毕业设计基于AT89S52单片机的温度控制系统设计.docx

1、毕业设计基于AT89S52单片机的温度控制系统设计 单片机原理与应用课程设计说书 题 目： 基于AT89S52单片机的温度控制系统 系 部： 信息与控制工程学院 专 业： 自动化 班 级： 5班 学生姓名: 学 号: 08032130327 指导教师: 2011年06 月 22日目 录1设计内容与要求 12 设计方案 23 硬件电路设计 33.1 温度显示功能 33.2 按键功能 43.3 报警功能 43.4 温度传感器 43.5 放大器 43.6 ADC转换器 53.7 温度控制 53.8 其他可扩展电路 64 软件设计 64.1主程序流程图 74.2 中断服务程序 74.3 键盘管理模块

2、94.4 温度检测模块 94.5 温度控制模块 104.6 显示模块 114.7 温度越限报警模块 115 软硬件调试 135.1 硬件调试 135.2 软件调试 136 总结 147 附录 158 参考文献 181设计内容与要求用AT89S52单片机制作一个电烤箱,而且要满足以下技术指标:(1)电烤箱由1 kW电炉加热，最高温度为120。 (2)电烤箱温度可设置，电烤过程恒温控制，温度控制误差2。(3)实时显示温度和设置温度，显示精确到1。(4)温度超出预置温度5时发超限报警，对升降温过程的线性不做要求。2 设计方案产品的工艺不同，控制温度的精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。就温度控制

3、系统的动态特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温控的线性性能要求较高时，多采用PID算法或达林顿算法来实现温度控制。本系统是一个典型的闭环控制系统。从技术指标可以看出，系统对控制精度的要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，即当电烤箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。 根据系统要求，画出控制电烤箱的框图。如图2-1所示。该系统包括温度测量（温度传感器、放大器、ADC转换器）。温度控制（光电隔离、驱动电路、可控硅电路、电炉）、温度给定（按键）、温度显示和报警等几部分。图2-1 电烤箱总框图A

4、T89S52是ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8k系统可编程Flash存储器，其芯片内部具有时钟振荡器及8个向量中断源，内部程序存储器为8KB，内部数据存储器为256字节。 3 硬件电路设计根据图3-1，可以设计出基于单片机控制电烤箱的硬件电路图，如图2-2所示，AT89S52的晶振频率为6MHz。其他各部分的选择如下所示。图3-1 硬件电路图3.1 温度显示功能温度显示电路，利用单片机串行口外接移位寄存器74LS164，采用3位LED数码显示器，停止加热时显示设定温度，启动加热时显示当前烤箱温度。采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路。3.2 按键功能为

5、使系统简单紧凑，键盘只设置3个功能键，分别是启动、“百位+1”、“十位+1”和“个位+1”键，由P1口P1.0、P1.1、P1.2低3位作为键盘接口。利用+1按键可以分别对预置温度的百位、十位和个位进行加1设置，并在LED上显示当前设置值。连续按动相应位的加1键即可实现0120的温度设置。按键电路如图3-2所示。图3-2 按键电路3.3 报警功能报警功能由蜂鸣器实现。当由于意外因素导致烤箱温度高于设置温度时，P1.3口送出的低电平经反向器驱动蜂鸣器鸣叫报警。3.4 温度传感器采用AD590集成温度传感器，它测量温度的范围为-55+150,有非常好的线性输出特性。其中AD590是美国ANALO

6、G DEV ICES公司的单片集成两端感温电流源，电源电压范围为430 V，可以承受44 V正向电压和20 V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏，输出电阻为710 m，精度高，非线性误差仅为0.3。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。3.5 放大器放大器采用集成运算放大器A741，741运算放大器的输出级由NPN晶体管以及两个电阻组成，主要的功能是电压位准移位器，或是Vbe的倍增器。由于基极端的偏压已经固定，因此晶体管集极至射极端的

