单片机机应用于温度控制器本科生.docx

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单片机机应用于温度控制器本科生

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2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

MCS51单片机机应用于温度控制器

摘要：

本文论述了采用单片机控制的智能温度控制器，使用AT89C4051单片机、ADS7844EA/D转换芯片、HT1621B液晶显示驱动芯片及液晶显示器，实现温度的测量、输出控制及显示功能。

关键字：

单片机、A/D转换，液晶显示及其驱动

1前言

模拟电路温度控制器存在电路复杂、功能简单和调试不方便的问题，随着电子技术的快速发展，超大规模集成电路的技术越来越成熟，制造成本越来越低，单片机在军事、工业、通讯、家用电器、智能仪表等领域的应用越来越广泛，使产品的功能、精度和质量大幅度提高；同时，电路的设计更简单、故障率低、可靠性高、成本低；特别是近几年来Flash技术的发展，使单片机系统的开发周期大大缩短，开发成本大幅降低，使用单片机控制的智能仪表是仪表领域发展的必然趋势。

本文论述了采用ATMEL公司的AT89C4051单片机和美国Burr-Brown公司的ADS7844E模-数转换芯片以及HOLTEK公司的HT1621B液晶显示驱动芯片设计的LCD显示智能温度控制器。

本系统实现了模拟温度数据采集、模拟量到数字量转换、软件对温度信号进行非线性校正,单片机数据运算及逻辑处理、LCD显示、键盘处理及继电器输出控制功能。

本文主要介绍了智能温度控制器的功能和设计的过程。

重点说明电路设计、软件设计。

2温度控制器的技术参数

本系统采用ATMEL公司的AT89C4051单片机和美国Burr-Brown公司的ADS7844E模-数转换芯片以及HOLTEK公司的HT1621B液晶显示驱动芯片设计，实现了模拟温度数据采集、模拟量到数字量转换、单片机数据运算及逻辑处理、LCD显示、键盘处理及继电器输出控制功能，主要技术参数见表1

表1主要技术参数表

测量精度：

0.5℃

量程

0~400℃

显示分辨率：

0.1℃

采样速度：

500毫秒

调节算法：

开关调节（ON/OFF）

输入：

热电阻：

Pt100

输出：

继电器，常开触点（max.250VAC,1A）

报警：

继电器，常开触点（max.250VAC，3A）

电源：

220VAC±10%；50Hz

环境：

工作温度：

0~50℃，相对湿度≤85%

3系统设计方案的论证

本章主要叙述温度控制器的设计方案。

3.1方案比选

随着电子技术的发展，温度控制器的设计方案经历了模拟电路温度控制器、模拟量测量加数字显示、单片机温度控制器的发展过程；在单片机温度控制器的设计方案中，又发展出各种智能型的温度控制器方案，如：

高AD转换的精度，PID调节控制输出、PID+模糊控制等。

本次设计着重锻炼自己的动手能力，熟悉单片机的使用，具体提出如下设计方案：

方案一：

采用8031单片机作为控制核心，以最普通的器件ADC0809作数/模转换，以继电器作为控制输出。

此方案简单可行，造价低廉，但由于8031没有片内ROM，需要扩展程序存储器，增加了电路的复杂性，并且由于0809是8位的数/模转换电路，在温度测量范围很小时，测量精度还能满足要求，当测量温度范围稍宽时，测量的精度就不能实际应用的要求。

方案二：

采用片内带Flash存储器MCS51系列单片机作为控制核心，采用12位数/模转换电路，以继电器作为控制输出。

由于采用了12位的ADC转换芯片，转换范围从0到4096，当温度范围要求为0-1000℃时，每一位表示约为0.25℃，考虑到ADC转换芯片的转换精度±1LSB及运算放大器的误差，测量精度理论上可到0.5℃，可以满足一般的控制要求。

方案三：

目前许多单片机生产商推出了自带ADC转换，FLASH存储器、EEPROM的产品，如美国AnalogDevices公司AduC812内部带12位的ADC转换，如果采用AduC812单片机作为控制核心，则系统外围电路比较简单且能够达到控制精度要求，但是成本较高。

本系统采用方案二，温度控制器所需要的I/O数量不多，程序量不是很大（不考虑PID调节控制输出），为了节省单片机的I/O口，选用12位串行口数/模芯片ADS7844E，单片机使用AT89C4051，片内程序存储器空间为4K，15条I/O。

3.2方案说明

系统中设计了一个EEPROM存储器来保存设置参数，目前市面上常用的EEPROM芯片主要有两种接口类型：

I2C接口及SPI接口，主要的代表芯片有AT24C02/04/08/16系列和AT25010/020/040系列，由于ADS7844E转换芯片采用的是SPI接口，所以选用AT25010存储器可以节省I/O端口。

