畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-單片機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

單片機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 本設(shè)計(jì)是以一個(gè)保溫箱為控制對(duì)象，以 AT89C51 為控制系統(tǒng)核心，通過單片機(jī)系 統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫箱溫度的顯示和控制功能。本溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系 統(tǒng)，由溫度傳感器 AD590 對(duì)保溫箱溫度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過調(diào)理電路得到合適的電壓信號(hào)。 經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換芯片得到相應(yīng)的溫度值，將所得的溫度值與設(shè)定溫度值相比較得到偏差。 通過對(duì)偏差信號(hào)的處理獲得控制信號(hào)，去調(diào)節(jié)加熱器的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫箱溫度 的顯示和控制。本文主要介紹了保溫箱溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法，論文主 要由三部分構(gòu)成。 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)。 硬件設(shè)計(jì)，主要包括溫度檢測(cè)電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、鍵盤設(shè)計(jì)和控制電路。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，軟件的設(shè)計(jì)采用模塊 化設(shè)計(jì)，主要包括 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、鍵盤模塊和控制模塊等。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；傳感器；溫度檢測(cè) DESIGN OF TEMPERATURE CONTROL SYSTEM BASIC ON SINGLE CHIP COMPUTER ABSTRACT This design takes a heat preservation box as a control object and the AT89C51 as a control system core. A Single-chip Computer system is designed to carry out the temperature display and control. This heat temperature control system is a closed loop feedback control system. The temperature of the heat preservation box is measured by sensor AD590. For AD590, a adjust electric circuit is designed to get a suitable electric voltage signal for the A/D transformation. After the A/D transformation, the corresponding temperature digital quantity can be obtains, and is compared with the setting temperature, then a deviation can be obtained. Through processing the deviation, a control signal will be produced, which adjusts the heater the on or off, thus the preservation box temperature control and display is realized. This design introduces the temperature control system principle of work and the design method. The paper mainly includes by three parts. The system outline project design. Hardware design, the hardware design mainly includes the temperature adaptive electric circuit, the A/D circuit, the display circuit, the keyboard design and the control circuit. Software design method, the software design uses the modular design, mainly includes the A/D transformation module, the demonstration module, the keyboard module and the control module. Key words: Single-chip Computer；Sensor；Temperature Measurement； 目錄 1 緒論.1 1.1 課題設(shè)計(jì)背景和目的 .1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況和發(fā)展趨勢(shì) .1 1.3 溫度檢測(cè)的主要方法.2 1.4 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容.3 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì).4 2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案.4 2.1.1 芯片選擇.5 2.1.2 溫度檢測(cè).5 2.1.