基于STC89C52單片機的溫度控制電路設(shè)計說明

./基于溫度傳感器的單片機溫控電路設(shè)計設(shè)計分析在各行業(yè)中廣泛應(yīng)用的溫度控制器及儀器儀表主要具有如下的特點：一是在復雜的溫度控制系統(tǒng)中能夠適應(yīng)于大慣性、大滯后的控制；二是在受控系統(tǒng)數(shù)學模型難以建立的情況下,得到控制；三是在受控系統(tǒng)中,能夠被控制過程很復雜且參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)控制；五是溫度控制系統(tǒng)普遍具有參數(shù)自檢功能,借助計算機技術(shù),能控制對象和參數(shù),并且具有特性進行自動調(diào)整的功能等特點[1]。本次電子工藝實訓旨在練習實用單片機系統(tǒng)的設(shè)計與安裝,掌握典型51系列單片機最小系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計、常用電子元器件的識別、萬用板焊接電路的方法、鞏固常用電子儀表測量與調(diào)試電路參數(shù)的方法,培養(yǎng)創(chuàng)新實踐動手能力,為下學期單片機、電子系統(tǒng)設(shè)計等課程奠定理論和實踐基礎(chǔ)。具體要求如下：自行設(shè)計以STC89C52RC40單片機為控制核心的實用單片機控制系統(tǒng)的硬件電路,實現(xiàn)至少一個環(huán)境參量信息采集、數(shù)值顯示、報警功能。根據(jù)設(shè)計,利用萬用板焊接硬件電路,并做簡單調(diào)試。要求模塊化設(shè)計,單片機最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、信息采集報警模塊、鍵盤模塊,主要貴重器件用排座插接,電阻、電容、按鍵等元器件要求布局合理、排列整齊,無虛焊。設(shè)計方案本文設(shè)計是以單片機為核心,實現(xiàn)溫度實時測控和顯示。確定電路中的一些主要參數(shù),了解溫度控制電路的結(jié)構(gòu),工作原理,對該控制電路性能進行測試。具體設(shè)計方案：<1>本設(shè)計是用來測控溫度的,可以利用熱敏電阻的感溫效應(yīng),將被測溫度變化的模擬信號,電壓或電流的采集過來,首先進行放大和濾波后,再通過A/D轉(zhuǎn)換,將得到的數(shù)字量送往單片機中去處理,用數(shù)碼管將被測得的溫度值顯示出來。但是這種電路的設(shè)計需要用到放大濾波電路,A/D轉(zhuǎn)換電路,感溫電路等一系列模擬電路,設(shè)計起來較麻煩[2]。<2>本設(shè)計采用單片機做處理器,可以考慮使用溫度傳感器,采用由達拉斯公司研制的DS18B20型溫度傳感器,此傳感器可以將被測的溫度直接讀取出來,并進行轉(zhuǎn)換,這樣就很容易滿足設(shè)計要求。從上面的兩種方案,可以很容易看出來,雖然方案<2>軟件部分設(shè)計復雜點,但是電路比較簡單且精度高,故采用方案<2>。單單片機最小系統(tǒng)顯示模塊顯示模塊設(shè)置模塊設(shè)置模塊采集模塊采集模塊圖1.總體方框圖系統(tǒng)硬件設(shè)計據(jù)設(shè)計的需求,分析單片機的工作原理,可以大體得出來溫度控制電路設(shè)計的總體方框圖,主處理器采用單片機STC89C52RC40,溫度采集部分采用溫度傳感器,用4位LED顯示數(shù)碼管作為顯示部分,用來將溫度顯示出來。系統(tǒng)硬件電路部分由四大模塊組成：溫度采集模塊、溫度顯示模塊、報警模塊、鍵盤模塊和單片機最小系統(tǒng)模塊[3]?！惨粏纹瑱C最小系統(tǒng)模塊在課題設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中,控制核心是STC89C52單片機,該單片機為51系列增強型8位單片機,它有32個I/O口,片含4KFLASH工藝的程序存儲器,便于用電的方式瞬間擦除和改寫,而且價格便宜,其外部晶振為12MHz,一個指令周期為1μS。使用該單片機完全可以完成設(shè)計任務(wù),其最小系統(tǒng)主要包括：復位電路、震蕩電路以及存儲器選擇模式〔EA腳的高低電平選擇,電路如下圖3.1所示：圖2.最小系統(tǒng)本課題設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)主控制芯片選型為STC89C52單片機,其特點如下：STC89C52單片機的40個引腳中有2個專用于主電源引腳,2個外接晶振的引腳,4個控制或與其它電源復用的引腳,以及32條輸入輸出I/O引腳。下面按引腳功能分為4個部分敘述個引腳的功能?！?電源引腳Vcc和VssVcc〔40腳：接+5V電源正端Vss〔20腳：接+5V電源正端?！?外接晶振引腳XTAL1和XTAL2XTAL1〔19腳：接外部石英晶體的一端。在單片機部,它是一個反相放大器的輸入端,這個放大器構(gòu)成采用外部時鐘時,對于HMOS單片機,該引腳接地；對于CHOMS單片機,該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。XTAL2〔18腳：接外部晶體的另一端。在單片機部,接至片振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時,對于HMOS單片機,該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。對于CHMOS芯片,該引腳懸空不接?！?