毕业设计-基于mcs-51单片机的温度控制系统设计

（2012届）毕业设计（论文）资料题目名称基于MCS51单片机的温度控制系统设计学院（部）电气与信息工程学院专业应用电子技术学生姓名班级学号09301930109指导教师姓名职称讲师最终评定成绩湖南工业大学教务处摘要温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是具有不一般的价值与意义。在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用MCS51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。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。将这个问题地解决，能很好地提升生产效率，节约资源，降低生产成本。本文从硬件和软件两方面介绍了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捷的描述该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。关键词单片机温度控制数字PID控制ABSTRACTINTHEMODERNINDUSTRIALPRODUCTION,THECURRENT,VOLTAGE,TEMPERATURE,PRESSURE,ANDFLOW,VELOCITY,ANDSWITCHQUANTITYISACCUSEDOFMAINPARAMETERSFOREXAMPLE,NMETALLURGICALINDUSTRY,CHEMICALINDUSTRY,ELECTRICPOWERENGINEERING,PAPERINDUSTRY,MACHINERYANDFOODPROCESSINGANDSOONMANYDOMAINS,PEOPLENEEDTOALLKINDSOFHEATINGFURNACE,HEATTREATMENTFURNACE,REACTORSANDBOILERTEMPERATUREDETECTIONANDCONTROLUSINGMCS51SCMTOCONTROLTEMPERATURE,HASNOTONLYCONVENIENTCONTROL,SIMPLEANDFLEXIBLECONFIGURATIONADVANTAGES,ANDCANGREATLYIMPROVETHETECHNICALINDEXESARECONTROLLEDTEMPERATURE,WHICHCANGREATLYIMPROVETHEPRODUCTSQUALITYANDQUANTITYTHEREFORE,THEPROBLEMOFTEMPERATURECONTROLCHIPISAINDUSTRIALPRODUCTIONWEOFTENENCOUNTERPROBLEMSBASEDONIT,FOREXAMPLE,HOPETORECEIVEOTHERCASESANDTHEEFFECTFROMTHETWOASPECTSOFHARDWAREANDSOFTWAREAREINTRODUCEDMCS51SCMTEMPERATURECONTROLSYSTEMDESIGN,HARDWAREDIAGRAMANDTHEPROCEDURESFORTHEDESCRIPTIONOFTHESIMPLEDIAGRAMKEYWORDSMICROCONTROLLERTEMPERATURECONTROLSYSTEMDIGITALPIDCONTROL目录摘要I第1章绪论111概述112温度控制技术的发展与现状1121定值开关温控法2122PID线性温控法2123智能温度控制法313MCS51介绍314温度控制的主要方法515系统总体设计方案6151系统性能要求6152系统硬件方案分析6第2章硬件设计821系统硬件总体结构822硬件电路设计设计8221主机电路的设计9222I/O通道的硬件电路的设计9223键盘显示及设计10224温度控制系统硬件设计11第3章系统软件设计2931软件设计思想2932软件组成3033主程序模块3034数据采集模块3035数据处理模块32351数字滤波33352显示处理3436中断处理子程序35361TO中断子程序35362键盘中断子程序35363T1中断子程序3537软件抗干扰措施3538标度转换子程序3639报警电路设计36310温度部分软件设计37结论38参考文献39致谢40附录源代码41第二部分过程管理资料1第1章绪论11概述温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可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，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的，例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标温度，对控制效果的影响也是很大的。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。下面就简要的讨论一下温度测控技术的发展与现状。12温度控制技术的发展与现状近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，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热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，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。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，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，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度即稳态误差不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种121定值开关温控法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置或冷却装置进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。122PID线性温控法这种控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理，控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现调节功能。