单片机温控系统设计论文

1、单片机温控系统设计论文温度控制无论是在工业生产，还是在日常生活中都起到非常重要 的作用。尤其在当今大力发展工业的现在，温度的测量及控制对 保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民 经济的发展起到非常重要的作用。随着社会经济的高速发展，越 来越多的生产部门和生产环节对温度和湿度控制精确度的可靠 性和稳定性有了更髙的要求。传统的温度控制器的控制精度普遍 不高，不能满足工艺生产过程中对温度的苛刻要求。在温度控制中，由于受到温度被控对象的影响，使得控制性 能难以提高，有些工艺过程其温度控制的好坏直接影响到产品的 质量，因而设计一款温度自动条件系统设计非常有实用价值。此次温度自动条件系统

2、设计基于此而设计，针对生产车间中 对温度的良好控制，从实用的角度用at89c51为核心设计一款车 间温度自动条件系统设计。其控制温度不是一个点，而是一个范 围，系统以at89c51为核心，组成一个集温度和湿度的采集、处 理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统。利用单片机对周围 环境温度湿度进行采集，以数字量的形式存储和显示，可以独立 的作为一种设备对车间温度的控制，经过精确的计算发出控制指 令，并对车间温度进行调节，显示当前温度该车间温度自动条件 系统功耗低，系统运行良好且经济可靠。利用很少的资源来对车 间温度进行自动调节，信息性能可靠，操作便利，提高产品质量， 在实际的生产应用中有良好的效果

3、。(2) 在国内外的研究现状和发展趋势：从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分 为以下几种：定制开关控制法，所谓定值开关控温法，就是通过硬件电 路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进 而对系统加热源(或冷却装置)进行通断控制。若当前温度值比 设定温度值髙，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度 值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。pid 线性温度控制法，1922年美国的minorsky在对船舶自动导航的 研究中，提出了基于输出反馈的比例积分微分(pid , proportional integral differential)控制器的设计方法，标

4、 志了 pid控制的诞生。随后，pid控制器就以其结构简单、对模 型误差具有鲁棒性以及易于操作等特点，在大多数控制过程中能 够获得满意的控制性能，到了 20世纪40年代就已在过程控制中 得到了广泛的应用。智能温度控制法，智能控制就是应用人工 智能的理论与技术和运筹学的优化方法，并将其同控制理论方法 与技术相结将智能控制与p1d控制相结合，实现温度的智能控制。 智能控温法采用神经元网络和模糊数学为理论基础，并适当加以 专家系统来实现智能化。目前，在国内温度自自动控制方面的研究已实现在一定的范 围内对各种环境因子的综合控制。1996年，江苏理工大学成功 研制一套温室环境控制设备，通过温室内部的温度

5、、湿度、光照 及c02的浓度的监控，在150n?的温室内对温度、湿度、光照及 co?的浓度的监控。当前，国外对温度自动控制系统的软硬件的控制主要有三种 方式。第一种是直接用单片机及一些外围芯片是作为数据采集和 控制功能，不用上拉pc机做数据处理。这种控制类型一般以单 片机为核心，包括输入模块、控制模块、输出模块等。硬件电路 由温度传感器及模拟信号处电路，a/d转换器、单片机、d/a转 换器、led显示器及微打印机、简易硬盘、指示报警装置等组成， 为一个最简单的单片机应用系统，实现基本的输入输出和简单的 控制功能。软件设计一般釆用中断定时釆集环境因子参数，然后 经过相关的装换得到环境因子的参数化

6、值，再经过一定的控制算 法与设定的值进行比较从而对外设计进行控制，一般采用的控制 算法是数字pid控制算方，这种算法经过改进可以实现较为稳定 和精确的控制。这种系统成本低，又有一定的控制精度，能较好的满足一般 的农业用户的需求。但由于控制系统的核心单片机的数据处理能 力及存储器容量的限制，控制精度有限。对环境因子要求较高的 不能很好地满足需求，另外，如果没有微打印机就无法查阅历史 温度值，因为单片机数据存储器数据断电即逝。英国的hamid等将pid控制器应用到冰箱的温度控制中，通 过使用matlab/simulink软件仿真和误差分析图的方式与传统 的on-off控制做了细致的比较。结果表明，

