【文章內(nèi)容簡介】 基于單片機(jī)的發(fā)展趨勢，本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心制作了一個可調(diào)溫度控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)運(yùn)用 AT89S52 單片機(jī)作為主控芯片，配合 DS18B20 溫度傳感器，顯示電路，輸出控制電路，故障報警電路等組成，設(shè)計(jì)了一種智能溫度控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)完成后，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：通過串口鍵盤隨機(jī)進(jìn)行一個溫度值的設(shè)置，通過溫度傳感器 DS18B20 將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并將其顯示在 LED 上。將測量值與設(shè)定值通過單片機(jī)進(jìn)行比較，若高于所設(shè)定溫度紅色發(fā)光二極管發(fā)光并伴有蜂鳴器的蜂鳴，低于設(shè)定溫度綠色發(fā)光二極管發(fā)光并伴有蜂鳴，并最終調(diào)整溫度以符合溫度設(shè)定值。在設(shè)計(jì)時，按照設(shè)計(jì)的要求，從可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性三個方面進(jìn)行考慮，通過設(shè)計(jì)方案的比較，確定出來一套即經(jīng)濟(jì)又可行的方案。本次設(shè)計(jì)是對所學(xué)知識的綜合運(yùn)用，把理論知識和實(shí)踐相結(jié)合。在本次設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)過程中遇到了許多實(shí)際問題，比如單片機(jī)及其電子元器件的市場選擇，不熟悉 Keil和 Proteus 軟件的使用方法，不熟悉焊接技巧，可能會發(fā)生漏焊、虛焊現(xiàn)象，如何系統(tǒng)的最佳外觀效果等。所有的這些問題，我們都通過查閱資料，咨詢老師一一解決了，為設(shè)計(jì)的成功提供了保障。本文通過方案確認(rèn)，介紹了設(shè)計(jì)中所用到的芯片，以及主控芯片的輔助模塊的講解，通過清晰的程序流程圖，給程序的理解提供了方向。還介紹了程序調(diào)試軟件和硬件調(diào)試軟件，最后對本設(shè)計(jì)的實(shí)物制作做了一個概述。 單片機(jī)可調(diào)溫度控制器的設(shè)計(jì) 4 2 單片機(jī)簡介 單片機(jī)介紹單片機(jī)是指一個集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實(shí)時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機(jī)也被稱為微控制器(Microcontroller)，是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域。 .的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。它是一種在線式實(shí)時控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計(jì)算機(jī)的(比如家用 PC)的主要區(qū)別。 單片機(jī)是靠程序的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。 常用單片機(jī)及兼容機(jī)MCS51 系列單片機(jī)及其兼容機(jī)在國內(nèi)擁有廣泛的用戶，這與 Intel 8 位單片機(jī)是最早引入我國的有關(guān)。MCS51 的硬件結(jié)構(gòu)也決定了其指令系統(tǒng)不會發(fā)生變化，所以設(shè)計(jì)人員可以較容易地對不同公司的單片機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行選型，他們只需將重點(diǎn)放在芯片內(nèi)部資源的比較上。目前，在國內(nèi)市場上，Intel 公司生產(chǎn)的 MCS51 系列單片機(jī)已少見，代之以其他公司生產(chǎn)的 MCS51 系列兼容單片機(jī)。這些公司主要有Phillips、Dallas、SIEMENS、AMD、Atmel、NEC、HARRIS、WinBond、YHUNDAI、ADI 等，其中又以 Philips、Dallas、Atmel、WinBond、YHUNDAI、ADI 等公司占有市場份額最大。以上各公司開發(fā)的 MCS51 系列兼容單片機(jī)各具特色，它們的內(nèi)部資源差異很大，在對原來 MCS51 內(nèi)核的改進(jìn)上也不盡相同，每個公司都在其中加入了本公司的特有技術(shù)。例如擁有很大用戶群的 Atmel 公司生產(chǎn)的 MCS51 系列兼容單片機(jī)——AT89 系列單片機(jī)，就在原有 MCS51 內(nèi)核中加入了該公司的 FLASH 存儲器技術(shù)。經(jīng)過市場的調(diào)查，基于本課題的設(shè)計(jì)要求，考慮其可靠性、經(jīng)濟(jì)性，本設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)可調(diào)溫度控制器的設(shè)計(jì) 5ATMEl 公司的 AT89S52 芯片。 3 系統(tǒng)方案的論證根據(jù)題目要求系統(tǒng)模塊分可以劃分為：溫度測量模塊，顯示電路模塊，報警模塊，控制模塊，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 31 所示。為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了論證。顯示電路測溫部分鍵盤輸入 報 警控 制 部 分AT89S52AT89S52圖 31 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 各模塊電路的方案選擇及論證 控制器模塊根據(jù)題目要求，控制器主要用于對溫度測量信號的接受和處理，控制電熱絲和風(fēng)扇使控制對象滿足設(shè)計(jì)要求，控制顯示電路對溫度值實(shí)時顯示以及控制鍵盤實(shí)現(xiàn)對溫度值的設(shè)定等。對控制器的選擇有以下三種方案：方案一：采用模擬運(yùn)算放大器組成 PID 控制系統(tǒng)。對于水溫控制是足夠的。但要附加顯示、溫度設(shè)定等功能，要附加許多電路，稍顯麻煩。方案二：采用 FPGA 作為系統(tǒng)控制器。FPGA 功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。FPGA 采用并行的 I/O口方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時系統(tǒng)控制核心。由溫度傳感器送來的溫度信號，經(jīng) FPGA 程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理，控制加熱裝置動作。但由于本設(shè)計(jì)對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且其成本偏高，引腳較多，硬件電路布線復(fù)雜。