[免费论文]基于单片机温度控制系统设计(一)(2)
2013-06-24 01:10
导读：1．D7～D0：8位数字量输出引脚。 2．IN0～IN7：8路模拟量输入引脚。 3．VCC：+5V工作电压。 4．GND：接地。 5．REF（+）：参考电压正端。 6．REF（-）：参考电
1．D7～D0：8位数字量输出引脚。
2．IN0～IN7：8路模拟量输入引脚。
3．VCC：+5V工作电压。
4．GND：接地。
5．REF（+）：参考电压正端。
6．REF（-）：参考电压负端。
7．START：A/D转换启动信号输入端。
8．A、B、C：地址输入端。
9．ALE：地址锁存允许信号输入端。
10．EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
11．OE： 输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
12．CLK：时钟信号输入端，译码后可选通IN0～IN7八个通道中的一个进行转换。
表2-1 A、B、C的输入与被选通道的通道关系
被选中的通道 C B A
2.4运算放大器LM324
本次设计所用的运算放大器是LM324，而LM324的系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特点是短跑保护输出、真差动输入级、底偏置电流为最大100mA、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。运算放大器LM324的引脚图如图2-3：
图2-3运算放大器LM324的引脚图
由于本次设计中采集电路所采集到的信号值与我们所预期的结果有时会有很大的差距，因此信号值要被真实地反映出来，须采用放大电路进一步处理。按比例将信号放大的电路，称为比例运算放大电路，简称比例电路。对于比例电路，在实际应用中可分为以下几种，下面也做一些简单的介绍。
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1．反相比例放大器
如图2-4所示，集成运放的同相输入端通过电阻R接地，电阻与信号源串联，另一端接到运放的反相输入端，运放的输出端与反相输入端之间接有电阻，为保证集成运放输入级两边对称，
（2-2）
比例电路输出电压与输入电压之间的函数关系为：
（2-3）
（2-4）
图2-4 反向比例电路
注意：反相比例电路的特点是深度电压并联负反馈电路。因此，集成运放的反相输入端为“虚地”点，它的共模输入电压可视为零，对运放的共模抑制要求低；比例电路的输入电阻小，可视为，因此对输入电流有一定要求；输出电阻视为零，在适应不同大小负载的能力较强。
2．同相比例放大器
如图2-5所示，为同相比例电路，为保证电路输入对称仍要求：
（2-5）
输出电压与输入电压的函数关系为：
（2-6）
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（2-7）
图2-5 同相比例电路
注意：同相比例电路的特点是深度电压串联负反馈电路。电路的输入电阻很大，可达100M以上；输出电阻很小可视为零，因此有较强的带负载能力。由于，集成运放的共模抑制比要求较高，这是缺点。
2.5移位寄存器74LS164
移位寄存器74LS164的引脚如图2-6所示：
图2-6移位寄存器74LS164引脚图
74LS164为串行输入、并行输出移位寄存器，其引脚功能如下：
A、B —— 串行输入端；
Q0～Q7 —— 并行输出端；
—— 清除端，低电平有效；
CLK —— 时钟脉冲输入端，上升沿有效。
多片74LS164串联，能实现多位LED静态显示。每扩展一片164就可增加一位显示。MR接+5V，不清除。
2.6数码显示管LED
图2-7数码显示管LED引脚图
LED显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也是被广泛运用的。如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。
LED数码管作为显示字段的数码型显示器件，它是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符，常用的LED数码管有7段和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连在一起，通常此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极接在一起，通常此共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。本次设计所用的LED数码管显示器为共阳极。
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LED数码管的使用与发光二极管相同，根据材料不同正向压降一般为1.5～2V，额定电流为10MA，最大电流为40MA。静态显示时取10MA为宜，动态扫描显示可加大脉冲电流，但一般不超过40MA。