7、pid控制无论是在 精度和控制性能方面都优于on-off控制。日本 komatsu electronics 公司的 kazuhiro mimura 对基于 pjld控制与现代控制理论相结合的离子化热水器温度控制开展了 研究，结果证明这样的温度控制方法能够使用比传统控制系统更 少的温度传感器，进而降低成本，提高了公司效益。(3) 尚待研究的问题在车间的生产过程中产品上附带的杂质粉尘等一些外界的东 西对温度采集的影响，以及产品的不同生产环节中温度要求的不 同，对温控系统的精确度的要求。31绪论1.1课题设计背景和目的在现代化的工业生产中电流、电压、温度、压力、流量、流速和 开关量都是常用的主要被控

8、参数。温度作为一个基本物理量，它 是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关的重要物理量。在 现代化的工业生产过程中温度作为-种常用的主要被控参数，在 很多生产过程中我们需要对温度参数进行检测。例如：在冶金工 业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加丁等诸 多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉 中的温度进行检测。采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控 制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控 温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此 单片机对温度的控制问题是-个工业生产中经常会遇到的问题1o本次设计采用mcs-54系列单片机与各种外围电

9、路构成单片机 温度自动检测和控制系统，实现对温度的实时检测和控制。通过 本次设计掌握温度检测控制系统的硬件设计方法和软件编写方 法。熟悉protel软件的使用方法。通过课题的研究进步巩固所 学的知识，同时学习课程以外的相关知识，培养综合应用知识的 能力。锻炼动手能力与实际工作能力，将所学的理论与实践结合 起来。1.2国内外研究状况和发展趋势随着国内外工业的口益发展，温度检测技术也有了不断的进步。 温度测量系统主要由两部分组成，一部分是传感器，它将温度信 号转换为电信号。另一部分是电子装置，它主要完成对信号的接 收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。对应于不同的温 度段及测量精度要求，测温装

10、置也不尽相同，从传感器方面看, 己出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器, 也有红外传感器。仪器本身也趋向小型化，多采用集成度较高的 芯片或元件组成电路。对于测点较多，并具有报警、巡测、控制 等多功能测温装置，一般采用单片机电路。目前的温度检测技术 原理很多，大致包括以下几种：(1)物体热胀冷缩原理(2)热电效应 (3)热阻效应(4)利热辐射原理。传统的温度传感器(如，热电偶、钳电阻、双金属开关等)虽然有着 各自不可替代的优点，但由于自身因自热效应影响了测量精度，从 而制约了它们在微型化高端电子产品中的应用。与之相比较，半 导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小

11、、 自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流还是 频率输出，在相当大的温度范围内(-55-150 °c)都与温度成线 性关系，适合在集成电路系统中应用。目前，半导体温度|<< « < 1 2 3456789 10 >»»|传感器工作的温度范围还限于-50 150 °co未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围, 以及智能化、网络化等方面2。近年来，在温度检测技术领域中，多种新的检测原理与技术的开 发应用己取得了具有实用性的重大进展。新一代温度检测元件正 在不断出现和完善化，主要包括以下几种。(1)晶体管

12、温度检测 元件(2)集成电路温度检测元件(3)核磁共振温度检测器(4)热噪声 温度检测器(5)石英晶体温度检测器(6)光纤温度检测器(7)激光温 度检测器。目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先 是由温度传感器来实现的。测温仪器由温度传感器和信号处理两 部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温 度值转换成电的或其它形式的信号，传递给信号处理电路进行信 号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起 变化的物理参数有：膨胀、电阻、电容、热电动势，磁性能、频率、 光学特性及热噪声等等。随着生产的发展,新型温度传感器还会 不断出现，目前，国内外通用的温度传

