单片机课程设计_基于89C51的数字温度控制器设计

1、 单片机系统课程设计单片机系统课 程 设 计成绩评定表设计课题 ： 基于89C51的数字温度控制器设计 学院名称 ： 电气工程学院 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 设计地点 ： 设计时间 ： 指导教师意见：成绩: 签名： 年 月 日 单片机系统课 程 设 计课程设计名称： 基于89C51的数字温度控制器设计 专 业 班 级 ： 学 生 姓 名 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ： 课程设计地点： 课程设计时间： 单片机系统 课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目课题性质工程设计课题来源选题指导教师主要内容（参数）1、利用单片机AT89S51实现对温度物理量的控制，以实现对

2、温度控制的目的；2、为达到电源输出5V电压目标，完成电源电路的设计；3、为达到数码管显示目标，完成显示电路的设计；4、为达到键盘控制的目标，完成键电路的设计；5为达到检测温度的目标，完成检测电路的设计；6、完成报警设计；7、进行软件设计编写系统初始化和主程序模块；编写数字调节器软件模块；编写A/D转换器处理程序模块；编写输出控制程序模块等等。任务要求（进度）第1-2天：熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5-6天：软件设计，编写程序。第7-8天：实验室调试。第

3、9-10天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅合理。主要参考资料1 张迎新单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）M北京：国防工业出版社，20042伟福LAB6000系列单片机仿真实验系统使用说明书3 阎石数字电路技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日 目 录1. 引言 42. 总体方案设计 52.1 系统整体方案和结构 53硬件电路设计 7 3.1 单片机最小系统的设计 7 3.2 温度传感器的设计 8 3.3 温度控制电路的设计 10 3.4 键盘电路的设计 11 3.5 显示电路的

4、设计 124. 系统的软件设计 13 4.1 系统的主程序设计 13 4.2 中断程序的设计145. 系统的控制 16 5.1 温控电路及报警电路的控制 16 5.2 LCD显示电路的控制17附录A：总原理图 18附录B：部分源程序 19参考资料 34 1. 引言 温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。对工业生产可靠进行造成

5、影响，甚至操作人员的安全。为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域如家电、汽车、材料、电力电子等常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同, 在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、

6、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入

7、到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。2. 总体方案设计温度控制系统采用AT89C51八位机作为微处理单元进行控制。采用4X4键盘把设定温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器，还可以过键盘完成温度检测功能的转换。温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比较来控制温度控制器。系统框图如图2.1：AT89C51温度控制报警电路显示电路温度传感器键盘设定图2.1 系统框图根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89C51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。选用数字温度传感器DS18B20，省

8、却了采样保持电路、运放、数模转换电路以及进行长距离传输时的串并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。该系统的总体设计思路如下：温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89C51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符LCD，1602液晶模块。检测范围5摄氏度到60摄氏度。本系统除了显示温度以外还可以设置一个温度值，对所测温度进行监控，当温度高于或低于设定温度时，开始报警并启动相应程序（温度高于设定温度时，风扇开；当温度低于设定温度时，加热器开）。中央微处理器 AT89C51： AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS

9、8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个1

10、6位可编程定时计数器,1个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。此外，AT89C51设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。AT89C51单片机综合了微型处理器的基本功能。按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的AT89C51单片机作为整个系统的控制器。3硬件电路设计3.1 单片机最小系统的设计目前的单片机开发系统只能够仿

11、真单片机，却没有给用户提供一个通用的最小系统。由设计的要求，只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。其应用特点是:（1）全部I/O口线均可供用户使用。 （2）内部存储器容量有限（只有4KB地址空间）。 （3）应用系统开发具有特殊性图 3.1 最小系统图单片机最小系统如图3.1所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必须的时钟控制信号，内部电路在时钟信号的控制下，严格地按时序指令工作。MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高

12、增益反向放大器的输入端为芯片的引脚XTAL1，输出端为XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。电路中的微调电容通常选择为30pF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率为12MHz。把EA脚接高电平，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH（4Kbyte地址范围）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现。采用最简单的外部按键复位电路。按键自动复位是通过外部复位电路的来实现的.我们选用时钟频率为12MHz,C1取47f。3.2 温度传感电路设计DS18B

13、20的性能特点：采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）测温范围为-55-+125，测量分辨率为0.0625内含64位经过激光修正的只读存储器ROM适配各种单片机或系统机用户可分别设定各路温度的上、下限内含寄生电源。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,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图3.2所示。 图 3.2 DS18B20管脚图在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单