前者称为模拟控制器，后者称为数字控制器。其中数字控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个参数比例值、积分值、微分值。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。123智能温度控制法为了克服线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整参数的方法，如参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。13DS18B20的介绍DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1WIRE，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。（1）DS18B20产品的特点1、只要求一个端口即可实现通信。2、在DS18B20中的每个件上都有独一无二的序列号。3、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。4、测量温度范围在55C到125C之间。5、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。6、内部有温度上、下限告警设置。7、三个管脚，1脚是接地脚，2脚是单总线、可向电源提供电源、3脚是电源脚（2）DS18B20的内部结构DS18B20的内部框图如图32所示。64位RO存储器件独一无二的序列号。暂存器包含两字节（0和1字节）的温度寄存器，用于存储温度传感器的数字输出。暂存器还提供一字节的上线警报触发（TH）和下线警报触发（TL）寄存器（2和3字节），和一字节的配置寄存器字节）使用者可以通过配置寄存器来设置温度转换的精度。（4，暂存器的5、6和7字节器件内部保留使用。第八字节含有循环冗余码（CRC）。使用寄生电源时，DS18B20不需额外的供电电源；当总线为高电平时，功率由单总线上的上拉电阻通过DQ引脚提供；高电平总线信号同时也向内部电容CPP充电，CPP在总线低电平时为器件供电。图11DS18B20的内部框图3DS18B20的4个主要数据部件光刻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。64位光刻ROM的排列是开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。光刻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。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以00625/LSB形式表达，其中S为符号位这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于00625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于00625即可得到实际温度。DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦EEPROM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。配置寄存器，五位一直都是“1“，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率（4）DS18B20的工作过程、初始化DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。由主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，当即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。、ROM命令ROM命令通过每个器件64BIT的ROM码，使主机指定某一特定器件（如果有多个器件挂在总线上）与之进行通信DS18B20，每个ROM命令都是8BIT长。功能命令主机通过功能命令对DS18B20进行读/写SCRATCHPAD存储器，或者启动温度转换。（5）DS18B20的信号方式DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。除了应答脉冲所有这些信号都由主机发出同步信号。总线上传输的所有数据和命令都是以字节的低位在前。、初始化序列复位脉冲和应答脉冲在初始化过程中，主机通过拉低单总线至少480S，以产生复位脉冲TX。然后主机释放总线并进入接收RX模式。当总线被释放后，47K的上拉电阻将单总线拉高。DS18B20检测到这个上升沿后，延时15S60S，通过拉低总线60S240S产生应答脉冲。初始化波形如图33所示。、读和写时序在写时序期间，主机向DS18B20写入指令，而在读时序期间，主机读入来自DS18B20的指令。在每一个时序，总线只能传输一位数据。读/写时序如图34所示。写时序存在两种写时序“写1”和“写0”。主机在写1时序向DS18B20写入逻辑1，而在写0时序向DS18B20写入逻辑0。所有写时序至少需要60S，且在两次写时序之间至少需要1S的恢复时间。两种写时序均以主机拉低总线开始。产生写1时序主机拉低总线后，必须在15S内释放总线，然后由上拉电阻将总线拉至高电平。产生写“0“时序主机拉低总线后，必须在整个时序期间保持低电平（至少60S）。在写时序开始后的15S60S期间，DS18B20采样总线的状态。图34DS18B20初始化时序图读时序DS18B20只能在主机发出读时序时才能向主机传送数据。所以主机在发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便DS18B20能够传送数据。所有读时序至少60S，且在两次独立的读时序之间至少需要1S的恢复时间。图34DS18B20读/写时序图控制器采样14MCS51介绍由于INTEL公司的单片机问世早、产品系列齐全、兼容性强，得到了广泛的英语，目前我国的主要使用MCS51系列的单产，尤以8031为多。这是因为8031无片内ROM、应用灵活、价格便宜。MCS51是INTEL公司的8位系列单片机，包括51和52两个子系列。51子系列有8031、8051、8071；52子系列有8032、805252子系列的不同在于它多具有定时/计数器2及具有256B的内部数据存储器。