基于AT89S52温度控制器的设计.docx
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基于AT89S52温度控制器的设计
南通纺织职业技术学院毕业设计（论文）
基于AT89S52温度控制器的设计
汤都喜
班级：
09电子信息工程
专业：
电子信息工程技术（智能电子）
教学系：
机电系
指导老师：
荀磊
完成时间2011年10月20日至2011年11月30日
摘要
在某些工业生产过程中，如恒温炉、仓库储藏、花卉种植、小型温室等领域都对温度有着严格的要求，需要对其加以检测和控制。
传统的温度测量方法是将温度传感器输出的模拟信号放大后送至远端A/D转换器，最后单片机对A/D转换后的数据进行分析处理。
这种方法的缺点是模拟信号在传输的过程中存在损耗并且容易受到外界的干扰，导致测量的温度精度不高。
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。
采用单片机控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。
关键词:
AT89S52、DS18B20、EEPROM、键盘
⏹1绪论
1.1课题的背景及意义
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然己经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。
成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少随着我国经济的发展及加入WTO,我国政府及企业对此都非常重视,对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家，企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。
目前，温度控制器产品从模拟、集成温度控制器发展到智能数码温度控制器。
智能温控器（数字温控器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结合，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种控制器，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平，现阶段正朝着高精度高质量的方向发展,相信以我国的实力，温控技术在不久的将来一定会为于世界前列！
1.2相关技术的发展概况
（1）近年来国内温度控制系统的发展
●温度控制器广泛应用于家用电器，主要为冰箱、冷柜、空调、饮水机、微波炉等制冷制热产品配置。
●在工业园购地或新建厂房，增添设备，可年产温度控制器500万只。
目前国内市场价每只温度控制器11元，出口价每只2美元。
年产500万只温度控制器，年产值可达6000万元，年利润可达1500万元，投资回收期3.5年左右。
●目前国内温度控制器生产企业较少，仅广东、江苏、辽宁、江西各有一家规模稍大一点的生产厂家，他们的生产能力远远不能满足电子温度控制器市场的需求。
●温度控制器不仅在国内市场销售顺畅，而且在国际市场也十分看好，特别是日本、意大利、美国等国家对温度控制器产品的需求量很大，出口前景十分乐观。
●由于沿海发达地区产业的梯度转移，科龙集团已在南昌新建分厂，上海华意集团也与江西签订了投资意向，江西境内的昌河集团微型汽车规模日益壮大，汽车、空调用温度控制器需求量也必将增大。
（2）近年来国外温度调节系统的发展
因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统（DCS），个人电脑（PC）和可编程逻辑控制器（PLC）。
工业电子温度控制器全球市场的增长率在2003年为3.6%，2004年为3.5%，2005年为2.5%。
预计2006年全球市场的增长率仅为1.2%，而预测2010年的综合年度增长率（CAGR）仅为0.7%。
欧洲和北美工业电子温度控制器市场受到这一趋势的影响最大。
这两个较大地区的市场预计将在2010年出现负增长。
然而，亚太市场，较小的拉丁美洲和其他地区的市场预计仍将保持增长。
中国作为一个主要的制造中心和工业电子温度控制器市场的崛起是这一增
长的驱动因素。
OEM厂商以及众多的终端工业厂商已经开始转移到中国大陆，以获得低成本的劳动力和原料优势。
日本经济的复苏同样推动该地区走出了停滞发展时期。
OEM厂家和主要终端工业公司将制造业务向中国的转移，以及温度控制器价格的下降，是欧洲和北美工业电子温度控制器市场预测下降的主要原因。
此外，许多位于欧洲和北美的工业电子温度控制器供应商已经表明一旦准备充分，他们将很快在中国展开他们的制造工业电子温度控制器业务。
通过在中国生产电子温度控制器，供应商不但可以获得更便宜的劳动力和原料的竞争优势，而且他们这样更接近主要的发展市场。
1.3温度控制器设计方案
本设计利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度控制系统，文中传感器与单片机实际应用有机结合，简单讲述了利用新型芯片探测环境温度的过程，以及实现模数转换的原理过程。
1.3.1功能实现
本设计的目的是以单片机为核心设计出一个温度采集系统。
通过本课题设
计，综合运用单片机及接口技术、微机原理、微电子技术，锻炼动手操作能力，
综合运用能力，学习论文的写作方法和步骤。
设计的温度控制器有以下功能：
●测温范围：
-55℃～+125℃；
●测温分辨力：
