温度控制系统毕 业 设 计.docx

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温度控制系统毕业设计

MCS-51单片机实现数字温度计

摘要:

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还本文从硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路，对硬件原理图和程序框图作了简捷的描述。

应根据具体硬随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

目前,典型的温度测试系统是由模拟式温度传感器、A/D转换电路和单片机组成,由于模拟式温度传感器输出为模拟信号,必须经过A/D转换环节获得数字信号后才能与单片机等相接，本次设计的目的在于学习与了解嵌入式系统开发的基本流程，了解单片机与传感器AD590的通信、LED液晶显示屏驱动电路的设计、单片机与PC机的通信。

论文主要介绍了一个基于51单片机的温度信号采集显示系统的设计，主要叙述了单片机温度采集控制系统的硬件电路设计和软件的编写、调试过程。

本系统主要包括：

温度采集与A/D转化、数据处理、数据显示、信号放大电路、报警电路五大部分。

系统实现的功能是温度检测、数值显示。

温度传感器AD590对环境温度进行检测，并且经A/D转化器ADC0809转化成数字温度信号，通过单总线传递给单片机，单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制数字温度传感器，把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递到单片机上。

单片机数据处理之后，发出控制信息改变报警和控制执行模块的状态，同时将当前温度信息发送到LED进行显示，发出控制信号达到控制蜂鸣器和发光二级管的目的。

即可实现温度信号采集转化，显示与报警功能！

该系统设计和布线简单、体积小、重量轻、性价比高、扩展方便。

采用适当的技术将模拟的温度量转化为数字量在原理上虽然不困难但成本较高,还会遇到其它方面的问题。

因此对单片机温度控制系统的研究有重要目的和意义.本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。

关键词：

单片机温度采样驱动电路AT89C51显示

目录

第一章引言1

1.1温度计的检测方法1

1.2正在研究的检测技术2

1.3国内外温度检测技术的动向与趋势2

1.4温度检测系统3

第二章设计分析4

2.1设计项目书及分析4

2.2温度传感器的发展现状4

2.3传感器、A/D转化器和单片机的选择6

2.3.1温度传感器的选择6

2.3.2A/D转换器的选择8

2.3.3单片机的选择10

第三章系统硬件设计14

3.1温度采集放大15

3.2.A/D转换16

3.3显示与报警电路16

3.4．单片机及外围电路17

第四章软件设计18

4.1．程序流程图19

4.2．数据调用方法选择20

4.2.1温度模拟信号与存储的地址对应表21

4.2.2七段码表对应的表格26

4.3．软件设计27

4.3.1、定时/计数器的工作方式27

4.3.2查表指令29

4.3.3程序：

29

第五章结论34

致谢34

参考文献35

附表元器件明细表35

第一章引言

现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

温度是一种最基本的环境参数,人民的日常生活与环境的温度息息相关,同时它也是工业对象中主要的被控参数之一，特别是化学工业自动化系统中，一般温度检测点占全部检测点的50以上，可见温度检测的重要性所在例如：

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

。

随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以对于温度测试的设计与研究有十分重要的意义。

1.1温度计的检测方法

目前国内使用的温度计虽然品种繁多，应用范围也较广，但它的检测技术基本是以下几种方法：

（1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计。

如：

玻璃温度计，双金属温度计，压力式温度计

（2）利用热电效应技术制成的温度检测元件。

利用此技术制成温度检测元件主要是热电偶，热电偶是发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。

（3）利用热阻效应技术制成的温度计①热电阻测温元件②半导体测温元件③陶瓷热敏元件

（4）利用热辐射原理制成的高温计热辐射高温计通常分为两种：

一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计；一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，枧物体本身的性质，能将它吸收，透过或反射。

而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。

热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的

1.2正在研究的检测技术

（1）晶体管温度检测元件半导体温度检测元件是具有代表性的新集成电路温度检测元件利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系（即半导体PN结的温度特性）进行测温，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即就构成了集成电路温度检测元件目前，国内外也进行了生产。