13、感器及测温仪大致有以下几 种：热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、 石英温度传感器测温仪3。1.3温度检测的主要方法温度的测量方法多采用集成的半导体模拟温度传感器，传感器输 出的电压或电流与温度在定范围呈线性关系。通过放大，采样 得到被测量。另一种温度测量方法是使用热电偶，其测量精度较 高，但测试过程复杂，测量时间长，而且采用电桥测量的系统抗 干扰能力较差，误差较大。随着集成电路技术的迅速发展，新型 的数字化温度传感器其精度、稳定性、可靠性及抗干扰能力都优 于模拟的温度传感器。数字温度传感器也越来越的到广泛的应用4 o温度检测的方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分为接 触

14、式与非接触式两大类。接触式检测的方法主要包括基于物体受 热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表；基于热电效应的热电偶 温度检测仪表。非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性与温 度之间的对应关系，对物体的温度进行检测，主要有亮度法、全 辐射法和比色法等。接触式测温是使测温敏感元件与被测介质接 触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，感温元件与被测介质 的温度相等。这类传感器结构简单、性能可靠、精度高、稳定性 好、价格低、应用十分广泛，因此，本方案采用接触式测温法, 选用相关类型的传感器。由单片机组成的温度测控系统，通过在单片机外部添加各种接口 电路，可构成单片机最小系统，用以实现对温度控制对象的温度

15、的显示和控制。同时也能根据实际情况实现多路巡回检测、数据 处理、报警及记录,对各个参数以一定的周期进行检查和测量，检 测的结果经计算机处理后再进行显示、打印和报警，以提醒操作 人员注意或直接用于生产控制5。1.4课题设计的主要内容本温度控制系统是一个闭环反馈控制系统，它用温度传感器将检 测到的温度信号经放大，a/d转换后送入单片机中进行数据处 理并显示当前温度值，用当前温度值与设定温度值进行比较6。 根据比较的结果得到控制信号用以控制继电器的通断，实现对加 热器的控制。通过这种控制方式实现对保温箱的温度控制。本课 题设计的内容主要包括硬件设计和软件设计两部分。系统功能由 硬件和软件两大部分协调

16、完成，硬件部分主要完成主机电路、数 据采集电路、键盘显示电路、控制执行等电路的设计。软件程序编写主要用来实现对温度的检测、标度转换、led显示、继电 器控制等数据处理功能。2系统总体方案设计本次设计采用mcs-51单片机作为控制芯片，采用半导体集成温 度传感器ad590采集温度信号。通过温度传感器将采集的温度 信号转换成与之相对应的电信号，经过放大处理送入a/d转换器 进行a/d转换,将模拟信号转换成数字信号送入到控制芯片进行 数据处理。通|vv «< 1 234 56 78 9 10 >»»|过在芯片夕卜 围添加显示、控制等外围电路来实现对保温箱温度

17、的实时检测和 控制功能。本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成，硬件部分主要完成 传感器信号的采集处理，信息的显示等;软件主要完成对采集的温 度信号进行处理及显示控制等功能。系统结构框图如图2.1所示:单片机最小系统控制交流 电源保温箱ad5901 +1调理电路1 11 1 »1 1a/d111 1继电器直流电源f单片机f 设定§:不图2.1系统结构框图2.1系统硬件设计方案 单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择 合适的、最优的系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备, 如键盘、显示器、打印机、a/d转换器、设计合适的接口电路等。 系统设计应本着以下原则：

18、(1) 尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。本设计采用 了典型的显示电路、a/d转化电路，为硬件系统的标准化、模块 化打下良好的基础。(2) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。软件能实现的功能 尽可能由软件实现，以简化硬件结构。由软件实现的硬件功能, 一般响应时间比硬件实现长，且占用cpu时间。由于本设计的 响应时间要求不高，所以有一些功能可以用软件编程实现，如键 盘的去抖动问题。(3) 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。系统中所有芯片 都应尽可能选择低功耗产品。本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分，从功能模块上 来分有主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。 系

19、统硬件包括：温度传感器、信号调理电路、a/d转换器件、mcs-51单片机、键盘输入、led温度显示器、温度控制电路。2.1.1芯片选择单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输 出接口电路的微型计算机，简称单片机。单片机以其较高的性能 价格比受到了人们的重视和关注。它的优点就是体积小、重量轻、 抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性 好、开发较为容易。单片机根据其基本操作处理的位数可分为4、8、16、32位单片机，应用最为广泛的是八位单片机。根据本次 设计的实际情况和要求，在本次设计中采用at89c51作为系统 的控制芯片。at89c51是一种低功耗、高性能cm

