基于單片機的加熱爐溫度控制系統(tǒng)

1、 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文） 題目 基于單片機的加熱爐溫度控制系統(tǒng) 院（系部） 電氣與自動化工程系 專業(yè)名稱 電氣工程及其自動化 年級班級 學生姓名 指導教師 2012 年 5 月 16 日摘 要 隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，加熱爐的使用范圍越來越廣泛。而加熱爐溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量，人們需要對各中加熱爐中溫度進行監(jiān)測和控制。采用單片機來對他們控制不僅具有控制方便，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，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質量和數(shù)量。 本文爐溫在控制過程中主要應用at89c51、adc08

2、09、led顯示器、lm324比較器，而主要是通過 ds18b20數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機為核心控制部件，并通過四位數(shù)碼管顯示實時溫度的一種數(shù)字溫度計。 關鍵詞： 加熱爐 單片機 溫度控制 abstract with the rapid development of chinas national economy, the scope of application of heating furnace more and more widely. and heating furnace temperature control is in the process of industri

3、al production often met in process control, and some of the temperature of a process control has a direct effect on the quality of products and production，the people need to each heating furnace the temperature carry on the monitor and the control. not only uses the monolithic integrated circuit to

4、come to them to control has the control to be convenient, simple and flexibility big and so on merits, moreover may enhance large scale is accused the temperature technical specification, thus can big enhance the product the quality and quantity. in this paper, in the control of the main application

5、 of the process of at89c51, adc0809, led display, lm324 comparator, but mainly through the digital temperature sensor ds18b20 collecting ambient temperature to single-chip microcomputer as the core control components, and through four real-time digital display of a digital thermometer temperature. k

6、ey words: heating furnace single chip microcomputer temperature control 目 錄摘 要iabstractii目 錄iii第1章 緒 論11.1 課題的背景11.2 課題研究的目的及意義21.3 課題研究的內(nèi)容及要求31.4 課題的研究方案4第2 章 硬件設計62.1 單片機的發(fā)展概況62.2 at89c51系列單片機介紹72.2.1 at89c51系列基本組成及特性72.2.2 at89c51的工作原理82.2.3 at89c51的復位電路112.2.4 at89c51的引腳功能112.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴展142.4 adc

7、0809模數(shù)轉換器182.4.1 adc0809與at89c51單片機的接口設計202.5 運算放大器lm324212.6 移位寄存器74ls164242.7 數(shù)碼顯示管led252.8 數(shù)字溫度計ds18s20262.9 電路設計272.9.1 電源電路設計272.9.2 單片機控制單元272.9.3 溫度采樣部分282.9.4 模數(shù)轉換部分282.9.5 顯示部分292.9.6 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元30第3章 軟件設計313.1 主程序流程圖313.2 中斷子程序流程圖323.3 按鍵流程圖333.4 顯示流程圖34第4章 系統(tǒng)調(diào)試及結論分析354.1 硬件調(diào)試364.1.1 硬件電路故障及解決方

8、法364.1.2 硬件調(diào)試方法364.2 軟件調(diào)試374.2.1 軟件電路故障及解決方法374.2.2 軟件調(diào)試方法384.3 結論分析39第5張 總結與展望405.1 總 結405.2 展望41參考文獻43致 謝45附 錄46第1章 緒 論1.1 課題的背景 二十一世紀是科技高速發(fā)展的信息時代，電子技術等的應用更是空前廣泛，伴隨著科學技術和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，需要對各種參數(shù)進行溫度測量。因此溫度一詞在生產(chǎn)生活之中出現(xiàn)的頻率日益增多，與之相對應的，溫度控制和測量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用的詞語，同時它們在各行各業(yè)中也發(fā)揮著重要的作用。如在日趨發(fā)達的工業(yè)之中，利用測量與控制溫度來保證生產(chǎn)的正常運行。

9、在農(nóng)業(yè)中，用于保證蔬菜大棚的恒溫保產(chǎn)等。 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度測量則是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個很重要而普遍的參數(shù)。溫度的測量及控制對保證產(chǎn)品質量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起到非常重要的作用。 隨著新技術的不斷開發(fā)與應用，近年來單片機發(fā)展十分迅速，一個以微機應用為主的新技術革命浪潮正在蓬勃興起，單片機的應用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。 溫度是工業(yè)對象中的一個重要的被控參數(shù)。然而所采用的測溫元件和測量方法也不相同；產(chǎn)品的工