14、片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻.我们采用的是第一种连接方法,如图3.3所示:把DS18B20的数据线与单片机的13管脚连接,再加上上拉电阻。图 3.3 温度传感电路图DS18B20有六条控制命令，如表3.1所示：表3-1 DS18B20控制命令指    令 约定代码 操      作    说      明 温度转

15、换 44H 启动DS18B20进行温度转换 读暂存器 BEH 读暂存器9个字节内容 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 CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯

16、协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。3.3 温度控制电路的设计图 3.4 温度控制电路实际电路如图3.4所示,通过键盘设定温度的上下限。把实际测量的温度和设定的上下限进行比较,来控制P0.0、P0.1、P0.7端口的高低电平。把P0.0、P0.1、P0.7端口分别与三极管的基极连接来控制温度和报警。当测量的温度超过了设定的最高温度,P2.2由高电平变成低电平,就相当于基极输入为“0”，这时三极管导通推动小风扇和控制电路工作，反之,当基极输入为“1”时，三极管不导通，报警器和控制

17、电路都不工作。只要控制单片机的P0.0、P0.1、P0.7口的高低电平就可以控制模拟电路的工作。3.4 键盘电路的设计如图3.6所示，用AT89C51的并行口P1接4×4矩阵键盘，以P1.0P1.3作输入线，以P1.4P1.7作输出线；液晶显示器上显示每个按键的“0F”序号。对应的按键的序号排列如图3.5所示： 3.5 按键的序号排列图 图3.6中微处理单元是AT89C51单片机，X1和X2接12M的两脚晶振,接两个30PF的起振电容,J1是上拉电阻.单片机的P1口8位引脚与行列式键盘输出脚相连,控制和检测行列式键盘的输入.行线通过上拉电阻接到+5V上,无按键按下时,行线处于高电平状

18、态,有键按下时,行线的电平状态将由与此行线相连接的列线的电平决定.键盘输入的信息主要进程是:1 CPU判断是否有键按下.2 确定是按下的是哪个键.3 把此键所代表的信息翻译成计算机可以识别的代码或者其他的特征符号. 图 3.6 键盘硬件电路图3.5 显示电路的设计液晶显示器是一种将液晶显示器件,连接器件,集成电路,PCB线路板,背光源,结构器件装配在一起的组件。根据显示内容和方式的不同可以分为,数显LCD,点阵字符LCD,点阵图形LCD在此设计中我们采用点阵字符LCD，这里采用常用的2行16个字的1602液晶模块。1602采用标准的14脚接口，其中:第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正

19、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。与单片机的连接如图3.7所示。图

20、 3.7 液晶显示电路图4 系统的软件设计 4.1 系统的主程序设计主程序是系统的监控程序，在程序运行的过程中必须先经过初始化，包括键盘程序，中断程序，以及各个控制端口的初始化工作。流程图如4.1 所示。系统在初始化完成后就进入温度测量程序，实时的测量当前的温度并通过显示电路在LCD上显示。程序中以中断的方式来重新设定温度的上下限。根据硬件设计完成对温度的控制。按下4*4键盘上的A键可以设定温度上限，按下B键可以设定温度下限。系统软件设计的总体流程图开始系统初始化开中断Int0=0？YN温度上下限设定温度测量温度测量显示系统图 4.1 系统总体设计流程图4.2 中断程序的设计MCS-51单片的

21、中断系统有5个中断请求源，用户可以用关中断指令“CLR EA”来屏蔽所有的中断请求，也可以用开中断指令“SET EA”来允许CPU接收中断请求。在本设计中我们选用INTO 来作为中断请求源。INT1外部中断请求0，由INTO引脚输入，中断请求标志为IE0。ORG 0000HLJMP MAINORG 0003H （中断入口地址）JMP INT0ORG 0038H （主程序的起始地址） MAIN: （主程序）MCS-51响应中断后，就进入中断服务程序，中断程序的基本流程图如下图 关 中 断 现场保护开 中 断中断处理关 中 断现场恢复开 中 断中断返回图 4.2 中断服务程序基本流程第- 21 -

22、页 5 系统的控制本章对系统的硬件控制进行概述。分别对温度控制电路，报警电路及LCD液晶显示电路进行说明。5.1 温控电路及报警电路的控制单片机的P0.0、P0.1、P0.7分别与三极管的基极连接来控制控制温度(图5.1)和报警（图5.2）。利用面包板搭了一个PNP9012的偏置电路电路如图4-4。基极输入为“0”时，这时三极管导通推动报警器和控制电路工作，当基极输入为“1”时，三极管不导通，报警器和控制电路都不工作。只要控制单片机的P0.0、P0.1、P0.7口的高低电平就可以控制模拟电路的工作。 图 5.1 硬件控制电路 图 5.2 硬件报警电路5.2 LCD显示电路的控制把8根数据线和P

