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1、. . . . 目录摘要3引言4第一章 绪论51-1单片机的概述51-2温度检测的意义与技术发展51-3温度控制系统设计项目的目标与思路61-4单片机温度控制系统的组成与工作原理6第二章MCS-51系列单片机的结构与原理82-1 MCS-51单片机的结构82-2 MCS-51单片机的特点92-3 复位电路92-4 时钟电路10第三章温度控制的硬件设计113-1 CPU系统113-2 温度检测113-3 温度设定123-4 报警电路133-5 电炉控制电路133-6 温度显示电路14第四章软件设计154-1 总体设计154-2 主程序和中断服务子程序的设计164-3 温度检测子程序174-4 温
2、度控制子程序18第五章调试与小结215-1 数据采集215-2 温度调节215-3 小结22参考文献23词24摘要由于现代工艺越来越多的需要对实时温度进行监测和控制，而且需要的精度越来越高。所以温度控制系统受到了国外许多有关人员的重视，得到了十分广泛的应用。温度控制系统发展迅速，而且成果显著。温度控制系统是利用下位机设置温度上下限，和实时温度的采集，传输到上位机。以达到对温度的比较、控制。本设计用MCS51单片机为主要硬件，并设计了相应的复位电路，振荡器和时钟电路。为实现设计目的此设计还设计了包括温度采集，温度显示，系统控制，串口通信等外围电路。而且对所设计电路给出了相应的软件设计，包括定时器
3、初始化，串行口初始化和数据传输等程序。以简单说明了温度控制系统的工作原理。关键词：MCS51单片机，温度采集，串口通信，定时器设置，温度设置引言单片计算机即单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）,是集CPU、Ram、Rom、定时，计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。而51单片机是各种单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习，应用，从而达到学习、设计、开发软、硬件的能力。温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术
4、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的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、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，测量围广，精度较高。 本设计了一种基于51系列单片机度测量和控制装置，能对电炉温度进行测量，并能根据温度给定值给出调节量，控制执行机构，实现调节电炉温度的目的。第一章 绪论1-1单片机的概述微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第4代电子计算机。把计算机的5个组成部分，即运算器、控制器、存储器、输入电路与输出电路，集成在一个芯片上形成的芯片级特殊计算机称为单片机。单片机是卫星计算机技术的一个独特分支，广泛应用于工业控制、仪器仪表智
5、能化、家用电子产品等各个控制领域。 单片机一词最初来源于Single Chip Microcomputer，简称SCM，即单片微型计算机。随着单片微型计算机在技术、体统结构上的不断进步，使其控制功能不断扩展，它的重要作用已经不是计算，而是控制了，国际上开始采用Micro Controller Unit，简称MCU，即微控制器，形成了单片机界公认的、最终统一的名词。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机延伸到单片微控制器。1-2 温度检测的意义与技术发展温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以与空气流动等物理和化学过程。温度控制失
6、误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。 温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条
7、道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段。1-3 温度控制系统设计项目的目标与思路设计工业现场的温度控制系统，采用DS18B20温度传感器，远距离传输方式，LED数码管显示，键盘设定，自动切换变频、工频状态，具有超报警、切断变频器保护，可持续工作，高可靠性和较低的生产成本性能。 系统的总体设计思路是围绕着如何实现低功耗、低成本、高精度展开的。对于数字化的测试系统，虽然数据采集、A/D转换的过程消耗的电流较大，但这一过程很快，一般在毫秒级甚至微妙级就可以完成，这样可以适当的选择采样周