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路.5 2.1.4 鍵盤輸入.6 2.1.5 LED 顯示.6 2.1.6 控制電路.6 2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案.6 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).7 3.1 中央處理器 .7 3.1.1 AT89C51 簡(jiǎn)介.7 3.1.2 管腳說明.8 3.1.3 特殊功能存儲(chǔ)器.10 3.1.4 芯片擦除.10 3.1.5 復(fù)位電路的設(shè)計(jì).11 3.1.6 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì).11 3.2 溫度傳感器 AD590.11 3.3 信號(hào)調(diào)理電路 .13 3.4 溫度標(biāo)定.14 3.5 A/D 轉(zhuǎn)換 .16 3.6 LED 顯示 .19 3.7 鍵盤接口 .22 3.8 控制電路 .23 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).25 4.1 程序初始化.26 4.2 主程序.27 4.3 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 .27 4.4 標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序 .28 4.5 顯示子程序 .29 4.6 控制子程序.30 4.7 鍵盤子程序 .32 5 結(jié)論.35 參考文獻(xiàn).36 致謝.37 附錄.38 附錄 A 系統(tǒng)硬件原理圖.38 附錄 B PCB 板圖.39 1 單片機(jī)最小系統(tǒng) PCB 板圖.39 2 調(diào)理電路、控制電路 PCB 板圖.39 附件 附件 1、開題報(bào)告 附件 2、原文：TEMPERATURE CONTROL 附件 3、譯文：溫度控制 第 1 頁 共 39 頁 1 緒論 1.1 課題設(shè)計(jì)背景和目的 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用 的主要被控參數(shù)。溫度作為一個(gè)基本物理量，它是一個(gè)與人們的生活環(huán)境、生產(chǎn)活動(dòng) 密切相關(guān)的重要物理量。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中溫度作為一種常用的主要被控參 數(shù)，在很多生產(chǎn)過程中我們需要對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、 電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、 熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)。采用單片機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具 有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)， 從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 因此單片機(jī)對(duì)溫度的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn) 中經(jīng)常會(huì)遇到的問題1。 本次設(shè)計(jì)采用 MCS-51 系列單片機(jī)與各種外圍電路構(gòu)成單片機(jī)溫度自動(dòng)檢測(cè)和控制 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。通過本次設(shè)計(jì)掌握溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè) 計(jì)方法和軟件編寫方法。熟悉 Protel 軟件的使用方法。通過課題的研究進(jìn)一步鞏固所 學(xué)的知識(shí)，同時(shí)學(xué)習(xí)課程以外的相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)綜合應(yīng)用知識(shí)的能力。鍛煉動(dòng)手能力 與實(shí)際工作能力，將所學(xué)的理論與實(shí)踐結(jié)合起來。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況和發(fā)展趨勢(shì) 隨著國(guó)內(nèi)外工業(yè)的日益發(fā)展，溫度檢測(cè)技術(shù)也有了不斷的進(jìn)步。溫度測(cè)量系統(tǒng)主 要由兩部分組成，一部分是傳感器，它將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。另一部分是電子裝 置，它主要完成對(duì)信號(hào)的接收、處理、對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行控制、溫度顯示等功能。對(duì)應(yīng)于不 同的溫度段及測(cè)量精度要求，測(cè)溫裝置也不盡相同，從傳感器方面看，己出現(xiàn)有各種 金屬材料、非金屬材料、半導(dǎo)體材料制成的傳感器，也有紅外傳感器。儀器本身也趨 向小型化，多采用集成度較高的芯片或元件組成電路。對(duì)于測(cè)點(diǎn)較多，并具有報(bào)警、 巡測(cè)、控制等多功能測(cè)溫裝置，一般采用單片機(jī)電路。目前的溫度檢測(cè)技術(shù)原理很多， 大致包括以下幾種:(1)物體熱脹冷縮原理(2)熱電效應(yīng)(3)熱阻效應(yīng)(4)利熱輻射原理。 傳統(tǒng)的溫度傳感器(如,熱電偶、鉑電阻、雙金屬開關(guān)等)雖然有著各自不可替代的 第 2 頁 共 39 頁 優(yōu)點(diǎn),但由于自身因自熱效應(yīng)影響了測(cè)量精度,從而制約了它們?cè)谖⑿突叨穗娮赢a(chǎn)品 中的應(yīng)用。與之相比較,半導(dǎo)體溫度傳感器具有靈敏度高、體積小、功耗低、時(shí)間常數(shù) 小、自熱溫升小、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),無論是電壓、電流還是頻率輸出,在相當(dāng) 大的溫度范圍內(nèi)( - 55150 )都與溫度成線性關(guān)系,適合在集成電路系統(tǒng)中應(yīng)用。 目前,半導(dǎo)體溫度傳感器工作的溫度范圍還限于- 50150 。未來主要的研究方向?qū)?是如何擴(kuò)大它的溫度適用范圍,以及智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方面2。 近年來，在溫度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中，多種新的檢測(cè)原理與技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用己取得了 具有實(shí)用性的重大進(jìn)展。新一代溫度檢測(cè)元件正在不斷出現(xiàn)和完善化，主要包括以下 幾種。(1)晶體管溫度檢測(cè)元件(2)集成電路溫度檢測(cè)元件(3)核磁共振溫度檢測(cè)器(4) 熱噪聲溫度檢測(cè)器(5)石英晶體溫度檢測(cè)器(6)光纖溫度檢測(cè)器(7)激光溫度檢測(cè)器。 目前國(guó)內(nèi)外的溫度控制方式越來越趨向于智能化，溫度測(cè)量首先是由溫度傳感器 來實(shí)現(xiàn)的。測(cè)溫儀器由溫度傳感器和信號(hào)處理兩部分組成。