單片機溫控系統(tǒng)設計論文

1、單片機溫控系統(tǒng)設計論文溫度控制無論是在工業(yè)生產，還是在日常生活中都起到非常重要 的作用。尤其在當今大力發(fā)展工業(yè)的現在，溫度的測量及控制對 保證產品質量、提高生產效率、節(jié)約能源、生產安全、促進國民 經濟的發(fā)展起到非常重要的作用。隨著社會經濟的高速發(fā)展，越 來越多的生產部門和生產環(huán)節(jié)對溫度和濕度控制精確度的可靠 性和穩(wěn)定性有了更髙的要求。傳統(tǒng)的溫度控制器的控制精度普遍 不高，不能滿足工藝生產過程中對溫度的苛刻要求。在溫度控制中，由于受到溫度被控對象的影響，使得控制性 能難以提高，有些工藝過程其溫度控制的好壞直接影響到產品的 質量，因而設計一款溫度自動條件系統(tǒng)設計非常有實用價值。此次溫度自動條件系統(tǒng)

2、設計基于此而設計，針對生產車間中 對溫度的良好控制，從實用的角度用at89c51為核心設計一款車 間溫度自動條件系統(tǒng)設計。其控制溫度不是一個點，而是一個范 圍，系統(tǒng)以at89c51為核心，組成一個集溫度和濕度的采集、處 理、顯示、自動控制為一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用單片機對周圍 環(huán)境溫度濕度進行采集，以數字量的形式存儲和顯示，可以獨立 的作為一種設備對車間溫度的控制，經過精確的計算發(fā)出控制指 令，并對車間溫度進行調節(jié)，顯示當前溫度該車間溫度自動條件 系統(tǒng)功耗低，系統(tǒng)運行良好且經濟可靠。利用很少的資源來對車 間溫度進行自動調節(jié)，信息性能可靠，操作便利，提高產品質量， 在實際的生產應用中有良好的效果

3、。(2) 在國內外的研究現狀和發(fā)展趨勢：從工業(yè)溫度控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術大致可分 為以下幾種：定制開關控制法，所謂定值開關控溫法，就是通過硬件電 路或軟件計算判別當前溫度值與設定目標溫度值之間的關系，進 而對系統(tǒng)加熱源(或冷卻裝置)進行通斷控制。若當前溫度值比 設定溫度值髙，則關斷加熱器，或者開動制冷裝置；若當前溫度 值比設定溫度值低，則開啟加熱器并同時關斷制冷器。pid 線性溫度控制法，1922年美國的minorsky在對船舶自動導航的 研究中，提出了基于輸出反饋的比例積分微分(pid , proportional integral differential)控制器的設計方法，標

4、 志了 pid控制的誕生。隨后，pid控制器就以其結構簡單、對模 型誤差具有魯棒性以及易于操作等特點，在大多數控制過程中能 夠獲得滿意的控制性能，到了 20世紀40年代就已在過程控制中 得到了廣泛的應用。智能溫度控制法，智能控制就是應用人工 智能的理論與技術和運籌學的優(yōu)化方法，并將其同控制理論方法 與技術相結將智能控制與p1d控制相結合，實現溫度的智能控制。 智能控溫法采用神經元網絡和模糊數學為理論基礎，并適當加以 專家系統(tǒng)來實現智能化。目前，在國內溫度自自動控制方面的研究已實現在一定的范 圍內對各種環(huán)境因子的綜合控制。1996年，江蘇理工大學成功 研制一套溫室環(huán)境控制設備，通過溫室內部的溫度

5、、濕度、光照 及c02的濃度的監(jiān)控，在150n?的溫室內對溫度、濕度、光照及 co?的濃度的監(jiān)控。當前，國外對溫度自動控制系統(tǒng)的軟硬件的控制主要有三種 方式。第一種是直接用單片機及一些外圍芯片是作為數據采集和 控制功能，不用上拉pc機做數據處理。這種控制類型一般以單 片機為核心，包括輸入模塊、控制模塊、輸出模塊等。硬件電路 由溫度傳感器及模擬信號處電路，a/d轉換器、單片機、d/a轉 換器、led顯示器及微打印機、簡易硬盤、指示報警裝置等組成， 為一個最簡單的單片機應用系統(tǒng)，實現基本的輸入輸出和簡單的 控制功能。軟件設計一般釆用中斷定時釆集環(huán)境因子參數，然后 經過相關的裝換得到環(huán)境因子的參數化

