基于51单片机智能温度控制器系统设计毕业设计论文.docx
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基于51单片机智能温度控制器系统设计毕业设计论文
长春科技学院
毕业设计（论文）
基于51单片机智能温度控制器系统设计
摘要
温度是工业生产和日常生活中最常见的参数之一，对温度的精确测量和控制具有重要意义。
为此，本文以AT89S51单片机为处理核心进行了智能温度监控系统的下位机设计，详细阐述了系统的硬件及软件设计方法。
该设计使用DS18B20数字式温度传感器进行多点测温，通过RS232串口实现单片机与PC机之间的数据交换，实现各温度点的实时测温及根据上位机的温度设定值完成对其中一点温度的控制。
此系统具有测温电路简单、连接方便、转换速度快、为上位机监控部分可实时传送温度信号、控制精度高等优点，因此，具有较广泛的应用前景。
关键词：
AT89S51；智能温度测量控制；DS18B20；RS232
Abstract
Temperatureisoneofthemostfamiliarparametersintheindustrialproductionand
dailylife.Therefore,thispaperdesignstheunder-bitmachineofmulti-pointtemperaturemonitoringsystemwiththe89S51SCMastheprocessingcore.Itelaborateshardwareandsoftwaredesignmethodindetail.ThesystemusestheDS18B20digitaltemperaturesensortomeasuremulti-pointtemperature.ThroughtheRS232serialportitcanexchangedatabetweentheSCMandPC.Eachpointoftemperaturecanbemeasuredontimeandonepointofitcanbecontrolledaccordingtothetemperaturesettingstransmittdbyup-bitmachine.Basedontheadvantagesthatthissystemhasthesimpletemperaturemeasurementcircuit,theconvenientconnection,thequickchangespeed,thereal-timetransmissionoftemperaturesignalsforup-bitmachine,thehighprecisioncontrol,therefore,itwillhaveverygoodapplicationvalue.
Keywords:
AT89S51;multi-pointtemperaturemeasureandcontrol;DS18B20;RS232
引言
1.现代社会中，温度控制的应用越来越多。
温度是与人们的生产生活密切相关的一个物理,因此产生了各种各样的温度测方法，在工业领域内,对温度的测控十分广泛。
在很多工业应用的场合下，环境非常恶劣，人工直接操作仪表很不现实,采用有线数据通信的方式也有限制，在数据记录上也需要人工抄写，因此需要一种无线隔离的操作方式。
而在实际温控过程中既要求系统的稳定性,又要求快速性。
下面仅就在社会生产和生活中用处比较广泛的几处应用加以阐释。
（1）在电子设备设计中，为防止系统损坏或性能降低，大都安装了用于监视危险温度的传感器，在多个热点的系统中需要进行多点温度测量。
微处理器（CPU）和数字信号处理器（DSP）为高速芯片，可能产生过热即危险温度。
另外一个热源是安装在机箱后部散热器上的功率器件。
风扇是用来散热的，但它的长时间运转也会造成过热。
在每一处都有放置一个温度传感器可以单独监视每一处温度，任一处温度超出了安全范围，系统就可以通过减低时钟速度或关掉系统电源等手段防止发生问题。
（2）建筑节能是世界建筑技术发展的大趋势，我国目前在该领域的技术还是相当落后。
使用一种基于总线的和一线制数字的温度传感器测控系统,可以应用在建筑暖通空调系统中,既能最大限度地达到节能的目的,又能很好地满足人们对室内热环境智能化的要求。
单总线数字式温度传感器有着独特的单总线接口,可以在一条线上接多个传感器,从而克服了模拟温度传感器与微机接口时的灯转换等缺点。
它具有测温精度高、抗干扰能力强、成本低、体积小等特点。
其具有良好的通用性,可以解决建筑的温度测控问题,并利用总线的特殊优势解决了远距离多点测量问题,网络传输实时性好。
（3）金属粉末注射成型技术（MetalInjectionMolding）是近年来粉末冶金学科和工业中发展比较突出的领域。
