8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。使用其作为小规模系统的显示模块式可行的。可以使用其作为本课题的显示模块。但是，由于1602不可以显示图像文字，因此显示效果以及在人机交互上的效果还是有缺憾。方案二LCD12864是一种具有4位/8位并行，2线或3线串行多种接口方式，内部含有国际一级，二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其分辨率为128X64。使用该液晶可以构成全中文的人机交互图形界面。并且具有操作简单，低电压低功耗，功能强大等特点。根据以上说明可知，由于本课题需要测量显示的数据较多，并且需要根据特定要求进行人机交互设置操作，因此选择方案二中的LCD1602作为主机模块的液晶显示模块可以达到很好的显示效果，且价格低廉。323温度测量方案一使用热敏电阻作为感温器件。由于热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。热敏电阻具有灵敏度高，工作温度范围宽，体质小使用方便等特点。但是由于热敏电阻的线性度极差，因此用来测量温度的精度就相应的降低了。方案二使用DS18B20数字测温传感器作为测温器件。单总线数字温度传感器DS18B20只有一根数据线，系统中的数据交换，控制都由这根线完成。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络。DS18B20还具有测量温度范围宽，精度高，体积小，成本低，使用方便等特点。根据以上所述可知，选用DS18B20数字测温传感器作为测温器件具有众多的优点。因此本课题选用DS18B20作为测温器件。4系统电路的设计及原理说明41电路系统说明硬件电路主要有两大部分组成模拟部分和数字部分；从功能模块上来分有主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、电源电路、控制执行电路。各个模块电路通过主机电路控制，协调一致的进行工作。完成对被测物体的温度控制。硬件结构框图如图41所示。图41硬件结构框图42电路设计说明主机选用INTEL公司的MCS51系列单片机89C51来实现，利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点，力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的89C51芯片时时钟可达12MHZ，运算速度快，控制功能完善。其内部具有128字节RAM，而且内部含有4KB的EPROM不需要外扩展存储器，也有数据通信接口，通过TXD、RXD与PC机连接，可以进行人机操作，使得操作更加简单、方便。具有五个中断源，两个中断优先级，两个外部中断、两个定时中断还用一个通信中断，可以对温度检测进行实时处理和分时操作，这样就可以对被测物体温度监测更加准确、延时性更小，同时也可使系统整体结构更为简单实用1。421单片机电路（）单片机最小系统原理图，如图42所示图42单片机最小系统原理图（2）单片机电路说明单片机最小系统原理图如图32所示。单片机最小系统是单片机运行的最基本条件，其中包含有单片机复位电路和晶振电路。晶振电路选用的晶振频率是110592MHZ，因为系统电路需要进行串口通信，选用110592MHZ的晶振在串口通信中产生波特率的误差为零，因此适合进行串口通信。复位电路具有上电复位和手动复位两种功能，上电复位是系统启动是进行的复位，手动复位是系统运行过程因为某种原因需要进行复位时使用。422供电系统电路（1）电源电路原理图1实用电子电路手册J高等教育出版社1992年10月图43电源电路原理图（2）电源电路说明在本系统中提供了两种供电方式，方便系统在不同的环境中使用。供电系统原理图如图43所示。其中一种供电方式为外部电源供电方式，一种为电源线供电方式。外部电源供电在电路设计中通过插针引出两个引脚负责外接其他电源，而电源要求供电必须在5V，因为此时接入的电路并没有相应的保护电路。电源线电源供电使用了三端稳压芯片7805进行稳压后再输入到系统，使整个系统的工作电压稳定在5V左右。因为稳压芯片7805的输入极限值最大为36V。因此，按照理论值通过外部电源供电时，可输入引脚最大电压为36V。因为单片机的工作电压是33V至55V，因此输入小于48V时单片机一样能工作，只要7805芯片的输出电压在33V至5V之间，单片机均可正常工作。另外需要说明的是电源线接口不具备数据传输功能，只是单纯的供电输入。423显示模块电路（1）显示模块电路原理图图441602液晶显示电路原理图（2）显示模块电路说明本课题主要使用1602液晶屏进行采集数据的显示，电路原理图如图44所示，根据1602液晶屏的特征，本系统中采用并行数据传输方式。因此，LCD1602的引脚7到引脚14直接接到单片机的P0口用于并行数据传输，电位器用于液晶屏对比度的设置。管脚2、15、16为电源供电接入。424时钟电路（1）时钟电路原理图图45时钟电路原理图（2）时钟电路说明实时时钟模块主要用于实时时间显示以及测量数据时间的记录。电路原理图如图45所示。根据51系列单片机的芯片说明，在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。晶振的取值范围一般为024MHZ，常用的晶振频率有6MHZ、12MHZ、110592MHZ、24MHZ等。一些新型的单片机还可以选择更高的频率。外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用2030PF的瓷片电容。而本设计采用12MHZ晶振和30PF的电路。425复位电路（1）复位电路原理图图46复位电路原理图（2）复位电路说明单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030UF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。单片机的复位条件必须使其RST引脚上持续出现两个（或以上）机器周期的高电平。按键复位电路中，当按键没有按下时，电路同上电复位电路。如在单片机运行过程中，按下RESET键，已经充好电的电容会快速通过200电阻的回路放电，从而使得RST引脚上的电位快速变为高电平，此高电平会维持到按键释放，从而满足单片机复位的条件实现按键复位。426按键电路（1）按键电路原理图图47按键电路原理图（2）按键电路说明键盘电路设计是用四个控制键盘组成，它具有单片机最简单的输入设备通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话，本设计由于单片机I/O口资源丰富，故采用独立键盘的形式，而不需要采用矩阵键盘，使用矩阵键盘能大量的节约单片机的I/O资源，方便快捷独立键盘虽然占用了I/O资源，但是运用灵活，很适用键盘少的电路。