6、值，再經過一定的控制算 法與設定的值進行比較從而對外設計進行控制，一般采用的控制 算法是數字pid控制算方，這種算法經過改進可以實現較為穩(wěn)定 和精確的控制。這種系統(tǒng)成本低，又有一定的控制精度，能較好的滿足一般 的農業(yè)用戶的需求。但由于控制系統(tǒng)的核心單片機的數據處理能 力及存儲器容量的限制，控制精度有限。對環(huán)境因子要求較高的 不能很好地滿足需求，另外，如果沒有微打印機就無法查閱歷史 溫度值，因為單片機數據存儲器數據斷電即逝。英國的hamid等將pid控制器應用到冰箱的溫度控制中，通 過使用matlab/simulink軟件仿真和誤差分析圖的方式與傳統(tǒng) 的on-off控制做了細致的比較。結果表明，

7、pid控制無論是在 精度和控制性能方面都優(yōu)于on-off控制。日本 komatsu electronics 公司的 kazuhiro mimura 對基于 pjld控制與現代控制理論相結合的離子化熱水器溫度控制開展了 研究，結果證明這樣的溫度控制方法能夠使用比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)更 少的溫度傳感器，進而降低成本，提高了公司效益。(3) 尚待研究的問題在車間的生產過程中產品上附帶的雜質粉塵等一些外界的東 西對溫度采集的影響，以及產品的不同生產環(huán)節(jié)中溫度要求的不 同，對溫控系統(tǒng)的精確度的要求。31緒論1.1課題設計背景和目的在現代化的工業(yè)生產中電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和 開關量都是常用的主要被控

8、參數。溫度作為一個基本物理量，它 是一個與人們的生活環(huán)境、生產活動密切相關的重要物理量。在 現代化的工業(yè)生產過程中溫度作為-種常用的主要被控參數，在 很多生產過程中我們需要對溫度參數進行檢測。例如：在冶金工 業(yè)、化工生產、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加丁等諸 多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐 中的溫度進行檢測。采用單片機來對溫度進行控制，不僅具有控 制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控 溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量和數量。因此 單片機對溫度的控制問題是-個工業(yè)生產中經常會遇到的問題1o本次設計采用mcs-54系列單片機與各種外圍電

9、路構成單片機 溫度自動檢測和控制系統(tǒng)，實現對溫度的實時檢測和控制。通過 本次設計掌握溫度檢測控制系統(tǒng)的硬件設計方法和軟件編寫方 法。熟悉protel軟件的使用方法。通過課題的研究進步鞏固所 學的知識，同時學習課程以外的相關知識，培養(yǎng)綜合應用知識的 能力。鍛煉動手能力與實際工作能力，將所學的理論與實踐結合 起來。1.2國內外研究狀況和發(fā)展趨勢隨著國內外工業(yè)的口益發(fā)展，溫度檢測技術也有了不斷的進步。 溫度測量系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是傳感器，它將溫度信 號轉換為電信號。另一部分是電子裝置，它主要完成對信號的接 收、處理、對測點進行控制、溫度顯示等功能。對應于不同的溫 度段及測量精度要求，測溫裝

10、置也不盡相同，從傳感器方面看, 己出現有各種金屬材料、非金屬材料、半導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。對于測點較多，并具有報警、巡測、控制 等多功能測溫裝置，一般采用單片機電路。目前的溫度檢測技術 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 (3)熱阻效應(4)利熱輻射原理。傳統(tǒng)的溫度傳感器(如，熱電偶、鉗電阻、雙金屬開關等)雖然有著 各自不可替代的優(yōu)點，但由于自身因自熱效應影響了測量精度，從 而制約了它們在微型化高端電子產品中的應用。與之相比較，半 導體溫度傳感器具有靈敏度高、體積小、功耗低、時間常數小

11、、 自熱溫升小、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點,無論是電壓、電流還是 頻率輸出，在相當大的溫度范圍內(-55-150 °c)都與溫度成線 性關系，適合在集成電路系統(tǒng)中應用。目前，半導體溫度|<< « < 1 2 3456789 10 >»»|傳感器工作的溫度范圍還限于-50 150 °co未來主要的研究方向將是如何擴大它的溫度適用范圍, 以及智能化、網絡化等方面2。近年來，在溫度檢測技術領域中，多種新的檢測原理與技術的開 發(fā)應用己取得了具有實用性的重大進展。新一代溫度檢測元件正 在不斷出現和完善化，主要包括以下幾種。(1)晶體管

