1、1实验设计报告学 院 ： 自动化工程学院专 业 ： 测控技术与仪器学 生 姓 名 ： 学 号：实验设计名称 ： 测控系统控制原理与设计实验设计题目 ： 电冰箱温度控制系统设计指 导 教 师 :2目录一、引言 .2二、电冰箱温度控制系统硬件电路设计 .31. 总体设计方案 .32. 主控制部分方案 .42.1 AT89S51 主要性能特点 .42.2 管脚说明 .52.3 下载程序 .72.4 AT89S51 单片机的中断系统 .92.5 AT89S51 单片机的优势 .113.测温模块的选择方案 .123.1 DS18B20 简介 .123.2 DS18B20 的工作时序 .163.3 DS1
2、8B20 的连接电路 .174.各单元的设计 .184.1 单片机时钟电路及复位电路 .184.2 键盘 .204.3 温度控制及超温和超温警报单元 .214.4 数码管的显示电路 .224.5 蜂鸣器电路 .244.6 接口通讯单元 .245.程序设计 .265.1 程序结构分析 .265.2 主程序 .27三、课程设计总结及心得 .27参考文献 .283一、引言电冰箱是每个家庭现代化厨房必备的家用电器之一，它是利用电能在箱体内形成低温环境,用于冷藏冷冻各种食品和其他物品的家用电器设备。它的主要任务就是控制压缩机、化霜加热等来保持箱内食品的最佳温度达到食品保鲜的目的，即保证所储存的食品在经过
3、冷冻或冷藏之后保持色、味、水分、营养基本不变。从 1918 年世界上第一台电机压缩式电冰箱研制成功，随着科学技术的飞速发展电冰箱也在不断的演变和更新尤其是近年来高新技术的迅猛崛起更使得电冰箱的发展日新月异。现代社会每一个家庭都处在快节奏的生活中人们大多已无闲暇的时间和精力花费在经常性的采购日常生活用品上。因此集中时间大量采购的新型生活方式已为越来越多的人所接受从而决定了大容量电冰箱将是一种国际化的发展趋势。传统的机械式直冷式电冰箱的控制原理是根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启、停,使电冰箱内的温度保持在设定温度范围内。一般,当蒸发器温度升至35时启动压缩机制冷; 当温度低于-10 -20时停止
4、制冷,关断压缩机。随着微机技术的飞速发展,单片机以其体积小、价格低、应用灵活等优点在家用电器、仪器仪表等领域中得到了广泛的应用。采用单片机进行控制,可以使电冰箱的控制更准确、灵活、直观。本次所设计的就是基于 51 单片机的电冰箱温度控制系统，以 AT89C51 单片机为核心控制压缩机的启动和停止，解决了传统电冰箱控制系统存在的不足，可以使控制更准确、更灵活。本次设计的目的是设计一个温度控制系统，要求：1. 利用键盘分别控制冷藏室、冷冻室温度（05，-7 -18） ；2. 显示各室的温度值；3. 制冷压缩机运行后若突然断电要有 30 秒延时；4. 各个门开后超过 2 分钟要报警。本次设计的意义是
5、通过此次设计加深对测控系统原理与设计课程的理解，掌握微机化测控系统设计的思路，了解一般设计过程。4二、电冰箱温度控制系统硬件电路设计1. 总体设计方案以 AT89S51 单片机为核心，来实现各个模块的功能。温度传感器模块、键盘输入模块作为系统的输入模块，液晶显示模块、温度控制器模块、报警模块作为系统的输出模块，构成基本电路，原理框图如图 2-1 所示：温度传感器（经指导老师建议，使用 DS18B20，因其自带 A/D 转换模块）从设备环境的不同位置采集温度，单片机 AT89S51 获取采集的温度值，经处理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，通过加热和降温对当前温度
6、进行调整。当采集的温度经处理后超过设定温度上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备(压缩制冷器)，当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备 (加热器)。图 2-1 冰箱控制原理图当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传AT89S51键盘电路DS18B20 温度芯片数据传输继电器 1 压缩制冷器继电器 2 加热器MAX232 电平转换芯片报警电路PC 机输入电源复位电路LED 数据显示时钟电路5感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。系统中将通过串口通讯连接 P
7、C 机存储温度变化时的历史数据，以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。2. 主控制部分方案AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，AT89S51 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。2.1 AT89S51 主要性能特点1、4k Bytes
8、Flash 片内程序存储器；2、128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ；3、32 个外部双向输入/输出（I/O）口；4、2 个中断优先级、2 层中断嵌套中断；5、6 个中断源；6、2 个 16 位可编程定时器/计数器；7、2 个全双工串行通信口；8、看门狗（WDT）电路；9、片内振荡器和时钟电路；10、与 MCS-51 兼容；11、全静态工作：0Hz-33MHz；12、三级程序存储器保密锁定；13、可编程串行通道；14、低功耗的闲置和掉电模式。62.2 管脚说明VCC：电源电压输入端。GND：电源地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL
9、门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 PDIP 封装的 AT89S51 管脚图P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。P2 口：P2
10、 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出
