基于单片机的温度控制仪设计

1、 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 1 1 页页 共共 2929 页页电子系统综合设计报告 姓名：姓名：学号：学号：专业：专业： 日期日期： 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 2 2 页页 共共 2929 页页南京理工大学紫金学院电光系南京理工大学紫金学院电光系 摘摘 要要 单片机系统的开发应用为现代工业领域带来了新的发展，自动化智能化都离不开单片机的应用。在工业生产中，电流、电压、温度、流量等都是常用的被控参数。本文介绍了基于单片机的温度控制系统的硬件设计和软件开发的过程。本系统是利用温度传感器完成温度测量，利用调理电路得出温度与电压的关系，采用 ad0809 转

2、换、at89c51 单片机完成温度值的转换、分析、输出以及报警处理。整个系统具有测温、报警、温度控制及显示功能。关键词关键词：调理电路 温度传感器 a/d 转换 单片机 驱动 显示 报警 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 3 3 页页 共共 2929 页页目录目录摘 要 .1关键词.11 引言.32 系统设计.42.1 总体方案设计： .43 单元模块设计.63.1 各单元模块功能及电路图 .63.1.1 信号调理电路 .63.1.2 a/d 接口电路.63.1.3 显示电路 .73.1.4 输出控制电路 .93.2 电路参数的计算及元器件的选择 .103.2.1 温度 t 和电

3、压 u 的关系.103.2.2 元器件的选择 .103.2.3 特殊器件的介绍 .104 软件设计.154.1 软件设计仿真图 .154.2 软件流程图 .164.2.1 软件主程序流程图 .165 系统测试.185.1 系统功能 .185.2 主要技术指标及要求 .185.2.1 系统指标参数及技术指标 .185.2.2 系统测试参数记录图 .186 设计总结.206.1 对设计的小结 .206.2 对设计的收获和体会 .206.3 设计的进一步完善 .217 参考文献.21附录：.221 系统原理图 .22 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 4 4 页页 共共 2929 页页

4、2 软件流程图 .233 总程序 .231 引言引言电子技术的飞速发展，给人类生活带来了根本的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现的微型计算机，更是将人类社会带入了一个新时代。利用微机的强大功能，人们可以完成各种各样的控制。然而，微机的造价高，对于大多数的工业控制来说，并不需要为基本那样强大的功能，于是单片机应运而生了。单片机其实就是一个简化的微机，将微机的 cpu、存储器、i/o 接口、定时器、计数器等集成在一片芯片上就是单片机，它主要用来完成各种控制功能。相对微机来说，单片机价格低，非常适合与应用在简单的控制场合以降低成本。另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可在工业

5、现场复杂的环境下运行。单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业制、数据采集、智能化仪表、家用电器等方面得到极为广泛的应用。在现代工业设计，工程建设及日常生活中基于单片机的温度控制仪都起着重要的作用。温度控制仪广泛应用于工厂生产方面，同时也应用于酒店以及家庭生活中。向高精度的生产厂房，对温度的要求是极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及显示温度变化的设备，提供温度值，使人们对温度的变化做出及时调整，温度控制仪就可根据人们不同的应用环境自行设定温度值，及时反映生产、生活中的变化。 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 5 5

6、 页页 共共 2929 页页2 系统设计系统设计2.1 总体方案设计总体方案设计： 此次课程设计实验课题为 zj2011-a 温度控制仪设计。温度控制仪是利用单片机作为系统的主控制器，根据温度传感器测得的温度值，由软件查询判断是否达到编程设定的值，如果超过温度上限，启动风扇用以降低温度是温度值返回到阀值以下；如果温度值达到下限阀值，则启动加热炉用以增加温度是温度值返回阀值以上。本次温度检测和调整范围为 1090，温度控制的精度在 3即可满足设计要求。根据指标选用通信性较好的 at89c51 作为系统的主控芯片、adc0809 用来数模转换、再增加驱动芯片 uln2003a 来放大单片机输出的电

7、流、led 数码管显示电路、过温报警等辅助电路，通过软件编程设计可实现对室内的温度控制，而本次设计不需设计具体的加热及降温电路，只需检测向外围设备输出的温度的控制信号是否存在即可，所以分别用发光二极管和蜂鸣器模拟代替。 根据系统要求，对每一个模块今夕你跟具体分析。整个控制系统氛围硬件电路设计和软件程序设计两部分。 下图为此次温控仪电路原理图：设定输入单片机led显示控制输出双向可控硅继电器控制对象风扇信号调理电路a/d采集电路加热丝传感器图一 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 6 6 页页 共共 2929 页页简单化为下图： 图二从上图可分析硬件电路主要包括：（1）温度传感器电路

