本科毕业设计基于单片机的温度测控系统的硬件设计.docx
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本科毕业设计基于单片机的温度测控系统的硬件设计
论文题目：
基于单片机的温度测控系统的硬件设计
专业:
自动化
本科生：
**（签名）________
指导老师：
**（签名）________
摘要
在当今社会中，温度的测量与控制是一个与人们的生活生产紧密联系的课题，而单片机以其独特的优点，在电子产品当中有着很广泛的应用，所以把单片机与温度的测量与控制结合起来，能够给人们精确测量控制温度带来很大的便捷，让人们的生活更加舒适，而且能够给生产部门对器件的精确制造提供很大的帮助。
本设计是基于单片机的温度测控系统的硬件设计。
该系统由单片机、液晶显示屏、温度传感器、电热管、小风扇等模块构成。
主要的工作原理是通过单片机将温度传感器采集到的温度信号经过计算，得到的结果通过处理、比较从而来控制电热管和小风扇的工作状态，使得环境温度控制在设定温度的一定范围内。
通过硬件电路和软件的调试表明，该系统能够达到设计目标，首先能够把温度在显示屏上实时显示出来，而且能够准确的控制加热与散热部件的工作状态，从而把温度控制在设定温度上下0.3度的范围内。
关键字：
单片机，温度测控系统
Subject:
TemperaturecontrolsystemhardwaredesignbasedonMicrocontroller
Specialty:
Automation
Name:
**（signature）_____
Instructor:
**（signature）_____
ABSTRACT
Intoday'ssociety,themeasurementandcontroloftemperatureisthesubjectofaproductionandisveryclosetopeople'slife,whilethemicrocontrollerwithitsuniqueadvantages,theelectronicproductswhichhaveaverywiderangeofapplications,sothemicrocontrollerandtemperaturemeasurementandcontrolofcombineditcanaccuratelymeasurethetemperaturecontroltothepeopleagreatdealofconvenience,sothatpeople'slivesmorecomfortable,butalsototheproductiondepartmentforprecisionmanufacturingdevicesprovidegreathelp.
Thisdesignisatemperaturecontrolsystemhardwaredesignbasedonmicrocontroller.Thesystemconsistsofmicrocontroller,LCDdisplay,temperaturesensor,heatingpipes,fansandothersmallmodules.Themainresultofworksbythemicrocontrollertemperaturesensortothetemperaturesignalhasbeencalculated,obtainedbyprocessing,comparisonandthustocontroltheheatingpipesandasmallfanoperatingstatus,makingtheambienttemperatureiscontrolledwithinacertainrangeoftemperaturesettings.
Throughhardwareandsoftwaredebuggingshowedthatthesystemcanachievethedesigngoal,firstthetemperaturecanbedisplayedinrealtimeonthescreen,andcanaccuratelycontroltheworkingstatusofheatingandcoolingcomponents,thusbringingdownthetemperaturecontrolatthesettemperaturewithintherangeof0.3degrees.
KEYWORDS:
microcontroller,temperaturecontrolsystem
第一章绪论
1.1课题的选题背景及生产需求状况
随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速发展和广泛应用。
单片机具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。
温度又是工业生产中常见并且十分重要的参数之一，特别是在冶金、石油、食品、印染等工厂中，为了提高产品质量，基于单片机的温度测控系统几乎存在每一个中小企业中，由于我国对于温度测控技术的研究较晚，在经过对发达国家温度测控技术的学习和吸收以后，才掌握了温度室内的微机控制技术，但是我国以单片机为核心的温度测控技术还有待发展，与发达国家相比还存在着较大差距。
我国的温度测量控制技术还没有完全成熟，在生产实习生活中还存在着许多问题，所以学习以单片机为核心的温度测控技术具有很大的现实性和必要性。