如表41为键盘功能表。表41按键键名功能KEY1选定修改键可选定将要修改的温度限数值KEY2调控键加1KEY3调控键减1KEY4通道选择键可以选择工作的通道按键电路中的按键分别与P32、P33、P34、P35口连接，用于实现信号的输入，单片机在初始化各管脚都是出于高电平状态，当有按键按下的时候，则对应管脚的电平将被拉低，从而我们只需要在单片机程序中，对键盘进行扫描，当扫描检测到低电平时，则说明该按键被按下，然后执行相应的指令，这样就可以实现对单片机的输入控制。当KEY1按键被按下时，则只选择通道一的温控系统工作；而再按下一次按键，则只选择通道二正常工作，通道一停止工作；再接着按下一次按键，又回到初始化状态，两路温控系统都正常工作。当KEY4按下时，首先选中的是通道一的下限温度值；再按下一次按键，则选中通道一的上限温度值；接着再按下一下按键，则选择通道二的下限温度值，再按下一次，则选择了通道二的上限温度值；最后按下一次，则回复到不选定任何数值。此时调控按键不能对温度限的值进行修改。在KEY4选择了将要修改的温度值，按下KEY2，则选中的温度值将进行加1处理，若按下KEY3，则选中的温度值将进行减1处理。KEY4没有选中要修改的温度值时，按键KEY2和KEY3都不进行工作。427报警电路（1）报警电路原理图图48报警电路原理图（2）报警电路说明本课题采用的报警电路主要分为两个部分一个部分是使用三极管作为开关作用，用于驱动蜂鸣器报警；第二不是是LED报警指示灯。设计中采用PNP三级管作为驱动电路的组成，其发射极接上高电平，集电极对接上蜂鸣器的正极，通过对基极电流和电压的输出，来控制三级管的截止、放大、饱和状态。当其处于饱和状态的瞬间，将驱动蜂鸣器报警，集电极输出一个高电平给蜂鸣器。此时对应的LED1和LED2分别为两路温控系统的报警指示灯。当蜂鸣器响时，相应的报警指示灯将会根据程序的要求进行闪烁，从而达到报警的状态。三极管的基极上接有个1K的偏置电阻，用以提供相应的偏置电压，控制三极管的工作状态。单片机的P10管脚接的是三级管的基极。P22、P23分别接的是两路温控通道的LED1和LED2报警指示灯。428控制电路（1）控制电路说明本设计主要的控制电路比较简单，主要是通过对单片机的P11、P12、P12、P14管脚的控制，分别输出相应的控制信号，从而控制外接电路，外接电路的导通与否完全取决于是否有相应的控制信号输出，达到一个对控制对象的工作与否的控制，简单的说单片机的管脚的输出信号是一个开关信号，这个开关决定了被控制对象的工作状态。而为了更方便多样的控制不同的温控对象，设计上只是简单的使用插针引出了控制线，这样就可以针对不同的控制对象进行连接。在此基础上，考虑到大部分的外接模块为大功率用电器，因而需要用到继电器作为开关，实现用单片机的输出控制信号控制继电器，从而控制大功率用电器的工作状态。由于温度是个不好实现的量，为了说明自动控制，本设计主要采用一种模拟状态，说明实现的自动控制功能。429保护电路（1）保护电路原理图图49稳压电路原理图（2）保护电路说明在通常的电路设计中，由于在不同的环境下，我们获取的电源是不一样，而系统的芯片等对电压的稳定性提出了较高的要求，如果不能有一个温度的供电环境，不仅影响电路的正常工作，还影响其使用的寿。所以本设计的稳压电路主要采用了78L05稳压管作为稳压电路，它可以是电路的输出电压稳定在5V，这样刚好满足单片机电路对电源电压的要求，78L05的管脚主要由三个，如图49所示，从左往右分别为1、2、3管脚，1管脚接的是输入的高电平，2管脚接系统的地电路，3管脚为输出电路，其输出的电源电压将温度的控制的5V。当输入电压高于5V时，这部分热量将通过78L05散热的方式，三方出去。而当电压低于5V时，则系统将会不能正常工作。5关键元器件介绍51STC89C51单片机511单片机主要功能（1）8位CPU4KBYTES程序存储器ROM52为8K；（2）256BYTES的数据存储器RAM。（52有384BYTES的RAM）；（3）32条I/O口线111条指令，大部分为单字节指令；（4）21个专用寄存器；（5）2个可编程定时/计数器5个中断源，2个优先级（52有6个）；（6）一个全双工串行通信口；（7）外部数据存储器寻址空间为64KB；（8）外部程序存储器寻址空间为64KB；（9）逻辑操作位寻址功能双列直插40PINDIP封装；（10）单一5V电源供电；（11）CPU由运算和控制逻辑组成，还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；（12）RAM用存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果欲显示的数据（13）ROM用以存放程序、一些原始数据和表格；（14）I/O口四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出。（15）T/C两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式。（16）五个中断源的中断控制系统；（17）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；（18）片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。51251单片机常用管脚功能89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，它提供下列标准特征4K字节的程序存储器，128字节的RAM,32条I/O线，2个16位定时器/计数器,一个5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口,片上震荡器和时钟电路。以下为引脚说明VCC供电电压。GND接地。P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在EPROM编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。P1口P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。P2口P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVXDPTR）时，P2口送出高8位地址数据。在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVXR1）,P2口输出特殊功能寄存器的内容。当EPROM编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。