pc机温度控制系统的设计.docx
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pc机温度控制系统的设计
电气与电子信息工程学院
小型控制系统课程设计
设计题目：
pc机温度控制系统的设计
专业班级：
电气自动化技术2011级
（1）班
学 号：
201130220102
姓名：
李忱龙
指导教师：
皮大能刘俊
设计时间：
2013/12/2～2013/12/13
设计地点：
K2—403
小型控制系统课程设计成绩评定表
姓名
李忱龙
学号
201130220102
专业班级
电气自动化技术2011级
（1）班
课程设计题目：
pc机温度控制系统的设计
课程设计答辩或质疑记录：
1、AT89S51P0口引脚功能？
答：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
2、AT89S51P1口引脚功能？
答：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
成绩评定依据：
课程设计考勤情况（20％）：
课程设计答辩情况（25％）：
完成设计任务及报告规范性（55％）：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2012年12月13日
第一部分课程设计任务书……………………………………………………2
第二部分课程设计………………………………………………………4
1工作原理……………………………………………………………………4
2方案设计与论证……………………………………………………………………5
2.1主控制部分………………………………………………………………………5
2.2测量部分…………………………………………………………………………5
3各单元的设计……………………………………………………………………10
3.1键盘单元…………………………………………………………………………10
3.2温度控制及超温和超温警报单元………………………………………………12
3.3温度控制器件电路……………………………………………………………………13
3.4温度测试单元……………………………………………………………………13
3.5七段数码管显示单元…………………………………………………………………13
3.6接口通讯单元……………………………………………………………………15
4电源输入单元……………………………………………………………………16
5程序设计…………………………………………………………………………17
5.1概述………………………………………………………………………………17
5.2程序结构分析……………………………………………………………………18
5.3主程序……………………………………………………………………………19
6.心得体会…………………………………………………………………………19
参考文献………………………………………………………………………………19
附录程序清单………………………………………………………………………20
第一部分课程设计任务书
2013～2014学年第1学期
学生姓名：
李忱龙专业班级：
电气自动化技术2011级
（1）班
指导教师：
皮大能工作部门：
电气学院基础教研室
一、课程设计题目：
单片机应用系统设计与制作
1.小直流电机调速控制系统设计
6.基于数字温度传感器的数字温度控制器设计
2.基于热敏电阻的暖手袋温度控制器的设计
7.基于51单片机的调温烙铁的设计
3.基于51单片机的定时插坐设计
8.基于51单片机调光灯控制系统的设计
4.消毒柜控制系统的设计
9.风扇控制器设计
5.PC机温度控制系统的设计
10.自选
二、课程设计内容
1.根据具体设计课题的技术指标和给定条件，以单片机为核心器件，能独立而正确地进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；
2.熟悉、掌握各种外围接口电路芯片的工作原理和控制方法；
3.熟练使用单片机汇编语言进行软件设计；
4.熟练使用Proteus、Keil软件进行仿真电路测试；
5.熟练使用Protel软件设计印刷电路板；
6.学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数；
7.编写设计说明书，参考毕业设计论文格式撰写设计报告。
注：
详细要求和技术指标见附录。
三、进度安排
1．时间安排
序号
内容
学时安排（天）
1
方案论证和总体设计
2
2
硬件设计
2
3
软件设计
2
4
仿真测试及PCB设计
1
5
撰写和打印设计报告
1
合计
10
设计指导答辩地点：
K2——306仿真实验室
2．执行要求
单片机应用系统设计与制作多个选题，每组不超过6人，为避免雷同，在设计中每个同学所采用的方案不能一样。
四、基本要求
（1）根据要求确定系统设计方案；
（2）绘制系统框图、系统原理总图，印刷电路板图，列出元器件明细表；
（3）计算电路参数和选择元器件，画出软件框图，列出程序清单；
（4）仿真，测试与修改调整；
（5）误差分析与调整；
（6）写出使用说明书；
（7）对设计进行全面总结，写出课程设计报告。
五、课程设计考核办法与成绩评定
根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。
评定项目
基本内涵
分值
设计过程
考勤
10分
答辩
回答问题情况
20分
实物测试
正常无故障运行
20分
设计报告
完成设计任务、报告规范性等情况
50分
90～100分：
优；80～89分：
良；70～79分：
中；60～69分，及格；60分以下：
不及格
六、课程设计参考资料
[1]电气与电子信息工程学院.单片机实验指导书
[2]熊静琪.计算机控制技术.北京:
电子工业出版社,2003.