2.7数字温度计DS18S20
在传统的模拟信号远距离的温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术。另外考虑到一般的测量现场的电磁环境非常的恶劣，各种干扰信号较强，模拟信号很容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效的方案。在实际的温度测量过程中被广泛应用，同时也取得了良好的测量效果。
DS18S20数字温度计的主要特性：
1．DS18S20的适应电压范围更宽，其范围为：3.0-5.5V，而且它能够直接由数据线获取电源(寄生电源)，无需外部工作电源。
2．DS18S20提供了9位摄氏温度测量，具有非易失性、上下触发门限用户可编程的报警功能。
3．DS18S20通过1-Wire®总线与中央微处理器通信，仅需要单根数据线(或地线)。同时，在使用过程中，它不需要任何的外围的元件，全部的传感元件和转换电路集成在形状如一只三极管的集成电路内。
4．DS18S20具有-55°C至+125°C的工作温度范围，在-10°C至+85°C温度范围内精度为±0.5°C。
5．每片DS18S20具有唯一的64位序列码，这些码允许多片DS18S20在同一条1-Wire总线上工作，因而，可方便地使用单个微处理器控制分布在大范围内的多片DS18S20器件。
6．DS18S20的测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时还可以传送给CRC校验码，它具有极强的抗干扰纠错的能力。
7．DS18S20具有负载特性，当电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但是不能正常的工作。
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根据以上这些特性而从中受益的应用包括：HVAC环境控制、室内，设备或者机器内部的温度监测系统、过程监控和控制系统。
第3章电路设计
本设计采用按键作为输入控制，通过温度多采样单元采集温度信息，经过LM324放大器放大及ADC0809数模转换器将其转换，由主机AT89C51进行处理并将实际温度值和设定温度值分别显示在共阳极数码显示管LED上。
3.1单片机控制单元
单片机控制单元，如图3-1所示，包括按键控制电路，其中按键控制电路这一模块设置了：“设置”、“加1”、“右移”、“确定”四个按键，来实现人机对话。人为地设定温度门限值，使电路在人为设定的某一温度值相对稳定的工作。
图3-1 按键控制电路
3.2温度采样部分
温度采样单元，如3-2所示，用于采集被控对象的温度参数，它由温度电压转换、小信号放大及A/D转换三部分组成。其中，将温度转化为电量的温度电压转换由温度传感器-热敏电阻实现，小信号放大由桥式放大电路实现，A/D转换选择模数转换器ADC0809，将采集到的温度模拟信号转换为AT89C51能够处理的二进制数字信号。
图3-2 温度采样单元
温度传感器：
广义来讲，一切随温度变化而物体性质亦发生变化的物质均可作为温度传感器。例如，我们平常使用的各种材料、元件，其性质或多或少地都会随其所处的环境温度变化而变化，因而它们几乎都能作为温度传感器使用。但是，一般真正能作为实际中可使用的温度传感器的物体一般需要具备下述条件：
1．物体的特性随温度的变化有较大的变化，且该变化量易于测量。
2．对温度的变化有较好的一一对应关系，即对除温度外其他物理量的变化不敏感。
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3．性能误差及老化小、重复性好，尺寸小。
4．有较强的耐机械、
化学及热作用等的特点。
5．与被检测的温度范围和精度相适应。
6．价格适宜，适合于批量生产。
符合上述条件的常用温度传感器有热电偶、热电阻、光辐射温度计、玻璃温度计、半导体集成温度传感器等。
3.3模数转换部分
模数转换是将模拟输入信号转换为N位二进制数字输出信号的技术。采用数字信号处理能够方便地实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。与之相应的是，作为模拟系统和数字系统之间桥梁的模数转换的应用日趋广泛。为了满足市场的需求，各芯片制造公司不断推出性能更加先进的新产品、新技术，令人目不暇接。
3.3.1模数转换技术
本次设计还涉及到数模转换技术，而模数转换技术包括采样、保持、量化和编码四个过程。
1．采样就是将一个连续变化的模拟信号x(t)转换成时间上离散的采样信号x(n)。根据奈奎斯特采样定理，对于采样信号x(t)，如果采样频率fs大于或等于2fmax(fmax为x(t)最高频率成分)，则可以无失真地重建恢复原始信号x(t)。实际上，由于模数转换器器件的非线性失真、量化噪声及接收机噪声等因素的影响采样速率一般取fs=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度tw是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。