10、藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)的控制方式以不能滿足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點是溫度波動范圍大，由于他主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：pid控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡及遺傳算法控制等。這些控制技術大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。1.2 課題研究的目的及意義 加熱爐是將物料或工件加熱的設備。按熱源劃分有燃料加熱爐、電阻加熱爐、感

11、應加熱爐、微波加熱爐等。它的應用遍及石油、化工、冶金、機械、熱處理、表面處理、建材、電子、材料、輕工、日化、制藥等諸多行業(yè)領域。但對于加熱爐這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象，很難用數(shù)學方法建立精確的數(shù)學模型，一方面耗能大另一方面控制起來困難，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達到好的控制效果，一直是自動化生產(chǎn)中急需解決的問題之一。 目前國內(nèi)任然有大量的加熱爐停留在簡單的人工控制或者電子儀表進行手工電動操作，這種操作方式勞動強度大、控制粗糙、節(jié)能效果差，溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，已不能滿足高精度、高速度的控制要求，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理

12、問題能夠得到很好的解決。單片機具有集成度高，通用性好，功能強，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。本設計使用單片機作為核心進行控制，不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且大大的提高了控制精度，使系統(tǒng)控制變得簡便，使產(chǎn)品的質量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。 1.3 課題研究的內(nèi)容及要求 本文所要研究的課題是基于單片機的加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計，主要是介紹了對加熱爐溫度的顯示、控制及報警，實現(xiàn)了溫度的實時顯示及控制。 加熱爐溫度控制部分，提出了用ds18s20、at89c51單片機及l(fā)ed的硬件電路完成對爐溫的實

13、時檢測及顯示，利用ds18s20與單片機連接由軟件與硬件電路配合來實現(xiàn)對加熱電阻絲的實時控制及超出設定的上下限溫度的報警系統(tǒng)。 爐內(nèi)溫度控制部分，采用一套pid閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，由ds18s20檢測爐內(nèi)溫度，用中值濾波的方法取一個值存入程序存取器內(nèi)部一個單元作為最后檢測信號，并在led中顯示。 控制器是用89c51單片機，用pid算法對檢測信號和設定值的差值進行調(diào)節(jié)后輸出控制信號給執(zhí)行機構，去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，從而控制爐內(nèi)溫度。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，特別適合于構成多點的溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉化成串行數(shù)字信號供微機處理，而且每片ds18s20

14、都有唯一的產(chǎn)品號，可以一并存入其rom中，以便在構成大型溫度測控系統(tǒng)時在單線上掛接任意多個ds18s20芯片。從ds18s20讀出或寫入ds18s20信息僅需要一根口線，其讀寫及其溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的ds18s20供電，而且不需要額外電源。同時ds18s20能提供九位溫度讀數(shù)，它無需任何外圍硬件即可方便地構成溫度檢測系統(tǒng)。利用本次的設計主要實現(xiàn)： 1）溫度測試，溫度顯示，溫度門限設定，超過設定的門限值時自動啟動加熱裝置等功能。 2）以單片機為主機，使溫度傳感器通過一根口線與單片機相連接，再加上溫度控制部分和人機對話部分來共同實現(xiàn)溫度的監(jiān)測與控制。 用單片機實現(xiàn)

15、其具體控制功能如下： 1）能夠連續(xù)測量加熱爐的溫度值，用十進制數(shù)碼管來顯示爐內(nèi)的實際溫度。 2）能夠設定爐內(nèi)的溫度值，設定范圍是01000。 3）能夠實現(xiàn)爐溫的自動控制，如果設定溫度為400，則能使爐溫保持恒定在400的溫度下運行。 4）用單片機at89c51控制，通過按鍵來控制爐溫的設定值，數(shù)值采用數(shù)碼管顯示。1.4 課題的研究方案 溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，當今計算機控制技術在這方面的應用，已使溫度控制系統(tǒng)達到自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進行pid調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。 溫度是一個非線性的對象

16、，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。采取溫度控制系統(tǒng)的方法是：首先,通過設置按鍵,設定恒溫運行時的溫度值，并且用數(shù)碼管顯示這個溫度值.然后,在運行過程中將采樣的溫度模擬量送入a/d轉換器中進行模擬-數(shù)字轉換，再將轉換后的數(shù)字量用數(shù)碼管進行顯示，最后用單片機來控制加熱爐,進行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。系統(tǒng)框圖如下： 此方案采用89c51單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來顯示爐溫的實際值，能用鍵盤輸入設定值。采用以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的智能化，也使得系統(tǒng)所測得

