1、本 科 毕 业 设 计基于 AT89C52 单片机的温度控制系统设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘要温度是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量。随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实。其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。本课题介绍了 AT89C52 单片机，叙述了基于单片机温度的控制与设计，包括硬件组成和软件的设计，该系统在硬件设计上主要是通过温度传感器对温度进行采集，把温度转换成变化的电压，然后由放大器将信
2、号放大，将模拟温度电压信号转化为对应的数字温度信号电压。其硬件设计中最为核心的器件是单片机89C52，将采集到的数字温度电压值经处理得到相应的温度值，送到 LED 显示器，以数字形式显示测量的温度。并分别阐述了单片机模块的组成和主要的器件AT89C52 芯片的特性、工作原理，温度传感模块的组成和主要芯片 DS18B20 的特性和工作原理，键盘及显示电路的工作原理和设计方法及其主要的元器件 8279，控制器件继电器的选用和工作原理。同时介绍了主程序流程框图和相应的子程序流程框图，并给出了具体的程序。在 Proteus 仿真软件的基础上，给出了硬件电路图，软件流程图和主要的程序。关键词：AT89C
3、52；Proteus 仿真软件；单片机；温度控制IIIAbstractTemperature is a daily, industry, medicine, environmental protection, chemical, oil and other fields of a physical quantity most frequently encountered. With the improvement of control theory and electric technology, the intelligent control or industry has been acc
4、omplishing. The digital controller based on Microcontroller has been applied widely, as its small volume, low-cost, abundant function, simple and convenient.Elaborated separately the monolithic integrated circuit modules composition and the main component AT89C52 chips characteristic, the principle
5、of work, the temperature sensing modules composition and the main chip DS18B20 characteristic and the principle of work, the keyboard and display circuits principle of work and the design method and the main primary device 8279, control component air relays selection with the principle of work. Elab
6、orated separately the monolithic integrated circuit modules composition and the main component AT89C52 chips characteristic, the principle of work, the temperature sensing modules composition and the main chip DS18B20 characteristic and the principle of work, the keyboard and display circuits princi
7、ple of work and the design method and the main primary device 8279, control component air relays selection with the principle of work. Simultaneously introduced the master routine flow diagram and the corresponding subroutine flow diagram, and has given the concrete procedure. Based on the simulatio
8、n of the software Proteus, the hardware and software flow of the system are also presented.Keywords:AT89C52;Simulation Software named Proteus; SCM; Temperature controlIV目 录第 1 章 绪论 .11.1 概述 .11.2 单片机简介 .11.2.1 单 片 机 的 历 史 .21.2.2 单 片 机 的 应 用 领 域 .31.2.3 常 用 的 单 片 机 芯 片 .41.3 温度测控技术的发展与现状 .51.4 系统总体设
9、计方案 .51.4.1 系统性能要求及特点 .51.4.2 系统硬件方案分析 .61.5 Proteus 简 介 .61.6 本文主要工作及章节安排 .81.6.1 本文主要工作 .81.6.2 章节安排 .8第 2 章 系统原理及结构框图 .92.1 单片机的选用 .92.2 设计方案的选定 .92.3 系统原理 .92.4 系统原理框图 .102.5 系统硬件电路设计 .11第 3 章 系统组成模块 .123.1 单片机模块 .123.1.1 主要性能参数 .123.1.2 功能特性概述 .123.1.3 管脚说明 .133.1.4 定时与记数 .143.1.5 复位电路 .14V3.1.
