单片机温度控制系统的设计.docx

1、单片机温度控制系统的设计论文题目：单片机温度控制系统的设计专 业：电子科学与技术学 生：张 宁 签名： 指导教师：樊锡德 签名： 摘 要随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。 在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用本文主要讲述了一个以8031为主要控制芯片的单片机温度控制系统，研究了系统原理和进行了系统的设计，文章主要包括了硬件设计与程序设计两个方面。硬件

2、主要包括了温度检测，接口部分与控制电路，重点说明了系统主要硬件电路的结构与功能，对各个元件的功能与要求做一个系统的分析与介绍，软件部分主要讲述驱动主程序和中断控制程序的选择与设计，解释各个部分的功能，最后再对整个系统做分析，得出系统设计的主要结论。关键词：单片机，温度控制，A/D转换 论文类型：系统设计Title: SingleChip Microcomputer temperature control system designMajor: Electronic science and TechnologyName: ZhangNing Signature: Supervisor: FanX

3、ide Signature: ABSTRACTAlong with the integrated circuit technology development, the SingleChip Microcomputer function also unceasingly strengthens, many new aircraft types which having high performance emerge unceasingly. Monolithic integrated circuit by its function strong, volume small, reliabili

4、ty high, construction cost low and development cycle short and so on merits, becomes in the automation and each observation and control domain the widespread application component, becoming the essential component in the industrial production, More and more is also big in the daily life functionIn t

5、he temperature control system, the SingleChip Microcomputer was the key role which could not be substitutedWith emphasis explained the system main hardware electric circuit structure and the function, have made an analysis and the introduction about function and the request to each part, software pa

6、rt main narration actuation and interrupt control procedure choice and design, explains the function of each part, makes the analysis to the overall system at last, obtains the conclusion of system design mainKey words SingleChip Microcomputer; Temperature control； A/D Conversion, Thermo-elementType

7、 of Thesis System design前 言单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的, 随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域 , 使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计,在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。 在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。 在工业生

8、产如：用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，在日常生活中如：热水器、电热毯等等，都用到了电阻加热的原理。随着生产的发展，在工业中，上述设备对温度的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到自动控制品质的目的。本文介绍了一个单片机控制的温度系统，系统的要求是测温范围在100到200度之间，误差小于1%，本系统采用了Intel公司 1980年推出的高档8位单片机MCS-51系列的8031作为主要的控制芯片,外接一个2732作为外部程序存储器，74LS373作为锁存器，温度的采集用热电偶进行，他把测量到的温度

9、变换成为电压信号，经过变送器变换为合适的范围然后送到ADC0809进行A/D转换，然后送到8031对系统进行控制，8031通过可控硅控制加热丝对温度进行调节。温度通过8155外接的显示器显示，范围则由键盘输入。虽然我查了很多的书籍和资料，但是因为水平有限，所以论文中难免有一些错误，希望各位老师在评阅的时候指正。谢谢！前言.3正文.61 单片机简介1.1单片机的定义.61.2 单片机的发展历程.61.3 单片机的发展趋势.71.3.1 CPU的改进.71.3.2 存储器的发展.71.3.3 片内I/O的改进.81.3.4 外围电路的内装化.81.3.5 低耗化.81.4 单片机的应用.81.4.

10、1 单片机的特点.81.4.2 单片机的应用范围.91.5 MCS-51单片机的介绍.92 单片机控制系统2.1 单片机控制系统的介绍.92.1.1 硬件.92.1.2 软件.102.2 闭环控制系统.103 温度控制系统3.1 控制系统的原理图和工作原理.113.1.1 电路原理图.113.1.2 系统的工作原理.123.1.3 中断介绍.133.2 系统主要部分分析.133.2.1 测温电路.133.2.2 A/D转换.153.2.3 外部接口电路.173.2.4 温度控制电路.183.3 温度控制程序.223.3.1 主程序.233.3.2 T0中断服务程序C T0.24 3.3.3 T

11、1中断服务程序.283.3.4 采样子程序.284 控制分析.28结论.29致谢.30附录.31参考文献.321 单片机简介1.1 单片机的定义单片微型计算机（简称单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。广大工程技术人员通过学习单片机知识后，也能依靠自己的力量来开发所希望的单片机系统，并获得较高的经济效益，正因为如此，单片机在智能仪表，机电设备过程维护，自动检测与控制，家用电器和数据处理各个方面得到广泛的应用。对于

12、单片机目前还没有一个明确的的定义，普遍认为单片机是在一块硅片上集成了中央处理器（CPU），存储器（RAM，ROM，EPROM），和各种输入，输出接口（定时器，计数器，并行I/O接口，串行口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等），这样再一块芯片上就具有了计算机的功能，因而被称为单片微型计算机。由于单片机的硬件结构和指令系统的功能都是按照工业控制的要求而设计的，常用在工业的检测，控制装置中，因而也被称为微控制器或嵌入式控制器。单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类，通常人们说的单片机都是指通用型单片机。通用型单片机可以把可开发资源（如RAM，ROM，EPROM，I/O接口），全部提供给使用者。