（2）核磁共振温度检测器所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁波的吸收现象。

利用共振吸收频率随温度上升而减小的原理研制成的温度测器，称为核磁共振温度检测器。

这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。

在常温下，可作理想的标准温度计之用。

1.3国内外温度检测技术的动向与趋势

温度检测的动向与趋势随着工业生产效率不断提高，自动他水平与范围也不断扩大，因而对温度检测技术的要求也愈来愈高，一般可以归纳以下几方面：

（1）扩展检测范围

现在工业上通用的检测温度范围为一200～300℃，而今后要求能测量超高温与超低温尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如10K以下的温度检测是当前重点研究课题。

（2）扩大测温对象温度检测技术将会由点测量发展到线、面、甚至立的测量。

应用范围将同工业领域延伸到环境保护，家用电器、汽车工业及航天工业领域。

（3）发展新型产品利用老的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足于用户需要。

同时利用新的检测技术制造出新的产

（4）适应特殊环境下测温在工业生产中，对许多场合的温度检测器有特殊要求，如防硫、防爆、耐磨等性能要求；又如移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温、火焰温度的检测等。

（5）显示数字化

温度仪表向数字化方向发展。

其最大优点是直观、无读数误差、分辨率高、测量误差小，因而有广阔的销售市场。

（6）标定自动化应用计算机技术，快速、准确、自动地标定温度检测器。

根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展。

①继续生产量大面广的传统的温度检测元件，如：

热电偶、热电阻、热敏电阻等。

②加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。

如近年来已开发的碳化硅薄膜热敏电阻温度检测器、厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，③向智能化、集成化、实用化方向发展。

新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机技术向智能化方向发展④向机电一体化方向发展！

1.4温度检测系统

1.4.1温度自动检测系统简介

温度自动检测系统主要用于检定工作热电偶、工作用热电阻、工业用水银温度计和双金属温度计。

是集计算机技术、电子技术、自动测试技术于一体的自动化检定系统。

它以计算机为核心，并由上位机与下位机组成，实现同时检定各种类型测温元件。

整个检定过程除接线以外全部自动完成，对于检定工业热电阻、工业热电偶实现了控制温度、数据采集、数据显示全自动完成。

随着科学技术的不断发展，各企业采用了强化生产手段，对温度检测技术提出了更高的要求，希望利用新的测方法，制造出适应性更强、精度更高、性能更稳定、并具有智能功能的新一代温度检测仪表。

1.4.2温度自动检测系统的核心

单片机，是把中央处理器CPU、存储器、定时器、I/O接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，是人们在通用计算机无法满足广泛的电气智能化要求的情况下，按照嵌入式应用要求，设计出最底层要求的芯片级嵌入式计算机系统；即微小型化。

低价位（芯片形态，芯片价）的嵌入式计算机系统！

在经历过探索-完善-MCU化，到现在的百花齐放的第四阶段，单片机也成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具与检测工具！

1.4.3温度自动检测系统发展

该设计介绍了温度计的测量和控制之间的关系：

检测是控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。

不仅如此，检测还涉及国计民生各个部门，可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。

科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。

现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。

同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。

目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。

目前的温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。

传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。

但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的监控系统。

件结构软硬件结合，加以完善。

第二章设计分析

2.1设计项目书及分析

2.1.1设计项目书：

设计温度测试系统，测试范围：

-50℃到99℃。

精确度：

1℃，温度达到60℃时系统报警！

2.2.2测温电路，可以利用热敏电阻之类的器件的温度效应，再将被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理与输出，在显示电路上显示出被测温度！