10、6 时钟电路 .143.2 温度传感模块 .153.2.1 DS18B20 的外形和内部结构 .153.2.2 DS18B20 性能特点 .163.2.3 DS18B20 控制方法 .163.2.4 高速暂存存储器 .163.3 键盘、显示模块 .173.3.1 键盘、显示驱动芯片 8279.183.3.2 8279 内部结构 .193.3.3 键盘和数码管 .203.4 继电器控制模块 .21第 4 章 系统软件部分 .224.1 系统主程序框图 .224.2 键盘处理子程序框图 .234.3 DS18B20 子程序框图 .23小结 .25致谢 .26参考文献 .27附录 1 程序 .281
11、第 1 章 绪论1.1 概述如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张的说，单片机技术的出现则给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走入普通家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影，因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。许多物质的特性与温度有很大的依赖关系，温度的影响甚至是起决
12、定作用的。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的，例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标
13、系统与外界进行热隔离。另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。1.2 单片机简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而
14、完善的计算机系统。单 片 机 也 被 称 为 微 控 制 器 （ Microcontroller Unit） ， 常 用 英 文 字 母 的缩 写 MCU 表 示 单 片 机 ， 它 最 早 是 被 用 在 工 业 控 制 领 域 。 单 片 机 由 芯 片 内 仅 有CPU 的 专 用 处 理 器 发 展 而 来 。 最 早 的 设 计 理 念 是 通 过 将 大 量 外 围 设 备 和 CPU集 成 在 一 个 芯 片 中 ， 使 计 算 机 系 统 更 小 ， 更 容 易 集 成 进 复 杂 的 而 对 体 积 要 求 严格 的 控 制 设 备 当 中 。 INTEL 的 Z80 是 最
15、 早 按 照 这 种 思 想 设 计 出 的 处 理 器 ， 从 此以 后 ， 单 片 机 和 专 用 处 理 器 的 发 展 便 分 道 扬 镳 。 早 期 的 单 片 机 都 是 8 位 或 4 位 的 。 其 中 最 成 功 的 是 INTEL 的 8031， 因为 简 单 可 靠 而 性 能 不 错 获 得 了 很 大 的 好 评 。 此 后 在 8031 上 发 展 出 了 MCS512系 列 单 片 机 系 统 。 基 于 这 一 系 统 的 单 片 机 系 统 直 到 现 在 还 在 广 泛 使 用 。 随 着 工业 控 制 领 域 要 求 的 提 高 ， 开 始 出 现 了 1
16、6 位 单 片 机 ， 但 因 为 性 价 比 不 理 想 并 未得 到 很 广 泛 的 应 用 。 90 年 代 后 随 着 消 费 电 子 产 品 大 发 展 ， 单 片 机 技 术 得 到 了巨 大 提 高 。 随 着 Intel i960 系 列 特 别 是 后 来 的 ARM 系 列 的 广 泛 应 用 ， 32 位单 片 机 迅 速 取 代 16 位 单 片 机 的 高 端 地 位 ， 并 且 进 入 主 流 市 场 。 而 传 统 的 8位 单 片 机 的 性 能 也 得 到 了 飞 速 提 高 ， 处 理 能 力 比 起 80 年 代 提 高 了 数 百 倍 。 目前 ， 高
17、端 的 32 位 单 片 机 主 频 已 经 超 过 300MHz， 性 能 直 追 90 年 代 中 期 的 专 用处 理 器 ， 而 普 通 的 型 号 出 厂 价 格 跌 落 至 1 美 元 ， 最 高 端 的 型 号 也 只 有 10 美元 。 当 代 单 片 机 系 统 已 经 不 再 只 在 裸 机 环 境 下 开 发 和 使 用 ， 大 量 专 用 的 嵌 入 式操 作 系 统 被 广 泛 应 用 在 全 系 列 的 单 片 机 上 。 而 在 作 为 掌 上 电 脑 和 手 机 核 心 处 理的 高 端 单 片 机 甚 至 可 以 直 接 使 用 专 用 的 Windows 和