12、溫度檢測 元件(2)集成電路溫度檢測元件(3)核磁共振溫度檢測器(4)熱噪聲 溫度檢測器(5)石英晶體溫度檢測器(6)光纖溫度檢測器(7)激光溫 度檢測器。目前國內外的溫度控制方式越來越趨向于智能化，溫度測量首先 是由溫度傳感器來實現的。測溫儀器由溫度傳感器和信號處理兩 部分組成。溫度測量的過程就是通過溫度傳感器將被測對象的溫 度值轉換成電的或其它形式的信號，傳遞給信號處理電路進行信 號處理轉換成溫度值顯示出來。溫度傳感器隨著溫度變化而引起 變化的物理參數有：膨脹、電阻、電容、熱電動勢，磁性能、頻率、 光學特性及熱噪聲等等。隨著生產的發(fā)展,新型溫度傳感器還會 不斷出現，目前，國內外通用的溫度傳

13、感器及測溫儀大致有以下幾 種：熱膨脹式溫度計、電阻溫度計、熱電偶、輻射式測溫儀表、 石英溫度傳感器測溫儀3。1.3溫度檢測的主要方法溫度的測量方法多采用集成的半導體模擬溫度傳感器，傳感器輸 出的電壓或電流與溫度在定范圍呈線性關系。通過放大，采樣 得到被測量。另一種溫度測量方法是使用熱電偶，其測量精度較 高，但測試過程復雜，測量時間長，而且采用電橋測量的系統(tǒng)抗 干擾能力較差，誤差較大。隨著集成電路技術的迅速發(fā)展，新型 的數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。數字溫度傳感器也越來越的到廣泛的應用4 o溫度檢測的方法根據敏感元件和被測介質接觸與否，可以分為接 觸

14、式與非接觸式兩大類。接觸式檢測的方法主要包括基于物體受 熱體積膨脹性質的膨脹式溫度檢測儀表；基于熱電效應的熱電偶 溫度檢測儀表。非接觸式檢測方法是利用物體的熱輻射特性與溫 度之間的對應關系，對物體的溫度進行檢測，主要有亮度法、全 輻射法和比色法等。接觸式測溫是使測溫敏感元件與被測介質接 觸，當被測介質與感溫元件達到熱平衡時，感溫元件與被測介質 的溫度相等。這類傳感器結構簡單、性能可靠、精度高、穩(wěn)定性 好、價格低、應用十分廣泛，因此，本方案采用接觸式測溫法, 選用相關類型的傳感器。由單片機組成的溫度測控系統(tǒng)，通過在單片機外部添加各種接口 電路，可構成單片機最小系統(tǒng)，用以實現對溫度控制對象的溫度

15、的顯示和控制。同時也能根據實際情況實現多路巡回檢測、數據 處理、報警及記錄,對各個參數以一定的周期進行檢查和測量，檢 測的結果經計算機處理后再進行顯示、打印和報警，以提醒操作 人員注意或直接用于生產控制5。1.4課題設計的主要內容本溫度控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它用溫度傳感器將檢 測到的溫度信號經放大，a/d轉換后送入單片機中進行數據處 理并顯示當前溫度值，用當前溫度值與設定溫度值進行比較6。 根據比較的結果得到控制信號用以控制繼電器的通斷，實現對加 熱器的控制。通過這種控制方式實現對保溫箱的溫度控制。本課 題設計的內容主要包括硬件設計和軟件設計兩部分。系統(tǒng)功能由 硬件和軟件兩大部分協(xié)調

16、完成，硬件部分主要完成主機電路、數 據采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行等電路的設計。軟件程序編寫主要用來實現對溫度的檢測、標度轉換、led顯示、繼電 器控制等數據處理功能。2系統(tǒng)總體方案設計本次設計采用mcs-51單片機作為控制芯片，采用半導體集成溫 度傳感器ad590采集溫度信號。通過溫度傳感器將采集的溫度 信號轉換成與之相對應的電信號，經過放大處理送入a/d轉換器 進行a/d轉換,將模擬信號轉換成數字信號送入到控制芯片進行 數據處理。通|vv «< 1 234 56 78 9 10 >»»|過在芯片夕卜 圍添加顯示、控制等外圍電路來實現對保溫箱溫度

17、的實時檢測和 控制功能。本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調完成，硬件部分主要完成 傳感器信號的采集處理，信息的顯示等;軟件主要完成對采集的溫 度信號進行處理及顯示控制等功能。系統(tǒng)結構框圖如圖2.1所示:單片機最小系統(tǒng)控制交流 電源保溫箱ad5901 +1調理電路1 11 1 »1 1a/d111 1繼電器直流電源f單片機f 設定§:不圖2.1系統(tǒng)結構框圖2.1系統(tǒng)硬件設計方案 單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計就是為本單片機溫控系統(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備, 如鍵盤、顯示器、打印機、a/d轉換器、設計合適的接口電路等。 系統(tǒng)設計應本著以下原則：