17、結果的精度大大提高。 第2 章 硬件設計 本設計系統(tǒng)的基本組成單元包括：主機、溫度采樣單元、單片機控制單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元四部分，本章將逐一進行介紹。2.1 單片機的發(fā)展概況 1970年微型計算機研制成功之后，隨之即出現(xiàn)了單片機（即單片微型計算機） 美國intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片機4004和1972年生產(chǎn)的雛形8位單片機8008，這也算是單片機的第一次公眾亮相。1976年intel公司首先推出能稱為單片機的mcs-48系列單片微型計算機。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應用，同時一些與單片機有關公司都爭相推出各自的單片機。 1978年下半年motorola公司推出m68

18、00系列單片機，zilog公司相繼推出z8單片機系列。1980年intel公司在mcs-48系列基礎上又推出高性能的mcs-51系列單片機。這類單片機均帶有串行i/o口，定時器/計數(shù)器為16位，片內(nèi)存儲容量（ram，rom）都相應增大，并有優(yōu)先級中斷處理功能，單片機的功能、尋址范圍都比早期的擴大了，它們是當時單片機應用的主流產(chǎn)品。 1982年mostek公司和intel公司先后又推出了性能更高的16位單片機mk68200和mcs-96系列，ns公司和nec公司也分別在原有8位單片機的基礎上推出了16位單片機hpc16040和pd783系列。 1987年intel公司又宣布了性能比8096高兩倍

19、的cmos型80c196，1988年推出帶eprom的87c196單片機。由于16位單片機推出的時間較遲、價格昂貴、開發(fā)設備有限等多種原因，至今還未得到廣泛應用。而8位單片機已能滿足大部分應用的需要，因此，在推出16位單片機的同時，高性能的新型8位單片機也不斷問世。 縱觀這短短的20年，經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴大存儲容量和加強i/o功能及結構兼容的方向發(fā)展。新一代的80c51系列單片機除了上述的結構特性外，其最主要的技特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)微控制器（microcontroller）完善的控制功能為己任。這一系列單片機為外部提供了相當完

20、善的總線結構，為系統(tǒng)的擴展和配置打下了良好的基礎。由于80c51系列單片機所具有的一系列優(yōu)越的特點，獲得廣泛使用指日可待。 下面我們就來重點介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的at89c51系列單片機。2.2 at89c51系列單片機介紹2.2.1 at89c51系列基本組成及特性 at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。而在眾多的51系列單片機中，要算 atmel 公司的at89c51更實用，也是一種高效微控制器，因為

21、它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4k程序存儲器是flash工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達到瞬間擦除、改寫。而這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。 at89c51基本功能描述如下：at89c51是一種低損耗、高性能、cmos八位微處理器，而且在其片種還有4k字節(jié)的在線可重復編程快擦快寫程序存儲器，能重復寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與mcs-51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替mcs-51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多mcs-51系列產(chǎn)品沒有的功能。 at89c51可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積,

22、增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4k, 四個i/o口全部提供給用戶?？捎?v電壓編程，而且寫入時間僅10毫秒, 僅為8751/87c51 的擦除時間的百分之一，與8751/87c51的12v電壓擦寫相比, 不易損壞器件, 沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。at89c51 芯片提供三級程序存儲器鎖定加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段, 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外,at89c51 還具有mcs-51系列單片機的所有優(yōu)點。1288 位內(nèi)部ram, 32 位雙向輸入輸出線, 兩個十六位定時器/計時器, 5個中斷源, 兩級中斷優(yōu)先級, 一個全雙工

23、異步串行口及時鐘發(fā)生器等。 at89c51有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設置的, 當外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時, cpu可根據(jù)工作情況適時地進入睡眠狀態(tài), 內(nèi)部ram和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個中斷所終止或通過硬件復位。掉電模式是vcc電壓低于電源下限, 當振蕩器停止振動時, cpu 停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)ram和特殊功能寄存器值保持不變, 一直到掉電模式被終止。只有vcc電壓恢復到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復位、掉電模式可被終止。2.2.2 at89c51的工作原理 1 . cpu的結構 cpu是單片機內(nèi)部的核心部分，是單片機的指揮和執(zhí)

