完整版MCS51单片机机应用于温度控制器本科生毕业设计文档格式.docx
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本文论述了采用单片机控制的智能温度控制器，使用AT89C4051单片机、ADS7844EAD转换芯片、HT1621B液晶显示驱动芯片及液晶显示器，实现温度的测量、输出控制及显示功能。
关键字：
单片机、AD转换，液晶显示及其驱动
1前言
模拟电路温度控制器存在电路复杂、功能简单和调试不方便的问题，随着电子技术的快速发展，超大规模集成电路的技术越来越成熟，制造成本越来越低，单片机在军事、工业、通讯、家用电器、智能仪表等领域的应用越来越广泛，使产品的功能、精度和质量大幅度提高；
同时，电路的设计更简单、故障率低、可靠性高、成本低；
特别是近几年来Flash技术的发展，使单片机系统的开发周期大大缩短，开发成本大幅降低，使用单片机控制的智能仪表是仪表领域发展的必然趋势。
本文论述了采用ATMEL公司的AT89C4051单片机和美国Burr-Brown公司的ADS7844E模-数转换芯片以及HOLTEK公司的HT1621B液晶显示驱动芯片设计的LCD显示智能温度控制器。
本系统实现了模拟温度数据采集、模拟量到数字量转换、软件对温度信号进行非线性校正,单片机数据运算及逻辑处理、LCD显示、键盘处理及继电器输出控制功能。
本文主要介绍了智能温度控制器的功能和设计的过程。
重点说明电路设计、软件设计。
2温度控制器的技术参数
本系统采用ATMEL公司的AT89C4051单片机和美国Burr-Brown公司的ADS7844E模-数转换芯片以及HOLTEK公司的HT1621B液晶显示驱动芯片设计，实现了模拟温度数据采集、模拟量到数字量转换、单片机数据运算及逻辑处理、LCD显示、键盘处理及继电器输出控制功能，主要技术参数见表1
表1主要技术参数表
测量精度：
0.5℃
量程
0~400℃
显示分辨率：
0.1℃
采样速度：
500毫秒
调节算法：
开关调节（ONOFF）
输入：
热电阻：
Pt100
输出：
继电器，常开触点（max.250VAC,1A）
报警：
继电器，常开触点（max.250VAC，3A）
电源：
220VAC±
10%；
50Hz
环境：
工作温度：
0~50℃，相对湿度≤85%
3系统设计方案的论证
本章主要叙述温度控制器的设计方案。
3.1方案比选
随着电子技术的发展，温度控制器的设计方案经历了模拟电路温度控制器、模拟量测量加数字显示、单片机温度控制器的发展过程；
在单片机温度控制器的设计方案中，又发展出各种智能型的温度控制器方案，如：
高AD转换的精度，PID调节控制输出、PID+模糊控制等。
本次设计着重锻炼自己的动手能力，熟悉单片机的使用，具体提出如下设计方案：
方案一：
采用8031单片机作为控制核心，以最普通的器件ADC0809作数模转换，以继电器作为控制输出。
此方案简单可行，造价低廉，但由于8031没有片内ROM，需要扩展程序存储器，增加了电路的复杂性，并且由于0809是8位的数模转换电路，在温度测量范围很小时，测量精度还能满足要求，当测量温度范围稍宽时，测量的精度就不能实际应用的要求。
方案二：
采用片内带Flash存储器MCS51系列单片机作为控制核心，采用12位数模转换电路，以继电器作为控制输出。
由于采用了12位的ADC转换芯片，转换范围从0到4096，当温度范围要求为0-1000℃时，每一位表示约为0.25℃，考虑到ADC转换芯片的转换精度±
1LSB及运算放大器的误差，测量精度理论上可到0.5℃，可以满足一般的控制要求。
方案三：
目前许多单片机生产商推出了自带ADC转换，FLASH存储器、EEPROM的产品，如美国AnalogDevices公司AduC812内部带12位的ADC转换，如果采用AduC812单片机作为控制核心，则系统外围电路比较简单且能够达到控制精度要求，但是成本较高。
