单片机鸡雏恒温孵化器设计方案课设.docx

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单片机鸡雏恒温孵化器设计方案课设

辽宁工业大学

单片机原理及接口技术课程设计<论文）

题目：

鸡雏恒温孵化器设计

院<系）：

电气工程学院

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

<签字）

起止时间：

2018.07.04-2018.07.15

课程设计<论文）任务及评语

院<系）：

电气工程学院教研室：

学号

学生姓名

专业班级

电气085

课程设计<论文）题目

鸡雏恒温孵化器设计

课程设计<论文）任务

该鸡雏恒温孵化器可实现鸡雏孵化过程恒温控制，温度可通过键盘自行设定。

并有温度上下限报警功能。

利用电热丝加热。

温度测量范围0～50度。

主要设计内容：

硬件电路设计：

1.CPU最小系统设计<包括CPU选择，晶振电路，复位电路）

2.温度传感器选择及接口电路设计

3.驱动电路设计

软件设计：

1.编程程序流程图2.程序清单编编写

进度计划

第1天查阅收集资料

第2天总体设计方案的确定

第3天CPU最小系统设计

第4天温度传感器选择及接口电路设计

第5天驱动电路设计

第6天程序流程图设计

第7天软件编写与调试

第8天设计说明书完成

第9天答辩

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制

摘要

随着电究所子技术的发展，微处理器、集成电路不断更新、发展，温度是工业生产和自动控制中最常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学变化的过程都与温度密切相关，因此，在生产过程中常需对温度进行检测和监控。

采用单片机进行温度检测、数值显示和数据的存储，效率高，性能稳定，还可以实现实时控制等技术要求，在工业生产中应用越来越广泛。

单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。

随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的温度控制器应运而生。

随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中鸡雏恒温孵化器就是一个典型的例子，本设计所介绍的鸡雏恒温孵化器，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用DS18B20，用液晶LCD1602实现温度显示。

关键词：

单片机；温度传感器；LCD液晶屏；恒温

第1章绪论1

1.1恒温控制系统简况1

1.2本文研究内容1

第2章CPU最小系统设计2

2.1恒温系统总体设计方案2

2.2CPU的选择2

2.389C51单片机3

2.3.1AT89C51主要特性3

2.3.289C51单片机的基本结构3

2.3.389C51单片机引脚功能3

2.4数据存储器扩展4

2.5复位电路设计6

2.6时钟电路设计7

2.7CPU最小系统图7

第3章CPU输入输出接口电路设计9

3.1温度传感器的选择9

3.2温度检测接口电路A/D转换器选择10

3.3人机对话接口电路设计11

3.3.1显示接口电路设计11

3.3.2简易式键盘接口电路设计12

3.4报警与控制电路14

第4章系统软件设计15

4.1系统主程序设计15

4.2温度控制部分程序设计16

4.3键盘部分程序设计16

4.4温度显示子程序设计17

4.5数据采集模块程序设计18

第5章单片机程序19

第6章课程设计总结24

参考文献25

第1章绪论

恒温控制系统简况

本设计的内容是恒温控制系统，控制对象是温度。

温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。

而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。

随着电究所子技术的发展，微处理器、集成电路不断更新、发展，温度是工业生产和自动控制中最常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学变化的过程都与温度密切相关，因此，在生产过程中常需对温度进行检测和监控。

采用单片机进行温度检测、数值显示和数据的存储，效率高，性能稳定，还可以实现实时控制等技术要求，在工业生产中应用越来越广泛。

本文研究内容

本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：

当温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升。

当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降。

当温度下降到上限温度以下时，停止降温。

温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。

LCD液晶显示器即时显示温度。

本设计主要设计内容：

硬件电路设计：

1.CPU最小系统设计<包括CPU选择，晶振电路，复位电路）

2.温度传感器选择及接口电路设计

3.驱动电路设计

软件设计：

1.编程程序流程图

2.程序清单编编写

第2章CPU最小系统设计

恒温系统总体设计方案

本设计题目为基于单片机的鸡雏恒温孵化器的设计，温度控制设定范围为0-50°C，上、下限温度在程序中设置，实现控制可以升温也可以降温，实时显示当前温度值，另外还有蜂鸣器报警功能。