（1）主要性能1内部程序存储器4KB2外部数据存储器128B3外部程序存储器可扩展到64KB4输入/输出口线32跟（4个端口，每个端口8跟）5定时/计数器2个16位可编程的定时计数器。6串行口全双工，2跟7寄存器区在内部数据存储器的128B中划出一部分作为寄存器区，分为四个区，每个区8个通用寄存器。8中断源5个中断源，2个优先级别9堆栈最深128B10布尔处理机即位处理器，对某些单元的某位做单独处理。11指令系统（系统时钟为12MHZ时）大部分指令执行时间为1US；少部分执行指令时间为2US；只有乘、除指令的执行时间为4US。（2）功能引脚说明引脚结构有双列只差封装（DIP）方式和方形封装方式。下面分别叙述这些引脚的功能。1主电源引脚VCC电源端GND接地端2外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1晶体振荡器接入的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。XTAL2晶体振荡接入的另一个引脚。采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端。（3）控制或与其他电源复用引脚RST，ALE,VPPRST抚慰输H入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存的地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而注意的是每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。如果需要的话，通过对专用寄存器SFR区中的8EH单元的DO位置数，可禁止ALE操作。该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。程序储存允许程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号。当80C51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次PSEN有效（即输出2个脉冲但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。CPP外部访问允许端。要是CPU只访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），则VPP端必须保持低电平（接地）。然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存VPP端的状态。当VPP端保持高电平（接VCC端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。在FLASH存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源VPP。（4）输入/输出引脚P00P07，P10P17和P22P27,P30P37。P0端口P0是一个8位漏极开路型双向I/O接口，作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，在对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在FLASH编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个输入口使用时，因为有内部上拉电阻，哪些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对FLASH编程和程序校验时，P1接收低8位地址。P2端口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，哪些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVXDPTR指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对FLASH编程和程序检验期间，P2也接受高位地址和一些控制信号。P3端口P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在89C51中，P3端口还用于一些复位功能。15温度控制的主要方法温度的测量方法多采用集成的半导体模拟温度传感器，传感器输出的电压或电流与温度在一定范围呈线性关系。通过放大，采样得到被测量。另一种温度测量方法是使用热电偶，其测量精度较高，但测试过程复杂，测量时间长，而且采用电桥测量的系统抗干扰能力较差，误差较大。随着集成电路技术的迅速发展，新型的数字化温度传感器其精度、稳定性、可靠性及抗干扰能力都优于模拟的温度传感器。数字温度传感器也越来越的到广泛的应用。温度检测的方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分为接触式与非接触式两大类。接触式检测的方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表；基于热电效应的热电偶温度检测仪表。非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系，对物体的温度进行检测，主要有亮度法、全辐射法和比色法等。接触式测温是使测温敏感元件与被测介质接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，感温元件与被测介质的温度相等。这类传感器结构简单、性能可靠、精度高、稳定性好、价格低、应用十分广泛，因此，本方案采用接触式测温法，选用相关类型的传感器。由单片机组成的温度测控系统,通过在单片机外部添加各种接口电路，可构成单片机最小系统，用以实现对温度控制对象的温度的显示和控制。同时也能根据实际情况实现多路巡回检测、数据处理、报警及记录,对各个参数以一定的周期进行检查和测量,检测的结果经计算机处理后再进行显示、打印和报警,以提醒操作人员注意或直接用于生产控制。16系统总体设计方案本论文所讨论的基于单片机的温度控制系统是某型号气相色谱仪的温度控制子系统，其目的是对两个温控箱的温度进行恒值温度控制。温控箱的温度控制范围在室温到摄氏度之间，温度控制的精度要求为士1。下面讨论系统的总体设计方案，包括系统的性能要求以及系统的软、硬件方案分析。