20、os 8位微控 制器，具有4k的系统可编程flash存储器。使用atm el公司高 密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51产晶指令和引脚 完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常 规编程器。2.1.2温度检测本课题设计的温度控制范围为25-80摄氏度，温度传感器采用采 用ad590半导体集成温度传感器oa/d590具有较高的精度和重 复性，不需辅助电源，线性好，使用方便，便于微机系统测控。 被测温度信号为一路由ad590测得的代表温度的电压信号，经 温度调理电路放大后使其在0-5v范围内，使其适合于a/d转换 器的输入电压范围。2.1.3 a/d转换电路a/d转换电路

21、的种类很多，例如，计数比较型、逐次逼近型、双 积分型等等。选择a/d转换器件主要从转换速度、精度和价格上 考虑。逐次逼近型a/d转换器，在精度、速度和价格上都比较适 中，是最常用的a/d转换器。双积分a/d转换器，具有精度高、 抗干扰性好、价格低廉等优点，但转换速度慢。近年来在微机应 用领域中也得到了广泛的应用。本次设计采用八路模拟输入通道 的逐次逼近型的八位a/d转换器adc0809o采用adc0809作 为与单片机的接口电路，它的结构比较简单，转换速度较高。采 用adc0809作为a/d转换器具有与单片机连接简单的优点，它 是八位的转换器可以与八位的单片机直接连接，这样就简化了系 统的连接

22、电路也有利于系统软件的编写。2.1.4键盘输入键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘，键盘上闭合键的识别由 专用的硬件译码器实现，并产生键编号和键值的称为编码式键盘;靠软件识别的为非编码式键盘。在单片机组成的测控系统中，用 得最多的是非编码键盘。在这里采用的就是非编码式键盘。键盘 的连接方式采用独立连接式，这种连接方式能够简化程序的|<< «< 1 2 34 56 789 10 >»»| 编写。2.1.5 led 显示 在单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器(led)和液晶显示器(lcd)。采用led作为系统的数据显示器具有价格低

23、、性能稳定和响应速度快等特点。led显示方 式有静态显示、动态显示和串口显示。为了节省系统本身的硬件 资源，在这里led的显示方式采用串行静态显示方式。利用串 口可以工作在移位寄存器方式，驱动led静态显示。这样就可 以充分的利用并行口，并将并行口用到最需要的地方去，同时主 程序不需要扫描显示器，使它有更多的时间处理其他事情。这种 显示方法用于显示位数少、显示亮度大的地方能够达到很好的显 示效果。2.1.6控制电路控制电路作为单片机系统的后向通道，他是将单片机处理后的数 字控制信号用输出口输出，并将该数字信号用于对控制对象的控 制。由于单片机的输出信号电平很低，无法直接驱动外围设备进 行工作，

24、因此在单片机的后向通道中需要外围设备的驱动、信号 电平的转换以及隔离放大等技术。本次设计采用继电器作为控制 电路的主要器件，通过继电器可以实现直流信号控制交流负载的 功能，从而实现单片机系统的控制功能。2.2系统软件设计方案系统的软件设计采用模块化设计，采用模块化设计可以简化系统 软件的编写，使软件编写思路更加简单明了。系统软件主要由三 大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。主程 序模块用于实现各个子程序间的跳转。功能实现模块主要由a/d 转换子程序、键盘处理子程序、显示子程序、继电器控制程序等 部分组成。运算控制模块涉及标度转换子程序等。3系统硬件设计3.1中央处理器mcs-5

