1、 第 1 页 共 39 页基于单片机的温度控制单元设计摘要：本文设计了一种单片机温度控制系统。采用 8051 单片机作为中央处理器，通过 AD590 对温度进行采集，将采集到的信号经过 ADC0809 转换后传输给单片机，由单片机控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动空调机加热或降温，从而实现单片机的温度控制。本设计实现了温度设定范围540，最小区分温度为 1、两位十进制显示当前的温度和根据设定的温度自动加热或降温等功能。关键词：8051,ADC0809,AD590,74LS164,KeilC51Based on the temperature control unit SCM
2、 design第 2 页 共 39 页Abstract: In this paper, design a microcontroller temperature control system. 8051 microcontroller used as a central processing unit, the temperature AD590 through acquisition, will be collected after the signal transmission ADC0809 converted to SCM, from the SCM control displays,
3、 and compare the collection of temperature and the temperature settings, are consistent. And then drive heating or cooling air-conditioning units, thus achieving the SCM temperature control. This design has set temperature range -5 40 , the minimum temperature for the distinction between 1 , two dec
4、imal display the current temperature and the temperature automatically according to set heating or cooling, and other functions.Key words: 8051, ADC0809, AD590, 74LS164, KeilC511 引言1.1 单片机温度控制的背景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。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法
5、也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和单片机的迅速发展，测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用单片机对温度进行测控的技术，也便随之而生，并得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。 单片机具有集成度高、处理能力强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉等优点。单片机在工业生产和民用家电各方面有广泛的应用。其中，单片机在工业生产中的应用尤其广泛。温度控制系统则是单片机在工业生产中的一个典型的应用。早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要第 3 页 共 39 页通
6、过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量 1。1.2 单片机技术现状及发展趋势单片机诞生于 20 世纪 70 年代末,其发展过程可以分为 SCM 单片微型计算阶段、低性能单片机阶段、单片机的完善阶段、8 位单片机的巩固发展、16 位单片机的推出阶段以及微控制器的全面发展六个阶段。单片机按其内部数据通道的宽度,可分为 4 位、8 位、16 位、32 位及 64 位。市场上主要的单片机是 51（Intel 公司） 、AVR （ At
7、mel 公司）和 PIC（美国微芯公司 Microship）等。自单片机出现至今，单片机技术已走过了几十年的发展路程。从单片机发展的历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，表现出比微处理器更具个性的发展趋势。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展 2。单片机应用的意义绝不限于它的功能以及所带来的经济效益上，更重要的意义在于单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法，从前由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能用单片机通过
8、软件编程的方法实现了，这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术，称之为为控制技术。这标志着一种全新概念的建立。随着单片机应用技术的推广普及，为控制技术必将不断发展。1.3 单片机在温度控制中的应用1.3.1 加热炉温度控制加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活第 4 页 共 39 页性大
