恒温箱的控制系统 设计报告终稿.docx
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恒温箱的控制系统设计报告终稿
基于AT89C51单片机的温度控制系统
设计说明书
题目：
温度控制系统的设计
姓名：
倪亮
学号：
组别：
第三组
专业班级：
机自124班
摘要1
第1章绪论2
1.1温度控制系统2
1.1.1温度控制系统的发展现状2
1.1.2温度控制系统的原理与实现3
1.2单片机技术3
1.2.1单片机的定义和作用3
1.2.2嵌入式系统技术4
1.3课题的目的及意义5
第2章系统方案设计6
2.1总体方案设计6
2.2关键部分设计7
第3章系统硬件的选择8
3.1单片机的功能特性和引腿信号8
3.2时钟电路9
3.3复位电路10
3.4显示电路11
3.5加热和降温控制电路12
3.6键盘电路14
3.7温度传感器15
3.8系统硬件设计原理图16
第4章各模块软件程序设计17
4.1片内RAM初始化子程序17
4.2片外RAM初始化子程序17
4.3片外RAM初始化子程序（双字节个单元）17
4.4键盘及显示程序：
18
4.5温度检测部分单片机程序21
4.6模数转换测量子程序25
第5章参考文献28
摘要
温度是生活及生产中最基本的物理量，在家庭、医院等环境下都需要恒温储存物品、药品等，在农牧业也需要在一定的温度控制下饲养或培养生物或细胞等。
本文的恒温箱控制系统就是为满足上述需求而设计的。
目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。
在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低。
所以实现温度控制的智能化，有着极为重要的实际意义。
温度控制系统是利用下位机设置温度上下限和实时温度的采集，传输到上位机以达到对温度的比较、控制。
本设计用AT89C51单片机为主要硬件，并设计了相应的复位电路，振荡器和时钟电路等电路。
为实现设计目的，此设计还设计了包括温度采集，温度显示，系统控制等外围电路。
而且对所设计电路给出了相应的软件设计，包括定时器初始化，串行口初始化和数据传输等程序。
以简单说明了温度控制系统的工作原理。
关键词：
AT89C51单片机温度采集定时器设置温度控制
第1章绪论
1.1温度控制系统
1.1.1温度控制系统的发展现状
现今，温度的测量和控制在工业生产中已经获得了广泛的应用，并且在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。
温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。
期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。
目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。
它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。
而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面。
国外已有较多的成熟产品。
但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。
控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。
国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表．并在各行业广泛应用。
它们主要具有如下的特点：
一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；二是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。
借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。
有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。
目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
1.1.2温度控制系统的原理与实现
从控制系统的角度思考，可以这样理解温度控制系统的原理：
系统运行时，首先从键盘输入各阶段时间、温度、湿度设定值，相邻放入一连续地址表列中，分、时、温度值和湿度值各占一字节，表尾字节设置一结束标志。
系统通过一地址指针来查找定时时间和与之对应的温、湿度设定值，初始状态下，指针指向表列首址，对应于第一阶段。
系统进入运行后，采样温、湿度值，并与当前阶段的温、湿度设定值比较后得到相应控制量，控制量作用于输出执行模块，从而实现温、湿度的调控。
系统运行过程中，地址指针渐次向后移动，一旦检测到结束标志，指针又回到初始状态，开始新的循环周期。
温度升温采用电加热器，降温采用冷机；湿度加湿采用超生波电加湿器，去湿采用排湿风扇。
1.2单片机技术
1.2.1单片机的定义和作用
单片机是一种集成电路芯片，通过使用电路技术将CPU、RAM、ROM和定时器以及驱动电路、模拟多路转化器等集成在硅片上的一个完整的微型计算机系统。
单片机目前被广泛应用于生产和生活。
由于单片机在温度检测、信息存储与实时控制方面有着极强的作用，同时利用单片机能够确保整个过程的科学性和准确性。
单片机可以通过按键编程自行设定运转系统参数，从而确保了整个过程的科学性。
