嵌入式设计木质颗粒锅炉控制器设计毕业设计论文

1、木质颗粒锅炉控制器设计院别控制工程学院专业名称测控技术与仪器班级学号 1学生姓名指导教师2013年6月15日木质颗粒锅炉控制器设计摘要本文设计的一种基于单片机控制的木质颗粒炉电气控制装置，以木质颗粒为原料在锅炉中燃烧，为居民或厂房等场合采暖设备提供热力源。单片机AT89S51作为整个电气控制装置的核心，以水泵、风机、送料电机为控制对象，以L298N为电机驱动芯片，实现了电机的启停控制、正反转控制及PWM调速多种功能。DS18B20作为温度传感器检测。同时还配有温度设置、手动电机调速设计。采用单片机对锅炉进行自动控制，并对其燃料控制、温度控制、水位控制等系列细节深化，力图达到最佳的控制效果、体验

2、效果和最佳的节能目的。关键词：木质颗粒，单片机，控制器The design of wood pellet boiter controllerAbstractThis paper designed a kind of based on single-chip microcomputer control, the wood grain furnace electrical control device, with wooden grain as raw materials in the boiler combustion, for residents or workshop and so on h

3、eating equipment to provide heat source. Single chip microcomputer as the electrical control device of the core, water pump, fan, feed motor as a control object and L298N for motor driver chip, realize the motor start-stop control, positive &negative control and PWM control functions. DS18B20 as

4、 temperature sensor detection. The boiler by single chip microcomputer automatic control, and the fuel control, temperature control, level control, etc. Series of detail deepening, tries to achieve the best control effect and experience effect and the best energy saving purpose.Key Words:Woodiness g

5、rain, SCM, controller目录1 绪论1论文背景1研究意义及目的2国内外研究现状2国外研究与应用现状2国内研究与应用现状3设计思路及主要内容32 木质颗粒锅炉控制器总体方案设计5木质颗粒锅炉简介5总述5木质颗粒锅炉结构6木质颗粒锅炉方案设计7木质颗粒锅炉控制器设计要求7木质颗粒锅炉控制器总体方案设计9系统硬件简要介绍10单片机AT89S5110温度传感器DS18B2011电机驱动芯片L298N12液晶显示芯片12864133 基于单片机的控制器硬件设计15单片机的选型153.1.1 STC89C52单片机简介153.1.2 AT89S51单片机简介183.1.3 单片机选择20

6、3.1.4 时钟电路的设计213.1.5 复位电路的设计22温度传感器的选择及A/D转换环节的设计233.2.1 传感器的选择233.2.2 DS18B20工作过程及时序243.2.3 芯片A/D转换功能介绍253.3 按键电路293.4 报警系统电路303.5 液晶显示模块电路314 单片机控制器的软件设计32系统主程序32子模块软件设计334.2.1 三电机开关量软件设计334.2.2 温度输入软件设计35显示数码管软件设计374.2.4 键盘环节软件设计385 总结与展望39展望40致谢41参考文献42附录43外文文献43程序清单471绪论论文背景上世纪中叶以来，随着全球经济的快速发展，

7、全球性的以石油、天然气和煤炭的能源危机也日益显现，与此同时还带了诸如环境污染等各方面的负面影响，严重损害了地球的可持续性发展。能源的枯竭带来了新的问题，寻找可再生的替代能源便成为了社会普遍关注的焦点。生物质能源是一种理想的可再生能源，它来源广泛，每年都有大量的工业、农业及森林废弃物的产出。而且生物质作为燃料时，由于生物质在生长势需要的量相当于它燃烧时排放的量，因而大气中的净排放量近似为零。而且、的产生量也极低，对于环境的改善，缓解温室效应都有极大的好处。木质颗粒燃料就是一种重要的生物质能源，是以林业采伐剩余物、清林废弃物和木材加工剩余物“三剩物”为主要原料，将其粉碎至一定的粒度，在不添加粘结剂