其基本工艺过程是：
将微细的金属或陶瓷粉末与有机黏结剂均匀混合成为具有流变性的物质，采用先进的注射机注入具有零件形状的模腔形成坯件，采用新技术脱除黏结剂，并经过烧结使其高度质密成为制品，必要时还可以进行后处理。
因此，温度控制精度的高低直接影响到产品的质量及使用寿命，研究和设计高性能的温度控制系统具有非常重要的意义。
使用数字式DS18B20温度测控系统不仅可以应用到连续烧结炉的多点温度控制，还可以应用到其他工业对象的温度控制，比如冶炼高炉，工业窑炉等；而且成本低，可靠性高。
（4）某大型飞机洞库线道长,环境复杂,由于其存储有重要的军事物资,对其温度、湿度、油分子浓度、火警等信号进行综合监测是一项重要的任务。
使用温度监控系统采取了微机与现场总线技术,不但节省了布线费用,而且由于布线简单,降低了系统巡检的故障率,提高了其精度及可靠性。
多点温度综合监测与报警系统经某飞机洞库使用证明,其布线简单,提高了系统抗干扰能力,使用成本比购买传统的单个温度表及需长距布线节省数万元,且便于更新换代,实现了数据的远距传输与信息化管理。
（5）为满足日益增长的蔬菜市场需求，提高人民的生活水平，现代农业生产中大量采用温室进行蔬菜等农作物培育。
其中温度监测是控制农作物生长的关键因素，由于不同温室中的农作物生长所需要的温度不同且要求稳定在一定的温度范围内。
仅仅是依靠人工管理存在温度调节不及时、不准确，影响作物生长及人力资源浪费等问题。
温室智能温度控制系统采用基于DS18B20和LPC2132，具有多点温度监测控制、对异常情况进行记录并可调用历史数据进行分析的优点，能满足作为温室温度监测控制系统要求。
并且采用的单总线温度传感器DS18B20可以直接输出数字量，不需要A/D转换，与微处理器容易接口，能够有效的解决硬件电路复杂，软件调试复杂的问题
2.在工农业生产或科学实验中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。
为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化；或者要求有的电炉的炉温根据工艺条件，按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。
因此，对温度不仅要不断地测量，而且要进行控制。
电阻炉炉温的控制，根据工艺要求不同而有所变化，但大体上可归纳为以下几个过程：
（1）自由升温段，即根据电阻炉自身的条件，不对升温速度进行控制的升温过
程。
（2）恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率Δ１进行。
（3）保温段，即要求在某一过程中炉温基本保持不变。
（4）恒速降温段，即要求炉温下降的速度按某一斜率Δ２进行。
（5）自由降温段，即根据电阻炉自身的条件，不对降温速度进行控制的升温过
程。
而每一段都有时间的要求，如下图所示：
炉温变化过程
随着单片机技术的发展，其运行功能不断增强，运行速度不断提高，不但可用它来构成顺序控制系统，也可以用它来完成工业过程的闭环控制。
电阻炉温度控制系统的组成如下图所示：
温度控制系统框图
图中的控制器即是单片机，它按比例控制规律来设计控制程序。
比例调节器的输出量经过D/A变成晶闸管控制量，来改变晶闸管的导通角，从而控制电阻炉的加热强度。
温度测量元件采用线性度好且时间常数小的AD590，采集后经过A/D转换把温度转换成与其成正比的数字量。
送入单片机与给定的温度比较如果高于给定温度上限则以上限值给D/A来控制晶闸管导通角,如果低于给定温度下限则以下限值给D/A来控制晶闸管的导通角,从而控制电炉的温度在正常范围里.下面各章将分别介绍温度控制系统的各部分组成及功能。
一．主要器件的使用和介绍
（一）、单片机
单片机清晰实物图
单片机最小系统电路图
概述：
单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）、随机存储器RAM（RandomAccessMemory）、只度存储器（ReadOnlyMenory）、中断系统、定时器/计数器以及I/O（Input/Output）口电路等主要微型机部件，集成在一块芯片上。
虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已经具有了计算机系统的属性，为此称它为单片微型计算机SCMC（SingleChipMicrocomptuer）,简称单片机。
通常所说的单片机系统都是为了实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。
在这个系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件的基础。