2．要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。
3．量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。
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4．编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。
3.3.2积分型模数转换器
积分型模数转换器称双斜率或多斜率数据转换器，是应用最为广泛的转换器类型。双斜率转换器包括两个主要部分：一部分电路采样并量化输人电压，产生一个时域间隔或脉冲序列，再由一个计数器将其转换为数字量输出。双斜率转换器由1个带有输人切换开关的模拟积分器、1个比较器和1个计数单元构成。积分器对输入电压在固定的时间间隔内积分，该时间间隔通常对应于内部计数单元的最大计数。时间到达后将计数器复位并将积分器输入连接到反极性(负)参考电压。在这个反极性信号作用下，积分器被“反向积分”直到输出回到零，并使计数器终止，积分器复位。
积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，但它们的精度可以做得很高，并且抑制高频噪声和固定的低频干扰(如50 Hz或60 Hz)的能力，使其对于嘈杂的工业环境以及不要求高转换速率的应用非常有效。
3.4显示部分
通过74LS164芯片将主机处理的温度信息显示在LED数码管上。图3-3则为温度控制系统的单片机显示部分。而显示部分在整个的设计过程中的作用也是很大的。
图3-3 温度显示电路
3.5 调节执行单元
调节执行单元，如图3-4所示，采用实时控制的方法，在主机AT89C51的P1.4口输出温度控制信号，由光电耦合器MOC3041（光电耦合器）和可控硅SCR组成。其中光电耦合器MOC3041的作用是将单片机系统与可控硅SCR电路隔开，避免在高压过程中的干扰信号影响单片机的运行；可控硅SCR的作用是相当于一个固态的触点，使之有能力开启或关断电炉，从而控制电炉通断，以实现对水温的实时控制。
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图3-4 调节执行单元
第4章 软件设计
4.1主程序流程图
系统的软件部分由主程序流程图、中断子程序流程图、按键流程图和显示流程图四部分组成。系统的主程序流程图如图4-1，当有信号输入时，主程序启动，根据内部设定的条件逐步运行，达到设计目的。
图4-1主程序流程图
4.2中断子程序流程图
图4-2为中断子程序的流程图，这个主要是为了保障整个软件程序在运行时可以达到中断，从而使系统进一步达到完善。
图4-2 中断子程序
4.3按键流程图
图4-3为系统的按键流程图。主要是通过人为的对外部按键的控制来调节系统的温度，从而实现系统对温度的手动和自动控制。
图4-3 按键流程图
4.4显示流程图
图4-4为系统的显示流程图。主要是通过对传输过来的信号进行显示后，给操作者提供提示。已达到为本系统提供对温度的显示和监控的目的。
图4-4 显示流程图
本章节主要讲的是单片机温度系统的软件设计部分的主要的流程图，这也是系统程序设计的基本设计思路，通过依照四部分的流程图进行设计，已达到对系统完整的运行，对温度的显示、监控和控制。
第5章 系统调试及结论分析
单片机应用系统样机组装好以后，便可进入系统的在线（联仿真器）调试，其主要任务是排除样机硬件故障，并完善其硬件结构，试运行所设计的程序，排除程序错误，优化程序结构，使系统达到期望的功能，进而固化软件，使其产品化。
5.1硬件调试
单片机应用系统的硬件和软件调试是交叉进行的，但通常是先排除样机中明显的硬件故障，尤其是电源故障，才能安全地和仿真器相连，进行综合调试。
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5.1.1硬件电路故障及解决方法
1．错线、开路、短路：由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的错线、开路、短路等故障。
解决方法：在画原理图时仔细检查、校正即可解决。
2．元器件损坏：由于对元器件使用要求的不熟悉及制作调试过程中操作不当致使器件损坏。
解决方法：在设计过程中要明确各元器件的工作条件，严格按照制作要求进行操作，损坏的元器件要及时更换，以免损坏其他元件或影响电路功能的实现。
3．电源故障：设计中存在电源故障，即上电后将造成元器件损坏、无法正常供电，电路不能正常工作。电源的故障包括：电压值不符和设计要求，电源引出线和插座不对应，各档电源之间的短路，变压器功率不足，内阻大，负载能力差等。