8、的情况下，采用高压将其挤压成直径68mm、长约56cm的颗粒状固体燃料。使用木质颗粒的方便程度可与燃气、燃油等传统能源媲美。在欧美等西方发达国家，木质颗粒成型已经大规模产业化，其应用范围涵盖所有工业、供暖、民用锅炉以及民用炉灶等领域。就从世界范围能来看，欧洲的木质颗粒利用走来了世界的前面，特别是以瑞典和奥地利为代表的国家，无论是颗粒成型技术、木质颗粒年生产量、木质颗粒锅炉的生产和使用，都为世界各国利用生物质能开了个好头。中国木质颗粒成型技术已经成功引进，国产化颗粒成型设备已成熟，已经进入规模化生产阶段，根据国家中长期发展规划，还需要加大推广应用木质颗粒燃料的力度。现在，人们已关注该行业的巨大商

9、机，越来越多的企业开始投入其中。但在我国，以木质颗粒为燃料的锅炉技术并不先进，大多是燃油锅炉的改进品或是国外产品的仿制品，使用质量还未达到较高水平，对其木质颗粒锅炉的深入研究是很有必要的。研究意义及目的木质颗粒锅炉一般具有以下特点：高效节能、绿色环保、智能控制、安全省力、维护简便。实践表明，使用木质颗粒燃料是清洁环保的。在我国农村能源消费结构中，木质能源约占生活用能的70%，占整个用能的50%。但木质能源的利用仍以直接燃烧的柴灶方式为主，这种燃烧方式热利用效率很低，只有10%-15%左右。而使用木质颗粒燃料却能大大提高这些木质材料的燃烧效率。由于这些材料原始状态是很松散的，在其燃烧过程当中80

10、%到90%的能量随着烟气和灰分的散失而流失浪费了。如果将它们的物理状况加以改变，变成一定的密集形态粒状或块状，可以将热效率提高到80%以上。我国已经引进国外先进的木质颗粒成型技术，但是我国国内的锅炉一般是由燃油锅炉改进而来或者是国外的仿制品，并没有达到世界先进水平。采用单片机对锅炉进行自动控制，并对其燃料控制、温度控制、水位控制等系列细节深化，力图达到最佳的控制效果、体验效果和最佳的节能目的。国内外研究现状国外研究与应用现状近几年，世界木质颗粒燃料生产快速发展，这一现象的最大动因是EU-2020目标（到2020年将可再生能源占总能源消费量的比重提高到20%）。生物能源技术的研究与开发已成为世界

11、重大热门课题之一，受到世界各国政府的关注，许多国家都制定了相应开发研究计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源、美国的能源农场等，其中生物能源的开发利用占有相当大的份额，国外很多生物质能源技术和装置已达到商业化应用程序，同其他生物能源技术相比较，生物质颗粒燃料技术更容易实现大规模生产和使用，使用生物能源颗粒的方便程度与燃气、燃油能源媲美。在荷兰和比利时，木质颗粒主要与煤炭混燃，用于大型发电设备燃料，英国和波兰也是如此。在瑞典、丹麦和挪威等北欧国家，主要用于地区供暖和热电联供设备（CHP）燃料以及家庭消费。在德国和奥地利，木质颗粒主要以散装方式供给家庭和小型锅炉使用。美国生产的木质颗粒约80%以袋

12、装方式供应国内住宅消费。加拿大生产的木质颗粒，90%作为发电燃料出口欧洲。国内研究与应用现状全球不可再生能源日益走向枯竭，生物能源渐渐成为各国政府和企业重点发展的替代能源，我国在生物能源领域已经有数十年的技术积累，在该源域的产业化开发能力居全球前两位，为了继续提高我国生物能源技术的开发和产业化水平，我国科技部颁布了国家863生物和现代农业技术领域“生物能源技术开发与产业化”课题的研究计划，随着863计划承相关课题项目的深入开展，我国拥有自主知识产权的生物能源技术大量增加。20世纪80年代以来，我国政府一直将生物能源利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目，开展了生物质能源新技术利用的研究和开发

13、，使生物质能源颗粒燃料产品的生产加工与直接燃料利用的研究已日渐成熟。在林业产业大省吉林，2010年该省林业生物质成型燃料产量达到5万吨，城市供热面积超过80万平方米，建成生物质成型燃料供热小区15个，实现产值4200万元。预计2015年仅林业生物质固体燃料产值可达到10亿元，生物质能源综合林业产值达到30亿元。然而从吉林试点地区反应来看，采用木质颗粒替代燃煤取暖的费用偏高。第一，锅炉价格偏高，进口的木质颗粒锅炉性能优越，操作简便，但价格较高，售后服务不便利，第二，燃料费偏高，在取暖温度达到一定要求，相比燃煤取暖每平方米费用要高一些。从而对我国锅炉工业提出了要求，木质颗粒锅炉的研发要借鉴国外企业