单片机体积小，制造成本低廉，同时只要需要操作控制系统，都能形成有效产品在应用中，单片机控制功能强，同时能够接收和发布处理指令。
从而实现多机控制和分布式控制。
因为单片机有着极强的抗干扰能力，且可靠性高，所以在生产生活中，经常使用单片机制作操作系统。
在温室使用过程中，温度和湿度是两个最重要的生产因素，温度和湿度的检测需要较多数量的检测仪器，而整个仪器基本分布于各个地方，在数据搜集和整理上单片机的使用也恰好满足需要。
依据单片机设计的温度湿度控制系统可以有效收集数据、及时科学的进行分析，且成本低廉，系统整体性价比较高。
1.2.2嵌入式系统技术
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求非常严格的专用计算机系统。
嵌入式系统广泛应用于国民经济和国防各个领域，制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的新的知识集成系统。
嵌入式系统产业是二十一世纪信息产业新的经济增长点。
嵌入式系统是将计算机硬件和软件结合起来，构成一个专门的计算装置，完成特定的功能或任务。
它是一个大系统或大的电子设备的一部分，工作在一个与外部进行交换并受到时间约束的环境中，在没有人工干预的情况下进行实时控制。
其中，软件实现有关功能并使其系统具有适应性和灵活性；硬件用于满足性能和安全的需要。
1.3课题的目的及意义
在温室的发展过程中，整个温室温度和湿度的合理控制能够有效提高温室作物的产量和质量，提高资源的利用效率和质量。
长期以来，我国国产温室中关于温度的控制系统科技含量较低，管理混乱，因此，在引入单片机设计下的温度控制系统能够转化形成智能型控制系统，通过智能系统和程序来管理温室的温度。
本文拟从单片机的作用入手，设计一个温度控制系统，提供在一定空间保持一定温度的装置，可以用于禽类孵化器、食用菌制种等过程。
第2章系统方案设计
经过对目前各类生产过程中的温控系统的资料搜集结果来看，市面上有着多类的单片机温控系统方案，但这些方案在成本以及运行的稳定性方面均不如人意。
本次设计的恒温箱控制系统，欲实现其温度可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时，可自动加热，并由风扇进行强制循环以保持箱内温度均匀；温度过高时，由扬声器进行超温报警。
2.1总体方案设计
恒温箱主要由壳体、保温层、温度控制部分和冷（热）源等4部分构成，其中控制部分是恒温箱的核心。
控制系统由中央控制单元、温度检测模块、键盘显示模块、制冷模块、制热模块以及供电模块组成，整体结构如图2.1所示。
温度探头的测量端处于恒温箱内部的空气中，实时监测箱内的温度。
通过控制面板上的键盘，可以设置恒温箱的恒温范围（即设置允许的温度上限和下限），当温度传感器探头检测到温度低于下限温度时，开启加热以使箱内温度回升；当探头检测到温度高于上限温度时，开启制冷设备以使箱内温度下降。
2.2关键部分设计
本次我们的设计我们选用Atmel公司生产的AT89C51单片机，再配上一片2764存储芯片作外部程序存储器，1片74LS373作地址锁存器，1片INTELSI55作RAM和I／O扩展器，组成单片机基本系统。
这些器件在电平、速度等方面完全相容，且具有硬件结构简单，调试方便的优点。
AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
其余具体的功能扩展模块见下文介绍。
第3章系统硬件的选择
3.1单片机的功能特性和引腿信号
本次我们的设计我们选用Atmel公司生产的AT89C51单片机，其引脚排列如图3.1所示。
其具有以下主要功能特性：
2与MCS-51 兼容
②4K字节可编程FLASH存储器
3寿命：
1000写/擦循环
4数据保留时间：
10年
5全静态工作：
0Hz-24MHz
6三级程序存储器锁定
7128×8位内部RAM
832可编程I/O线
9两个16位定时器/计数器
⑩5个中断源
⑪可编程串行通道
⑫低功耗的闲置和掉电模式
⑬片内振荡器和时钟电路
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它部件工作直到下一个硬件复位。
3.2时钟电路
在AT89C51单片机片内有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，由该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。
时序的定时单位共有四个，从小到大依次是：
节拍、状态、机器周期和指令周期。
振荡电路产生的振荡脉冲并不直接使用，而是经分频后再为系统所用，如下图3.2所示。
振荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号，在二分频的基础上再三分频产生ALE信号，在二分频的基础上再六分频得到机器周期信号。
根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式可分为内部时钟方式和外部时钟方式，如下图3.3所示：
图片3.3内部方式时钟电路（左）内部方式时钟电路（右）
如图3.4所示，在内部方式时钟电路中，必须在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路，通常C1和C2一般取30pF，晶振的频率取值在1.2MHz～12MHz之间。
对于外接时钟电路，要求XTAL1接地，XTAL2脚接外部时钟，对于外部时钟信号并无特殊要求，只要保证一定的脉冲宽度，时钟频率低于12MHz即可。
