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温控

江苏科技大学

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.1.1引言

1.1.2温度控制系统的现状

1.2基于Proteus智能温度控制系统的功能要求

1.2.1基于Proteus智能温度控制系统的功能要求

1.2.2基于Proteus智能温度控制系统的技术指标要求

1.3基于Proteus智能温度控制系统的设计方案

1.4课题研究任务及主要工作

1.5论文的章节安排及主要内容

第二章基于Proteus智能温度控制系统的设计

2.1基于Proteus智能温度控制系统的概述

2.2基于Proteus智能温度控制系统的硬件选择

2.2.1硬件系统的组成

2.2.2处理器AT89C52

2.2.3温度传感器DS18B20

2.2.4数字显示1602型LCD液晶显示器

2.2.5电机驱动器

2.2.6AT24C02

第三章基于Proteus智能温度控制系统的软件使用

3.1仿真软件Proteus

3.1.1Proteus软件介绍

3.1.2软件安装及使用方法

3.1.3基于Proteus智能温度控制系统的仿真实现过程

3.2编程软件Keil

3.2.1Keil软件介绍

3.2.2Keil对AT89C52的支持

3.2.3Keil对温度传感器DS18B20的编程过程

3.2.4Keil对1602型显示器的编程过程

3.2.5Keil对电机驱动的编程过程

3.3程序植入方法

第四章基于Proteus智能温度控制系统的原理图设计及其仿真调试过程

第五章总结

参考资料

致谢

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.1.1引言

温度控制是工业控制中发展最早最重要的分支之一，其应用已涉及社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。

而控制温度的对象也多种多样，大到炼钢炉，小到加热器。

在工业控制领域，温度通常也是控制的主要被控物理量之一，尤其一些对运行环境要求苛刻的场合，温度更是一个主要的控制参数。

为保证生产过程正常进行，提高产品的数量与质量，减轻工人的劳动强度以及节约能源，常要求被控对象的工作环境温度按某种指定规律变化。

但温度控制是一种典型的非线性控制，其慢时变、大时滞的特性可引起系统的不稳定或者降低系统的反馈性能，采用传统的经典控制方法就很难获得良好的动态和静态性能。

智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成，是一门新兴的交叉前沿学科。

由于现代科技的迅速发展和进步，各种实际工程系统的发展规模越来越大，复杂性越来越高，对控制系统也提出了新的更高的要求，常规控制的理论和技术已无法满足工程上对提高自动化水平和扩大自动化范围的要求，从而促使了智能控制技术的进一步发展。

目前智能控制技术，如神经元网络技术、模糊控制技术、遗传算法优化技术、专家控制系统、基于规则的仿人智能控制技术等已得到广泛运用。

超大规模集成电路技术的发展促进了单片机的诞生，单片机具有功能强、性价比高、可靠性高、功耗低、体积小等特点。

单片机技术的出现既提高了产品质量，又丰富了产品功能，同时还简化了控制系统的设计。

单片机主要应用在电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造等生产实践中，用来实现信号检测、数据采集以及对应用对象的控制。

温度是工业控制中主要的被控参数，对于通信中心设备来说，环境温度与湿度有着比较严格的要求，温度与相对湿度的大幅度变化可能导致敏感设备的不可靠工作，急剧的温度变化甚至可能导致设备的损坏，从而引起极大的经济及财产损失。

因而，保持适宜的温度环境对保证设备的可靠工作十分重要。

本系统采用AT89C52作为温度控制系统主控单元。

AT89C52是一种带4kB闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS的8位微处理器。

指令系统和引脚与典型的MCS-51系列完全兼容，方便软件的编写。

单片机芯片具有处理能力强、运行速度快、功耗低、性价比高等优点，尤其在温度测量与控制方面，具有控制简单方便，测量范围广，精度较高的优点，得到了广泛的应用。

1.1.2温度控制技术的现状

进入21世纪后，智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度控制器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到2°C。

目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9~12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5~0.0625°C。

传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。

新型智能温度控制器普遍采用了高性能的Σ－Δ式A／D转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。

Σ－Δ式A／D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低；由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。