14、的经验，改进产品，降低锅炉价格，完善售后服务，加速生物质能木质颗粒的推广过程。设计思路及主要内容设计一种基于单片机控制的木质颗粒炉电气控制装置，以木质颗粒为原料在锅炉中燃烧，为居民或厂房等场合采暖设备提供热力源。单片机作为整个电气控制装置的核心，以水泵、风机、送料电机为控制对象，以L298N为电机驱动芯片，实现了电机的启停控制、正反转控制及PWM调速多种功能。DS18B20作为温度传感器检测。同时还配有温度设置、手动电机调速设计。单片机控制系统的点火控制功能、送料电机启停控制功能、风机转速大小控制功能、水泵启停控制功能、进出水温设定控制功能、数码管参数显示、手动电机调速功能、以及系统保护功能。

15、根据木质颗粒炉的出水口与回水口出所检测的温度，在管道中加上水泵。当出水温度高于设定温度上限时，由LPC2132控制启动水泵送出热水到供给设备，当检测到的出水温度低于设定温度下限时，停止水泵，继续加热水包，由此控制室内的温度，出口温度的高低与加热速度的快慢由送料电机与风机的转速决定。性能指标主要有：温度检测、送料装置进给控制、风机控制、北京时间显示、时间调整、点火控制。全文安排如下：第一章：绪论第二章：控制系统总体设计第三章：控制系统的硬件设计第四章：控制系统软件设计第五章：控制装置模拟调试最后是展望与总结2 木质颗粒锅炉控制器总体方案设计2.1木质颗粒锅炉简介总述木质颗粒燃料是一种重要的生物质

16、能源，是以林业采伐剩余物、清林废弃物和木材加工剩余物“三剩物”为主要原料，将其粉碎至一定的粒度，在不添加粘结剂的情况下，采用高压将其挤压成颗粒状的固体燃料。使用木质颗粒的方便程度可与燃气、燃油等传统能源媲美。在西方发达国家，木质颗粒已经大规模产业化，其应用范围涵盖所有工业、供暖、民用锅炉以及民用炉灶等领域。以木质颗粒为燃料的锅炉一般具有高效节能、绿色环保、控制智能、安全省力、维护简便等特点。实践表明，木质利颗粒燃料是清洁的，其燃烧过程中的产生量极低，对于改善环境、缓解温室效应都有极大的好处。在我国，木质颗粒锅炉一般是对昔日燃油锅炉进行改进，或者是仿造国外的优秀产品，没有或者很少有世界领先的国产

17、木质颗粒锅炉产品。这就得需要我们应该集中力量深入研究，我国木质颗粒燃料来源广泛，生产成本低，而锅炉应用广泛，未来情景令人欣喜。但是国外先进木质颗粒锅炉比较贵，而且用户体验也不好，维护成本高，售后服务不佳，这就需要我们继续深入研究木质颗粒锅炉。本文不去研究锅炉的硬件构造，只是改进或者是开发一个锅炉控制器，以单片机作为整个电气控制装置的核心，以水泵、风机、送料电机为控制对象，以L298N为电机驱动芯片，去实现电机的启停控制、正反转控制及PWM调速多种功能。DS18B20作为温度传感器检测。同时还配有进出水温设定控制、数码管参数显示、温度设置、系统保护手动电机调速设计等功能。根据木质颗粒炉的出水口与

18、回水口出所检测的温度，在管道中加上水泵。当出水温度高于设定温度上限时，由LPC2132控制启动水泵送出热水到供给设备，当检测到的出水温度低于设定温度下限时，停止水泵，继续加热水包，由此控制室内的温度，出口温度的高低与加热速度的快慢由送料电机与风机的转速决定。木质颗粒锅炉结构木质颗粒锅炉分为锅炉和料斗两部分，如图。图2.1 木质颗粒锅炉控制器结构图其中锅炉上方为螺旋状水管下方为燃烧室通过绞笼送料装置将木质颗粒送入燃烧室，绞笼由送料电机带动旋转，进而送料，送料速度由电机转速调节。在电机送料过程中，风机送风，以达到最佳风燃比，风量由风机转速调节。为了能够自动点火，在燃烧室处加装一套自动点火装置，需要

