单片机温控电路设计.docx

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单片机温控电路设计

单片机温控电路设计

摘要：

随着微处理器和大规模集成电路的发展,及其在测试控制技术方面的广泛应用，仪器设备的智能化已成为自动化技术发展方向，数据采集与温度检测的自动化将取代传统的方法。

本设计采用STC89C52RC40型号的单片机，数字温度传感器采用美国DALASS公司的1–Wire器件DS18B20，即单总线器件DS18B20，与单片机组成一个测温系统，当系统上电时，温度传感器就会读出当前环境的温度，并在LED数码显示管上显示出当前的温度，该测温系统的测温范围为-40℃～110℃，按此要求设计硬件和软件以实现这一功能。

关键词：

STC89C52RC40单片机温度传感器DS18B20测量电子线路温度

一、设计分析

本次课程设计旨在熟悉实用单片机系统的设计与安装，掌握典型51系列单片机最小系统及外围电路设计、常用电子元器件的识别、巩固常用电子仪表测量与调试电路参数的方法，培养创新实践动手能力，为以后的更好的就业奠定理论和实践基础。

具体要求如下：

1.自行设计以STC89C52RC40单片机为控制核心的实用单片机控制系统的硬件电路，实现至少一个环境参量信息采集、数值显示、报警功能。

2.要求模块化设计，单片机最小系统模块、显示模块、信息采集报警模块、键盘模块，主要贵重器件用排座插接，电阻、电容、按键等元器件要求布局合理、排列整齐，无虚焊。

二、设计方案

本文设计是以单片机为核心，实现温度实时测控和显示。

确定电路中的一些主要参数，了解温度控制电路的结构，工作原理，对该控制电路性能进行测试。

具体设计方案：

（1）本设计是用来测控温度的，可以利用热敏电阻的感温效应，将被测温度变化的模拟信号，电压或电流的采集过来，首先进行放大和滤波后，再通过A/D转换，将得到的数字量送往单片机中去处理，用数码管将被测得的温度值显示出来。

但是这种电路的设计需要用到放大滤波电路，A/D转换电路，感温电路等一系列模拟电路，设计起来较麻烦[2]。

（2）本设计采用单片机做处理器，可以考虑使用温度传感器，采用由达拉斯公司研制的DS18B20型温度传感器，此传感器可以将被测的温度直接读取出来，并进行转换，这样就很容易满足设计要求。

从上面的两种方案，可以很容易看出来，虽然方案

（2）软件部分设计复杂点，但是电路比较简单且精度高，故采用方案

（2）。

图2.总体方框图

三、系统硬件设计

本课程设计的是一种以STC89C52单片机为主控单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。

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。

系统硬件电路部分由以下模块组成：

温度采集模块、温度显示模块、报警模块、键盘模块、通讯模块和单片机最小系统模块[3]。

3.1单片机最小系统模块

在课题设计的温度控制系统设计中，控制核心是STC89C52单片机，该单片机为51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3.1所示：

图3.1最小系统

STC89C52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。

下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。

（1）电源引脚Vcc和VssVcc（40脚）：

接+5V电源正端Vss（20脚）：

接+5V电源正端。

（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）：

接外部石英晶体的一端。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端。

在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。

当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。

（3）控制信号或与其它电源复用引脚

控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。

（A）．RST/VPD（9脚）：

RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。

当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。

当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。

（B）．ALE/P（30脚）：

当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低

（C）．PSEN（29脚）:

片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。

当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。

当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。

（D）．EA/Vpp（31脚）：

EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。

当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS—52子系列为8KB）。

若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。

当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。

对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。

（4）输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口

（A）.P0口（39脚～22脚）：

P0.0～P0.7统称为P0口。

当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。

当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。

它分时提供8位双向数据总线。

对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。

（B）.P1口（1脚～8脚）：

P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。

对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：

P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。

（C）.P2口（21脚～28脚）：

P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。

当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。

对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。

（D）.P3口（10脚～17脚）：

P3.0～P3.7统称为P3口。

它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。

P3口的第2功能见下表：

引脚

第2功能

P3.0

RXD（串行口输入端0）

P3.1

TXD（串行口输出端）

P3.2

INT0（部中断0请求输入端，低电平有效）

P3.3

INT1（中断1请求输入端，低电平有效）

P3.4

T0（时器/计数器0计数脉冲端）

P3.5

T1（时器/计数器1数脉冲端）

P3.6

WR（部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）

P3.7

RD（部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）

表1单片机P3.0管脚含义

3.2温度采集模块

DS18B20温度传感器是美国达拉斯（DALLAS）半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。