P3口P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P3口的第二功能P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表31所示表5151单片机I/O口管脚功能表51端口引脚第二功能P30RXD串行输入口P31TXD（串行输出口）P320INT外部中断0P331（外部中断1）P34T0（定时器0）P35T1（定时器1）P36WR（外部数据存储器写选通）P37D（外部数据存储器都选通）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。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。/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。/EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），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）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出1。513单片机内部寄存器通过前面的介绍，我们已知道了单片机的内部有ROM、有RAM、有并行I/O口，还有其他内部寄存器，我们做简要介绍1郭天祥51单片机C语言教程北京电子工业出版社,20092425图51单片机结构框图从图中我们可以看出，在51单片机内部有一个CPU用来运算、控制，有四个并行I/O口，分别是P0、P1、P2、P3，有ROM，用来存放程序，有RAM，用来存放中间结果，此外还有定时/计数器，串行I/O口，中断系统，以及一个内部的时钟电路。在一个51单片机的内部包含了这么多的东西。对图进行进一步的分析，我们已知，对并行I/O口的读写只要将数据送入到相应I/O口的锁存器就可以了，那么对于定时/计数器，串行I/O口等怎么用呢在单片机中有一些独立的存储单元是用来控制这些器件的，被称之为特殊功能寄存器（SFR）。事实上，我们已接触过P1这个特殊功能寄存器了。514常见的寄存器表52符号地址功能介绍BF0HB寄存器ACCE0H累加器PSWD0H程序状态字IPB8H中断优先级控制寄存器P3B0HP3口锁存器IEA8H中断允许控制寄存器P2A0HP2口锁存器SBUF99H串行口锁存器SCON98H串行口控制寄存器P190HP1口锁存器TH18DH定时器/计数器1（高8位）TH08CH定时器/计数器1（低8位）TL18BH定时器/计数器0（高8位）TL08AH定时器/计数器0（低8位）TMOD89H定时器/计数器方式控制寄存器TCON88H定时器/计数器控制寄存器DPH83H数据地址指针（高8位）DPL82H数据地址指针（低8位）SP81H堆栈指针52LCD1602液晶屏5211602液晶屏的优点在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点（1）显示高质量由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不（2）数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。（3）体积小、重量轻，液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。（4）功耗低，相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。522管脚功能工业字符型液晶，能够同时显示16X02即32个字符。（16列2行）1602采用标准的16脚接口，其中第1脚VSS为地电源。第2脚VDD接5V正电源。第3脚V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最。高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW。共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信。号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。第1516脚空脚。523指令说明及时序1控制命令表1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明1为高电平、0为低电平）指令1清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2光标复位，光标返回到地址00H。指令3光标和显示模式设置I/D光标移动方向，高电平右移，低电平左移S屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4显示开关控制。D控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5光标或显示移位S/C高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6功能设置命令DL高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N低电平时为单行显示，高电平时双行显示F低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5X10的点阵字符。指令7字符发生器RAM地址设置。指令8DDRAM地址设置。指令9读忙信号和光标地址BF为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10写数据。指令11读数据。2与HD44780相兼容的芯片时序表如下表53读状态输入RSLR/WHEH输出D0D7状态字写指令输入RSLR/WLD0D7指令码E高脉冲输出无读数据输入RSHR/WHEH输出D0D7数据写数据输入RSHR/WLD0D7数据E高脉冲输出无3基本操作时序表1读写操作时序如图52和53所示1张毅刚新编MCS51单片机应用设计M哈尔滨哈尔滨工业大学出版，2003图52读操作实现图53写操作时序524地址映射及标准字库表液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图54是1602的内部显示地址。图541602LCD内部显示地址1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如图1058所示，这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。