这种智能温度控制器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。

温控技术正在朝着提高温度控制器测温精度和分辨力、增加温度控制器测试功能、温度控制器总线技术的标准化与规范化、温度控制器可靠性及安全性设计、虚拟温度控制器和网络温度控制器、温度控制器单片测温控制系统等六大方面发展。

1.2基于Proteus的智能温度控制系统的功能要求

1.2.1基于Proteus的智能温度控制系统的功能要求

为了满足温度测控系统的需要，该系统功能要求如下：

1.温度检测

传感器DS18B20把现实温度模拟信号转化为数字信号并传给单片机。

2.数据显示

使用1602型LCD液晶显示器显示。

3.智能分析

用Keil汇编程序植入单片机具有智能分析温度判定是否开启电机。

4.报警功能

具备人工设定温度超限报警功能。

5.自动控制

具备手动和自动对电机设备进行控制的功能。

1.2.2基于Proteus的智能温度控制系统的技术指标要求

系统监测范围：

温度：

0℃～128℃

系统监测分辨率：

温度：

0.1℃

1.3基于Proteus的智能温度控制系统的设计方案

本系统采用DS18B20将采集到的模拟量温度转化为数字量，然后传给单片机。

单片机通过输入的程序进行显示和电机控制，从而可以实现电机对温度的控制。

系统简单可行易于实现，在Proteus软件中器件全面连接方便，加上Keil的编程仿真容易实现。

1.4课题研究的任务及主要工作

本课题的工作重点是以单片机系统开发平台为基础，设计出带有智能控制和即时显示的电路，用于各种需要温度控制有关的场所中，以更方便的实现对现场温度的测量和控制。

本课题侧重于基于Proteus软件仿真环境下的DS18B20温度传感1602的LCD显示及89C52芯片控制电机来实现的温度控制。

另外在实现单片机控制电机系统的同时如何防止信号干扰也是是本课题的特色。

本课题的主要研究工作包括：

·与课题内容相关的软件和硬件资料的收集与整理；

·单片机开发平台硬件系统的选择，包括传感器选型；

·基于Proteus开发环境的软件选择；

·基于Proteus开发环境的建立；

·传感器驱动和电机驱动的编写与实现；

·LCD显示模块编程的实现；

·Keil软件安装及程序移植；

·抗干扰电路的实现。

1.5论文的章节安排及主要内容

本课题是基于Proteus智能温度控制系统的仿真实现，本人主要的工作包括硬件系统的选择、传感器及电机驱动器的选型、传感器和电机驱动的编写和移植等。

本论文共分为五章：

第一章介绍了课题的背景及课题研究的主要任务和工作。

第二章概述了仿真系统的设计，包括Proteus软件仿真中用到的各种硬件如传感器、单片机AT89C51、LCD及电机驱动器等。

第三章详细阐述了仿真环境下用到的软件的安装使用方法，以及对硬件的编程过程。

第四章介绍了程序的移植及仿真的实现。

第五章为本课题的总结与展望。

第二章基于Proteus的智能温度控制系统的设计

2.1温度控制系统概述

温度控制系统是以计算机为基础，以应用为中心的，并且可调节上下限，能满足系统应用对功能、可靠性、功耗等指标的严格要求的专用系统。

2.2基于Proteus的智能温度控制系统的硬件选择

2.2.1基于Proteus的智能温度控制系统的硬件系统的组成

本系统是以Proteus为仿真基础，以处理器AT89C52为核心，加上外围采集和控制电路，构成的完整的温度控制系统。

可以分为处理器AT89C52、温度传感器DS18B20、1602型液晶显示器、电机驱动器、AT24C02等五个部分。

2.2.2单片机AT89C52

89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。

89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

89C52有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

　　P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

　　P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。

P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

　　P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

　　P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚备选功能：

P3.0RXD（串行输入口）;P3.1TXD（串行输出口）;P3.2/INT0（外部中断0）;P3.3/INT1（外部中断1）;P3.4T0（计时器0外部输入）;P3.5T1（计时器1外部输入）;P3.6/WR（外部数据存储器写选通）;P3.7/RD（外部数据存储器读选通）;RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

　　ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

　　在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

　　/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

　　XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

　　XTAL2：

来自反向振荡器的输出

2.2.3温度传感器DS18B20及连接电路

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点，特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，因而可省去传统的信号放大、A/D转换等外围电路。

