基于单片机的温度控制系统设计本科学位论文Word格式文档下载.docx
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被测信号往往因为幅值较小，而且可能还含有多余的高频分量等原因，不能直接送给A/D转换器，需对其进行必要的处理，即信号调理。
如对信号进行放大、衰减、滤波等。
为减少电路的繁复，故本测控系统数据采集系统中采用集成温度采集元件与A/D转换元件配合使用。
硬件选择为DS18S20数字温度传感器
数据采集方式有顺序控制数据采集和程序控制数据采集。
方案一：
顺序控制数据采集，顾名思义，它是对各路被采集参数，按时间顺序依次轮流采样。
系统的性能完全由硬件设备决定。
在每次的采集过程中，所采集参数的数目、采样点数、采样速率、采样精度都固定不变。
若要改变这些指标，需改变接线或更换设备方能实现。
方案二：
程序控制数据采集，由硬件和软件两部分组成。
，据不同的采集需要，在程序存储器中，存放若干种信号采集程序，选择相应的采集程序进行采集工作，还可通过编新的程序，以满足不同采样任务的要求。
由于顺序控制数据采集方式缺乏通用性和灵活性，所以本设计中选用程序控制数据采集方式。
1.2数据处理和显示电路分析
用单片机作为这一控制系统的核心，接受来自DS18S20的数据，经处理后通过串口传送，由于系统功能简单，键盘仅由四个开关和一个外部中断端组成，完成设定温度的选择，单片机通过上拉电阻与LCD数码显示器相连。
1.2.1单片机系统分析
1.复位电路
单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
AT89C51的RST引脚是复位信号的输入端。
复位电平是高电平有效，持续时间要有24个时钟周期以上。
本系统中单片机时钟频率为12MHz则复位脉冲至少应为8us。
上电复位电路
上电瞬间，RST端的的电位与Vcc相同，随着电容的逐步充电，充电电流减小，RST电位逐渐下降。
上电复位所需的最短时间是振荡器建立时间加上二个机器周期，在这段时间里，振荡建立时间不超过10ms。
复位电路的典型参数为：
C取10uF,R取8.2k,故时间常数
=RC=10
10
8.2
=82ms
以满足要求。
外部复位电路
按下开关时，电源通过电阻对外接电容进行充电，使RES端为高电平，复位按钮松开后，电容通过下拉电阻放电，逐渐使RET端恢复低电平。
方案三：
上电外部复位电路
典型的上电外部复位电路是既具有上电复位又具有外部复位电路，上电瞬间，C与Rx构成充电电路，RST引脚出现正脉冲，只要RST保持足够的高电平，就能使单片机复位。
一般取C=22uF，R=200,Rx=1k,此时
=22
1
=22ms
当按下按钮，RST出现
5=4.2V时，使单片机复位。
本设计采用方案三。
2.振荡源
在AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1（19）、XTAL2（18）分别是此放大器的输入端和输出端。
内部方式
与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起组成一个自激振荡器。
外部方式
外部振荡器信号的接法与芯片类型有关。
CMOS工艺的MCU其XTAL1端接外部时钟信号，XTAL2端可悬空。
HMOS工艺的MCU则XTAL2端接外部时钟信号，XTAL1端须接地。
本设计采用方案一。
1.2.2显示与键盘分析
对系统发出命令和输出显示测量结果，主要是由键盘和显示器组成。
1.键盘电路的确定
为了在控制系统中完成不同功能，还需要为该系统设置键盘。
由于功能要求简单，仅用四个按键即可完成相关功能，降低了系统的硬件开销，软件处理简单。
2.显示器方案确定
LED数码显示管
用多只LED数码显示器来表示该十进制数，为实现通道的选取，用键盘实现控制功能。
用LED数码管在译码方式，显示方法上都还要再做选择。
LCD液晶显示器
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
1.显示质量高
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
2.数字式接口
液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
3.体积小、重量轻
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
4.功耗低
相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
故本设计采用LCD液晶显示器。
1.3继电器电路分析
本温度测控系统对温度的控制由单片机通过光耦对继电器进行控制，电路设计选择简单，故不多述。
1.4通信接口电路分析
1.传输方式的选择
串行通信有同步和异步两种工作方式。
同步方式要求发送与接受保持严格同步，由于串行传输逐位按顺序进行，为了约定数据是由哪一位开始传输，需设定同步字符。
此方式传输速度快，但硬件复杂。
异步方式，规定了数据传输格式，每个数据均以相同的帧格式传送，每帧信息由起始位、数据位、奇偶效验位和停止位组成。
帧与帧间用高电平分隔开，但每帧均需附加位，降低了传输效率。
异步通信依靠起始位、停止位保持通信同步。
对硬件的要求低，实现起来比较简单、灵活，适用于数据的随机发送/接收，一般适用于50～9600bps的低速串行通信。
2.电平转换芯片选择
RS-232规定的电平和一般微处理器的逻辑电平不一致，必须进行电平转换。
采用MCl488和MCl489芯片的转换接口
MCl488和MCl489芯片为早期的RS-232至TTL逻辑电平的转换芯片，需要±
12V电压，并且功耗较大，不适合用于低功耗的系统。
采用MAX232芯片的转换接口
MAX232是MAXIM公司的产品，包含两路驱动器和接收器的RS-232转换芯片。
芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+5V电压转换为RS-232接口所需的±
10V电压，尤其适用于没有±
12V的单电源系统。
由于RS-232信号电平与MSC-51型单片机信号电平（TTL电平）不一致，因此采用RS-232标准时，必须进行信号的电平转换。
RS-232与TTL电平转换芯片各有特点，此处选用MAXIM公司的MAX232芯片。
小结：