晶体振荡器的振荡信号从XTAL2端送入内部时钟电路，它将该振荡信号二分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。
时钟信号的周期称为状态时间S，它是振荡周期的2倍，P1信号在每个状态的前半周期有效，在每个状态的后半周期P2信号有效。
CPU就是以两相时钟P1和P2为基本节拍协调单片机各部分有效工作的。
3.3复位电路
复位电路的存在可以保证控制系统的稳定工作，它不仅可以有效的保证程序从开始执行，当操作错误或者程序运行出错而引起的系统死机时，复位便可以让系统重新开始。
它单片机复位电路相对比较简单，一般来说运用最多的就是上电复位。
本设计也是采用了手动上电的复位方式。
所谓上电复位是指在单片机通电的瞬间，因各部分电路电压未正常建立，这时单片机会出现运行错误，因此在上电时应使单片机复位，复位时间要求大于上电时间。
因为考虑到芯片刚刚上电时由于供电不稳定而做出错误的计算，所以增加一个上电复位以达到延时启动CPU的目的，使芯片能够正常工作。
虽然现在很多芯片自带了上电延时功能，但是我们一般还是会增加额外的上电复位电路，提高可靠性。
上电复位的工作原理，上电瞬间，电压VCC短时间内从0V上升到5V（比方说5V），这一瞬间相当于交流电，电容相当于导线，5V的电压全部加在10K电阻上，也就是说，这时RST的电平状态为高电平。
但是从上电开始，电容自己就慢慢充电，其两端电压呈曲线上升，最终达到5V，也就是说其正端电位为5V，负端电位为0V，其负端也就正好是RST，此时RST为低电平，单片机开始正常工作。
其中电容还可以起到按键去除抖动的作用
本设计采用以单片机AT89C51，其复位电路如图3.5所示，在RST端上接一个电容至VCC端，下接一个电阻至地。
当VCC端通电时，复位电路通过电容给RST端加一个高电平，此高电平信号随VCC对电容的充电而逐渐降低，因此要保证电容的充电时间足够长来完成复位功能。
3.4显示电路
考虑到实用性和可操作性，本设计使用LED显示屏作为输出器件。
本设计的采集温度并显示这一功能采用了共阳极LED数码管。
图片3.7数码管的二极管组成
图片3.6共阳极接法的数码管引脚
数码管由7个发光二极管组成，行成一个日字形。
通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字，这就是它的工作原理。
基本的半导体数码管是由7个条状的发光二极管按图3.6所示排列而成的，可实现数字“0～9”及少量字符的显示。
另外为显示小数点，增加了1个点状的发光二极管，因此数码管就由8个LED组成，我们分别把这些发光二极管命名为a，b，c，d，e，f，g，dp，共阳极接法的排列顺序如下图3.6所示。
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
我们选用动态显示驱动。
动态显示驱动：
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a，b，c，d，e，f，g，dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
3.5加热和降温控制电路
通常制冷有风冷、水冷、压缩机制冷、半导体制冷等几种方式，在此设计中用风扇制冷，加热电路用电热丝作为加热元件。
其控制电路是通过对加热模块与降温模块的通断控制从而达到温度在设置的范围内。
控制电路中继电器的选择是决定电路稳定性以及灵敏度的重要部分。
当输入量达到一定值的时候，继电器的输出量可以自动发生跳跃式变化，常被用作自动控制器件。
它不光体积小、功工作状态稳定、使用寿命长，而且灵敏度还很高，即可以迅速控制电路的开合，起到保护电路、控制电路等作用。
本设计中采用固态继电器（SSR），它可以有效地抵抗电磁干扰，不仅如此，它的切换速度十分快速，甚至有些可以达到几微秒。
除此之外，它对输入电压低的范围要求不高，驱动功率小，与大部分的逻辑集成电路兼容，从而省略了加驱动器或者缓冲器之类的器件的麻烦，下面就对固态继电器做介绍。
固态继电器SSR（Solidstatereleys）是一种无触点通断电子开关，为四端有源器件。
其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离（浮空）。
在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状态），从而控制较大负载。
整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。
由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以与电磁继电器相比具有工作可靠、寿命长，对外界干扰小，能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点，因而具有很宽的应用领域，有逐步取代传统电磁继电器之势，并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。
固态继电器结构原理图如图3.8所示，由5部分组成。
光耦隔离电路是为后级提供一个触发信号，使电子开关（三级管或晶闸管）能可靠的导通；电子开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害，一般由RC串联网络和压敏电阻组成；零压检测电路是为交流型SSR过零触发而设置的。
