011109030108基于51单片机的恒温控制系统设计论文.docx

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011109030108基于51单片机的恒温控制系统设计论文

摘要

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中，温度是一个非常重要的过程变量。

例如：

在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。

然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。

采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，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一个工业生产中经常会遇到的控制问题。

本系统实现了单片机AT89C51对水温进行控制，采用AD590作为温度传感器，通过按键、数码显示等组成人机交互接口来实现设置和调节初始温度值。

系统启动后，数码管显示测量到的温度值，当加热到设定值后立刻报警。

另外，本系统通过软件实现对按键误差、加热过冲的调整，以提高系统的安全性、可靠性和稳定性。

本文详细地叙述了用MCS-51单片机设计实验室恒温控制系统的硬件电路及软件实现，细致地介绍了设计构图，各功能模块的程序流程图以及程序清单．该装置控制温度范围广泛，可靠性强，灵敏度高，使用灵活．

关键词：

DS18B20，单片机，恒温控制，单总线传输方式

目录

摘要1

目录2

一引言3

二方案设计与论证3

三系统总体设计4

1.元器件基本知识4

（1）单片机AT89S514

（2）模数转换器AD08097

（3）温度传感器AD5909

（4）数码管LED显示器12

2.原理图及功能实现13

（1）原理图13

（2）功能实现13

四软件详细设计15

1.主程序软件流程图15

2.源代码16

五实验过程中经验及心得18

1.实验过程中出现的问题及解决方法18

2.ADC0809的CLK信号与单片机的经典接法19

六致谢20

七参考文献21

一引言

随着社会主义现代化的发展，在科学技术突飞猛进的今天，人工智能起不不可忽视的作用。

尤其是各种智能化的仪器、仪表在农、工业的广泛应用给社会带来了极大的便利。

本文就是一个利用温度来实现简单智能控制的例子。

它完成了从温度的采集、转换、显示以及控制的一系列任务。

由于时间关系，本文并未深入探讨温度的具体实例。

例如根据温度来控制热水器、电风扇等与温度有关的设备。

但是它提供了一个通过温度来控制设备的基本思想和原理。

相信能在实际应用中为我们的生活带来更大的便利。

二方案设计与论证

根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案：

（1）方案一：

此方案是采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。

器特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。

系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，而且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。

（2）方案二：

采用单片机89s51为核心。

采用了温度传感器AD590采集温度变化信号，并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。

使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。

比较两种方案，方案二明显的改善了方案一的不足及缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点。

因此本设计电路采用方案二。

三系统总体设计

1.元器件基本知识

（1）单片机AT89S51

a.主要特性

●与MCS-51单片机产品兼容

●4K字节在系统可编程Flash存储器

●1000次擦写周期

●全静态工作：

0Hz—33MHz

●32个可编程I/O口线

●2个16位定时器/计数器

●6个中断源

●全双工UART串行通道

●低功耗空闲和掉电模式

●掉电后中断可唤醒

●看门狗定时器

●双数据指针

●灵活的ISP编程（字或字节模式）

●4.0---5.5V电压工作范围

b.内部结构

图3-1是单片机AT89S51的内部结构总框图。

它可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时/计数器和中断逻辑几个部分。

●CPU由运算器和控制逻辑构成。

其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）

●AT89S51时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式。

（如图3-2所示）

●AT89S51在物理上有四个存储空间：

片内/片外程序存储大路、片内/片外数据存储器。

片内有256B数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。

除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且和有64KB的寻址范围。

●AT89S51内部有一个可编程的、全双工的串行接口。

它串行收发存储在特殊功能寄存器SFR的串行数据缓冲器SBUF中的数据。

图3-1AT89S51内部结构框图

●AT89S51共有4个（P0、P1、P2、P3口）8位并行I/O端口，共32个引脚。

P0口双向I/O口，用于分时传送低8位地址和8位数据信号；P1、P2、P3口均为准双向I/O口；其中P2口还用于传送高8位地址信号；P3口每一引脚还具有特殊功能（图3-3），用于特殊信号的输入输出和控制信号。

●AT89S51内部有两个16位可编程定时器/计数器T0、T1。

最大计数值为216-1。

工作方式和定时器或计数器的选择由指令来确定。

图3-2AT89S51的时钟电路

图3-3P3口引脚的特殊功能

●中断系统允许接受5个独立的中断源，即两个外部中断，两个定时器/计数器中断以及一个串行口中断。

c.外部特性（引脚功能）

AT89S51芯片有40条引脚，双列直插式封装引脚图如2-4所示：

●Vcc（40）：

电源+5V

●Vss（20）:

接地

●XTAL1（19）和XTAL2（18）：

使用内部振荡电路时，用来接石英晶体和电容；使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。

●P0口（39—32）：

双向I/O口，既可作地址/数据总线口用，也可作普通I/O口用。

●P1口（1—8）：

准双向通用I/O口。

●P2口（21—28）：

准双向口，既可作地址总线口输出地址高8位，也可作普通I/O口用。

●P3口（10—17）：

多用途口，既图3-4AT89S51引脚图

可作普通I/O口，也可按每位定义的

第二功能操作。

●ALE/~PROG（30）：

地址锁存信号输出端。

在访问片外丰储器时，若ALE为有效高电平，则P0口输出地址低8位，可以用ALE信号作外部地址锁存信号。

公式（2—1）fALE=1/6fOSC,也可作系统中其它芯片的时钟源。

第二功能~PROG是对EPROM编程时的编程脉冲输入端。

●RST/VPD（9）：

复位信号输入端。

AT89S51接能电源后，在时钟电路作用下，该脚上出现两个机器周期以上的高电平，使内部复位。

第二功能是VPD，即备用电源输入端。

当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，VPD将为RAM提供备用电源，发保证存储在RAM中的信号不丢失。

●~EA/Vpp（31）:

内部和外部程序存储器选择线。

~EA=0时访问外部ROM0000H—FFFFH；~EA=1时，地址0000H—0FFFH空间访问内部ROM，地址1000H—FFFFH空间访问外部ROM。

●~PSEN（29）：

片外程序存储器选通信号，低电平有效。

（2）模数转换器AD0809

a.主要特性

●8路8位A／D转换器，即分辨率8位。

●具有转换起停控制端。

●转换时间为100μs

●单个＋5V电源供电

●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

●低功耗，约15mW。

b.内部结构

　　ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图3-5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D／A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。

因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容。

图3-5ADC0809内部结构框图

c.外部特性（引脚功能）

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-6所示。

下面说明各引脚功能。

●IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

●2-1～2-8：

8位数字量输出端。

●ALE（22）：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

●START（6）：

A／D转换启动信号，输入，高电平有效。

●EOC（7）：

A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平

（转换期间一直为低电平）。

图3-6ADC0809引脚图

●OE（9）：

数据输出允

许信号，输入，高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

●CLK（10）：

时钟脉冲输入端。

典型值为640KHZ。

●REF（+）、REF（-）：

参考电压输入端。

●Vcc（11）：

电源，＋5V。

●GND（13）：

地。

●ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

如表2-1所示。

表3-1ADDA、ADDB、ADDC模拟通道地址码

d.ADC0809的工作过程

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

（3）温度传感器AD590

a.主要特性

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

它的主要特性如下：

●流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

A/K公式（2-2）

式中：

—流过器件（AD590）的电流，单位为A；

T—热力学温度，单位为K。

●AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

●AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V~6V范围变化，电流

变化1A，相当于温度变化1K。

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710M。

●精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

●AD590的输出电流值说明如下：

其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。

b.内部结构

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：

公式（2-3）

式中：

K—波尔兹常数；

q—电子电荷绝对值。

集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。

电流输出型的灵敏度一般为1A/K。

c.外部特性（引脚功能）

●Vcc（0）:

电源4—30v

●GND

（1）:

