【正文】 ................................................................... 26 附錄 A ....................................................................................................................................... 27 附錄 B ....................................................................................................................................... 28 附錄 C ....................................................................................................................................... 43 MCS51 單片機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 1 緒論 課題設(shè)計(jì)背景和目的 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn) 中 電流 、 電壓 、 溫度 、 壓力 、 流量 、 流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù) 。 溫度作為一個(gè)基本物理量，它是一個(gè)與人們的生活環(huán)境、生產(chǎn)活動(dòng)密切相關(guān)的重要物理量。 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中溫度作為一種常用的主要被控參數(shù)，在很多生產(chǎn)過(guò)程中我們需要對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。 例如 ： 在冶金工業(yè) 、 化工生產(chǎn) 、 電力工程 、 造紙行業(yè) 、 機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中 ， 人們都需要對(duì)各類加熱爐 、 熱處理爐 、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)。 采用單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制 ， 不僅具有控制方便 、 組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn) ， 而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo) ， 從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量 。 因此單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中 經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題 。 本次設(shè)計(jì)采用 MCS51 系列單片機(jī)與各種外圍電路構(gòu)成單片機(jī)溫度自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。通過(guò)本次設(shè)計(jì)掌握溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法和軟件編寫方法。熟悉 Protel 軟件的使用方法。通過(guò)課題的研究進(jìn)一步鞏固所學(xué)的知識(shí)，同時(shí)學(xué)習(xí)課程以外的 相關(guān) 知識(shí)，培養(yǎng)綜合應(yīng)用知識(shí)的能力。鍛煉動(dòng)手能力與實(shí)際工作能力，將所學(xué)的理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)。 國(guó)內(nèi)外研究狀況和發(fā)展趨勢(shì) 隨著國(guó)內(nèi)外工業(yè)的日益發(fā)展，溫度檢測(cè)技術(shù)也有了不斷的進(jìn)步。溫度測(cè)量系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是傳感器，它將溫 度 信號(hào) 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。另一部分是電子裝置，它主要完成對(duì)信號(hào)的接收、處理、對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行控制、溫度顯示等功能。對(duì)應(yīng)于不同的溫度段及測(cè)量精度要求，測(cè)溫裝置也不盡相同，從傳感器方面看，己出現(xiàn)有各種金屬材料、非金屬材料、半導(dǎo)體材料制成的傳感器，也有紅外傳感器。儀器本身也趨向小型化，多采用集成度較高的芯片或元件組成電路。對(duì)于測(cè)點(diǎn)較多，并具有報(bào)警、巡測(cè)、控制等多功能測(cè)溫裝置，一般采用單片機(jī)電路。目前的溫度檢測(cè)技術(shù) 原理 很多，大致包括以下幾種 :(1)物體熱脹冷縮原理 (2)熱電效應(yīng) (3)熱阻效應(yīng) (4)利熱輻射原理。 傳統(tǒng)的溫度傳感 器 (如 ,熱電偶、鉑電阻、雙金屬開關(guān)等 )雖然有著各自不可替代的廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 優(yōu)點(diǎn) ,但由于自身 因自熱效應(yīng)影響 了 測(cè)量精度 ,從而 制約了它們?cè)谖⑿突叨穗娮赢a(chǎn)品中的應(yīng)用。與之相比較 ,半導(dǎo)體溫度傳感器具有靈敏度高、體積小、功耗低、時(shí)間常數(shù)小、自熱溫升小、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn) ,無(wú)論是電壓、電流還是 頻率輸出 ,在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi) ( 55～ 150 ℃ )都與溫度成線性關(guān)系 ,適合在集成電路系統(tǒng)中應(yīng)用。目前 ,半導(dǎo)體溫度傳感器工作的溫度范圍還限于 50～ 150 ℃。未來(lái)主要的研究方向?qū)⑹侨绾螖U(kuò)大它的溫度適用范圍 ,以及智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方面 。 近年 來(lái)，在溫度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中，多種新的檢測(cè)原理與技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用 己取得了具有實(shí)用性的重大進(jìn)展。新一代溫度檢測(cè)元件正在不斷出現(xiàn)和完善化，主要包括以下幾種。(1)晶體管溫度檢測(cè)元件 (2)集成電路溫度檢測(cè)元件 (3)核磁共振溫度檢測(cè)器 (4)熱噪聲溫度檢測(cè)器 (5)石英晶體溫度檢測(cè)器 (6)光纖溫度檢測(cè)器 (7)激光溫度檢測(cè)器 。 