8、期，在一个采样周期，迅速的测量压力，然后进入电流消耗较低的“休息”状态，那样就可以大幅度减少整个系统的电流功耗。这就像一个人每天只工作到半小时，而其他时间在休息一样，当然能量功耗要小多了，寿命自然就会提高很多了。1-4单片机温度控制系统的组成与工作原理因为被控系统对升、降温过程没有具体要求，对温度控制精度要求也不高，为了避免涉与过多的自动控制方面的知识本例选用继电器控制方式。图1-1为温度控制结构框图，温度设定、温度检测为输入量，1#、2#、3#电炉控制、温度显示、报警为输出量。具体说明如下：（1） 室温：切除所有电炉。（2） 40:一般情况1#电炉工作若高于41，则1#电炉停；若低于39，则
9、再加2#电炉工作。（3） 50:一般情况为1#、2#电炉同时工作，若高于51，则2#电炉停；若低于49，则再加3#电炉工作。（4） 因温度惯性较大，采样周期取1s，并刷新一次温度控制输出状态。图1-1温度控制系统组成框图热电偶将炉温变换为模拟电压信号，经低通滤波器滤掉干扰信号后送放大器，信号放大为0.5 V后送模数转换器转换为数字量送单片机。同时，热电偶的冷端温度也由Ic温度传感器变为电压信号，经放大和转换后送单片机。标度变换程度根据温检测值求得实际炉温0。数字调节器程序根据恒温给定值0 与0的偏差A0，按积分分离的PID控制算法得到输出控制量。数字触发器程序根据控制电阻炉子的导通时间，调节炉
10、温的变化使之与给定恒温值一致。导通时间长，输出功率大，温度升高快；导通时间短，输出功率小，温度升高变慢。显示与恒温判断程序完成炉温0与恒温时间显示、恒温开始与恒温完成判别、恒温完成时给出声光指示信号。断偶判断程序根据温度检测值判断温度传感是否开路，若开路，则给出断偶报警信号。第二章 MCS-51系列单片机的结构与原理2-1 MCS-51单片机的结构单片机按应用围可分成通用型和专用型。专用型是针对某种特定产品而设计的单片机。在通用型的单片机中，又可按字长分为4位、8位、16/32位。8位单片机成本低，价格低廉，便于开发，其性能满足主要的需要，只有在航天、汽车、机器人等高技术领域，需要高速处理大量
11、数据时，才需要选用16/32位，而在一般工业领域，8位通用型单片机目前应用最广的单片机。 89S51单片机包括CPU、存储器和输入/输出接口三大基本单元，图2-1是它的组成框图。片包括下一个部件：（1） 时钟振荡器。（2） 8位的CPU。（3） 256B RAM（包括有128个可以位寻址单元）和SFR。4KB Flash ROM。（4） 4*8位（32根）的I/O并行口线。（5） 一个全双工异步串行通信口（UART）。（6） 两个16位定时/计数器。（7） 5个中断源，两个优先级的中断结构。（8） 可寻址64KB外部数据存储器和64KB程序存储器的控制电路。（9） 看门狗（WDT）与双数据指针
12、。（10） 低功耗空闲和掉电式。（11） 灵活的在线系统编程（ISP-字节或页写模式）。图2-1 MCS-51系列单片机组成框图2-2 MCS-51单片机的特点 由于单片机的这种结构形式与它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要特点如下：（1） 有优异的性能价格比。（2） 集成度高、体积小、有很高的可靠性。（3） 控制功能强。（4） 低功耗、低电压、便于产生便捷式产品。（5） 外部总线增加了I2C与SPI等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。（6） 单片机的系统扩展和系统配置较典型、规，容易构成各种规模的应用系统。2-3 复位电路单片机
13、常见的复位电路如图2-2（a）、（b）所示复位方式主要有以下两种：（1） 上电自动复位方式上电自动复位方式是在单片机接通电源后，对复位电路的电容充电来实现的，电路如图2-2（a）所示。在接电瞬间，RST端的电位与Vcc一样，随着充电电流的减少，RST的电位逐渐下降。只要保证RST为高电平的时间大于2个机器周期，便能正常复位。当采用的晶体频率为6MHz时，可取C=22uf，R=1K；当采用的晶体频率为12MHz时，可取C=10uf,R=8.2K。（a）上电复位电路 （b）按键复位电路图2-2单片机常见的复位电路 （a） （b）（b）手动复位方式手动复位方式为按键电平复位，按键电平复位相当于RST
14、端通过电阻与Vcc电源接通而实现的。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图2-2（b）中的RESET键，此时电源Vcc经电阻R1、R2分压，在RST端产生一个复位高电平。2-4 时钟电路89系列单片机的时钟信号可以由两种方式产生，一种是部方式，利用芯片部的振荡电路；另一种方式为外部方式。（1） 部时钟信号的产生在89系列单片机芯片部由一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图2-3所示。图2-3时钟振荡电路 图2-4外部时钟源