8、：温度 t 和电阻 r 的对应关系。（2）信号调理电路：温度 t 和电压 v 的对应关系。（3） a/d 采集电路: 启动、等待、采集数据。（4）单片机电路：最小系统。（5）键盘及显示电路：键盘数据输入和温度显示。（6） 输出控制电路：i/o 驱动、继电器、指示灯、负载。整个系统的控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号，发出相应的指令来控制相关执行电路，是系统的核心。 软件程序主要由管理程序和控制程序组成，是设计的核心部分。其中管理程序是对 led 显示的作用，控制指示灯，执行中断服务程序等。控制程序是用来对被控对象进行采样、数据处理、根据温度控制要求进行计算和输出。 整篇报告的主要内容包

9、括：单片机 at89c51 的结构和原理、温度控制仪的硬件设计和软件设计、硬件电路板的设计等。 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 7 7 页页 共共 2929 页页3 单元模块设计单元模块设计3.1 各单元模块功能及电路图各单元模块功能及电路图3.1.1 信号调理电路（1）信号调理电路电路图如下：说明：信号调理电路有桥式电路和集成运放减法器构成，u0 输出接至 ad0808的 0 通道。因为当 xbyte0 x7ff8=0 启动 ad 转换。（2）信号调理电路的功能：将温度 t 和电阻 r 的对应关系转化为温度 t 和电压 v 的对应关系，且 t 和 v 呈正比例关系。最后利用温

10、度与输出电压的关系通过单片机作用输出，led 显示温度。3.1.2 a/d 接口电路（1）a/d 接口电路图如下： 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 8 8 页页 共共 2929 页页说明：p0: ad 数据采集；p1：数码管段选信号（a,b,c,d,e,f,g，dp）;p2.7、rd： a/d 数据输出容许信号 oe；p2.7、wr：启动 a/d； p2.4、2.5 指示灯 1，指示灯 2；p3.0 显示预警温度p2.0 p2.3 ：数码管位选信号（1,2,3,4） ；int0: 键+ int1: 键-（2）a/d 接口电路功能：a/d 接口电路主要是将模拟量转化为数字量，调理

11、电路输出的电压为模拟量，通过 a/d 转换为数字量通过输给单片机的 p0口。 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 9 9 页页 共共 2929 页页3.1.3 显示电路（1）显示电路图如下： 图三说明：单片机 p1 口输出 p1.0-1.7 对应段选 abcdefg dp，本实验中需要通过驱动芯片 uln2003a 放大单片机输出电流来驱动 led 显示，单片机本身的输出电流是很小的，不足以使数码管显示出来。uln2003a 输入与单片机 p2口四位相接，输出与显示管位选相接，同时在 uln2003a 输出得接上拉电阻起保护作用。上电路图中为三极管放大电路，其作用与 uln2003

12、a 一样。 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 1010 页页 共共 2929 页页（2）显示电路功能：显示电路主要是将单片机的输出值显示出来，单片机输出电压值就显示电压，输出温度就显示温度。3.1.4 输出控制电路（1）控制电路图：图四说明：单片机一 p3 口输出定时方波作用于蜂鸣器。方波也同时通过三极管放大。（2）控制电路功能：控制电路的主要部分为继电器和二极管。通过继电器来控制哪个二极管的亮，当预置温度大于当前温度时，继电器打到绿灯亮，当预置温度小于当前温度，继电器打到红灯亮，此时单片机送来方波，蜂鸣器响报警。 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 1111 页页

13、共共 2929 页页3.2 电路参数的计算及元器件的选择电路参数的计算及元器件的选择3.2.1 温度 t 和电压 u 的关系通过实际测量测出温度传感器电压 u 与温度 t 的关系：v=0.78,t=(v+0.72)/0.08;0.78v&v=1.28,t=(s+0.83)/0.09+2;1.28v&v=1.71,t=(s+1.06)/0.1+2;1.71v&v=2.14,t=(s+0.8)/0.09+3;2.14v&v=2.51,t=(s+0.5)/0.08+3;2.51v&v=2.81,t=(s-0.23)/0.06+4;2.81v&v=3.1