24、行機構，它決定了單片機的主要功能特性。從功能上看，cpu包括兩個基本部分：運算器和控制器。下面說明控制器和運算器。 1）運算器 運算器包括算術邏輯運算部件alu、累加器accc、b寄存器、暫存寄存器tmp1和tmp2、程序狀態(tài)寄存器psw、bcd碼運算調(diào)整電路等。 2）時鐘電路at89c51芯片內(nèi)部有一個高增益反向放大器，用于構成振蕩器。反向放大器的輸入端為xtal1，輸出端為xtal2。在txal1和xtal2兩端跨接由石英晶體及兩個電容構成的自激振蕩器，如圖2-1所示。電容器c1和c2通常都取30pf左右，選用不同的電容量對振蕩頻率有微調(diào)作用。但石英晶體本身的標定頻率才是單片機振蕩頻率的決

25、定因素。其振蕩頻率范圍是112mhz。圖2-1 時鐘電路本設計考慮系統(tǒng)的獨立完整性，選用內(nèi)部時鐘方式，石英震蕩頻率選用12mhz，ale信號頻率為2mhz。2 . i/o口結構：at89c51單片機有4個8位并行i/o接口，記作p0、p1、p2和p3，每個端口都是8位準雙向口，共占32根引腳。每一條i/o線都能獨立地用作輸入或輸出。每個端口都包括一個鎖存器（即特殊功能寄存器p0p3），一個輸出驅動器和輸入緩沖器，作輸出時數(shù)據(jù)可以鎖存，作輸入時數(shù)據(jù)可以緩沖，但是這四個通道的功能完全不同。3. 程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器1）程序存儲器對at89c51芯片來說，片內(nèi)有4k字節(jié)rom/eprom，片外可擴

26、展60k字節(jié)eprom，片內(nèi)和片外程序存儲器統(tǒng)一編址。在程序存儲器中，有6個地址單元被保留用于某些特定的地址，如下表2-1所示。2）數(shù)據(jù)存儲器at89c51數(shù)據(jù)存儲器空間也分為內(nèi)片和外片兩大部分，即片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器ram和片外數(shù)據(jù)存儲器ram。如何區(qū)別片內(nèi)、片外ram空間呢？片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器最大可以尋址256個單元，片外最大可擴展64k字節(jié)ram，并且片內(nèi)使用的是mov指令，片外64k rom空間專門為movx指令所用。4 . 定時器at89c51單片機的內(nèi)部有兩個16位可變成定時器0（t0）和定時器1（t1），它們都有定時或是事件計數(shù)的功能，可用于定時控制、延時、對外部事件計數(shù)和檢測等場合。表2

27、-1 at89c51的復位、中斷入口地址 入口地址 說明 0000h復位后，pc=0000h 0003h外部中斷 入口 000bh定時器t0溢出中斷入口 0013h外部中斷 入口 001bh 定時器t1溢出中斷口 0023h串行口中斷入口它們具有計數(shù)和定時兩種工作方式以及四種工作模式。定時器t0具有方式0、方式1、方式2和方式3四種工作方式。t1具有方式0、方式1和方式2三種工作方式。5 . 中斷系統(tǒng)at89c51單片機有五個中斷請求源。其中，兩個外部中斷源；兩個片內(nèi)定時器/計數(shù)器（t0、t1）的溢出中斷源te0和tf1；一個片內(nèi)串行口接受或發(fā)送中斷源ri或ti。這些中斷請求分別由單片機的特殊

28、功能寄存器tcon和scon的相應位鎖存。當幾個中斷源同時向cpu請求中斷，要求cpu提供服務的時候，就存在cpu優(yōu)先響應哪一個中斷請求，于是一些微處理器和單片機規(guī)定了每個中斷源的優(yōu)先級別。2.2.3 at89c51的復位電路at89c51單片機通常采用上電自動復位和開關手動復位兩種方式。本設計采用上電復位電路，所謂上電復位，是指單片機只要一上電，便自動地進入復位狀態(tài)。在通電瞬間，電容c通過電阻r充電，rst端出現(xiàn)正脈沖，用以復位。圖2-2 復位電路2.2.4 at89c51的引腳功能at89c51的40條引腳中，有2條專用于主電源的引腳，4條控制和其他電源復用的引腳，32條輸入/輸出引腳。如