经简单的理论分析，本系统数据采集部分采用DS18S20，单片机系统选用AT89C51构成的最小系统，用LCD液晶显示器显示采集到的数据，数据传输则选用RS232标准，实现单片机与PC机的通信。
第2章系统硬件设计
2.1数据采集电路
2.1.1DS18S20数字温度传感器性能描述
图2-1DS18S20管脚图
DS18S20数字温度传感器具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样的特点，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
1独特的单线接口方式，DS18S20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。
2测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。
3支持多点组网功能，多个DS18S20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温
4工作电源:
3~5V/DC
5在使用中不需要任何外围元件,测量结果以9~12位数字量方式串行传送
6适用于各种介质工业管道温度测量和狭小空间设备测温控制.
7标准安装螺纹无,M10X1,M12X1.5,G1/2”任选
8PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。
2.1.2DS18S20数字温度传感器与AT89C51连接
由于DS18S20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，故其连线简单，如图2-2。
图2-2DS18S20与AT89C51连接图
2.2数据处理和显示电路
2.2.1AT89C51
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
图2-3AT89C51管脚图
主要性能参数：
·
与MCS-51产品指令系统完全兼容
4k字节可重擦写Flash闪速存储器
1000次擦写周期
全静态操作：
0Hz－24MHz
三级加密程序存储器
128×
8字节内部RAM
32个可编程I／O口线
2个16位定时／计数器
6个中断源
可编程串行UART通道
低功耗空闲和掉电模式
功能特性概述：
AT89C51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，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51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。
掉电方式保存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到下一个硬件复位。
引脚功能说明：
Vcc：
电源电压
GND：
地
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，每位能吸收电
流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
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FIash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拉低时会输出一个电流（IIL）。
FIash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
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（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拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数
据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）
区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦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。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
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，如下表所示：
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
————
INT0（外中断0）
P3.3
——
INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时／计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时／计数器1外部输入）
P3.6
———
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
表2-1P3口第二功能
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
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l／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时
目的。
要注意的是：
每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DO位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有
一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
EA／VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为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的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1：
