毕业设计-基于AT89S52单片机的温度控制系统设计.doc

单片机原理与应用课程设计说书 题 目： 基于AT89S52单片机的温度控制系统 系 部： 信息与控制工程学院 专 业： 自动化 班 级： 5班 学生姓名: 学 号: 08032130327 指导教师: 2011年06 月 22日目 录1设计内容与要求12 设计方案23 硬件电路设计33.1 温度显示功能33.2 按键功能43.3 报警功能43.4 温度传感器43.5 放大器43.6 ADC转换器53.7 温度控制53.8 其他可扩展电路64 软件设计64.1主程序流程图74.2 中断服务程序74.3 键盘管理模块94.4 温度检测模块94.5 温度控制模块104.6 显示模块114.7 温度越限报警模块115 软硬件调试135.1 硬件调试135.2 软件调试136 总结147 附录158 参考文献181设计内容与要求用AT89S52单片机制作一个电烤箱,而且要满足以下技术指标:(1)电烤箱由1 kW电炉加热，最高温度为120。 (2)电烤箱温度可设置，电烤过程恒温控制，温度控制误差±2。(3)实时显示温度和设置温度，显示精确到1。(4)温度超出预置温度±5时发超限报警，对升降温过程的线性不做要求。2 设计方案产品的工艺不同，控制温度的精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。就温度控制系统的动态特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温控的线性性能要求较高时，多采用PID算法或达林顿算法来实现温度控制。本系统是一个典型的闭环控制系统。从技术指标可以看出，系统对控制精度的要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，即当电烤箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。 根据系统要求，画出控制电烤箱的框图。如图2-1所示。该系统包括温度测量（温度传感器、放大器、ADC转换器）。温度控制（光电隔离、驱动电路、可控硅电路、电炉）、温度给定（按键）、温度显示和报警等几部分。图2-1 电烤箱总框图AT89S52是ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8k系统可编程Flash存储器，其芯片内部具有时钟振荡器及8个向量中断源，内部程序存储器为8KB，内部数据存储器为256字节。 3 硬件电路设计根据图3-1，可以设计出基于单片机控制电烤箱的硬件电路图，如图2-2所示，AT89S52的晶振频率为6MHz。其他各部分的选择如下所示。图3-1 硬件电路图3.1 温度显示功能温度显示电路，利用单片机串行口外接移位寄存器74LS164，采用3位LED数码显示器，停止加热时显示设定温度，启动加热时显示当前烤箱温度。采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路。3.2 按键功能为使系统简单紧凑，键盘只设置3个功能键，分别是启动、“百位+1”、“十位+1”和“个位+1”键，由P1口P1.0、P1.1、P1.2低3位作为键盘接口。利用+1按键可以分别对预置温度的百位、十位和个位进行加1设置，并在LED上显示当前设置值。连续按动相应位的加1键即可实现0120的温度设置。按键电路如图3-2所示。图3-2 按键电路3.3 报警功能报警功能由蜂鸣器实现。当由于意外因素导致烤箱温度高于设置温度时，P1.3口送出的低电平经反向器驱动蜂鸣器鸣叫报警。3.4 温度传感器采用AD590集成温度传感器，它测量温度的范围为-55+150,有非常好的线性输出特性。其中AD590是美国ANALO G DEV ICES公司的单片集成两端感温电流源，电源电压范围为430 V，可以承受44 V正向电压和20 V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏，输出电阻为710 m，精度高，非线性误差仅为±0.3。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。3.5 放大器放大器采用集成运算放大器µA741，741运算放大器的输出级由NPN晶体管以及两个电阻组成，主要的功能是电压位准移位器，或是Vbe的倍增器。由于基极端的偏压已经固定，因此晶体管集极至射极端的压降恒为一定值。运算放大器的输出级电压摆幅最高约可比正电源低1V，由晶体管的集极-射极饱和电压。