基于51单片机 烘干箱智能温度控制器毕业设计初稿文档格式.docx
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1.2温度检测系统的国内外状况
温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。
因此对温度的检测的意义就越来越大。
温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。
在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。
使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。
温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。
嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。
这条道路就是芯片化道路。
将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。
单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段。
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MCS-51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。
同时温度也是生活中最常见的一个物理量，也是人们很关心的一个物理量，它与我们的生活息息相关，有着十分重要的意义，在工业生产中，温度过高或过低会直接影响到产品的质量、对机械设备和控制系统中的各种元器件造成一定的损坏，严重的会影响到生产安全。
在日常生活中，温度过高或过低同样会造成一些不良影响。
2整体系统方案
2.1系统整体方案和结构
本温度控制系统，是基于单片机的控制系统，单片机采用AT89C51为内核，其有低功耗，高性能CMOS8位单片机，4KB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，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，是功能强大的微型计算机的，可为许多嵌入式控制系统提供高性价比的解决方案。
系统的工作过程为：
通过键盘输入温度数,，然后将设定的温度存入内存单元并显示在共阴极数码显示管上。
然后用DS18B20（数字温度传感器）作为温度传感器，将其采集到的温度量转换为模拟电流量，然后经过模拟放大电路，使其变为ADC0809可以接受的电压量，然后再输入到模数转换器ADC0809中，经过模数转换后的数字量再输入到89C51中，经过89C51数据处理后，判断与键盘输入的温度是否相同，高于设置温度的话关闭加热器，如果低于设置温度的话，开加热器对水进行加热。
整个系统的模块图，如图1：
图1系统结构图
2.2系统硬件接线图
图2硬件接线图
3系统硬件电路设计
3.1主机控制电路
本系统采用AT89C51单片机作为主控电路，管脚及其封装如图3：
图389c51封装图
AT89C51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，片内时钟振荡器。
管脚说明：
AT89C51的引脚结构图及功能的叙述。
1）电源和晶振：
VCC——运行和程序校验时加+5V。
VSS——接地。
XTAL1——输入到振荡器的反相放大器。
XTAL2——反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。
当用外部振荡器时，XTAL2不用，XTAL1接收振荡器信号。
2）制线：
共4根。
a.输入：
RST——复位输入信号，高电平有效。
在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。
EA/VPP——片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。
在编程时，其上施加21V或12V的编程电压。
b.输入、输出：
ALE/PROG——地址锁存允许信号，输出。
用作片外存储器访问时，低字节地址锁存。
ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用做对外输出的时钟或用于定时。
在EPROM编程期间，作输入。
输入编程脉冲（PROG）。
ALE可以驱动8个LSTTL负载。
c.输出：
PSEN——片外程序存储器选通信号，低电平有效。
在从片外程序存储器取指期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。
PSEN可以驱动8个LSTTL负载。
3）I/O口：
4个口，32根。
P0——8位、漏极开路的双向I/O口。
当使用片外存储器（ROM及RAM）时，作地址和数据总线分时复用。
在程序校验期间，输出指令字节（这时，需加外部上拉电阻）。
P0口能驱动8个LSTTL负载。
P1——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
在编程/校验期间，用做输入低位字节地址。
P1口可驱动4个LSTTL负载。
P2——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。
在编程/校验期间，接收高位字节地址。
P2口可以驱动4个LSTTL负载。
P3——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
P3还提供各种替代功能。
在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。
P3口可以驱动4个LSTTL负载。
I/O口的端口自动识别功能，保证了无论是P1口（低8位地址）P2口（高8位地址）的总线复用，还是P3口的功能复用，内部资源自动选择而不需要用指令进行状态选择。