14、,t=(s-0.26)/0.06+6;3.1v&v=3.37,t=(s-0.71)/0.05+6;3.37v&v=3.57,t=(s-0.71)/0.05+6;3.57v&v=3.75,t=(s-0.66)/0.05+10;3.75v&v=3.96,t=(s-0.54)/0.05+12;3.96v&v=4.1,t=(s-1.1)/0.04+12;4.1v,t=(s-3.39)/0.01+13;3.2.2 元器件的选择 （1）p89l51rd2fn （2）ad0809：进行模数转换。 （3）op07a （4）驱动器 uln2003a （5）四联数码管 mt

15、0546ar （6）继电器 hrs2h-s-dc5v-n （7）发光二极管（红、绿色）（8）面包板、连接线、插头座 （9）周立功单片机实验箱3.2.3 特殊器件的介绍 （1） p89l51rd2fn：飞利浦单片机芯片，实际操作时用来稍写程序。 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 1212 页页 共共 2929 页页下列为芯片的重要的 i/o 口： a. p0.0p0.7。 i/o 口，p0 口：p0 口是一个 8 位开漏双向 i/o 口。写入1时 p0 口悬浮，可用作高阻态输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0 口复用为低位地址和数据总线。应用中 p0 口利用强内部上拉来发送1电

16、平。p0 口可在外部主机模式编程过程中接收代码字节和在外部主机模式校验过程中发送代码字节。p0 口用作程序校验或通用 i/o 口时均需连接一个外部上拉电阻。b. p1.0p1.7。i/o口带内部上拉，p1 口：p1 口是一个带内部上拉的8 位双向口。写入1时p1 口被内部上拉拉高，可用作输入。用作输入时，由于内部上拉 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 1313 页页 共共 2929 页页的存在，p1 口被外部器件拉低时将吸收电流（iil）。此外，p1.5,p1.6,p1.7还有16ma 的高电流驱动能力。在外部主机模式编程和校验中，p1 口也可接收低位地址字节。p1.0，t2：定

17、时器/计数器2 的外部计数输入或时钟输出。p1.1，t2ex：定时器/计数器2 捕获/重装触发和方向控制。p1.2，eci：外部时钟输入。pca 的外部时钟输入。p1.3，cex0：pca 模块0 的捕获/比较外部i/o 口。每个捕获/比较模块连接一个p1 口用作外部i/o 口。该口线不被pca 占用时仍可用作标准i/o 口。p1.4，ss ：spi 从机选择输入。cex1：pca 模块1 的捕获/比较外部i/o 口。p1.5，mosi：spi 主机输出从机输入端。cex2：pca 模块2 的捕获/比较外部i/o 口。p1.6，miso：spi 主机输入从机输出端。cex3：pca 模块3 的

18、捕获/比较外部i/o 口。p1.7，sck：spi 主机输出从机输入端。cex4：pca 模块4 的捕获/比较外部i/o 口。c. p2.0p2.7 i/o口带内部上拉。p2 口：p2 口是一个带内部上拉的8 位双向口。写入1时p2 口被内部上拉拉高，可用作输入。用作输入时，由于内部上拉的存在，p2 口被外部器件拉低时将吸收电流（iil）。在取指外部程序存储器或访问16 位地址（movx dptr）的外部数据存储器时，p2 口发送高位地址。应用中p2 口利用强内部上拉来发送1。在外部主机模式编程和校验中，p2 口可接收一些控制信号和部分高地址位。d. p3.0p3.7，i/o 口带内部上拉。p

19、3 口：p3 口是一个带内部上拉的 8 位双向口。写入1时 p3 口被内部上拉拉高，可用作输入。用作输入时，由于内部上拉的存在，p3 口被外部器件拉低时将吸收电流（iil）。在外部主机模式编程 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 1414 页页 共共 2929 页页和校验中，p3 口可接收一些控制信号和部分高地址位。p3.0，rxd：串口输入。p3.1，txd：串口输出。p3.2，int0 ：外部中断0 输入p3.3，int1 ：外部中断1 输入p3.4，t0：定时器/计数器0 的外部计数输入。p3.5，t1：定时器/计数器1 的外部计数输入。p3.6，wr ：外部数据存储器写选通

20、信号。p3.7，rd ：外部数据存储器读选通信号。e. psen 程序选通使能：psen 是外部程序存储器的读选通信号。psen 在执程序存储器的程序时无效（高电平），执行外部程序存储器时每个机器周期内次有效，但当访问外部数据存储器时两个有效psen 脉冲将被跳过。当rst 输引脚的高电平时间大于10 个机器周期时，向psen 脚强制输入一个高电平到电平的跳变将使器件进入外部主机模式编程。rst 复位：振荡器工作时，该引脚上2 个机器周期的高电平逻辑状态将使器件复位。当rst 输入引脚为高电平时，如果psen 脚输入一个高电平到低电平的跳变，器件将进入外部主机模式。否则进入正常工作模式。ea