53DS18B20温度传感器531DS18B20的简介温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。对于我们普通的电子爱好者来说，DS18B20的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。了解其工作原理和应用可以拓宽您对单片机开发的思路。其管脚图如图39所示。（1）独特的单线接口方式DS18B20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。（2）在使用中不需要任何外围元件（3）可用数据线供电，电压范围3055V。（4）测温范围55125。固有测温分辨率为05。（5）通过编程可实现912位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20内部结构如图323所示。主要由4部分组成64位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。ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码（CRCX8X5X41）。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。图55DS18B20内部结构图56DS18B20管脚排列533DS18B20初始化操作流程DS18B20单线通信功能是分时完成的，且有严格的时隙概念，因而时序很重要，对其操作的程序设计必须严格按照时序的先后次序与延时时间，才能保障对其操作的可靠实现。有DS18B20的操作协议，根据DS18B20的初始化时序、写时序、读时序要求，设计出对操作的通用初始化子程序模块、写字节程序模块、读字节程序模块。以下选取初始化子程序的说明其设计。（1）DS18B20的初始化初始化时序如图57所示。具体步骤图57DS18B20初始化时序先将数据线置高电平“1”。延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）数据线拉到低电平“0”。延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。数据线拉到高电平“1”。延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒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）。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。将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。（2）DS18B20的写操作图58DS18B20写时序具体步骤数据线先置低电平“0”。延时确定的时间为15微秒。按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。延时时间为45微秒。将数据线拉到高电平。重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。最后将数据线拉高。（3）DS18B20的读操作图59DS18B20读时序具体步骤将数据线拉高“1”。延时2微秒。将数据线拉低“0”。延时15微秒。将数据线拉高“1”。延时15微秒。读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。延时30微秒。534DS18B20与单片机的典型接口设计以MCS51单片机为例，中采用寄生电源供电方式，P11口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89C51的P10来完成对总线的上拉。当DS18B29处于写存储器和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10US。采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。由于单线只有一根线，因此发送接口必须是三态的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。假设单片机系统所用的晶体管晶振频率为12MHZ，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写三个子程序INTI为初始化子程序，WRITE为写子程序，READ为读子程序，所有的数据读写均由最低位开始，实际在实验中不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻47K，另外两个引脚分别接电源和地。535数据采集电路的设计数据采集电路主要由数字温度传感器DS18B20采集水温的温度。温度传感器的单总线1WIRE与单片机的IO连接，P37是单片机的高位地址线。P3端口是一个带内部上拉电阻的8位双向IO，每个端口都有第二功能，其输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。对该端口写“1”，可通过内部上拉电阻将其端口拉至高电平，此时可作为输入口使用，这是因为内部存在上拉电阻，某一引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。6系统原理图及PCB图61系统原理图从功能模块上来系统分有主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、电源电路、控制执行电路。各个模块电路通过主机电路控制，协调一致的进行工作。完成对被测物体的温度控制，如图61所示。具体系统原理图见附录一。图6162系统PCB图在PCB图的布局时，根据电路特点进行了原件的合理摆放，原件封装大小、和焊盘的设置都进行相关确认之后用手动进行布线，其中为了节省空间，将晶振电路放到了单片机的底座下，这样既节省了空间也使电路看起来更加美观，如图62所示。具体PCB图见附录二。图627软件设计在微机测控系统中，软件与硬件都是非常重要。系统的躯体是硬件，灵魂则是软件，硬件电路在系统中设计好之后，软件是系统功能实现的主要方式，而且测控系统的性能很大程度上是由软件设计实现的。为了达到系统的要求，编制软件时一般要符合以下基本要求一、易理解性、易维护性要达到易理解和易维护等指标；在软件的设计方法中，结构化设计是最好的一种设计方法，这种设计方法是由整体到局部，然后再由局部到细节，先考虑整个系统所要实现的功能，确定整体目标，然后把这个目标分成一个个的任务，任务中可以分成若干个子任务，这样逐层细分，逐个实现。二、实时性实时性是电子测量系统的普遍要求；即要求系统及时响应外部事件的