1、 目 录 1 前 言 . 1 2 温度控制器的技术参数 . 2 3 系统设计方案的论证 . 3 3.1 方案比选 . 3 3.2 方案说明 . 4 4 控制系统设计 . 5 4.1 系统的工作原理 . 5 4.2 硬件电路设计 . 6 4.3 系统软件设计 . 16 5 调试，安装，运行 . 30 5.1 系统硬件调试 . 30 5.2 系统软件调试 . 30 6 小结 . 31 第 1 页 共 31 页 MCS51 单片机机应用于温度控制器 摘要： 本文论述了采用单片机控制的智能温度控制器，使用 AT89C4051 单片机、 ADS7844E A/D 转换芯片、 HT1621B 液晶显示驱动
2、芯片及液晶显示器，实现温度的测量、输出控制及显示功能。 关键字：单片机、 A/D 转换，液晶显示及其驱动 1 前 言 模拟电路温度控制器存在电路复杂、功能简单和调试不方便的问题，随着电子技术的快速发展，超大规模集成电路的技术越来越成熟，制造成本越来越低，单片机在军事、工业、通讯、家用电器、智能仪表等领域的应用越来越广泛，使产品的 功能、精度和质量大幅度提高；同时，电路的设计更简单、故障率低、可靠性高、成本低；特别是近几年来 Flash 技术的发展，使单片机系统的开发周期大大缩短，开发成本大幅降低，使用单片机控制的智能仪表是仪表领域发展的必然趋势。本文论述了采用 ATMEL 公司的 AT89C4
3、051 单片机和美国 Burr-Brown 公司的 ADS7844E 模 -数转换芯片以及 HOLTEK 公司的 HT1621B 液晶显示驱动芯片设计的LCD 显示智能温度控制器。 本系统实现了模拟温度数据采集、模拟量到数字量转换、软件对温度信号进行非线性校正 ,单片机数据运算 及逻辑处理、 LCD 显示、键盘处理及继电器输出控制功能。 本文主要介绍了智能温度控制器的功能和设计的过程。重点说明电路设计、软件设计。 第 2 页 共 31 页 2 温度控制器的技术参数 本系统采用 ATMEL 公司的 AT89C4051 单片机和美国 Burr-Brown 公司的ADS7844E 模 -数转换芯片以
4、及 HOLTEK 公司的 HT1621B 液晶显示驱动芯片设计，实现了模拟温度数据采集、模拟量到数字量转换、单片机数据运算及逻辑处理、 LCD显示、键盘处理及继电器输出控制功能，主要技术参数见表 1 表 1 主要技术参数表 测量精度： 0.5 量程 0400 显示分辨率： 0.1 采样速度： 500 毫秒 调节算法： 开关调节 (ON/OFF) 输入： 热电阻： Pt100 输出： 继电器，常开触点 (max.250VAC, 1A) 报警： 继电器，常开触点 (max.250VAC， 3A) 电源： 220VAC 10% ； 50Hz 环境： 工作温度： 0 50 ，相对湿度 85% 第 3
5、页 共 31 页 3 系统设计方案的论证 本章主要叙述温度控制器的设计方案。 3.1 方案比选 随着电子技术的发展，温度控制器的设计方案经历了模拟电路温 度控制器、模拟量测量加数字显示、单片机温度控制器的发展过程；在单片机温度控制器的设计方案中，又发展出各种智能型的温度控制器方案，如：高 AD 转换的精度， PID调节控制输出、 PID + 模糊控制等。本次设计着重锻炼自己的动手能力，熟悉单片机的使用，具体提出如下设计方案： 方案一：采用 8031 单片机作为控制核心，以最普通的器件 ADC0809 作数 /模转换，以继电器作为控制输出。此方案简单可行，造价低廉，但由于 8031 没有片内 R
6、OM，需要扩展程序存储器，增加了电路的复杂性，并且由于 0809 是 8位的数 /模转换电路，在温 度测量范围很小时，测量精度还能满足要求，当测量温度范围稍宽时，测量的精度就不能实际应用的要求。 方案二：采用片内带 Flash 存储器 MCS51 系列单片机作为控制核心，采用 12位数 /模转换电路，以继电器作为控制输出。由于采用了 12 位的 ADC 转换芯片，转换范围从 0 到 4096，当温度范围要求为 0-1000 时，每一位表示约为 0.25 ，考虑到 ADC 转换芯片的转换精度 1LSB 及运算放大器的误差，测量精度理论上可到 0.5 ，可以满足一般的控制要求。 方案三：目前许多单