18、(1) 盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規(guī)用法。本設計采用 了典型的顯示電路、a/d轉化電路，為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊 化打下良好的基礎。(2) 硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。軟件能實現的功能 盡可能由軟件實現，以簡化硬件結構。由軟件實現的硬件功能, 一般響應時間比硬件實現長，且占用cpu時間。由于本設計的 響應時間要求不高，所以有一些功能可以用軟件編程實現，如鍵 盤的去抖動問題。(3) 系統(tǒng)中的相關器件要盡可能做到性能匹配。系統(tǒng)中所有芯片 都應盡可能選擇低功耗產品。本系統(tǒng)的硬件電路主要包括模擬部分和數字部分，從功能模塊上 來分有主機電路、數據采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路。 系

19、統(tǒng)硬件包括：溫度傳感器、信號調理電路、a/d轉換器件、mcs-51單片機、鍵盤輸入、led溫度顯示器、溫度控制電路。2.1.1芯片選擇單片機就是在一塊硅片上集成了微處理器、存儲器和各種輸入輸 出接口電路的微型計算機，簡稱單片機。單片機以其較高的性能 價格比受到了人們的重視和關注。它的優(yōu)點就是體積小、重量輕、 抗干擾能力強、對環(huán)境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性 好、開發(fā)較為容易。單片機根據其基本操作處理的位數可分為4、8、16、32位單片機，應用最為廣泛的是八位單片機。根據本次 設計的實際情況和要求，在本次設計中采用at89c51作為系統(tǒng) 的控制芯片。at89c51是一種低功耗、高性能cm

20、os 8位微控 制器，具有4k的系統(tǒng)可編程flash存儲器。使用atm el公司高 密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80c51產晶指令和引腳 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。2.1.2溫度檢測本課題設計的溫度控制范圍為25-80攝氏度，溫度傳感器采用采 用ad590半導體集成溫度傳感器oa/d590具有較高的精度和重 復性，不需輔助電源，線性好，使用方便，便于微機系統(tǒng)測控。 被測溫度信號為一路由ad590測得的代表溫度的電壓信號，經 溫度調理電路放大后使其在0-5v范圍內，使其適合于a/d轉換 器的輸入電壓范圍。2.1.3 a/d轉換電路a/d轉換電路

21、的種類很多，例如，計數比較型、逐次逼近型、雙 積分型等等。選擇a/d轉換器件主要從轉換速度、精度和價格上 考慮。逐次逼近型a/d轉換器，在精度、速度和價格上都比較適 中，是最常用的a/d轉換器。雙積分a/d轉換器，具有精度高、 抗干擾性好、價格低廉等優(yōu)點，但轉換速度慢。近年來在微機應 用領域中也得到了廣泛的應用。本次設計采用八路模擬輸入通道 的逐次逼近型的八位a/d轉換器adc0809o采用adc0809作 為與單片機的接口電路，它的結構比較簡單，轉換速度較高。采 用adc0809作為a/d轉換器具有與單片機連接簡單的優(yōu)點，它 是八位的轉換器可以與八位的單片機直接連接，這樣就簡化了系 統(tǒng)的連接

22、電路也有利于系統(tǒng)軟件的編寫。2.1.4鍵盤輸入鍵盤可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤，鍵盤上閉合鍵的識別由 專用的硬件譯碼器實現，并產生鍵編號和鍵值的稱為編碼式鍵盤;靠軟件識別的為非編碼式鍵盤。在單片機組成的測控系統(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 的連接方式采用獨立連接式，這種連接方式能夠簡化程序的|<< «< 1 2 34 56 789 10 >»»| 編寫。2.1.5 led 顯示 在單片機應用系統(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(lcd)。采用led作為系統(tǒng)的數據顯示器具有價格低

23、、性能穩(wěn)定和響應速度快等特點。led顯示方 式有靜態(tài)顯示、動態(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，驅動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，同時主 程序不需要掃描顯示器，使它有更多的時間處理其他事情。這種 顯示方法用于顯示位數少、顯示亮度大的地方能夠達到很好的顯 示效果。2.1.6控制電路控制電路作為單片機系統(tǒng)的后向通道，他是將單片機處理后的數 字控制信號用輸出口輸出，并將該數字信號用于對控制對象的控 制。由于單片機的輸出信號電平很低，無法直接驅動外圍設備進 行工作，