13、专用型单片机其硬件结构和指令是按某个特定用途来设计的（如打印机控制器等）。1.2 单片机的发展历程单片机根据其基本操作处理的位数可分为：1位单片机，4位单片机，8位单片机，16位单片机，32位单片机。其发展历史可分为四个阶段：第一阶段（19741976）：单片机初级阶段，因为工艺限制，单片机采用双片的结构，而且功能比较简单。例如仙童公司生产的F8单片机，实际上只包括了8位CPU，64个字节RAM和2个并行口。因此，还需要加一块3851（由1KROM，定时器/计数器和2个并行I/O接口构成）才能组成一台完整的计算机。第二阶段（19761978）：低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS-4

14、8单片机为代表，这种单片机内集成了8位CPU，并行I/O接口，8位定时器/计数器RAM和ROM等，但是不足之处是无串行口，中断处理比较简单，片内RAM和ROM容量较少而且寻址范围不大于4K。第三阶段（1978现在）：高性能单片机阶段。这个阶段推出的单片机普遍带有串行I/O接口，多级中断系统，16位定时器/计数器，片内ROM，RAM容量加大，且寻址范围可达64K字节，有的片内还带有A/D转换器。这类单片机的典型代表是：Intel公司制造的MCS-51系列，Motorola公司的6801和Zilog公司的8等。由于这类单片机的性能价格比高，所以仍然被广泛应用，是目前应用数量最多的单片机。第四阶段（

15、1982现在）：8为单片机的巩固发展和16位单片机，32位单片机的推出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展16位单片机，32位单片机以及专用型单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需求。16位单片机的典型产品是Intel公司制造的MCS-96系列单片机，其集成度已达12000管子/片，主振为12MHz，片内RAM为232字节。ROM为8K字节，中断处理为8级，而且片内带有多通道10位和高速输入/输出部件。实时处理的能力很强。而32位单片机除了具有更高的集成度以外，其主振已达20MHz。这使32位单片机的数据处理速度比16位单片机增快许多，性能比8为单片机，16位单片

16、机更加优越。80年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言。世界上一些著名的计算机厂家已经投入市场的产品就有50多个系列，400多个品种。单片机产品已经占整个微机产品的80%以上。其中8位单片机的产量又占整个单片机常量的60%以上，这说明8位控制单片机在未来若干年内仍将是工业检测，控制应用的主角。1.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势将是向大容量，高性能化，外围电路内装化等方面发展。为满足不同用户的要求，各个公司竟相推出能满足不同需要的产品。1.3.1 CPU的改进1) 采用双CPU结构，以提高处理能力。2) 增加数据总线宽度，单片机内部采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般的

17、8位单片机。3) 采用流水线结构。指令以队列形式出现在CPU中，具有很快的运算速度，尤其适合于数字信号处理4) 串行总线结构。菲力浦公司开发了一种新型总线IIC总线，该总线是用三条数据总线代替现在的8位数据总线，从而大大减少了单片机的引线，降低了单片机的成本，目前许多公司都在积极的开发此类产品。1.3.2 存储器的发展1) 加大存储容量。新型单片机的片内ROM一般可达4K字节到8K字节，RAM为256字节，有的单片机片内ROM可达128K字节。2) 片内EPROM开始EEPROM化。片内由于需要高压编程写入，紫外线擦抹给用户带来不便，采用电改写的后，不需要紫外线擦抹，只要重新写入。片内EEPR

18、OM的使用不仅使单片机的内部结构发生变化，而且可以大大简化应用系统程序。由于中数据写入后能永久保存，因此有的单片机把它作为片内RAM使用，甚至有的单片机把它作为片内通用寄存器使用。3) 程序保密化。一般单片机中的程序很容易被复制，为防止被复制，一些公司开始采用KEPROM编程写入，有的对片内EPROM和EEPROM采用加锁方式。加锁后，无法读取其中的程序。如果要读，就要抹除EEPROM的信息，这就达到了程序加密的目的。1.3.3 片内I/O的改进一般的单片机都有较多的并行口。以满足外围设备，芯片扩展的需要，并配有串行口，以满足多机通信的需要。1) 增加并行口的驱动能力。这样可以减少外部驱动芯片

19、。有的单片机能直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LED。2) 增加I/O口的逻辑控制功能。大部分单片机的I/O口都能进行逻辑操作，中高档单片机的位处理系统能够对I/O口进行位寻址几位操作，大大加强了I/O口线控制的灵活性。3) 有些单片机设置了一些特殊的串行口接口功能，为单片机构成网络和系统提供了方便条件。1.3.4 外围电路的内装化随着集成度的不断提高，有可能把众多的外围功能器件集成在片内。这也是单片机发展的重要趋势，除了一般必要有的RAM，ROM，中断系统，定时器/计数器外，随着单片机档次的提高，以适应检测，控制功能更高的要求，片内集成的部件还有模/数转换器，数/模转换器，DMA控制器