应用领域：
1．工业自动化方面
自动化能使工业系统处于最佳状态，提高经济效益、改善产品质量和减轻劳动强度。
因此，自动化技术广泛应用于机械、电子、石油、化工、纺织、食品等轻重工业领域中，而在工业自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集和测量技术，还是生产线的机器人技术，都需要有单片机的参与。
2．仪器仪表方面
现代仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高，对此最好使用单片机来实现，而单片机的使用又将加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。
此外，单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精确度和准确度，简化结构、减小体积而易于携带和使用，并具有降低成本，增加抗干扰能力，便于增加显示、报警和自诊断功能。
3．家用电器方面
当前，家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，而家电智能化的进一步提高就需要有单片机参与。
智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便，进一步改善我们的生活质量，把我们的生活变的更丰富。
4．信息和通信产品方面
信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，这当然离不开单片机的参与。
例如计算机的外部设备（键盘、打印机、磁盘驱动器）和自动化办公室设备（传真机、复印机、电话机等），都有单片机在其中。
5．军事装备方面
科技强军，在国防现代化离不开计算机，在各种军事设施和武器中都有单片机在发挥其作用。
单片机AT89C52：
AT89C52具有并行8K可编程的非易失性FLASH程序存储器。
要实现对器件串行在系统编程（ISP）和在应用中编程（IAP），该系列单片机是80C51微控制器的派生器件是采用先进CMOS工艺制造的8位微控制器指令系统与80C51完全相同。
（1）特性
80C51核心处理单元
片内FLASH程序存储器
速度可达33MHz
全静态操作RAM可扩展到64K
字节4个中断优先级6个中断源
4个8位I/O口全双工增强型UART
帧数据错误检测
自动地址识别
电源控制模式时钟可停止和恢复
空闲模式
掉电模式
可编程时钟输出管脚图1
异步端口复位
双DPTR寄存器
低EMI（禁止ALE）
3个16位定时器
掉电模式可通过外部中断唤醒
（2）AT89C52管脚及功能
管脚图见图1
功能表见下表
AT89C52管脚图
AT89C52管脚功能表
名称
管脚号图-1
类型
名称和功能
Vss
20
I
地
Vcc
40
I
电源提供掉电空闲正常工作电压
P0.0-0.7
39-32
I/O
P0口：
P0口是开漏双向口可以写为1使其状态为悬浮，用作高阻输入。
P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线此时通过内部强上拉传送1。
P1.0-P1.7
1-8
I/O
P1口：
P1口是带内部上拉的双向I/O口向P1口写入1时，P1口被内部上拉为高电平可用作输口。
当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流（见DC电气特性）。
P2.0-2.7
21-28
I/O
P2口：
P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。
当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流（见DC电气特性）。
在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和1
P3.0-3.7
10-17
I/O
P3：
口P3口是带内部上拉的双向I/O口，向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流（见DC电气特性）89C51/89C52/89C54/89C58的P3口脚具有以下特殊功能
10
RxD（p3.0）串行输入口
11
TxD（P3.1）串行输出口
12
/INT0（P3.2）外部中断0
13
/INT1（P3.3）外部中断
14
T0（P3.4）定时器0外部输入
15
T1（P3.5）定时器1外部输入
16
/WR（P3.6）外部数据存储器写信号
17
/RD（P3.7）外部数据存储器读信号
RST
913
I
复位：