24、因此在單片機的后向通道中需要外圍設備的驅動、信號 電平的轉換以及隔離放大等技術。本次設計采用繼電器作為控制 電路的主要器件，通過繼電器可以實現直流信號控制交流負載的 功能，從而實現單片機系統(tǒng)的控制功能。2.2系統(tǒng)軟件設計方案系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化設計，采用模塊化設計可以簡化系統(tǒng) 軟件的編寫，使軟件編寫思路更加簡單明了。系統(tǒng)軟件主要由三 大模塊組成：主程序模塊、功能實現模塊和運算控制模塊。主程 序模塊用于實現各個子程序間的跳轉。功能實現模塊主要由a/d 轉換子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序、繼電器控制程序等 部分組成。運算控制模塊涉及標度轉換子程序等。3系統(tǒng)硬件設計3.1中央處理器mcs-5

25、1系列單片機是8位增強型，其主要的技術特征是為單片 機配置了完善的外部并行總線和具有多級識別功能的串行通訊接口 (uart),規(guī)范了功能單元的sfr控制模式及適應控制器 特點的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)。屬于這類單片機的芯片有許多 種，如8051 > 803仁80c51等等。由于單片機具有較高的性能 比，國內mcs-51系列單片機應用最廣，易于開發(fā)、使用靈活、 而且體積小、易于開發(fā)、抗干擾能力強，可以工作于各種惡劣的 條件下，工作穩(wěn)定等特點。本設計本著實用性和適用性的要求, 選擇at89c51單片機作為中央處理器。3.1.1 at89c51 簡介at89c51是-種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除

26、只讀存儲器的具 有低電壓，高性能cmos的8位微處理器，俗稱單片機。該器 件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準 的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu 和閃爍存儲器組合在單個芯片中,atmel的at89c51是一種高 效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉 的方案。如圖3.1為at89c51的內部結構框圖。外部中斷0內 flashi cpu ltr計紋 輸入l 內 ram2hdhi屮 i審行端口 i wtr6 p0p2p1p3 txd rxd圖3.1at89c51的內部結構框圖at89c51單片機與mcs-51系列單片機兼容,at8

27、9c51內部有4k字節(jié)可編程閃爍存儲器,128*8位內部ram,兩個16位定時 器/計數器,5個中斷源，32可編程i/o線及串行通道。閃爍存儲 器是一種可編程又可擦除只讀存儲器（eeprom）,給用戶設計 單片機系統(tǒng)和單片機系統(tǒng)帶來很大的方便，深受廣大用戶的歡迎。 at89c51有片內振蕩器和時鐘電路，具有低功耗的閑置和掉電 模式，在空閑方式下，cpu停止工作，但允許內部ram、定時器 /計數器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。在掉電方式下，能保存 ram的內容，但振蕩器停止工作，并禁止所有其他部件工作。 還具有三級程序存儲器鎖定，全靜態(tài)工作頻率0hz-24h乙數據 保留時間可長達10年。3.1.2

28、管腳說明如圖3.2為at89c51引腳圖，各引腳功能說明如下7: vcc:電源 gnd:地 p0 口： p0 口是一個8位漏極開路的雙向i/o 口。作為輸出口， 每位能驅動8個ttl邏輯電平。對p0端口寫“1”時，引腳用作 高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時，p0 口也被作為 低8位地址/數據復用。在這種模式|<< «< 1 23456789 10 >» »|下，p0具有內部上拉電阻。在flash編程時，p0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。圖3.2at89c51引腳圖 p1 口： p1

29、 口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向i/o 口， p1輸岀緩沖器能驅動4個ttl邏輯電平。對p1端口寫7”時, 內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入 使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流(iil)o此外，p1.0和p1.2分別作定時器/計數器2的外部計數 輸入(p1.0/t2)和時器/計數器2的觸發(fā)輸入(p1.1/t2ex) p2 口： p2 口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向i/o 口， p2輸出緩沖器能驅動4個ttl邏輯電平。對p2端口寫“t時, 內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入 使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸

30、出電流(hl)o在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數據存 儲器(例如執(zhí)行movxdptr)時，p2 口送出高八位地址。 在這種應用中，p2 口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用8位 地址（如movxri）訪問外部數據存儲器時，p2 口輸出p2 鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，p2 口也接收高8位地址 字節(jié)和一些控制信號。 p3 口： p3 口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向i/o 口， 對p3端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為 輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻 的原因，將輸出電流（iil）o p3 口亦作為at89c51特殊功能（第 二功

31、能）使用，如表3-1所示。表3-1 at89c51引腳號第二功能p3.0rxd （串行輸入）p3.1txd （串行輸出）p3.2into （外部中斷0）p3.3into （外部中斷0）p3.4to （定時器0外部輸入）p3.5t1 （定時器4外部輸入）p3.6wr （外部數據存儲器寫選通）p3.7rd （外部數據存儲器讀選通）rst:復位輸入，晶振工作時，rst腳持續(xù)2個機器周期高電平 將使單片機復位?？撮T狗計時完成后，rst腳輸出96個晶振周 期的高電平。特殊寄存器auxr（地址8eh）上的disrto位可以 使此功能無效。disrto默認狀態(tài)下，復位高電平有效。 ale/prog：地址鎖存