18、 Linux 操 作 系 统 。 单 片 机 比 专 用 处 理 器 更 适 合 应 用 于 嵌 入 式 系 统 ， 因 此 它 得 到 了 最 多 的 应用 。 事 实 上 单 片 机 是 世 界 上 数 量 最 多 的 计 算 机 。 现 代 人 类 生 活 中 所 用 的 几 乎每 件 电 子 和 机 械 产 品 中 都 会 集 成 有 单 片 机 。 手 机 、 电 话 、 计 算 器 、 家 用 电 器 、电 子 玩 具 、 掌 上 电 脑 以 及 鼠 标 等 电 脑 配 件 中 都 配 有 1-2 部 单 片 机 。 而 个 人 电脑 中 也 会 有 为 数 不 少 的 单 片 机
19、 在 工 作 。 汽 车 上 一 般 配 备 40 多 部 单 片 机 ， 复杂 的 工 业 控 制 系 统 上 甚 至 可 能 有 数 百 台 单 片 机 在 同 时 工 作 ！ 单 片 机 的 数 量 不 仅远 超 过 PC 机 和 其 他 计 算 的 总 和 ， 甚 至 比 人 类 的 数 量 还 要 多 。 1.2.1 单 片 机 的 历 史单 片 机 诞 生 于 20 世 纪 70 年 代 末 ， 经 历 了 SCM、 MCU、 SoC 三 大 阶 段 。SCM 即 单 片 微 型 计 算 机 （ Single Chip Microcomputer） 阶 段 ， 主 要 是 寻 求
20、最 佳的 单 片 形 态 嵌 入 式 系 统 的 最 佳 体 系 结 构 。 “创 新 模 式 ”获 得 成 功 ， 奠 定 了SCM 与 通 用 计 算 机 完 全 不 同 的 发 展 道 路 。 在 开 创 嵌 入 式 系 统 独 立 发 展 道 路 上 ，Intel 公 司 功 不 可 没 。MCU 即 微 控 制 器 （ Micro Controller Unit） 阶 段 ， 主 要 的 技 术 发 展 方 向是 ： 不 断 扩 展 满 足 嵌 入 式 应 用 时 ， 对 象 系 统 要 求 的 各 种 外 围 电 路 与 接 口 电 路 ，突 显 其 对 象 的 智 能 化 控 制
21、 能 力 。 它 所 涉 及 的 领 域 都 与 对 象 系 统 相 关 ， 因 此 ， 发展 MCU 的 重 任 不 可 避 免 地 落 在 电 气 、 电 子 技 术 厂 家 。 从 这 一 角 度 来 看 ，Intel 逐 渐 淡 出 MCU 的 发 展 也 有 其 客 观 因 素 。 在 发 展 MCU 方 面 ， 最 著 名 的 厂家 当 数 Philips 公 司 。 Philips 公 司 以 其 在 嵌 入 式 应 用 方 面 的 巨 大 优 势 ， 将MCS-51 从 单 片 微 型 计 算 机 迅 速 发 展 到 微 控 制 器 。 因 此 ， 当 我 们 回 顾 嵌 入
22、式 系统 发 展 道 路 时 ， 不 要 忘 记 Intel 和 Philips 的 历 史 功 绩 。单 片 机 是 嵌 入 式 系 统 的 独 立 发 展 之 路 ， 向 MCU 阶 段 发 展 的 重 要 因 素 ， 就是 寻 求 应 用 系 统 在 芯 片 上 的 最 大 化 解 决 ； 因 此 ， 专 用 单 片 机 的 发 展 自 然 形 成 了SOC 化 趋 势 。 随 着 微 电 子 技 术 、 IC 设 计 、 EDA 工 具 的 发 展 ， 基 于 SOC 的 单 片机 应 用 系 统 设 计 会 有 较 大 的 发 展 。 因 此 ， 对 单 片 机 的 理 解 可 以
23、从 单 片 微 型 计 算机 、 单 片 微 控 制 器 延 伸 到 单 片 应 用 系 统 。3图 1.1 MCU 外 形1.2.2 单 片 机 的 应 用 领 域目 前 单 片 机 渗 透 到 我 们 生 活 的 各 个 领 域 ， 几 乎 很 难 找 到 哪 个 领 域 没 有 单 片机 的 踪 迹 。 导 弹 的 导 航 装 置 ， 飞 机 上 各 种 仪 表 的 控 制 ， 计 算 机 的 网 络 通 讯 与 数据 传 输 ， 工 业 自 动 化 过 程 的 实 时 控 制 和 数 据 处 理 ， 广 泛 使 用 的 各 种 智 能 IC卡 ， 民 用 豪 华 轿 车 的 安 全 保