控制信號或與其它電源復用引腳控制信號或與其它電源復用引腳有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4種形式?！睞．RST/VPD〔9腳：RST即為RESET,VPD為備用電源,所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時,該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平,就可實現(xiàn)復位操作,使單片機復位到初始狀態(tài)。當VCC發(fā)生故障,降低到低電平規(guī)定值或掉電時,該引腳可接上備用電源VPD〔+5V為部RAM供電,以保證RAM中的數(shù)據(jù)不丟失?！睟．ALE/P〔30腳：當訪問外部存儲器時,ALE〔允許地址鎖存信號以每機器周期兩次的信號輸出,用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低〔C．PSEN<29腳>:片外程序存儲器讀選通輸出端,低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間,每個機器周期PESN兩次有效,以通過數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間,PESN信號將不出現(xiàn)?！睤．EA/Vpp〔31腳：EA為訪問外部程序儲器控制信號,低電平有效。當EA端保持高電平時,單片機訪問片程序存儲器4KB〔MS—52子系列為8KB。若超出該圍時,自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部程序存儲器的程序。當EA端保持低電平時,無論片有無程序存儲器,均只訪問外部程序存儲器。對于片含有EPROM的單片機,在EPROM編程期間,該引腳用于接21V的編程電源Vpp?！?輸入/輸出〔I/O引腳P0口、P1口、P2口及P3口<A>.P0口〔39腳～22腳：P0.0～P0.7統(tǒng)稱為P0口。當不接外部存儲器與不擴展I/O接口時,它可作為準雙向8位輸入/輸出接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O口時,P0口為地址/數(shù)據(jù)分時復用口。它分時提供8位雙向數(shù)據(jù)總線。對于片含有EPROM的單片機,當EPROM編程時,從P0口輸入指令字節(jié),而當檢驗程序時,則輸出指令字節(jié)。<B>.P1口〔1腳～8腳：P1.0～P1.7統(tǒng)稱為P1口,可作為準雙向I/O接口使用。對于MCS—52子系列單片機,P1.0和P1.1還有第2功能：P1.0口用作定時器/計數(shù)器2的計數(shù)脈沖輸入端T2；P1.1用作定時器/計數(shù)器2的外部控制端T2EX。對于EPROM編程和進行程序校驗時,P0口接收輸入的低8位地址。<C>.P2口〔21腳～28腳：P2.0～P2.7統(tǒng)稱為P2口,一般可作為準雙向I/O接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O接口且尋址圍超過256個字節(jié)時,P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對于EPROM編程和進行程序校驗時,P2口接收輸入的8位地址。<D>.P3口〔10腳～17腳：P3.0～P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口,可以作為一般的準雙向I/O接口,也可以將每1位用于第2功能,而且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。P3口的第2功能見下表：引腳第2功能P3.0RXD〔串行口輸入端0P3.1TXD〔串行口輸出端P3.2INT0〔部中斷0請求輸入端,低電平有效P3.3INT1〔中斷1請求輸入端,低電平有效P3.4T0〔時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖端P3.5T1〔時器/計數(shù)器1數(shù)脈沖端P3.6WR〔部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端,低電平有效P3.7RD〔部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端,低電平有效表1單片機P3.0管腳含義<二>溫度采集模塊DS18B20溫度傳感器是美國達拉斯<DALLAS>半導體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。該器件將半導體溫敏器件、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器等做在一個很小的集成電路芯片上。本設(shè)計中溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件DS18B20,是在經(jīng)過多方面比較和考慮后決定的,主要有以下幾方面的原因：〔1系統(tǒng)的特性：測溫圍為-55℃～+125℃,測溫精度為士0.5℃；溫度轉(zhuǎn)換精度9～12位可變,能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以16位二進制數(shù)碼的方式串行輸出；12位精度轉(zhuǎn)換的最大時間為750ms；可以通過數(shù)據(jù)線供電,具有超低功耗工作方式?！?