而且我国对于基于微机为核心的温度测控系统的需求很大，很多大的公司相继开发新型的温度测控系统去满足市场对温度测控系统的各种特殊需求，使之应用于各个行业，存在于各种产品中。
所以，基于单片机的温度测控系统的生产和需求都是很大的，并会日益增大。
1.2选题的研究意义
在当今的日常生活和工业生产过程中，对于温度的控制一直都有着非常重要的作用。
然而现在我国农村和一些企业矿场中，都还用简单的温度测控设备，无法实现对温度的精确测量和控制。
随着社会的高速发展，人民生活水平的提高，更多的生产部门和环节对温度测量控制精度的稳定性和可靠性的要求越来越高，简单的温度测控设备显然已经不能满足社会的需求。
所以研制开发更高精度的温度测控系统以满足社会的需求成为了急需解决的问题。
所以此次设计的目的是学习设计出能够实现对温度进行精确控制的温度测控系统，一方面，有助于我们把所学知识运用到生产生活当中，培养我们的研发能力和在完成工程项目中所需要具备的基本素质和要求，另一方面，由于温度测控系统在社会上的广泛应用也使得温度测控系统的研究意义非常重要。
1.3论文的主要工作
本论文的主要内容安排如下：
（1）了解以单片机为核心的温度测量控制技术的现状及发展趋势。
（2）对设计的控制系统将采用方案进行比较和选择，以及对控制方法的描述。
（3）对主要芯片以及部分重要硬件的介绍。
（4）对各个硬件模块的电路设计进行说明。
（5）关于软件的设计部分。
（7）总结。
（8）系统的原理图及实物图。
第二章系统整体设计方案与原理
2.1方案的比较与选择
基于单片机的温度测控系统可以有多种实现方法，这里对两个比较合适的设计方案进行比较后选择出一个较好的进行设计。
2.1.1滞环控制系统
方案一采用的是滞环控制系统进行控制。
\
图2.1指环控制系统原理图
该系统的工作原理是:
温度传感器DS18B20感应到环境温度，然后把数值传送到单片机中，单片机接受数据经处理后一方面把温度数值传送到温度显示屏上显示出来，另一方面与给定的温度上下限作比较从而控制继电器的开断，间接控制电热管和排气扇的工作状态，以达到控制温度的上升与下降的目的，使温度保持在一定范围内。
当温度过高或者过低时越限报警装置启动，以便人为采取措施。
2.1.2模糊PI控制系统
方案二采用的是模糊PI控制系统进行控制,控制系统的原理图如下图2.2所示。
、
图2.2模糊PI控制系统的原理图
该控制系统的工作原理是：
温度传感器DS18B20采集到环境温度后，把采集到的数值传送到单片机中，单片机对接收到的数据惊醒处理后，一方面把温度的数值通过温度显示屏显示出来，另一方面把接收到的数据与给定的输入值进行比较得到的差值通过PI调节来控制单片机输出等幅PWM波形的占空比，进而控制电热管与排气扇的功率达到控制温度的目的。
当温度超出设定的温度警戒线时，越限报警装置启动，以便人为进行控制。
键盘输入可以改变温度的设定值,使温度的控制更灵活，控制的温度带更广。
经过比较后发现，滞环控制系统的跟踪响应快速，但是误差较大，温度变化范围较大，波动明显。
而模糊PI控制系统不仅能够很好的跟踪响应，而且可以有效的降低稳态误差，使得温度在很小的范围内变化，提高了控制系统的精度。
故此次设计选择模糊PI控制系统。
2.2模糊PI控制系统简介
模糊控制系统简介:
模糊逻辑控制简称模糊控制，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术,模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。
模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。
模糊控制的规则有以下三种:
（1）专家的经验和知识
（2）操作员的操作模式
（3）学习
模糊控制系统的特点是:
（1）简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、滞后、模型不完全系统的控制。
（2）不依赖于被控对象的精确数学模型。
（3）利用控制法则来描述系统变量间的关系。
（4）不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。
（5）模糊控制器是一语言控制器，便于操作人员使用自然语言进行人机对话。
（6）模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，具有较佳的鲁棒性、适应性、强健性及较佳的容错性
但是模糊控制系统对信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。
若要提高精度就必然增加量化级数，导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能进行实时控制。
而PI控制系统不仅能够很好的跟随响应，而且还能够有效的降低系统稳态误差，所以在小偏差范围内选择PI控制。
模糊PI控制系统综合了模糊控制的动态性能以及PI控制的稳态性能，控制原理是：
当系统的偏差较大是，通过开关选择模糊控制器，以达到较好的动态特性；当系统的偏差较小时，将开关切换到基本PI控制器，以获得较好的稳态性能。
模糊PI控制系统结构如图2.3所示。
图2.3模糊PI控制系统结构图
第三章系统设计主要芯片及主要硬件的介绍
3.1单片机STC89C52RC的结构及工作原理
单片机微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器。
用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