〈=0.5℃；
●测温准确度：
〈=0.5℃；
●温度显示：
采用6个7段数码管；
●温限可经键盘实现简单的人机互动,灵活设定温度范围；
●超温度范围报警。
1.3.2方案设计
本系统采用了单片机AT89S52，利用数字温度传感器DS18B20对环境进行测温，同时采用MAX7219驱动六位7段共阴极数码管，同时还采用EEPROM对温度上下限进行存储，此外还有键盘设备来实现温度上下限值的设置，红绿灯报警温度的越线，继电器和电机对温度进行调整等来实现该温度控制器的智能化。
总体硬件结构框图如图1.1所示。
⏹2硬件电路设计
2.1最小化电路设计
主控芯片要能正常工作，首先要提供电源，除其次要有晶振电路提供时钟脉冲信号，除此之外还要有复位电路使单片机或系统其它部件处于某种确定的初始状态，最后还要是单片机有程序。
2.1.1主控芯片简介
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，AT89S52拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
采用40引脚双列直插封装（DIP）的AT89S52单片机引脚分配如图2.1所示。
（1）主要性能参数
●与MCS51兼容；
●1000次擦写寿命；
●工作电压为4.0V～5.5V；
●全静态工作：
0～24MHz；
●3级程序安全加密保护；
●256×8位内部RAM；
●32个可编程I/O端口；
●3个16位定时器/计数器；
●8个中断源；
●支持低功耗及掉电模式；
●支持中断从掉电模式唤醒；
●内置看门狗。
图2.1AT89S52引脚分配图
（2）引脚功能
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（TTL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数和定时器/计数器2的触发输入。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（TTL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXA,@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（TTL）。
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。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE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禁止位无效。
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
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。
2.1.2最小化电路
单片机工作需要3个基本条件：
接电源、接石英晶体振荡器和复位电路、单片机内装入程序，如图2.2所示。
图2.2单片机的基本电路
（1）接电源
将单片机第40脚Vcc接电源+5V，第20脚Vss接地（电源负极），为单片机工作提供电源。
由于AT89S52片内带有程序存储器，当使用片内程序存储器时要将EA（31脚）接高电平，即接到电源+5V。
（2）接石英晶体振荡器
将单片机第19脚（XTAL1）与18脚（XTAL2）分别接外部晶体的两个引脚，由石英晶体组成振荡器，保证单片机内部各部分有序工作。
晶振电路如图2.3所示。
图2.3晶振电路
单片机运行程序的速度与振荡器的频率有关。
单片机在读、写操作时都需要消耗一定的时间。
机器周期是指单片机完成一个基本操作所用的时间，当外接石英晶体为12MHz时，1个机器周期为1ms；当外接石英晶体为6MHz时，1个机器周期为1ms。
（3）复位电路
在实际应用中，复位电路有两种基本形式：
一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。
上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。
常用的上电复位电路如图2.4（a）所示。
上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。
RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。
该电路典型的电阻和电容参数为：
晶振为12MHz时，C1为10uF，R1为8.2KΩ；晶振为6MHz时，电容C1为22uF，R1为1KΩ。
上电与按键均有效的复位电路如图2.4（b）所示。
上电与按键均有效的复位电路原理与上电复位原理相同，不同的是上电与按键均有效的复位电路在单片机运行期间，能用按键来控制复位操作晶振为6MHz时，电容C1为22uF，R2为200Ω。
图2.4（a）上电复位电路图2.4（b）按键与上电复位
本设计中使用后者电路复位，就是可以在单片机运行期间可以人工的复位。
这样是比较方便。
2.2温度采集电路设计
跟以往的采用A/D转换器进行温度测量不同的是，本系统采用的是一线协议器件DS18B20进行温度测量，测量的方法不同，温度采集不同。
2.2.1温度采集芯片简介
DS1820数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DS1820或从DS1820送出，因此从中央处理器到DS1820仅需连接一条线（和地）。