19、点火时，由步进电机带动点火棒进入炉膛，点火棒通电一段时间（足以点着木质颗粒）后，由步进电机带动点火棒退出炉膛。是否需要点火取决于炉膛设定的温度，炉膛温度高于设定温度，不需要点火，炉膛温度低于设定温度，需要点火。手动控制时可解除此功能、手动按钮控制点火。根据热力学原理设计炉体，根据采暖面积设计炉体大小，根据最佳排烟效果设计炉体结构。料斗为装料装置，可人工或自动将木质颗粒装入到料斗中。一般料斗中的料可使用2-3天。自动上料可采用传送带方式，当料位低于料位下限（20%）时，通过电机带动皮带运转送料，当料位高于料位上限（100%）时，电机停止运转。位置检测元件采用常开式限位开关。图2.2 木质颗粒锅炉

20、料斗示意图木质颗粒锅炉方案设计木质颗粒锅炉控制器设计要求1、点火控制点火装置采用步进电机做动力，通过联轴器等机械传动装置将角位移转换为线位移，带动点火棒进退，通过电脉冲数控制位移量。2、送料装置进给控制（1）手动控制时，通过电位器调整直流无刷电机送料速度。（2）自动控制时，根据调节器2的PID运算值，折算出PWM的占空比（高电平持续时间），输出PWM脉冲控制直流调速电机。3、进料电机调速控制（1）配备调速（直流）电机，微机控制电机调速模块实现调速（2）根据温度调节进料速度，调节燃烧热量。如果炉子用在洗浴中心，水量较大，应该控制出水温度和水泵的流速，必要时循环泵用增压调速泵。根据出水温度（PID

21、连续）控制进料速度和风机风速。如果外接电机水泵等功率较高，可外接固态继电器控制。4、风机控制（1）手动控制时，通过电位器调整直流风机速度。（2）自动控制时，根据调节器2的PID运算值，折算出PWM的占空比（高电平持续时间），输出PWM脉冲控制直流风机（3）风机速度与送料电机速度采取比值控制或经过实验一定比例系数控制，以达到最佳风燃比。5、参数设置与控制（1）根据用户需求设定出水温度、是手动进行风机控制还是自动进行对风机的控制。（2）能够按照设定好的进出水温度，自动进行控制点火、送料电机的开启调速、风机的启停调速和水泵的启停。6、设定任意室温（1）根据室温的要求，自动调节电机送料速度和风机的风量

22、，控制出水温度，进而控制室内温度（2）控制方式采用室内温度与出水温度串级控制（3）主控参数为室内温度，副控参数为出水温度（4）调节参数为送料电机与风机的速度。7、温度检测（1）检测出水温度（2）室内温度检测（3）送料杆温度检测（报警）温度检测范围0-1000C ，精确到小数点一位。温度显示采用图形液晶显示器显示。8、时间调整北京时间显示，按下调时键，调整时，按下调分键调分，按下确认键，时间存入，时钟运行。送料电机与风机均采用直流电机，其中送料电机采用直流无刷电机，PWM调速，调速模块自行设计，风机采用直流风机，调速模块自行设计。9、系统实现功能参数显示（1）能检测锅炉给水和回水的温度，温度分辨

23、率为度。（2）显示功能：显示时间、锅炉给水和回水的温度。（3）能现场设定锅炉给水和回水温度、报警值功能；（4）报警功能：当锅炉工作状态不正常时，能发出声光报警10、系统的保护（1）漏电保护空气开关加漏电保护器，一旦漏电，电源切断。（2）干烧保护当系统发生干烧的情况下，炉内温度会快速升高，温度传感器检测到异常温度后，控制器会自动安全断电。在没有排除故障原因前非自复位接通电源。木质颗粒锅炉控制器总体方案设计单片机控制系统的点火控制功能、送料电机启停控制功能、风机转速大小控制功能、水泵启停控制功能、进出水温设定控制功能、温度检测、时间调整、数码管参数显示、手动电机调速功能、以及系统保护功能。键盘模块

24、DS18B20水泵送料电机LED12864AT89S51风机图2.3 木质颗粒锅炉控制器硬件总图因此，以AT89S51为电气装置的核心，以水泵、风机、送料电机为控制对象，以L298N为电机驱动芯片，实现电机的启停控制、正反转控制及PWM调速多种功能；以DS18B20作为温度传感器检测；利用指示灯进行报警显示；利用对数码管或者液晶显示芯片进行状态、功能、参数等的显示；利用键盘模块对参数进行设定。系统硬件简要介绍单片机AT89S51AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash

25、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：1、与MCS-51 兼容2、 4K字节可编程闪烁存储器3、寿命：1000写/擦循环4、全静态工作：0Hz-33Hz5、三级程序存储器锁定6、 128*8位内部RAM7、 32可编程I/O线8、两个16位定时器/计数器9、 6个中断源10、可编程串行通道11、低功耗的闲置和掉电模式12、看门狗及双数据指针1

26、3、灵活在系统编程（ISP-字节或页写模式）图2.4 AT89S51引脚图温度传感器DS18B20DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。图2.5 DS18B20 引脚图主要有以下优点：、独特的单线接口方式，DS18B20在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。 、测温范围55+12

27、5，固有测温分辨率0.5。、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。、工作电源: 35V/DC 、在使用中不需要任何外围元件、测量结果以912位数字量方式串行传送电机驱动芯片L298NL298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达2

28、5 A，可驱动电感性负载。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机， 5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。L298N采用由达林顿管组成的H型PWM电路。PWM电路由四个大功率晶体管组成H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，根据调整输入控脉冲的占空比，精确调整电动机转速。这种电路由于管子工作只在饱合和截止状态下，效率非常高。H型电路使实现转速和方向的控制的简单化，且电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWN调整技术。图2.6 L

29、298N引脚图L298N是双H桥高电压大电流集成电路。L298N的内部结构，每个H桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起，其输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻。Vss接逻辑控制的电源。Vs为电机驱动电源。IN1-IN4输入引脚为标准TTL 逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速。液晶显示芯片1286412684液晶显示器模块作为一个独立的显示单元，只有液晶显示屏（LCD）是不可能成为显示单元的，它必须包括有驱动液晶显示屏各像素的中大规模集成电路（IC），连接集成电路IC和液晶显示屏的印刷电路板（PC

30、B），以及连接LCD屏和PCB板的金属壳、导电胶条、热压柔性导电带和其他的电阻、电容、半导体器件、背光源、插接连接件等。图2.7 12864 引脚图液晶显示器最大的特点是平面显示，要求LCM体积小，重量轻，可靠性高，便于安装和使用。在LCM加工中采用先进的表面贴装工艺（SMT）裸芯邦定工艺（COB）、TAB工艺、COG工艺，所采用的元器件及其他部件应是较薄的平面化封装方式，体积小，重量轻，可靠性高，便于安装和使用。3 基于单片机的控制器硬件设计单片机的选型本课题设计的温度控制系统主控制芯片选型为STC89C52单片机，其特点如下： STC89C52单片机简介目前，51系列单片机在工业检测领域中

31、得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用系统，以增强人机对话的功能。单片机是深圳宏晶科技有限公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：1、一个8位的微型处理器CPU；2、一个512K的片内数据存储器RAM；3、4K片内程序存储器；4、四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；5、五个中断源的中断控制系统；6、一个全双工UART的串行I/O口；7、片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是12MHZ；

32、以上各个部分通过内部总线相连接。STC89C52单片机的一个执器周期由6个状态(s1s6)组成，每个状态又持续2个震荡周期，分为P1和P2两个节拍。这样，一个机器周期由12个振荡周期组成。若采用12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期为1us，每个状态周期为16us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在N期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从S1P2开始执行指令。如果是双字节指令，则在同一机器周期的s4读人第二字节。若为单字节指令，则在51期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加1。在加结束时完成指令操作。多数STC8

33、9C52指令周期为12个机器周期，只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需4个机器周期。对于双字节单机器指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节，但Movx指令例外，Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令，在执行Movx指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。STC89C52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。（1）电源引脚Vcc和VssVcc（40脚）：接+5V电源正端；Vss（20脚）：接+5V电源

34、正端；（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。（3）控制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。（A）RST/VPD（9脚）

35、：RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。（B）ALE/ P （30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低（C）PSEN(29脚):片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指

36、令或常数。当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。（D）EA/Vpp（31脚）：EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS52子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。（4）输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口(A).P0口（39脚22脚）：统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。

37、当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。(B).P1口（1脚8脚）：统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS52子系列单片机，和还有第2功能：口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。(C).P2口（21脚28脚）：统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字