它最早是被用在工业控制领域。
由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
3.1.1STC89C52RC单片机简介
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进，使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，使得STC89C52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。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
STC89C52RC单片机主要特性:
（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。
（2）工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。
（3）工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。
（4）用户应用程序空间为8K字节。
（5）片上集成512字节RAM。
（6）通用I/O口（32个），复位后为：
P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
（8）具有EEPROM功能。
（9）共3个16位定时器/计数器，即定时器T0、T1、T2。
（10）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
（11）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。
（12）工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。
（13）PDIP封装。
STC89C52RC单片机的工作模式：
（1）掉电模式：
典型功耗,<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。
（2）空闲模式：
典型功耗2mA。
（3）正常工作模式：
典型功耗4MA-7MA。
3.1.2单片机的外围引脚及其功能
图3.1STC89C52RC引脚图
STC89C52RC单片机是40引脚封装。
这40个引脚由四组8位并行I/O端口、VCC、GND、两条外接晶体引脚（XTAL1、XTAL2）、四条控制引脚（RST、EA/VPP、ALE、PSEN）组成。
（1）VCC（40脚）：
接+5v电源正端。
（2）GND（20脚）：
接电源地端。
（3）XTAL1 （19 脚） 和 XATL2（18 脚）：
外接振荡电路。
（4）PSEN（29 脚）：
片外程序存储器选通信号,低电平有效。
每个机器周期该信号两次有效，并且通过数据总线P0口读会指令或常数。
在访问片外数据存储器时，该信号处于无效状态。
（5）ALE/PROG（30 脚）：
地址锁存允许信号输出端、以及EPROM 编程脉冲输入端。
（6）ALE在每个机器周期内输出2个脉冲，下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址，也可作为对外输出的时钟脉冲信号或用于定时，次频率为振荡频率的1/6。
（7）RST/VPD（9 脚）：
复位信号/备用电源输入端。
若该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，单片机将会复位。
当VCC掉电时,此引脚可以接上备用电源,以保存内部RAM的数据不丢失;当VCC低于规定水平时,通过该引脚也可向内部RAM提供备用电源。
（8）EA/VPP（31脚）：
内/外部 ROM 选用端。
当该引脚保持高电平时，不管是否有外部程序存储器，只访问内部程序存储器。
反之，当保持低电平时，访问外部程序存储器。
（9）P0 口（39~32 脚P0.0-P0.7）：
由P0.0~P0.7组成，是个8位双向 三态I/O 口。
在访问外部存储器时,可分别用作低8位地址线和8位数据线;P0口可以驱动8个LSTTL 输入。
在输出高电平时，需接4.7K~10K的上拉电阻。
（10）P1 口（1~8 脚）：
由P1.0~P1.7组成，P1口是一个内部带有上拉电阻的准8位双向I/0 口,能驱动4个LSTTL输入。
（11）P2 口（21~28 脚）：
由P2.0~P2.7组成，P2口是一个内部带有上拉电阻的准8位双向I/0 口, 同时可用作高8位地址线和8位数据线，能驱动4个LSTTL输入。
（12）P3 口 （10~17 脚）：
由P3.0~P3.7组成，P3口是一个带内部有上拉电阻的准8位双向I/0 口。
同时，它的每一条口线都具有第二功能，表3.1所示。
表3.1P3口各位的第二类功能
口线
第二功能
P3.0
RXD（串行口的输入端）
P3.1
TXD（串行口的输出端）
P3.2
（外部中断INT0输入端，低电平0有效）
P3.3
（外部中断INT1输入端，低电平0有效）
P3.4
T0（定时/计数器0计数脉冲的输入端）
P3.5
T1（定时/计数器1计数脉冲的输出端）
P3.6
（片外数据存储器写选通信号的输出端，低电平0有效）
P3.7
（片外数据存储器读选通信号的输出端，低电平0有效）
3.1.3单片机的定时/计数器
STC89C52RC单片机内部自带三个16位定时/计数器T0、T1和T2，T0和T1均可作为定时器或计数器使用。
