单片机课程设计.docx
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单片机课程设计
《单片机原理及应用》
课程设计说明书
设计题目：
烤烟房环境参数采集与显示仪设计
学院：
工学院
专业：
电气工程及其自动化
设计者：
学号：
指导老师：
设计时间：
2016年12月5日～2016年12月25日
《单片机原理及应用》课程设计任务书
一、目的意义
《单片机原理及应用》是高校工程专业的一门专业基础课，该门课程具有很强的实践性。
通过课程的学习，使学生掌握基本概念、基本理论和基本技能，为今后从事相应的生产设计和科研工作打下一定的基础。
因此，除课程的理论教学和实验教学外，课程设计也是一个必要和重要的实践教学环节。
通过课程设计，进一步培养学生理论联系实际的能力，学会正确地分析工程实际问题，善于查阅参考文献，准确地选择相应的数据、参数，具备全面地解决实际问题的素质，同时课程设计也为今后的毕业设计打下基础。
二、设计时间、地点、班级
时间：
第16、17周（二周）
地点：
三教433、426
班级：
14电气工程及其自动化第二组
三、设计内容
烤烟房环境参数采集与显示仪设计
1、功能描述
烟草行业在世界各国的经济中都占有非常重要的地位，提高烟叶质量的主要途径是烤烟的科学化，即在烤烟过程中控制烤烟房的温度。
（1）采用单片机作控制器，模拟量输出的温度传感器、A/D转换器、键盘及显示电路等一起构成1路温度采集与显示仪。
（2）由键盘输入设定值，采用LCD，显示整数值，开机或复位后，在最右端显示“PH”，以提示系统正常，正常运行时，不断采集温度并送显示；
（3）可以通过串口将采集的温度实时数据送PC机显示；（单片机也可选用STC12C5A系列）
（4）设计加热电路。
2、设计要求：
（1）、分析系统功能，选择单片机、传感器和功能模块；
（2）、设计系统的硬件电路图；
（3）、编写相应的软件，完成控制系统的控制要求；
（4）、上机调试、完善程序；
3、软件设计要求：
可以用按键设置温度目标值，扫描按键采用查询方式，200ms启动一次AD转换，用定时器1，且AD转换结果在AD中断服务程序中读出，同时结果通过串口0发送到PC机。
烤烟房环境参数采集与显示仪设计
作者：
指导老师：
（安徽农业大学工学院电气工程及其自动化）
摘要：
该设计是基于STC90C516RD+单片机微处理器系统，采用LCD1602显示屏采集并显示烤烟房环境温度，能够用按键预设最低温度值，具备对烤烟房进行加热的功能，同时还可以将采集的温度数据上传PC机并记录保存相关数据。
能实现控制烤烟房温度的功能。
具有系统简单可靠，具有控制精准，成本低的特点。
1总体设计方案
1.1设计原理及相关说明
该系统设计是利用PCF8591AD模块采集温度传感器的信号输出电压，再根据电压与温度之间关系式，将温度传感器采集的温度显示在LCD上，并能够利用按键设定最低温度，当实时温度小于最低温度时，能够启动继电器工作，从而启动加热设备。
1.2总体设计框图
烤烟房环境参数采集与显示仪系统设计框图如图1所示：
图1总体设计框图
2各芯片的设计及其调用
2.1STC90C516RD+单片机主控模块
STC90C516RD+系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强干扰的新一代8051系列单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-12倍。
12时钟周期/机器周期和6时钟周期/机器周期可任意选择，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位管脚可以直接接地。
该型号单片机具有以下特点：
1、增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU。
2、工作电压：
3.8V-5.5V（5V单片机）/2.4V-3.8V（3V单片机）。
3、工作频率范围：
0-40MHz,相当于普通的8051的0-80MHz。
4、用户应用程序空间4K/6K/7K/8K/10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/61K字节。
5、片上集成1280字节/512/256字节RAM。
6、通用I/O口（35/39个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）。
P0口是开漏输出，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），无需专用可编程/仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序。
8、EEPROM功能。
9、看门狗。
10、内部集成MAX810专用复位电路，外部晶振12M以下，可省外部复位电路，复位引脚可以直接接地。
11、共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成两个8位定时器使用。
12、外部中断4路，下降沿中断或者低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
