基于STC89C52單片機(jī)的溫度控制電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

德州學(xué)院物理與電子信息學(xué)院2011級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)考查報(bào)告基于溫度傳感器的單片機(jī)溫控電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(diǎn)：一是在復(fù)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(xué)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(guò)程很復(fù)雜且參數(shù)時(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)，能控制對(duì)象和參數(shù)，并且具有特性進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整的功能等特點(diǎn)[1]。本次電子工藝實(shí)訓(xùn)旨在練習(xí)實(shí)用單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝，掌握典型51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計(jì)、常用電子元器件的識(shí)別、萬(wàn)用板焊接電路的方法、鞏固常用電子儀表測(cè)量與調(diào)試電路參數(shù)的方法，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐動(dòng)手能力，為下學(xué)期單片機(jī)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。具體要求如下：自行設(shè)計(jì)以STC89C52RC40單片機(jī)為控制核心的實(shí)用單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)環(huán)境參量信息采集、數(shù)值顯示、報(bào)警功能。根據(jù)設(shè)計(jì)，利用萬(wàn)用板焊接硬件電路，并做簡(jiǎn)單調(diào)試。要求模塊化設(shè)計(jì)，單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、信息采集報(bào)警模塊、鍵盤(pán)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(wú)虛焊。設(shè)計(jì)方案本文設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)測(cè)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(duì)該控制電路性能進(jìn)行測(cè)試。具體設(shè)計(jì)方案：(1)本設(shè)計(jì)是用來(lái)測(cè)控溫度的，可以利用熱敏電阻的感溫效應(yīng)，將被測(cè)溫度變化的模擬信號(hào)，電壓或電流的采集過(guò)來(lái)，首先進(jìn)行放大和濾波后，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字量送往單片機(jī)中去處理，用數(shù)碼管將被測(cè)得的溫度值顯示出來(lái)。但是這種電路的設(shè)計(jì)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(jì)起來(lái)較麻煩[2]。(2)本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)做處理器，可以考慮使用溫度傳感器，采用由達(dá)拉斯公司研制的DS18B20型溫度傳感器，此傳感器可以將被測(cè)的溫度直接讀取出來(lái)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣就很容易滿足設(shè)計(jì)要求。從上面的兩種方案，可以很容易看出來(lái)，雖然方案(2)軟件部分設(shè)計(jì)復(fù)雜點(diǎn)，但是電路比較簡(jiǎn)單且精度高，故采用方案(2)。單單片機(jī)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(jì)據(jù)設(shè)計(jì)的需求，分析單片機(jī)的工作原理,可以大體得出來(lái)溫度控制電路設(shè)計(jì)的總體方框圖，主處理器采用單片機(jī)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(lái)將溫度顯示出來(lái)。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(bào)警模塊、鍵盤(pán)模塊和單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊[3]。（一）單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊在課題設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制核心是STC89C52單片機(jī)，該單片（1）系統(tǒng)的特性：測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，測(cè)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(jìn)制數(shù)碼的方式串行輸出；12位精度轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為750ms；可以通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式。（2）系統(tǒng)成本：由于計(jì)算機(jī)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(lái)越強(qiáng)大，體積越來(lái)越小，而價(jià)格也越來(lái)越低。（3）系統(tǒng)復(fù)雜度：由于DS18B20是單總線器件，微處理器與其接口時(shí)僅需占用1個(gè)I/O端口且一條總線上可以掛接幾十個(gè)DS18B20，測(cè)溫時(shí)無(wú)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(fù)雜度，減少工程的施工量。（4）系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)：由于引線的減少，使得系統(tǒng)接口大為簡(jiǎn)化，給系統(tǒng)的調(diào)試帶來(lái)方便。