21、外部访问使能：若器件要对外部程序存储器取指， ea 就必须与vss相连。器件执行内部程序存储器的程序时ea必须与vdd相连。然而，4个安全锁定电平可将ea 禁能，使器件只能执行内部程序存储器的程序。ea 脚可承受12v 的高压。ale/prog 地址锁存使能：ale 是一个输出信号，在访问外部存储器时将地址低字节锁存。该引脚也用作flash 的编程脉冲输入（ prog ）。通常，ale1在1/6 的振荡频率2时输出，可用作外部定时或外部时钟。每次访问外部数据存储器时都有一个ale 脉冲被跳过。但是，只要ao 被置1，ale就被禁能。nc 不连 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 1

22、515 页页 共共 2929 页页xtal1 晶振1 1：反相振荡放大器的输入和内部时钟发生电路的输入。xtal2 晶振2 2：反相振荡放大器的输出。vdd 电源vss 地(2)驱动器 uln2003a:uln2003是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、plc、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载 。属于高耐压、大电流达林顿管ic，uln2003apg 与 uln2003 是同一个系类产品。高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅 npn 达林顿管组成该电路的特点如下：uln2003 的每一对达林顿都串联一个 2.7k 的基极电阻，在 5v 的工作压下它能与 ttl 和 cmos

23、电路直接相连，可以直接处理原先需要标准辑缓冲器来处理的数据。uln2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500ma，并且能够在关时承受 50v 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。uln2003 内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列 16 脚封装，npn 晶体管矩阵，最大驱动电压 =50v，电流=500ma，输入电压=5v，适用于 ttl coms，由达林顿管组成驱动电路。uln 是集成达林顿管 ic，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，它 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 1616 页页 共共 2929 页页的输出端允许通过电流为 2

24、00ma，饱和压降 vce 约 1v 左右，耐压bvceo 约为 36v。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大。故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动 uln2003 时，上拉 2k 的电阻较为合适，同时，com 引脚应该悬空或接电源。（3）四联数码管mt0546ar ：上排为d1,a,f,d2,d3,b 下排为e,d,dp,c,g,d44 软件设计软件设计4.1 软件设计仿真图软件设计仿真图图六4.2 软件流程图软件流程图4.2.1 软件主程序流程图 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 1717 页页 共共 2929

25、 页页4.2.2 子程序流程图 keyscan.h文件开始s2=0？可能有按键操作，延时消抖s2=0？有按键操作flag=1;结束是否是否开始p2口送位选码延时p1口送段选码4位数显示完？结束display.h文件流程图是否 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 1818 页页 共共 2929 页页 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 1919 页页 共共 2929 页页5 系统测试系统测试5.1 系统功能系统功能 本次课题 zj2011-a 温度控制仪。根据温度传感器测得的温度值，由软件查询判断是否达到编程设定的值，如果超过温度上限，即预置温度小于当前温度，蜂鸣器响报警

26、，启动风扇用以降低温度是温度值返回到阀值以下；如果温度值达到下限阀值，则启动加热炉用以增加温度是温度值返回阀值以上。5.2 主要技术指标及要求主要技术指标及要求5.2.1 系统指标参数及技术指标 （1）温度范围为：0 100， 最小区分度为 1，标定温度 1 （2）温度采样时间：100ms 10min (可调)；（3）具有超温声报警功能；（4）实时温度显示（四位数码管） ；（5）实时温度控制（风扇及加热负载）功能；（6）温度参数输入功能（温度+、温度-键） 。5.2.2 系统测试参数记录图 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 2020 页页 共共 2929 页页 电子系统综合设计报

27、告电子系统综合设计报告 第第 2121 页页 共共 2929 页页6 设计总结设计总结 6.1 对设计的小结对设计的小结 （1）明确设计目的。在设计电路之前，必须明确该电路要实现哪些功能。 （2）设计原理图。在设计电路的过程中，先对一接口进行设计，一些输入电路、输出电路和复位电路等等。 （3）运用 proteus 软件绘制硬件电路图。根据原理图绘制相应的硬件电路图。 （4）软件编程。编写程序进行相关对器件的控制，达到预计的功能后，先将程序导入绘制的硬件电路图中，调试实现功能。 （5）调试实际操作电路。是开发器和简单的程序进行调试，对电路的各部分功能进行验证。调试完毕后，将总程序导入单片机芯片中