显示器件常用的有LED数码管显示器件、LCD显示器件。

LED数码管显示器件具有亮度大，寿命长等特点，但需要较大的驱动电流；LCD显示器件成本低、功耗小，但需要专用的驱动电路以及亮度低；本方案的显示器件采用6位字符液晶显示器，驱动芯片采用HOTELK公司的HT1621B。

4控制系统设计

控制系统设计主要包括系统工作原理、系统硬件设计和系统软件设计。

系统软件设计主要包括软件结构、各子程序流程及具体代码设计；下面分别介绍各部分的设计过程

4.1系统的工作原理

系统功能框图如图1所示

系统的工作原理是：

电桥将温度传感器Pt100的温度信号转换为与温度相关的电压信号，经过两级运算放大后进入ADC转换；CPU读取ADC转换结果，经过运算转换为显示的温度字符，控制LCD驱动器来显示温度值，另外，CPU将测量出的温度值与系统设定的温度值相比较，根据不同的控制模式来控制继电器的输出，系统中的按键用来设定系统工作参数，电源电路主要为各电路提供工作电源。

系统中需要保存的参数有：

设定温度值、回程差值（防止温度到达设定值时输出振荡）、加热或制冷工作模式（0表示加热模式，1表示制冷工作模式）、温度测量范围、温度校正值、温度校正符号等。

由于温度测量范围、温度校正值、温度校正符号用于系统调试校正，此参数不能由用户随便修改，所以在修改这些参数前必须先输入一个密码（默认为1234）后系统才显示这些参数，建议用户不要修改此类参数。

本系统采用了四个按键，功能分别为：

加键、移位键、功能键、保存键。

按下功能键可循环显示系统各项参数，通过加键和移位键组合可对各项参数进行修改，按下保存键后，CPU将修改后的参数写到EEPROM中，系统重新上电后CPU将调用EEPROM中的参数（如果不对数据进行保存时，系统重新上电后将调用以前设置的参数）。

4.2硬件电路设计

温度控制器电路主要包括：

CPU电路、温度信号调理电路、ADC转换电路、液晶显示及驱动电路、电源电路及控制输出电路；

4.2.1CPU电路

CPU电路主要是CPU、数据存储器及晶振电路。

CPU采用美国ATMEL公司的MCS51系列单片机AT89C4051，管脚图如图2所示，它具有以下标准功能：

4K字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口，两个16位定时/计数器，5个中断向量（两种优先级），一个全双工串行通信接口，内置一个精密模拟比较器，片内振荡器及时钟电路。

AT89C4051的功能框图如图3所示。

CPU的端口资源分配见表2：

表2:

CPU的端口资源分配表

引脚名称

功能

引脚名称

功能

P1.0

AT25010片选信号

P3.0

功能键

P1.1

HT1621B片选信号

P3.1

加键

P1.2

ADS7844E片选信号

P3.2

保存键

P1.3

HT1621B读控制信号

P3.3

移位键

P1.4

HT1621B写控制信号

P3.4

P1.5

串行口时钟

P3.5

继电器控制输出

P1.6

串行数据输入

P3.6

P1.7

串行数据输出

P3.7

看门狗复位

注：

由于P1.0及P1.1内部不带上拉电阻，使用时在此两脚上需要接上拉电阻，电阻阻值按10K选取

数据存储器采用美国ATMEL公司AT25010EEPROM。

AT25010通过SPI接口与CPU进行数据交换，端口连接见表1。

时钟采用12M晶体振荡器，负载电容按22p选取。

4.2.2温度信号调理电路

本设计温度传感器采用Pt100，温度信号由电桥电路输出后，经过两级放大后进入ADC转换。

1、Pt100传感器介绍

Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度/阻值对应关系为：

0℃≤t≤850℃时，Rt=R0（1+At+Bt2）式中，A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；R0=100。

Pt100温度传感器的主要技术参数如下：

测量范围：

-200℃～+850℃；热响应时间<30s；允通电流≤5mA。

另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

2、电桥采集数据的电路图及原理

Pt100电桥电路如图4、图5所示。

其中，R10﹑R11﹑R14﹑Rt组成电桥，R10=R11=10R0,R14=R0。

电桥采用TL431组成恒流源供电，为了避免流过Pt100传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大，取Im=1mA。

设流过R14的电流为I1，流过Rt的电流为I2，由于恒流源的电流为1mA，所以有：

I1+I2=1；

（1）

I1/I2=（10R0+Rt）/11R0

（2）

Rt=R0（1+At+Bt2）（3）A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；R0=100

当温度较低时，I1/I2≈1，所以有：

Vi=I2Rt-I1R0≈0.5（Rt-R0）（4）

又因为