接地。

d.典型应用电路

AD590产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4

V－30V检测的温度范围为－55℃－＋150℃，它有非常好的线性输

出性能，温度每增加1℃，其电流

增加1uA

图3-8是AD590用于测量热力学

温度的基本应用电路。

因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻10k时，输出电压VO随温

度的变化为10mV/K。

图3-8AD590其本应用电路

●Vo的值为电流I乘上10K，以室温25℃而言，输出值为10K×298μA=2.98V

●测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。

由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。

表3-2AD590温度与电流的对应关系表

摄氏温度（单位：

℃）

AD590电流（单位：

uA）

经10KΩ电压（单位：

V）

-10

263.2

2.632

0

273.2

2.732

10

283.2

2.832

20

293.2

2.932

30

303.2

3.032

40

313.2

3.132

50

323.2

3.232

60

333.2

3.332

100

373.2

3.732

（4）数码管LED显示器

a.综合知识

●数码显示器有静态和动态显示两种显示方式。

●LED显示器工作在静态显示方式时，其阴极点（或阳极）连接在一起接地（或+5V），每一个的段选线（a,b,c,d,e,f,g,p）分别与一个8位口相连。

●LED显示器工作在动态显示方式时，段选码端口I/O1用来输出显示字符的段选码，I/O2输出位选码。

I/O1不断送待显示字符的段选码，I/O2不断送出不同的位扫描码，并使每位显示字符显示一段时间，一般为1—5mS。

利用眼睛

的礼视觉惯性，从显示器上便可以见到相当稳定的数字显示。

b.引脚功能

如图3-9所示：

●段选（a,b,c,d,e,f,g,p）：

对应8个发光二极管，接I/O口，共阴（或共阳）时接地（或+5V），根据条件控制发光二极管的亮或灭。

●位选（A,B,C,D）:

共阴（或共阳）时接地（或+5V）分别用选中对应位的LED

图3-94位LED引脚图

2.原理图及功能实现

（1）原理图

图3-14位温度显示器原理图

图3-2水温调整原理图

（2）功能实现

利用AD590温度传感器完成温度的测量，把转换的温度值的模拟量送入ADC0809的其中一个通道进行A/D转换，将转换的结果进行温度值变换之后送入数码管显示。

再根据限定条件来控制发光二极管的亮度来模拟当前输出量。

A.电热控制部分

电热控制采用可控硅来实现，双向可控硅和电热器串接在200V单相交流电路中，单片机的P2.7通过光电隔离器件和驱动电路送到可控硅的控制端，通过P1.7口控制可控硅的通断。

B.温度检测部分

温度检测部分包括温度传感器、变换器和A/D转换3部分。

用于温度检测的传感器有性能稳定、抗氧能力强和检测精度高等特点。

考虑到应用范围要求广泛，这里选用铂热电阻，要求其检测范围在0—500℃之间。

变送器将温度变化引起的铂热电阻值变化转化成电压信号，当温度在0—500℃时变送器输出0-5V左右电压。

A/D转换部分采用ADC0809组成A/D转换电路，ADC0809是一种8路模拟输入的8位逐次逼近式A/D转换器件。

由于温度的控制精度要求≤±2℃显然采用8位A/D转换器完全可以达到要求的精度。

ADG0809的EOC转换结束信号接MSC–52的外部中断1上，MSC-51通过地址P2.0和读写信号来控制转换器的模拟量输入通道地址锁存、启动和输出允许，如图2.因为0809内部有地址锁存器，所以不需另加锁存器。

当电路设计好后，调整变换器输出，当温度为0℃时变化器输出0V，AD转换器转换结果为00H；当温度为500℃时变换器输出5V，AD转换器结果为FAH（250）。

也就是说，温度在0~500℃时，AD转换器转换结果为00H—FAH（0~250）,显然转化结果乘以2正好是温度值，这样一方面可以方便标度转换，另一方面可以避免转换时带来的误差。

C.显示和报警部分

显示器设有3位LED数码显示器，当停止加热时显示设定温度启动加热时用于显示定时温度。

为了充分利用MSC—51的资源，节省并行I/O口线，因此采用串行口，工作方式O作LED显示器的接口，采用了74LS164移位寄存器构成显示器接口电路，如图2.

为了结语资源不扩展并行I/O口，键盘只设置4个按键，由I/O的低4位作为键盘接口，4个键分为启动、“+100”、“+10”和“+1”键，其中后3个键可以分别对百位、十位和各位进行加1，再按会再加1，若连续按该键，十位数就会在0~9之间循环，从而实现呢置数功能。