该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。

本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件DS18B20，是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以下几方面的原因：

（1）系统的特性：

测温范围为-55℃～+125℃，测温精度为士0.5℃；温度转换精度9～12位可变，能够直接将温度转换值以16位二进制数码的方式串行输出；12位精度转换的最大时间为750ms；可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式。

（2）系统成本：

由于计算机技术和微电子技术的发展，新型大规模集成电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格也越来越低。

（3）系统复杂度：

由于DS18B20是单总线器件，微处理器与其接口时仅需占用1个I/O端口且一条总线上可以挂接几十个DS18B20，测温时无需任何外部元件，因此，与模拟传感器相比，可以大大减少接线的数量，降低系统的复杂度，减少工程的施工量。

（4）系统的调试和维护：

由于引线的减少，使得系统接口大为简化，给系统的调试带来方便。

同时因为DS18B20是全数字元器件，故障率很低，抗干扰性强，因此，减少了系统的日常维护工作。

DS18B20温度传感器只有三根外引线：

单线数据传输总线端口DQ，外供电源线VDD，共用地线GND。

DS18B20有两种供电方式：

一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。

这种情况下，用单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。

另一种是外部供电方式（VDD接+5V），相应的完成温度测量的时间较短。

图3.2温度传感器

3.3报警模块

设计中的报警装置电路用到了发光二级管、三极管、10K的电阻。

将发光二级管的一端接地，另一端接三极管的发射极，三极管的基极通过电阻接在三极管上，三极管的集电极电源。

图3.3报警器

3.4键盘模块

键盘实际是就是很多案件的一种组合，按键的按下与否形成一个高低电平，主控芯片CPU通过高低电平来识别所需信号，进而使程序进行下一步的操作。

键盘操作的软硬件的设计有以下几个方面的问题：

对于此设计来说我们要准确的显示我们所要对应的信息，每按一次按键要显示所要显示的信息。

这按键是主要用来控制温度而设计的。

这样比键盘操作方便，也比较实惠。

按键电路采用中断模式。

图3.4键盘输入

3.5显示、指示模块

本模块用的是0.56英寸2位数码管红色共阳数码管5261BS，一般正向压降的都是1.5～2V，额定电流为10mA，通过最大的电流为40mA。

根据各种不同管接线的方式，可将数码管分成共阴极型和共阳极型。

3.5数码管

3.6系统总电路图

系统整体硬件电路包括，传感器数据采集电路，温度显示电路，单片机主控电路等，通过AltiumDesigner可画出如图所示的电路图

图3.6系统总电路图

四、系统软件设计

系统的软件主要是采用C语言，对单片机进行变成实现各项功能。

主程序对模块进行初始化，而后调用读温度、处理温度、显示、键盘等模块。

用的是循环查询方式，来显示和控制温度，主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值并负责调用各子程序，其程序流程图如下图4系统程序流程图。

图4程序流程图

五、系统调试

系统调试包括硬件调试和软件调试。

硬件调试的任务是排除系统的硬件电路故障，包括设计错误和工艺性故障。

软件调试是利用开发工具进行在线仿真调试，除发现和解决程序错误和公艺性故障。

软件调试是利用开发工具进行在线仿真调试，除发现和解决程序错误外，也可以发现硬件故障。

5.1硬件调试

（1）常见的硬件故障：

逻辑错误。

包括错线、开路、和短路几种，其中短路是常见的故障。

元器件失效。

一是器件本身已经损坏或性能不符合要求；二是由于组装错误造成元器件失效。

可靠性差。

插线接触不良造成系统时好时坏，电源纹波系数过大或器件负载过大造成逻辑电