11、4 个TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。P3 口除了作为普通 I/O 口，还有第二功能：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（T0 定时器的外部计数输入）P3.5 T1（T1 定时器的外部计数输入）7P3.6 /WR（外部数据存储器的写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器的读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O 口作为输入口时有两种工
12、作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51 的 P0、P1 、P2、P3 口作为输入时都是准双向口。除了 P1 口外 P0、P2、P3 口都还有其他的功能。 RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不
13、变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。EA/VPP：外部程序存储器访问允许。当/EA 保持
14、低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH ） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。2.3 下载程序8AT89SXX 系列单片机实现了 ISP 下载功能，故而取代了 89CXX 系列的下载方式，也是因为这样，ATMEL 公司已经停止生产 89CXX 系列的单片机，现在市面上的 AT89CXX 多是停产前的库存产品。1.控
15、制线，共 4 根。（1）输入：RST复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在 RST 上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加 12V 的编程电压。（2）输入，输出：ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。用做片外存储器访问时，低字节地址锁存。ALE 以 1/6 的振荡频率稳定速率输出，可用做对外输出的时钟或用于定时。在 EPROM 编程期间，作输入。输入编程脉冲。ALE 可以驱动 8 个LSTTL 负载。（3）输出：PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取指期间，在每个机器周期中，当 PSE
16、N 有效时，程序存储器的内容被送上 P0 口（数据总线）。PSEN 可以驱动 8 个 LSTTL 负载。2.I/O 口： 4 个口，32 根单片机 51 系列共有四个 8 位双向并行 I/O 通道口，分别是P0、P1、P2、 P3，各具有特殊的电路结构，每位均有自己的锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。这种结构，在数据输出时可锁存，即输出新的数据之前，通道口上原数据一直保持不变，但对输入信息是不锁存的，因此从外部输入的信息必须保持到取数指令执行完为止。在这四个 8 位双向并行 I/O 通道口中，我9们应该选择哪一个通道口作为输入信号和输出信号的端口呢？下面我们先来了解一下四个通道口的结构。（1）P
17、0 口介绍 P0 口在访问外部存储器时，P0 口既是一个真正的双向数据总线口，又是从分时输出 8 位地址口。它包括一个输出锁存器，两个三态缓冲器，一个输出驱动电路和一个输出控制电路（2）P1 口介绍 P1 口是专门为用户使用的 I/O 口，是准双向口，P1 口为 8 位准双向口，每一位均可单独定义为输入或输出口。在编程校验期间，用做输入低位字节地址。P1 口可以驱动 4 个 LSTTL 负载。（3）P2 口介绍 P2 口也是双向口。它是供系统扩展时输出高 8 位地址。如果没有系统扩展时，也可以作为用户的 I/O 口使用。P2 口作为外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高 8 位输出口 AB8
18、-AB15，P0 口由 ALE 选通作为地址总线的低 8位输出口 AB0-AB7。外部的程序存储器由 PSEN 信号选通，数据存储器则由WR 和 RD 读写信号选通，因为 2=64k，所以 89S51 最大可外接 64kB 的程序存储器和数据存储器（4）P3 口介绍P3 口是个双功能口，第一功能作通用 I/O 口，第二功能是作变异功能用，为适应引脚的第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑，在真正的应用电路中，第二功能显得更为重要。由于第二功能信号有输入输出两种情况，我们分别加以说明。10P3 口的输入输出及 P3 口锁存器、中断、定时 /计数器、串行口和特殊功能寄存器有关，P3 口的第一功能和
19、 P1 口一样可作为输入输出端口，同样具有字节操作和位操作两种方式，在位操作模式下，每一位均可定义为输入或输出。表 2-1 P3 口的第二功能端口引脚 功能特征P3.0 串行输入口（RXD）P3.1 串行输出口(TXD)P3.2 外中断 0(INT0)P3.3 外中断 1(INT1)P3.4 定时/计数器 0 的外部输入口(T0)P3.5 定时/计数器 1 的外部输入口(T1)P3.6 外部数据存储器写选通(WR)P3.7 外部数据存储器读选通(RD)现在我们已经对四个 8 位双向并行 I/O 口有了初步的了解。根据以上的介绍我们知道只有 P1 口是标准的 I/O 口，所以我们选用 P0 口作
20、为数据端口，P0口可逐位分别定义各口线为输入或输出线。2.4 AT89S51 单片机的中断系统本次设计的报警器是利用外部中断触发单片机中断处理程序，以实现报警的功能。所以，以下内容是对 89S51 单片机的中断系统的介绍。1.中断：程序执行过程中，允许外部或内部事件通过硬件打断程序的执行，使其转向为处理内部事件的中断服务程序中去；完成中断服务的程序后，CPU继续原来被打断的程序，这样的过程称为中断过程。2.中断源：能产生中断的外部和内部事件。89S51 有 5 个中断源：(1) INT0：外部中断 0 请求，低电平有效。通过 P3.2 引脚输入。(2)INT1：外部中断 1 请求，低电平有效。通过 P3.3 引脚输入。(3)T0：定时器/计数器 0 溢出中断请求。(4)TI：定时器 /计数器 1 溢出中断请求。