溫度測(cè)量的過程就是通過 溫度傳感器將被測(cè)對(duì)象的溫度值轉(zhuǎn)換成電的或其它形式的信號(hào),傳遞給信號(hào)處理電路進(jìn) 行信號(hào)處理轉(zhuǎn)換成溫度值顯示出來。溫度傳感器隨著溫度變化而引起變化的物理參數(shù) 有: 膨脹、電阻、電容、熱電動(dòng)勢(shì),磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn) 的發(fā)展,新型溫度傳感器還會(huì)不斷出現(xiàn),目前,國(guó)內(nèi)外通用的溫度傳感器及測(cè)溫儀大致有 以下幾種: 熱膨脹式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱電偶、輻射式測(cè)溫儀表、石英溫度傳感 器測(cè)溫儀3。 1.3 溫度檢測(cè)的主要方法 溫度的測(cè)量方法多采用集成的半導(dǎo)體模擬溫度傳感器，傳感器輸出的電壓或電流 與溫度在一定范圍呈線性關(guān)系。通過放大，采樣得到被測(cè)量。另一種溫度測(cè)量方法是 使用熱電偶，其測(cè)量精度較高，但測(cè)試過程復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，而且采用電橋測(cè)量的 系統(tǒng)抗干擾能力較差，誤差較大。隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，新型的數(shù)字化溫度 傳感器其精度、穩(wěn)定性、可靠性及抗干擾能力都優(yōu)于模擬的溫度傳感器。數(shù)字溫度傳 感器也越來越的到廣泛的應(yīng)用4。 溫度檢測(cè)的方法根據(jù)敏感元件和被測(cè)介質(zhì)接觸與否，可以分為接觸式與非接觸式 兩大類。接觸式檢測(cè)的方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度檢測(cè)儀 表；基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測(cè)儀表。非接觸式檢測(cè)方法是利用物體的熱輻射特 性與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)物體的溫度進(jìn)行檢測(cè)，主要有亮度法、全輻射法和比色 法等。接觸式測(cè)溫是使測(cè)溫敏感元件與被測(cè)介質(zhì)接觸，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)與感溫元件達(dá)到熱 第 3 頁 共 39 頁 平衡時(shí)，感溫元件與被測(cè)介質(zhì)的溫度相等。這類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、精度高、 穩(wěn)定性好、價(jià)格低、應(yīng)用十分廣泛，因此，本方案采用接觸式測(cè)溫法，選用相關(guān)類型 的傳感器。 由單片機(jī)組成的溫度測(cè)控系統(tǒng),通過在單片機(jī)外部添加各種接口電路，可構(gòu)成單片 機(jī)最小系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制對(duì)象的溫度的顯示和控制。同時(shí)也能根據(jù)實(shí)際情況 實(shí)現(xiàn)多路巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警及記錄,對(duì)各個(gè)參數(shù)以一定的周期進(jìn)行檢查和測(cè)量,檢 測(cè)的結(jié)果經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后再進(jìn)行顯示、打印和報(bào)警,以提醒操作人員注意或直接用于生 產(chǎn)控制5。 1.4 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它用溫度傳感器將檢測(cè)到的溫度信號(hào) 經(jīng)放大，AD 轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示當(dāng)前溫度值，用當(dāng)前溫度值與 設(shè)定溫度值進(jìn)行比較6。根據(jù)比較的結(jié)果得到控制信號(hào)用以控制繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn) 對(duì)加熱器的控制。通過這種控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫箱的溫度控制。本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容主 要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成,硬件部 分主要完成主機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行等電路的設(shè)計(jì)。軟件 程序編寫主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)、標(biāo)度轉(zhuǎn)換、LED 顯示、繼電器控制等數(shù)據(jù)處理 功能。 第 4 頁 共 39 頁 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用 MCS-51 單片機(jī)作為控制芯片，采用半導(dǎo)體集成溫度傳感器 AD590 采 集溫度信號(hào)。通過溫度傳感器將采集的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過放 大處理送入 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入到控制芯片進(jìn) 行數(shù)據(jù)處理。通過在芯片外圍添加顯示、控制等外圍電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫箱溫度的實(shí)時(shí) 檢測(cè)和控制功能。 本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成,硬件部分主要完成傳感器信號(hào)的采集 處理,信息的顯示等;軟件主要完成對(duì)采集的溫度信號(hào)進(jìn)行處理及顯示控制等功能。系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1 所示： 保保 溫溫 箱箱 AD590 熱源 交流 電源 調(diào)理電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng) A/D 控制 單片機(jī) 顯示 設(shè)定 繼電器 直流 電源 圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)就是為本單片機(jī)溫控系統(tǒng)選擇合適的、最優(yōu)的系 統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D 轉(zhuǎn)換器、 設(shè)計(jì)合適的接口電路等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)本著以下原則： (1) 盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。