[3]黄忠霖.控制系统MATIAB计算及仿真.北京:
国防工业出版社,2004.
[4]彭为等.单片机典型系统设计实例精讲.北京：
电子工业出版社，2007
[5]王庆利等.单片机设计案例实践教程.北京：
北京邮电大学出版社，2008
[6]韩志军等.单片机应用系统设计——入门向导与设计实例.北京：
机械工业出版社，2005
[7]皮大能等.单片机课程设计指导书.北京：
北京理工大学出版社，2010
指导教师：
皮大能、刘俊
2013年12月13日
教研室主任签名：
2013年12月13日
第二部分课程设计
1工作原理
温度传感器DS18B20从设备环境的不同位置采集温度，单片机AT89S51获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。
当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备（压缩制冷器），当采集的温度经处理后低于设定温度的下时,单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备（加热器）。
当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。
系统中将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据，以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。
1-1工作原理图
2方案设计
2.1温度测量部分方案
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围－55～＋125℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。
综上，在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。
该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。
在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。
该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。
图2-1温度芯片DS18B20
2.2主控制部分方案
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）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ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes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16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz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，以适应不同产品的需求。
由于系统控制方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和成本等因素,因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控芯片。
主控模块采用单片机最小系统是由于AT89S51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为0～24MHz,并且价格低廉,批量价在10元以内。
其主要功能特性：
兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM
32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压
2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz
全双工UART串行中断口线128x8bit内部RAM
2个外部中断源低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式3级加密位
看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针
可以看出AT89S51提供以下标准功能：
4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。
同时,AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式何在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。
AT89S51引角功能说明
Vcc：
电源电压
GND：
地
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。
表4-1为P1口第二功能。
表2-1P1口第二功能
端口引脚
第二功能
P1.5
MOSI（用于ISP编程）
P1.6
MISO（用于ISP编程）
P1.7
SCK（用于ISP编程）
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，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一个电流I。
在访问８位地址的外部数据存储器（如执行：
MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。
）
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如下表4-2。
表2-2P3口的第二功能
端口功能
第二功能
端口引脚
第二功能
RXD（P3.0）
串行输入口
T0（P3.4）
定时/计数器0外部输入
TXD（P3.1）
串行输出口
T1（P3.5）
定时/计数器1外部输入
INT0（P3.2）
外中断0
WR（P3.6）
外部数据存储器写选通
INT1（P3.3）
外中断1
RD（P3.7）
外部数据存储器读选通
RST：
复位输入。
当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。
WDT益出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。
DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目地，要注意的是：
第当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位禁位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此外，该引脚伎被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器，高有两次有效的PSEN信号。
EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上＋12V的编程电压Vpp。
XTAL1：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
AT89S51单片机内部构造及功能：
特殊功能寄存器：
特殊功能寄存器的片内空间分存如下图3-2所示。
这些地址并没有全部占用，没有占用的地址不可使用，读这些地址将得到一个随意的数值。
而写这些地址单元将不能得到预期的结果。
中断寄存器：