161系统性能要求系统性能要求1、可以人为方便地通过控制面板或机设定控制期望的温度值，系统应能自动将温控箱加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能实现温度的自动控制；2、能够实现对温控箱温度的测量并且通过控制面板上的液晶显示实时的显示出来；3、具有加热保护功能的安全性要求。如果实际测得的温控箱温度值超过了系统规定的安全温度，保护电路就会做出反应，从而对温控箱实现超温保护4、模块化设计，安装拆卸简单，维修方便5、系统可靠性高，不易出故障6、尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。162系统硬件方案分析目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路和单片机两种形式。模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元、随机存取存储器、只读存储器、定时计数器以及输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，片上系统得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种芯片应用到先进的控制仪表中。芯片通常含有一个微处理器核，同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器和（RAM和ROM），并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，是实现温度控制系统的最佳选择，但目前市场上的价格还比较昂贵，并且的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。第2章硬件设计21系统硬件总体结构本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几个部分单片机主控模块、输入通道、输出通道、保护电路、电源电路等。硬件总体结构框图如图21所示。由结构框图可见，温度控制系统以单片机为核心，并扩展外部存储器构成主控模块。被测对象的温度由DS18B20温度传感器检测外界温度并转化为数字信号。图21系统结构框图此数字信号送给单片机处理，一方面将被测对象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与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用控制算法进行运算，最后通过控制继电器（即控制温控箱加热平均功率的大小），进而达到对被测物体温度进行控制的目的。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提示，从而保护被测物体。单片机快速、准确的进行温度采集、数据处理、显示和控制主要是时钟电路提供的时钟频率，使单片机正常的协调处理各项任务。各个器件工作的电源电压主要有电源电路提供。则温度的设定范围就通过矩阵键盘进行设定，使被测物体在正常的温度范围下工作。22硬件电路设计设计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、控制执行电路以及掉电保护电路。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22所示图22系统硬件结构框图221主机电路的设计主机选用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。如图23所示单片机和时钟电路、复位电路以及电源电路构成了单片机的最小系统，即温度控制系统的主机电路。用来处理温度采集的数字信息并控制各部分的正常工作。其中单片机的I/O口，即P0、P1、P2和P3用来接相应的显示设备，键盘输入以及继电器等。图23主机电路示意图222I/O通道的硬件电路的设计就本系统来说，需要实时温度传感器DS18B20采集水温数据，送入单片机中的特定单元，然后一部分送去显示；另一部分与设定值进行比较，通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电炉加热或制冷器降温。（1）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。如图24所示温度传感器DS18B20与单片机只有一根线连接即单总线或ONE_WIRE总线。温度传感器DS18B20只有三个端口，电路连接很简单，一根电源线接电源，一根接地，一根数据时钟线接单片机的I/O,数据时钟线必须接一个上拉电阻，防止数据、时钟高阻悬挂，就会得不到准确的温度数字信号。图24温度传感器硬件电路示意图（2）温度控制控制执行电路的设计由输出来控制加热器或制冷器，加热器可以近似建立为具有滞后性的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为GSK/（TS1）ETS制冷器可以认为是线形环节实现对水温的控制。为了实现强电和弱电的隔离，要选择光电耦合器，使输出信号要对继电器进行通断控制，以便使电炉或风扇电路导通，此外，当实际温度不在设定的范围内，报警电路将实时报警并作出相相应的处理如（报警信号传到单片机或人，单片机或人就会执行相应的操作），当实际温度低于设定的温度时相应黄色发光二极管点亮并且加热器启动升温；高于设定的温度时对应红色二极管亮并且制冷器启动降温。如图25所示继电器的通断通过单片机的I/O的输出控制，从而控制加热器、制冷器的启停，来控制被测物体的温度。图25温度控制电路图如图26所示报警电路也是由单片机的I/O控制，当实际温度不在设定的范围单片机就会执行相应的指令，进行实时报警，提示温度超过或低于设定的温度，以便及时作出处理。图26报警电路图223键盘设计键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它具有最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘上闭合建的识别是由专用硬件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计，低电平有效。键盘还分为矩阵键盘和独立键盘，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。其按键的功能如下表所示表21键盘功能表按键键名功能KEY1复位键使系统复位KEY2KEY3功能切换键切换当前温度和设定温度的显示界面矩阵键盘设定温度键盘设定温度的允许范围如图27所示矩阵键盘与单片机的P1口连接，采用软件查询的方式，用来设定温度的允许范围，也可以用来做状态显示切换功能键等，实现简单的人机对话，键盘的输入值被单片机读入并通过中央处理器处理，送到显示模块进行显示。