本文使用热电偶温度自动控制系统。

<采用A/D转换器）采用单片机控制，液晶显示模块LCD显示。

系统框图如图2.1：

图2.1温度控制系统原理图

CPU的选择

由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等独特优点，已成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广泛的发展前景。

单片机技术的应用，使得许多领域的技术水平和自动化程度大大提高，可以说，当今世界正面临着一场以单片机<微电脑）技术为标志的新技术革命

本设计决定用单片机作为中心控制器。

现流行的单片机有很多种，其中MCS-51系列以较高的性价比博得很多用户的青睐。

所以，本系统采用美国Intel公司生产的89C-51型单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉等优点并具有4K字节的程序存储器，使得它应用起来更加方便。

89C51单片机

AT89C51主要特性

<1）面向控制的8位CPU；

<2）片内4KBFlashROM程序存储器；

<3）128B的片内数据存储器；

<4）可寻址64KB的片外程序存储器和片外数据存储器控制电路；

<5）2个16位定时/计数器；

<6）4个并行I/O口，共32条可单独编程的I/O；

<7）5个中断源，2个中断优先级；

<8）低功耗的闲置和掉电保护模式；

89C51单片机的基本结构

89C51由8个部件组成，即中央处理器

89C51单片机引脚功能

<1）XTAL1：

接外部晶体和微调电容的一端。

在89C51片内，它是振荡电路反向放大器的输入端及内部时钟发生器的输入端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。

当采用外部振荡器是次引脚输入外部时钟脉冲。

<2）XTAL2：

解外部晶体和微调电容的另一端。

在89C51片内，它是振荡电路反向放大器的输出端。

在采用外部振荡器时此引脚应悬浮。

通过示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出，可以确认89C51的振荡电路是否正常工作。

<3）RST：

复位信号输入端，高电平有效。

当振荡器工作时，在此引脚上出现两个机器周期一上的高电平，就可以使单片机复位。

<4）ALE/：

地址锁存允许信号。

ALE锁存P0口传送的低8位地址信号，实现低8位地址与数据的分离。

<5）：

外部程序存储器的读选通信号。

当89C51由外部程序存储器取指令<或常数）时，每个机器周期内两次有效输出。

<6）/VPP：

内，外ROM选择端。

当端接高电平时，CPU访问并执行内部ROM的指令；但当PC值超过4KB时，将自动转去执行外部ROM中的程序。

但端接低电平时，CPU只访问外部ROM中的指令。

<7）P0口：

双向8位三态I/O口，在访问外部存储器时，可分时用做低8位地址线和8位数据线。

无上拉电阻，能驱动8个LSTTL门电路。

P1口：

8位双向I/O口，用做普通I/O口。

有上拉电阻，能驱动4个LSTTL门电路。

P2口：

8位双向I/O口，做高8位地址线。

有上拉电阻，能驱动4个LSTTL门电路。

P3口：

8位双向I/O口，具有第二功能。

有上拉电阻，能驱动4个LSTTL门电路。

89C51单片机的引脚图<40脚双列直插封装）如下

图2.289C51单片机的引脚图

数据存储器扩展

89C-51型单片机片内有128B的RAM，在实际应用中仅靠这256B的数据存储器是远远不够的。

这种情况下可利用MCS-51单片机所具有的扩展功能扩展外部数据存储器。

MCS-51系列单片机最大可扩展64KB。

6264是8K×8位静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5V电源供电，额定功率200mW，典型存取时间200ns，为28线双列直插式封装。