13、通用异步串行口（UART），还可以用定时器软件实现多个UART。
14、工作温度范围：
0-75℃/-40-+85℃。
该系统设计使用的单片机封装为DIP-40封装，引脚图如下：
图2：
微处理器管脚分布图
该系统用的晶振电路与传统的8051一样，都是用石英晶体起震，晶振频率为11.0592MHz,晶振的选择不同可能在程序编写的时候会有所不同，其主要就是定时器和串口波特率选择不同，在编写程序和利用串口察看数据的时候应当注意。
晶振电路和复位如图3所示：
图3：
单片机晶振电路和复位电路
由图3可知，单片机的18和19管脚接时钟电路，19管脚接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，18管脚接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，9引脚是复位输入端，接上电容、电阻及开关后构成上电复位电路。
2.2AD/DA模块
图3AD/DA模块
本设计的AD转化电路采用市场上比较流行的AD/DA转化模块PCF8591，能够同时进行四路AD采集，可以很大程度拓展本设计功能。
该模块最大特点就是通过IIC总线串行输入输出。
2.2.1PCF8591的结构及工作原理
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。
PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。
PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。
PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。
PCF8591的最大转化速率由IIC总线的最大速率决定。
2.2.2引脚功能及结构
其中引脚1、2、3、4是4路模拟输入，引脚5、6、7是I2C总线的硬件地址，8脚是数字地GND，9脚和10脚是I2C总线的SDA和SCL。
12脚是时钟选择引脚，如果接高电平表示用外部时钟输入，接低电平则用内部时钟，该设计系统电路用的是内部时钟，因此12脚直接接GND，同时11脚悬空。
13脚是模拟地AGND，14脚是基准源，15脚是DAC的模拟输出，16脚是供电电源VCC。
2.3LCD1602液晶显示模块
LCD1602是市场上常见的液晶显示模块，该模块控制简单，寿命长，得到大多数人的喜爱。
该设计系统的LCD1602接线图如图五
图五：
LCD1602液晶显示模块
2.3.1LCD1602的主技术参数
（1）显示容量:
16×2个字符
（2）芯片工作电压:
4.5—5.5V
（3）工作电流:
2.0mA（5.0V）
（3）字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
2.3.2LCD1602的引脚功能说明
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线，在该设计系统中接到单片机P0口。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
2.4键盘电路
键盘接口电路如图6，本次设计中，按键有3个，每个按键各占用一根I/O线，各按键相互独立，彼此的工作状态互不影响，STC单片机自带上拉电阻因此无需外接上拉电阻，用查询法完成按键功能。
图6键盘电路
2.5加热电路
加热接口电路如图七所示，本设计中，利用继电器的启动与否来控制加热设备的工作与否。
图七加热电路
3系统软件设计
图八：
系统软件设计图
3.1系统正常工作提示
开机后，在LCD右下端显示“PH”字样来提示系统工作正常。
该字样在开机后会一直显示，若系统出现故障，则不能正常显示。
3.2按键设定程序
当开机后，LCD页面会显示“+00.00C”,该页面为按键设置最低温度页面，通过key_up按键来让显示温度的数字加一，通过key_down按键来让显示温度的数字减一，只能加减温度的个位，个位逢十进一。
在程序中直接扫描按键，消抖时间由于硬件问题设置为100MS。
当按下start按键就会停止设定，系统开始采集温度数据。
在LCD第一行显示实时采集的温度数据，在第二行，显示的是通过按键设定的温度值。
3.3LCD显示温度程序
AD转换模块获取的是AD值，后变成int型数据，在LCD显示函数中再将int型数据转化为float型数据来增加数据精确度，后面再通过电压与温度之间关系式，将采集得到的电压转化为温度，最后将数据变成十位，个位，十分位，百分位，一个一个来通过LCD显示。
3.4串口显示温度程序
可以通过串口实时显示LCD显示的温度数据，其中波特率设置为4800，无校验位。
串口发送通过系统上485接口与PC机进行连接，485串口传输距离长，速度快，适合工业上长距离的数据传输。
4调试
调试过程分为硬件和软件。
4.1硬件部分
实验的时候选用的是型号为STC90C516RD+的单片机，但是在烧录程序的时候选择的其他的，导致出现的现象完全没有达到预期，后来经过同学提醒，完成了这个步骤。
LCD接口问题，LCD的RS、RW、E控制端口需要特别注意，一定要和程序上的LCD控制端口定义要一致，否则不能正常工作。