7、压降恒为一定值。运算放大器的输出级电压摆幅最高约可比正电源低1V，由晶体管的集极-射极饱和电压。虽然741运算放大器的输出阻抗不如理想运算放大器所要求的等于零，不过在连接成负回授组态应用时，其输出阻抗确实非常接近零。：虽然早期741运算放大器在音响设备或是仪器上被广泛使用，但是今日已经有很多性能更好的运算放大器取代了741的功能，例如抗噪声的表现更好。对于741与其他早期的运算放大器而言，它们的共模抑制比逊于现代的运算放大器，在实际应用时容易造成干扰或是噪音。3.6 ADC转换器A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。本系统要求温度控制误差2，采用8位A/D转换器，其最大量化误差为+-0

8、.2，完全能够满足精度要求。这里我们采用ADC0809作为A/D转换器。电路设计好后，调整变送器的输出，使 0500的温度变化对应于04.9 V的输出，则A/D转换对应的数字量为00HFAH，即0250，则转换结果乘以2正好是温度值。用这种方法一方面可以减少标度转换的工作量，另一方面还可以避免标度转换带来的计算误差。ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。主要特性为8路输入通道，8位A/D转换器，即

9、分辨率为8位；具有转换起停控制端；转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）；模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准；工作温度范围为-40+85摄氏度；单个+5V电源供电；低功耗，约15mW。 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图3-2所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。图3-2 ADC0809内部结构图和外部引脚图3.7 温度控制电烤箱控制采用可控硅来实现，双向可控硅和电炉电阻丝串接在交流220 V市电回路中。单片机的P1.4口通过光电隔离器

10、MOC3011和驱动电路送到可控硅的控制端，由P1.4口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。光电隔离器MOC3011对输入、输出电信号起隔离作用，光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。3.8 其他可扩展电路对于

11、要求更高的系统，在现有电路的基础上，还-可以视需要自行扩展以下接口电路：实时时钟电路：连接实时时钟芯片DS12887可以获得长的采样周期，显示年、月、日、时、分、秒，而其片内带有的114 B非易失性RAM，可用来存入需长期保存但有时也需变更的数据。如采样周期、PID控制算法的系数KP、KI、KD等；“看门狗”电路：连接集成监控芯片MAX705可实现对主电源VCC的监控，提高系统的可靠性。4 软件设计单片机资源分配情况。数据存储器的分配与定义见表4.1。表4.1地址功能初始化值40H当前检测温度，高位在前00H41H预置温度OOH42H44HBCD码显示缓冲区百位、十位、个位OOH45H二进制显

12、示缓冲区，高位在前00H50H以后堆栈PSW.5报警允许标志F0=0时禁止0程序存储器：EPROM2764的地址范围为0000H1FFFHI/O口：P1.0P1.2键盘输入；P1.3、P1.4报警控制和电炉控制。A/D转换器0809：通道0通道7的地址为7FF8H7FFFH，使用通道0。4.1主程序流程图主程序采用中断嵌套方式设计，各功能模块可直接调用。主程序完成系统的初始化，温度预置及其合法性检测，预置温度的显示及定时器0设置,流程图如图4-1所示。程序为程序一。图 4-1 主程序流程图4.2 中断服务程序中断由T0产生，每隔5秒中断一次。功能：温度检测；A/D转换；读入采样数据；数字滤波；

13、朝鲜温度报警；温度控制；显示。流程图如图4-2所示。程序为程序二。图4-2 中断程序流程图4.3 键盘管理模块上电或复位后系统处于键盘管理状态，其功能是监测键盘输入，接收温度预置和启动键。程序设有预置温度合法检测报警，当预置温度超过500时会报警并将温度设定在500。键盘管理子程序流程如如图4-3所示，程序为程序三。图4-3 按键管理子程序流程图4.4 温度检测模块A/D转换采用查询方式。为提高数据采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波。数字滤波的算法很多，这里采用4次采样取平均值的方法。如前所述，本系统A/D转换结果乘2正好是温度值，因此，4次采样的数字量之和除以2就是检测的当前温度。检测结果