15、接法（2） 外部脉冲信号的产生外部时钟方式是利用外部振荡器信号源即时时钟直接接入XTAL1或XTAL2。通常HMOS型单片机XTAL1接地，XTAL2接外部时钟。由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个4.710 K的上拉电阻。在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间的时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时外部的脉冲信号是经XTAL2引脚注入，其连接如图2-4所示。第三章 温度控制的硬件设计3-1 CPU系统 图3-1为主机系统电路图。本例对控制精度要求不高，控制功能一般，程序并不复杂，因此选用8031作为CPU，选用2732A（4KB）作为
16、EPROM，74LS373作低8位地址锁存器。图3-1 主机系统电路图3-2 温度检测图3-2为温度检测和A/D转换电路图。 温度传感器选用DS18B20。DS18B20属于半导体集成电路温度传感器，测温围 -55 +150,在其两端加上一定工作电压，其输出电流与温度变化成线性关系，1uA/0K,误差有几种等级：1、0.5、0.3，本例选取0.5品种。OP07为高精度运算放大器，AD590电流流经R1、RP1转换为电压信号，R2、RP2为运放负反馈电阻，组成反相比例放大器，将温度信号转换成 0 5V的电压信号，ADC0809再将其转换为数字信号，输入CPU。 计算机和调试方法，考虑到计算机调试
17、和编程方便，取00H FFH 对应 0 5V和0 64 即每对应1 ，数字量为04H，模拟电压量约为5V/640.0781V/调试时，当温度为0时，调节RP1，使0P07输出电压0V,0809A/D转换后的数字量为00H，当温度为640C时，调节RP2，使0P07输出为5V，0809A/D转换后的数字量为FFH。图3-2 温度检测和A/D转换电路图3-3 温度设定 温度设定分为三档，本例选用BCD码拨盘，图3-3 为拨码盘输入电路。利用P1口的高4位作为数值输入，每高电平有效，低电平无效。图3-3 拨码盘输入电路3-4 报警电路图3-4 为超限报警电路。实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音
18、元件通常可采用压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加315V直流工作电压，就能产生3kHZ左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器，约需10mA的驱动电流，可在某端口接上一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动，如图2所示。在图2中，P1.0接三极管基极输入端，当P1.0输出高电平“1”时，三极管导通，蜂鸣器的通电而发音，当P1.0输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发音。图3-4 超限报警电路3-5 电炉控制电路图3-5 为电炉控制电路。由P1.0、P1.1、P1.2分别控制 1#、2#、3# 电炉，电路控制一样。74LS03超隔离缓冲作用，MOC
19、3011为光耦合器，防止电网中的干扰信号冲击CPU。当P1.0输出高电平时，双向晶闸管导通，1# 炉工作。图3-5 电炉控制电路3-6 温度显示电路图3-6 为温度显示电路温度值采用LED数码显示，每1s刷新一次显示值，为了不再扩展并行I/O口，本例利用串行口移位功能，扩展为了位静态显示电路。P1.3为输出控制，当P1.3=1时，允许串行口输出数据经移位寄存器；当P1.3=0时，串行口不能输出数据，显示容不变。LED3显示十位温度值，LED2显示个位温度值，LED1显示十分位温度值，小数点固定在LED2。图3-6 温度显示电路第四章 软件设计4-1 总体设计图4-1 为系统程序总体结构 主程序
20、首先进行初始化。包括I/O口、定时器、中断系统的初始化，然后转入显示温度并等待定时器中断。在定时器中断服务子程序中，先判断1s满否？若未满1s，则返回。若满1s，则进行一系列操作：检测拨盘设定值，检测温度并进行标度变换，刷新显示温度，输出温度控制，并根据温度检测值是否超限而报警等。 系统程序结构属中断方式，系统功能均在中断服务子程序中完成，1s完成一次。根据总体结构，可将程序划分为几个功能模块：温度设定输入、温度检测、温度值标度变换、温度显示、温度控制、报警。图4-1 系统程序总体结构4-2 主程序和中断服务子程序的设计按图4-1 系统程序总体流程可编写出主程序和中断服务子程序，在列出清单之前
