基于单片机的智能恒温箱设计文档格式.docx

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ThepapergivesanintroductionaboutthedesignofMCU-80C51temperaturecontrolsysteminsoftwareandhardware.Thepaperalsobrieflydescribesthehardwareschematicgraphicandprogramchart.Thetemperaturecontrolsystemofthisdesignismainlycomposedbycentralcontroller,temperaturedetector,display,etc.inthetemperaturedetectingpart,itadoptstemperaturesensorDS18B20,anddisplayswithLEDdigitaltube.ThetemperaturesensorDS18B20capturetemperaturesignalandsendtoMCU.ThenMCUprocessesthesesignalsandtransmitstemperaturedatatoLEDdisplaying.Therebyitrealizesthepurposetocontroltemperature.

Keywords:

Incubator,80C51,Temperaturecontrol

前言

温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如家电产品、汽车、材料、电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同，在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题，开发出性能较好的温度控制系统对于测控技术的发展具有很大的意义。

采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。

数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。

由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行多范围的温度检测。

由于单片机功能强大，可大大加快系统的开发与调试速度，并具有控制方便、简单、灵活等特点，因此本设计硬件电路以80C51单片机为核心来实现温度控制，具有实用性强、可靠性强等特点。

1绪论

1.1课题研究的背景

21世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的。

由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化。

智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。

它迅猛的发展到了各个领域，人们也越来越感到应用单片机技术的优越性，因而单片机也得到了广泛的应用。

同时，它也不断地完善和发展。

智能恒温箱的温度是医疗、工业生产和食品加工等领域的关键，因此对温度的测量与控制始终占据着重要的地位。

市场上常见的温度传感器以电压输出为主要形式，不同的传感器其非线性曲线也各不相同，缺乏一个产品应具备的通用性和互换性。

温度传感器应用范围很广、使用数量很大，但是在常规的环境参数中由于温度受其它因素影响较大，而且难以校准，因此，温度也是最难准确测量的一个参数。

常规方法测量温度误差大、准确度低、测量滞后的时间长。

近年来，国内传感器正向着集成化、智能化、网络化和单片机的方向发展，为开发新一代温度测量系统创造了有利条件。

在智能恒温箱控制系统的设计中，用数字传感器将温度信号以数字信号的方式传送给单片机，经单片机处理后的温度数值，一方面送LED数码管显示；

另一方面与给定值经行比较，判断温度高低，从而采取相应的措施：

加热或者制冷。

使温度达到设定值。

智能恒温箱主要是用来控制温度，他为农业研究、生物技术、测试提供所需的各种环境模拟条件，因此可广泛适用于药物、纺织、食品加工等无菌试验、稳定性检查以与工业产品的原料性能、产品包装、产品寿命等测试。

随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控制对象控制日益广泛，具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制系统中可以起到更好的控温作用，智能恒温箱是使用单片机进行温度控制的典型应用，采用单片机做主控单元可完成对温度的采集和控制等的要求。

1.2课题研究的意义

智能恒温箱的性能主要取决于对温度控制的性能，本课题采用单片机为主控制器，通过数字传感器测得箱内温度，再将温度信号送入主控制器，来完成恒温箱的温度控制系统的硬件。

箱内温度可保持在设定的温度范围内。

当设置的温度高于实时温时，单片机送出加热信号；

当设置的温度低于实时温度时，单片机送出制冷信号。

1.3课题研究的内容

本次课题只设计温度采集，温度显示，和温度控制信号的送出部分，对于如何保温，如何加热和制冷不在此次设计的范围内。

本系统采用模块化设计智能恒温箱，系统上电后默认设定的恒温温度为20℃，使用时可以自行调节预期的恒温温度，调节范围为0~99℃。

调节好后系统会将采集来的实时温度与设定的预期温度进行比较，如果实时温度比设定温度高就开启制冷设备，如果实时温度比预期温度低就开启加热设备。

如果温度一样则不开启加热或制冷设备。

在显示电路上通常显示的是实时的温度，即传感器采集来的温度，如果想要显示人们设定的预期温度可以按显示切换键，这时显示器上就会显示预期温度，几秒钟后跳回，显示实时温度。

显示实时温度时，表示显示的是实时温度的发光二极管点亮。

而显示预期温度的时候，表示显示的是预期温度的发光二极管点亮。

本论文章节的结构和内容如下：

1.绪论。

简要介绍了智能恒温箱的发展现状，说明了课题研究的内容。

2.智能恒温箱的概述。

说明了恒温箱的工作过程和主要功能，介绍了设计中需要用的单片机的基础知识，确定了本课题要达到的设计目标。

3.智能恒温箱的硬件电路设计。

详细描述了本课题各个组成电路单元的设计。

4.智能恒温箱的软件设计。

编写程序。

5.软件调试与仿真。

安装软件，设置软件并录入程序调试。

绘制电路图并作电气检测，导入程序进行仿真。

6.结论。

总结本次设计，指出设计中的一些问题，提出改善意见，并展望未来的设计。

2恒温箱的系统概述

2.1系统的主要功能

本系统是借用单片机采用模块化设计的智能恒温箱，包括温度设定按钮、温度显示、温度调节、实时温度显示和预定温度显示转换按钮、温度采集等（根据需要也可另设或者多设相关功能）。

