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1、毕业论文基于AT89S52单片机温度控制系统设计Design of TemperatureSystem Based on MicrocontrollerUnit AT89S52 摘 要在工业生产过程中，有些设备需要严格要求现场环境的标准性和可行性。温度是一个非常重要的物理量，温度控制失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很重要。无线传输是一种将有效数据传输至远方的一种有效方法，所以使用无线传输的测温系统可以对生产环境的温度进行无线采集并且能够使操作员可以远距离实时了解被测现场的温度变化情况。 本设计以AT89S52单片机为核心的温度控制系统，温度信号由温
2、度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机，在由单片机控制nRF905进行数据的无线传输至另一个单片机，通过显示及过限报警，然后使用红外控制器调节模拟空调，达到规定温度后自动解除警报。文中介绍了该控制系统的硬件部分、包括：温度采集电路、温度控制电路、无线通信电路和一些接口电路。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。文中还介绍了软件设计部分。关键词： 单片机 无线通信芯片 温度芯片 温度控制 AbstractIn the industrial control field, people often need to collect a lot of field dat
3、a, Temperature is a very important physical quantity, so temperature control failure could lead to a series of problems such as production safety, product quality, product yield and so on, so the meaning of the temperature detection keeps growing. Wireless transmission is an effective way to transfe
4、r the data far away, so people can apply the wireless transmission of high-precision temperature measurement system on the production environment for wireless transmission and operators can have access to the real-time temperature changes, thereby enhancing production efficiency. This design take AT
5、89S52 monolithic integrated circuit as core temperature control systems. The temperature signal by the temperature chip DS18B20 gathering, and transmits by digital signals way for the monolithic integrated circuit，and control NFR905 wireless data transmissionby the microcontroller to the temperature
6、 data. Automatically disarm the alarm display and over-limit alarm, then the use of infrared controller to adjust the simulation of air-conditioning, to achieve the specified temperature.In the article introduced this control systems hardware part, including:Temperature examination electric circuit,
7、 temperature-control circuit, wireless communication electric circuit and some interface circuit. The monolithic integrated circuit through carries on corresponding processing to the signal, thus realizes the temperature control goal. In the article also emphatically introduced the software design p
8、art.Key words：Microcontroller Wireless Communications Chip Temperature Chip Temperature Control 目 录 摘要IAbstractII绪论11 温度控制系统简介31.1 温度控制系统31.2 系统控制要求32 温度控制系统方案设计52.1 方案选择52.2 温度采集62.3 无线数据传输72.4 显示82.5 红外控制92.6 AT89S52温度控制系统113 系统硬件电路设计163.1 温度采集电路163.2 电源电路163.3 数码管显示电路163.4 蜂鸣器报警电路173.5 串口下载电路173.
9、6 无线模块电路183.7 红外控制电路184 系统软件设计194.1 温度控制系统程序流程图194.2 子程序设计204.2.1 温度采集子程序204.2.2 显示子程序224.2.3 无线通信子程序235 系统调试255.1 温度采集的调试255.1.1 硬件部分255.1.2 软件部分255.2 无线数据传输的调试265.3 红外控制的调试26结论27致谢28参考文献29附录1温度控制系统程序30附录2温度控制系统原理图37附录3设计制作实物图38 IV绪 论 在许多测控现场，传统数据传输都是通过有线电缆实现的。随着射频、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现更容易，数据传输速率更快，抗