本系统采用方案二，温度控制器所需要的IO数量不多，程序量不是很大（不考虑PID调节控制输出），为了节省单片机的IO口，选用12位串行口数模芯片ADS7844E，单片机使用AT89C4051，片内程序存储器空间为4K，15条IO。
3.2方案说明
系统中设计了一个EEPROM存储器来保存设置参数，目前市面上常用的EEPROM用AT25010存储器可以节省IO端口。
显示器件常用的有LED数码管显示器件、LCD显示器件。
LED数码管显示器件具有亮度大，寿命长等特点，但需要较大的驱动电流；
LCD显示器件成本低、功耗小，但需要专用的驱动电路以及亮度低；
本方案的显示器件采用6位字符液晶显示器，驱动芯片采用HOK公司的HT1621B。
4控制系统设计
控制系统设计主要包括系统工作原理、系统硬件设计和系统软件设计。
系统软件设计主要包括软件结构、各子程序流程及具体代码设计；
下面分别介绍各部分的设计过程
4.1系统的工作原理
系统功能框图如图1所示
系统的工作原理是：
电桥将温度传感器Pt100的温度信号转换为与温度相关的电压信号，经过两级运算放大后进入ADC转换；
CPU读取ADC转换结果，经过运算转换为显示的温度字符，控制LCD驱动器来显示温度值，另外，CPU将测量出的温度值与系统设定的温度值相比较，根据不同的控制模式来控制继电器的输出，系统中的按键用来设定系统工作参数，电源电路主要为各电路提供工作电源。
系统中需要保存的参数有：
设定温度值、回程差值（防止温度到达设定值时输出振荡）、加热或制冷工作模式（0表示加热模式，1表示制冷工作模式）、温度测量范围、温度校正值、温度校正符号等。
由于温度测量范围、温度校正值、温度校正符号用于系统调试校正，此参数不能由用户随便修改，所以在修改这些参数前必须先输入一个密码（默认为1234）后系统才显示这些参数，建议用户不要修改此类参数。
本系统采用了四个按键，功能分别为：
加键、移位键、功能键、保存键。
按下功能键可循环显示系统各项参数，通过加键和移位键组合可对各项参数进行修改，按下保存键后，CPU将修改后的参数写到EEPROM中，系统重新上电后CPU将调用EEPROM中的参数（如果不对数据进行保存时，系统重新上电后将调用以前设置的参数）。
4.2硬件电路设计
温度控制器电路主要包括：
CPU电路、温度信号调理电路、ADC转换电路、液晶显示及驱动电路、电源电路及控制输出电路；
4.2.1CPU电路
CPU电路主要是CPU、数据存储器及晶振电路。
CPU采用美国ATMEL公司的MCS51系列单片机AT89C4051，管脚图如图2所示，它具有以下标准功能：
4K字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，15个IO口，两个16位定时计数器，5个中断向量（两种优先级），一个全双工串行通信接口，内置一个精密模拟比较器，片内振荡器及时钟电路。
AT89C4051的功能框图如图3所示。
CPU的端口资源分配见表2：
表2:
CPU的端口资源分配表
引脚名称
功能
P1.0
AT25010片选信号
P3.0
功能键
P1.1
HT1621B片选信号
P3.1
加键
P1.2
ADS7844E片选信号
P3.2
保存键
P1.3
HT1621B读控制信号
P3.3
移位键
P1.4
HT1621B写控制信号
P3.4
P1.5
串行口时钟
P3.5
继电器控制输出
P1.6
串行数据输入
P3.6
P1.7
串行数据输出
P3.7
看门狗复位
注：
由于P1.0及P1.1内部不带上拉电阻，使用时在此两脚上需要接上拉电阻，电阻阻值按10K选取
数据存储器采用美国ATMEL公司AT25010EEPROM。
AT25010通过SPI接口与CPU进行数据交换，端口连接见表1。
时钟采用12M晶体振荡器，负载电容按22p选取。
4.2.2温度信号调理电路
本设计温度传感器采用Pt100，温度信号由电桥电路输出后，经过两级放大后进入ADC转换。
