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《单片机课程设计报告》

《微机原理与接口技术》

课程设计报告

题目温度控制器的设计

学院电气工程学院

班级　　电气0802班

姓　名　　　杨洋

学号　　08291058

指导老师　　　姜久春

小组成员　　　杨洋、徐国金

2011年　1　月　12　日

《微机原理与口技术》课程设计报告

——温度控制器的设计

【题目】

温度控制器

【要求】

1．采用1路模拟输入，电压范围为0——5V，控制温度变化范围为0——99.9。

C。

2．使用2个继电器分别控制加热器和风机，用来加热和降温。

3．目标温度保持在60度。

4．系统中加一个滞环，当温度低于50度，开始加热；当温度高于55度时，关加热器；

当温度高于70度时，开风机；当温度低于65度时，关风机。

5．使用3个数码管作为输出显示电压值或温度值。

【预习及准备】

1．课题背景

电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化。

在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面。

而本次设计就是要通过以MCS-51系列单片机为控制核心，实现温度控制器的设计。

2．系统原理及流程图的初步设计

通过调整继电器，则可将需要设定的温度随所对应的电压值传输给单片机，再由单片机控制显示器，显示出设定的电压值（即对应的温度值），再通过温度传感器和AD转换将采集的温度与设定的温度进行比较，若一致，则不动作，若不一致，则驱动加热或降温设备，从而实现对被控对象的温度控制。

经设计，温度控制器主要由单片机AT89S51、温度采样电路、A/D转换电路、温度显示电路、温度输入电路、驱动电路等组成。

我自己绘制的系统框图和主程序流程图如下所示：

图1温度控制器系统框图

主程序流程图如下所示：

低于65度

低于50度

高于70度

高于55度

图2主程序流程图

3．元件资料及管脚图

预习部分：

（1）AT89S51单片机

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash制度程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失行存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

其主要组成和功能为：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），2个数据指针，2个16位定时器/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，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

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

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个复位。

其管脚图及框图如下：

图3AT89S51管脚图图4AT89S51功能框图

（2）ADC0809（或ADC0804）

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。

其内部逻辑结构为：

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。

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。

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。

通道选择为：

当CBA的值由000——111变化时，分别选择IN0——IN7通道。

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。

其管脚图及内部结构图如下：

图5ADC0809管脚图图6ADC0809内部结构图

因本设计只要1路模拟输入，所以用0809比较浪费。

可采用ADC0804，ADC0804与ADC0809基本相同，但只将输入模拟值转换为数字值输出到D0。

（3）74LS48译码器

74LS48七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。

该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。

它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO，现简要说明如下：

1.灭灯输入BI/RBO：

BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。

当BI/RBO作输入使用且BI＝0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a～g均为0，所以字形熄灭。

2.试灯输入LT：

当LT＝0时，BI/RBO是输出端，且RBO＝1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1,显示字形8。

该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。

3.动态灭零输入RBI：

当LT＝1，RBI＝0且输入代码DCBA＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与BCD码相应的字形熄灭，故称“灭零”。

利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。

此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。

4.动态灭零输出RBO：

BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。

当LT＝1且RBI＝0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT＝1且RBI＝1，则RBO=1。

该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。

7448的功能表如下：

图774LS48译码器功能表

从功能表可看出，对输入码0000，译码条件是：

LT和RBI同时等于1，而对其它输入码则仅要求LT＝1，这时候，译码器各段a～g输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求。

其管脚图及与数码管的连接如下：

图874LS48管脚图图974LS48与数码管的连接

（4）共阴极LED数码显示管

在单片机系统中，通常用LED数码显示器来显示各种数字或符号。

由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。

八段LED显示器由8个发光二极管组成。

基中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。

LED显示器有两种不同的形式：

一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。

共阴极和共阳级结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。

当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。

8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7D6D5D4D3D2D1D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。