同時(shí)因?yàn)镈S18B20是全數(shù)字元器件，故障率很低，抗干擾性強(qiáng)，因此，減少了系統(tǒng)的日常維護(hù)工作。DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：?jiǎn)尉€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(shí)VDD接地，它是通過(guò)內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來(lái)完成溫度轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長(zhǎng)。這種情況下，用單片機(jī)的一個(gè)I/O口來(lái)完成對(duì)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(cè)量的時(shí)間較短。（三）報(bào)警模塊設(shè)計(jì)中的報(bào)警裝置電路用到了發(fā)光二級(jí)管、三極管、10K的電阻。將發(fā)光二級(jí)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(guò)電阻接在三極管上，三極管的集電極電源。圖5.報(bào)警器（四）鍵盤(pán)模塊鍵盤(pán)實(shí)際是就是很多案件的一種組合，按鍵的按下與否形成一個(gè)高低電平，主控芯片CPU通過(guò)高低電平來(lái)識(shí)別所需信號(hào)，進(jìn)而使程序進(jìn)行下一步的操作。鍵盤(pán)操作的軟硬件的設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：對(duì)于此設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)我們要準(zhǔn)確的顯示我們所要對(duì)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(lái)控制溫度而設(shè)計(jì)的。這樣比鍵盤(pán)操作方便，也比較實(shí)惠。按鍵電路采用中斷模式。圖6.鍵盤(pán)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(yáng)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(guò)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(yáng)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(jī)主控電路等，通過(guò)AltiumDesigner可畫(huà)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(guò)程１.準(zhǔn)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(jiǎn)單電路.３.用電線連接距離較遠(yuǎn)的器件，進(jìn)行焊接.４.焊接完成后用萬(wàn)用表進(jìn)行電路測(cè)試，確保沒(méi)有短路。五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)思路及流程圖主控制程序的主要是用來(lái)實(shí)時(shí)控制當(dāng)前所要測(cè)控的環(huán)境溫度，并讀出由DS18B20測(cè)量的經(jīng)過(guò)處理的當(dāng)前環(huán)境的溫度值，同時(shí)檢查溫度是否在限度之內(nèi)，否則報(bào)警，同時(shí)調(diào)整溫度值。其主控制程序流程圖如9所示。開(kāi)始STC89C52開(kāi)始STC89C52初始化DS18B20初始化溫度是否到達(dá)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(fù)位命令發(fā)跳過(guò)讀序列號(hào)命令讀取操作，CRC校驗(yàn)9字節(jié)完？CRC校驗(yàn)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(lái)將隨機(jī)存儲(chǔ)器中的9個(gè)字節(jié)讀出，在讀出字節(jié)時(shí)侯，需要進(jìn)行冗余碼校驗(yàn)。在校驗(yàn)到有錯(cuò)誤的時(shí)侯，所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)就會(huì)不進(jìn)行改寫(xiě)。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(lái)發(fā)送溫度開(kāi)始轉(zhuǎn)換命令，讓溫度轉(zhuǎn)換自動(dòng)進(jìn)行，其溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如11所示。發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過(guò)讀序列號(hào)命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令結(jié)束圖11溫度轉(zhuǎn)換流程圖3.計(jì)算溫度子程序計(jì)算溫度子程序的功能主要將隨機(jī)存儲(chǔ)器中的溫度數(shù)值讀取出來(lái)，將取得的溫度數(shù)值的每一位經(jīng)過(guò)計(jì)算分別取出來(lái)，放入指定的字節(jié)中，并進(jìn)行溫度值數(shù)正負(fù)的判定。計(jì)算溫度子程序流程圖如12所示。開(kāi)始開(kāi)始溫度零下?溫度值取補(bǔ)碼置“—”標(biāo)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(biāo)志NY 圖12.計(jì)算溫度流程圖圖12.計(jì)算溫度流程圖圖3-4計(jì)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(duì)顯示數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)反復(fù)進(jìn)行刷新操作。