9、等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。在工业生产的很多领域中，人们还需要对各类热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。1.3.2 恒温箱温度控制恒定温度的设备，被广泛地应用于生产、生活、实验等领域。在医用、水产、特种工业、工业探伤、照相等行业，都需要有稳定而精确的温度。在日常生活、工业生产和实验室中电热恒温箱的应用随处可以见到。在生活中我们保存食物用到恒温箱，工业生产中一些生产原料的保存用到恒温箱，实验室里，特别是生物的培育实验室，恒温箱的应用更是普遍。采用单片机进行电热恒温箱的温度控制，可以更好的保存一些物品
10、。1.3.3 温室温度控制随着世界人口的不断增加和社会的不断发展进步，人们对农产品的要求从数量上和质量上都不断提高，尤其是新鲜蔬菜、观赏植物等需温室培育的植物更是如此。这就要求人为创造更加适合作物生长的环境。其中温室环境因子的调控占有很重要的地位。温室是一个相对较小的封闭环境，这个小环境的自调节能力有限，经常会出现一个或多个环境因子超过作物的最适限制，影响了温室作物的生长和栽培效益。随着电子技术和轻工业技术的不断发展，利用廉价的单片机并综合现代传感器技术、智能控制技术等先进技术来实现全自动化的温室控制。1.4 本设计的任务和要解决的问题本设计要求设计一个基于单片机的温度控制单元。功能为：温度设
11、定范围540，最小区分温度为 1；用两位十进制显示当前的温度；能根据设定的温度实现自动加热或降温处理。本设计需要解决的重点问题有以下三点：(1)温度传感器和 A/D 转换器的选择。(2)LED 显示方式。(3)单片机通过外围电路对温度的控制。下面介绍本设计文章章节的分配情况：第一章 绪论回顾了基于单片机的温度控制的应用。并对单片机的现状和发展趋势进行了简要说明。第二章 单片机温度控制的总体设计介绍了基于单片机温度控制的总体设计方案。并介绍了元器件的选择。第 5 页 共 39 页第三章 单片机温度控制的硬件实现详细介绍基于单片机温度控制的硬件设计，其中包括设计器件的介绍以及各部分电路图。第四章
12、单片机温度控制的软件设计基于单片机的温度控制的软件设计部分流程图介绍及解释。第五章 基于单片机的温度控制的软件仿真利用相关软件进行仿真，来验证单片机温度控制硬件与软件的系统特性和功能的实现情况。第六章 总结与展望整篇论文的总结。2 基于单片机的温度控制单元总体方案设计2.1 总体方案概述本设计选用 8051 单片机作为中央处理器，通过温度传感器对温度进行采集，将采集到的信号经过 A/D 转换后传输给单片机，再由单片机控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动空调机加热或降温，从而实现单片机的温度控制。2.2 系统的结构图A/D 转换器温度传感器电源电路温度设定按键空调驱动电路LED
13、 显示单 片 机第 6 页 共 39 页图 2.1 系统结构图系统的工作原理：温度传感器采样温度形成电流, 通过放大器转化为电压，输入到 A/D 转换器，然后由 P0 口送入单片机, 同时经单片机通过 P3.1 和 P3.2 控制 LED 显示当前温度。当单片机程序检测到输入的室温高于设定温度，从单片机P3.6 和 P3.7 口发出控制信号使空调机加热或降温，从而使室温和设定的温度相等。2.3 元器件的选择2.3.1 单片机的选择单片机整个控制系统的核心，它完成整个系统的信息处理及协调控制功能。由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的 MSC51 系列单片机
14、8051。8051 是 Intel 公司 MCS-51 系列单片机中最基本的产品，它继承和扩展了 MCS-48 单片机的体系结构和指令系统。8051 内置中央处理单元、128 字节内部数据存储器 RAM、4KB 的程序存储器 ROM、32 个双向输入/ 输出(I/O)口、2 个 16 位定时/计数器、5 个中断源和两个中断优先级。此外，8051 的时钟频率为 12MHz。2.3.2 温度传感器的选择热敏电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成，其电阻随温度变化有明显的改变。其特点是，在工作温度范围内电阻阻值随温度的升高而降低。可满足4090测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，不适用于检测
15、小于 1的信号，而且线性度很差，不能直接用于 A/D 转换，应该用硬件或软件对其进行线性度补偿。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且该元件线性度较好，在 0100时，最大非线形偏差小于 0.5。但其成本太贵，不适合做普通设计。AD590 属于半导体集成电路温度传感器,测温范围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形关系。AD590 测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于第 7 页 共 39 页不同的温度控制场合。由于 AD590 精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电