32、控制信號（ale）是訪問外部程序存儲 器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。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，特別強調，在每次訪問外部數據存儲器時，ale脈沖 將會跳過。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”,ale僅在執(zhí)行movx或movc 指令時有效。否則，ale將被微弱拉高。這個ale使能標志位（地址為8eh的sfr的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí) 行模式下無效。 psen:外部程序存儲器選通信號（psen）是外部程序存

33、儲器 選通信號。當at89c51從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時， psen在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數據存儲器時, psen將不被激活。 ea/vpp:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000h到 ffffh的外部程序存儲器讀取指令，ea必須接gnd。為了執(zhí) 行內部程序指令，ea應該接vcc。在flash編程期間，ea也接 收12伏vpp電壓。 xtal1:振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 xtal2:振蕩器反相放大器的輸出端。3.1.3特殊功能存儲器在單片機內高128b ram中，由有21個特殊功能寄存器（afr）, 它們離散的分布在80h-ffh的ram空間中，

34、訪問特殊功能寄 存器只允許使用直接尋址方式。表3-2為at89c51單片機特殊 功能寄存器及其相應地址7。表3-2專用寄存器名稱，功能及對應的ram地址 名稱簡單描述地址acc累加器（專門用于存儲算術和邏輯運算的結果）oeohbb寄存器（專門用于乘/除法運算）ofohpsw程序狀態(tài)寄存器odohsp推棧指針寄存器81hdptr16位數據指針寄存器。cpu訪問外部ram時地址指針，由兩 個8位寄存器dph （83h）、dpl （82h）組成且可單獨訪問。p0端口 0狀態(tài)寄存器（初始值為offh）80hp1端口 1狀態(tài)寄存器（初始值為offh）90hp2端口 2狀態(tài)寄存器（初始值為offh）oao

35、hp3端口 3狀態(tài)寄存器（初始值為offh）obohip中斷優(yōu)先級控制寄存器0b8hie中斷允許控制寄存器0a8htmod定時器/計數器方式控制寄存器89htcon定時器/計數器控制寄存器88hth0定時器/計數器0高字節(jié)8chtl0定時器/計數器0低字節(jié)8ahth1定時器/計數器1高字節(jié)8dhtli定時器/計數器0低字節(jié)8bhscon串行控制寄存器98hsbuf串行數據緩沖器99hpcon電源控制寄存器87h3.1.4芯片擦除整個eprom陣列電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ale管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦除操作中，代碼 陣列全被寫“t且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，

36、該操作 必須被執(zhí)行。此外，at89c51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻 率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模 式下，cpu停止工作。但ram,定時器，計數器，串口和中斷 系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存ram的內容并且凍結振蕩 器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。3.1.5復位電路的設計復位使單片機處于起始狀態(tài)，并從該起始狀態(tài)開始運行。at89c51的rst引腳為復位端，該引腳連續(xù)保持2個機器周期（24個時鐘振動周期）以上高電平，則可使單片機復位。內部 復位電路在每一個機器周期的s5p2期間采樣斯密特觸發(fā)器的 輸出端，該觸發(fā)器可抑制rst引腳的噪聲干擾，并在復位

37、期間 不產生ale信號，內部ram處于不斷電狀態(tài)。其中的數據信息 不會丟失，也即復位后，只影響sfr中的內容，內部ram中 的數據不受影響。外部復位有上電復位和按鍵電平復位。由于單 片機運行過程中，其本身的干擾或外界干擾會導致出錯，此時我 們可按復位鍵重新開始運行。為了便于本設計運行調試，復位電 路采用按鍵復位方式。按鍵復位電路如圖3.3所示8。c3pi72k圖3.3復位電路3.1.6時鐘電路設計時鐘電路是單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。mcs-51 單片機允許的時鐘頻率是因型號而異的，其典型值為12mh乙at89c51內部有一個反相振蕩放大器，xtal1和xtal2分別是該反向振蕩放

38、大器的輸入端和輸出端。該反向放大器可配置為 片內振蕩器，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。本設計采用的晶振 頻率為12mh乙 其時鐘電路如圖3.4所示。51系列單片機還可 使用外部時鐘。在使用外部時鐘時，外部時鐘必須從xtal1輸 入，而xtal2懸空。圖3.4時鐘電路3.2溫度傳感器ad590溫度傳感器的應用范圍很廣，它不僅用于日常生活中，而且也大 量應用于自動化和過程檢測控制系統(tǒng)。溫度傳感器的種類很多, 根據現場使用條件，選擇恰當的傳感器類型才能保證測量的準確 可靠，并冃同時達到增加使用壽命和降低成本的目的。ad590 溫度傳感器不但實現了溫度轉化為線性電量測量，而且精度高、 互換性好。ad59