1、Pt100传感器介绍
Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度阻值对应关系为：
0℃≤t≤850℃时，Rt=R0（1+At+Bt2）式中，A=3.90802×
10-3；
B=-5.80×
10-7；
R0=100。
Pt100温度传感器的主要技术参数如下：
测量范围：
-200℃～+850℃；
热响应时间<
30s；
允通电流≤5mA。
另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。
2、电桥采集数据的电路图及原理
Pt100电桥电路如图4、图5所示。
其中，R10﹑R11﹑R14﹑Rt组成电桥，R10=R11=10R0,R14=R0。
电桥采用TL431组成恒流源供电，为了避免流过Pt100传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大，取Im=1mA。
设流过R14的电流为I1，流过Rt的电流为I2，由于恒流源的电流为1mA，所以有：
I1+I2=1；
（1）
I1I2=（10R0+Rt）11R0
（2）
Rt=R0（1+At+Bt2）（3）A=3.90802×
R0=100
当温度较低时，I1I2≈1，所以有：
Vi=I2Rt-I1R0≈0.5（Rt-R0）（4）
又因为△R=Rt-R0=R0（At+Bt2），所以：
Vi≈0.5*R0（At+Bt2）≈0.5*R0*A*t=0.195*t（mV）（5）
由公式（5）可知，温度较低时，Pt100传感器的线性度良好；
当温度较高时，Pt100传感器的线性度变差，此时有
Vi=10R0（At+Bt2）（22+At+Bt2）（mV）（6）
软件校正采用最小二分法分段校正：
将整个测量范围按每50℃为一段，共分为8段，求出每一段的校正函数分别为：
（求解方法采用Excel中的SLOPE函数及INTERCEPT函数）
0~50℃：
T0=0.89*T–0.10
50~100℃：
T0=0.92*T–1.44
100~150℃：
T0=0.95*T–4.28
150~200℃：
T0=0.98*T–8.80
200~250℃：
T0=1.01*T–15.11
250~300℃：
T0=1.04*T–23.45
300~350℃：
T0=1.08*T–34.16
350~400℃：
T0=1.12*T–47.65
温度的计算方法：
T=ADC转换结果*量程4096，将T的值代入校正函数中，求出校正后的温度值T0。
3、误差分析
（1）Pt100传感器的非线性产生的误差
Pt100的温度函数为Rt=R0（1+At+Bt2），由此可见Pt100的阻值与温度的函数不是线性关系，不考虑其它因素带来的误差，由于Pt100传感器的非线性，在0-400℃的范围内，可产生约12℃的误差，在实际测量中，用非线性校正程序可以减少由此带来的误差。
（2）AD转换器非线性带来的误差
在实际应用中会发现，对同一模拟输入信号Vi，经AD转换得出的数字量会有±
1位的跳变，这是由AD转换器的判断误差造成的。
AD转换器的一位跳变对应的电压值，即为该12位AD转换器的分辨率0.00122V=1.22mV，将会产生温度误差。
（3）AD转换器参考电压Vref带来的误差
在比较转换过程中，Vref的变化会对输出的二进制代码有影响。
在模拟输入信号不变的情况下，若Vref变大，会导致输出的二进制代码变小；
反之，则变大，从而导致了温度误差。
4、注意事项与结论
由上面的分析可得，为了提高温度测量的准确性，AD转换器的5V参考电源要稳定在mV级；
在价格允许的情况下，Pt100传感器﹑AD转换器和运放的线性度要高。
同时，利用软件矫正其误差，可以使测得温度的精度在±
0.5℃。
4.2.3ADC转换电路
本方案的ADC转换采用Burr－Brown公司的ADS7844E，它是推出的一种高性能、宽电压、低功耗的12bit串行模数转换器。