除上述4个键以外还设有复位/停止键，系统复位后处于停止加热状态。

因此要停止加热则按复位键。

报警采用蜂鸣器作为发生器件，将P1.6与之相连，当温度超过警戒温度时，实现报警，并关闭电热器。

四软件详细设计

软件设计时，必须先弄清恒温控制系统的操作过程和工作过程，加热器开始时处于停止状态，首先设定温度，显示器显示温度，温度设定后则可以启动加热。

温度检测系统不断检测并显示系统中的实时温度，当达到设定值停止加热，当温度下降到下限（小于设定值2℃）时再自动启动加热，这样不断的循环，使温度保持在设定范围之内。

启动加热以后就不能再设定温度，因为温度的设定可以根据实验要求改变，若要改变设定的温度，可以先按复位键/停止键再重复上述过程。

1.主程序软件流程图

图4-1主程序流程图

2.源代码

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五实验过程中经验及心得

1.实验过程中出现的问题及解决方法

在实验过程中，我遇到我很多问题。

有小的，也有大的；有的很容易就解决了，有的则想很久都不能明白；有的需要查资料就可以解决，有的则需请教老师才得以搞定。

正是这些多多少少，大大小小的问题，随着一个个的解决，才使的我一步步的进步。

在此，我列出在我实验过程中遇到的问题，以及解决方法。

表5-1实验过程中出现的问题及解决方法

序号

出现问题

解决方法

①

用Protel画原理图时的诸多小问题及画好的原理图如何copy到Word

仔细查阅资料

②

硬件电路完全焊接好，仔细检查后才发现40Pin的IC插座，有一Pin折弯并未穿过电路板

更换电路板以及IC插座，重新焊接；养成走一步，检查一步的习惯

③

手工焊接想减少元器件，去掉了reset信号的器件。

结果电路无法工作

加上reset信号应有的元器件，且连接正确

④

电路刚开始工作，4位LED就冒烟，随着一声响就报废

应加限流电阻

⑤

ADC0809的CLK信号用软件还是用硬件来提供

详见5.2ADC0809的CLK信号与单片机的经典接法

⑥

4位LED显示的数据，自己都不明白是什么

更改软件数据N次，重新烧片子N次，经过N天才想明白是数据未确定精度。

通过软件确定精度

⑦

接下来遇到的基本都是软件问题

经过无数次的更改软件，无数次的重新烧写程序，离实验结果就一步步接近了

⑧

单片机控制的发光二极管亮一段时间后就熄灭

限流电阻太大，最后改用100Ω的电阻，工作正常

2.ADC0809的CLK信号与单片机的经典接法

因为在整个的实验过程中，为了节约成本，电路板上的所有元器件都是自己手工焊接的。

所以，在最开始考虑ADC0809的CLK信号时，我是用软件做的。

在软、硬件刚做好时，出现的很多问题，是根本无法判断是软件有问题，还是硬件有错误。

但我始终都不想再改动硬件。

后来，我在书上看到：

ADC0809的CLK----外部时钟输入端。

时钟频率高，A/D转换速度快。

允许范围为10----1280KHz，典型值为640KHz，此时转换时间为100uS。

通常由MCS—51型单片机ALE端直接或分频后与0809CLK端相连接。

当MCS---51型单片机无读写外RAM操作时，ALE信号固定为CPU时钟频率的1/6，若晶振为6MHz，则1/6为1MHz时，A/D转换时间为64uS。

这样做和用软件实现比较，不但节省了人力，而且缩短了软件代码长度，减轻了CPU的负担，提高了工作效率。

和硬件比较，更节省成本，而且拥有和硬件一样快的工作效率。

六致谢

我之所以能顺利完成《四位温度显示器》的设计与实现，是和指导我的导师是有关。

我首先谢谢我的指导教师刘老师。

在整个设计完成期间，从原理上的可行到实际硬件电路上出现的的问题，以及后期软硬件的改进，不管是什么时候遇到困难，只要和刘老师一说他就会给我们讲，从不厌其烦。

这一点我深表感谢。

作为一个老师他是负责的，态度是认真的。

老师，我最想说一句“谢谢您”！

再一个就是我要感谢院方，也就是计算机学院给我们提供这么多的支持。

不管是从老师还是其它的辅助设施上，我深表感谢，给我们带来了极大的方便。

第三我也很感谢论文答辩的各位评委老师，感谢他们在百忙之中抽出时间帮我们答辩。

我心里深深知道不管他们提出什么样的问题，难也好，容易也好，其目的只有一个，那就是帮助我们提高，在这我也想说一声谢谢您们！

谢谢您们帮助我们提高，欢迎你们提出宝贵的意见。

七参考文献

[1]涂序彦．智能控制理论、方法与技术．北京：

清华大学出版社，1994.11

[2]张建民等．.自适应模糊炉温控制系统．基础自动化，2001.4

[3]刘兴池等．模糊控制器在电加热炉中的应用．工业仪表与自动化装置，1999.3

[4]张志君等．糊控制在温度控制系统中的应用．动化与仪器仪表，1998.5

[5]雷思孝，李伯成，雷向莉．单片机原理及实用技术－凌阳16位单片机原理及应用．西安：

西安电子科技大学出版社，2004．1