当晶振在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。
ALE
30
O
地址锁存使能：
在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率。
并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE
（/EA）/Vpp
31
I
外部寻址使能/编程电压：
在访问整个外部程序存储器时，EA必须外部置低。
如果EA为高时，将执行内部程序除非程序，计数器可以大于0FFFH（4k器件），1FFFH（8k器件），3FFFH（16k器件），7FFFH（32k器件）。
当RST释放后EA脚的值被锁存，任何时序的改变都将无效。
该引脚在对FLASH编程时接12V编程电压（Vpp）。
XTAL1
19
I
晶体1：
晶振和内部时钟输入。
XTAL2
18
O
晶体2晶振输出
（二）、功能图
（三）、DAC0832
（1）DAC0832芯片是一种具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与MCS---51单片机接口，其具有以下特性参数：
⏹分辨率为8位；
⏹电流稳定时间1us;
⏹可单缓冲﹑双缓冲或直接数字输入；
⏹只需在满量程下调整其线性度；
⏹单一电源供电（+5V~+15V）；
⏹低功耗，200mW。
DAC0832的应用特性
⏹DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制力
实现对D/A转换的控制；
⏹有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出；
⏹DAC0832内部无参考电压源；须外接参考电压源；
⏹DAC0832为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出是，需要外加转
换电路。
（2）、DAC0832芯片的引脚功能简介
DAC0832是美国数据公司的八位D/A，片内带有数据锁存器，电流输出，输出稳定时间为1uS，功耗为20mW.微处理器采用的是P89C52有非易失FLASH并行可编程的程序存储器所有器
DAC0832是20引脚双列直插式芯片，其各个引脚的分布如下图所示，
其各个引脚的功能可以作如下解释。
D0~D7:
数据输入线；
ILE:
数据允许锁存信号，高电平有效；
CS:
输入寄存器选择信号，低电平有效。
WR1为输入寄存器的写选通信号。
输入寄存器锁存信号LE1有ILE、CS、WR1的逻辑组合产生。
当ILE为高电平、CS为低电平﹑WR1输入负脉冲时，在LE1产生正脉冲；LE1为高电平是，输入锁存器的状态随数据输入线的状态变化，LE1的负跳变将数据线上的信息锁入输入寄存器。
XFER：
数据传送信号，低电平有效。
WR2为DAC寄存器的写选通信号。
DAC寄存器的写选通信号。
DAC寄存器的锁存信号LE2,由XFER﹑WR2的逻辑组合产生。
当XFER为低电平，WR2输入负脉冲，则在LE2产生正脉冲；LE2为高电平，DAC寄存器的输出和输入寄存器的状态一致，LE2负跳变，输入寄存器的内容打入DAC寄存器。
VREF:
基准电源输入引脚。
Rfb:
反馈信号输入引脚，反馈电阻在芯片内部。
IOUT1﹑IOUT2:
电流输出引脚。
电流IOUT1与IOUT2的和为常数，IOUT1、IOUT2随DAC寄存器的内容线性变化。
VCC:
电源输入引脚。
AGND:
模拟信号地。
DGND:
数字地。
（3）、DAC0832的原理框图如下所示：
由图可知数字量是通过两级寄存器送至D/A转换器的输入端。
两级锁存器可做到当后一级锁存器正输出给D/A转换时，前一级又可接收新的数据，从而提高了转换速度。
此外，在使用多个D/A转换器分时输入数据的情况下，两级缓冲可以保证同时输出模拟电压。
WR1和WR2是用来分别控制两级锁存器的。
（4）、单缓冲方式连接：
所谓单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个（多为DAC寄存器）处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。
在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽是多路模拟量输出但并不要求输出同步的情况下，就可以采用单缓冲方式
图-4DAC0832内部原理图
（4）DAC0832与单片机的接口电路图
（四）、ADC0804
1．所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器（AnalogtoDigitalConverter简称ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。