28、，进行脱机工作。6.2 对设计的收获和体会对设计的收获和体会在这次的课程设计实验里，我们从对课题的研究到电路图的设计制作，从软件的编写到最后的硬件调试，这是一个富有挑战和喜悦的过程，有过失败，有过打击。通过不断努力，最后我终于成功设计验证完成，这个过程让我感触颇深，它不仅考察我了对单片机、c 语言等课程的学习情况，知 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 2222 页页 共共 2929 页页识点的理解情况，软硬件的熟悉情况和应用动手能力的检验，更加触发了我的钻研精神，在与同伴一起讨论并解决问题的这个过程我已经把它当成一种享受，亦苦亦甜，在过程与探索，中体验成功的快乐。它还考验了我做事

29、的毅力和耐心。我在这个过程中真正用心去对待每一个环节，最后成功完成。相信和我一样认真去做的同学一定有相似的体会。6.3 设计的进一步完善设计的进一步完善 此过程为设计的发挥部分：（1）采用 rs232 接口，实现实时温度数据的发送功能；（2）实现多通道温度数据采集和显示功能。7 参考文献参考文献1 闫玉徳 葛龙 俞虹.单片微型计算机原理与设计 .中国电力出版社，20102 徐仁贵 廖哲智.单片微型计算机应用技术 m.机械工业出版社，20013 余永权.单片机在控制系统中的应用 m.电子工业出版社， 20034 陈杰.传感器与检测技术 m.高等教育出版社， 20055 松言邦彦.传感器实用电路设

30、计与制作m.科学出版社，20056 求实科技编著.单片机典型外围器件及应用实例m.人民出版社，2006 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 2323 页页 共共 2929 页页附录附录：1 系统原理图系统原理图设定输入单片机led显示控制输出双向可控硅继电器控制对象风扇信号调理电路a/d采集电路加热丝传感器 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 2424 页页 共共 2929 页页 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 2525 页页 共共 2929 页页2 软件流程图软件流程图3 总程序总程序#include #include #define t 50 /*预

31、置温度 50*/sbit p20=p20; /*位选 p20p23*/sbit p21=p21;sbit p22=p22;sbit p23=p23;sbit p24=p24;sbit p30=p30;unsigned char tab=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f;bit flag=1;int h,l,m,k,b,x,f,t1,t2,i1,j1;float s,t,e;unsigned char i,j;delay() /*延时*/ 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 2626 页页 共共 2

32、929 页页for (k=0;k200;k+); void samp() /*模式切换*/ if(p24=0) for(i1=0;i1100;i1+) /*去抖动*/ for(j1=0;j110;j1+); if(p24=0) flag=flag;void main()tmod=0 x01;tl0=55536%256;th0=55536/256;ea=1;et0=1;tr0=1;ex1=1;ex0=1;it0=1;it1=1; while(1) if(t=(t+t2) p30=0; else p30=1; samp(); if(flag=0) t1=t+t2; else t1=t; h=(in

33、t)t1/100; m=(int)(t1-h*100)/10; l=(int)(t1-h*100)%10; for(x=0;x50;x+) p20=1; p1=tabh; delay(); p20=0; p21=1; p1=tabm; 电子系统综合设计报告电子系统综合设计报告 第第 2727 页页 共共 2929 页页 delay(); p21=0 x00; p22=1; p1=tabl; delay(); p22=0; p23=1; p1=0 x39; delay(); p23=0; void t0_srv(void) interrupt 1 using 3 tl0=55536%256; /

34、 *定时器 tl0 低四位*/ th0=55536/256; /*定时器 th0 高四位* / b+; if(b=10) b=0; f=1; if (f) f=0;xbyte0 x7ff8=0; /*采样*/for (i=0;i10;i+) for (j=0;j100;j+); e=xbyte0 x7ff8; /*读取当前 a/d 结果*/ s=e/256*5; /*将 ad 转换得到的二进制电压转为实际电压值*/ if(s=0.78) t=(s+0.72)/0.08; else if(0.78s&s=1.28) t=(s+0.83)/0.09+2; else if(1.28s&s=1.71) t=(s+1.06)/0.1+2; else if(1.71s&s=2.14) t=(s+0.8)/0.09+3; else if(2.14s&s=2.51) t=(s+0.5)/0.08+3; else if(2.51s&s=2.81) t=(s-0.23)/0.06+4; else if(2.81s&s=3.1) t=(s-0.26)/0.06+6; else if(3.1s&s=3.37) t=(s-0.71)/0.05+6; else if(3.37s