图27键盘电路图如图28所示按键KEY10、KEY11分别与P32（INTO）、P33（INT1）相连，采用外部中断方式，对温度设定实时处理。图28独立键盘电路图224显示电路设计显示电路采用了LCD_1602和数码管的混合显示，设定的温度值范围显示在数码管上，一看就是知道被测物体正常时的温度范围是多少，同时当前温度显示在液晶上，因此知道被测物体的当前值是多少。1液晶的介绍、1602型液晶接口信号说明1602型液晶接口信号说明如表22所示编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据口2VDD电源正极10D2数据口2V0液晶显示器对比度调解端11D4数据口4RS数据命令选择端12D5数据口5R/W读写选择端（H/L）12D6数据口6E使能信号14D7数据口7D0数据口15BLA背光电源正极8D1数据口16BKL背光电源负极、基本操作时序读状态输入RSL,R/WH,EH输出D0D7状态字读数据输入RSH,R/WH,EH输出无写指令输入RSL,R/WL,D0D7指令码，E高脉冲输出D0D7数据写数据输入RSH,R/WL,D0D7数据，E高脉冲输出无。、写操作时序通过RS确定是写数据还是写命令。读/写控制端设置为写模式，即低电平。将数据或命令送达数据线上，给E一个高脉冲将数据送入液晶控制器，完成写操作。写操作时序如下图所示图291602液晶写操作时序图（2）液晶的电路设计如图210所示液晶的数据线接P0口，而RS、RW、E分别接单片机的P25、P26、P27口，通过单片机的控制显示设定的温度值或实际温度值。图2101602液晶电路显示电路图（2）数码管LED简介单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD。前者价廉，配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图形显示，但接口复杂，成本较高。结合本设计的特点，在这里系统的显示采用发光二极管作为显示器件。图211数码管单片机中使用7段LED构成字形“8”，另外，还与一个小数点发光二极管用以显示数字、符号及小数点。这种显示器有共阴极和共阳极两种，如图215所示。发光二极管的阳极连在一起称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。一位显示器由八个发光二极管组成，其中，7个发光二极管构成字形“8”的各个笔划（段）AG,另一个小数点为DP发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压是，该段笔划即点亮；不加电压则该段二极管不亮。为了保护各段LED不被损坏，需要外加限流电阻如果要显示某个字形，则应使此字形的相应段点亮，也即送一个不同的电平组合代表的数据来控制LED的显示字形，此数据称为字符的段码。数据字位数与LED段码的关系如表所示。表23数码管各段与输出口各位的对应关系输出口各位D7D6D5D4D3D2D1D0数码管各段DPGFEDCBA如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。如要显示“0”，共阳极数码管的字型编码应为11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为00111111B（3FH）。依次类推，可求得数码管字型编码如表24所示。表24共阳极共阴极字型DPGFEDCBA字型码DPGFEDCBA字型码011000000C0H001111113FH111111001F9H0000011006H210100100A4H010110115BH310110000B0H010011114FH续表2341001100199H0110011066H51001001092H011011016DH61000001082H011111017DH711111000F8H0000011107H81000000080H011111117FH91001000090H011011116FHA1000100088H0111011177HB1000001183H011111007CHC11000110C6H0011100139HD10100001A1H010111105EHE1000011086H0111100179HF100011108EH0111000171H灭11111111FFH0000000000H（4）数码管的电路设计数码管用的是八位共阳的发光二极管组成，只要赋予低电平对应的发光二极管就点亮，八段发光二极管的亮暗组合就能组成0F十六数字，利用数码管的动态扫面就能清晰稳定的显示温度的设定值，考虑到I/O不够用，采用了74LS138译码器和74LS373锁存器的组合，从而大量的节约了单片机I/O资源。74LS373内有8个相同的D型三态同相锁存器，由两个控制端11脚G或EN；1脚OUT、CONT、OE控制。当OE接地时，若G为高电平，74LS373接收由PPU输出的地址信号如果G为低电平，则将地址信号锁存。74LS373的输出端O0O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。74LS138是个三输入8输出的译码器，A0、A1、A2为地址端，选择相应的输出端为低电平，例如当译码器的地址端为000时，输出端Y00；当译码器的的地址端是001时，其输出端Y10；以此类推。如图211所示数码管的数据线利用锁存器和液晶的数据线共用一个I/O即P0口；而数码管的片选线则利用了38译码器来选通，38译码器的地址线通过单机的P23、P24、P36口来控制选择数码管的片选。只要控制这三个地址线就可以实现六个数码管的位选加锁存器的使能。如下图所示图212数码管显示电路图225温度控制系统硬件设计温度控制系统硬件包括89C51单片机最小系统模块、A/D转换模块、D/A转换模块、信号放大电路、温控电路以及其它外围电路。（1）单片机的选择单片机的CPU为ATMEL公司生产的89C51。出厂所配晶振频率为110592MH,每个机器周期为1085US,用户更换晶振以提高速度。存贮器为64K,前4K/8K20K在CPU内部,其它程序在EPR0M27512中。数据存贮器为32K62256,地址为8000FFFFH。I/O扩展8155,片内RAM地址200O20FFH8155命令口地址为2100HA口地址21O1HB口地址2102HC口地址2103HT低八位2104HT高八位（2）传感器电路数字温度传感器DS18B20，它是一种能将外界温度直接转化成数字信号的数字温度传感器。