基于单片机的自动恒温控制系统的设计.docx
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基于单片机的自动恒温控制系统的设计
关键词STC89C52单片机；PT100；LCD显示电路；ADC0809
第2章系统总体方案设计
2.1系统总体设计方案
本系统采用了STC89C52作为处理器，以PT100为温度传感器的温度采集系统，并通过ADC0809进行模数转换，该控制系统可以实时存储相关的温度数据并记录当前的时间。
其主要包括：
电源模块、温度采集模块、按键处理模块、实时时钟模块、数据存储模块、报警电路模块、LCD显示模块、通讯模块以及单片机最小系统。
硬件系统原理框图如图2-1。
图2-1硬件原理框图
2.2.2显示电路
在单片机系统中常用的显示电路有LED显示、LCD显示。
方案一：
LED显示屏采用七段码显示时，数码管中的每一段相当于一个发光二极管。
对于共阳极的数码管，内部每个发光二极管的阳极被连在一起，成为该各段的公共选通线，发光二极管的阴极则成为段选线。
对于共阴极数码管，则正好相反，内部发光二极管的阴极接在一起，阳极成为段选线。
这两种数码管的驱动方式是不同的。
当需要点亮共阳极数码管的一段时，公共段需接高电平，该段的段选线接低电平。
从而该段被点亮。
当需要点亮共阴极数码管的一段时，公共段需接低电平，该段的段选线接高电平，该段被点亮。
方案二：
LCD显示电路多采用1602液晶。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。
1602LCD是指显示的内容为
，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
基于精确显示，拟采用方案二。
2.2.3按键输入电路
一般键盘电路有两种：
独立式键盘和矩阵式键盘。
方案一：
独立式键盘中，各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，每根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。
因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易的判断按键是否被按下了。
独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单。
但每个按键需占用一根输入线，在按键数量较多时，输入口浪费大，电路结构显得很繁杂，故此种按键适用于按键较少或操作速度较高的场合。
方案二：
矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，分别连接到按键开关的两端。
行线通过上拉电阻接到VCC上。
平时无按键动作时，行线处于低电平状态，而当有按键按下时，列线电平为低，行线电平为高。
这一点是识别矩阵式是否被按下的关键所在。
因此，各按键彼此将相互影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适合的处理，才能确定闭合键的位置。
很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口。
由于本系统只需要4个按键，故选择独立式键盘。
第3章硬件电路设计
3.2单片机最小系统电路
在温度控制系统设计中，控制核心是STC89C52单片机，该单片机为52系列增强型8位单片机，它有32个I/O口，片内含4KFLASH工艺的程序存储器，便于用电的方式瞬间擦除和改写，而且价格便宜，其外部晶振为12MHz，一个指令周期为1μS。
使用该单片机完全可以完成设计任务，其最小系统主要包括：
复位电路、震荡电路以及存储器选择模式（EA脚的高低电平选择），电路如下图3
图3-1单片机最小系统电路
3.3系统电源电路的设计
本系统采用电源稳压芯片是LM2596，该开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，输出电压是+5v,输入电压是+24v,同时具有很好的线性和负载调节特性。
该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。
该器件还有其他一些特点：
在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内；可以用仅80μA的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）。
在该温度控制系统中，其电源电路设计如下图3-2所示。
图3-2电源电路
3.4温度传感器电路
3.4.1温度采集电路
利用热电阻温度系数随温度变化而制成的温度传感器，称为热电阻温度传感器。
对于大多数金属导体，其电阻值都具有随温度升高而增大的特性。
常用的金属导体材料有铂、铜、铁和镍。
热电阻是中低温区最常见的一种温度传感器。
它主要特点是测量精度高，性能稳定。
热电阻的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难、且误差很大，必须使用电桥电路,然后经过放大电路，放大偏差值。
铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等，被广泛用于中温（
）范围的温度测量中。
Pt100是一种广泛应用的测温元件，在
范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。
由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。
校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值，如下表3-2。
表3-2PT100分度表（
）
Pt100温度传感器为正温度系数热敏传感器，主要技术参数如下：
1.测量范围：
；
2.允许偏差值
：
A级±（0.15+0.002|t|）,B级±（0.30+0.005|t|）；
3.最小置入深度：
热电阻的最下置入深度≥200mm；
4.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。
铂热电阻的线性较好，
之间变化时，最大非线性偏差小于
。
Pt100应用领：
宽范围、高精度温度测量领域。