系統(tǒng)成本：由于計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,新型大規(guī)模集成電路功能越來越強大,體積越來越小,而價格也越來越低?！?系統(tǒng)復雜度：由于DS18B20是單總線器件,微處理器與其接口時僅需占用1個I/O端口且一條總線上可以掛接幾十個DS18B20,測溫時無需任何外部元件,因此,與模擬傳感器相比,可以大大減少接線的數(shù)量,降低系統(tǒng)的復雜度,減少工程的施工量?！?系統(tǒng)的調(diào)試和維護：由于引線的減少,使得系統(tǒng)接口大為簡化,給系統(tǒng)的調(diào)試帶來方便。同時因為DS18B20是全數(shù)字元器件,故障率很低,抗干擾性強,因此,減少了系統(tǒng)的日常維護工作。DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：單線數(shù)據(jù)傳輸總線端口DQ,外供電源線VDD,共用地線GND。DS18B20有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式,此時VDD接地,它是通過部電容在空閑時從數(shù)據(jù)線獲取能量,來完成溫度轉(zhuǎn)換,相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換的時間較長。這種情況下,用單片機的一個I/O口來完成對DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式<VDD接+5V>,相應(yīng)的完成溫度測量的時間較短?！踩龍缶K設(shè)計中的報警裝置電路用到了發(fā)光二級管、三極管、10K的電阻。將發(fā)光二級管的一端接地,另一端接三極管的發(fā)射極,三極管的基極通過電阻接在三極管上,三極管的集電極電源。圖5.報警器〔四鍵盤模塊鍵盤實際是就是很多案件的一種組合,按鍵的按下與否形成一個高低電平,主控芯片CPU通過高低電平來識別所需信號,進而使程序進行下一步的操作。鍵盤操作的軟硬件的設(shè)計有以下幾個方面的問題：對于此設(shè)計來說我們要準確的顯示我們所要對應(yīng)的信息,每按一次按鍵要顯示所要顯示的信息。這按鍵是主要用來控制溫度而設(shè)計的。這樣比鍵盤操作方便,也比較實惠。按鍵電路采用中斷模式。圖6.鍵盤輸入〔五顯示、指示模塊本模塊用的是0.56英寸2位數(shù)碼管紅色共陽數(shù)碼管5261BS,一般正向壓降的都是1.5～2V,額定電流為10mA,通過最大的電流為40mA。根據(jù)各種不同管接線的方式,可將數(shù)碼管分成共陰極型和共陽極型。圖7.數(shù)碼管〔六系統(tǒng)總電路圖系統(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,單片機主控電路等,通過AltiumDesigner可畫出如圖所示的電路圖[4][5][6]圖8.系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)硬件制作〔一硬件電路制作方法1.按照電路圖插接面包板,連接線路。2.電路焊接,將各元件焊接到面包板上。硬件電路制作過程１.準備好各類器件以及工具。２.按電路圖插接好面包板,先焊接小器件及簡單電路.３.用電線連接距離較遠的器件,進行焊接.４.焊接完成后用萬用表進行電路測試,確保沒有短路。五、系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計思路及流程圖主控制程序的主要是用來實時控制當前所要測控的環(huán)境溫度,并讀出由DS18B20測量的經(jīng)過處理的當前環(huán)境的溫度值,同時檢查溫度是否在限度之,否則報警,同時調(diào)整溫度值。其主控制程序流程圖如9所示。開始STC89C52開始STC89C52初始化DS18B20初始化溫度是否到達設(shè)定限度溫度顯示結(jié)束紅燈亮溫度在顯示范圍內(nèi)YNYNY發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)DS18B20復位命令發(fā)跳過讀序列號命令讀取操作,CRC校驗9字節(jié)完？CRC校驗正？確？移入溫度暫存器結(jié)束NNY圖9主程序流程圖圖10讀溫度流程圖1.讀溫度子程序讀溫度子程序的功能主要是用來將隨機存儲器中的9個字節(jié)讀出,在讀出字節(jié)時侯,需要進行冗余碼校驗。在校驗到有錯誤的時侯,所測得的溫度數(shù)據(jù)就會不進行改寫。其讀溫度子程序流程圖如10所示。2.溫度轉(zhuǎn)換子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序的功能主要是用來發(fā)送溫度開始轉(zhuǎn)換命令,讓溫度轉(zhuǎn)換自動進行,其溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如11所示。發(fā)DS18B20復位命令發(fā)DS18B20復位命令發(fā)跳過讀序列號命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令結(jié)束圖11溫度轉(zhuǎn)換流程圖3.計算溫度子程序計算溫度子程序的功能主要將隨機存儲器中的溫度數(shù)值讀取出來,將取得的溫度數(shù)值的每一位經(jīng)過計算分別取出來,放入指定的字節(jié)中,并進行溫度值數(shù)正負的判定。計算溫度子程序流程圖如12所示。開始開始溫度零下?