它使用范围广，运用灵活，它的价格便宜，精确度较高，延滞性下，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。虽然其测量精度一般，但完全能满足工业测温要求，应用在各个领域。3保护电路保护电路的作用是对被测物体进行过温保护，其电路如图213所示。图213保护电路驱动信号控制继电器，断开加热电阻丝电源，保护温控箱。电路中增加的达林顿管是一个电流驱动型器件，能够提高继电器的励磁电流。在继电器两端并联了续流二极管，其作用是当达林顿管由导通到关断时，继电器也由导通变为关断，由于继电器是个感性负载，电流不能突变，线圈两端将产生很高的反向电势，以继续维持线圈中通过的电流。这个反向电势一般很高，容易造成三极管的击穿，加入续流二极管后，为反向电势提供了放电回路，从而保护三极管不会被击穿。（4）串行通信接口电路目前，广泛使用的串行数据接口标准有一，一与一三种。其中一是美国电子工业协会正式公布的串口总线标准，也是目前最为常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据通讯。串行通信接口的基本任务是实现数据格式化。来自的是普通的并行数据，接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。具体任务是1进行串并转换；2控制数据传输速率；3进行错误检测；4进行TTL与EIA电平转换；5提供一一接口标准所要求的信号线。由于电平和一犯电平不匹配，因此要实现单片机和机之间的通信，必须在它们之间加接电平转换器。系统设计采用公司的一接口芯，这是一种标准的一接口芯片。只需巧电源供电，其内部的电源变化成士电源用于通信。该芯片集成有两路收发器，可将单片机输入的电平转换为电平发送给机，或将从机接收的电平转换为电平发送给单片机。为双列直插16脚封装。系统串口通信电路如图214所示。图214串口通信电路（5）电源电路系统所用直流电源由三端集成稳压器组成的串联型直流稳压电源提供。设计中选用了，和三个三端集成稳压器，分别提供5V、8V和一5V、8V直流电压，输出电流均为1A。LM7805、LM7808和LM7905、LM7908的连接方法都一样。变压器将的市电降压后再通过整流桥整流之后采用了大容量的电解电容进行滤波，以减小输出电压纹波。由于电解电容器在高频下工作存在电感特性，对于来自电源侧的高频干扰不能抑制，因此在整流电路后加入高频电容改善纹波。电源电路如图215和216所示。图215输出8V和8V直流电源电路图图2156输出5V和5V的直流电源6复位电路复位使单片机处于起始状态，并从该起始状态开始运行。AT89C51的RST引脚为复位端，该引脚连续保持2个机器周期（24个时钟振动周期）以上高电平，则可使单片机复位。内部复位电路在每一个机器周期的S5P2期间采样斯密特触发器的输出端，该触发器可抑制RST引脚的噪声干扰，并在复位期间不产生ALE信号，内部RAM处于不断电状态。其中的数据信息不会丢失，也即复位后，只影响SFR中的内容，内部RAM中的数据不受影响。外部复位有上电复位和按键电平复位。由于单片机运行过程中，其本身的干扰或外界干扰会导致出错，此时我们可按复位键重新开始运行。为了便于本设计运行调试，复位电路采用按键复位方式。按键复位电路如图217所示。图217复位电路（7）时钟电路时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。MCS51单片机允许的时钟频率是因型号而异的，其典型值为12MHZ。AT89C51内部有一个反相振荡放大器，XTAL1和XTAL2分别是该反向振荡放大器的输入端和输出端。该反向放大器可配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。本设计采用的晶振频率为12MHZ。51系列单片机还可使用外部时钟。在使用外部时钟时，外部时钟必须从XTAL1输入，而XTAL2悬空。时钟电路如下图所示图218时钟电路8键盘接口键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。键盘分两大类编码键盘和非编码键盘。编码键盘由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一个选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况，采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。非编码键盘只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等都靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。非编码键盘有独立式按键结构、矩阵式按键结构。本设计采用的是非编码独立连接式的键盘。在非编码键盘系统中，键闭合和键释放的信息的获取，键抖动的消除，键值查找及一些保护措施的实施等任务，均由软件来完成。单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU忙于各项任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。考虑仪表系统中CPU任务的份量，来确定键盘的工作方式。键盘的工作方式选取的原则是既要保证能及时响应按键的操作，又不过多的占用CPU的工作时间。键盘的工作方式有查询方式（编程扫描，定时扫描方式）、中断扫描方式。独立式按键接口就是各按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的工作状态。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被按下了。优点就是电路配置灵活，软件结构简单；缺点就是每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。因此，此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合8。本设计中由于所用键盘不多，所以采用独立连接式的查询式键盘就能够满足设计要求。键盘接口与键盘程序的根本任务就是要检测有没有键按下按下的是那个位置的键键值是多少在本次设计中采用了软件扫描的方法。通过对键盘接口P10和P11的查询判断是否有键按下。本次设计采用了软件去抖动的方法。当有键按下时，按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如果不妥善处理，将会使按键命令的错误执行和重复执行。采用软件