显示系统除了显示实时的温度还能显示设定的温度，也就是人们想要保持的温度。

系统的主要功能模块方框图如图2.1所示。

图2.1系统主要功能模块框图

本系统是采用模块化设计的智能恒温箱，在生活中有广泛的应用，系统上电后默认设定的恒温温度为20℃，使用时可以自行调节预期的恒温温度，调节范围为0~99℃。

单片机整个恒温箱的核心，内部电路设计用汇编语言编写。

它完成了温度参数设定，温度采集计算，温度显示，温度比较，温度调节等功能。

2.2系统需求分析

1.在使用中可以将采集来的温度数据计算转换为我们熟悉的摄氏温度。

2.在0~99℃的范围内，人们可以自由调节预期达到的温度。

3.可以将实时温度与预期温度进行比对，以正常调节温度。

4.将设定的预期温度和实时温度显示出来。

5.通常显示实时温度，当按下显示切换键后能显示几秒钟的预期温度。

2.3智能恒温箱的工作流程

智能恒温箱的基本工作原理：

在使用恒温箱时，系统会将从温度传感器采集来的温度数据转化为摄氏度的形式，与事先设定的预期温度进行对比，然后根据比对的结果采取相应的措施（加热，或制冷）来不断地接近以至于达到预期的温度。

并且系统能够显示实时的温度和设定的预期温度。

恒温箱的工作流程如图2.2所示：

图2.2恒温箱工作流程

2.4恒温箱的工作过程

1.设定预期温度。

如果想调节预期的温度，先闭合“温度设定”开关，进入调节状态，此时会显示设定的温度值，如果想加一摄氏度就按下“加1℃”键，如果想减一摄氏度就按一下“减1℃”键，温度LED显示器上会显示改变后的温度，调整范围为0~99℃。

0℃时再减1℃会跳到99℃，99℃时再加1℃会跳到0℃。

要退出调节状态，断开“温度设定”开关即可。

2.温度采集和计算。

单片机通过与温度传感器进行通信，获取实时温度信息，并将所获取的温度信息数据转化为摄氏温度的形式存储起来。

3.温度比较和温度调节。

将存储的实时摄氏温度与设定的预期温度经行比较。

如果实时温度高于设定温度，则开启制冷器；

如果实时温度低于设定温度，则开启加热器。

4.实时温度显示。

将存储的实时温度显示在LED数码管上。

5.设定温度显示。

若想查看设定的预期温度，则需按下“温度显示切换”按键，然后LED显示器就会显示设定预期的温度，显示时间为数秒，跳出预期温度的显示。

若再想查看预期温度显示需再次按下“温度显示切换”按键。

总而言之，本课题利用80C51单片机与外围接口实现的温度控制系统设计了恒温箱，该恒温箱提高了系统的可靠性，简化了电路结构，节约了成本，是一个实用的工程设计。

2.5本章小结

本章主要讲述了恒温箱的工作原理和本设计系统的工作流程。

在说明工作原理的过程中，突出了电路的组成单元以与这些单元如何实现温度采集和温度控制等功能。

在说明系统流程时，结合本设计的内容，指出了参数设置的方法和意义。

3智能恒温箱的硬件设计

3.1MCS-51单片机简介

单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。

单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。

80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。

引脚功能：

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照----单片机引脚图：

P0.0~P0.7P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。

P1.0~P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。

P2.0~P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。

P3.0~P3.7P3口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。

这4个I/O口具有不完全相同的功能，他们各个端口的功能分别如下所示。

P0口有三个功能：

1、外部扩展存储器时，当作数据总线（芯片中的D0~D7为数据总线接口）

2、外部扩展存储器时，当作地址总线（芯片中的A0~A7为地址总线接口）

3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口只做I/O口使用：

其内部有上拉电阻。

P2口有两个功能：

1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用

2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；

P3口有两个功能：

除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。

有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：

编程脉冲：

30脚（ALE/PROG）编程电压（25V）：

31脚（EA/Vpp）。

在介绍这四个I/O口时提到了一个“上拉电阻”那么上拉电阻又是什么呢？

他起什么作用呢？

都说了是电阻那当然就是一个电阻，当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；

所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。

ALE/PROG地址锁存控制信号：

在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。

当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。

在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。

从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时，ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以作为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。

PORG编程脉冲的输入端：

我们已知道，在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，我们通过编程脉冲输入端口把编写好的程序存入进这个ROM中，这个脉冲的输入端口就是PROG。

