毕业设计（论文）-基于AT89S51单片机的温度控制器的设计.doc

无锡城市职业技术学院毕 业 设 计 报 告中文题目 基于at89s51单片机的温度 控制器的设计 英文题目 design of temperature controller based on at89s51 scm 姓 名 王栋梁 所在系部 电子信息工程系 所学专业 物联网应用技术 班级名称 物联网1102 学 号 41114223 指导教师 王晓刚 日 期 2014 年 3 月 17 日 目录摘要abstract一、引言二、设计要求三、设计器件介绍四、工作原理五、设计主体（一）主控部分（二）测量部分六、各模块设计 （一）数码管显示程序 （二）键盘扫描及按键处理程序 （三）温度信号处理程序 （四）继电器控制程序 （五）超温报警（高温、低温）七、电源程序八、主体程序设计九、参考文献十、致谢 十一、附录摘要在国内，由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、和价格低廉等独特优点，因此，在智能仪器仪表、工业自动控制、计算机智能终端、家用电器、儿童玩具等许多方面，都已得到了很好的应用，因而受到人们高度重视，取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景。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，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。本设计以at89s51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片ds18b20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路、pc机与单片机串口通讯电路和一些接口电路。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。在这里采用模块化结构，主要模块有：数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、超温报警。关键词：温度控制 单片机 温度芯片ds18b20abstractin daily life and production, such as warehouse storage, home furnishing temperature control, constant temperature preservation and so on all aspects of life, the temperature control is very important. as everyone knows, the ambient temperature is suitable for biological can be an important factor for survival, and the perception of the environment temperature is from the pure physical senses to the development of various thermometers for accurate measurement of environmental temperature. but limited to technical reasons, the thermometer is usually larger, not higher precision of various defects.in china, because the scm has strong function, small size, good reliability, and low price advantage，therefore, in many aspects of intelligent instruments, industrial automatic control, computer intelligent terminal, household appliances, toys, have got very good application, and is paid more attention by people, made a series of achievements in scientific research, become the ideal model technology to transform traditional industries and upgrade of new products, has broad prospects for development the. in modern society, the temperature control is not only used in factory production, its action also reflected in all aspects, with improved quality of life, will see temperature control shadow hotel plant and family life, temperature control will be better service to the society.key word：temperature control . single chip microcomputer . the temperature chip ds18b20正文at89s51单片机设置的温度控制器的设计一、引言在日常生活和生产中，如仓库储存，家居控温，恒温保鲜等等生活的方方面面，温度控制都是非常普遍而重要的。众所周知，环境温度一直是生物能否较适宜生存的一个重要因素，而人们对环境温度的感知也从单纯的身体感官的感受发展到用各种温度计来对环境温度进行准确的测量。但是受限于技术等原因，温度计通常都有体积较大，精度不高等各种缺陷。温度是一个永恒的话题和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量至关重要。其测量控制一般使用各式各样形态的温度传感器。随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日显突出，已成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其用途已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。二、设计要求设计基于单片机的温度控制器，用于控制温度。温度连续可调。温度误差1。实时显示温度值，保留1位小数控制参数可在线修改。人-机对话方便。