10、干扰能力更强，因此，许多应用采用了无线传输技术。无线数据传输与有线数据传输相比，有诸多优点：一是成本低，省去大量布线；二是建网快捷，只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度天线；三是适应性好，可应用于某些特殊环境；四是扩展性好，只需将设备与无线数据传输模块相连接。因此，无线传输是一种有效数据传输方式。所以使用无线传输的高精度测温系统可以对生产环境的温度进行无线传输并且能够进行使操作员可以远距离实时了解被测现场的温度变化情况,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。 随着计算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，现代的测量系统在数字信号处理方面的能力
11、也大大加强了，形成了数字化测量技术。数字化测量就是借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，并转换成电信号，然后进行信号调理和A/D转换，使之转换成为能够在数字系统中进一步处理的数字信号。具体来说，就是将温度、湿度、气体密度等物理信号转化为数字量并传递到计算机中。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展有着重要作用。目前，传感器正不断朝着多功能性和智能性方向发展。目前,已经将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到智能家居中布线不便时对室内生活环境指标数据的采集。随着计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术和信息技术的迅猛发展与提高，人们对所居住的环境提出了更高
12、的要求，在这种形势下发展出了“智能家居”这一概念。目前，智能家居通常被定义为利用通信、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。智能家居首先要实现对所有家电设备和家居环境的监视，满足家居网络与外界进行通信的要求，实现家庭的远程监控和信息的交换。智能家居的最终目的就是满足人们对安全、舒适和方便的现代生活理念的追求。 智能家居中，对当前环境状况的监测分析是首要的，无线数据采集系统即是针对智能家居中对室内生活环境指标如温度和湿度等进行采集分析的解决方案。 近年来，智能控制技术已取得了突飞猛进的发展，并日益显示出其重要价值。智能控制已成为多种学科的综合与
13、集成，吸引了全球不同领域、不同学科的众多专家学者，进行着广泛的研究工作，并不断探索新的方法、新的理论和新的有效的实际应用。人们正在努力使用智能控制技术进入工程化和实用化的阶段，智能控制已渐渐渗透到人们生产、生活的各个领域，成为人们生活的重要组成部分。 随着科学技术的发展和社会的进步，电子技术、计算机技术等的革新，智能控制必将迎来发展的新时期，智能控制的未来一定会更加美好。关于温度智能控制，现在已经有了许多新的器件和方法，并且有些已经运用到实际生活和生产当中，比如美国达拉斯公司生产的DS18B20温度巡检器，采用单线总线结构，通过一根I/O线与主控CPU进行数据和命令的传送。再如基于反射强度调制
14、的光纤温度巡检系统，光纤传输距离可达1km以上，检测精度也可显著提高。而更为先进的是，某些粮仓已经在尝试将有线控制变位无线控制，利用无线传感器来实现粮情检测和智能控制。这些新器件新方法的应用，给温度智能控制带来了新的气息。 本课题主要是进行基于无线传输模块的温度测量控制系统的设计，测温系统由温度信号采集与显示模块、单片机控制单元、无线传输模块、红外控制五部分组成。 本课题将传感器技术、新兴的无线通信技术和远程监控技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到智能家居、工业控制等领域中布线不便时对室内生活环境、工业测控现场指标数据的采集和控制。 1 温度控制系统简介1.1 温度控制系统温度控制系统的
15、采用了无线通信、传感器、单片机、红外等方面的技术。单片机连接从设备环境的某个位置采集温度，单片机 AT89S52 获取采集的温度值，将其通过nRF905模块发送至现场，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过红外控制模拟空调加热和降温对当前温度进行调整。当由于环境温度超过限定值时，系统会通过蜂鸣器自动报警通知操作人员进行红外控制。其总体结构框图如图1-1所示。a）发送端 b）接收端图1-1 总体结构框图 1.2 系统控制要求该课题的设计包括两个方面：硬件部分和软件部分。硬件部分的设计包括硬件电路的设计、PCB板的绘制、元件的焊接。软件部分的设计主要是主程序
16、和各个子程序的设计。实体部分的设计由三块电路板构成，其中两块分别为发送板和接收板，另外的一块是红外控制板。设计基于单片机的温度控制器，相关的具体要求如下: （1) 无线传输数据方面：设计的无线发送与接收之间的距离不小于200m。无线数据的传输，在数码显示上的变化时间不大于0.5ms。(2) 温度采集方面：测量显示温度与现场实际温度差值不大于 0.5。(3) 温度报警方面：当温度在2540之间时蜂鸣器不响，超过后立即报警。(4) 红外控制方面：当温度超过限定值时，使用红外遥控器调节模拟空调，红灯（升温）与绿灯（降温）的反应时间不超过0.4s。 2 温度控制系统方案设计2.1 方案选择(1) 单片
17、机的选择 方案一: 此方案采用单片机89C52作为系统控制核心。该单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。但由于其I/O口线较少，片内数据存储器与程序存储器有限，若扩展外部存储器，则系统较为复杂，故不选用此方案。 方案二: 本方案采用的单片机C8051F020作为温度自动控制系统的控制、计算、显示的核心部件。该单片机内部存储空间大，运算速度快，其内部自带PWM输出模块，可大大提高单片机的控制效率。由于89C52单片机价格便宜和控制简单所以故选用方案一。(2) 温度传感器的选择 方案一：选用数字温度传感器DS18B20，它是数字温度传感器，不需要A/D转换，并且占用