24、 障 系 统 ， 录 像 机 、 摄 像 机 、 全 自 动 洗 衣 机 的 控 制 ，以 及 程 控 玩 具 、 电 子 宠 物 等 等 ， 这 些 都 离 不 开 单 片 机 。 更 不 用 说 自 动 控 制 领 域的 机 器 人 、 智 能 仪 表 、 医 疗 器 械 了 。 因 此 ， 单 片 机 的 学 习 、 开 发 与 应 用 将 造 就一 批 计 算 机 应 用 与 智 能 化 控 制 的 科 学 家 、 工 程 师 。 单 片 机 广 泛 应 用 于 仪 器 仪 表 、 家 用 电 器 、 医 用 设 备 、 航 空 航 天 、 专 用 设 备 的 智能 化 管 理 及 过
25、 程 控 制 等 领 域 ， 大 致 可 分 如 下 几 个 范 畴 ：1.在 智 能 仪 器 仪 表 上 的 应 用 单 片 机 具 有 体 积 小 、 功 耗 低 、 控 制 功 能 强 、 扩 展 灵 活 、 微 型 化 和 使 用 方 便等 优 点 ， 广 泛 应 用 于 仪 器 仪 表 中 ， 结 合 不 同 类 型 的 传 感 器 ， 可 实 现 诸 如 电 压 、功 率 、 频 率 、 湿 度 、 温 度 、 流 量 、 速 度 、 厚 度 、 角 度 、 长 度 、 硬 度 、 元 素 、 压力 等 物 理 量 的 测 量 。 采 用 单 片 机 控 制 使 得 仪 器 仪 表
26、 数 字 化 、 智 能 化 、 微 型 化 ，且 功 能 比 起 采 用 电 子 或 数 字 电 路 更 加 强 大 。 例 如 精 密 的 测 量 设 备 （ 功 率 计 ，示 波 器 ， 各 种 分 析 仪 ） 。2.在 工 业 控 制 中 的 应 用 用 单 片 机 可 以 构 成 形 式 多 样 的 控 制 系 统 、 数 据 采 集 系 统 。 例 如 工 厂 流 水 线的 智 能 化 管 理 ， 电 梯 智 能 化 控 制 、 各 种 报 警 系 统 ， 与 计 算 机 联 网 构 成 二 级 控 制系 统 等 。4图 1.2 各 种 用 途 的 单 片 机3.在 家 用 电 器
27、 中 的 应 用 可 以 这 样 说 ， 现 在 的 家 用 电 器 基 本 上 都 采 用 了 单 片 机 控 制 ， 从 电 饭 褒 、 洗衣 机 、 电 冰 箱 、 空 调 机 、 彩 电 、 其 他 音 响 视 频 器 材 、 再 到 电 子 秤 量 设 备 ， 五花 八 门 ， 无 所 不 在 。4.在 计 算 机 网 络 和 通 信 领 域 中 的 应 用 现 代 的 单 片 机 普 遍 具 备 通 信 接 口 ， 可 以 很 方 便 地 与 计 算 机 进 行 数 据 通 信 ，为 在 计 算 机 网 络 和 通 信 设 备 间 的 应 用 提 供 了 极 好 的 物 质 条 件
28、 ， 现 在 的 通 信 设 备基 本 上 都 实 现 了 单 片 机 智 能 控 制 ， 从 手 机 ， 电 话 机 、 小 型 程 控 交 换 机 、 楼 宇自 动 通 信 呼 叫 系 统 、 列 车 无 线 通 信 、 再 到 日 常 工 作 中 随 处 可 见 的 移 动 电 话 ， 集群 移 动 通 信 ， 无 线 电 对 讲 机 等 。 5.单 片 机 在 医 用 设 备 领 域 中 的 应 用 单 片 机 在 医 用 设 备 中 的 用 途 亦 相 当 广 泛 ， 例 如 医 用 呼 吸 机 ， 各 种 分 析 仪 ，监 护 仪 ， 超 声 诊 断 设 备 及 病 床 呼 叫 系
29、 统 等 等 。 6.在 各 种 大 型 电 器 中 的 模 块 化 应 用 某 些 专 用 单 片 机 设 计 用 于 实 现 特 定 功 能 ， 从 而 在 各 种 电 路 中 进 行 模 块 化 应用 ， 而 不 要 求 使 用 人 员 了 解 其 内 部 结 构 。 如 音 乐 集 成 单 片 机 ， 看 似 简 单 的 功 能 ，微 缩 在 纯 电 子 芯 片 中 （ 有 别 于 磁 带 机 的 原 理 ） ， 就 需 要 复 杂 的 类 似 于 计 算 机 的原 理 。 如 ： 音 乐 信 号 以 数 字 的 形 式 存 于 存 储 器 中 （ 类 似 于 ROM） ， 由 微 控
30、 制器 读 出 ， 转 化 为 模 拟 音 乐 电 信 号 （ 类 似 于 声 卡 ） 。 在 大 型 电 路 中 ， 这 种 模 块 化 应 用 极 大 地 缩 小 了 体 积 ， 简 化 了 电 路 ， 降 低 了损 坏 、 错 误 率 ， 也 方 便 于 更 换 。 7.单 片 机 在 汽 车 设 备 领 域 中 的 应 用 单 片 机 在 汽 车 电 子 中 的 应 用 非 常 广 泛 ， 例 如 汽 车 中 的 发 动 机 控 制 器 ， 基 于CAN 总 线 的 汽 车 发 动 机 智 能 电 子 控 制 器 ， GPS 导 航 系 统 ， abs 防 抱 死 系 统 ， 制动 系