38、节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。(D).P3口（10脚17脚）：统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。P3口的第2功能见下表：表3.1 表名单片机管脚含义引脚第2功能RXD（串行口输入端0）TXD（串行口输出端）INT0（部中断0请求输入端，低电平有效）INT1（中断1请求输入端，低电平有效）T0（时器/计数器0计数脉冲端）T1（时器/计数器1数脉冲端）WR（部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）RD

39、（部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）综上所述，MCS51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：1).单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；2).单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线。3.1.2 AT89S51单片机简介AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器。它有如下特性：1、与

40、MCS-51 兼容2、 4K字节可编程闪烁存储器3、寿命：1000写/擦循环4、全静态工作：0Hz-33Hz5、三级程序存储器锁定6、 128*8位内部RAM7、 32可编程I/O线8、两个16位定时器/计数器9、 6个中断源10、可编程串行通道11、低功耗的闲置和掉电模式12、看门狗及双数据指针13、灵活在系统编程（ISP-字节或页写模式）AT89C51的管脚描述：VCC：电源电压。GND：地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程

41、时，P0 口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序

42、存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口。P3口为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。详情见表。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要

43、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，

44、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（0000H-FFFFH），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。3.1.3 单片机选择从上面两个单片机简介中可以看到，51系列单片机功能大致相同，只是在个别细节问题上有一些功能上的强弱之分，为了便于实际实践

45、，本次设计采用AT89C51单片机。3.1.4 时钟电路的设计单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。51系列单片机的时钟产生方法有两种。一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。（1）内部时钟方式利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的内部时钟方式是采用外接晶体（在频率稳定性要求不高而希望尽可能廉价时，可选择陶瓷谐振器）和电容组成的并联谐振回路，不论是HMOS还是CHMOS型单片机其并联谐振回路及参数相同，如图所示：CX2CX1晶振AT89S51XTAL1 XTAL

46、2VSS图3.1 使用片内振荡器的时钟电路振荡晶体可在12MHz之间选择，电容值无严格要求，但在电容值取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF100pF之间取值，但在60pF70pF时振荡器有较高的频率稳定性。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽可能靠尽单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好是保证谐振器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。（2）外部时钟方式外部时钟方式是利用外部振荡信号源直接接入XTAL1、XTAL2。由于HMOS和CHMOS单片机内部时钟进入的引脚不同（CHMOS型单片机由XTAL1进入，HMOS型单

47、片机由XTAL2进入），其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMOS型单片机的外部振荡信号源的接入方法：外部振荡信号接至XTAL2，而内部的反相放大器的输入端XTAL1应接地。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个上拉电阻。在CHMOS电路中，因内部时钟引入端取反相放大器的输入端（即与非门的一个输入端），故采用外部与HMOS型有所不同，外部信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地。外部振荡信号通过一个2分频的触发器而成为内部的时钟信号。故对外部信号的占空比没什么要求，但高电平持续时间和低电平持续时间应大于20ns.(3)本设计方案由于对上述两种方案的分析，在本设计中选择内部时钟方

48、式。电路如图2-3所示。在外部晶体上选用晶体振荡器，频率为，为提高频率稳定性，CX1、CX2都为30pF。图3.2 本设计采用的内部时钟电路3.1.5 复位电路的设计51系列单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。按钮复位时，当按钮按下后，RESET引脚端出现低电平，只要RESET端保持10ms以上低电平，就能使单片机有效地复位。电路如图所示：图3.3 复位电路温度传感器的选择及A/D转换环节的设计传感器的选择采用一线制数字温度传感器DS18B20来作为本课题的温度传感器。传感器输出信号进的上拉电阻直接接到单片机的引脚上。DS18B20温度传感器是美国达拉斯(DALLAS)半导体公司推出的应

49、用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件DS18B20，是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以下几方面的原因：（1）系统的特性：测温范围为-55+125，测温精度为士；温度转换精度912位可变，能够直接将温度转换值以16位二进制数码的方式串行输出；12位精度转换的最大时间为750ms；可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式。（2）系统成本：由于计算机技术和微电子技术的发展，新型大规模集成电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格也越来越低。一支DS18B20的体积与普通三极管相差无几，