18、接口很少，使用起来很方便。 方案二：选用热敏电阻，需要搭接相应的电路，并且还要加入模数转换电路，操作麻烦。由于数字温度传感器不需要模数转换，控制简单与电路制作方便，故选用方案一。 (3) 显示方案的选择方案一：选用数码管，数码管价格便宜、使用方便、操作简单、资料丰富，显示效果良好。方案二：选用液晶显示屏LCD1602，其只可显示字符，软件操作方面相对复杂，显示时需要对其亮度调节。由于数码管具有价格便宜等优点故选用方案一。(4) 无线方案的选择 方案一：选用nRF2401，nRF2401其WDT全部集成到单芯片中；内部有电压调节器(工作电压1.93.6V)和VDD电压监视，通常开关时间小于200
19、us，数据速率1Mbps，输出功率0dBm；所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好。方案二：选用nRF905，nRF905芯片可以工作于ShockBurst(自动处理前缀、地址和CRC方式)。内置电压调整模块，最大限度地抑制噪音，为系统提供1.93.6V的工作电压，载波检测。由于nRF905功耗低，工作可靠nRF905没有复杂的通信协议，完全对用户透明。由于nRF905在使用上具有使用简单，功耗都很低，故选用方案二。2.2 温度采集DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器2，外型如图2-1所示，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优
20、点，特别适合用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（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围55125，可编程为912位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。综上，在本系统中我采用
21、温度芯片DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。图2-1 温度芯片DS18B202.3 无线数据传输在本次设计中当温度传感器采集温度后，要将温度数据传到远地的接收端。由于使用了AT89S52,其具有相应的SPI端口，所以这里的无线传输选取了NRF905模块。这是由于NRF905可使用SPI接口与微控制器通信，配置十分方便。只要将无线模块与单片机直接相连。NRF905是挪威NORDIC公司推出的单片射频收发器，其工作电压为3.93.6V，工作于43
22、3MHZ/868MHZ/915MHZ这3个ISM频段，频道转换时间小于650s，最大数据传输速率100kb/s。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给应用的微控制器一个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。nRF905通过ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。在ShockBurst RX模式中，地址匹配AM和数
23、据准备就绪DR信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。在ShockBurst TX模式中，nRF905自动产生前导码和CRC校验码，数据准备就绪DR信号通知MCU数据传输已经完成。总之，这意味着降低MCU的存储器需求也就是说降低MCU成本，又同时缩短软件开发时间。 在课题里使用nRF905无线模块，模块采用的是杭州一家公司所生产的无线nRF905模块。其具体的特点如下： （1） 433MHZ开放ISM频段免许可证使用; （2） 最高工作速率50kbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合; （3） 125频道，满足多点通信和调频通信的需要; （4） 内置硬件CR
24、C检错和点对多点通信地址的控制; （5） 低功耗1.93.6工作。待机模式下状态仅为2.5Ua; （6） 收发模式切换时间1000次）ISP Flash ROM; 32个双向I/O口; 4.5-5.5V工作电压; 3个16位可编程定时/计数器; 时钟频率0-33MHz; 全双工UART串行中断口线 ; 128x8 bit内部RAM; 2个外部中断源 ; 低功耗空闲和省电模式; 中断唤醒省电模式 ; 3级加密位; 看门狗（WDT）电路; 软件设置空闲和省电功能; 灵活的ISP字节和分页编程; 双数据寄存器指针。 可以看出AT89S52提供以下标准功能：8K字节Flash闪速存储器，256字节内部
25、RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，三个16位定时器/计数器，六个向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。同时, AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式何在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。AT89S52引角功能说明:Vcc：电源电压；GND：地。P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为
26、高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。表2-1为P1口第二功能。活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动表2-1 P1口第二功能端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MIS
27、O（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问位地址的外部数据存储器（如执行：MOVX Ri 指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号）。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