它有8个模拟输入端,可用软件编程为8通道单端输入AD转换器或4通道差分输入AD转换器,其转换率高达200KHz,而线性误差和差分误差最大仅为±
1LSB。
ADS7844在电源电压为2.7V~5V之间均能正常工作,最大工作电流为1mA,进入低功耗状态后的耗电仅3μA。
ADS7844通过串行接口与CPU进行通信,而且接口简单方便。
ADS7844E的引脚排列如图6所示，引脚与其它电路的连接见表3。
ADS7844E的引脚功能：
CH0~CH7：
模拟输入端,当器件被设置为单端输入时,这些引脚可分别与信号地COM构成８通道单端输入AD转换器；
当器件被设置为差分输入时,利用CH０~CH1、CH2~CH3、CH4~CH5和CH6~CH7可构成4通道差分输入AD转换器
COM：
信号地
VREF：
参考电压输入端,最大值为电源电压
CS：
片选端,低电平有效,该脚为高电平时,其它数字接口线呈三态
DCLK：
外部时钟输入端,在时钟作用下,CPU将控制字写入ADS7844E,并将转换结果从中读出
DIN：
串行数据输入端,在片选有效时,控制字在DCLK上升沿被逐位锁入ADS7844E
DOUT：
串行数据输出端,在片选有效时,转换结果在DCLK的下降沿开始被逐位从ADS7844E移出
BUSY：
“忙”信号输出端,在接收到控制字的第一位数据后变低,只有在转换结束且片选有效时,该脚才输出一个高脉冲
SHDN：
电源关闭端,低电平有效。
当SHDN为低电平时,ADS7844E进入低功耗状态
VCC,GND：
分别为电源端和数字地。
表3:
ADS7844E引脚连接表
序号
与其它电路的连接
备注
1~3
CH0~CH2
模拟输入通道
温度信号放大输出
4~7
CH3~CH7
未连接
9
COM
模拟输入公共端
模拟地
11
VREF
参考电压端
工作电源VCC
采用5V的参考电压
12、20
VCC
工作电源
工作电源+5V
接10uF和0.1uF的退耦电容
13、14
GND
电源地
15
DOUT
CPUP1.6
16
BUSY
“忙”信号输出端
17
DIN
CPUP1.7
18
CS
CPUP1.2
19
DCLK
CPUP1.5
4.2.4液晶显示及驱动电路
HT1621B是128点内存映象和多功能的LCD驱动器，HT1621B的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合，包括LCD模块和显示子系统，用于连接主控制器和HT1621的管脚只有4或5条，HT1621还有一个节电命令用于降低系统功耗。
HT1621B的引脚功能及与其它电路的连接见表4：
表4:
HT1621B的引脚功能及与其它电路的连接表
1
Ht1621B片选
CPUP1.1
低电平有效
2
RD
读控制
3
WR
写控制
4
DATA
数据线
5
Vss
67
OSCIOSCO
时钟
使用片内RC振荡器
8
VLCD
LCD电源
+5V
选用5VLCD
VDD
电源
10
IRQ
看门狗输出
11、12
BZ
声音频率输出
13~16
COM0~COM3
LCD公共输出口
17~48
SEG0~SEG31
LCD段输出口
只用到其中12位
4.2.5电源电路
4.3系统软件设计
4.3.1软件结构设计
温控器软件主要包括主程序模块、定时器中断处理模块、LCD显示处理模块、ADC转换模块和键盘处理模块。
定时器中断处理模块主要产生时间事件，其中200ms事件用于读取键盘的健值，500ms为ADC转换事件。
主程序模块循环判断系统是否有事件发生，当发生200ms事件时，调用键盘处理子程序、LCD显示刷新子程序。
当发生500ms事件时，调用ADC转换子程序及LCD显示刷新子程序。
主要模块调用关系如图6所示
4.3.2系统程序流程图设计
1、主程序流程图
2、键盘处理流程
功能：
显示相应页面以及修改系统参数
键值
修改显示缓冲器数据及系统参数