50、价格只有十元人民币左右。（3）系统复杂度：由于DS18B20是单总线器件，微处理器与其接口时仅需占用1个I/O端口且一条总线上可以挂接几十个DS18B20，测温时无需任何外部元件，因此，与模拟传感器相比，可以大大减少接线的数量，降低系统的复杂度，减少工程的施工量。（4）系统的调试和维护：由于引线的减少，使得系统接口大为简化，给系统的调试带来方便。同时因为DS18B20是全数字元器件，故障率很低，抗干扰性强，因此，减少了系统的日常维护工作。DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ ，外供电源线VDD，共用地线GND。DS18B20有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时

51、VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。这种情况下，用单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD接+5V)，相应的完成温度测量的时间较短。图3.4 管脚排列图3.2.2 DS18B20工作过程及时序DS18B20内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。初始时，温度寄存器被预置成-55，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，温度寄存器中寄存的温度值

52、就增加1，这个过程重复进行，直到计数器2计数到0时便停止。初始时，计数器1预置的是与-55相对应的一个预置值。以后计数器1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加1计数器所需要的计数个数。DS18B20内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25进行比较，若低于0.25，温度寄存器的最低位就置0；若高于0.25，最低位就置1；若高于0.75时，温度寄存器的最低位就进位然后置0。

53、这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最后位代表0.5，四舍五入最大量化误差为±1/2LSB，即0.25。温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位，其余8位以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这9位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节，8位温度数据占据第二字节。DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。当计数门打开时，DS18B20进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率

54、的非线性度加以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应该为9位，但因符号位扩展成高8位，所以最后以16位补码形式读出。3.2.3 芯片A/D转换功能介绍DS18B20工作过程一般遵循以下协议：初始化ROM操作命令存储器操作命令处理数据 初始化单总线上的所有处理均从初始化序列开始。初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。存在脉冲让总线控制器知道DS1820 在总线上且已准备好操作。 ROM操作命令一旦总线主机检测到从属器件的存在，它便可以发出器件ROM操作命令之一。所有ROM操作命令均为8位长。这些命令列表如下：Read ROM(读ROM)33h此命令允许总

55、线主机读DS18B20的8位产品系列编码，唯一的48位序列号，以及8位的CRC。此命令只能在总线上仅有一个DS18B20的情况下可以使用。如果总线上存在多于一个的从属器件，那么当所有从片企图同时发送时将发生数据冲突的现象（漏极开路会产生线与的结果）。Match ROM( 符合ROM)55h此命令后继以64位的ROM数据序列，允许总线主机对多点总线上特定的DS18B20寻址。只有与64位ROM序列严格相符的DS18B20才能对后继的存贮器操作命令作出响应。所有与64位ROM序列不符的从片将等待复位脉冲。此命令在总线上有单个或多个器件的情况下均可使用。Skip ROM( 跳过ROM )CCh在单点

56、总线系统中，此命令通过允许总线主机不提供64位ROM编码而访问存储器操作来节省时间。如果在总线上存在多于一个的从属器件而且在Skip ROM命令之后发出读命令，那么由于多个从片同时发送数据，会在总线上发生数据冲突（漏极开路下拉会产生线与的效果）。Search ROM( 搜索ROM)F0h当系统开始工作时，总线主机可能不知道单线总线上的器件个数或者不知道其64位ROM编码。搜索ROM命令允许总线控制器用排除法识别总线上的所有从机的64位编码。Alarm Search(告警搜索)ECh此命令的流程与搜索ROM命令相同。但是，仅在最近一次温度测量出现告警的情况下，DS18B20才对此命令作出响应。告

57、警的条件定义为温度高于TH 或低于TL。只要DS18B20一上电，告警条件就保持在设置状态，直到另一次温度测量显示出非告警值或者改变TH或TL的设置，使得测量值再一次位于允许的范围之内。贮存在EEPROM内的触发器值用于告警。存储器操作命令Write Scratchpad（写暂存存储器）4Eh这个命令向DS18B20的暂存器中写入数据，开始位置在地址2。接下来写入的两个字节将被存到暂存器中的地址位置2和3。可以在任何时刻发出复位命令来中止写入。Read Scratchpad（读暂存存储器）BEh这个命令读取暂存器的内容。读取将从字节0开始，一直进行下去，直到第9（字节8，CRC）字节读完。如果不想读完所有字节，控制器可以在任何时间发出复位命令来中止读取。Copy Scrat