29、圖2-3所示，下面介紹主要引腳的名稱和功能：1）主電源引腳vcc和vssvcc：接+5v電源。vss：接電源地。2）時鐘電路引腳xtal1和xtal2xtal1：接外部晶體的一端。在單片機內(nèi)部，它是反相放大器的輸入端，該放大器構成了片內(nèi)振蕩器。在采用外部時鐘電路時，對于hmos單片機上，此引腳必須接地；對at89c51單片機，此引腳作為驅動端。 xtal2：接外部晶體的另一端。在單片機內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端，振蕩器的頻率是晶體振蕩頻率。若采用外部時鐘電路時，對于hmos單片機上，該引腳輸入外部時鐘脈沖；對at89c51單片機，此引腳應懸空。圖2-3 at89c51主要引腳圖3

30、）控制信號引腳rst/、ale/、和/rst/：復位/備用電源輸入端。單片機商店后，只要在該引腳上輸入24個振蕩周期（2個機器周期）寬度以上的高電平就會使單片機復位；若在rst與vcc之間接一個10f的電容，而在rst與vss之間接一個8.2k的下拉電阻，則可實現(xiàn)單片機上電自動復位。4）輸入/輸出（i/o）引腳p0、p1、p2和p3p0.0p0.7：p0口是一個8位雙向i/o端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低8位地址和作8位雙向數(shù)據(jù)總線。在eorom編程時，從p0口輸入指令字節(jié)；在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)（驗證時，要接上拉電阻）。p0口能以吸收電流的方式驅動8個lsttl負載。p1.0p

31、1.7：p1是8位準雙向i/o端口。在eprom編程和程序驗證時，它輸入低8位地址。p1口能驅動4個lsttl負載。p2.0p2.7：p2是8位準雙向i/o端口。在cpu訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址，在對eprom編程和程序檢驗時，它輸入高8位地址。p2口可驅動4個lsttl負載。p3.0p3.7：p3是8位準雙向i/o端口。它是一個復用功能口，作為第一功能使用時，為普通i/o口，其功能和操作方法與p1口相同。作為第二功能使用時，各引腳的定義如下表。p3口的每一條條引腳均可以獨立的定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。p3口能驅動4個lsttl負載。 表2-2 功能表 口線 第二功能 p3

32、.0rxd（串行口輸入） p3.1txd（串行口輸出） p3.2（外部中斷0輸入） p3.3（外部中斷1輸入） p3.4t0（定時器0的外部輸入） p3.5t1（定時器1的外部輸入） p3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器“寫”信號輸出） p3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器“寫”信號輸出）2.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴展at89c51片內(nèi)喊有28字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器ram，主要用工作寄存器、堆棧、軟件標志和數(shù)據(jù)緩沖器。對于簡單的測控系統(tǒng)，用它存放運算的中間結果，容量是夠用的。但是對于大量數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，則需要在片外擴展ram。由于本設計采用大量溫濕度傳感器，所以一片at89c51芯片是不夠用的，所以要對at89c51的數(shù)據(jù)存儲

33、器進行擴展，因此，選用6264數(shù)據(jù)存儲器一片。6264可以直接和存儲器的地址線并聯(lián)，數(shù)據(jù)地址線也同樣可以并聯(lián)連接。6264的寫選通信號信號連接到at89c51的上，讀選通信號連接到at89c51的上，這樣單片機就能把程序采集來的數(shù)據(jù)。經(jīng)過變換最終轉換成數(shù)字溫度量存放到6264中，也可以6264中讀取數(shù)據(jù)7，具體的連接如下圖2-4所示：8255a中的控制寄存器很少，所以初始化程序設計簡單。對于方式0，如果不要設定c口的聯(lián)絡信號，則只需要設置方式控制字；如果要設定c口的某些位為聯(lián)絡信號，則只需設置c口的位置/復位控制字。對于方式1和方式2，因為都要用到控制信號，所以必須設置兩個控制字，即設置方式選