23、2口连接，把3根控制线和P2.5、P2.6、P2.7连接。给VCC端加上+5V的电压，GND端接地。VEE端的驱动电压不要过大，要调节滑动变阻器使VEE在0.7伏以下显示器才能工作。使用说明键盘中阿拉伯数字09是数据输入键，A键是写上限的功能键，B键是写下限的功能键，C键是取消键，其他的键置空。附录A：总原理图附录B：部分源程序DI EQU P3.3DO EQU P3.4CLK EQU P3.5CS EQU P3.6 ; LCD端口定义D2RS EQU P2.7D2RW EQU P2.6D2E EQU P2.5KEYPORT EQU P1 ; DS18B20端口定义TEMPER_L EQU 3

24、6HTEMPER_H EQU 35HTEMPER_NUM EQU 38HFLAG1 BIT 00HDQ BIT P2.4ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HJMP INT00ORG 0038HMAIN: MOV SP,#60H SETB P2.0 SETB P2.1 SETB P2.2 SETB EA SETB EX0 SETB P2.0 SEETB P2.1 SETB P2.2 MOV R0,#01H ;清屏并置地址计数器AC为0 LCALL DIS_CMD _WRT MOV R0,#38H ;8位数据接口，双行显示，5*7点阵 LCALL DIS_CMD _WRT CAL

25、L DIS_CUR_OFF MOV 42H,#20 MOV 43H,#32XIAN: LCALL GET_TEMPER LCALL DISP LCALL DELAY43MS MOV A,TEMPER_NUM SUBB A,42H JC ZZZL MOV A,TEMPER_NUM SUBB A,43H JNC ZZZ2 SETB P2.0 SETB P2.1 SETB P2.2 JMP XIANZZZL: CLR P2.0 CLR P2.2 JMP XIANZZZ2: CLR P2.0 CLR P2.1 JMP XIANINT0: ;扫描键盘程序 LCALL ASKSAO: CLR 01H LC

26、ALL KEY JNB 01H,SAO CJNE A,#10,PAN LCALL ANSW RETIPAN: CJNE A,#12,SAO RETI ;显示函数部分，可供调用DIS_CUR_OFF: MOV R0,#0CH LCALL DIS_CMD_WRT RETDIS_CUR_ON: MOV R0,#0EH LCALL DIS_CMD_WRT RETCHK_BUSY_FLG: MOV P0,#0FFH CLR D2RS NOP NOP NOP LCALL DISPLAY_RD JB ACC.7,CHK_BUSY_FLG RETCLEAR_DIS: MOV R0,#01H LCALL DIS

27、_CMD_WRT RETDIS_CMD_WRT: LCALL CHK_BUSY_FLG MOV P0,R0 CLR D2RS NOP NOP NOP LCALL DISPLAY_WRT RETDIS_DATA_WRT: LCALL CHK_BUSY_FLG CJNE A,#10H,DIS_DAT_WRT1 MOV P0,#0C0H ;1100,00000行起始地址为40 CLR D2RS NOP NOP NOP LCALL DISPLAY_WRTDIS_DAT_WRT1: MOV P0,R0 SETB D2RS NOP NOP NOP LCALL DISPLAY_WRT RETDISPLAY_

28、WRT: CLR D2RW NOP NOP NOP SETB D2E NOP NOP NOP CLR D2E NOP NOP NOP RETDISPLAY_RD: SETB D2RWNOPNOPNOPSETB D2ENOPNOPNOPMOV A,P0NOPNOPNOPCLR D2ENOPNOPNOPRETDIS_DATA_RD: LCALL CHK_BUSY_FLGMOV P0,#0FFHSETB D2RSLCALL DISPLAY_RDRET ;键盘程序，出口：A为按键值 01H：0无键按下 1 有键按下KEY: MOV KEYPORT,#0FH MOV A,KEYPOR CJNE A,#0

29、FH,KEYDOWN MOV A,#0FFH RETKEYDOWN:LCALL DELAY43MS MOV KEYPORT,#0FH MOV A,KEYPORT CJNE A,#0FH,KEYDOWN_YES MOV A,#0FFH RETKEYDOWN _YES: MOV B,A MOV KEYPORT,#0F0H MOV A,KEYPORT ORL A,B PUSH 30H MOV 30H,AMOV R3,#10H MOV DPTR,#KEYVALUENEXT_KEY:MOV A,R3 MOVC A,a+dptr CJNE A,30h,NEXTKEYVALUE DEC R3 POP 30H