信号输入端的信号可以是传感器（Sensor）或转换器（Transducer）的输出，而ADC输出的数字信号可以提供给微处理器，以便更广泛的应用。
2．ADC0804的规格
■8位COMS逐次逼近型的A/D转换器；
■三态锁定输出；
■存取时间：
135ūs;
■分辨率：
8位；
■转换时间：
100us；
■总误差：
±1LSB；
■工作温度：
ADC0804LCN——0℃----+70℃；
■ADC0804LCD——--40℃----+85℃；
3．引脚图及说明
/CS：
芯片选择信号。
/RD：
外部读取转换结果的控制脚输出信号。
/RD为HI时，DB0~DB7处于高阻抗；/RD为LO时，数字数据才会输出。
/WR：
用来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始，当/WR由HI变为LO时转换器被清除；当/WR回到HI时，转换正式开始。
CLKIN，CLKR：
时钟输入或接震荡元件（R，C），频率约限制在100kHz~1460kHz，如果使用RC电路则其震荡频率为1/（1.1RC）。
/INTR：
中断请求信号输出，低电平动作。
VIN（+）VIN（-）：
差动模拟电压输入。
输入单端正电压时，VIN（-）接地；而差动输入时，直接加VIN（+）VIN（-）。
AGND，DGND：
模拟信号以及数字信号的接地。
VREF：
辅助参考电压。
DB0~DB7：
8位的数字输出。
VCC：
电源供应以及作为电路的参考电压。
4．ADC0804电压输入与数字输出的关系如下表：
十六进制
二进制码
与满刻度的比率
相对电压值VREF=2.560伏
高4位字节
低4位字节
高4位字节电压
低4位字节电压
F
1111
15/16
15/256
4．800
0．300
E
1110
14/16
14/256
4．480
0．280
D
1101
13/16
13/256
4．160
0．260
C
1100
12/16
12/256
3．840
0．240
B
1011
11/16
11/256
3．520
0．220
A
1010
10/16
10/256
3．200
0．200
9
1001
9/16
9/256
2．880
0．180
8
1000
8/16
8/256
2．560
0．160
7
0111
7/16
7/256
2．240
0．140
6
0110
6/16
6/256
1．920
0．120
5
0101
5/16
5/256
1．600
0．100
4
0100
4/16
4/256
1．280
0．080
3
0011
3/16
3/256
0，960
0．060
2
0010
2/16
2/256
0．640
0．040
1
0001
1/16
1/256
0．320
0．020
0
0000
0
0
（五）、LM741运算放大器
与普通运放功能相同，只是多了调零功能，使用更精确，性能更优。
（六）、单片机键盘和键盘接口
■我们可以把单片机使用的键盘分为独立式和矩阵式两种。
独立式实际上就是一组相互独立的按键，这些按键可直接与单片机的I/O连接，即每个按键独占一条口线，接口简单。
矩阵式键盘也称为行列式键盘，因为键的数目较多，所以键按行列组成矩阵。
■从按一个键到键的功能被执行主要应包括两项工作：
一是键的识别，即在键盘中找出被按的是哪个键，另一项是功能键的实现。
第一项工作是使用接口电路实现的，而第二项工作是通过执行中断服务程序来完成的。
■键盘接口处理的核心内容是测试有无闭合键，对闭合键进行去抖动处理，求得闭合键的键码。
这些操作内容通常都是由软硬件结合的方法实现的。
为了使键盘操作更稳定可靠，还可以加一些附加功能，例如屏蔽功能；对一个键，不管按下多长时间，仅执行一次键处理子程序等。
■键盘接口的控制方式：
1.随机方式，每当CPU空闲时执行键盘扫描程序。
2.中断方式，每当有键闭合时才向CPU发出中断请求，中断响应后执行
盘扫描程序。
3.定时方式，每隔一定时间执行一次键盘扫描程序，定时可由单片机的定时器完成。
■键处理子程序：
在计算机中每一个键都对应一个处理子程序，得到闭合的键的键码后，
可以根据键玛，转相应的键处理子程序，进行字符、数据的输入或命令
处理。
这样就可以实现该键所设定的功能了。
（七）、LED显示器接口
LED显示器接口与单片机接口的显示主要是LED显示器和LCD显示器两种，LED（LightEmitingDiode）是发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“LED”。
LED显示器在单片机中的应用非常普遍。
通常所说的LED显示器由７个发光
升级会员 