39、0測量熱力學溫度、攝氏溫度、兩點溫度差、 多點最低溫度、多點平均溫度的具體電路，廣泛應用于不同的溫 度控制場合。由于ad590精度高、價格低、不需輔助電源、線 性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補償。本設計釆用ad590作 為溫度傳感器，它只需要一個電源即可實現溫度到電流的線性變 換，然后再終端使用一只取樣電阻，即可實現電流到電壓的轉換。 它使用方便，并且具有較高的精度。圖3.5為ad590的封裝形式和基本應用電路。1sv（a）封鞍形式 lb）基本應用電路圖3-5 ad590封裝形式和應用電路ad590集成溫度傳感器是將溫敏電阻晶體管與相應的輔助電路 集成在同塊芯片上，能直接給出正比于絕對溫度的理

40、想線形輸 出，一般用于-55°c+150°c之間的測量溫度。溫敏晶體管在管 子的集電極電流恒定時，其基極發(fā)射極電壓與溫度成線形關系， 由于生產廠家生產時采用激光微調來校正集成電路內的薄膜電 阻，使其在攝氏零度（對應絕對溫度為273.2k）,輸出電流微 273.2ua,靈敏度微1ua/ko當其感受的溫度升高或者降低時， 貝ij其電流就以 1u|« « < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > » »| a/k 的速 率增大或減小，從而將被測電流轉換為電壓，則可以用電壓來表 示其溫度大小。為克服溫敏晶體管vb電壓產生時

41、的離散性，采 用了特殊的差分電路。集成溫度傳感器具有電壓型和電流型兩種。 因此，它不容易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪音的干擾，具有 很好的線性特性。ad590主要特性如下：流過器件的電流（ma）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開 爾文）度數，即:(3-1)式中：lr為流過器件（ad590）的電流，單位為ma；t為熱力學溫度，單位為k。 ad590的測溫范圍為-55°c+150°c。 ad590的電源電壓范圍為4v30v。電源電壓可在4v6v范 圍變化，電流匚變化ma,相當于溫度變化1ko ad590可以承 受44v正向電壓和20v反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。輸出電阻為

42、710mwo精度高。ad590共有i、j、k、l、m五檔，其中im檔精度最 高，在-55°c+150°c范圍內，非線性誤差為±0.3°coad590溫度傳感器作為-個恒流源，在本設計的溫度檢測電路 中在ad590的輸出端接一取樣電阻可將輸出電流信號變化轉換 為電壓信號變化。由于ad590溫度傳感器溫度每變化1°c其輸 出電流變化1ma。所以在接上10k的取樣電阻的情況下，溫度 每變化10°c,輸出電壓就將變化0.1vo3.3信號調理電路經過溫度傳感器采集輸出的電壓信號一般來說是非常微弱的，因此，在送往單片機處理之前應對該信號進行放大。

43、本系統(tǒng)所采用的a/d轉換器為adc0809,由于adc0809的輸入信號應在05v之間，因此，經過放大電路放大的信號進入a/d轉換器的 電壓信號應控制在05v之間，根據此原則可設計合適的放大倍 數。信號調理電路主要由運算放大器0p07等組成。為了使溫度檢測 電路的輸出電壓能夠適合于a/d轉換器的參考電壓，利用超低溫 漂移高精度運算放大器0p07將溫度電壓信號進行放大到05v 的范圍之內，便于a/d進行轉換，以提高溫度采集電路的可靠性。 本設計中，信號調理電路部分由集成運放op07分別構成一個電 壓跟隨器，電壓比較器和一個同相輸入放大器用于對ad590輸 出的小電壓信號進行放大處理9。信號調理電

44、路如圖3.6所示圖3.6溫度檢測電路在該放大電路中，電壓跟隨器起阻抗匹配的作用。反饋電阻為零 時，放大倍數為1,電壓跟隨器的輸入電壓等于輸出電壓 電壓比較器用于對輸出電壓小信號電壓進行調零，在上述電路圖 中的電壓比較器部分由于r2=r4 r3=r5可得電壓比較器的輸 出電壓s = % -%根據電壓跟隨器的輸出電壓調節(jié)電位計r9 就改變電壓比較器的輸入電壓5“使得當溫度為溫度測量下限時電壓比較器的輸出電壓為零。4 = 1 +生起放大作用的是同相輸入放大器op07。其放大倍數：b因此放大器的輸出電壓久=3.4溫度標定本設計的溫度標定是在室溫環(huán)境條件下標定的。由于溫度傳感器 輸出與溫度變化有良好的線