三、设计方案和工作原理工作原理：温度传感器ds18b20从环境中从设备环境的不同位置采集温度，单片机at89s51获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备(制冷器)，当采集的温度经处理后低于设定温度的下时,单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备(加热器)。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出报警声。设计方案：四、硬件设计（一）器件介绍（1）单片机选择at89s51是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes isp(in-system programmable)的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和isp flash存储单元，功能强大的微型计算机的at89s51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。主要功能特性：兼容mcs-51指令系统 双数据寄存器指针 4k可反复擦写(1000次）ispflashrom 32个双向i/o口 灵活的isp字节和分页编程 4.5-5.5v工作电压 软件设置空闲和省电功能 2个16位可编程定时/计数器 看门狗（wdt）电路 时钟频率0-33mhz 3级加密位 全双工uart串行中断口线 中断唤醒省电模式 128x8bit内部ram 低功耗空闲和省电模式 2个外部中断源 40个引脚按其功能可分为如下3类：(1)电源及时钟引脚vcc、vss；xtal1、xtal2。(2)控制引脚psen（的反）、ale/prog（的反）、ea（的反）/vpp、rst（即reset）。(3)i/0口引脚-po、pl、p2、p3，为4个8位i/o口的外部引脚。电源及时钟引脚1电源引脚电源引脚接入单片机的工作电源。at89s51实物图(1) vcc（40脚）：接+5 v电源。 (2) vss（20脚）：接数字地。2时钟引脚(1) xtal1（19脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容；当采用外接时钟源时，该引脚接外部时钟振荡器的信号。(2) xtal2（18脚）：片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容；当采用外部时钟源时，该引脚悬空。控制引脚此类引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。at89s51引脚图(1) rst（reset，9脚）：复位信号输入端，高电平有效。在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平，就可以使单片机复位。在单片机正常工作时，此引脚应为0.5 v的低电平。当看门狗定时器溢出输出时，该引脚将输出长达96个时钟振荡周期的高电平。(2) ea（的反）/ vpp(enable address/voltage pulse of programing，31脚)：ea（的反）(external accessenable)为该引脚的第一功能，即外部程序存储器访问允许控制端。当ea（的反）引脚接高电平时，在pc值不超出offfh（即不超出片内4 kb flash存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器(4 kb)中的程序；当pc值超出（即超出片内4 kb flash存储器地址范围）时，将自动转向读取片外60 kb(1000hffffh)程序存储器空间中的程序。当ea（的反）引脚为低电平时，只读取外部程序存储器中的内容，读取的地址范围为oooohffffh，片内的4 kb flash程序存储器不起作用。vpp为该引脚的第二功能，即在对片内flash进行编程时，vpp引脚接人编程电压。(3) ale/prog（的反）(address latch enable/programming，30脚)：ale为cpu访问外部程序存储器或外部数据存储器提供一个地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。此外，单片机在正常运行时，ale端一直有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率fosc的1/6。该正脉冲振荡信号可作外部定时或触发信号使用。但是要注意，每当at89s51访问外部ram时（即执行movx类指令时），要丢失一个ale脉冲。如果需要，可将特殊功能寄存器auxr（地址为8eh，将在本章后面介绍）的第o位(ale禁止位)置l，来禁止ale操作，但在执行访问外部程序存储器或外部数据存储器指令“movc”或“movx”时，ale仍然有效。也就是说，ale的禁止位不影响对外部存储器的访问。prog（的反）为该引脚的第二功能，即在对片内flash存储器编程时，此引脚作为编程脉冲输入端。(4) psen（的反）（program strobe enable，29脚）：片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。并行i/o口引脚(1) po口：8位，漏极开路的双向i/o口。当at89s51扩展外部存储器及i/o接口芯片时，po口作为地址总线（低8位）及数据总线的分时复用端口。po口也可作为通用的i/o口使用，但需加上拉电阻，这时为准双向口。当作为通用的i/o、输入时，应先向端口输出锁存器写入1。po口可驱动8个ls型ttl负载。(2) pl口：8位，准双向i/o口，具有内部上拉电阻。pl口是专为用户使用的准双向i/o口。当作为通用的i/o口输入时，应先向端口锁存器写入l。pl口可驱动4个ls型ttl负载。mosi/p1.5、miso/pl.6和sck/pi.7也可用于对片内flash存储器串行编程和校验，它们分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。(3) p2口：8位，准双向i/o口，具有内部上拉电阻。当at89s51扩展外部存储器及i/o口时，p2口作为高8位地址总线用，输出高8位地址。p2口也可作为普通的i/o口使用。当作为通用的i/o输入时，应先向端口输出锁存器写入l。p2口可驱动4个ls型ttl负载。(4) p3口：8位，准双向i/o口，具有内部上拉电阻。p3口可作为通用的i/o口使用。当作为通用的i/o输入时，应先向端口输出锁存器写入l。p3口可驱动4个ls型ttl负载。综上所述，po口作为地址总线（低8位）及数据总线使用时，为双向口；作为通用的i/o口使用时，为准双向口，这时需加上拉电阻。pl口、p2口、p3口均为准双向口。要特别注意准双向口与双向口的差别。准双向口仅有两个状态。而po口作为地址总线（低8位）及数据总线使用时，口线内无上拉电阻，由两个mos管串接且开漏输出，处于高阻的“悬浮”状态。因此po口与pl口、p2口、p3口这三个准双向口相比，又多了一个高阻“悬浮”状态，故po口为双向三态i/o口。po口必须要有高阻的“悬浮”状态，而准双向i/o口无高阻的“悬浮”状态。