2.2温度传感器的发展现状

2.2.1温度传感器的发展

温度传感器使用范围广，数量多，居各种传感器之首，其发展大致经历了以下个阶段：

①传统的分立式温度传感器（含敏感元件）——热电偶传感器，主要是能够进行非电量和电量之间转换。

②模拟集成温度传感器/控制器。

集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

③智能温度传感器。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE_）的结晶。

智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

2.2.2模拟集成温度传感器

集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

2.2.3温度传感器的发展与方向

（1）扩展测温范围：

随着工业的发展，对超高温、超低温的测量要求越来越迫切。

（2）提高测量精度：

随着电子技术的发展，信号处理仪表的精度有了很大的提高。

（3）扩大测温对象：

随着工业和人们日常生活要求的提高，现在已由点测量发展到线、面测量。

（4）发展新产品，满足特殊需要：

在温度测量中，除了进一步扩展与完善管缆热电偶、热电阻，以及晶体管测温元件、快速高灵敏度的普通热电偶外，根据

被测对象的环境，还提出了许多特殊的要求，如防硫、防爆、耐磨的热电偶，钢水连续测温，火焰温度测量等。

（5）显示数字化：

温度仪表不但具有读数直观、无误差、分辨率高、测量误差小的特点，而且给温度仪表的智能化带来很大方便。

（6）检定自动化：

由于温度校验装置将直接影响温度仪表质量的提高，我国已研制出用微型机控制的热电偶校验装置。

2.3传感器、A/D转化器和单片机的选择

2.3.1温度传感器的选择

该温度测试的范围比较广泛，一般的温度传感器线性范围不足，模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单必须采用温度偿，故选择其宽温度范围、高精度的集成温度传感器AD590。

AD590具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰

能力强、可远距离测温且使用方便等优图2-1AD590封装图

点。

可广泛应用于各种冰箱、空调器、粮仓，冰库、工业仪器配套和各种温度的测量和控制等领域。

（2）AD590的特性与工作原理

集成温度传感器AD590是单片双端集成温度传感器，其特征如下：

①.线性电流输出：

1μA/K，正比与绝度温度。

②.宽温度范围：

-55℃~+150℃。

③精度高：

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，激光校准精度到±0.5℃

.④线性好：

满量程范围±0.3℃

.⑤电源范围宽：

+4~+30V。

⑥.AD590只需单电源工作，输出的是电流而非电压，因此，抗干扰能力强，要求的功率低，使得AD590适合与工作运动测量。

因是高阻抗电流输出，所以在长线上的电阻对器件工作影响不大。

用绝缘良好的双绞线连接，可以使器件在距电源25m处正常工作，高输出的阻抗又能极好地消除电源电压漂移和纹波的影响。

电源由5V变到10V时，最大的只有1μA的电源变化，相等于1℃的等效误差。

其输出特性也使得AD590易于多路化，可以使CMOS多路转换器的输出电流或则逻辑门的输出作为器件的工作电源来切换！

D590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而不规则的电源变化或则管脚反接也不会被损坏。

（3）AD590的工作原理

　　在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV／K的电压信号。

其基本电如图3所示。

　图3是利用ΔUBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。

其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。

T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔUBE。

因此，电流I1为：

   I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R

　　对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。

由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。

图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA/K。

图4所示是AD590的内部电路，图中的T1～T4相当于图3中的T1、T2，而T9，T11相当于图3中的T3、T4。

R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。

T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。

T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。

　　T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。

R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。

T1～T4是为热效应而设计的连接方式。

而C1和R4则可用来防止寄生振荡。

该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1／3。

T9和T11的发射结面积比为8：

1，T10和T11的发射结面积相等。

　　T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：

   ΔUBE＝（R6－2R5）I／3

　　R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2／3。

　　根据上式不难看出，要想改变ΔUBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使ΔUBE减小，不过，改变R5对ΔUBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。

实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250℃之下使总电流I达到1μA／K。

2.3.2A/D转换器的选择

A/D0809是单片,CMOS,逐次比较,8位模/数转换器.片内包含8位模/数转换器,8通道多路转换器与微控制器兼容的控制逻辑.8通道多路转换器能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个,由于ADC0809设计考虑到各种数/模变换技术的长处,所以该芯片非常适于过程控制,微处理器输入通道的接口电路.智能仪器和机床控制等领域!

图2-5ADC0809的内部逻辑结构图

其主要特性如下：

（1）8位分辨率；

（2）单-5V的电源，输出模拟电压范围：

0~5V；

（3）具有锁存控制的8路模拟开关

（4）可锁存三态输出，可与大多数的8位微处理器接口；

其引脚功能如下：

IN0~IN7:

8路模拟量输入端；

D0~D7:

8路数字量输出；

ADDC,ADDB,ADDA:

用于选择8路通道模拟地址线：

ADDCADDBADDA通道

0000

0011

0102

0113

1004

1015

1106

1117

ALE：

地址锁存信号。

上升沿将ADDC，ADDB,ADDA存入地址锁存器。

START:

A/D转换启动信号，正脉冲时，A/D转换开.

EOC:

转化结束信号，转化开始时OEC=0，结束时OEC=1.