14、存入40H。温度检测子程序流程图如图4-4所示。程序为程序四。 图4-4 温度检测子程序流程图4.5 温度控制模块将当前温度与预置温度比较，当前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通电阻丝加热；当前温度大于预置温度时，继电器断开，停止加热；当二者相等时电炉保持原来状态；当前温度降低到比预置温度低2时，再重新启动加热；当前温度超出报警上下限时将启动报警，并停止加热。由于电炉开始加热时，当前温度可能低于报警下限，为了防止误报，在未达到预置温度时，不允许报警，为此设置了报警允许标志F0。模块流程见图4-5。程序见程序五。图4-5 温度控制子程序流程图4.6 显示模块显示子程序的功能是将显示缓冲区45H

15、的二进制数据先转换成三个BCD码，分别存入百位、十位和个位显示缓冲区（42H、43H和44H单元），然后通过串口送出显示。程序见程序六。4.7 温度超限报警模块报警上限温度值为预置温度+5，即当前温度上升到高于预置温度+5时报警，并停止加热；报警下限温度值为预置温度-5，即在当前温度下降到低于预置温度-5，且报警允许时报警，这是为了防止开始从较低温度加温时误报警。报警的同时也关闭电炉。图4-6为报警子程序流程图。程序见程序七。图4-6图4-5 报警子程序流程图5 软硬件调试 5.1 硬件调试硬件的调试主要是把电路各种参数调整到符合设计要求。具体步骤如下：（1）先排除硬件电路故障，包括设计型错误

16、和工艺性故障。一般原则实现静态后动态。利用万用表或逻辑测试仪器，检查电路中的各器件以及引脚连接是否正确，是否有短路故障。首先将单片机AT89S52芯片取下，对电路板进行通电检查，通过观察看是否有异常，然后用万用表测试各电源电压，若这些都没有问题，则接上仿真机进行联机调试观察个接口线路是否正常。（2）各模块电路的调试。温度测量模块电路：放大器先调零（调整电阻22千欧姆），然后调整放大器的输出，是060的温度变化对应于放大器的输出04.9，可利用冰箱进行调试。控制模块电路：人为地将P1.4端接地（低电平），观察掉烤箱是否通电。5.2 软件调试软件调试是利用仿真工具进行在线仿真调试，除发现和解决程序

17、错误外，也可以发现硬件故障。程序调试一般是一个模块一个模块的进行，一个子程序一个子程序的调试，最后连起来统调。在单片机上把个模块分别进行调试使其正确无误，可以用系统编程器将系统固化到AT89S52的FLASH ROM忠，接上电源脱机运行。为了保证软件运行的稳定可靠，在软件中可以采用加软件陷阱和看门狗的方法，避免程序跑飞。6 总结 本设计使用AT89S52作为主控芯片进行控制，AT89S52芯片具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰性强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统是一个典型的闭环控制系统，采用最简单的通断控制方式，即当电烤箱

18、温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。通过我们两个星期的坚持不懈的努力和老师的谆谆教导，我们终于完成了这个设计。进过反复的调试，我们基本上完成了本设计所要求的目标。这次设计激起了我们对这门课程浓厚的兴趣，立志发奋学好单片机。同时，让我们也感到了平时所学知识的不足，在做设计的时候运用知识不够灵活。最后，我要感谢同学们给我的各个方面的帮助和老师给我循序渐进的引导。我将记住你们的帮助，学好单片机这门课程。7 附录程序一：ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP TT0ORG 0100HMAIN: MOV SP, #50H MOV

19、40H, #00H MOV 41H, #00H MOV 42H, #00H MOV 43H, #00H MOV 44H, #00H MOV 45H, #00H MOV TMOD, #01H MOV TL0, #B0H MOV TH0, #3CH SETB TR0 MOV IE, #82H MOV R5, #100LOOP: ACALL KIN SJMP LOOP 程序二： ；中断服务子程序TT0TT0: PUSH PSW PUSH ACC PUSH R5 MOV TL0, #0BH MOV TH0, #3CH DJNZ R5, LPP MOV R5, #100 ACALL TADC ；调用温度