方案三：采用 ATMEL 公司的 AT89S52 作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使得 單片機(jī)可調(diào)溫度控制器的設(shè)計(jì) 6AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 并且其具有體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)可調(diào)溫度控制器的設(shè)計(jì) 7 溫度采集模塊溫度信號為模擬信號，本設(shè)計(jì)要對溫度進(jìn)行控制和顯示，所以要把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。該溫度采集模塊有以下三種方案：方案一：利用熱電阻傳感器作為感溫元件，熱電阻隨溫度變化而變化，用儀表測量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值相應(yīng)的溫度值。最常用的的是鉑電阻傳感器，鉑電阻在氧化介質(zhì)中，甚至在高溫的條件下其物理，化學(xué)性質(zhì)不變。由鉑電阻阻值的變化經(jīng)小信號變送器 XTR101 將鉑電阻隨溫度變化的轉(zhuǎn)換為 4～20mA 線形變化電路，再將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，送到 A/D 轉(zhuǎn)換器 ——換為數(shù)字信號。該方案線性度優(yōu)于 ％。方案二：采用溫度傳感器 AD590。AD590 具有較高精度和重復(fù)性，良好的非線性保證177。 ℃的測量精度。加上軟件非線性補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)高精度測量。AD590 將溫度轉(zhuǎn)化為電流信號，因此要加相應(yīng)的調(diào)理電路，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。送入 8 為A/D 轉(zhuǎn)換器，可以獲得 255 級的精度。 方案三：采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。DS18B20 為數(shù)字式溫度傳感器，無需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量。可直接與單片機(jī)通信，讀取測溫?cái)?shù)據(jù)，電路簡單。如圖 32 所示 。圖 32 DS18B20 測溫電路 鍵盤與顯示模塊對鍵盤和顯示模塊有下面兩種方案： 方案一：采用液晶顯示屏和通用矩陣鍵盤。液晶顯示屏（LCD）具有功耗小、輕薄短小無輻射危險，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但由于只需顯示三位溫度值，信息量比較少，且由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大，控制器資8 單片機(jī)可調(diào)溫度控制器的設(shè)計(jì) 源占用較多，其成本也偏高。方案二：采用三位 LED 七段數(shù)碼管分別顯示溫度的十位、個位和小數(shù)位。按鍵采用單列 3 按鍵進(jìn)行溫度設(shè)定。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、壽命長、耐老化，對外界環(huán)境要求較低。同時數(shù)碼管采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。 系統(tǒng)各模塊的最終方案根據(jù)以上分析，結(jié)合器件和設(shè)備等因素，確定如下方案： 1. 采用 AT89S52 單片機(jī)作為控制器，分別對溫度采集、LED 顯示、溫度設(shè)定等進(jìn)行控制。2. 溫度測量模塊采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。DS18B20 與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 9～12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。并且從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面帶來了令人滿意的效果。3. 顯示用 LED 數(shù)碼管顯示實(shí)時溫度值，用三個單鍵實(shí)現(xiàn)溫度值的設(shè)定。本系統(tǒng)中，采用了數(shù)碼管的動態(tài)顯示，節(jié)省單片機(jī)的內(nèi)部資源。系統(tǒng)的基本框圖如圖 33 所示。CPU（AT89S52）首先寫入命令給 DS18B20，然后 DS18B20 開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后通過 AT89S52 來處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果就顯示到數(shù)碼管上。另外由鍵盤設(shè)定溫度值送到單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)處理發(fā)出溫度控制信息到繼電器。DS18B20 可以被編程，所以箭頭是雙向的。AT89S52AT89S52AT89S52LED 數(shù)碼管DS18B20鍵盤輸入 報警圖 33 系統(tǒng)基本框圖單片機(jī)可調(diào)溫度控制器的設(shè)計(jì) 94 系統(tǒng)的硬件介紹及設(shè)計(jì) AT89S52 芯片概述AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上， Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器，三個 16 位定時器/計(jì)數(shù)器， 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 AT89S52 的引腳及功能AT89S521 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2040 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21T2/T2EX/RSTRXD/TXD/INTO/INT1/T0/T1/WR/RD/XTAL2XTAL1GNDVCCEA/VPPALE/PROGPESN10 單片機(jī)可調(diào)溫度控制器的設(shè)計(jì) 圖 41 AT89S52 引腳(1) 電源及時鐘引腳VCC：電源 GND：地XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端(2) 控制引腳RST：復(fù)位輸入晶振工作時，RST 腳持續(xù) 2 個機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。看門狗計(jì)時完成后。( 地址.8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無效。DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。ALE/PROG：地址鎖存控制信號(ALE)是訪問外部程序存儲器時，的輸出脈沖。在 Flash 編程時，此引腳(PROG)也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時。如果需要，通過將地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位置 “1”，ALE 操作將無效。這一位置“1” ，MOVX 或 MOVC