7、片机生产商推出了自带 ADC 转换， FLASH 存储器、 EEPROM的产品，如美国 Analog Devices 公司 AduC812 内部带 12 位的 ADC 转换，如果采用 AduC812 单片机作为控制核心，则系统外围电路比较简单且能够达到控制精度要求，但是成本较高。 本系统采用方案二，温度控制器所需要的 I/O 数量不多，程序量不是很大（不考虑 PID 调节控制输出），为了节省单片机的 I/O 口，选用 12位串行口数 /模芯片ADS7844E，单片机使用 AT89C4051，片内程序存储器空间为 4K， 15 条 I/O。 第 4 页 共 31 页 3.2 方案说明 系统中设计
8、了一个 EEPROM 存储器来保存设置参数，目前 市面上常用的 EEPROM芯片主要有两种接口类型： I2C 接口及 SPI 接 口，主要的代表芯片有AT24C02/04/08/16 系列和 AT25010/020/040 系列，由于 ADS7844E 转换芯片采用的是 SPI 接口，所以选用 AT25010 存储器可以节省 I/O 端口。 显示器件常用的有 LED 数码管显示器件、 LCD 显示器件。 LED 数码管显示器件具有亮度大，寿命长等特点，但需要较大的驱动电流； LCD 显示器件成本低、功耗小，但需要专用的驱动电路以及亮度低；本方案的显示器件采用 6 位字符液晶显示器，驱动芯片采用
9、 HOTELK 公司 的 HT1621B。 第 5 页 共 31 页 4 控制系统设计 控制系统设计主要包括 系统工作原理、系统硬件设计和系统软件设计。 系统软件设计主要包括软件结构、各子程序流程及具体代码设计；下面分别介绍各部分的设计过程 4.1 系统的工作原理 系统功能框图如图 1所示 系统的工作原理是：电桥将温度传感器 Pt100 的温度信号转换为与温度相关的电压信号，经过两级运算放大后进入 ADC 转换； CPU 读取 ADC 转换结果，经过运算转换为显示的温度字符，控制 LCD 驱动器来显示温度值，另外， CPU 将测量出的温度值与系统设定的温度 值相比较，根据不同的控制模式来控制继
10、电器的输出，系统中的按键用来设定系统工作参数，电源电路主要为各电路提供工作电源。 系统中需要保存的参数有：设定温度值、回程差值（防止温度到达设定值时输出振荡）、加热或制冷工作模式（ 0 表示加热模式， 1 表示制冷工作模式）、温度测量范围、温度校正值、温度校正符号等。由于温度测量范围、温度校正值、温度校正符号用于系统调试校正，此参数不能由用户随便修改，所以在修改这些参单片机 AT89C4051 A/D 存储器 显示驱动 液晶显示器 键盘及控制输出 图 1 系统功能框图 温度测量放大 电源电路 第 6 页 共 31 页 数前必须先输入一个密码（默认为 1234）后系统才显示这些参数，建议用户不要
11、修改此类参数。 本系统采用了四个按键，功 能分别为：加键、移位键、功能键、保存键。按下功能键可循环显示系统各项参数，通过加键和移位键组合可对各项参数进行修改，按下保存键后， CPU 将修改后的参数写到 EEPROM 中，系统重新上电后 CPU 将调用 EEPROM 中的参数（如果不对数据进行保存时，系统重新上电后将调用以前设置的参数）。 4.2 硬件电路设计 温度控制器电路主要包括： CPU 电路、 温度 信号调理电路、 ADC 转换电路、液晶显示及驱动电路、电源电路及控制输出电路； 4.2.1 CPU 电路 CPU电路主要是 CPU、数据存储器及晶振电 路。 CPU采用美国 ATMEL公司的