图2.36264引脚图

6264的特性及引脚信号

6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造

A12～A0：

地址线，可寻址8KB的存储空间。

D7～D0：

数据线，双向，三态。

：

读出允许信号，输入，低电平有效。

：

写允许信号，输入，低电平有效。

CE1：

片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。

CE2：

片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。

VCC：

+5V工作电压。

GND：

信号地。

6264的操作方式

6264的操作方式由CE1、CE2的共同作用决定

写入：

当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7～D0写入被选中的存储单元。

读出：

当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7～D0上。

保持：

当为高电平，CE2为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。

89C51单片机与6264的接口，如下图：

图2.489C51单片机扩展

74LS373是一种带三态门的8D锁存器，其管脚示意图如下图所示：

图2.574LS373引脚图

其中D0~D7为8个输入端；，

Q0~Q7为8个输入端；

LE为数据打入端：

当LE为“1”时，锁存器输出状态同输入状态：

当LE“0”时，数据打入端锁存器；

为输出允许端：

当

=0时，三态门打开；

=1时，三态门关闭，输出高阻。

复位电路设计

单片机复位电路图2.6为单片机复位电路。

单片机在开机时都需要复位，以便中央处理CPU以及其他功能部件都处于一个

确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲<2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。

MCS-51单片机的RST引脚是复位信号的输入端。

例如：

若MCS-51单片机时钟频率为12MHz，则复位脉冲宽度至少应该为2μs。

图2.6复位电路原理图

时钟电路设计

片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。

片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。

C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。

本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。

振荡周期＝

；机器周期

；指令周期＝

图2.7时钟电路原理图

CPU最小系统图

本设计中的89C51的最小系统包括89C51单片机，6264可编程I/O接口，晶振电路，按键复位电路.

1.复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，容值越大需要的复位时间越短。

2.晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的的晶振，晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大单片机处理速度越快。

本设计采用110592MHz，图中用约等于12MHz。

3.起振电容C2、C3一般采用15~33uF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。

本设计中C2、C3采用33uF。

CPU最小系统图如图2.8

图2.8CPU最小系统图

第3章CPU输入输出接口电路设计

温度传感器的选择

本设计采用智能温度传感器DS18B20，它的最高分辨率为12位，可识别0.0625

的温度。

它具有直接输出信号和数据处理功能，并且它和单片机的接口只需要一位I/O口，因此有塔构成系统简单实用。

DS18B20按照工业设计要求，抗干扰性能强，温度测量范围为

。

DS18B20是采用“1-wire”，即一线总线传输数据的集成温度传感器，信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需要连接一条线。

可采用外部电源供电，也可采用总线供电方式，此时，把VDD连在一起作为数字电源。

因为每一个DS18B20有唯一的系列号

此特性的应用范围包括HVAC环境控制，建筑物，设备或机械内的温度检测，以及过程检测和控制中的温度检测。

DS18B20内部结构如图3.1，DS18B20引脚说明如表3.1，主要由4部分组成：

61为ROM，温度窗前，非挥发的温度报警触发器TH和TL，配置寄存器。

图3.1DS18B20内部结构图

表3.1DS18B20的引脚说明

引脚

符号

说明

1

GND

地

2

DQ

单线运输的数据输入/输出引脚

3

VCC

可选VDD引脚两种供电方式

器件从单线的通信线去得其电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中，在单信号线为低电平的时间期内断开此电源，直到信号线变为高电平重新接上寄生电源为止。