34、擇控制字和c口復位控制字。8255有40個引腳，下面根據(jù)功能分類說明。圖2-4 at89c51與地址6264的連接1） 數(shù)據(jù)線 數(shù)據(jù)線有d7d0，pa7pa0，pb7pb0，pc7pc0，均為雙向三態(tài)，其中d7d0與cpu數(shù)據(jù)總線相連，用于傳遞cpu與8255之間的命令和數(shù)據(jù)；pa7pa0，pb7pb0，pc7pc0，分別與a、b、c三個端口相對應，用于8255a與外設之間的傳送數(shù)據(jù)。2） 尋址線尋址線、和，用于選擇8255的三個端口和控制寄存器。：片選信號，輸入，低電平有效。有效時表示選中本片。和：輸入，通常與系統(tǒng)地址總縣的和對應相連。當有效時，和的四種組合00、01、10、11分別選擇a、

35、b、c、口和控制寄存器，所以一片8255a共有4個i/o地址。3） 控制線：讀信號，輸入，低電平有效。當為低電平時，表示cpu對8255a進行讀操作。：寫信號，輸入，低電平有效。當為低電平時，表示cpu對8255a進行寫操作。reset：復位信號，輸入，高電平有效。當reset為高電平時， 8255a內(nèi)部所有寄存器清零。各端口都自動設置為輸入方式，24條i/o引腳均為高租態(tài)8。4） 電源和地線采用單一+5v電源。8255a的控制信號和傳輸動作之間的關系如表2-3所示 表2-3 8255的控制信號和傳輸動作對應關系 傳輸說明0 0 00 0 10 1 00 0 00 0 10 1 00 1 11

36、 0 1 10 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 11 1a口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線b口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線c口數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線a口數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線b口數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線c口數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線控制寄存器進入高阻態(tài)非法進入高阻態(tài) at89c51和8255a的接口：8255a可以直接與mcs-51總線接口，其接口電路如圖2-6所示圖2-7中，8255a的片選信號及口地址選擇線a0、a1分別由at89c51的p2.7和p0.1、p0.0經(jīng)地址鎖存后提供，所以，8255a的a口、b口、c口及控制口的地址分別為6000h、6001h、6002h、6003h。8255a的、分別與at89c51的、

37、相連，8255a的reset與at89c51的rst相連。都接到at89c51的復位電路上。對8255初始化的程序如下：mov a ，#80h ；置方式控制字 方式0mov dptr，#6003h ；指向8255口地址movx dptr a本設計采用8255的a口b口連接led顯示器，用c口進行報警和相應設備的啟動，所以pa口pb口pc口的地址分別為6000h，6001h和6002h。圖2-5 8255a和at89c51的連接2.4 adc0809模數(shù)轉換器 adc0809是位a/d轉換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成a/d轉換的。adc0809由單+5v電源供電；片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多

38、路開關，可對8路05v的輸入模擬電壓分時進行轉換，完成一次轉換約需100s；片內(nèi)具有多路開關的地址譯碼器和鎖存器、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256電阻t型網(wǎng)絡和樹狀電子開關以及逐次逼近寄存器。adc0809芯片的引腳如圖2-6所示，引腳功能說明如下；圖2-6 adc0809內(nèi)部結構圖：8路模擬信號輸入端。：8位數(shù)字量輸出端。start：啟動控制輸入端，高電平有效，用于啟動adc0809內(nèi)部的a/d轉換過程。ale：地址鎖存控制輸入端。ale端可與start端接在一起，通過軟件輸入一個正脈沖，可立即啟動a/d轉換。clk：時鐘信號輸入端。adda（addb、addc）：8路模擬選通開關的3位地

39、址選通輸入端；：供電電源輸入端。（+）：參考電壓正端。（）：參考電壓負端。其地址碼與輸入通路的對應關系如表2-4所示。表2-4 地址和通道的對應關系地址碼addc addb adda對應的輸入通道 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 in0 in1 in2 in3 in4 in5 in6 1 1 1 in72.4.1 adc0809與at89c51單片機的接口設計adc0809與單片機at89c51的硬件接口方式有：查詢方式、中斷方式和等待延時方式。采用中斷方式不浪費cpu的等待時間，但是如果a/d轉換時間較短，也可以用程序查詢方式和等待查詢延時