●串行口：
P3.0——RXD（串行输入口），输入。
P3.1——TXD（串行输出口），输出。
●中断：
P3.2——INT0，外部中断0，输入。
P3.3——
INT1，外部中断1，输入。
●定时器/计数器：
P3.4——T0，定时器/计数器0的外部输入，输入。
P3.5——T1，定时器/计数器1的外部输入，输入。
●数据存储器选通：
P3.6—WR，低电平有效，输出，片外数据存储器写选通。
P3.7—RD，低电平有效，输出，片外数据存储器读选通。
图中VCC就是由外电源电路提供的+5V的电源。
AT89C51微控制器对于广泛的电源输入有很强的兼容性，对于供电电源的噪音也有很强的适应性。
此外AT89C51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。
本控制系统的连接引脚的方案如下：
（1）单片机最基本的电路就是能够使单片机正常的启动和工作的电路，包括电源VCC端接+5V电压，VSS接地。
EA端由于该引脚低电平时是访问片外存储器，本系统不需要扩展片外存储器，所以要保持高电平，接电源电压+5V。
（2）时钟电路对于单片机系统而言是必须的由于单片机内部是由各种各样的数字逻辑器件构成，而这些器件又必须按时间顺序完成。
所以在管脚的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体和俩个谐振电容，电容采用2个20pF电容，采用12M的石英晶体。
这样就可以构成89C51的基本时钟电路，时钟频率为12M。
（3）复位电路是对单片机进行初始化操作，使单片机处于一个确定的初始状态。
而要89c51复位得在RESETY引脚上加5ms的高电平信号就可以了。
当石英晶体频率为12MHz，复位电路参数为10Μf的电解电容和10kΩ的电阻。
如图4为单片机的起振电路和复位电路的连接图
时钟电路复位电路
图4
（4）本系统中需要单片机输入输出的模块有4个模块分别是：
模数转换模块，键盘输入模块，数码显示模块，输出控制模块。
但是89C51的输入输出口就4个。
其中P3口用来做第二功能，P3第二功能中需要用到外部中断和片外读写端。
所以键盘输入电路和输出控制电路需共用一个I/O口，由于P1口内部用上拉电阻代替了场效应管T1，做输出时口时无需外接上拉电阻，做输入口是与P0一样，所以本系统用P1口作为共用口。
数模转换用P0口，数码显示用P2口。
ALE当不访问外部存储器时，该端以时钟频率的1/6输出固定的正脉冲信号，所以用其做数模转换模块的ADC0809的时钟频率输入端，89C51的ALE—AD0809的CLOCK。
P3口用于第二功能，由于本系统采用中断键盘扫秒方式，其中P3.3（INT0）用于跟键盘并联。
P3.2（INT1）用于ADC0809转换完成后通过EOC向单片机发送控制信号。
P3.6（WR）进过非门接入到ADC0809的Start和ALE引脚上，P3.7（RD）经过非门接入到ADC0809的OE端。
3.2温度采集电路
DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易于微处理器等优点，特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成数字信号供微机处理，而且每个DS18B20都有唯一的产品号并可存入其ROM中，以使在构成大型温度测控系统时在单线上挂任意多个DS18B20芯片。
从DS18B20读出或写入DS18B20信息仅需要一根口线，共读写及温度变换功率来原于数据总线，该总体本身也可以向所挂接DS18B20供电，而无需额外电源。
DS18B20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便构成温度检测系统。
图2.3DS18B20
表1：
数字温度传感器的引脚
引脚8脚（SOIC）
引脚PR35
说明
5
1
GND
地
4
2
DQ
单线应用的数据输入/输出引脚
3
VDD
电源
2.3.1DS18B20数字温度传感器结构介绍
DS18B20的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口，存放中间数据的高速暂存器，用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL解发器，存储与控制逻辑、8位循环沉余校验码（CRC）发生器等七部分组成。
图2.3.1DS18B20内部结构框图
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20的低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
下图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
图2.3.2DS18B20测温原理框图
2.3.2DS18B20数字温度传感器的特性
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电
（2）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
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内
（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±
0.5℃
（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力
（9）负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作
2.3.3DS18B20与AT89C51的连接电路
连接方法如图6：
图6加热电路
3.3模数转换电路
ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
如图7为ADC0809的封装图和内部结构图
图7ADC0809封装和结构图