测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、过程监测、测温类消费电子产品等。

工作电压范围为3～5.5V，使系统设计更灵活、方便。

DS18B20广泛应用于适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域。

DS18B20的内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

该装置信号线高电平的时候，内部电容器储存能量由一线通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。

DS18B20的电源也可以从外部3V-5.5V的电压得到。

DS18B20采用一线通信接口。

因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。

主要首先提供以下功能命令之一：

1）读ROM，2）ROM匹配，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警检查。

这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号，可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件，同时，总线也可以知道总线上挂有多少，什么样的设备。

若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据将存储在DS18B20的存储器。

测量结果将被放置在DS18B20内存中。

温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM的数据。

如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户存储作用。

在片上还有AD模数转化以解决温度的数字转换。

根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的即时低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

总体过程如下：

开始→初始化DS18B20→跳过读序列号→启动温度转换→延时等待→初始化DS18B20→跳过读序列号→读取温度。

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，后四位是小数点后的，如+10.125℃二进制为：

0000000010100010B，十六进制为00A2h，实际温度是读数乘以0.0625（1／16）；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘以0.0625，如-55℃读数为FC90h。

DS18B20温度值格式表

在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VCC引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。

注意：

在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。

2.2.41602型LCD液晶显示器及连接电路

1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。

LCD1602引脚图

1602采用标准的16脚接口，其中：

　　第1脚：

VSS为电源地

　　第2脚：

VDD接5V电源正极

　　第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

　　第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

　　第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

　　第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

做空脚或背光电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

1602的特征：

+5V电压，对比度可调；内含复位电路；提供各种控制命令,如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；有80字节显示数据存储器DDRAM；内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM；8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

　　因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如‘A’。

1602型的LCD微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。

LCD在Proteus中的连接电路

2.2.5电机驱动器

2.2.6AT24C02

AT24C02是低工作电压的2K位串行电可擦除只读寄存器，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。

该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

AT24C02的特征：

1.数据线上的看门狗定时器

　　2.可编程复位门栏电平

　　3.高数据传送速率为400KHz和1C总线兼容

　　4.2.7V至7V的工作电压

　　5.低功耗CMOS工艺

　　6.16字节页写缓冲区

　　7.片内防误擦除写保护

　　8.高低电平复位信号输出

9.100万次擦写周期

　　10.数据保存可达100年

　　11.商业级、工业级和汽车温度范围

总线时序

第三章基于Proteus的智能温度控制系统的软件使用

3.1仿真软件Proteus

3.1.1Proteus软件介绍

ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。

它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：

①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

②支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有：

68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

③提供软件调试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。

④具有强大的原理图绘制功能。

Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。

因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。

对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

3.1.2软件安装及其使用方法

一、Proteus界面说明

双击桌面上的ISIS7Professional图标

或者单击屏幕左下方的“开始”→“程序”→“Proteus7Professional”→“ISIS7Professional”，出现如图1-1所示屏幕，表明进入ProteusISIS集成环境。

图3.1启动Proteus界面

汉化后的Proteus

图3.2Proteus的工作界面

1.原理图编辑窗口（TheEditingWindow）：

顾名思义，它是用来绘制原理图的。

蓝色方框内为可编辑区，元件要放到它里面。

注意，这个窗口是没有滚动条的，你可用预览窗口来改变原理图的可视范围。

2.预览窗口（TheOverviewWindow）：

它可显示两个内容，一个是：

当你在元件列表中选择一个元件时，它会显示该元件的预览图；另一个是，当你的鼠标焦点落在原理图编辑窗口时（即放置元件到原理图编辑窗口后或在原理图编辑窗口中点击鼠标后），它会显示整张原理图的缩略图，并会显示一个绿色的方框，绿色的方框里面的内容就是当前原理图窗口中显示的内容，因此，你可用鼠标在它上面点击来改变绿色的方框的位置，从而改变原理图的可视范围。

3.模型选择工具栏（ModeSelectorToolbar）：

主要模型（MainModes）：

1*选择元件（components）（默认选择的）

2*放置连接点

3*放置标签（用总线时会用到）

4*放置文本

5*用于绘制总线

6*用于放置子电路

7*用于即时编辑元件参数（先单击该图