察看LCD数据端是否与程序上定义相符，不同的定义LCD无法工作。
一定要检查PCF8591模块是否良好，可能在调试之前无法工作。
中间修改程序后再次下载，握手不成功，COM端口未连接，后来卸载重装了驱动，该问题解决。
4.2软件部分
让LCD能够显示PCF8591采集的电压值。
之前设置温度时都只按了key_up键，后来在使用key_down键时出现问题，通过key_down按键来让显示温度的数字减一，只能加减温度的个位，个位逢十进一，11往下减时直接跳到了9，到0再往下减不是到99而直接到了9，后来修改程序后使其能正常工作。
通过计算，找到电压与温度之间的线性关系式，让LCD显示出正常温度。
增加按键设置程序，让LCD能够显示温度设定页面，按键能够正常设定温度。
串口能够正常显示温度数据，增加加热程序。
单片机上采集的温度数字与试验台上测量出来的真实温度不一样，这是因为电压与温度之间的关系要经过程序修正后，才能正确对应，反复调试后，基本上能与试验台上的温度对应，有时候有一些小波动，这个程序中温度只精确到个位，以调试的结果来看，误差在1度以内。
5性能分析
将程序烧入单片机后，开机显示PH，表示系统正常工作，可以实现目标温度的设定，设定时可以任意进行加减操作，可以实现实际温度与目标温度的比较，达到设定温度时继电器动作。
该系统能够200MS扫描一次AD，并将AD采样的电压读取出来，通过一定的关系式转化为温度，通过LCD显示，并且可以通过串口察看温度数据。
单片机上的温度与试验台测量出来的温度误差在1度以内，最后可以将温度数据以文本模式发送到PC机。
附录1系统电路原理图
附录2实物调试图
1、当开机后，LCD页面会显示“+00.00C”，在右端显示“PH”，以提示系统正常
2、由键盘输入设定值，采用LCD，显示整数值
3、正常运行时，不断采集温度并送显示；以及试验台所测得温度
此时发现试验台和单片机所检测到的温度并不一致，原因在调试过程中叙述。
4、当采集温度高于设定温度，此时继电器动作
附录3元件清单
1、单片机开发板
2、K/E型复合热电偶
3、温度传感器实验模块
4、传感器试验台
附录4系统程序清单
#include"reg52.h"
#include"lcd.h"//包含LCD的H文件
#include"temp.h"//读取温度的H文件其中包含AD转换，直接输出温度值
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
//LED显示，后面用于功能拓展
sbitled0=P1^0;//灯亮时，处于温度设定状态
sbitled1=P1^1;//灯亮时，处于温度测量状态
sbitled2=P2^3;//开始加热
sbitrelay=P2^2;//继电器动作，同样用于功能拓展
sbitkey_up=P1^3;//用于温度增加的设定按键硬件电路中独立按键应该全部接GND。
K4
sbitkey_dowm=P1^4;//用于温度减少的设定按键K5
sbitstart=P1^5;//确定按键定义K6
ucharflagstart;//确定按键按下标志位
uchartempsetmin;//定义设定最小温度
uchartempnow;//定义现在温度，用于和最小温度比较
ucharCNCHAR[6]="摄氏度";
ucharxdatadatas[]={0,0,0,0};//定义数组
ucharxdatasetdata[]={0,0,0,0};
ucharstop;//用于紧急停止，外部中断0按键控制用于功能拓展
uchartime_count;//定时器计数AD扫描200MS一次
uchartimer_count;//按键扫描10ms一次
#definedelaytime2
voidLcdDisplay（int）;
voidUsartConfiguration（）;
voiddelay（uchar）;
voidkeyset（）;
voidinitial（）;
voidmain（）
{
led2=0;//加热指示灯，先关闭
relay=1;//先关闭继电器，在实际中避免误动作产生危险实验室开发板继电器是低电平触发，则默认不触发
UsartConfiguration（）;//初始化串口
LcdInit（）;//初始化LCD1602
initial（）;//定时器和外部中断初始化
LcdWriteCom（0x87）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'C'）;
LcdWriteCom（0x40+0x88）;//在LCD最右端显示PH字样，表示系统工作正常
LcdWriteData（'P'）;
LcdWriteCom（0x40+0x89）;
LcdWriteData（'H'）;
while
（1）
{
LcdDisplay（ReadTemp（））;
}
}
voiddelay（ucharz）//简单延时函数
{
ucharx,y;
for（x=110;x>0;x--）
for（y=z;y>0;y--）;
}
voidkeyset（void）//按键设定温度值//设定温度用的数组与实时显示温度的数组不一样，防止后面再次扫描按键的时候变化
{
key_up=1;
if（!