如：
轴瓦，缸体，油管，水管，汽管，纺机，空调，热水器等狭小空间也领域设备测量和控制。
汽车空调、冰箱、冷柜、饮水机、咖啡机，烘干机以及中低温干燥箱、恒温箱等。
供热/制冷管道热量计量，中央空调分机热能计量和工业领域测温和控制。
图3-3温度采集电路
具体温度采样电路如图3-3所示。
将温度的变化转化变为电压的变化，经过放大后送往A/D转化为数字量进行处理。
Rx为传感器热电阻，由电桥实现温度到电压的转化，由运放IC3完成信号的放大，由IC4完成信号的调整。
设输入IC3的2，3端电压分别对应为Vi2，Vi3那么
（3-1）
（3-2）
其中Rx为传感器热阻值，Vref为基准源电压，K为调整系数。
由于R1>>Rw2（如R1=100KΩ,Rw2=1KΩ）,同样R2>>Rx（如R2=100KΩ,Rx=1KΩ），因而VOUT=K（R6/R4）Vref（Rw2-Rx）/R2，在后级的A/D，满刻度时，那么VOUT=5V。
实际电路调整中，已经确定R6,置传感器于25℃环境，调整Rw2,使VOUT=0V；置传感器于35℃环境，调节Rw6，使VOUT=5V；使完成前向模拟通道的调整。
3.4.2A/D转换电路
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
（一）ADC0809的内部逻辑结构见图3-4。
由图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
从图中可以看出，ADC0809是串口通信电路，这也是为什么ADC0809模块传送速率比较快，且正确率较高。
图3-4ADC0809内部结构
（二）引脚结构
IN0－IN7：
8条模拟量输入通道。
ADC0809对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线：
4条。
ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
表3-3模拟量输入通道选择表
C
B
A
选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。
通道选择表如下表3-3所示。
数字量输出及控制线：
11条
ST为转换启动信号。
当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。
D7－D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。
VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。
ADC0809芯片的引脚图见图3-5
图3-5ADC0809引脚图
ADC0809的频率要低于640KHz,单片机使用的是12MHz,从ALE端引出的信号频率已经六分频了，所以还需要四分频。
D触发器的特性方程是
，当把D和Q非连接起来，方程就变成了
，具有翻转功能,即每输入一个脉冲，触发器翻转一次，每翻转两次，触发器的输出端可以得到一个完整的矩形波，而触发器翻转两次所用的前沿脉冲来自CP的两个矩形波。
一个D触发器完成了二分频电路，用其输出再去触发另一个D触发器（又是一个二分频），这样，就完成了信号的四分频。
该触发器是前沿触发方式。
四分频电路和脉冲电路如图3-6。
图3-6四分频电路和脉冲电路
3.5按键输入电路
本设计采用4个按键组成键盘，均接10KΩ的电阻来拉高电平，在按键按下时输入低电平信号。
由于STC89C52单片机I/O口丰富，在此还有剩余，因此选用将按键直接与I/O口连接的方式，简化电路的同时还简化了软件设计。
具体设计如图3-7所示：
图3-7键盘模块电路
3.6时钟电路
本设计采用时钟芯片DS1302，时钟芯片DS1302与单片机STC89C52的接口是由3条线来完成的，单片机STC89C52的P3.4与时钟芯片的数据传输端相连，P3.5用来作为DS1302输入时钟SCLK控制端,P3.6控制DS1302的复位输入端。
DS1302接标准的12MHz石英晶振。
DS1302与单片机的接口电路如图3-8所示：
图3-8时钟接口电路
3.7LCD显示电路
本设计采用LCD1602,其电路原理如图3-9，LCD1602液晶显示，是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
其中各引脚的功能是：
第1脚：
VSS为电源地
第2脚：
VDD接5V电源正极
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，接地电源时对比度最高（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1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端,高电平
（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
LCD1602的特性：
1、3.3V或5V工作电压，对比度可调
2、内含复位电路
3、提供各种控制命令,如：
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能
4、有80字节显示数据存储器DDRAM
5、内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM
6、8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM
图3-9LCD显示电路
3.8报警电路
在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。
其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。
在现实工作过程中，很容易碰到由于偶然因素造成的未能及时控制加热炉的温度从而造成工业上的重大事故，对于工业生产可能造成非常不好的影响，所以对于温度进行过限报警有着很重要的现实意义。
本此设计是针对工业生产中的加热炉的很稳控制的操作，虽然不能达到智能加热控制，但是对于恒温的一些可以人工操作的部分实现，加上报警模块，不仅在温度低于限定值是可以报警，在温度超过限定温度是，亦可以进行报警，避免因未及时报警造成损失。