寄存器分配：
寄存器组1，各子程序具体分配情况见子程序说明。
调用子程序：
页面处理子程序（Pagehandle）、加键处程序（Uphandle）、保存数据子程序（Savehandle）、移位处理子程序（Shifthandle）
父函数：
主程序
3、ADC转换处理流程
启动ADC转换、读取ADC转换结果、进行温度校正、比较、继电器控制输出
无
温度值显示值、继电器控制输出
寄存器组3，各子程序具体分配情况见子程序说明。
启动ADC转换子程序（Start_Adc）、读转换结果程序（ReadADC）、求平均值子程序（Average）、二进制温度转BCD码子程序（Bin_Temp_BCD）、温度校正子程序（TempAdjust）、温度比较子程序（TempCopmare）
4、定时器中断处理程序流程
产生定时事件
时间事件
寄存器组1。
读取键值子程序（Getkeyvalume）、定时器初始化子程序
4.3.3系统程序设计
目前许多公司在生产单片机的同时，都会推出自己的编译系统，并且许多编译系统都会支持C语言、汇编语言或两种语言的混合编程；
本系统采用汇编语言编程，使用KeilC51编译。
由于程序的篇幅较长，下面主要介绍主程序及二进制温度转换为BCD温度值子程序，其它程序请查阅附录中的程序清单。
1、主程序清单
ORG0000H；
复位入口
JMPPROGRAME_STAR；
程序开始
ORG0003H；
外部中断0入口
RETI；
ORG000BH；
定时0中断入口
AJMPTIME0_INT；
ORG0013H；
外部中断1入口
ORG001BH；
定时1中断入口
ORG0023H；
串口中断入口
ORG0060H；
程序起点
PROGRAME_STAR:
MOVSP,#STACK；
设置堆栈
MOVPSW,#（0SHL3）；
使用寄存器组0
MOVR0,#10H；
清内存的开始地址
MOVR1,#50H-1；
设置清除内存计数
MOVA,#00H；
MAIN0:
MOVR0,A；
内存清零
INCR0；
DJNZR1,MAIN0；
ACALLDEVICE_INIT；
设备初始化
MOVIE,#82H；
开中断
MAINLOOP:
ACALLWDRESET；
看门狗复位
MOVA,TIMEEVENT；
200ms事件标志,处理键盘事件
ANLA,#EVT_MS200；
A和#EVT_MS200做与运算,取出200ms事件标志位
JZMAIN1；
200ms事件标志位为0时跳到MAIN1
MOVA,#EVT_MS200；
CPLA；
ANLTIMEEVENT,A；
清除200ms事件标志
MOVA,KEYOVER；
键盘处理完标志
JNZMAIN3；
********************
MOVA,KEY_VALUE；
取键值
JZMAIN3；
键盘值为0时跳出**********
ACALLKEYHANDLE；
处理键盘事件
AJMPMAIN3；
***********************
MAIN1:
500ms事件标志处理ADC转换
ANLA,#EVT_MS500；
A和#EVT_MS500做与运算,取出500ms事件标志位
JZMAIN4；
500ms事件标志位为0时跳到MAIN4
MOVA,#EVT_MS500；
清除500ms事件标志
LCALLADCCONVERT；
调用ADC转换子程序
MAIN3:
ACALLREFESHLCD；
刷新LCD
MAIN4:
SETBCSLCD；
LCD控制芯片片选信号拉高
SETBCSADC；
置位AD7844E片选
SETBCSE2ROM；
置位AT25010片选
AJMPMAINLOOP；
主循环
2、二进制温度转换为BCD温度值子程序
;
二进制温度转换为BCD温度值子程序
输出:
输入:
寄存器组:
第3组
温度值=A
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