16、偶的冷端补偿。本次设计选用 AD590 作为温度传感器 3。2.3.3 A/D 转换器的选择双积分型 A/D 转换器转换精度高，但转换速度不太快，如用于温度测量，不能及时反应当前温度值，而且多数双积 A/D 转换器其输出端都不是二进制码，而是直接驱动数码管的。逐次逼近型 A/D 转换器，如 ADC0809、AD574 等，其特点是转换速度快，精度也比较高，输出为二进制码，直接接 I/O 口，软件设计方便。由于 ADC0809设计时考虑若干种模/数转换技术的优点，所以该芯片非常适合于过程控制、微控制器输入通道的结合口电路、智能仪器和机床控制等应用场合，并且价格低廉，降低设计成本。本设计采用 AD
17、C0809 作为 A/D 转换器。2.3.4 LED 显示方式静态显示方式。在这种方式下，各位 LED 显示器的共阳极或共阴极连接在一起并接地，每位的段选线分别于一个 8 位的锁存器输出相连，各个 LED 的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止，正因为如此，显示器的亮度都较高。如用 I/O 口接口，这需要占用 N8 位 I/O 口。这样的话，如果显示器的个数较多，那使用的 I/O 接口就更多，因此在显示器位数较多的情况下，一般不采用静态显示。动态显示方式。当多位 LED 显示时，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个 8 位 I/O 口控制，形成段选线大的
18、多路复用，而各位的共阳极或共阴极分别有相应的 I/O 口线控制，实现各位的分时选通。由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位选线都处于选通状态的话，那 LED 显示器将显示相同的字符。这种显示方式占用的 I/O 口个数为8+N，相对静态显示少了很多，但需要占用大量的 CPU 资源。移位寄存器扩展 I/O 口。它只需占用 3 个 I/O 口，从理论上讲就可以无限制地扩展 I/O 口，而且显示数据为静态显示，几乎不占用 CPU 资源。所以本设计采用移位寄存器扩展 I/O 口显示温度 4。第 8 页 共 39 页3 基于单片机的温度控制单元的硬件设计3.1 基本
19、电路介绍图 3.1 系统结构图1、中央处理电路：主要由单片机构成，它与 A/D 转换器、LED 显示电路以及按键电路相连，是整个单片机温度控制硬件电路的枢纽。2、单片机最小系统电路：电源电路温度设定按键 空调驱动电路AD590 单 片 机LED 静态显示ADC0809第 9 页 共 39 页主要由单片机时钟电路和复位电路构成。3、温度采集电路：主要由AD590构成，用于采集空气的温度，把它转换成电流信号，再经过放大器把电压信号输入到A/D转换器。4、A/D 转换电路：主要由 ADC0809 组成，主要把温度采集电路的模拟信号转换成数字信号输入到单片机。5、显示电路：通过 LED 显示当前温度。
20、6、驱动控制电路：主要由光电耦合器构成，驱动空调机加热或降温。7、键盘电路：主要用来设定温度。8、电源电路：为单片机温度控制设计提供电源。3.2 主要元器件介绍3.2.1 8051芯片图 3.2 8051 芯片第 10 页 共 39 页a、主电源引脚 Vss 和 Vcc(图中已隐藏)Vss（20 脚）：接地。Vcc（40 脚）：主电源+5V。 b、时钟电路引脚 X1 和 X2X1：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该端引脚必须接地；对于 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。 X2：接外部晶体的另一端。在片内它是振荡电路反向放大电
21、路的输出端。振荡电路的频率是晶体振荡频率。若采用外部时钟电路，对于 HMOS 单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于 CHMOS 单片机，此引脚应悬浮。c、控制信号引脚 RST、EA/VppRST(9 脚)：单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入 24 个时钟周期宽度以上的高电平将使单 片机复位（RESET） 。EA/Vpp(31 脚 ):当 EA 端输入高电平时,CPU 从片内程序存储器地址 0000H 单元开始执行程序.当地址超出 4KB 时,将自动执行片外程序存储的程序 . 当 EA 端输入低电平时 CPU 仅访问片内程序存储器.在对 87C51EPROM 编程时此引脚
22、用于施加编程电压 Vpp。d、输入/输出引脚(P0、P1、P2 、P3 端口引脚)P0P3 是四个寄存器,也称位四个端口 ,是 8051 单片机与外界联系的四个 8 位双向并行 I/O 口.由于数据的传输过程中,CPU 需要对接口电路中输入输出数据的寄存器进行读写操作,所以在单片机中对这些积存器像对存储单元一样进行编址.通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为端口(PORT), 或简称口.P0.0P0.7(39 32 脚):P0 口是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 端口.在访问片外存储器时提供低八位地址和 8 位双向数据,故这些 I/O 口线有地址线/ 数据线之称,简写为 AD0AD7.在 EPROM 编程时,从 P0 输入指令字节,在验证程序时,则输出指令字节(验证是要外接上拉电阻).P1.0P1.7(18 脚): P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口.在EPROM 编程和验证程序时 ,它输出低八位地址.