30、WAITKEY_F:MOV KEYPORT,#0FH MOV A,KEYPORT CJNE A,#0FH, WAITKEY_F MOV A,R3 SETB 01H RETNEXTKEYVALUE: DJNZ R3,NEXT_KEY DEC R3 POP 30HWAITKEY_FREE: MOV KEYPORT,#0FH MOV A,KEYPORT CJNE A,#0FH, WAITKEY_FREE MOV A,R3 SETB 01H RETKEYVALUE:DB 0FFH,7EH,7DH,7BH,77H,0BEH,0BDH,0BBH,0B7H,0DEH,0DDH,0DBH,0D7H,0EEH,

31、0EDH,0EBH,0E7HDELAY43MS: PUSH A MOV A,R3 PUSH A MOV A,R2 PUSH AMOV R3,#43DELAY:MOV R2,#0FAHLOOP:NOP ;内层循环为1MS NOP DJNZ R2,LOOPDJNZ R3,DELAY POP A MOV R2,A POP A MOV R3,A POP A RET ;确认是否修改温度设定ASK: MOV R0,#01H ;清屏并置地址计数器AC为0 LCALL DIS_CMD_WRT MOV 40H,#0ZDZ: MOV DPTR,#LINE MOV A,40H MOVC A,A+DPTR MOV R

32、0,A LCALL DIS_DATA_WRT INC 40H MOV A,40H MOVC A,A+DPTR CJNE A,#00H,ZDZ RETLINE: DB " ARE YOU SURE CHANGE T(Y/N)?",00HANSW: MOV R6,42H MOV R7,43H MOV R0,#01H LCALL DIS_CMD_WRT MOV R0,#44H CALL DIS_DATA_WRT MOV R0,#6FH CALL DIS_DATA_WRT MOV R0,#77H CALL DIS_DATA_WRT MOV R0,#6EH CALL DIS_DATA

33、_WRT MOV R0,#3AH CALL DIS_DATA_WRT MOV 40H,#0 CLR 00H JMP SAO1GAI: MOV R0,#0FEH CALL DIS_DATA_WRT MOV R0,#55H CALL DIS_DATA_WRTMOV R0,#70H CALL DIS_DATA_WRT MOV R0,#3AH CALL DIS_DATA_WRT MOV 40H,#0SAO1: CLR 01H LCALL KEY JNB 01H,SAO1 MOV R1,A MOV B,#10 DIV AB JZ NEXT2 MOV A,A1 CJNE A,#11,XU JB 00H,D

34、OWN MOV 42H,40H CPL 00H JMP GAIDOWN: MOV 43H,40H RETIXU: CJNE A,#12,SAO1 MOV 42H,R6 MOV 43H,R7 RETINEXT2: MOV A,R1 ADD A,#30H MOV R0,A LCALL DIS_DATA_WRT MOV A,R1 XCH A,40H MOV B,#10 MUL AB NOP CLR DQ CLR CWR1: CLR DQ MOV R3,#6 DJNZ R3,$ RR R4,#2 R1,#36H ; 低位存入36H(TEMPER_L),高位存入35H(TEMPER_ NOP NOP S

35、ETB DQMOV R3,#7 DJNZ R3,$ MOV C,DQ MOV R3,#23 DJNZ R3,$ RRC A DJNZ R2,RE01 MOV R1,A DEC R1 DJNZ R4,RE00 RET ; 将从DS18B20中读出的温度数据进行转换TEMPER_COV: MOV A,#0f0H ANL A,TEMPER_L ; 舍去温度低位中小数点后的四位温度数值 SWAP A MOV TEMPER_NUM,A MOV A,TEMPER_L JNB ACC.3,TEMPER_COV1 ; 四舍五入去温度值 INC TEMPER_NUMTEMPER_COV1:MOV A,TEMPER_H ANL A,#07H SWAP A ORL A,TEMPER_NUM MOV TEMPER_NUM,A ; 保存变换后的温度数据 RET ；AD0832: SETB DI SETB DO SETB CLK CLR CS NOP SETB CS CLR CLK CLR CS CALL DELAY1 SETB DI SETB CLK NOP CLR CLK SETB DI SETB CLK NOP CLR CLK CLR DI S