溫度值取補碼置"—"標志取出小數(shù)位的溫度值取出整數(shù)位的溫度值結(jié)束置"+"標志NY圖12.計算溫度流程圖圖12.計算溫度流程圖圖3-4計算溫度流程圖4.溫度顯示子程序溫度顯示子程序的功能主要是對顯示數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)反復進行刷新操作。如果最高位顯示是0時的時候,就將符號顯示位立即移入下一位字節(jié)中。溫度顯示子程序流程圖如13所示。溫度數(shù)據(jù)移入顯示寄存器溫度數(shù)據(jù)移入顯示寄存器十位數(shù)0？百位數(shù)0？十位數(shù)顯示符號百位數(shù)不顯示百位數(shù)顯示數(shù)據(jù)〔不顯示符號結(jié)束NNYY圖13.溫度顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖圖13.溫度顯示數(shù)據(jù)刷新流程圖〔二程序源代碼#include<reg51.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitp34=P2^4;sbitp35=P2^5;sbitp36=P2^6;sbitdp=P0^7;sbitp37=P2^7;sbitDQ=P2^2;//定義DS18B20總線I/OsbitSET=P3^1;//定義選擇報調(diào)整警溫度上限和下限〔1為上限,0為下限sbitLING=P2^0;//定義閃爍signedcharm;//溫度值全局變量bitsign=0;//外部中斷狀態(tài)標志signedcharshangxian=38;//上限報警溫度,默認值為38signedcharxiaxian=5;//下限報警溫度,默認值為5ucharcodeLEDData[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf};/*****延時子程序*****/voidDelay<uinti>{while<i-->;}/*****初始化DS18B20*****/voidInit_DS18B20<void>{unsignedcharx=0;DQ=1;Delay<8>;//稍做延時DQ=0;//單片機將DQ拉低Delay<80>;//精確延時,大于480usDQ=1;//拉高總線Delay<14>;x=DQ;//稍做延時后,如果x=0則初始化成功,x=1則初始化失敗Delay<20>;}/*****讀一個字節(jié)*****/unsignedcharReadOneChar<void>{unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for<i=8;i>0;i-->{DQ=0;//給脈沖信號dat>>=1;DQ=1;//給脈沖信號if<DQ>dat|=0x80;Delay<4>;}return<dat>;}/*****寫一個字節(jié)*****/voidWriteOneChar<unsignedchardat>{unsignedchari=0;for<i=8;i>0;i-->{DQ=0;DQ=dat&0x01;Delay<5>;DQ=1;dat>>=1;}}voidTmpchange<void>//發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令{Init_DS18B20<>;WriteOneChar<0xCC>;//跳過讀序號列號的操作WriteOneChar<0x44>;//啟動溫度轉(zhuǎn)換}/*****讀取溫度*****/unsignedintReadTemperature<void>{unsignedchara=0;unsignedcharb=0;unsignedintt=0;floattt=0;Tmpchange<>;Init_DS18B20<>;WriteOneChar<0xCC>;//跳過讀序號列號的操作WriteOneChar<0xBE>;//讀取溫度寄存器a=ReadOneChar<>;//讀低8位b=ReadOneChar<>;//讀高8位t=b;t<<=8;t=t|a;tt=t*0.0625;t=tt*100+0.5;//放大100倍輸出并四舍五入return<t>;}/*****顯示開機初始化等待畫面*****/Disp_init<>{P0=0x80;//顯示-p34=1;p35=0;p36=0;p37=0;Delay<200>;P0=0x80;p34=0;p35=1;p36=0;p37=0;Delay<200>;P0=0x80;p34=0;p35=0;p36=1;p37=0;Delay<200>;P0=0x80;p34=0;p35=0;p36=0;p37=1;Delay<200>;P0=0x80;}/*****顯示溫度子程序*****/Disp_Temperature<>//顯示溫度{uinta,b,c,d,e;e=ReadTemperature<>;//獲取溫度值a=e/1000;//計算得到十位數(shù)字b=e/100-a*10;//計算得到個位數(shù)字d=e%10;//計算得到小數(shù)點后兩位c=<e%100>/10;//計算得到小數(shù)點后一位m=e/100;if<m>shangxian||m<xiaxian>LING=1;//溫度不在圍報警elseLING=0;p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;P0=LEDData[d];//顯示小數(shù)點后兩位p34=1;p35=0;p36=0;p37=0;Delay<300>;p