虽然741运算放大器的输出阻抗不如理想运算放大器所要求的等于零，不过在连接成负回授组态应用时，其输出阻抗确实非常接近零。：虽然早期741运算放大器在音响设备或是仪器上被广泛使用，但是今日已经有很多性能更好的运算放大器取代了741的功能，例如抗噪声的表现更好。对于741与其他早期的运算放大器而言，它们的共模抑制比逊于现代的运算放大器，在实际应用时容易造成干扰或是噪音。3.6 ADC转换器A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。本系统要求温度控制误差±2，采用8位A/D转换器，其最大量化误差为+-0.2，完全能够满足精度要求。这里我们采用ADC0809作为A/D转换器。电路设计好后，调整变送器的输出，使 0500的温度变化对应于04.9 V的输出，则A/D转换对应的数字量为00HFAH，即0250，则转换结果乘以2正好是温度值。用这种方法一方面可以减少标度转换的工作量，另一方面还可以避免标度转换带来的计算误差。ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。主要特性为8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；具有转换起停控制端；转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）；模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准；工作温度范围为-40+85摄氏度；单个+5V电源供电；低功耗，约15mW。 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图3-2所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。图3-2 ADC0809内部结构图和外部引脚图3.7 温度控制电烤箱控制采用可控硅来实现，双向可控硅和电炉电阻丝串接在交流220 V市电回路中。单片机的P1.4口通过光电隔离器MOC3011和驱动电路送到可控硅的控制端，由P1.4口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。光电隔离器MOC3011对输入、输出电信号起隔离作用，光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。3.8 其他可扩展电路对于要求更高的系统，在现有电路的基础上，还-可以视需要自行扩展以下接口电路：实时时钟电路：连接实时时钟芯片DS12887可以获得长的采样周期，显示年、月、日、时、分、秒，而其片内带有的114 B非易失性RAM，可用来存入需长期保存但有时也需变更的数据。如采样周期、PID控制算法的系数KP、KI、KD等；“看门狗”电路：连接集成监控芯片MAX705可实现对主电源VCC的监控，提高系统的可靠性。4 软件设计单片机资源分配情况。数据存储器的分配与定义见表4.1。表4.1地址功能初始化值40H当前检测温度，高位在前00H41H预置温度OOH42H44HBCD码显示缓冲区百位、十位、个位OOH45H二进制显示缓冲区，高位在前00H50H以后堆栈PSW.5报警允许标志F0=0时禁止0程序存储器：EPROM2764的地址范围为0000H1FFFHI/O口：P1.0P1.2键盘输入；P1.3、P1.4报警控制和电炉控制。A/D转换器0809：通道0通道7的地址为7FF8H7FFFH，使用通道0。4.1主程序流程图主程序采用中断嵌套方式设计，各功能模块可直接调用。主程序完成系统的初始化，温度预置及其合法性检测，预置温度的显示及定时器0设置,流程图如图4-1所示。程序为程序一。开始定时器0初始化设置堆栈置5s循环次数数据存储器RAM初始化定时器0中断调用按键子程序图 4-1 主程序流程图4.2 中断服务程序中断由T0产生，每隔5秒中断一次。功能：温度检测；A/D转换；读入采样数据；数字滤波；朝鲜温度报警；温度控制；显示。流程图如图4-2所示。程序为程序二。保护现场调用温度控制子程序置5s循环次数R5-1 R5调用显示子程序ADC转换后的温度值送显示缓冲区调用温度监测子程序5s到了吗？NY重设T0值调用报警子程序恢复现场中断返回图4-2 中断程序流程图4.3 键盘管理模块上电或复位后系统处于键盘管理状态，其功能是监测键盘输入，接收温度预置和启动键。程序设有预置温度合法检测报警，当预置温度超过500时会报警并将温度设定在500。键盘管理子程序流程如如图4-3所示，程序为程序三。