目前國(guó)內(nèi)外的溫度控制方式越來(lái)越趨向于智能化，溫度測(cè)量首先是由溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 測(cè)溫儀器由溫度傳感器和信號(hào)處理兩部分組成。溫度測(cè)量的過(guò)程就是通過(guò)溫度傳感器將被測(cè)對(duì)象的溫度值轉(zhuǎn)換成電的或其它形式的信 號(hào) ,傳遞給信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)處理轉(zhuǎn)換成溫度值顯示出來(lái)。溫度傳感器隨著溫度變化而引起變化的物理參數(shù)有 : 膨脹、電阻、電容、熱電動(dòng)勢(shì) ,磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展 ,新型溫度傳感器還會(huì)不斷出現(xiàn) ,目前 ,國(guó)內(nèi)外通用的溫度傳感器及測(cè)溫儀大致有以下幾種 : 熱膨脹式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、 熱電偶、輻射式測(cè)溫儀表、石英溫度傳感器測(cè)溫儀。 溫度檢測(cè)的主要方法 溫度的測(cè)量方法多采用集成的半導(dǎo)體模擬溫度傳感器 ， 傳感器輸出的電壓或電流與溫度在一定范圍呈線性關(guān)系 。 通過(guò)放大 ， 采樣得到被測(cè)量 。 另一種溫度測(cè)量方法是 使用熱電偶 ， 其測(cè)量精度較高 ， 但測(cè)試過(guò)程復(fù)雜 ， 測(cè)量時(shí)間長(zhǎng) ， 而且采用電橋測(cè)量的系統(tǒng)抗干擾能力較差 ， 誤差較大 。 隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展 ， 新型的數(shù)字化溫度傳感器其精度 、 穩(wěn)定性 、 可靠性及抗干擾能力都優(yōu)于模擬的溫度傳感器 。數(shù)字溫度傳感器也越來(lái)越的到廣泛的應(yīng)用。 溫度檢測(cè)的方法根據(jù)敏感元件和被測(cè)介質(zhì)接觸與否，可以分為接觸式與非接觸式兩大類。接觸式檢測(cè)的方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度檢測(cè)儀表；基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測(cè)儀表。非接觸式檢測(cè)方法是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)物體的溫度進(jìn)行 檢測(cè)，主要有亮度法、全輻射法和比色法等。接觸式測(cè)溫是使測(cè)溫敏感元件與被測(cè)介質(zhì)接觸，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí)，感MCS51 單片機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 溫元件與被測(cè)介質(zhì)的溫度相等。這類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低、應(yīng)用十分廣泛，因此，本方案采用接觸式測(cè)溫法，選用相關(guān)類型的傳感器。 由單片機(jī)組成的溫度測(cè)控系統(tǒng) ,通過(guò)在單片機(jī)外部添加各種接口電路，可構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制對(duì)象的溫度的顯示和控制。 同時(shí)也能 根據(jù)實(shí)際情況 實(shí)現(xiàn)多路巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警及記錄 ,對(duì)各個(gè)參數(shù)以一定的周期進(jìn)行檢查和測(cè)量 ,檢測(cè)的結(jié)果經(jīng)計(jì)算機(jī) 處理后再進(jìn)行顯示、打印和報(bào)警 ,以提醒操作人員注意或直接用于生產(chǎn)控制。 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它用溫度傳感器將檢測(cè)到的溫度信號(hào)經(jīng)放大，送入單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示當(dāng)前溫度值，用當(dāng)前溫度值與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較。根據(jù)比較的結(jié)果得到控制信號(hào)用以控制繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器的控制。通過(guò)這種控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫箱的溫度控制。本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成 ,硬件部分主要完成 主機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行 等 電 路 的設(shè)計(jì)。軟件程序編寫主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)、標(biāo)度轉(zhuǎn)換、 LED顯示、繼電器控制等數(shù)據(jù)處理功能 。 廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用 MCS51 單片機(jī)作為控制芯片， 采用半導(dǎo)體集成溫度傳感器 DS18B20采集溫度信號(hào)。 通過(guò)溫度傳感器將 采集的 溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成 與之相 對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) 送入到控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)在芯片外圍添加顯示、控制等外圍電路 來(lái) 實(shí)現(xiàn)對(duì) 保溫箱溫度 的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制功能。 本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成 ,硬件部分主要完成傳感器信號(hào)的采集處理 ,信 息的顯示等 。軟件主要完成對(duì)采集的溫度信號(hào)進(jìn)行處理及顯示控制等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 ： 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 就是為本單片機(jī)溫控系統(tǒng)選擇合適的、最優(yōu)的系統(tǒng)配置 ，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī) 、 設(shè)計(jì)合適的接口電路 等 。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)本著以下原則： (1) 盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。本設(shè)計(jì)采用了典型的顯示電路、A/D 轉(zhuǎn)化電路，為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 (2) 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件 方案一并考慮。軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時(shí)間比硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，且占用 CPU時(shí)間。由于本設(shè)計(jì)的響應(yīng)時(shí)間要求不高，所以有一些功能 可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)，如 鍵盤的去抖動(dòng) 問(wèn)題 。 (3) 系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低主 控 制 器 LED顯 示 溫 度 傳 感 器 單片機(jī)復(fù)位 時(shí)鐘振蕩 報(bào)警點(diǎn)按鍵調(diào)整 MCS51 單片機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 功耗產(chǎn)品 。 本 系統(tǒng)的 硬件電路主要 包括 模擬部分和數(shù)字部分 ， 從功能模塊上來(lái)分有主機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路。 系統(tǒng)硬件包括：溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路 、 MCS51 單片機(jī)、鍵盤輸入、 LED 溫度顯示器、溫度控 制電路。 芯片選擇 單片機(jī)就是在一塊硅片上集成了微處理器、存儲(chǔ)器和各種輸入輸出接口電路的微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。單片機(jī)以其較高的性能價(jià)格比受到了人們的重視和關(guān)注。它的優(yōu)點(diǎn)就是體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)較為容易。單片機(jī)根據(jù)其基本操作處理的位數(shù)可分為 1 32 位單片機(jī)，應(yīng)用最為廣泛的是八位單片機(jī)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況和要求，在本次設(shè)計(jì)中采用 AT89C51 作為系統(tǒng)的控制芯片。 AT89C51 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器 ，具有 4K 的 系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 溫度檢測(cè) 本課題設(shè)計(jì)的溫度控制范圍為 2580 攝氏度 ，溫度傳感器采用 半導(dǎo)體集成溫度傳感器 DS18B20，它 具有較高的精度和重復(fù)性，不需輔助電源，線性好，使用方便，便于微機(jī)系統(tǒng)測(cè)控。被測(cè)溫度信號(hào)為一路由 DS18B20 測(cè)得的代表溫度的電壓信號(hào)，經(jīng)溫度調(diào)理電路放大后使其在 05V 范圍內(nèi)，使其 適合的輸入電壓范圍。 鍵盤輸入 鍵盤可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤，鍵盤上閉合鍵的識(shí)別由專用的硬件譯碼器實(shí)現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編號(hào)和鍵值的稱為編碼式鍵盤；靠軟件識(shí)別的為非編碼式鍵盤。在單片機(jī)組成的測(cè)控系統(tǒng)中，用得最多的是非編碼鍵盤。在這里采用的就是非編碼式鍵盤。鍵盤的連接 方式 采用獨(dú)立連接式，這種連接方式能夠簡(jiǎn)化程序的編寫。 顯示 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器 （ LED） 和液晶顯示器廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 （ LCD） 。采用 LED 作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示器具有價(jià)格低、性能穩(wěn)定和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。LED 顯 示方式有靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示和串口顯示。為了節(jié)省系統(tǒng)本身的硬件資源，在這里 LED 的顯示方式采用串行靜態(tài)顯示 方式 。利用串口可以工作在移位寄存器方式，驅(qū)動(dòng) LED 靜態(tài)顯示。這樣 就 可以充分的利用并行口，并將并行口用到最需要的地方去，同時(shí)主程序不需要掃描顯示器，使它有更多的時(shí)間處理其他事情。這種顯示方法用于顯示位數(shù)少、顯示亮度大的地方能夠達(dá)到很好的顯示效果。 控制電路 控制電路作為單片機(jī)系統(tǒng)的后向通道，他是將單片機(jī)處理后的數(shù)字 控制 信號(hào)用輸出口輸出，并將該數(shù)字信號(hào)用于對(duì)控制對(duì)象的控制。由于單片機(jī)的輸出 信號(hào)電平很低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備進(jìn)行工作，因此在單片機(jī)的后向通道中需要外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換以及隔離放大等技術(shù)。 本次設(shè)計(jì)采用繼電器作為控制電路的主要器件，通過(guò)繼電器可以實(shí)現(xiàn)直流信號(hào)控制交流負(fù)載的功能，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的控制功能。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的軟件 設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟件的編寫，使軟件編寫思路更加簡(jiǎn)單明了。系統(tǒng)軟件主要 由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊。 主程序模塊用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)子程序間的跳轉(zhuǎn)。 功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由鍵盤處理子程序、顯示子程序 、繼電器控制程序 等部分組成 。 運(yùn)算控制模塊涉及標(biāo)度轉(zhuǎn)換 子程序等。 MCS51 單片機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 主板電路 系統(tǒng)整體硬件電路包括，傳感器數(shù)據(jù)采集電路，溫度顯示電路，上下限報(bào)警調(diào)整電路，單片機(jī)主板電路等，如圖 所示。三個(gè)獨(dú)立式按鍵可以分別調(diào)整溫度計(jì)的上下限報(bào)警設(shè)置，同時(shí) LED 數(shù)碼管將被測(cè)溫度值顯示，這時(shí)可以調(diào)整報(bào)警上下限，從而測(cè)出被測(cè)的溫度值。按健復(fù)位電路是上電復(fù)位加手動(dòng)復(fù)位，使用比較