20、检测子程序 MOV 45H, 40H ；ADC转化后的温度值送显示缓冲区 ACALL DISP ；调用显示当前温度 ACALL CONT ；温度控制 ACALL ALARM ；温度超限报警 POP R5 POP ACC POP PSW ；恢复现场LPP: RETI程序三： ；按键管理子程序KEY: MOV 45H, 41H LCALL DISPKEY0: ACALL KEY1 JZ KEY0 LCALL DISP LCALL DISP LCALL KEY1 JZ KEY0 JB ACC.0, K10 MOV A, #100 LJMP KEY3K10: JB ACC.1, K1 MOV A, #

21、10 LJMP KEY2K1: JB ACC., K0 MOV A, #01 LJMP KEY3KEY2: ADD A, 41H MOV 41H, AKEY3: LCALL KEY1 JNZ KEY3 LJMP KEY RETKEY1; MOV A,P1 CPL A ANL A, #0FH RET程序四： ；温度检测子程序TADC: MOV 40H, #00H MOV R2, #04H MOV DPTR,#FEF0HTADC0: MOV DPTR , ATADC1: JNB IE1,TADC1 MOVX A, DPTR ADD A, 40H MOV 40H, A DJNZ R2,TADC0 C

22、LR C MOV A, 40H RRC A MOV 40H, A RET程序五： ；温度控制子程序TCONT: MOV A, 40H CLR C SUBB A, 41H JNC TCONT1 JNB F0,TCONT0 CLR C SUBB A, #02H JNC ACC.7, TCONT1TCONT0: CLR P1.4 SJMP TCONT2TCONT1: SETB F0 SETB P1.4TCONT2: RET程序六： ；显示子程序DISP: LCALL BINBCD MOV SCON,#00H MOV R2, #3H MOV R0, 42HDISP0: MOV DPTR, #TAB M

23、OV A, R0H MOVC A, A+DPTR MOV SUFF, ADISP1: JBC TI, DISP2 SJMP DISP1DISP2: INC R0 DJNZ R2, DISP0 RETTAB: DB 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 ；字码型表BINBCD: MOV A, 45H ；二进制转化成3个BCD码的转化子程序BINBCD MOV B, #100 DIV AB MOV 42H, A MOV A, #10 XCH A,B DIV A,B MOV 43H, A MOV 44H, B RET程序七： ；温度超限报警子程序ALARM: MOV A, 40H CLR C SU

24、BB A, 41H JC ALARM0 SETB F0 AJMP ALARM1ALARM: MOV A, 41H CLR C SUBB A,40HALARM1: CLR C SUBB A,#05H JC ALARM2 JNB F0, ALARM2 CLR P1.3 SETB P1.4 LCALL DELAY SETB P1.3ALARM2: RETDELAY: MOV R5, #100 DEL1: MOV R6,#10DEL2: MOV R7,#70HDEL3: NOP NOP DJNZ R7, DEL3 DJNZ R6, DEL2 DJNZ R5, DEL1 RET8 参考文献1 何希才.集

25、成电路及其应用实例M.科学出版社,1998.22 朱定华.单片机原理及接口技术实验M.北京:北方交通大学出版社,20033 陈国平.MCS-51系列单片机系统原理与设计电子技术应用M.冶金工业出版社，2003.64 张鑫,华臻,陈书谦.单片机原理及应用M.电子工业出版社,2005.8第1次印刷5 夏路易,石宗义.电路原理图与电路板设计教程M.北京希望电子工业出版社,20026 李光才,楼然笛.单片机课程设计 实例指导M.北京:北京航空航天大学出版社,20047 马忠梅,张凯.单片机的C语言应用程序设计M.北京:航空航天大学出版社,2007.18 付家才.单片机控制工程实践技术M.北京:化学工业出版社,2004.3指导教师评语：成绩： 指导教师签字： 年 月 日