作为另一种可供选择的方法，DS18B20也可用外部5V电源供电。

DS18B20与89C51接线方式如图3.2。

图3.2DS18B20与89C51接线方式

温度检测接口电路A/D转换器选择

A/D转换接口是系统数据采集前向通道的一个重要环节。

数据采集是在模拟信号源中采集信号,并将之转换为数字信号送入计算机的过程。

AD574由两部分组成，一部分是模拟芯片，另一部分数字芯片，其中模拟部分由高性能的12位D/A转换器AD565和参考电压组成。

数字部分由控制逻辑电路，逐次逼近型寄存器的三态缓冲器组成。

AD574的引脚如图3.2所示。

功能特性

分辨率：

12位；

非线性误差：

小于±0.5LSB或±1LSB。

转换速率：

25μs。

模拟电压输入范围：

0-10V,0-20V。

电源电压：

±15V和5V。

数据输出格式：

12位/8位

芯片工作模式：

全速工作模式和单一

工作模式。

图3..2AD574的引脚图

人机对话接口电路设计

显示接口电路设计

显示电路如图3.3所示。

LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。

这种显示块有共阴极和共阳极两种。

共阴极LED显示块的发光二极管共地。

图3.3显示电路原理图

当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；本设计选用的显示块是共阴极的LED<共阴极LED显示块的发光二极管阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮）。

将单片机I/O口的8位线与显示块的发光二极管的引出端

简易式键盘接口电路设计

8255可编程并行I/O接口设计

MCS-51系列单片机共有4个8位并行I/O口，这些I/O口一般是不能完全提供给用户使用的，在外部扩展存储器时，提给用户使用的I/O口只有P1和P3口的部分口线。

因此在大部分的MCS-51单片机应用系统中都免不了要进行I/O口的扩展。

8255芯片引脚图如图3.4所示。

图3.48255引脚图

图3.5I/O口扩展电路

单片机也8255的接口比较简单，如图3.5所示，8255的片选信号

及口地址选择线AO、A1分别由单片机的P0.7和P0.0、P0.1经地址锁存器提供.

8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。

8255的D0～D7分别与P0.0到P0.7相连。

键盘功能说明：

1号键：

上升。

2号键：

下降。

3号键：

下限温度值确定。

4号键：

上限值确定。

5号键：

查询上下限值。

使用1号键和2号键，设定需要的温度控制系统的上限值，然后按下4号键，将这个上限值确定，也就是将上限值保存到专用的寄存器里。

在完成设定上限值的工作后，使用1号键和2号键设定需要的温度控制系统的下限值，然后按下3号键，将这个下限值确定，也就是将这个下限值保存到专用的寄存器里，然后系统进去实时的温度测量和控制工作中。

键盘接口电路如图3.6所示：

图3.6键盘接口电路图

报警与控制电路

该部分是单片机和外部报警与控制的接口部分，主要起报警、执行和电气隔离作用，其电路图如图3.7所示。

继电器采用SRD-D6VDC-SL-C型，240AC通断TA的电流。

其直流线圈电阻95欧，三极管Q1采用KTC9012，输出电流IC为150mA，放大系数β为60至1000范围内，若取β为200则Ic在5V下为50mA左右，则基极电流为0.25mA。

只有P0口在高点位输出时才能达到这样大的电流值。

因此把这两个口分别用P0和P01代替。

由于P0口属于三态输出输入口，因此，必须接上拉电阻，其阻值大小可计算为：

我们取10千欧的电阻让Q1在高电平时饱和导通，此时，基极电流为

。

二极管D1主要起保护作用，在Q1关断时续流，以免电感线圈断路时产生过压损坏三极管。

图3.8继电器、报警与执行电路

由于DS18B20自带了存储器，能够将设定的温度报警值自动存入DS18B20的EEROM中，永久保存，因此每次开机时系统都会自动从DS18B20的EEROM读出温度报警值.两个继电器中，K1接的是降温装置，K2接的是加热装置，当实际温度大于TH的设定值时，蜂鸣器响，表示超温，此时继电器K1吸合，接通降温装置进行降温；当实际温度处于TL与TH的设定值之间时，继电器常闭。