45、性。根據溫度調理電路，輸出電壓和 溫度變化也具有一定的線性關系。根據實驗測得的電壓和溫度數 據，在此我們可以采用一元線性回歸的方法求得溫度和電壓的線 性方程。一元線性回歸是處理兩變量之間的關系，即兩個變量x和y之 間若存在一定的關系，則可通過試驗，分析所得數據，找到兩者 之間的關系的經驗公式。假如兩變量之間的關系是線性的則稱為 一元線性回歸。由于變量測量中存在隨機誤差，一元線性方程回 歸可用最小二乘法處理求得一元線性回歸方程。最小二乘原理指 出，最可信賴值應在使殘余誤差平方和最小的條件下求得10o 根據實驗測量結果可得，在一定溫度x下的電壓輸出值y,得到 如下表所示。|<< <

46、;< < 1 2345678910>»»|表3-3x/°c40 50607080y/v00.421.061.682.262.863.45根據表3-3所得的數據，我們可以知道電壓輸出范圍在0-5v之 間，適合a/d轉換參考電壓的電壓范圍。為了了解輸出電壓y 與溫度x之間的大致關系，把數據表示在坐標圖上，如圖3-7所 示，這種圖叫散點圖。電sv43.532.521.510.50 80, 3. 46 70, 2. 85 60, 2. 26 50, 1.67溫廈-電壓曲線圖 40, 1. 0630, 0. 4220 30 40 50 60 70 80 9

47、0 溫度匸圖37溫度電壓散點圖從散點圖可以看岀，輸出電壓y與溫度x大致成線性關系。因 此，我們假設x與y之間的內在關系是-條直線，有些點偏離 了直線，這是試驗過程中其他隨機因素的影響而引起的。這樣就 可以假設這組測量數據有如下結構形式：b=(xrx)lxry> t=1,2, n (3-2)式中的“，"，,引分別表示其他隨機因素對電壓測得值 兒 乃，*的影響，-般假設它們是一組相互獨立、并服從同 一正態(tài)分布的隨機變量，式(3-2)就是一元線性回歸的數學模型。 此例中n=7。我們用最小二乘法來估計式(3-2)中的參數燉、q。 設bo和b分別是參數解i3q的最小二乘估計，便可得到一元

48、線 性回歸的回歸方程少=% + 加(3-3)式中的bo和b是回歸方程的回歸系數。對每一個實際測得值丹與 這個回歸值必之差就是殘余誤差氣：v產兒-%-bx, t=1, 2,n (3-4)應用最小二乘法求解回歸系數，就是在使殘余誤差平方和為最小的條件下求得回歸系數bo和b的值。用矩陣形式，令»1vi_1v2x=r=5=n91%, 29.嘰則式(32)的矩陣形式為? = y-q(3-5)假定測得值片的精度相等，根據最小二乘原理，回歸系數的矩陣 解為5 = (zrjf)-lxrr(3-6)代入數據后： 01 22'0.421 301.061 401.671 502.261 602.8

49、51 703.46 1 80. 求解線性方程系數：因此 b0=-1.34 b=0.06線性方程為：x0.06x-l.34 (3-7)3.5 a/d轉換adc0809是一種8位逐次逼近式a/d轉換器，其內部有一個8 位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存a/d轉換后的數字量，故它本身既 可看作一種輸入設備，也可以認為是并行i/o接口芯片。故adc0809可以和微機直接接口，本設計就是用at8951和adc0809直接相連的。adc0809采用雙列直插式封裝，圖3.8為adc0809引腳圖， 共有28條引腳，主要引腳功能為： inoin7:為八路模擬電壓輸入線，用于輸入被轉換的模擬電 壓。 ale:為地址鎖

50、存允許輸入線，高電平有效。 add-a、addb和add-c:為地址輸入線，用于選擇in0-in7上那一路模擬電壓送給比較器進行a/d轉換。adda、addb和addc對inoin7的選擇如表3-4所列： start:為“啟動脈沖”輸入線，上升沿清零sar,下降沿啟動 adc0809 i作。 eoc：為轉換結束輸出線，該線上高電平表示a/d轉換已結 束。&nbs|vv « < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > » »| p; oe：為"輸出允許”線，高電平時能使2-12弋引腳上輸出轉換 后的數字量。nomi>24ikl 1in-14-jjw-20 <40ojccogc “281m4eocadda addb addcn6aleenable start ft afv (mwu jlvvrw351612adc