另外，准双向口作为通用的i/o口输入使用时，一定要向该口先写入1。（2）数字温度计的选择类型数字温度传感器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。由于ds18b20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器ds18b20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器ds18b20进行范围的温度检测。使得测量范围更加广阔，使温度控制系统更有发展空间。ds18b20实物图技术性能描述、 独特的单线接口方式，ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯。 、测温范围 55+125，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）1。、支持多点组网功能，多个ds18b20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。、工作电源: 3.05.5v/dc （可以数据线寄生电源） 、在使用中不需要任何外围元件、 测量结果以912位数字量方式串行传送 、不锈钢保护管直径 6 、适用于dn1525, dn40dn250各种介质工业管道和狭小空间设备测温、 标准安装螺纹 m10x1, m12x1.5, g1/2”任选 、pvc电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。较之上一代，新一代的ds18b20体积更小、更经济、更灵活。可以充分发挥“一线总线”的优点。 同ds1820一样，ds18b20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55c+125c，在-10+85c范围内，精度为0.5c。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。(3)数码管7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管(4)键盘键盘是单片机常用输入设备，在按键数量较多时，为了节省i/o口等单片机资源，一般采取扫描的方式来识别到底是哪一个键被按下。即通过确定被按下的键处在哪一行哪一列来确定该键的位置，获取键值以启动相应的功能程序。各模块软件设计键盘扫描及按键处理程序90 至 为数字按键，按下则为输入09数字on 电源开启off 关闭电源确认对输入的数字进行确认，也能对修改温度进行确认删除对设置的温度进行删除操作温度1 设置常用温度1，按键后显示温度温度2 设置常用温度2，按键后显示温度设置键盘：on123off456确认789删除温度1温度204*4矩阵键盘。矩阵键盘的四列依次接到单片机的p1.0p1.3，四行依次接到单片机的p1.4p1.7；同时，将列线上拉，通过10k电阻接电源。 查找哪个按键被按下的方法为：一个一个地查找。 先第一行输出0，检查列线是否非全高； 否则第二行输出0，检查列线是否非全高； 否则第三行输出0，检查列线是否非全高； 如果某行输出0时，查到列线非全高，则该行有按键按下； 根据第几行线输出0与第几列线读入为0，即可判断在具体什么位置的按键按下。键盘一般采用的是机械式的按键，从按下到稳定以及释放到稳定都是需要一段时间的，而在这期间，输入引脚的电平是高低变化的，产生的后果相当于按键被多次按下，当检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，从而消除抖动影响温度信号处理程序：信号的有关数字处理过程包括模数转换(a/d转换)，即把模拟信号变成数字信号，是一个对自变量和幅值同时进行离散化的过程，基本的理论保证是采样定理。数字信号处理，包括变换域分析(如频域变换)、数字滤波、识别、合成等，此部分一般采用单片机进行。还有一部分数模转换(d/a转换)，把经过处理的数字信号还原为模拟信号。采样位数和采样率对于温度输入信号接口来说是最为重要的两个指标，也是选择a/d转换的两个重要标准。无论采样频率如何，理论上来说采样的位数决定了温度数据分辨率。采样位数越多则捕捉到的信号越精确。对于实时数据采集系统，为了消除干扰信号，通常需要对采集到的数据进行数字滤波，数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形(或频谱)进行加工处理，或者说利用数字方法按预定的要求对信号进行变换。数码管显示程序：当清除端（clr）为低电平时，输出端（qaqh）均为低电平。 串行数据输入端（a，b）可控制数据。当 a、b 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（clk）脉冲上升沿作用下 q0 为低电平。当 a、b 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 clock 上升沿作用下决定 q0 的状态，如图：74ls164封装图本部分电路主要使用七段数码管和移位寄存器芯片74ls164。单片机通过i2c总线将要显示的数据信号传送到移位寄存器芯片74ls164寄存，再由移位寄存器控制数码管的显示，从而实现移位寄存点亮数码管显示。由于单片机的时钟频率达到12m，移位寄存器的移位速度相当快，所以我们根本看不到数据是一位一位传输的。从人类视觉的角度上看，就仿佛是全部数码管同时显示的一样。继电器控制超温报警（高温、低温）当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通过输出控制信号驱动三极管，使继电器开启降温设备(压缩制冷)：当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过输出控制信号驱动三极管，使继电器开启升温设备(加热器)。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。电源程序：控制系统主控制部分电源需要用5v直流电源供电，把频率为50hz、有效值为220v的单相交流电压转换为幅值稳定的5v直流电压。其主要原理是把单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。由于输入电压为电网电压，一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。降压后还是交流电压，所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。由于经整流电路整流后的电压含有较大的交流分量，会影响到负载电路的正常工作。需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得稳定性足够高的直流电压。程序结构：主程序调用了许多子程序，分别有数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、超温报警程序。同时将温度数据传送给pc机。键盘扫描电路及按键处理