第4章系统软件设计

系统主程序设计

主程序流程图如图4.1所示主程序完成的功能是：

启动传感器测量温度，将测量温度与给定值比较进行PID运算，若

，则进入加热阶段，置P13为高

图4.1系统主程序流程图

电平。

在过程中继续对温度进行监测，当

时，置P13为低电平断开可控硅，关闭加热器，等待下一次的启动命令。

温度控制部分程序设计

这部分程序的功能是将采集到的温度值TX与TL比较，如果TX≤TL则报警，并置P3.1口为低电平，通过光耦合器打开可控硅，使加热器加热，并调显示，显示88.8。

否则将TX与TH比较，如果TX≥TH则报警，并置P13口为高电平，通过光耦合器关闭可控硅，停止加热器加热，并调显示，显示88.8。

否则，也就是

≤

≤

当温度在正常范围内，调显示，显示采集到的温度值

。

加热程序流程图如图4.14所示。

图4.2温度控制程序流程图图4.3键盘处理子程序流程图

键盘部分程序设计

本部分主要是实现输入设定温度和查询设定温度的功能。

该部分的子程序流程图如图4.3所示。

在键盘的控制方面，由于采用了5个单键，因此使得键值识别的问题也比较简单。

在执行程序的时候只需要逐位判断PA0,PA1,PA2,PA3,PA4口是高电平还是低电平，若为高电平，则表示没有按键按下，若为低电平，则表示已经有键按下，于是执行键的处理子程序。

在程序的设计当中，考虑了键的去抖动问题。

在发现有键闭和时，不是立即读入该键值，而是延时一段时间以后，再进行键闭和与否的判断，确认此时真的有键按下，有则进行该按键的处理，没有则不进行处理。

温度显示子程序设计

此模块采用的是动态扫描的方法，依次改变P0口输出高电平的位和P2口输出对应的数据段，就可以轮流点亮显示器的各位数码管。

动态显示是把十六进制数<或BCD码）转换为相应字形码，故它通常需要在RAM区建立一个显示缓冲区。

显示部分流程图如图4.4所示。

图4.4显示子程序流程图

数据采集模块程序设计

数据采集的主要任务是巡回检测三点的温度参数并把它们存在外部RAM指定单元,采样程序如图4.17所示。

图4.5温度采样程序流程

第5章单片机程序

单片机程序如下：

ORG0000H

SJMPMAIN

ORG0003H

LJMPINT

ORG0025H

MAIN：

MOVSP,#60H

MOV20H,#00H

MOV21H,#08H

MOV29H,#0FEH

LCALLZIJIAN

LCALLREADTHTL

LCALLTESTRANGE

LCALLDISP

SETBINT0

SETBEX0

SETBEA

LOOP:

LCALLDELAY

LCALLGET_TEMP

LCALLTURN

LCALLDISPLAY

CLRC

MOVA,24H

CJNEA,2EH,LOOP1

SJMPHOTTING

LOOP1:

JCHOTTING

MOVA,24H

CLRC

CJNEA,2DH,LOOP2

SJMPSTOPHOT

LOOP2:

JNCSTOPHOT

SJMPKEEP

HOTTING:

CLRP3.1

CLRP1.5

SETBP1.6

KEEP:

SJMPLOOP

STOPHOT:

SETBP3.1

SETBP1.5

CLRP1.6

SJMPLOOP

ZIJIAN:

MOV30H,#08H

MOV31H,#08H

MOV32H,#13H

MOV33H,#08H

MOV34H,#13H

CLRP1.4

CLRP1.5

CLRP1.6

CLRP1.7

MOVR3,#0FFH

WAIT0:

ACALLDISPLAY

DJNZR3,WAIT0

SETBP1.5

SETBP1.6

SETBP1.7

RET

TURNTH:

MOV2DH,27H

MOV2EH,28H

MOV24H,27H

ACALLTURN

MOV2AH,30H

MOV2BH,31H

MOV2CH,32H

MOVA,2CH

CLRC

SUBBA,#0BH

MOV2CH,A

MOV33H,#00H

MOV34H,#15H

RET

TESTRANGE:

MOVA,2AH

CJNEA,#01H,NOMAX

MOV22H,#08H

SJMPEXITTEST

NOMAX:

MOVA,2BH

CJNEA,#00H,MIDD

MOV22H,#02H

SJMPEXITTEST

MIDD:

MOV22H,#04H

EXIT