key_up）//如果温度加的按键按下
{
//delay（delaytime）;//延时100MS用于消抖
//if（!
key_up）
{
setdata[1]++;//个位温度值加1
if（setdata[1]==10）//如果加到了10
{
setdata[1]=0;//个位显示0
setdata[0]++;//十位加一，个位任然显示0
if（setdata[0]==10）//如果十位到10
{
setdata[0]=0;//十位显示0；
}
}
}
}
while（!
key_up）;//这种按键消抖不是借助延时消抖的，可以设置短时间扫描按键一次，但不能连续按，一次最多加一或者减一
if（!
key_dowm）//如果温度加的按键按下
{
//delay（delaytime）;//延时10MS用于消抖
//if（!
key_dowm）//减法到0时，出现错误，需要逐级判断才行！
！
{
setdata[1]--;//个位温度值减1
if（setdata[1]==-1）//如果减到了0
{
setdata[1]=9;//个位显示9
setdata[0]--;//十位减一，个位任然显示0
if（setdata[0]==-1）//如果十位10
{
setdata[0]=9;//十位显示0；
}
}
}
}
while（!
key_dowm）;
tempsetmin=setdata[0]*10.0+setdata[1];//设定温度
if（!
start）//如果启动测量按键按下
{
//delay（delaytime）;//延时消抖
//if（!
start）
{
flagstart=1;//开始测量标志位
}
}
while（!
start）;
}
voidLcdDisplay（inttemp）//lcd显示此处temp类型应该与ReaTemp返回值类型一致，否则可能会出错
{
unsignedchari;
floattp;//用于整型变量和浮点型变量转换
//keyset（）;//按键先扫描一次
if（!
flagstart）//还没有开始测量一开始LCD的显示，用于设定
{
led0=1;
led1=0;
LcdWriteCom（0x80）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'+'）;//显示正号
LcdWriteCom（0x87）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'C'）;
LcdWriteCom（0x81）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'0'+setdata[0]）;//十位
LcdWriteCom（0x82）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'0'+setdata[1]）;//个位
LcdWriteCom（0x83）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'.'）;//显示‘.’
LcdWriteCom（0x84）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'0'+setdata[2]）;//显示十分位
LcdWriteCom（0x85）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'0'+setdata[3]）;//显示百分位
}
if（flagstart）//启动测量
{
led0=0;
led1=1;
if（temp>0.0）//当温度值为负数
{
LcdWriteCom（0x80）;//写地址80表示初始地址
SBUF='+';//将接收到的数据放入到发送寄存器
while（!
TI）;//等待发送数据完成
TI=0;//清除发送完成标志位
LcdWriteData（'+'）;//显示负
tp=temp;//将int型temp转化为float型tp
temp=tp*10.00;//将温度对应的电压放大10倍进行采集，可以提高灵敏度
temp=temp*1.85+7.0;//电压与温度关系
}
datas[0]=temp%10000/1000;//十位
datas[1]=temp%1000/100;//个位
datas[2]=temp%100/10;//十分位
datas[3]=temp%10;//百分位
tempnow=10.0*datas[0]+datas[1];//目前的温度
if（tempsetmin>tempnow）//当目前温度小于设定温度时，启动加热装置，让继电器动作,指示灯亮
{
relay=0;
led2=1;
}
if（tempsetmin<=tempnow）//加热完成后记得关闭继电器
{
relay=1;
led2=0;//指示灯灭
}
LcdWriteCom（0x80+0x40）;//写地址80表示初始地址//在第二行显示设定温度
LcdWriteData（'s'）;
LcdWriteCom（0x81+0x40）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'e'）;
LcdWriteCom（0x82+0x40）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'t'）;
LcdWriteCom（0x83+0x40）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'0'+（tempsetmin/10））;//显示正号
LcdWriteCom（0x84+0x40）;//写地址80表示初始地址
LcdWriteData（'0'+（tem
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