12、 MCS51系列单片机 AT89C4051， 管脚图如图 2所示， 它具有以下标准功能： 4K 字节 FLASH闪速存储器， 128 字节内部 RAM， 15 个 I/O 口，两个 16 位定时 /计数器， 5 个中断图 2 AT89C4051 管脚图 第 7 页 共 31 页 向量（两种优先级），一个全双工串行通信接口，内置一个精密模拟比较器，片内振荡器及时钟电路。 AT89C4051 的功能框图如图 3所示。 CPU 的端口资源分配见表2： 图 3 AT89C4051 功能框图 第 8 页 共 31 页 表 2: CPU 的 端口 资源分配表 引脚名称 功能 引脚名称 功能 P1.0 AT
13、25010 片 选信号 P3.0 功能键 P1.1 HT1621B 片选信号 P3.1 加键 P1.2 ADS7844E 片选信号 P3.2 保存键 P1.3 HT1621B 读控制信号 P3.3 移位键 P1.4 HT1621B 写控制信号 P3.4 P1.5 串行口时钟 P3.5 继电器控制输出 P1.6 串行数据输入 P3.6 P1.7 串行数据输出 P3.7 看门狗复位 注：由于 P1.0 及 P1.1 内部不带上拉电阻，使用时在此两脚上需要接上拉电阻，电阻阻值按 10K 选取 数据存储器采用美国 ATMEL 公司 AT25010 EEPROM。 AT25010 通过 SPI 接口与C
14、PU 进行数据交换，端口连接见表 1。 时钟采用 12M 晶体振荡器，负载电容按 22p 选取。 4.2.2 温度信号调理电路 本设计温度传感器采用 Pt100，温度信号由电桥电路输出后，经过两级放大后进入 ADC 转换。 1、 Pt100 传感器 介绍 Pt100 传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度 /阻值对应关系为： 0 t850 时， Rt=R0（ 1+At+Bt2） 式中， A=3.9080210-3； B=-5.8010-7； R0=100。 Pt100 温度传感器的主要技术参数如下：测量范围： -200 +850 ；热响应时间 30s
15、；允通电流 5mA。另外， Pt100 温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。 2、电桥采集数据的电路图及原理 Pt100 电桥电路如图 4、图 5 所示。其中， R10 R11 R14 Rt 组成电桥，第 9 页 共 31 页 R10=R11= 10R0, R14=R0。电桥 采用 TL431 组成恒流源供电 ，为了避免流过 Pt100传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大， 取 Im=1mA。 设流过 R14的电流为 I1，流过 Rt的电流为 I2，由于恒流源的电流为 1mA，所以有： I1+I2 = 1； (1) I1/I2=（ 10R0+Rt） /11R0
16、(2) Rt=R0（ 1+At+Bt2） (3) A=3.9080210-3； B=-5.8010-7； R0=100 当温度较低时， I1/I2 1，所以有： Vi=I2Rt-I1R0 0.5(Rt-R0) (4) 又因为 R= Rt-R0 = R0（ At+Bt2） ，所以： Vi 0.5*R0（ At+Bt2） 0.5*R0*A*t =0.195*t (mV) （ 5） 由 公式（ 5） 可知，温度较低时， Pt100 传感器的线性度良好；当温度较高时，Pt100 传感器的线性度变差， 此时有 Vi= 10R0(At+Bt2)/(22+At+Bt2)（ mV） （ 6） 软件校正采用最小二分法分段校正：将整个测量范围按每 50 为一段，共分为 8段，求出每一段的校正函数分别为：（求解方法采用 Excel 中的 SLOPE 函数及INTERCEPT 函数） R10 R14 R11 Rt - + 1mA - + Vo 图 4 信号调理电路