读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。
因为每一个DS1820有唯一的系列号，因此多个DS1820可以存在于同一条单线总线上。
这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。
此特性的应用范围包括HVAC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测。
（1）DS18B20特性
●独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯；
●无需外部器件；
●零待机功耗；
●测温范围-55℃～+1250℃，以0.5℃递增。
华氏温度范围-67℉至257℉，
以0.9℉递增；
●温度以9位数字量读出；
●温度数字量转换时间200ms（典型值）；
●用户可定义的非易失性温度报警设置；
●报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
●应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统；
（2）DS18B20引脚结构及说明
DS18B20引脚结构如图2.5所示
图2.5引脚结构
引脚说明：
GND：
接地。
DQ：
数据输入/输出脚。
VDD：
外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
DS1820通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线（加上地线）。
用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。
因为每个DS1820都有一个独特的片序列号，所以多只DS1820可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。
这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。
2.2.2工作原理
（1）测温原理
测温原理如图2.6所示。
图2.6测温原理
（2）DSl820工作过程及时序
初始化：
初始化RoM操作命令存储器操作命令处理数据单总线上的所有处理均从初始化开始。
总线主机检测到DSl820的存在便可以发出ROM操作命令之一这些命令如下：
ROM操作品令
指令名称
代码
功能
读ROM
33H
在口线上接一个器件时读其ROM码
匹配ROM
55H
找出某个指定ROM码的器件
跳过ROM
CCH
对口线上所有器件的操作
搜索ROM
F0H
口线上有多个器件时，找出每个器件ROM码
告警搜索
ECH
找出各器件是否超限
存储器操作命令
指令名称
代码
功能
写暂存存储器
4EH
主机向存储器中TH、TL和配置寄存器写数据
读暂存存储器
BEH
主机连续读0～8存储器中内容
复制暂存存储器
48H
复制TH、TL和配置寄存器内容到EEPROM中
温度变换
44H
启动温度转换
重新调出
B8H
从EEPROM中调出TH、TL和配置寄存器数据到存储器中
读电源
B4H
器件向主机发送它的供电方式
时序
主机使用时间隙来读写DSl820的数据位和写命令字的位。
◆初始化
初始化时序见图2.7主机总线to时刻发送一复位脉冲（最短为480us的低电平信号）接着在tl时刻释放总线并进入接收状态DSl820在检测到总线的上升沿之后等待15-60us接着DS1820在t2时刻发出存在脉冲（低电平持续60-240us）如图中虚线所示
图2.7初始化时序图
◆写时间隙
当主机总线to时刻从高拉至低电平时就产生写时间隙见图2.5-1图2.5-2从to时刻开始15us之内应将所需写的位送到总线上DSl820在t0后15-60us间对总线采样若低电平写入的位是0见图2.8-1,若高电平写入的位是1,见图2.8-2,连续写2位间的间隙应大于1us。
图2.8-1写0时序图2.8-2写1时序
◆读时间隙
见图2.9主机总线t0时刻从高拉至低电平时总线只须保持低电平l7us之后在t1时刻将总线拉高产生读时间隙,读时间隙在t1时刻后t2时刻前有效t2距t0为15us也就是说t2时刻前主机必须完成读位并在t0后的60us-120us内释放总线。
读位子程序（读得的位到C中）
图2.9读时序
2.2.3温度采集电路
DS18B20工作可采用两种供电方式，外接供电电源供电和寄生电源供电。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强上拉。
（1）采用寄生电源供电
采用寄生电源供电，如图2.10所示。
P2.0口接单线总线，为保证在有效DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和AT89S52的p2.0来完成对总线的上拉。
采用寄生电源供电方式图2.10寄生电源供电
时VDD和CND端均接地。
由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是二态的。
（2）采用外部电源供电的方式
采用寄生电源供电，外部电源部连接到VDD，引脚如图2.8所示。
图2.11外部电源供电
2.3存储电路设计
系统通过AT24C02存储温度信息，AT24C02内部存储地址0x00和0x01分别存储温度上下限数据信息;温度上下限数据可通过外部按键进行修改，并通过数码管实时显示。
数据存储格式如表2-1所示。
