1、本科毕业论文（20 届）基于 51 单片机的电阻炉温度测量与控制系统设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 湖南工业大学本科毕业设计（论文）第一部分 设计说明书湖南工业大学本科毕业设计（论文）I摘要随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度测量与控制系统的设计与研究有十分重要的意义。本次设计的目的在于学习与了解嵌入式系统开发的基本流程。用单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制数字温度传感器，把温度信号通过单总线从数字温度传感器传递
2、到单片机上。单片机数据处理之后，发出控制信息改变报警和控制执行模块的状态，同时将当前温度信息发送到 LCD 进行显示。关键词：单片机；信号采集；温度测量与控制系统湖南工业大学本科毕业设计（论文）IIABSTRACTAlong with the rapid development of modern information technology, temperature measuring and control system become more and more important in industrial, agriculture and daily life. Because of
3、its great influence on peoples life, design and research of temperature acquisition and control system has a great significance. The purpose of this design is learning and understanding the development of embedded systems. It uses MCU as data process and control unit, and uses MCU to control digital
4、 temperature sensor which transmits data to MCU through single bus. It can send a signal to change the states of alarm and implementation module, current temperature is displayed by LCD. The system achieves multi-channel temperature signal acquisition and control. Temperature limit is set by keyboar
5、d. The buzzer and relay are controlled by MCU.Key words： monocle system, Multi-channel temperature acquisition, Temperature measurement and control system湖南工业大学本科毕业设计（论文）III目 录第 1 章 绪 论 .11.1 课题背景 .11.2 温度检测的意义与技术发展 .11.3 课题内容和本人的主要工作 .2第 2 章 系统总体设计及方案论证 .32.1 系统总体设计 .32.2 单片机 .42.3 温度采集与传感器 .52.4 人
6、机交互与串口通信 .6第 3 章 硬件设计 .83.1 系统结构框图 .83.2 单片机主控单元 .93.3 温度信号采集单元 .113.4 人机交互与串口通信单元设计 .153.4.1 键盘输入 .153.4.2 液晶显示屏输出 .163.5 电源系统设计 .173.6 控制执行单元设计 .183.7 总体电路原理图及印刷电路板图 .19第 4 章软件设计 .204.1 设计思路、流程图 .204.2 温度采集子程序 .224.2.1 命令序列 .224.2.2 信号方式 .244.3 数据处理子程序 .254.4 人机交互子程序 .274.4.1 显示子程序 .274.4.2 按键子程序
7、.29湖南工业大学本科毕业设计（论文）IV4.5 执行子程序 .30结 论 .32参考文献 .33 附录 .I主题:湖南工业大学大学本科毕业设计（论文）1第 1 章 绪 论1.1 课题背景温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制；在农业生产、粮食储备、计算机机房等都需要对温度进行测量和控制。因
8、而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。温度控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行温度控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有
9、和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。随着检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。1.2 温度检测的意义与技术发展温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温
10、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就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，主题:湖南工业大学大学本科毕业设计（论文）2得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，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。温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系
11、统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了 SCM、MCU 和 SOC 三大阶段。1.3 课题内容和本人的主要工作本课题是基于单片机的多路温度采集控制系统设计，其利用单片机作为系统的主要控制器，通过温度传感器检测环境温度信号，再经 A/D 转换后，将数字信号，送入到单片机中进行数据处理，经过一定的控制算法后，通过单片机的输出 I/O 口，来控制继电器的闭合，达到弱电控制强电的目的，最终完成对加热炉和风扇的自动控制，从而实现对了对环境温度的调节。本人的主要工作是运用
12、 AT89c51 单片机作为主控制单元及数据处理单元，控制温度传感器检测环境温度信号及 A/D 转换，数据处理，发出控制信号对加热炉和风扇进行自动化控制，达到自动调节控制环境温度的目的，同时实现超高温报警和超低温报警功能。实现基本的人机对话功能，包括使用按键设置上、下限报警温度值，显示报警温度值和当前环境温度值。主题:湖南工业大学大学本科毕业设计（论文）3第 2 章 系统总体设计及方案论证2.1 系统总体设计本章主要内容是论述基于 51 单片机的多路温度采集控制系统的总体设计以及方案论证。本系统由单片机、温度信号采集与 A/D 转换、人机交互、控制执行单元、电源系统单元、通信单元六部分组成，功
13、能模块具体实现的器件的不同，将直接影响整个系统的性能及成本，为了达到高效、实用的目的，在系统设计之前的方案论证是十分重要的，系统设计原理图如图 2.1 所示：单片机温度信号采集及A/D 转换人机交互及串口通信控制执行及报警单元电源系统设计图 2.1 系统设计原理图单片机：该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。温度信号采集与传感器：本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号，使用 A/D 转换器将模拟电压信号转换成单
14、片机能够进行数据处理的数字电压信号，本设计采用的是数字温度传感器，以上过程都在温度传感器内部完成。 人机交互及串口通信：人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。电源系统单元：本单元的主要功能是为单片机提供适当的工作电源，同时也为主题:湖南工业大学大学本科毕业设计（论文）4其他模块提供电源。如液晶显示屏、按键等，在本设计当中，电源系统输出 +5 V 的电源。执行单元：是单片机的输出控制
15、执行部分，根据单片机数据处理的结果，驱动继电器控制外部设备，可以达到超温报警及升温或者降温目的，使环境温度始终保持在一个范围之内。2.2 单片机在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8 位单片机仍是首选。目前，8 位单片机在国内外仍占有重要地位。在 8 位单片机中又以 MCS51 系列单片机及其兼容机所占的份额最大。MCS51 的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。在以前的电子设计中，应用比较广泛的单片机是 AT89C51 单片机了，但是该单片机最致命的缺陷在于不支持 ISP 功能。Atmel 公司目
16、前已经停止了 AT89C51 生产，51 单片机必须加上 ISP 功能才能更好延续 MCS-51 的传奇，AT89S51 就是在这样的背景下诞生的，目前 AT89S51 已经成为了实际应用市场上的新宠儿。89S51 在工艺上进行了改进，它采用 0.35 mm 新工艺，不但降低成本了，而且增加了功能，提升了单片机性能，提高了市场竞力。AT89S51 新增了许多功能，性能也有了较大的提升，但是价格仍旧与 AT89C51的价格一致。新增的功能之中最具有影响力的就是 ISP 在线编程功能，这个功能的优势在于，改写单片机 Flash 存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。显然，AT89S51 在性能上比 AT89C51 要优良得多，因为它不但在 AT89C51 的基础上增加了许多功能，而且价格基本没有提高，所以在器件选择的时候首先排除AT89C51，对于市场上的另外一种比较流行的单片机 C8051F，尽管它在性能、功能上都要比 AT89S51 优良很多，但是它的价格是 S51 的数倍，本系统使用 S51 已经完全能够实现所需要的功能，基于成本的考虑，放弃 C8051F，选择 AT89S51 作为本系统的主控单元。2.3 温度采集与传感器本部分主要是论证温度传感器的选型。传感器的选择受到很多因素的影响，首