6个特殊功能寄存器决定了它的工作方式及功能。
（1）TMOD:
用来设置定时/计数器T0和T1的工作方式。
寄存器内部如表3.2所示。
表3.2控制寄存器（TMOD）
位编号
TMOD.7
TMOD.6
TMOD.5
TMOD.4
TMOD.3
TMOD.2
TMOD.1
TMOD.0
位定义
GATE
C/’T
M1
M0
GATE
C/’T
M1
M0
TMOD的低4位用于定时/计数器T0的工作方式选择，高四位用于定时/计数器T1的工作方式选择。
GATE:
选择定时/计数器是否受外部中断控制。
若GATE=1，定时/计数器T0启停受引脚P3.2（中断0）控制；定时/计数器T1启停受引脚P3.3（中断1）控制；若GATE=0，定时/计数器的启停与外部中断（中断0和中断1）无关。
C/’T：
定时/计数方式选择位。
当C/’T=0时为定时方式；C/’T=1时为计数方式。
M1、M0：
定时/计数器工作模式时选择位。
定时/计数器工方式如表3.3所示。
表3.3四种定时/计数器工作方式
M1
M2
工作方式
功能描述
0
0
方式0
13位定时/计数器
0
1
方式1
16位定时/计数器
1
0
方式2
8位定时/计数器
1
1
方式3
分为两个独立的8位计数器（T0）
（2）定时/计数器控制寄存器（TCON）
TCON用于控制定时/计数器的启停、溢出和外部中断触发方式。
TCON寄存器内部各位定义如表3.4所示。
表3.4TCON内部各位定义
位编号
TCON.7
TCON.6
TCON.5
TCON.4
TCON.3
TCON.2
TCON.1
TCON.0
未定义
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
3.1.4单片机内部结构
STC89C52RC单片机内部由中央处理器、存储器、输入/输出端口、定时/计数器、中断系统以及系统总线等构成，内部结构框图如3.2所示。
图3.2STC89C52RC单片机内部结构
单片机内部主要由中央处理器（CPU）、片内数据存储器（RAM）、片内程序存储器（ROM）和输入/输出接口组成。
STC89C52RC单片机的CPU是一个8位二进制数的中央处理器，主要由运算器、控制器和特殊寄存器组构成。
运算器：
运算器的核心为算术逻辑单元（ALU），主要由布尔处理器、累加器（ACC）、暂存器（TMP1、TMP2）、程序状态字寄存器（PSW）和寄存器（B）构成。
主要功能为处理数据的算术运算。
控制器：
控制器的主要功能为对来自存储器中的指令进行译码，通过定时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部的控制信号，使各部分协调工作,控制器主要由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和定时控制逻辑电路等组成。
特殊寄存器（SFR）：
也称为专用寄存器,主要用来指示当前要执行指令的内存地址，存放特定的操作数，指示指令的运行状态等。
STC89C52RC单片机共有26个特殊功能寄存器，离散地分布在片内RAM的高128B地址中。
STC89C52RC内部有两个存储器，分为程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM），但由于访问的地址一样，因而要采用不同形式的指令进行操作。
程序存储器：
主要存放单片机的要执行的程序，一般为FlashROM.对于STC89C52RC来说，ROM的大小为8KB，片内存储空间地址为0000H~1FFFH，若EA=0,当PC值在0000H~1FFFH之间时，CPU从内部程序存储器取指令，当PC值大于1FFFH时，则从外部程序存储器取址。
另外，程序存储器中有几个特殊存储单元，这些存储单元是提前固定好的，具有特殊用途。
具体如表3.5所示。
表3.5程序存储器中的特殊单元
0000H
单片机上电或复位后，程序从该地址开始执行
0003H
外部中断0入口地址
000BH
定时/计数器0溢出中断入口地址
0013H
外部中断1入口地址
001BH
定时/计数器1溢出中断入口地址
0023H
串行口中断入口地址
002BH
定时/计数器2溢出或T2EX（P1.1）端负跳变时的入口地址
内部数据存储器：
主要存放运算的中间结果、数据暂存、缓冲、标志位以及用户自定义的字形表等。
STC89C52RC单片机内部数据存储器可分为片内RAM区和特殊功能寄存器区（SFR）。
其内部RAM的大小为256B，低128字节的内部RAM（地址:
00H-7FH）,可直接寻址或间接寻址。
高128字节的内部RAM（地址:
80H-FFH）,只能间接寻址。
特殊功能寄存器（SFR）（地址:
80H-FFH）,只能直接寻址.因此可以通过寻址方式的不同，来区分特殊功能寄存器SFR和高128位的内部RAM。
52系列单片机在51的基础上增加了5个特殊功能寄存器，主要与定时/计数器2相关联。
如表3.6所示：
表3.6STC89C52RC附加的SFR
SFR功能
名称
SFR
符号
字节地址
复位值
（二进制）
位地址和位名称
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
定时/计数器2
控制寄存器
T2CON
C8H
00000000
CF
CE
CD
CC
CB
CA
C9
C8
TF2
EXF2
RCLK
TCLK
EXEN2
TR2
C/T2
CP/RL2
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