各中断允许控制位于IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。
图4-2为AUXR辅助寄存器。
图2-2AUXR辅助寄存器
双时钟指针寄存器：
为方便地访问内部和外部数据存储器，提供了两个16位数据指针寄存储器：
PD0位于SFR区块中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，当SFR中的位DPS=0时选择DP0,而DPS=1时选择DP1。
在使用前初始化DPS。
图2-3双时钟指针寄存器
电源空闲标志：
电源空闲标志（POF）在特殊功能寄存储器SFR中PCON的第4位（PCON.4）,电源打开时POF置“1”,它可由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。
存储器结构：
MCS-51单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具有64KB外部程序和数据的寻址空间。
程序存储器：
如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。
在AT89S51,假如接至Vcc（电源＋），程序首先执行从地址0000H－0FFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000H－FFFFH（60KB）的外部程序存储器。
数据存储器：
在AT89S51的具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。
看门狗定时器（WDT）：
WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看狗复位SFR（WDTRST）构成。
外部复位时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，必按顺序将01H和0E1H写到WDTRST寄存器，当启动了WDT，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT，当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。
引脚图详见图4-4
图2-4AT89S51单片机引脚图
3各单元的设计
3.1键盘单元
单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路,以及专一的复位功能外,其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。
键开关状态的可靠输入：
为了去抖动我采用软件方法，它是在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响
在这种行列式矩阵键盘非编码键盘的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。
当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键按下。
对键的识别通常有两种方法：
一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。
对照图示的4*4键盘，说明线反转法工作原理。
首先辨别键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。
方法是：
向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。
如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。
判断键盘中哪一个键被按下是通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。
方法是：
依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。
键盘共有16个按键，用于方便设定温度。
…，数字按键，输入数字0----9；
，设置的确认，修改设置温度时进行确认；
设置的清除，修改设置温度时进行删除；
开启电源
关闭电源
显示及设置转换到温度点1，按此按键后，显示预设置温度的数码管
闪烁；
显示及设置转换到温度点2，按此按键后，显示预设置温度的数码管
闪烁；
表3-1键盘的按键分布
P2.0
0
1
2
3
P2.1
4
5
6
7
P2.2
8
9
F1
F2
P2.3
清除
开启
关闭
确定
P2.4
P2.5
P2.6
P2.7
3.2温度控制及超温和超温警报单元
当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通过P1.4输出控制信号驱动三极管D1，使继电器K1开启降温设备（压缩制冷设备）：
当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过P1.5输出控制信号驱动三极管D2，使继电器K2开启升温设备（加热器1）。
当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。
具体电路连接如图5-1所示。
图3-1具体电路连接图
3.3温度测试单元
采用温度芯片DS18B20。
使用集成芯片，能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，简化电路的结构。
3.4温度控制器件电路
单片机通过三极管控制继电器的通断，最后达到控制电热器的目的。
当温度未达到要求时，单片机发送高电平信号使三极管饱和导通，继电器使电源与电热器接通，电热器加热。
温度慢慢升高。
当温度上升到预定温度时，单片机发送低电平信号三极管进入截止状态，继电器的弹片打到另一侧，使电热器与电源断开，电热器停止加热。
继电器电路中有一个三极管8050的保护电路，即将一个二极管反向接到三机管的两端。
连接方法如图5-2所示。
图3-2单片机控制信号
其原理是：
当继电器突然断电时，继电器产生很大的反向电流。
二极管的作用是将反向电流分流，使流过三级管8050的电流比较小，达到保护三极管8050的作用。
3.5七段数码管显示单元
本部分电路主要使用七段数码管和移位寄存器芯片74LS164。
单片机通过I2C总线将要显示的数据信号传送到移位寄存器芯片74LS164寄存，再由移位寄存器控制数码管的显示，从而实现移位寄存点亮数码管显示。
由于单片机的时钟频率达到12M，移位寄存器的移位速度相当快，所以我们根本看不到数据是一位一位传输的。
从人类视觉的角度上看，就仿佛是全部数码管同时显示的一样。
具体见实际连线图如图5-3。
当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。
串行数据输入端（A，B）可控制数据。
当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。
当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态，逻辑封装图如图5-3：
图3-3逻辑封装图
引出端符号：
CLOCK时钟输入端；CLEAR同步清除输入端（低电平有效）；A，B串行数据输入端；QA－QH输出端。
真值表：
表5-2
表5-2真值表
图3-4实际连线图
3.6接口通讯单元
max232资料简介：
该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。
由于电脑串口rs232电平是-10v+10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是
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