25、1系列单片机是8位增强型，其主要的技术特征是为单片 机配置了完善的外部并行总线和具有多级识别功能的串行通讯接口 (uart),规范了功能单元的sfr控制模式及适应控制器 特点的布尔处理系统和指令系统。属于这类单片机的芯片有许多 种，如8051 > 803仁80c51等等。由于单片机具有较高的性能 比，国内mcs-51系列单片机应用最广，易于开发、使用灵活、 而且体积小、易于开发、抗干扰能力强，可以工作于各种恶劣的 条件下，工作稳定等特点。本设计本着实用性和适用性的要求, 选择at89c51单片机作为中央处理器。3.1.1 at89c51 简介at89c51是-种带4k字节闪烁可编程可擦除

26、只读存储器的具 有低电压，高性能cmos的8位微处理器，俗称单片机。该器 件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准 的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中,atmel的at89c51是一种高 效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉 的方案。如图3.1为at89c51的内部结构框图。外部中断0内 flashi cpu ltr计纹 输入l 内 ram2hdhi屮 i审行端口 i wtr6 p0p2p1p3 txd rxd图3.1at89c51的内部结构框图at89c51单片机与mcs-51系列单片机兼容,at8

27、9c51内部有4k字节可编程闪烁存储器,128*8位内部ram,两个16位定时 器/计数器,5个中断源，32可编程i/o线及串行通道。闪烁存储 器是一种可编程又可擦除只读存储器（eeprom）,给用户设计 单片机系统和单片机系统带来很大的方便，深受广大用户的欢迎。 at89c51有片内振荡器和时钟电路，具有低功耗的闲置和掉电 模式，在空闲方式下，cpu停止工作，但允许内部ram、定时器 /计数器、串行口和中断系统继续工作。在掉电方式下，能保存 ram的内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其他部件工作。 还具有三级程序存储器锁定，全静态工作频率0hz-24h乙数据 保留时间可长达10年。3.1.2

28、管脚说明如图3.2为at89c51引脚图，各引脚功能说明如下7: vcc:电源 gnd:地 p0 口： p0 口是一个8位漏极开路的双向i/o 口。作为输出口， 每位能驱动8个ttl逻辑电平。对p0端口写“1”时，引脚用作 高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0 口也被作为 低8位地址/数据复用。在这种模式|<< «< 1 23456789 10 >» »|下，p0具有内部上拉电阻。在flash编程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。图3.2at89c51引脚图 p1 口： p1

29、 口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o 口， p1输岀缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p1端口写7”时, 内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入 使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(iil)o此外，p1.0和p1.2分别作定时器/计数器2的外部计数 输入(p1.0/t2)和时器/计数器2的触发输入(p1.1/t2ex) p2 口： p2 口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o 口， p2输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p2端口写“t时, 内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入 使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输

30、出电流(hl)o在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存 储器(例如执行movxdptr)时，p2 口送出高八位地址。 在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位 地址（如movxri）访问外部数据存储器时，p2 口输出p2 锁存器的内容。在flash编程和校验时，p2 口也接收高8位地址 字节和一些控制信号。 p3 口： p3 口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o 口， 对p3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为 输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻 的原因，将输出电流（iil）o p3 口亦作为at89c51特殊功能（第 二功

31、能）使用，如表3-1所示。表3-1 at89c51引脚号第二功能p3.0rxd （串行输入）p3.1txd （串行输出）p3.2into （外部中断0）p3.3into （外部中断0）p3.4to （定时器0外部输入）p3.5t1 （定时器4外部输入）p3.6wr （外部数据存储器写选通）p3.7rd （外部数据存储器读选通）rst:复位输入，晶振工作时，rst脚持续2个机器周期高电平 将使单片机复位。看门狗计时完成后，rst脚输出96个晶振周 期的高电平。特殊寄存器auxr（地址8eh）上的disrto位可以 使此功能无效。disrto默认状态下，复位高电平有效。 ale/prog：地址锁存

32、控制信号（ale）是访问外部程序存储 器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（prog）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ale以晶振 六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使 用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ale脉冲 将会跳过。如果需要,通过将地址为8eh的sfr的第0位置“1 ”， ale操作将无效。这一位置“1”,ale仅在执行movx或movc 指令时有效。否则，ale将被微弱拉高。这个ale使能标志位（地址为8eh的sfr的第0位）的设置对微控制器处于外部执 行模式下无效。 psen:外部程序存储器选通信号（psen）是外部程序存