40、方式。下面介紹兩種最常用的方式：查詢方式和中斷方式。1） 查詢方式 adc0809與單片機at89c51的硬件接口如圖所示圖2-7 adc0809與單片機at89c51的硬件接口電路由于adc0809具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器，其8位數(shù)據(jù)輸出端可以與數(shù)據(jù)總線相連。地址選通端adda、addb、addc分別與at89c51地址總線的低三位、相連，用于選通中的某一個通道。由于ale和start連在一起，ale=start=，adc0809在鎖存通道地址的同時啟動a/d轉換。在讀取a/d轉換結果時。oe=產(chǎn)生的正脈沖信號用于打開三態(tài)輸出鎖存器。adc0809的eoc信號與at89c51的p1.0相連，作

41、為a/d轉換是否結束的狀態(tài)信號供t89c51查詢。采用查詢方式分別對8路模擬信號順序采樣，并依次把a/d轉換結果轉存到數(shù)據(jù)存儲區(qū)，其采樣轉換程序如下： mov templ0 ，#08h ；設置通道個數(shù) mov r1 ，2ah ；置數(shù)據(jù)區(qū)首地址 mov dptr ，#5000h ；指向通道0start： movx dptr ， a ；啟動a/d轉換 mov r3 ， #32 ；設置延時loop100： djnz r3 ，loop100 ；延時完成 test： nb p3.3 ，test ；標志位為1？不為等待 movx a ，dptr ；取出a/d轉換值 mov r1 ， a ；送入數(shù)據(jù)區(qū) in

42、c r1 ；指針加1 cjne r1 ，#2fh， start； 判斷數(shù)據(jù)區(qū)滿？2） 中斷方式adc0809作為at89c51單片機的一個外部擴展并行口i/o口，口地址取決于所連接的中斷口，選通通道取決于地址地位，中斷方式的主要特點是將轉換完成信號接在單片機的中斷口上，轉換完成a/d轉換器發(fā)出信號單片機把它當作一個中斷來處理。所以本設計中a/d轉換器連接成查詢方式。2.5 運算放大器lm324 本次設計所用的運算放大器是lm324，而lm324的系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏

43、的電源下，靜態(tài)電流為mc1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特點是短跑保護輸出、真差動輸入級、底偏置電流為最大100ma、每封裝含四個運算放大器、具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋⒐材７秶鷶U展到負電源、行業(yè)標準的引腳排列、輸入端具有靜電保護功能。運算放大器lm324的引腳圖如圖2-5：圖2-8 運算放大器lm324的引腳圖 由于本次設計中采集電路所采集到的信號值與我們所預期的結果有時會有很大的差距，因此信號值要被真實地反映出來，須采用放大電路進一步處理。按比例將信號放大的電路，稱為比例運算放大電路，簡稱比例電路。對于比例電路，在實

44、際應用中可分為以下幾種，下面也做一些簡單的介紹。1反相比例放大器 如圖2-4所示，集成運放的同相輸入端通過電阻r接地，電阻與信號源串聯(lián)，另一端接到運放的反相輸入端，運放的輸出端與反相輸入端之間接有電阻，為保證集成運放輸入級兩邊對稱， （2-1）比例電路輸出電壓與輸入電壓之間的函數(shù)關系為： （2-2） （2-3）圖2-9 反向比例電路 注意：反相比例電路的特點是深度電壓并聯(lián)負反饋電路。因此，集成運放的反相輸入端為“虛地”點，它的共模輸入電壓可視為零，對運放的共模抑制要求低；比例電路的輸入電阻小，可視為，因此對輸入電流有一定要求；輸出電阻視為零，在適應不同大小負載的能力較強。2同相比例放大器如圖2

45、-9所示，為同相比例電路，為保證電路輸入對稱仍要求： （2-5）輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關系為： （2-6） （2-7） 圖2-10 同相比例電路 注意：同相比例電路的特點是深度電壓串聯(lián)負反饋電路。電路的輸入電阻很大，可達100m以上；輸出電阻很小可視為零，因此有較強的帶負載能力。由于，集成運放的共模抑制比要求較高，這是缺點。2.6 移位寄存器74ls164移位寄存器74ls164的引腳如圖2-11所示： 圖2-11 移位寄存器74ls164引腳圖74ls164為串行輸入、并行輸出移位寄存器，其引腳功能如下：a、b 串行輸入端；q0q7 并行輸出端； 清除端，低電平有效；clk 時鐘脈沖輸入端