21、，先说明1s定时的实现方法。当晶振采用6MHz时。每机周2us,定时器方式1最大定时时间131ms。要实现1s定时，还需另外设置一个软件计数器，对定时时间计次，累加后实现1s定时。为了便于计算，取定时时间为100ms，10次合计1s。 时间常数：T=216-100103/2 =65536-5000 =15536=3CBOH（1） 主程序ORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP TOINTORG 0030HMAIN: MOV SP1, #60H MOV P1, #0F0H MOV TMOD, #01H MOV THO, #3CH MOV TLO, #0B0H SETB ET
22、0 SETB EA SETB TRO MOV R7, #10LMO: LCALL TADC LCALL DISP SJMP LMO（2） 定时器T0中断服务子程序ORG 0200HTOINT: MOV THO, #3CHMOV TLO, #0B0HDJNZ R7, #TORMOV R7, #10LCALL TREFLCALL TADCLCALL XSCLLCALL DISPLCALL CONTLCALL ALARMTOR: RETI4-3 温度检测子程序图4-2 为温度检测子程序流程图，为了确保检测数据的可靠性，采用四点均值滤波法，进行软件滤波，即每次测温都使DS18B20连续4次采样，然后取
23、算术平均值作为该次检测值。温度检测值存入50H,R6记录采样次数，A/D转换采用查询方式。温度检测系统50H=0,B=0,R6=4启动A/D转换转换结束否 ？A+（50）50H有进位否 ？（B）+1BR6-1=0 ？B、50H450H返回图4-2 温度检测子程序流程图温度检测程序如下：TADC: MOV 50H, #00H MOV B, #00H MOV R6, #04H MOV DPTR, #7FF8HTTO: MOVX DPTR, A INTO,$ MOVX A, DPTR ADD A, 50H MOV 50H, A JNC TT1 INC BTT1: DLNZ R6, TT0 CLR C
24、 XCH A, B RRC A CLR C XCH A, B RRC A XCH A, B RRC A XCH A, B RRC A MOV 50H, A RET4-4 温度控制子程序图4-3 为温度控制子程序流程图。温度控制子程序的功能是将温度实侧值（存于50H）与设定值（存于51H）作比较，若实侧值高于设定值1以上，则关闭一台电炉，若实测值低于设定值1以上，则接通一台电炉，否则不予调节。三个电炉的接通顺序是3#、2#、1#，关闭顺序是1#、2#、3#，这样可以保证电炉的通断具有相对稳定性。图4-3 温度控制子程序流程图温度控制子程序如下：CTRL： MOV A, 50H CLR C SUB
25、B A, 51H JC LLTO SUBB A, #04H JNC LT1 RETLT1: JNB P1.0, LT2 CLR P1.0 RETLT2: JNB P1.1, LT3 CLR P1.1 RETLT3: CLR P1.2 RETLLTO: MOV A, 51H CLR C SUBB A, 50H CJNE A, #04H, LLT1LLT1: JNC LLT2 RETLLT2: P1.2, LLT3 SETB P1.2 RETLLT3: P1.1, LLT4 SETB P1.1 RETLLT4: SETB P1.0 RET第五章 调试与小结5-1 数据采集数据采集电路如图5-1所示
26、,由温度传感器DS18B20采集被控对象的实时温度,提供给AT89C2051的P3.2口作为数据输入。在本次设计中我们所控的对象为所处室温。当然作为改进我们可以把传感器与电路板分离，由数据线相连进行通讯，便于测量多种对象。图5-1单片机与温度传感器DS18B20的连接图5-2 温度调节控制器根据温度给定值和测量值之间的偏差调节，给出调节量，再通过单片机输出PWM 波，调节可控硅的触发相位的相位角，以此来控制执行部件的关断和开启时间，达到使温度升高或降低的目的。随后整个系统再通过检测前一阶段控制后的温度，进行进一步的控制修正，最终实现预期的温度监控目的。5-3 小结本文针对电炉温度控制系统模型,
27、提出了一种基于单片机MCS-51的设计方案。设计结果可以看出：本设计的控制器工作稳定,控制精度高,软件采用模块化结构,提高了通用性。本设计的目的不仅仅是温度控制本身,主要提供了单片机外围电路与软件包括控制算法设计的思想,应该说,这种思想比控制系统本身更为重要。参 考 文 献【1】 朝青 编著. 单片机原理与接口技术. 航空航天大学.【2】 开生.MCS-51 单片机温度控制系统的设计.微计算机信息.【3】 丽娟.邵欣.基于单片机的温度监控系统的设计与实现.机械制造.【4】 之良.单片机原理与控制技术.第2版 机械工业出社.【5】 堂敏.单片机原理与应用.理工大学.【6】 泽鼎.单片机应用技术与实例.电子工业. 词本课题在选题与写作过程中得到瞿江峰老师的悉心指导。瞿老师多次询问写作进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。瞿老师一丝不苟的作风，严谨的态度，踏踏实实的精神，不仅授予我以文，而且教我做人。虽立时数星期，却给我以终生受益无穷之道。对瞿老师的感激之情是无法言表与书面的。24 / 24