31、 统 等 等 。此 外 ， 单 片 机 在 工 商 ， 金 融 ， 科 研 、 教 育 ， 国 防 航 空 航 天 等 领 域 都 有 着 十分 广 泛 的 用 途 。1.2.3 常 用 的 单 片 机 芯 片5STC 单 片 机 ： STC 公 司 的 单 片 机 主 要 是 基 于 8051 内 核 ， 是 新 一 代 增 强 型单 片 机 ， 指 令 代 码 完 全 兼 容 传 统 8051， 速 度 快 8-12 倍 ， 带 ADC， 4 路 PWM，双 串 口 ， 有 全 球 唯 一 ID 号 ， 加 密 性 好 ， 抗 干 扰 强 。PIC 单 片 机 ： 是 MICROCHIP
32、公 司 的 产 品 ， 其 突 出 的 特 点 是 体 积 小 ， 功 耗低 ， 精 简 指 令 集 ， 抗 干 扰 性 好 ， 可 靠 性 高 ， 有 较 强 的 模 拟 接 口 ， 代 码 保 密 性 好 ，大 部 分 芯 片 有 其 兼 容 的 FLASH 程 序 存 储 器 的 芯 片 。 EMC 单 片 机 ： 是 台 湾 义 隆 公 司 的 产 品 ， 有 很 大 一 部 分 与 PIC 8 位 单 片 机兼 容 ， 且 相 兼 容 产 品 的 资 源 相 对 比 PIC 的 多 ， 价 格 便 宜 ， 有 很 多 系 列 可 选 ，但 抗 干 扰 较 差 。ATMEL 单 片 机
33、 (51 单 片 机 )： ATMEl 公 司 的 8 位 单 片 机 有 AT89、 AT90 两个 系 列 ， AT89 系 列 是 8 位 Flash 单 片 机 ， 与 8051 系 列 单 片 机 相 兼 容 ， 静 态时 钟 模 式 ； AT90 系 列 单 片 机 是 增 强 RISC 结 构 ， 全 静 态 工 作 方 式 、 内 载 在 线可 编 程 Flash 的 单 片 机 ， 也 叫 AVR 单 片 机 。 PHLIPIS 51PLC 系 列 单 片 机 (51 单 片 机 )： PHILIPS 公 司 的 单 片 机 是 基 于80C51 内 核 的 单 片 机 ，
34、嵌 入 了 掉 电 检 测 、 模 拟 以 及 片 内 RC 振 荡 器 等 功 能 ， 这使 51LPC 在 高 集 成 度 、 低 成 本 、 低 功 耗 的 应 用 设 计 中 可 以 满 足 多 方 面 的 性 能 要求 。 HOLTEK 单 片 机 ： 台 湾 盛 扬 半 导 体 的 单 片 机 ， 价 格 便 宜 ， 种 类 较 多 ， 但 抗干 扰 较 差 ,适 用 于 消 费 类 产 品 。 TI 公 司 单 片 机 (51 单 片 机 )： 德 州 仪 器 提 供 了 TMS370 和 MSP430 两 大 系列 通 用 单 片 机 。 TMS370 系 列 单 片 机 是
35、8 位 CMOS 单 片 机 ， 具 有 多 种 存 储 模 式 、多 种 外 围 接 口 模 式 ， 适 用 于 复 杂 的 实 时 控 制 场 合 ;MSP430 系 列 单 片 机 是 一 种超 低 功 耗 、 功 能 集 成 度 较 高 的 16 位 低 功 耗 单 片 机 ,特 别 适 用 于 要 求 功 耗 低 的场 合 。 松 翰 单 片 机 （ SONIX） ： 是台湾松翰公司的单片，大多为 8 位机，有一部分与 PIC 8 位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有 PMW ADC 内振 内部杂讯滤波。缺点 RAM 空间过小，抗干扰较好。1.3 温度测控技术的发展与现
36、状近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。传统的温度控制系统采用模拟电路设计，存在不可避免的缺陷，如系统的电路结构复杂，操作困难，系统电路所需的功率较大，温度控制的精度差，易出现温度的漂移，电路结构复杂，缺乏友好的人机界面，温度控制的实时性差等。单片机的出现使得温度的采集和数据处理等问题能够得到很好的解决，温度是工业对象中的一个重要的被控参数，然而所采用的测温元件和测量方法也不相同，产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技