振荡器反相放大器的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。
2.2.2控制器、振荡源和复位电路
复位即回到初始状态，是单片机经常进入的工作状态。
单片机振荡电路的振荡周期和时钟电路的时钟周期决定了CPU的时序。
1．复位电路
单片机的复位是靠外部电路实现的。
无论是HMOS还是CHMOS型，在振荡器正运行的情况下，RST引脚保持二个机器周期以上时间的高电平，系统复位。
在RST端出现高电平的第二个周期，执行内部复位，以后每个周期复位一次，直至RST端变低。
本文采用上电外部复位电路，如图2-4所示，相关参数为典型值。
图2-4上电外部复位电路
内部方式时钟电路如图2-5所示。
外接晶体以及电容
、
构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，内部振荡器产生自激振荡，一般晶振可在2～12MHz之间任选。
对外接电容值虽然没有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
外接晶体时，
和
通常选30pF左右；
外接陶瓷谐振器时，
的典型值为47pF。
图2-5内部振荡器方式
2.2.3键盘与显示电路
1.键盘
键盘由四个按键开关组成。
分别为功能键（MS），时钟调整加一键（+），时钟调整减一键（-）和温控开关（ON/OFF）。
本系统中采用中断方式的开关代替键盘，完成相关功能。
硬件逻辑如图2-6所示。
图2-6键盘硬件逻辑
2.显示
本设计显示器采用LCD1602。
液晶显示原理
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
1602字符型LCD是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD。
1602LCD的基本参数及引脚功能
1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×
2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×
4.35（W×
H）mm
引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2-2所示:
编号
符号
引脚说明
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
D3
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
4
RS
数据/命令选择
12
D5
5
R/W
读/写选择
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
表2-2：
引脚接口说明表
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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R/W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R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W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7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
上拉电阻
在LCD与单片机之间连接上拉电阻，以达到给显示器提供驱动电压的作用，使之传输更稳定，传输距离更远时用来抵消线路中内阻对信号的损耗。
显示器与单片机连接电路如图2-7所示。
图2-7显示器与单片机连接图
2.3继电器电路
当当前温度高于设定温度时，继电器控制电机工作，当当前温度低于设定温度时，继电器停止工作。
光耦
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
光耦合器的主要优点是：
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
图2-8光耦合器
本设计采用六角光耦，如图2-8所示，其原理为：
光耦合器由
一个光控晶闸管耦合和一个砷化镓红外发光二极管组成。
左边1和2脚是发光二极管，当外加电压后，驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，以此来触发光控晶闸管。
光控晶闸管的特点是门极区集成了一个光电二极管，触发信号源与主回路绝缘，它的关键是触发灵敏度要高。
光控晶闸管控制极的触发电流由器件中光生载流子提。
光控晶闸管阳极和阴极间加正压，门极区若用一定波长的光照射，则光控晶闸管由断态转入通态。
为提高光控晶闸管触发灵敏度，门极区常采用放大门极结构或双重放大门极结构。
为满足高的重加电压上升率，常采用阴极发射极短路结构。
小功率光控晶闸管常应用于电隔离，为较大的晶闸管提供控制极触发；
也可用于继电器、自动控制等方面。
大功率光控晶闸管主要用于高压直流输电。
当1和2脚加上5V以上电源后，就能使发光管发光，驱动光控晶闸管进入通态，此时，5和4脚构成一个电阻，阻值大约为10K。
当1和2不加电压时，则4和5可以看成一个无穷大的电阻。
继电器电路如图2-9所示。
图2-9继电器电路
2.4通信接口电路
AT89C51单片机有一个全双工的串行口，所以单片机和PC之间可以方便地进行串口通讯。
进行串行通信时要满足一定的条件，如PC的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，这里用专用芯片MAX232进行转换，用专用芯片更简单可靠。
MAX232如图2-10所示。
它包含两路接收器和驱动器，内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电压变换位RS-232输出电平所需的+10V电压。
所以，用该芯片接口的串行通信只需单一的+5V电源就可以了。
其应用性更强。
上半部电容
及
，
是电源变换部分。
实际应用中，器件对电源噪声很敏感。
因此，
对地需要加去耦电容
，其值为1.0uF。
电容
取同样数值的电解电容，以提高抗干扰能
升级会员 