如果最高位顯示是0時(shí)的時(shí)候，就將符號(hào)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(hào)百位數(shù)不顯示百位數(shù)顯示數(shù)據(jù)（不顯示符號(hào)）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(bào)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(biāo)志signedcharshangxian=38;//上限報(bào)警溫度，默認(rèn)值為38signedcharxiaxian=5;//下限報(bào)警溫度，默認(rèn)值為5ucharcodeLEDData[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf};/*****延時(shí)子程序*****/voidDelay(uinti){while(i--);}/*****初始化DS18B20*****/voidInit_DS18B20(void){unsignedcharx=0;DQ=1;Delay(8);//稍做延時(shí)DQ=0;//單片機(jī)將DQ拉低Delay(80);//精確延時(shí)，大于480usDQ=1;//拉高總線Delay(14);x=DQ;//稍做延時(shí)后，如果x=0則初始化成功，x=1則初始化失敗Delay(20);}/*****讀一個(gè)字節(jié)*****/unsignedcharReadOneChar(void){unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;//給脈沖信號(hào)dat>>=1;DQ=1;//給脈沖信號(hào)if(DQ)dat|=0x80;Delay(4);}return(dat);}/*****寫(xiě)一個(gè)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(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作WriteOneChar(0x44);//啟動(dòng)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(guò)讀序號(hào)列號(hào)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(kāi)機(jī)初始化等待畫(huà)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(jì)算得到十位數(shù)字b=e/100-a*10;//計(jì)算得到個(gè)位數(shù)字d=e%10;//計(jì)算得到小數(shù)點(diǎn)后兩位c=(e%100)/10;//計(jì)算得到小數(shù)點(diǎn)后一位m=e/100;if(m>shangxian||m<xiaxian)LING=1;//溫度不在范圍內(nèi)報(bào)警elseLING=0;p34=0;p35=0;p36=0;p37=0;P0=LEDData[d];//顯示小數(shù)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(gè)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)樣機(jī)組裝好以后，便可進(jìn)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(jī)硬件故障，并完善其硬件結(jié)構(gòu)，試運(yùn)行所設(shè)計(jì)的程序，排除程序錯(cuò)誤，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)達(dá)到期望的功能，進(jìn)而固化軟件，使其產(chǎn)品化。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試是交叉進(jìn)行的，但通常是先排除樣機(jī)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(jìn)行綜合調(diào)試。本設(shè)計(jì)調(diào)試過(guò)程中所用的調(diào)試方法有：靜態(tài)測(cè)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(jì)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。（二）調(diào)試過(guò)程及現(xiàn)象計(jì)算程序的錯(cuò)誤是一種靜態(tài)的固定的錯(cuò)誤，因此主要用單拍或斷點(diǎn)運(yùn)行方式來(lái)調(diào)試。根據(jù)計(jì)算程序的功能，事先準(zhǔn)備好一組測(cè)試數(shù)據(jù)。調(diào)試時(shí)，用防真器的寫(xiě)命令，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入計(jì)算程序的參數(shù)緩沖單元，然后從計(jì)算程序開(kāi)始運(yùn)行到結(jié)束，運(yùn)行的結(jié)果和正確數(shù)據(jù)比較，如果對(duì)有的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，都沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤，則該計(jì)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(yùn)行方式，即可檢查出錯(cuò)誤所在。計(jì)算程序的修改視錯(cuò)誤性質(zhì)而定。若是算法錯(cuò)誤，那是根本性錯(cuò)誤，應(yīng)重新設(shè)計(jì)該程序；若是局部的指令有錯(cuò)，修改即可。如果用于測(cè)試的數(shù)據(jù)沒(méi)有全部覆蓋實(shí)際計(jì)算的原始數(shù)據(jù)的類型，調(diào)試沒(méi)有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤可能在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中暴露出來(lái)。對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換一類的I/O處理程序是實(shí)時(shí)處理程序，因此一般用全速斷點(diǎn)運(yùn)行方式或連續(xù)運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)試。在完成了各個(gè)模塊程序（或各個(gè)任務(wù)程序）的調(diào)試工作以后，便可進(jìn)行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試一般采用全速斷點(diǎn)運(yùn)行方式，這個(gè)階段的主要工作社排除系統(tǒng)中遺留的錯(cuò)誤以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和精度。在綜合調(diào)試的最后階段，應(yīng)在目標(biāo)系統(tǒng)的晶振頻率工作，使系統(tǒng)全速運(yùn)行目標(biāo)程序，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能技術(shù)