本設(shè)計(jì)采用了典型的顯示電路、 A/D 轉(zhuǎn)化電路，為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 第 5 頁 共 39 頁 (2) 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)， 以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時(shí)間比硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，且占用 CPU 時(shí)間。由于本設(shè)計(jì)的響應(yīng)時(shí)間要求不高，所以有一些功能可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)，如鍵 盤的去抖動(dòng)問題。 (3) 系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低 功耗產(chǎn)品。 本系統(tǒng)的硬件電路主要包括模擬部分和數(shù)字部分，從功能模塊上來分有主機(jī)電路、 數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路。系統(tǒng)硬件包括：溫度傳感器、信號(hào)調(diào) 理電路、AD 轉(zhuǎn)換器件、MCS-51 單片機(jī)、鍵盤輸入、LED 溫度顯示器、溫度控制電 路。 2.1.1 芯片選擇 單片機(jī)就是在一塊硅片上集成了微處理器、存儲(chǔ)器和各種輸入輸出接口電路的微 型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。單片機(jī)以其較高的性能價(jià)格比受到了人們的重視和關(guān)注。它 的優(yōu)點(diǎn)就是體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、可靠性高、 靈活性好、開發(fā)較為容易。單片機(jī)根據(jù)其基本操作處理的位數(shù)可分為 4、8、16、32 位 單片機(jī)，應(yīng)用最為廣泛的是八位單片機(jī)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況和要求，在本次設(shè) 計(jì)中采用 AT89C51 作為系統(tǒng)的控制芯片。AT89C51 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位 微控制器，具有 4K 的系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ) 器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在 系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 2.1.2 溫度檢測(cè) 本課題設(shè)計(jì)的溫度控制范圍為 25-80 攝氏度，溫度傳感器采用采用 AD590 半導(dǎo)體 集成溫度傳感器。A/D590 具有較高的精度和重復(fù)性，不需輔助電源，線性好，使用方 便，便于微機(jī)系統(tǒng)測(cè)控。被測(cè)溫度信號(hào)為一路由 AD590 測(cè)得的代表溫度的電壓信號(hào)， 經(jīng)溫度調(diào)理電路放大后使其在 0-5V 范圍內(nèi)，使其適合于 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍。 2.1.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路的種類很多，例如，計(jì)數(shù)比較型、逐次逼近型、雙積分型等等。選 擇 A/D 轉(zhuǎn)換器件主要從轉(zhuǎn)換速度、精度和價(jià)格上考慮。逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，在精 度、速度和價(jià)格上都比較適中，是最常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器。雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有精 第 6 頁 共 39 頁 度高、抗干擾性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度慢。近年來在微機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中也得 到了廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)采用八路模擬輸入通道的逐次逼近型的八位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809。采用 ADC0809 作為與單片機(jī)的接口電路，它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換速度 較高。采用 ADC0809 作為 A/D 轉(zhuǎn)換器具有與單片機(jī)連接簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，它是八位的轉(zhuǎn) 換器可以與八位的單片機(jī)直接連接，這樣就簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的連接電路也有利于系統(tǒng)軟件 的編寫。 2.1.4 鍵盤輸入 鍵盤可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤，鍵盤上閉合鍵的識(shí)別由專用的硬件譯碼 器實(shí)現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編號(hào)和鍵值的稱為編碼式鍵盤；靠軟件識(shí)別的為非編碼式鍵盤。在 單片機(jī)組成的測(cè)控系統(tǒng)中，用得最多的是非編碼鍵盤。在這里采用的就是非編碼式鍵 盤。鍵盤的連接方式采用獨(dú)立連接式，這種連接方式能夠簡(jiǎn)化程序的編寫。 2.1.5 LED 顯示 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器（LED）和液晶顯示 器（LCD） 。采用 LED 作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示器具有價(jià)格低、性能穩(wěn)定和響應(yīng)速度快等 特點(diǎn)。LED 顯示方式有靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示和串口顯示。為了節(jié)省系統(tǒng)本身的硬件資 源，在這里 LED 的顯示方式采用串行靜態(tài)顯示方式。