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;P0=LEDData[c];//顯示小數(shù)點后一位p34=0;p35=1;p36=0;p37=0;Delay<300>;p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;P0=LEDData[b];//顯示個位dp=0;p34=0;p35=0;p36=1;p37=0;Delay<300>;p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;P0=LEDData[a];//顯示十位p34=0;p35=0;p36=0;p37=1;Delay<300>;p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;//關(guān)閉顯示}disptiaozheng<>{ucharf,g,j,k;f=shangxian/10;g=shangxian%10;j=xiaxian/10;k=xiaxian%10;p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;P0=0xc0;//顯示0p34=1;p35=0;p36=0;p37=0;Delay<200>;p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;P0=0xc0;//顯示0p34=0;p35=1;p36=0;p37=0;Delay<200>;p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;if<SET==1>{P0=LEDData[g];dp=0;//顯示上限溫度個位}else{ P0=LEDData[k];dp=0;}p34=0;p35=0;p36=1;p37=0;Delay<200>;p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;if<SET==1>P0=LEDData[f];//顯示上限溫度十位else{if<f==0>P0=0x00;//不顯示下限溫度十位elseP0=LEDData[j];//顯示下限溫度十位}p34=0;p35=0;p36=0;p37=1;Delay<200>;p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;//關(guān)閉顯示Delay<20>;}/*****外部中斷0服務(wù)程序*****/voidint0<void>interrupt0{EX0=0;//關(guān)外部中斷0sign=1;if<SET==1>shangxian++;elsexiaxian++;Delay<500>;EX0=1;}/*****外部中斷1服務(wù)程序*****/voidint1<void>interrupt2{EX1=0;//關(guān)外部中斷0sign=1;if<SET==1>shangxian--;elsexiaxian--;Delay<500>;EX1=1;}/*****主函數(shù)*****/voidmain<void>{uintz;IT0=1;IT1=1;EX0=1;EX1=1;EA=1;ReadTemperature<>;LING=0;for<z=0;z<100;z++>{Disp_init<>;}while<1>{Disp_Temperature<>; if<sign==1> { for<z=0;z<300;z++> disptiaozheng<>; sign=0; }}}六、系統(tǒng)調(diào)試〔一調(diào)試方法單片機應(yīng)用系統(tǒng)樣機組裝好以后,便可進入系統(tǒng)的在線〔聯(lián)仿真器調(diào)試,其主要任務(wù)是排除樣機硬件故障,并完善其硬件結(jié)構(gòu),試運行所設(shè)計的程序,排除程序錯誤,優(yōu)化程序結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)達到期望的功能,進而固化軟件,使其產(chǎn)品化。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試是交叉進行的,但通常是先排除樣機中明顯的硬件故障,尤其是電源故障,才能安全地和仿真器相連,進行綜合調(diào)試。本設(shè)計調(diào)試過程中所用的調(diào)試方法有：靜態(tài)測試、聯(lián)仿真器在線調(diào)試等。軟件調(diào)試所使用的方法有：計算程序的調(diào)試方法、I/O處理程序的調(diào)試法、綜合調(diào)試法等?！捕{(diào)試過程及現(xiàn)象計算程序的錯誤是一種靜態(tài)的固定的錯誤,因此主要用單拍或斷點運行方式來調(diào)試。根據(jù)計算程序的功能,事先準備好一組測試數(shù)據(jù)。調(diào)試時,用防真器的寫命令,將數(shù)據(jù)寫入計算程序的參數(shù)緩沖單元,然后從計算程序開始運行到結(jié)束,運行的結(jié)果和正確數(shù)據(jù)比較,如果對有的測試數(shù)據(jù)進行測試,都沒有發(fā)生錯誤,則該計算程序調(diào)試成功；如果發(fā)現(xiàn)結(jié)果不正確,改用單步運行方式,即可檢查出錯誤所在。計算程序的修改視錯誤性質(zhì)而定。若是算法錯誤,那是根本性錯誤,應(yīng)重新設(shè)計該程序；若是局部的指令有錯,修改即可。如果用于測試的數(shù)據(jù)