33、储器 选通信号。当at89c51从外部程序存储器执行外部代码时， psen在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时, psen将不被激活。 ea/vpp:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000h到 ffffh的外部程序存储器读取指令，ea必须接gnd。为了执 行内部程序指令，ea应该接vcc。在flash编程期间，ea也接 收12伏vpp电压。 xtal1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 xtal2:振荡器反相放大器的输出端。3.1.3特殊功能存储器在单片机内高128b ram中，由有21个特殊功能寄存器（afr）, 它们离散的分布在80h-ffh的ram空间中，

34、访问特殊功能寄 存器只允许使用直接寻址方式。表3-2为at89c51单片机特殊 功能寄存器及其相应地址7。表3-2专用寄存器名称，功能及对应的ram地址 名称简单描述地址acc累加器（专门用于存储算术和逻辑运算的结果）oeohbb寄存器（专门用于乘/除法运算）ofohpsw程序状态寄存器odohsp推栈指针寄存器81hdptr16位数据指针寄存器。cpu访问外部ram时地址指针，由两 个8位寄存器dph （83h）、dpl （82h）组成且可单独访问。p0端口 0状态寄存器（初始值为offh）80hp1端口 1状态寄存器（初始值为offh）90hp2端口 2状态寄存器（初始值为offh）oao

35、hp3端口 3状态寄存器（初始值为offh）obohip中断优先级控制寄存器0b8hie中断允许控制寄存器0a8htmod定时器/计数器方式控制寄存器89htcon定时器/计数器控制寄存器88hth0定时器/计数器0高字节8chtl0定时器/计数器0低字节8ahth1定时器/计数器1高字节8dhtli定时器/计数器0低字节8bhscon串行控制寄存器98hsbuf串行数据缓冲器99hpcon电源控制寄存器87h3.1.4芯片擦除整个eprom阵列电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ale管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码 阵列全被写“t且在任何非空存储字节被重复编程以前，

36、该操作 必须被执行。此外，at89c51设有稳态逻辑，可以在低到零频 率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模 式下，cpu停止工作。但ram,定时器，计数器，串口和中断 系统仍在工作。在掉电模式下，保存ram的内容并且冻结振荡 器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.1.5复位电路的设计复位使单片机处于起始状态，并从该起始状态开始运行。at89c51的rst引脚为复位端，该引脚连续保持2个机器周期（24个时钟振动周期）以上高电平，则可使单片机复位。内部 复位电路在每一个机器周期的s5p2期间采样斯密特触发器的 输出端，该触发器可抑制rst引脚的噪声干扰，并在复位

37、期间 不产生ale信号，内部ram处于不断电状态。其中的数据信息 不会丢失，也即复位后，只影响sfr中的内容，内部ram中 的数据不受影响。外部复位有上电复位和按键电平复位。由于单 片机运行过程中，其本身的干扰或外界干扰会导致出错，此时我 们可按复位键重新开始运行。为了便于本设计运行调试，复位电 路采用按键复位方式。按键复位电路如图3.3所示8。c3pi72k图3.3复位电路3.1.6时钟电路设计时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。mcs-51 单片机允许的时钟频率是因型号而异的，其典型值为12mh乙at89c51内部有一个反相振荡放大器，xtal1和xtal2分别是该反向振荡放

38、大器的输入端和输出端。该反向放大器可配置为 片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。本设计采用的晶振 频率为12mh乙 其时钟电路如图3.4所示。51系列单片机还可 使用外部时钟。在使用外部时钟时，外部时钟必须从xtal1输 入，而xtal2悬空。图3.4时钟电路3.2温度传感器ad590温度传感器的应用范围很广，它不仅用于日常生活中，而且也大 量应用于自动化和过程检测控制系统。温度传感器的种类很多, 根据现场使用条件，选择恰当的传感器类型才能保证测量的准确 可靠，并冃同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。ad590 温度传感器不但实现了温度转化为线性电量测量，而且精度高、 互换性好。ad59