用三级管驱动固态继电器，图3.9是一个控制电阻丝加热的电路图，单片机输出控制信号经过反相器7406，控制晶闸管的门极触发电路导通，继电器的开关闭合，220V的交流电压直接加在加热装置上进行全加热或降温。
3.6键盘电路
键盘具有向单片机输入数据、命令等功能，是人与单片机对话的主要手段。
键盘可分为两类：
非编码键盘和编码键盘。
非编码键盘是利用按键直接与单片机相连接而成，这种键盘通常使用在按键数量较少的场合。
使用这种键盘，系统功能通常比较简单，需要处理的任务较少，但是可以降低成本、简化电路设计。
按键的信息通过软件来获取。
图片3.10独立式键盘接口电路
非编码键盘常见的为两种结构：
独立式键盘和矩阵式键盘。
独立式键盘,特点是一键一线，各键相互独立，每个键各接一条I/O口线，通过检测I/O输入线的电平状态，可容易地判断哪个按键被按下。
图3.10为独立式键盘电路，图中的上拉电阻保证按键释放时，输入检测线上有稳定的高电平。
当某一按键按下时，对应的检测线就变成了低电平，与其他按键相连的检测线仍为高电平，只需读入I/O输入线的状态，判别哪一条I/O输入线为低电平，很容易识别哪个键被按下。
优点：
电路简单，各条检测线独立，识别按下按键的软件编写简单。
适用于键盘按键数目较少的场合，不适用于键盘按键数目较多的场合，因为将占用较多的I/O口线。
矩阵式（也称行列式）键盘用于按键数目较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。
如图2所示，一个44的行、列结构可以构成一个16个按键键盘。
在按键数目较多的场合，要节省较多的I/O口线。
通过对比我们最终选用独立式键盘。
3.7温度传感器
本设计采用的DSl8820温度传感器具有以下特性：
适用电压范围广（3.0～5.5V），在寄生电源方式下可由数据线供电；独特的单线接口方式；支持多点组网功能，多个DSl8820可以并联在惟一的三线上，实现组网多点测温；在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件机转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；测温范围-55～+125℃，在-10～+58℃时的精度为±0.5℃；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传给CPU，同时町传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
3.8系统硬件设计原理图
经过以上系统的时钟电路、复位电路、显示电路、加热和降温控制电路、键盘电路、温度传感器各个部分模块的硬件选择后，最终根据实际硬件的线路连接方式绘出硬件设计原理图（如A3附图所示）。
第4章各模块软件程序设计
4.1片内RAM初始化子程序
IBCLR:
MOVA,R0
MOVR1,A
CLRA
IBC1:
MOV@R1,A
INCR1
DJNZR7,IBC1
RET;
4.2片外RAM初始化子程序
EBCLR1:
MOVA,ADDPL
MOVDPL,A
MOVA,ADDPH
MOVDPH,A
CLRC
EBC11:
MOVX@DPTR,A
INCDPTR
DJNZR7,EBC11
RET；
4.3片外RAM初始化子程序（双字节个单元）
EBCLR2:
MOVA,ADDPL
MOVDPL,A
MOVA,ADDPH
MOVDPH,A
MOVA,R7
JZEBC21
INCR6
EBC21:
CLRA
MOVX@DPTR,A
INCDPTR
DJNZR7,EBC21
DJNZR6,EBC21
RET
4.4键盘及显示程序：
MAINMOVSP,#60H;
CLREA
MOVDPTR,#7FFFH
MOVA,#0D1H;
MOVX@DPTR,A
LPMOVXA,@DPTR
JBACC.7,LP
MOVA,#0AH
MOVX@DPTRA
MOVDPTR#DISBH
LCALLDIS
MOV20H#80H
SETBIT1
SETBEA
SETBEX1
MOVDPTR,#KPRG
MULAB
JUMP@A+DPTR
INT:
MOVA,#40H
MOVDPTR,#7FFFH
MOVX@DPTR,A
MOVDPTR,#7FFFH
MOVXA,@DPTR
MOV20H,A
RET1
RDKEY:
MOVA,20H
JNBACC.7,K1
SETBEA
SJMPRDKEY
K1:
MOV20H,#80H
CLREA
RET
KPRG:
LJMPKPRG0
LJMPKPRG1
LJMPKPRG2
LJMPKPRG3
LJMPKPRG4
LJMPKPRG5
LJMPKPRG6
LJMPKPRG7
LJMPKPRG8
LJMPKPRG9
LJMPKPRG1A
LJMPKPRGB
LJMPKPRGC
LJMPKPRGD
LJMPKPRGE
LJMPKPRGF
KPRG0:
LJMPKPRG0
LJMPKPRG1
………………
LJMPKPRGF
LJMPATT
………………
KPRGFLJMPATT
DIS：
PUSHDPH
PUSHDPL
MOVR2,#08H;8位显示器
MOVA,#90H;写显示器
MOVDPTR#7FFFH
MOVX@DPTRA
POPDPL
POPDPH
TI:
MOVA,#00H
MOVCA,@A+DPTR
PUSHDPH
PUSHDPL
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVDPTR,#7FFFH
M
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