图4-3 按键管理子程序流程图4.4 温度检测模块A/D转换采用查询方式。为提高数据采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波。数字滤波的算法很多，这里采用4次采样取平均值的方法。如前所述，本系统A/D转换结果乘2正好是温度值，因此，4次采样的数字量之和除以2就是检测的当前温度。检测结果存入40H。温度检测子程序流程图如图4-4所示。程序为程序四。 图4-4 温度检测子程序流程图4.5 温度控制模块将当前温度与预置温度比较，当前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通电阻丝加热；当前温度大于预置温度时，继电器断开，停止加热；当二者相等时电炉保持原来状态；当前温度降低到比预置温度低2时，再重新启动加热；当前温度超出报警上下限时将启动报警，并停止加热。由于电炉开始加热时，当前温度可能低于报警下限，为了防止误报，在未达到预置温度时，不允许报警，为此设置了报警允许标志F0。模块流程见图4-5。程序见程序五。图4-5 温度控制子程序流程图4.6 显示模块显示子程序的功能是将显示缓冲区45H的二进制数据先转换成三个BCD码，分别存入百位、十位和个位显示缓冲区（42H、43H和44H单元），然后通过串口送出显示。程序见程序六。4.7 温度超限报警模块报警上限温度值为预置温度+5，即当前温度上升到高于预置温度+5时报警，并停止加热；报警下限温度值为预置温度-5，即在当前温度下降到低于预置温度-5，且报警允许时报警，这是为了防止开始从较低温度加温时误报警。报警的同时也关闭电炉。图4-6为报警子程序流程图。程序见程序七。图4-6图4-5 报警子程序流程图5 软硬件调试 5.1 硬件调试硬件的调试主要是把电路各种参数调整到符合设计要求。具体步骤如下：（1）先排除硬件电路故障，包括设计型错误和工艺性故障。一般原则实现静态后动态。利用万用表或逻辑测试仪器，检查电路中的各器件以及引脚连接是否正确，是否有短路故障。首先将单片机AT89S52芯片取下，对电路板进行通电检查，通过观察看是否有异常，然后用万用表测试各电源电压，若这些都没有问题，则接上仿真机进行联机调试观察个接口线路是否正常。（2）各模块电路的调试。温度测量模块电路：放大器先调零（调整电阻22千欧姆），然后调整放大器的输出，是060的温度变化对应于放大器的输出04.9，可利用冰箱进行调试。控制模块电路：人为地将P1.4端接地（低电平），观察掉烤箱是否通电。5.2 软件调试软件调试是利用仿真工具进行在线仿真调试，除发现和解决程序错误外，也可以发现硬件故障。程序调试一般是一个模块一个模块的进行，一个子程序一个子程序的调试，最后连起来统调。在单片机上把个模块分别进行调试使其正确无误，可以用系统编程器将系统固化到AT89S52的FLASH ROM忠，接上电源脱机运行。为了保证软件运行的稳定可靠，在软件中可以采用加软件陷阱和看门狗的方法，避免程序跑飞。6 总结 本设计使用AT89S52作为主控芯片进行控制，AT89S52芯片具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰性强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。本系统是一个典型的闭环控制系统，采用最简单的通断控制方式，即当电烤箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。通过我们两个星期的坚持不懈的努力和老师的谆谆教导，我们终于完成了这个设计。进过反复的调试，我们基本上完成了本设计所要求的目标。这次设计激起了我们对这门课程浓厚的兴趣，立志发奋学好单片机。同时，让我们也感到了平时所学知识的不足，在做设计的时候运用知识不够灵活。最后，我要感谢同学们给我的各个方面的帮助和老师给我循序渐进的引导。我将记住你们的帮助，学好单片机这门课程。