39、0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。本设计釆用ad590作 为温度传感器，它只需要一个电源即可实现温度到电流的线性变 换，然后再终端使用一只取样电阻，即可实现电流到电压的转换。 它使用方便，并且具有较高的精度。图3.5为ad590的封装形式和基本应用电路。1sv（a）封鞍形式 lb）基本应用电路图3-5 ad590封装形式和应用电路ad590集成温度传感器是将温敏电阻晶体管与相应的辅助电路 集成在同块芯片上，能直接给出正比于绝对温度的理

40、想线形输 出，一般用于-55°c+150°c之间的测量温度。温敏晶体管在管 子的集电极电流恒定时，其基极发射极电压与温度成线形关系， 由于生产厂家生产时采用激光微调来校正集成电路内的薄膜电 阻，使其在摄氏零度（对应绝对温度为273.2k）,输出电流微 273.2ua,灵敏度微1ua/ko当其感受的温度升高或者降低时， 贝ij其电流就以 1u|« « < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > » »| a/k 的速 率增大或减小，从而将被测电流转换为电压，则可以用电压来表 示其温度大小。为克服温敏晶体管vb电压产生时

41、的离散性，采 用了特殊的差分电路。集成温度传感器具有电压型和电流型两种。 因此，它不容易受接触电阻、引线电阻、电压噪音的干扰，具有 很好的线性特性。ad590主要特性如下：流过器件的电流（ma）等于器件所处环境的热力学温度（开 尔文）度数，即:(3-1)式中：lr为流过器件（ad590）的电流，单位为ma；t为热力学温度，单位为k。 ad590的测温范围为-55°c+150°c。 ad590的电源电压范围为4v30v。电源电压可在4v6v范 围变化，电流匚变化ma,相当于温度变化1ko ad590可以承 受44v正向电压和20v反向电压，因而器件反接也不会被损坏。输出电阻为

42、710mwo精度高。ad590共有i、j、k、l、m五档，其中im档精度最 高，在-55°c+150°c范围内，非线性误差为±0.3°coad590温度传感器作为-个恒流源，在本设计的温度检测电路 中在ad590的输出端接一取样电阻可将输出电流信号变化转换 为电压信号变化。由于ad590温度传感器温度每变化1°c其输 出电流变化1ma。所以在接上10k的取样电阻的情况下，温度 每变化10°c,输出电压就将变化0.1vo3.3信号调理电路经过温度传感器采集输出的电压信号一般来说是非常微弱的，因此，在送往单片机处理之前应对该信号进行放大。

43、本系统所采用的a/d转换器为adc0809,由于adc0809的输入信号应在05v之间，因此，经过放大电路放大的信号进入a/d转换器的 电压信号应控制在05v之间，根据此原则可设计合适的放大倍 数。信号调理电路主要由运算放大器0p07等组成。为了使温度检测 电路的输出电压能够适合于a/d转换器的参考电压，利用超低温 漂移高精度运算放大器0p07将温度电压信号进行放大到05v 的范围之内，便于a/d进行转换，以提高温度采集电路的可靠性。 本设计中，信号调理电路部分由集成运放op07分别构成一个电 压跟随器，电压比较器和一个同相输入放大器用于对ad590输 出的小电压信号进行放大处理9。信号调理电

44、路如图3.6所示图3.6温度检测电路在该放大电路中，电压跟随器起阻抗匹配的作用。反馈电阻为零 时，放大倍数为1,电压跟随器的输入电压等于输出电压 电压比较器用于对输出电压小信号电压进行调零，在上述电路图 中的电压比较器部分由于r2=r4 r3=r5可得电压比较器的输 出电压s = % -%根据电压跟随器的输出电压调节电位计r9 就改变电压比较器的输入电压5“使得当温度为温度测量下限时电压比较器的输出电压为零。4 = 1 +生起放大作用的是同相输入放大器op07。其放大倍数：b因此放大器的输出电压久=3.4温度标定本设计的温度标定是在室温环境条件下标定的。由于温度传感器 输出与温度变化有良好的线