报警电路如图3-10所示，该电路采用一个小功率三极管Q1驱动蜂鸣器BELL,当单片机接收到超额温度信号或危险信号时,输出脚BELL输出高点平,Q1导通，致使蜂鸣器BELL得电工作，发出报警声。
同时，电路中的发光二极管指示出电路的工作状态。
图3-10报警电路
3.9串口通信电路
本设计采用串行通信的初衷是通过串行口实现PC机和单片机的通信，在测试过程中，通过串行口可将温度数据传送到PC机上作为备份保存。
PC机的显示器可以更清楚、直观地显示温度波动变化过程。
3.9.1MAX232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ttl电平0+5v,MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。
该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平。
每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。
1、单5V电源工作
2、LinBiCMOSTM工艺技术
3、两个驱动器及两个接收器
4、±30V输入电平
5、低电源电流：
典型值是8mA
6、符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28
7、ESD保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V4.2.3复位电路的设计
3.9.2RS232接口介绍
RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。
它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。
DB25的串口一般只用到的管脚只有2（RXD）、3（TXD）、7（GND）这三个，随着设备的不断改进，现在DB25针很少看到了，代替他的是DB9的接口，DB9所用到的管脚比DB25有所变化，是2（RXD）、3（TXD）、5（GND）这三个。
因此现在都把RS232接口叫做DB9。
由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：
（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；因此在“南方的老树51CPLD开发板”中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。
（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。
51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。
进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是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，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。
我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：
第15脚的GND、第13脚的RXD、第14脚的TXD。
这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如下图3-11所示，MAX232的第12脚和单片机的RXD连接，第11脚和单片机的TXD脚连接。
图3-11串口通信电路
设计中用到的MAX232芯片是电平转换芯片。
MAX232芯片是MAXIM公司生产的，包含两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。
MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS-232C输出电平所需的+-10V电压。
所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。
对于没±12V电源的场合，其适应性更强。
加之其价格适中，硬件接口简单，所以被广泛采用。
图中上半部分电容C1、C2、C3、C4，及V+，V-是电源变换电路部分。
在实际应用中，器件对噪声很敏感。
因此，Vcc必须要对地加去耦电容C5，其值为0.1uF。
电容C1、C2、C3、C4取同样数值的钽电解电容0.1uF/16V，用以提高抗干扰能力，在连接时必须尽量靠近器件。
下半部分为发送和接收部分。
实际应用中，T1IN和T2IN可直接接TTL/CMOS电平的单片机ADuC812的串行发送端TxD；R1OUT，R2OUT可直接接TTL/CMOS电平的单片机ADuC812的串行发送端RxD；T1OUT，T2OUT可直接接PC机的RS-232串口的接收端RxD；R1IN，R2IN可直接接PC机的RS-232串口的发送端TxD。
3.10存储器接口电路
AT24C256是一个256K位串行CMOS，内部含有32768个字节，每字节为8位CATALYST。
该器件通过I2C 总线接口进行操作。
其电路图如下图3-12所示。
管脚描述：
SCL：
串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟这是一个输入管脚。
SDA：
双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的发送或接收，SDA是一个开漏输出管脚可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或wire-OR。
WP：
写保护，当WP 脚连接到Vcc所有内存变成写保护只能读，当WP 引脚连接到Vss 或悬空允许器件进行读/写操作。
A0/A1：
器件地址输入。
虽然STC89C52脚STC89C31单片机存储空间有了较大的增加，但是仍然不能满足实际电路的需求，本电路中，需要将加热炉的温度数据存储，并且与PC机有串口通信，需要有更大的存储空间来接收和发送温度波动的数据，便于PC机对温度的波动绘制波动图。
图3-12存储器接口电路
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