46、，上升沿有效。多片74ls164串聯(lián)，能實現(xiàn)多位led靜態(tài)顯示。每擴展一片164就可增加一位顯示。mr接+5v，不清除。2.7 數(shù)碼顯示管led圖2-12 數(shù)碼顯示管led引腳圖 led顯示器是單片機應用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機的應用上也是被廣泛運用的。如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用led數(shù)碼管是一種較好的選擇。led數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。 led數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它是由若干個發(fā)光二極管組成的。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮，控制不同組合的二極管導通，就能顯示出各種字符，常用的led數(shù)碼管有7段和“米”字

47、段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極led顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應的段被顯示。同樣，共陽極led顯示器的發(fā)光二極管的陽極接在一起，通常此共陽極接正電壓，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示。本次設計所用的led數(shù)碼管顯示器為共陽極。 led數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)材料不同正向壓降一般為1.52v，額定電流為10ma，最大電流為40ma。靜態(tài)顯示時取10ma為宜，動態(tài)掃描顯示可加大脈沖電流，但一般不超過40ma。2.8 數(shù)字溫度計ds18s20 在傳統(tǒng)的模擬信號遠距

48、離的溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術。另外考慮到一般的測量現(xiàn)場的電磁環(huán)境非常的惡劣，各種干擾信號較強，模擬信號很容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力較強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效的方案。在實際的溫度測量過程中被廣泛應用，同時也取得了良好的測量效果。ds18s20數(shù)字溫度計的主要特性：1ds18s20的適應電壓范圍更寬，其范圍為：3.0-5.5v，而且它能夠直接由數(shù)據(jù)線獲取電源(寄生電源)，無需外部工作電源。2ds18s20提供了9位攝氏溫度測量，具有非易失性、上下觸發(fā)門限

49、用戶可編程的報警功能。3ds18s20通過1-wire總線與中央微處理器通信，僅需要單根數(shù)據(jù)線(或地線)。同時，在使用過程中，它不需要任何的外圍的元件，全部的傳感元件和轉換電路集成在形狀如一只三極管的集成電路內(nèi)。4ds18s20具有-55c至+125c的工作溫度范圍，在-10c至+85c溫度范圍內(nèi)精度為0.5c。5每片ds18s20具有唯一的64位序列碼，這些碼允許多片ds18s20在同一條1-wire總線上工作，因而，可方便地使用單個微處理器控制分布在大范圍內(nèi)的多片ds18s20器件。6ds18s20的測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給cpu，同時還可以傳送給crc校驗碼

50、，它具有極強的抗干擾糾錯的能力。7ds18s20具有負載特性，當電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但是不能正常的工作。根據(jù)以上這些特性而從中受益的應用包括：hvac環(huán)境控制、室內(nèi)，設備或者機器內(nèi)部的溫度監(jiān)測系統(tǒng)、過程監(jiān)控和控制系統(tǒng)。2.9 電路設計2.9.1 電源電路設計 由于系統(tǒng)用到的電源有5v、12v、15v，普通的5v直流穩(wěn)壓電源已不能夠滿足要求，所以需要設計一種515v電壓可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源電路。電源電路設計依據(jù)電子技術相關知識為基本原理，電路主要由取樣、基準電壓、比較放大、調(diào)整四部分組成。原理框圖如2-13所示。圖2-13 電源電路原理框圖2.9.2 單片機控制單元 單片機控制單

51、元，如圖2-14所示，包括按鍵控制電路，其中按鍵控制電路這一模塊設置了：“設置”、“加1”、“右移”、“確定”四個按鍵，來實現(xiàn)人機對話。人為地設定溫度門限值，使電路在人為設定的某一溫度值相對穩(wěn)定的工作。圖2-14 按鍵控制電路2.9.3 溫度采樣部分 溫度采樣單元，如2-15所示，用于采集被控對象的溫度參數(shù)，它由溫度電壓轉換、小信號放大及a/d轉換三部分組成。其中，將溫度轉化為電量的溫度電壓轉換由溫度傳感器-熱敏電阻實現(xiàn)，小信號放大由橋式放大電路實現(xiàn)，a/d轉換選擇模數(shù)轉換器adc0809，將采集到的溫度模擬信號轉換為at89c51能夠處理的二進制數(shù)字信號。圖2-15 溫度采樣單元2.9.4 模數(shù)轉換部分 模數(shù)轉換是將模擬輸入信號轉換為n位二進制數(shù)字輸出信號的技術。本次設計模數(shù)轉換包括采樣、保持、量化和編碼四個過程