表2-1数据存储格式
地址
0x00
0x01
0x02
0x03
…
0xFF
数据
温度上限
温度下限
…
…
…
…
2.3.1存储芯片简介
CAT24WC02是一个2K位串行CMOSE²PROM内部含有256个8位字节CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗,CAT24WC02有一个16字节页写缓冲器该器件通过C总线接口进行操作有一个专门的写保护功能。
（1）特性
●与400KHzI²C总线兼容；
●1.8到6.0伏工作电压范围；
●写保护功能当WP为高电平时进入写保护状态；
●页写缓冲器；
●自定时擦写周期；
●1,000,000编程/擦除周期；
●可保存数据100年。
（2）极限参数
●工作温度工业级-55℃～+125℃；
●贮存温度-65℃～+150℃；
●各管脚承受电压-2.0V～+2.0V；
●Vcc管脚承受电压-2.0V～+7.0V；
●焊接温度（10秒）300℃；
●输出短路电流100mA。
（3）AT24C02管脚结构
AT24C02管脚结构如图2.12所示。
图2.12管脚结构
管脚描述：
SCL：
串行时钟
CAT24WC02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：
串行数据/地址
CAT24WC01/02/04/08/16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。
A0、A1、A2：
器件地址输入端
这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址当这些脚悬空时默认值为0。
使用24WC02时最大可级联8个器件，如果只有一个24WC02被总线寻址这三个地址输入脚A0、A1、A2可悬空或连接到Vss。
WP：
写保护
如果WP管脚连接到Vcc所有的内容都被写保护只能读当WP管脚连接到Vss或悬空允许器件进行正常的读/写操作。
Vcc：
+1.8V～6.0V工作电压。
Vss：
接地。
2.3.2工作原理
只有在总线非忙时才被允许进行数据传送。
在数据传送时，当时钟线为高电平，数据线必须为固定状态，不允许有跳变。
时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被当作总线的启动或停止条件。
启始条件：
起始条件必须在所有操作命令之前发送。
时钟线保持高电平期问，数据线电平从高到低的跳变作为I²C总线的启动信号。
CAT24C02一直监视SDA和SCL电平信号直到条件满足时才响应。
停止条件：
时钟线保持高平期问，数据线电平从低到高的跳变作为I²C总线的停止信号。
操作结束时必须发送停止条件。
器件地址的约定：
主器件在发送启动命令后开始传送，主器件发送相应的从器件的地址（见表2-2），8位从器件地址的高4位固定为1010。
接下来的3位无意义。
最后一位为读写控制位。
"1”表示对从器件进行读操作，"0”表示对从器件进行写操作。
在主器件发送启动命令和发送一字节从器件地址后，如果从器件地址相吻合，CAT24C02发送一个应答信号（通过SDA线）。
然后CAT24C02再根据读/写控制位进行读或写操作。
表2-2从器件寻址
1
0
1
0
A2
A1
A0
R/
时序图
CAT24C02工作时序包括起始/停止时序、应答时序、写时序和读时序。
起始/停止时序图
应答时序图
写时序图
读时序图
2.3.3存储电路
A0、A1、A2接地，SDA、SCL与单片机I/O口连接，通过程序软件模拟I²C时序，WP引脚接地，如图2.13所示。
2.13硬件连接图
2.4显示电路设计
本系统显示电路用来显示温度上下限的值和通过DS18B20采集进来的实时温度值。
2.4.1显示器简介
数码管具有:
低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易一于维护，同时其精度高，测量快，精确可靠，操作简单。
数码显示是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
（1）7段LED数码
LED是近似于恒压的元器件，到导电时（发光）的正向压降一般约为1.6V或2.4V，反向击穿电压一般≥5V。
工作电流通常在10---20mA，故电路中需要串联适当的限流电阻。
发光强度基本上与正向电流成正比。
发光效率和颜色取决于制造的材料，一般常用红色，偶尔也用于黄色或绿色。
（2）发光二级管显示驱动（点亮）的方法
●静态驱动方法：
即给欲点亮的LED通过恒定的定流。
这种驱动方法需要显示的位数增加时，所需的逻辑部件及连线也相应增加，成本也增加。
●动态驱动方法：
是给欲点亮的LED通过脉冲电流，此时LED的脉冲电流倍数于其额定电流值。
利用动态驱动方法可以减少需要的逻辑部件和连线。
最常用的一种数码显示器是由7段条形的LED组成，如图2.14所示。
点亮适当的字段，就可以出不同的数字。
此外不少于7段数码管显示器在右下角带有一个圆形的LED作小数点用，这样一共有8段，恰好适用于8位的并行系统。
图2.14（a）为共阴极接法，公共阴极接地。
当各段阳极上的电平为“1”时，该段点亮；电平为“0”时，段就熄灭。
图2.14（b）为共阳极接法+5V电源。
当各段阴极上的电平为“0”时，该段就点亮；电平为“1”时，段就熄灭。
图中的电阻是限流电阻。
图2.14（a）共阴极接法图2.14（b
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