20、，中断控制器，锁相环，频率合成器，字符发生器，声音发生器等。由于集成工艺的不断发展，能装入片内的外围集成电路也可以是大规模的，把所需的外围电路全部装入单片机内，即系统的单片化是目前的单片机的发展趋势之一。1.3.5 低耗化8位单片机中有二分之一的产品已经CMOS化，CMOS化芯片的单片机具有功耗小的优点，而且为了充分发挥低功耗的特点，这类单片机配有Wait和Stop两种工作方式。1.4 单片机的应用1.4.1单片机的特点单片机以其优越的性能，得到了广泛的应用，已经深入到各个领域，单片机应用在检测，控制领域中，具有以下的特点：1） 小巧玲珑，成本底，易于产品化，他能方便的组成各种智能测控设备及各

21、种智能仪器仪表。2） 可靠性好，适应的温度范围宽。单片机芯片本身就是按照工业测控环境要求设计的，能适应各种恶掠的环境，这是其他机种无法比拟的。3） 易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强，单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。4） 可以很方便的实现多机和分布式控制。1.4.2 单片机的应用范围：1） 工业方面：各种测控系统，数据采集系统，工业机器人 ，智能化仪器，机电一体化生产。2） 智能仪器仪表方面：单片机应用在智能仪器仪表方面，不仅使传统的仪器仪表发生根本的变革，也给传统的仪器仪表行业带来了曙光。3） 通讯方面：调制解调器，程控交换设备。4） 民用方面：电子玩具

22、，录像机，激光唱片等。5） 导弹与控制方面：导弹控制，鱼雷制导控制，智能武器控制，航天飞机 导航系统等。6） 各种计算机外部设备及电器方面：打印机，硬盘驱动器，复印机，磁带机等。7） 多机分布式系统：可用单片机构成多机分布式测控系统，他使单片机应用进入一个新的水平。由上所述，单片机在智能仪器仪表，家用电器，工业控制直到导弹的导航等内尖端科技领域都发挥着十分重要的作用。1.5 MCS-51 单片机的介绍MCS 51单片机是Intel公司 1980年推出的高档8位单片机，该系列包括基本型8051/8031/8751；强化型8052/8032；改进型8044/8344/8744；超级型83C252/

23、87C252/80C252等。基本型采用了HMOS工艺，片内集成有8位CPU；片内驻留4字节的（8031片内无）和128字节的RAM以及21个特殊功能寄存器，片内包括2个16位定时器/计数器，一个 全双工串行I/O口，32位I/O线，5个中断源和2级中断，寻址能力达128字节。指令系统中设置了乘，除运算指令，数据查找指令和位处理指令等。主时钟频率是12MHz，大部分指令周期只需要1us，乘除指令也只需4us。2 单片机控制系统2.1 单片机控制系统的介绍单片机控制系统由单片机系统和工业对象组成，单片机系统由硬件和软件两部分组成，硬件是指单片机本身和外围设备实体，软件是指管理单片机的程序以及过程

24、控制的应用程序，工业对象包括被控对象，测量变送，执行机构和电气开关等装置。2.1.1 硬件单片机控制系统的硬件包括单片机，过程输入/输出通道及接口，人机联系设备及接口，外部存储器等。单片机控制系统的原理图如下：图1单片机控制系统单片机是单片机控制系统的核心，其关键部位是CPU，CPU通过接口接收入的指令和各类工业对象的参数，向系统各个部分发送各种命令数据，完成巡回检测，数据处理，控制计算，逻辑判断等工作。过程输入/输出通道及接口分为模拟量和数字量两种，数字量包括开关量，脉冲量与数据数码，他们主要负责单片机和工业对象的信息传递和变换，过程输入通道及接口把工业对象的参数转换成单片机可以接受的数字代

25、码，过程输出通道及接口把单片机的处理结果转换成可对被控对象进行控制的信号。人机联系设备及接口包括显示操作台、屏幕显示器或数字显示器、键盘、打印机、记录仪等，他们是操作人员与单片机系统进行联系的工具。外部存储器包括磁盘、光盘、磁带等，主要用于存储系统中大量的程序与数据。2.1.2 软件软件由系统软件和应用软件组成，系统软件包括程序设计 系统，操作系统，语言处理系统等，具有一定的通用性，一般由计算机生产厂家提供，应用软件的要求通常是根据用户要解决的实际问题所配置的各种程序，包括完成系统内各种控制任务的程序，2.2 闭环控制系统对于按偏差进行调节的常规模拟闭环负反馈控制系统，如果把控制器用单片机和转换接口来代替，就构成了单片机控制系统，如图2所示：图2闭环控制系统单片机把通过测量元件，变送单元和A/D转换接口送来的数字信号直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后对其偏差按照某种控制算法进行计算，所的数字信号经转换接口直接驱动执行装置，对控制对象进行