7 附录程序一：ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP TT0ORG 0100HMAIN: MOV SP, #50H MOV 40H, #00H MOV 41H, #00H MOV 42H, #00H MOV 43H, #00H MOV 44H, #00H MOV 45H, #00H MOV TMOD, #01H MOV TL0, #B0H MOV TH0, #3CH SETB TR0 MOV IE, #82H MOV R5, #100LOOP: ACALL KIN SJMP LOOP 程序二： ；中断服务子程序TT0TT0: PUSH PSW PUSH ACC PUSH R5 MOV TL0, #0BH MOV TH0, #3CH DJNZ R5, LPP MOV R5, #100 ACALL TADC ；调用温度检测子程序 MOV 45H, 40H ；ADC转化后的温度值送显示缓冲区 ACALL DISP ；调用显示当前温度 ACALL CONT ；温度控制 ACALL ALARM ；温度超限报警 POP R5 POP ACC POP PSW ；恢复现场LPP: RETI程序三： ；按键管理子程序KEY: MOV 45H, 41H LCALL DISPKEY0: ACALL KEY1 JZ KEY0 LCALL DISP LCALL DISP LCALL KEY1 JZ KEY0 JB ACC.0, K10 MOV A, #100 LJMP KEY3K10: JB ACC.1, K1 MOV A, #10 LJMP KEY2K1: JB ACC., K0 MOV A, #01 LJMP KEY3KEY2: ADD A, 41H MOV 41H, AKEY3: LCALL KEY1 JNZ KEY3 LJMP KEY RETKEY1; MOV A,P1 CPL A ANL A, #0FH RET程序四： ；温度检测子程序TADC: MOV 40H, #00H MOV R2, #04H MOV DPTR,#FEF0HTADC0: MOV DPTR , ATADC1: JNB IE1,TADC1 MOVX A, DPTR ADD A, 40H MOV 40H, A DJNZ R2,TADC0 CLR C MOV A, 40H RRC A MOV 40H, A RET程序五： ；温度控制子程序TCONT: MOV A, 40H CLR C SUBB A, 41H JNC TCONT1 JNB F0,TCONT0 CLR C SUBB A, #02H JNC ACC.7, TCONT1TCONT0: CLR P1.4 SJMP TCONT2TCONT1: SETB F0 SETB P1.4TCONT2: RET程序六： ；显示子程序DISP: LCALL BINBCD MOV SCON,#00H MOV R2, #3H MOV R0, 42HDISP0: MOV DPTR, #TAB MOV A, R0H MOVC A, A+DPTR MOV SUFF, ADISP1: JBC TI, DISP2 SJMP DISP1DISP2: INC R0 DJNZ R2, DISP0 RETTAB: DB 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 ；字码型表BINBCD: MOV A, 45H ；二进制转化成3个BCD码的转化子程序BINBCD MOV B, #100 DIV AB MOV 42H, A MOV A, #10 XCH A,B DIV A,B MOV 43H, A MOV 44H, B RET程序七： ；温度超限报警子程序ALARM: MOV A, 40H CLR C SUBB A, 41H JC ALARM0 SETB F0 AJMP ALARM1ALARM: MOV A, 41H CLR C SUBB A,40HALARM1: CLR C SUBB A,#05H JC ALARM2 JNB F0, ALARM2 CLR P1.3 SETB P1.4 LCALL DELAY SETB P1.3ALARM2: RETDELAY: MOV R5, #100 DEL1: MOV R6,#10DEL2: MOV R7,#70HDEL3: NOP NOP DJNZ R7, DEL3 DJNZ R6, DEL2 DJNZ R5, DEL1 RET8 参考文献1 何希才.集成电路及其应用实例M.科学出版社,1998.22 朱定华.单片机原理及接口技术实验M.北京:北方交通大学出版社,20033 陈国平.MCS-51系列单片机系统原理与设计电子技术应用M.冶金工业出版社，2003.64 张鑫,华臻,陈书谦.单片机原理及应用M.电子工业出版社,2005.8第1次印刷5 夏路易,石宗义.电路原理图与电路板设计教程M.北京希望电子工业出版社,20026 李光才,楼然笛.单片机课程设计 实例指导M.北京:北京航空航天大学出版社,20047 马忠梅,张凯.单片机的C语言应用程序设计M.北京:航空航天大学出版社,2007.18 付家才.单片机控制工程实践技术M.北京:化学工业出版社,2004.3指导教师评语：成绩： 指导教师签字： 年 月 日