PSEN外部程序存储器读选通信号：

在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。

1、内部ROM读取时，PSEN不动作；

2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；

3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；

4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。

EA/VPP访问程序存储器控制信号

1、接高电平时：

CPU读取内部程序存储器（ROM）

扩展外部ROM：

当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。

2、接低电平时：

CPU读取外部程序存储器（ROM）。

在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。

8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。

RST复位信号：

当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。

XTAL1和XTAL2外接晶振引脚。

当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；

当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

VCC：

电源+5V输入

VSS：

GND接地。

3.2硬件电路设计概述

本设计分为硬件设计和软件设计，这两者相互结合，不可分离：

从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量是在最初阶段，到后期往往还要做一些修改。

只要技术准备充分，硬件设计的大量返工是比较少的，软件设计的任务是贯彻始终的，到中后期基本上都是软件设计任务，随着集成电路计数器的飞速发展，各种功能很强的芯片不断出现，使硬件电路的集成度越来越高，硬件设计的工作量在整个项目中所占的比重逐渐下降，为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几个方面：

1.尽可能采用功能强的芯片，以简化电路。

功能强的芯片可以代替若干个普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的价格在不断下降，并不一定比若干个普通芯片价格总和高。

2.留有设计余地。

在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。

因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。

3.程序空间。

选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用80C51单片机。

4.RAM空间，80C51单片机内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。

如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。

如果选用8155作I/O接口，就可以增强256字节RAM。

如果有大批数据需要处理，则应配置足够的RAM，如6264、62256等。

随着软件设计水平提高，往往只要改变或者增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。

只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留有足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM插座，暂时不插芯片也好。

I/O端口，在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。

如果有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端：

有些物理量需要控制，就必须增加输出端。

如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，但是要用的时候就能派上用场了。

3.3时钟频率电路设计

单片机必须在时钟的驱动下才能工作，在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定周期的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片的工作频率，时钟电路如图3.1所示。

一般选用石英晶体振荡器。

此电路大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶体的频率确定。

电路中两个电容C1、C2的作用有两个：

一是帮助振荡器起振；

二是对振荡器的频率进行微调。

C1、C2的典型值为30pF。

图3.1外部振荡电路

单片机工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期，其大小是时钟信号频率的倒数，时钟信号频率常用fosc表示。

图中时钟频率为12MHz，即fosc=12MHz，则时钟周期为1/12μs。

3.4复位电路设计

单片机的第9脚RST为硬件复位电路，只要在该端加上持续4个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各个状态都恢复到初始化状态，其电路图如图3.2所示。

图3.2中由按键以与电容C3、电阻R1、R9构成上电复位与手动电路。

由于单片机是高电平复位，所以上电复位时，接通电源即可，当上电后，由于电容C3开始缓缓充电，则图中电路由5V电源到电容到电阻R9和地之间形成一个通路，由于在R9上产生电压降，则单片机的RST脚上为高电平，经过一段时间后电容的电充满，此时C3处可视为断路，单片机RST脚处电压逐渐降为0V，即处于稳定的低电平状态，此时单片机完成上电复位，程序从0000H开始执行。

手动复位时，按一下图中的按钮即可，当按键按下的时候，单片机的9脚RST管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。

图3.2硬件复位电路

3.5显示电路的设计

3.5.1显示电路概述

显示功能与硬件关系极大，在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示上我们采用的方法一般包括两种：

一种是静态显示，一种是动态扫描。

其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多；

动态扫描的特点是显示稳定程度没有静态显示好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言最大的优点是占用端口资源少。

由于本设计需要较多的端口用于其它的功能因此采用占用端口少的动态扫描显示的办法。

以下将对显示电路的各个部件与整体设计做详细的介绍。

3.5.2七段LED数码管的原理

LED数码管显示器由8个发光二极管中的7个长条发光二极管按a、b、c、d、e、f、g顺序组成“8”字形，另一个点形的发光二极管放在右下方，用来显示小数点。

数码管按内部连接方式又分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。

若内部8个发光二极管的阳极连在一起接电源正极，就称为共阳极数码管；

若8个发光二极管的阴极连在一起接地，则称为共阴极数码管。

本次设计所用的到的共阴极数码管的引脚如图3.4所示，外部有10个引脚，其中1和6引脚连通，作为公共端接地。

从LED数码的结构可以看出，不同段的组合就何以构成不同的字符，例如段b、c被点亮时，就可以显示数字1：

当段a、b、c被点亮时，就可以显示数字7；

只要控制7个发光二极管按一定要求亮与灭，就能显示出十六进制字符0~F。

将控制数码管显示字符的各字段代码称为显示代码或字段码。

图3.3一位共阴极数码管引脚图

数码管显示码是表述二进制数与数码管所显示字符的对应关系的，如表3.1所示。

对于共阴极数码管，由于8个发光二极管的阴极已连在一起接地，所以，只要控制各字段的正极，就可以控制发光二极管的亮与灭。

表3.1七段显示译码器