利用串口可以工作在移位寄存器 方式，驅(qū)動(dòng) LED 靜態(tài)顯示。這樣就可以充分的利用并行口，并將并行口用到最需要的 地方去，同時(shí)主程序不需要掃描顯示器，使它有更多的時(shí)間處理其他事情。這種顯示 方法用于顯示位數(shù)少、顯示亮度大的地方能夠達(dá)到很好的顯示效果。 2.1.6 控制電路 控制電路作為單片機(jī)系統(tǒng)的后向通道，他是將單片機(jī)處理后的數(shù)字控制信號(hào)用輸 出口輸出，并將該數(shù)字信號(hào)用于對(duì)控制對(duì)象的控制。由于單片機(jī)的輸出信號(hào)電平很低， 無法直接驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備進(jìn)行工作，因此在單片機(jī)的后向通道中需要外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、 信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換以及隔離放大等技術(shù)。本次設(shè)計(jì)采用繼電器作為控制電路的主要器件， 通過繼電器可以實(shí)現(xiàn)直流信號(hào)控制交流負(fù)載的功能，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的控制功能。 2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟件的編寫，使 軟件編寫思路更加簡(jiǎn)單明了。系統(tǒng)軟件主要由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn) 模塊和運(yùn)算控制模塊。主程序模塊用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)子程序間的跳轉(zhuǎn)。功能實(shí)現(xiàn)模塊主要 第 7 頁 共 39 頁 由 A/D 轉(zhuǎn)換子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序、繼電器控制程序等部分組成。運(yùn) 算控制模塊涉及標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序等。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 中央處理器 MCS-51 系列單片機(jī)是 8 位增強(qiáng)型，其主要的技術(shù)特征是為單片機(jī)配置了完善的外 部并行總線和具有多級(jí)識(shí)別功能的串行通訊接口（UART） ，規(guī)范了功能單元的 SFR 控 制模式及適應(yīng)控制器特點(diǎn)的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)。屬于這類單片機(jī)的芯片有許多 種，如 8051、8031、80C51 等等。由于單片機(jī)具有較高的性能比，國(guó)內(nèi) MCS-51 系列 單片機(jī)應(yīng)用最廣，易于開發(fā)、使用靈活、而且體積小、易于開發(fā)、抗干擾能力強(qiáng)，可 以工作于各種惡劣的條件下，工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)本著實(shí)用性和適用性的要求， 選擇 AT89C51 單片機(jī)作為中央處理器。 3.1.1 AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的具有低電壓，高性能 CMOS 的 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造 技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多 嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。如圖 3.1 為 AT89C51 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 框圖。 第 8 頁 共 39 頁 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:21-May-2007Sheet of File:E:業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)MyDesign.ddbDrawn By: EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE /P 30 TXD 11 RXD 10 U? 8051 圖 3.1AT89C51 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 AT89C51 單片機(jī)與 MCS-51 系列單片機(jī)兼容, AT89C51 內(nèi)部有 4K 字節(jié)可編程閃爍 存儲(chǔ)器, 128*8 位內(nèi)部 RAM,兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器, 5 個(gè)中斷源, 32 可編程 I/O 線及串 行通道。閃爍存儲(chǔ)器是一種可編程又可擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM） ，給用戶設(shè)計(jì)單片 機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)系統(tǒng)帶來很大的方便，深受廣大用戶的歡迎。AT89C51 有片內(nèi)振蕩器 和時(shí)鐘電路 ,具有低功耗的閑置和掉電模式,在空閑方式下，CPU 停止工作，但允許內(nèi) 部 RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。在掉電方式下，能保存 RAM 的內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止所有其他部件工作。還具有三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定, 全靜態(tài)工作頻率 0Hz-24Hz, 數(shù)據(jù)保留時(shí)間可長(zhǎng)達(dá) 10 年。 3.1.2 管腳說明 如圖 3.2 為 AT89C51 引腳圖,各引腳功能說明如下7: VCC: 電源 GND: 地 P0 口：P0 口是一個(gè) 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏 輯電平。對(duì) P0 端口寫“1”時(shí)，引腳用作高 阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也被作為低 8 位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種 模式下，P0 具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編 程時(shí)，P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校 驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外 第 9 頁 共 39 頁 部上拉電阻。 