ADC0809特性：
（1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。
（2）具有转换起停控制端。
（3）转换时间为100μs。
（4）单个＋5V电源供电。
（5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
（6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度。
（7）低功耗，约15mW。
从ADC0809的各个参数分辨率为8位跟单片机的一组I/O口正好相符合。
转换时间为100μs，量程为0到5V上可以分析，本系统采用该模数转换器，量化误差也足以满足系统要求，综合各种参数跟本系统十分符合，故选择ADC0809作为本系统的模数转化模块。
驱动ADC0809最基本连接是在VCC接+5V电压为ADC0809的工作电压，GND接地，REF+和REF-为参考电压，功能是与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准，其典型值为REF+=+5v，REF-=0v，本系统电源电压正好也为+5v，所以采用电源电压。
如表1为模数转化的输入输出对照表：
表1输入输出对照表
温度值/℃
AD590电流
/μA
经10千欧/V
经放大电路输出
ADC0809的输出
273.2
2.732
00
10
283.2
2.832
0.49
19
20
293.2
2.932
0.98
32
30
303.2
3.032
1.47
4B
40
313.2
3.132
1.96
64
50
323.2
3.232
2.45
7D
60
333.2
3.332
2.94
96
70
343.2
3.432
3.43
AF
80
353.2
3.532
3.92
C8
90
363.2
3.632
4.41
E1
100
373.2
3.732
4.90
FA
INT0-INT7为8个模拟量输入通道，本系统中只用一个模拟量输入就是AD590的输出端，故只选择INT0作为作为模拟量的输入
ADDA，ADDB，ADDC，是8路模拟通道地址输入选择断，从表2中可以看出把三个管脚全接地，变为选择INT0作为模拟量的输入通道。
表2模拟通道地址输入选择表
ADDC
ADDB
ADDA
选择通道
Int0
Int1
Int2
Int3
Int4
Int5
Int6
Int7
D7-D0为数据输出线，也是我们将要得到的数字量，所以应该将他接入到89C51的P0口上。
CLK为时钟脉冲输入端因为ADC0809内部没有时钟电路，需要外接时钟信号，要求时钟频率不高于640KHZ，而89C51的ALE，当不访问外部存储器时，该端以时钟频率的1/6输出固定的正脉冲信号，所以将ADC0809的CLK通过分频器接到89C51的ALE端。
由于89c51的ALE输出1/6的时钟频率,计算：
12M/6=2M
2M/4=500KHz
在ADC0809可以接受的频率范围之内。
ALE为地址锁存信号。
在上升沿将通道地址所存到锁存器。
Stare为启动控制信号，在上升沿，所有内部寄存器清零，下降的时候开始AD转换这俩个管脚一起控制ADC0809的启动过程，而单片机的WR端输出为低电平输出控制，所以将这俩个管脚通过非门电路并联到单片机的P3.6（WR）管脚，当单片机执行写出操作时，通过WR管脚启动ADC0809的模数转换。
OE端为数据输出端控制端，当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出转换后的数字量，而单片机的RD端输出也为低电平输出控制，所以将它通过非门接到单片机的RD端，当单片机执行读入操作时，打开ADC0809的数据输出控制。
EOC端A／D转换结束信号输出端，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平，此引脚接到89C51的P3.3，用于判断温度转换是否结束，结束的话就取转换数据，没有的话就继续等待转换。
连接方法如图8：
图8模数转换电路
3.4数码显示电路
显示电路采用7段BCD码所存译码显示驱动器CD4511,来驱动阴极LED数码管，这样可以省去繁琐的拆字程序和查表程序，节省很大一部分CPU资源是时间。
图9CD4511封装和逻辑图
CD4511的特点：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
其管脚功能和连接原理如下：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
所以这里接电源电压高电位使其能够显示当前要显示的数值。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
这里也接电源电压使其能够正常工作。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值，这里保持一直温度显示，不需要锁定控制功能，所以也接电源电压。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端，本系统中我们用p2口作为单片机的输出接入到cd4511的数据输入，由于显示的温度为2位数，需要用到俩个CD4511，p2.1-p2.3接低位数据显示，p2.4-p2.7接高数据显示，单片机p2口直接输出压缩型BCD码片能实现数据显示。
如表3为CD4511的真值表，对应的可以看到各引脚输入的电平与输出的关系a、b、c、d、e、f、g，为译码输出端，输出为高电平1有效，因为CD4511的CMOS电路提供的电流较大，所以需要外接限流电阻，接上200Ω限流电阻就可。
表3CD4511真值表
输
入
出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
c
d
e
f
g
显示
X
8
消隐
6
7
9
CD4511与数码显示管的连接方法如图10：
图10显示电路
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