45、性。根据温度调理电路，输出电压和 温度变化也具有一定的线性关系。根据实验测得的电压和温度数 据，在此我们可以采用一元线性回归的方法求得温度和电压的线 性方程。一元线性回归是处理两变量之间的关系，即两个变量x和y之 间若存在一定的关系，则可通过试验，分析所得数据，找到两者 之间的关系的经验公式。假如两变量之间的关系是线性的则称为 一元线性回归。由于变量测量中存在随机误差，一元线性方程回 归可用最小二乘法处理求得一元线性回归方程。最小二乘原理指 出，最可信赖值应在使残余误差平方和最小的条件下求得10o 根据实验测量结果可得，在一定温度x下的电压输出值y,得到 如下表所示。|<< <

46、;< < 1 2345678910>»»|表3-3x/°c40 50607080y/v00.421.061.682.262.863.45根据表3-3所得的数据，我们可以知道电压输出范围在0-5v之 间，适合a/d转换参考电压的电压范围。为了了解输出电压y 与温度x之间的大致关系，把数据表示在坐标图上，如图3-7所 示，这种图叫散点图。电sv43.532.521.510.50 80, 3. 46 70, 2. 85 60, 2. 26 50, 1.67溫厦-电压曲线图 40, 1. 0630, 0. 4220 30 40 50 60 70 80 9

47、0 温度匸图37温度电压散点图从散点图可以看岀，输出电压y与温度x大致成线性关系。因 此，我们假设x与y之间的内在关系是-条直线，有些点偏离 了直线，这是试验过程中其他随机因素的影响而引起的。这样就 可以假设这组测量数据有如下结构形式：b=(xrx)lxry> t=1,2, n (3-2)式中的“，"，,引分别表示其他随机因素对电压测得值 儿 乃，*的影响，-般假设它们是一组相互独立、并服从同 一正态分布的随机变量，式(3-2)就是一元线性回归的数学模型。 此例中n=7。我们用最小二乘法来估计式(3-2)中的参数炖、q。 设bo和b分别是参数解i3q的最小二乘估计，便可得到一元

48、线 性回归的回归方程少=% + 加(3-3)式中的bo和b是回归方程的回归系数。对每一个实际测得值丹与 这个回归值必之差就是残余误差气：v产儿-%-bx, t=1, 2,n (3-4)应用最小二乘法求解回归系数，就是在使残余误差平方和为最小的条件下求得回归系数bo和b的值。用矩阵形式，令»1vi_1v2x=r=5=n91%, 29.叽则式(32)的矩阵形式为? = y-q(3-5)假定测得值片的精度相等，根据最小二乘原理，回归系数的矩阵 解为5 = (zrjf)-lxrr(3-6)代入数据后： 01 22'0.421 301.061 401.671 502.261 602.8

49、51 703.46 1 80. 求解线性方程系数：因此 b0=-1.34 b=0.06线性方程为：x0.06x-l.34 (3-7)3.5 a/d转换adc0809是一种8位逐次逼近式a/d转换器，其内部有一个8 位“三态输出锁存器”可以锁存a/d转换后的数字量，故它本身既 可看作一种输入设备，也可以认为是并行i/o接口芯片。故adc0809可以和微机直接接口，本设计就是用at8951和adc0809直接相连的。adc0809采用双列直插式封装，图3.8为adc0809引脚图， 共有28条引脚，主要引脚功能为： inoin7:为八路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电 压。 ale:为地址锁

50、存允许输入线，高电平有效。 add-a、addb和add-c:为地址输入线，用于选择in0-in7上那一路模拟电压送给比较器进行a/d转换。adda、addb和addc对inoin7的选择如表3-4所列： start:为“启动脉冲”输入线，上升沿清零sar,下降沿启动 adc0809 i作。 eoc：为转换结束输出线，该线上高电平表示a/d转换已结 束。&nbs|vv « < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > » »| p; oe：为"输出允许”线，高电平时能使2-12弋引脚上输出转换 后的数字量。nomi>24ikl 1in-14-jjw-20 <40ojccogc “281m4eocadda addb addcn6aleenable start ft afv (mwu jlvvrw351612adc