圖 3.2 AT89C51 引腳圖 P1 口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 輸出緩沖器能 驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí) 可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因， 將輸出電流（IIL） 。此外，P1.0 和 P1.2 分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入 （P1.0/T2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX） P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖器能 驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此 時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原 因，將輸出電流（IIL） 。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使 用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 時(shí)，P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，P2 口也接收高 8 位地 址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，對(duì) P3 端口寫 “1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)， 被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL） 。P3 口亦作為 AT89C51 特殊功能（第二功能）使用，如表 3-1 所示。 表表 3-13-1 AT89C51AT89C51 引腳號(hào)第二功能引腳號(hào)第二功能 P3.0 RXD（串行輸入） P3.1 TXD（串行輸出） P3.2 INT0（外部中斷 0） P3.3 INT0（外部中斷 0） P3.4 T0（定時(shí)器 0 外部輸入） P3.5 T1（定時(shí)器 1 外部輸入） P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） RST: 復(fù)位輸入，晶振工作時(shí)，RST 腳持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù) 位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST 腳輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無效。DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電 平有效。 ALE/PROG：地址鎖存控制信號(hào)（ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8 位 第 10 頁 共 39 頁 地址的輸出脈沖。在 flash 編程時(shí)，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一 般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或 時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 脈沖將會(huì)跳過。 如果需要，通過將地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位置“1” ，ALE 操作將無效。這一位 置“1” ，ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時(shí)有效。否則，ALE 將被微弱拉高。這 個(gè) ALE 使能標(biāo)志位（地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí) 行模式下無效。 PSEN:外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（PSEN）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng) AT89C51 從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，PSEN 在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次， 而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN 將不被激活。 EA/VPP:訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序 存儲(chǔ)器讀取指令，EA 必須接 GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA 應(yīng)該接 VCC。在 flash 編程期間，EA 也接收 12 伏 VPP 電壓。 XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。 3.1.3 特殊功能存儲(chǔ)器 在單片機(jī)內(nèi)高 128B RAM 中，由有 21 個(gè)特殊功能寄存器（AFR），它們離散的分 布在 80H-FFH 的 RAM 空間中，訪問特殊功能寄存器只允許使用直接尋址方式。表 3- 2 為 AT89C51 單片機(jī)特殊功能寄存器及其相應(yīng)地址7。 表表 3-23-2 專用寄存器名稱，功能及對(duì)應(yīng)的專用寄存器名稱，功能及對(duì)應(yīng)的 RAMRAM 地址地址 名稱簡(jiǎn)單描述地址 ACC累加器（專門用于存儲(chǔ)算術(shù)和邏輯運(yùn)算的結(jié)果）0E0H BB 寄存器（專門用于乘/除法運(yùn)算）0F0H PSW程序狀態(tài)寄存器0D0H SP推棧指針寄存器81H DPTR16 位數(shù)據(jù)指針寄存器。CPU 訪問外部 RAM 時(shí)地址指針，由兩個(gè) 8 位 寄存器 DPH（83H） 、DPL（82H）組成且可單獨(dú)訪問。 