OE:

输入允许信号，当OE=1时打开三态输出门。

CLOCK:

时钟信号

GND：

接地

2.3.3单片机的选择

属于哈佛体结构的MCS-51系列单片机，其程序存储器和数据存储器各自独立，编址范围均为64KB。

该系列产品功能强，运行速度高，可靠性强，其为低电压；高性能CMOS8位单片机，片内含4位的EEPROM和128位的RAM，兼容MCS-51指令系统，片内通用8位CPU和Flash存储单元，可灵活运用于性价比高的应用场合，所以设计中单片机选取的型号为AT89C51！

（1）主要性能参数：

①与MCS-51产品指令系统兼容4K字节EEPROM图2-6AT89C51引脚图

②1000次擦写周期③全静态操作：

0HZ~24MHZ

④三级加密程序存储器⑤23*8字节的内部RAM

⑥32个可编程I/O口线⑦2个16位定时/计数器⑧6个中断源⑨可编程串行UART通道

⑩低功耗空闲和掉电模式述：

（2）功能特性描述：

AT89C51提供以下标准功能：

4K字节FLASH闪速存储器，128字节的内部RAM。

32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/记数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但是振荡器停止工作并禁止其它所有部件直到下一个硬件复位！

各引脚对应的功能简要介绍如下：

Vss——接地。

图2-6AT89C51的内部结构图

Vcc——电源端，接＋５Ｖ。

P0.0～0.7——P0口是开漏双向口可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入，P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1。

P0口每位可以能驱动８个ＬＳ型ＴＴＬ负载。

P1.0～1.7——P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入1时P1口被内部上拉为高电平，

可用作输入口。

当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。

P１口每位可以能驱动４个ＬＳ型ＴＴＬ负载。

P2.0～2.7——P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。

当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。

在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址，此时通过内部强上拉传送。

当使用8位寻址方式访问外部数据存储器时，P２口每位可以能驱动４个ＬＳ型ＴＴＬ负载。

P3.0～3.7——P3口是带内部上拉的双向I/O口，向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。

当作为输入脚时被外部拉低的P3口，会因为内部上拉而输出电流。

P３口每位可以能驱动４个ＬＳ型ＴＴＬ负载。

P3口还具有以下特殊功能：

RxD（p3.0）——串行输入口

TxD（P3.1）——串行输出口

INT0（P3.2）——外部中断0

INT1（P3.3）——外部中断

T0（P3.4）——定时器0外部输入

T1（P3.5）——定时器1外部输入

WR（P3.6）——外部数据存储器写信号

RD（P3.7）——外部数据存储器读信号

RST——复位。

当晶振在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平，即可复位内部。

有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。

图2-2AT89C51封装引脚配置图

ALE——地址锁存使能。

在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率并可用作外部时钟或定时。

PSEN——程序存储使能。

当执行外部程序存储器代码时，PSEN每个机器周期被激活两次。

在访问外部数据存储器时，PSEN无效。

访问内部程序存储器时，PSEN无效。

EA/Vpp——外部寻址使能/编程电压。

在访问整个外部程

序存储器时EA必须外部置低，如果EA为高时将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内

FLASH的地址。

该引脚在对FLASH编程时，接5V/12V编程电压（Vpp），如果保密位1已编程，EA在复位时由内部锁存。

XTAL1——反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。

XTAL2——反相振荡放大器输出。

图2—7Flash编程和校验的波形（高电平编程方式）

图2—8Flash编程和校验的波形（低电压编程方式

第三章系统硬件设计

温度显示

AT89C51单片机

温度采集放大

报警指示

A/D转换

该温度测系统是以AT89C51单片机为核心，有CPU、温度和温度传感器、A/D装换器以及外围电路组成，由温度传感器得到检测信号，经信号放大电路转化成1~4V的电压信号，该信号通过A/D转换器转换后送到单片机进行数据处理。

进过其软件分析，判断，查表处理，测试结果送数码显示。

3.1温度采集放大

该部分由集成温度传感器AD590与运算放大器组成，温度信号由AD590采集，其传感电流过小，经过运算放大器放大，然后输入单片机！

如图所示集成温度传感器由AD580提供所须电压

在该部分，设计温度的变化范围为150，而A