例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为01110011（76H）时，显示器显示"P"字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。

如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。

其管脚图及内部结构图如下：

图10LED管脚图图11LED内部结构（共阳极）图12LED内部结构（共阴极）

实际使用部分：

（1）AT89S51单片机

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash制度程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失行存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

其主要组成和功能为：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），2个数据指针，2个16位定时器/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，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

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

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个复位。

其管脚图及框图如下：

图13AT89S51管脚图图14AT89S51功能框图

（2）ADC0832

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。

ADC0832具有以下特点：

·8位分辨率；

·双通道A/D转换；

·输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；

·5V电源供电时输入电压在0~5V之间；

·工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；

·一般功耗仅为15mW；

·8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；

·商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为−40°Cto+85°C；

芯片如下所示：

图15ADC0832管脚图

芯片接口说明：

·CS_片选使能，低电平芯片使能。

·CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

·CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

·GND芯片参考0电位（地）。

·DI数据信号输入，选择通道控制。

·DO数据信号输出，转换数据输出。

·CLK芯片时钟输入。

·Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

单片机对ADC0832的控制原理：

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。

但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。

当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。

此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。

在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。

在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。

其功能项如下图所示：

图16ADC0832功能项表

如上表所示，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。

当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。

当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。

当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。

到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。

从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。

直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。

也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATD0。

随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。

最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。

其时序说明图如下所示：

图17ADC0832时序说明图

作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。

如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。

但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。

ADC0832芯片接口程序的编写：

为了高速有效的实现通信，我们采用汇编语言编写接口程序。

由于ADC0832的数据转换时间仅为32μS，所以A/D转换的数据采样频率可以很快，从而也保证的某些场合对A/D转换数据实时性的要求。

数据读取程序以子程序调用的形式出现，方便了程序的移植。

程序占用资源有累加器A，工作寄存器R7,通用寄存器B和特殊寄存器CY。

通道功能寄存器和转换值共用寄存器B。

在使用转换子程序之前必须确定通道功能寄存器B的值，其赋值语句为“MOVB,#data”（00H~03H）。

运行转换子程序后的转换数据值被放入B中。

子程序退出后即可以对B中数据处理。

ADC0832芯片接口程序[汇编]：

/*-------------------------------------------

子程序名：

ADC0832子程序

程序功能：

将模拟电压量转换成数字量

实现方法：

串行通信。

CPU说明：

MCS-51

植入说明：

占用A、B、CY、R7

-------------------------------------------*/

;以下接口定义根据硬件连线更改

ADCSBITP3.5;使能接口

ADCLKBITP3.4;时钟接口

ADDOBITP3.3;数据输出接口（复用）

ADDIBITP3.3;数据输入接口

;以下语句在调用转换程序前设定

MOVB,#00H;装入通道功能选择数据值

;以下为ADC0832读取数据子程序

;====ADC0832读数据子程序====

ADCONV:

SETBADDI;初始化通道选择

NOP

NOP

CLRADCS;拉低/CS端

NOP

NOP

SETBADCLK;拉高CLK端

NOP

NOP

CLRADCLK;拉低CLK端,形成下降沿

MOVA,B

MOVC,ACC.1;确定取值通道选择

MOVADDI,C

NOP

NOP

SETBADCLK;拉高CLK端

NOP

NOP

CLRADCLK;拉低CLK端,形成下降沿2

MOVA,B

MOVC,ACC.0;确定取值通道选择

MOVADDI,C

NOP

NOP

SETBADCLK;拉高CLK端

NOP

NOP

CLRADCLK;拉低CLK端,形成下降沿3

SETBADDI

NOP

NOP

MOVR7,#8;准备送下后8个时钟脉冲

AD_1:

MOVC,ADDO;接收数据

MOVACC.0,C

RLA;左移一次

SETBADCLK

NOP

NOP

CLRADCLK;形成一次时钟脉冲

NOP

NOP

DJNZR7,AD_1;循环8次

MOVC,ADDO;接收数据

MOVACC.0,C

MOVB,A

MOVR7,#8

AD_13:

MOVC,ADDO;接收数据

MOVACC.0,C

RRA;左移一次

SETBADCLK

NOP

NOP

CLRADCLK;形成一次时钟脉冲

NOP

NOP

DJNZR7,AD_13;循环8次

CJNEA,B,ADCONV;数据校验

SETBADCS;拉高/CS端

CLRADCLK;拉低CLK端

SETBADDO;拉高数据端,回到初始状态

RET

;====子程序结束====

（3）74HC573

74HC573是八进制3态非反转透明锁存器。

属于高性能硅门CMOS器件，SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样。

器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。

当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。

当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。

LE为锁存控制端。

图1774HC573管脚图图1874HC573与LED的连接

（4）74HC245

74HC245是总线驱动器，典型的TTL型三态缓冲门电路。

由于单片机等CPU的数据／地址／控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。

另外，也可以使用74HC244等其他电路，74HC244比74HC245多了锁存器。

图1974HC245内部电路及管脚图

引脚定义如下：

第1脚DIR：

输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。

　　第2~9脚“A”信号输入输出端，A1=B1、、、、、、A8=B8，A1与B1是一组，如果DIR=“1”OE=“0”则A1输入B1输出，其它类同。

如果DIR=“0”OE=“0”则B1输入A1输出，其它类同。

　　第11~18脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样，不再描述。

　　第19脚OE，使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。

　　第10脚GND，电源地。

　　第20脚VCC，电源正极。

（5）共阴极LED数码显示管

在单片机系统中，通常用LED数码显示器来显示各种数字或符号。

由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。

八段LED显示器由8个发光二极管组成。

基中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。

LED显示器有两种不同的形式：

一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。

共阴极和共阳级结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。

当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。

8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7D6D5D4D3D2D1D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。

例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为01110011（76H）时，显示器显示"P"字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。

如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。

其管脚图及内部结构图如下：

图20LED管脚图图21LED内部结构（共阳极）图22LED内部结构（共阴极）

（6）运放OP07CP

OP07CP是运算放大器。

其特点为：

高质量数字音频放大102分贝动态范围（OP07CP设备）的THD+N<0.06％的电源效率为90％到8-Ω负载16-，20-，或24位输入32千赫，44.1kHz的，48千赫，88.2千赫兹，96赫兹，1.764-千赫，192千赫采样率经济48引脚TQFP封装下抖动内部PLL

OP07CP（绝对）最大额定值：

除了终止和EMC兼容性的要求，计算设备都必须为公共服务电子化敏感性测试。

这个测试是在IEC61000-4-2描述，并在已有的欧洲。

这个测试需要的设备，并继续容忍ESD事件，而无需用户干预的业务。

对于4比4英寸的敏感性前vious索尼由民政事务总署的超级CCD技术饱和信号电平通过产品分贝比以前增加了24英寸CCD的与以前的1/4的兼容性分贝增加光学系统的使用英寸CCD的水平保持寄存器和复位栅极驱动电压降低至3.0V（最小）。

其管脚图如下所示：

图23运放OP07CP管脚图

（7）继电器

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

继电器的继电特性：

继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。

一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。

当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开。

我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。

释放值xf与动作值xx的比值叫做反馈系数，即　Kf=xf/xx。

触点上输出的控制功率Pc与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电器的控制系数，即Kc=PC/P0。

其示意图如下所示：

图24继电器示意图

当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。

可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）继电器及非电气量（如温度、压力、速度等）继电器两大类。

具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。

广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

其实质是一种传递信号的电器，它根据输入的信号达到不同的控制目的。

电磁继电器的工作原理和特性：

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

　　继电器的作用：

作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用。

　　1）扩大控制范围。

例如，多触点继电器控制信号达到