P0端口 0 狀態(tài)寄存器（初始值為 0FFH）80H P1端口 1 狀態(tài)寄存器（初始值為 0FFH）90H P2端口 2 狀態(tài)寄存器（初始值為 0FFH）0A0H P3端口 3 狀態(tài)寄存器（初始值為 0FFH）0B0H IP中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器0B8H IE中斷允許控制寄存器0A8H TMOD定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制寄存器89H TCON定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器88H 第 11 頁 共 39 頁 TH0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 高字節(jié)8CH TL0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 低字節(jié)8AH TH1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 高字節(jié)8DH TLI定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 低字節(jié)8BH SCON串行控制寄存器98H SBUF串行數(shù)據(jù)緩沖器99H PCON電源控制寄存器87H 3.1.4 芯片擦除 整個(gè) EPROM 陣列電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重 復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率 的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU 停止工作。 但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi) 容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 3.1.5 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 復(fù)位使單片機(jī)處于起始狀態(tài)，并從該起始狀態(tài)開始運(yùn)行。AT89C51 的 RST 引腳為 復(fù)位端，該引腳連續(xù)保持 2 個(gè)機(jī)器周期（24 個(gè)時(shí)鐘振動(dòng)周期）以上高電平，則可使單 片機(jī)復(fù)位。內(nèi)部復(fù)位電路在每一個(gè)機(jī)器周期的 S5P2 期間采樣斯密特觸發(fā)器的輸出端， 該觸發(fā)器可抑制 RST 引腳的噪聲干擾，并在復(fù)位期間不產(chǎn)生 ALE 信號(hào)，內(nèi)部 RAM 處于 不斷電狀態(tài)。其中的數(shù)據(jù)信息不會(huì)丟失，也即 復(fù)位后，只影響 SFR 中的內(nèi)容，內(nèi)部 RAM 中的 數(shù)據(jù)不受影響。外部復(fù)位有上電復(fù)位和按鍵電 平復(fù)位。由于單片機(jī)運(yùn)行過程中，其本身的干 擾或外界干擾會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)，此時(shí)我們可按復(fù)位 鍵重新開始運(yùn)行。為了便于本設(shè)計(jì)運(yùn)行調(diào)試， 復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位方式。按鍵復(fù)位電路如 圖 3.3 所示8。 圖 3.3 復(fù)位電路 3.1.6 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。MCS-51 單片機(jī)允許的時(shí) 鐘頻率是因型號(hào)而異的，其典型值為 12MHZ。AT89C51 內(nèi)部有一個(gè)反相振蕩放大器，XTAL1 和 XTAL2 分別是 該反向振蕩放大器的輸入端和輸出端。該反向放大器可 第 12 頁 共 39 頁 配置為片內(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。本設(shè)計(jì)采用的晶振頻率為 12MHZ。其時(shí)鐘電路如圖 3.4 所示。51 系列單片機(jī)還可使用外部時(shí)鐘。在使用外部時(shí) 鐘時(shí)，外部時(shí)鐘必須從 XTAL1 輸入，而 XTAL2 懸空。 圖 3.4 時(shí)鐘電路 3.2 溫度傳感器 AD590 溫度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，它不僅用于日常生活中，而且也大量應(yīng)用于自動(dòng)化 和過程檢測(cè)控制系統(tǒng)。溫度傳感器的種類很多，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用條件，選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲?器類型才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確可靠，并且同時(shí)達(dá)到增加使用壽命和降低成本的目的。 AD590 溫度傳感器不但實(shí)現(xiàn)了溫度轉(zhuǎn)化為線性電量測(cè)量，而且精度高、互換性好。 AD590 測(cè)量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具 體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場(chǎng)合。由于 AD590 精度高、價(jià)格低、不需輔助電 源、線性好，常用于測(cè)溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)采用 AD590 作為溫度傳感器， 它只需要一個(gè)電源即可實(shí)現(xiàn)溫度到電流的線性變換，然后再終端使用一只取樣電阻， 即可實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。它使用方便，并且具有較高的精度。圖 3.5 為 AD590 的 封裝形式和基本應(yīng)用電路。 圖 3-5 AD590 封裝形式和應(yīng)用電路 AD590 集成溫度傳感器是將溫敏電阻晶體管與相應(yīng)的輔助電路集成在同一塊芯片 上，能直接給出正比于絕對(duì)溫度的理想線形輸出，一般用于-55+150之間的測(cè)量 溫度。溫敏晶體管在管子的集電極電流恒定時(shí)，其基極發(fā)射極電壓與溫度成線形關(guān)系， 由于生產(chǎn)廠家生產(chǎn)時(shí)采用激光微調(diào)來校正集成電路內(nèi)的薄膜電阻，使其在攝氏零度 （對(duì)應(yīng)絕對(duì)溫度為 273.2K） ，輸出電流微 273.2uA，靈敏度微 1uA/K。當(dāng)其感受的溫度 升高或者降低時(shí)，則其電流就以 1uA/K 的速率增大或減小，從而將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換為電 第 13 頁 共 39 頁 壓，則可以用電壓來表示其溫度大小。為克服溫敏晶體管 vb 電壓產(chǎn)生時(shí)的離散性，采 用了特殊的差分電路。集成溫度傳感器具有電壓型和電流