28、对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如下表2-2。 表2-2 P3口的第二功能 端口功能第二功能端口引脚第二功能RXD（P3.0）串行输入口T0（P3.4）定时/计数器0外部输入TXD（P3.1）串行输出口T1（P3.5）定时/计数器1外部输入INT0（P3.2）外中断0WR（P3.6）外部数据存储器写选通INT1（P3.3）外中断1RD（P3.7）外部数据存储器读选通RST：复位输入。当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期上高电平将
29、使单片机复位。WDT益出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO 位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目地，要注意的是：第当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位禁位后，只有一条MOVX 和MOVC指令ALE才会被激活。
30、此外，该引脚伎被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，高有两次有效的PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时,该引脚加上12V的编程电压Vpp。XTAL1
31、：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。AT89S52单片机内部构造及功能：特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的地址并没有全部占用，没有占用的地址不可使用，读这些地址将得到一个随意的数值。中断寄存器：各中断允许控制位于IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。图2-8为AUXR辅助寄存器。 图2-8 AUXR辅助寄存器电源空闲标志：电源空闲标志（POF）在特殊功能寄存储器SFR中PCON的第4位（PCON.4）,电源打开时POF置“1”,它可由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。存储器结构：MCS-51单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开
32、的结构，均具有64KB外部程序和数据的寻址空间。程序存储器：如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。在AT89S51,假如接至Vcc（电源），程序首先执行从地址0000H0FFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000HFFFFH（60KB）的外部程序存储器。数据存储器：在AT89S51的具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。看门狗定时器（WDT）：WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看狗复位SFR（WDTRST）构成。外部复位
33、时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，必按顺序将01H和0E1H写到WDTRST寄存器，当启动了WDT，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT，当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。引脚如图2-9所示。 图2-9 AT89S52单片机引脚图 3 系统硬件电路设计3.1 温度采集电路采用温度芯片DS18B20。使用集成芯片，能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，简化电路的结构。其硬件连接如图3-1所示。 图3-1 DS18B20连接图3.2 电源电路 由于AT89S52单片机的使用电压为5V，而nRF9无线模块使用的电压为3.3V
34、左右，所以再设计电源时使用了LM7805作为稳压芯片，并使用AMS1117-3.3稳压芯片输出3.3V电压。电源部分的硬件结构如图3-2所示。 图3-2 电源电路3.3 数码管显示电路方案设计里的显示电路采用的四位共阳极数码管,它共有12个引脚。由于AT89S52驱动能力有限，所以在片选端都加入三极管，以增强它的驱动能力。该四位数码管分别于单片机的P0口和部分P口相连。其基本的硬件结构图如图3-3所示： 图3-3 数码管显示电路3.4 蜂鸣器报警电路 设计当温度测量值超过了限定值，蜂鸣器就会自动报警提示人们，进行温度调节。这里采用的报警电路比较简单，制作起来也很方便。其硬件连接图如图3-4所示
35、。 图3-4 蜂鸣器报警电路3.5 串口下载电路 程序设计完毕后需要将其下载至单片机中，对于AT89S52单片机可以采取两种下载方式，一种是串口下载，另外一种是ISP在线下载。由于在线下载需要下在工具。所以这里采用简单常见的串口下载电路。该电路中主要使用MAX232芯片进行RS232与TTL电平的转换，MAX232芯片具有价格便宜、使用普遍、性能较好的优点。其与单片机的硬件连接如图3-5所示。 图3-5 串口下载电路3.6 无线模块电路 课题设计里当温度数据采集完毕，需要通过无线传输模块将信息发回现场。其模块采用的3.3V电压，由AMS1117-3.3供应，其模块主要有10个端口分别于单片机的
36、P2、P3口相连接。nRF905模块与单片机的连接如图3-6所示。 图3-6 nRF905硬件连接图3.7 红外控制电路 在现场得到温度后，需要对其进行温度调控，如果超过相应的限定温度，可以通过红外控制模拟空调以达到降温或者升温的目的。这里采用的红外发射是一个遥控器，通过按下不同的按键发射出红外线，红外接收头在接受到相关信息调控模拟空调，这里的红外接收头采用的是VS1838B。其基本的连接电路如图3-7所示。 图3-7 红外控制硬件连接图 4 系统软件设计4.1 温度控制系统程序流程图 整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。从软件的功能不同可分为两大类：一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件（子程序），它是用来完成