解决方法：电源必须单独调试好以后才能加到系统的各个部件中。本设计中就出现电源故障经过一个稳压电路才使其正常工作。
5.1.2硬件调试方法
本设计调试过程中所用的调试方法有：静态测试、联仿真器在线调试等。
1．静态测试
在样机加电之前，首先用万用表等工具，根据硬件电器原理图和装配图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。应特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查扩展系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互间的短路或与其它信号线的短路。第二步是加电后检查各个插件上引脚的电位，仔细测量各点电位是否正常，尤其应注意单片机插座上的各点电位，若有高压，联机时将会损坏仿真器。第三步是在不加电情况下，除单片机以外，插上所有的元器件，最后用仿真适配器将样机的单片机插座和仿真器的仿真接口相连，为联机调试做准备。
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2．联仿真器在线调试
测试RAM存储器：用仿真器写命令将一批数据写入样机中扩展的RAM，然后用读命令读出其内容，若对任意单元读出和写入内容一致，则扩展RAM和单片机的连接没有逻辑错误。若读出写入内存不一致，则可能是地址数据线短路，试写入不同的数据观察读出结果，或缩小对RAM的读写范围，检查对RAM中其它区域的影响，这样可初步对地址数据线短路错误定位，再用万用表、示波器等进一步确诊。
5.2软件调试
5.2.1软件电路故障及解决方法
设计软件部分出现这种错误的现象：
1．当以断点或连续方式运行时，目标系统没有按规定的功能进行操作或什么结果也没有，这是由于程序转移到意外之处或在某处死循环所造成的。
解决方法：这类错误的原因是程序中转移地址计算错误、堆栈溢出、工作寄存器冲突等。在采用实时多任务操作系统时，错误可能在操作系统中，没有完成正确的任务调度操作，也可能在高优先级任务程序中，该任务不释放处理器，使CPU在该任务中死循环。通过对错误程序的修改使其实现预期的功能。
2．不响应中断
CPU不响应中断或不响应某一个中断这种错误的现象是连续运行时不执行中断任务程序的规定操作，当断点设在中断入口或中断服务程序中时碰不到断点。
错误的原因有：中断控制寄存器（IE，IP）的初值设置不正确，使CPU没有开放中断或不许某个中断源请求；或者对片内的定时器、串行口等特殊功能寄存器和扩展的I/O口编程有错误，造成中断没有被激活；或者某一中断服务程序不是以RETI指令作为返回主程序的指令，CPU虽已返回到主程序但内部中断状态寄存器没有被清除，从而不响应中断；或由于外部中断源的硬件故障使外部中断请求无效。
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解决方法：修改中断控制寄存器（IE，IP）的初值设置。
3．结果不正确
目标系统基本上已能正常操作，但控制有误动作或者输出的结果不正确。这类错误大多是由于计算程序中的错误引起的。错误原因没有查明，没有解决。
5.2.2软件调试方法
软件调试所使用的方法有：计算程序的调试方法、I/O处理程序的调试法、综合调试法等。
1．计算程序的调试方法
计算程序的错误是一种静态的固定的错误，因此主要用单拍或断点运行方式来调试。根据计算程序的功能，事先准备好一组测试数据。调试时，用防真器的写命令，将数据写入计算程序的参数缓冲单元，然后从计算程序开始运行到结束，运行的结果和正确数据比较，如果对有的测试数据进行测试，都没有发生错误，则该计算程序调试成功；如果发现结果不正确，改用单步运行方式，即可检查出错误所在。计算程序的修改视错误性质而定。若是算法错误，那是根本性错误，应重新设计该程序；若是局部的指令有错，修改即可。如果用于测试的数据没有全部覆盖实际计算的原始数据的类型，调试没有发现错误可能在系统运行过程中暴露出来。
2．I/O处理程序的调试
对于A/D转换一类的I/O处理程序是实时处理程序，因此一般用全速断点运行方式或连续运行方式进行调试。
3．综合调试
在完成了各个模块程序（或各个任务程序）的调试工作以后，便可进行系统的综合调试。综合调试一般采用全速断点运行方式，这个阶段的主要工作社排除系统中遗留的错误以提高系统的动态性能和精度。在综合调试的最后阶段，应在目标系统的晶振频率工作，使系统全速运行目标程序，实现了预定功能技术指标后，便可将软件固化，然后在运行固化的目标程序，成功后目标系统便可脱机运行。一般情况下，这样一个应用系统就算研制成功了。
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5.3结论分析
通过对系统硬件的调试，进一步理解了水温控制系统的原理，同时也发现了问题，原设计电路缺乏对水温的实时控制，因此后加入调节执行单元，采用实时控制的方法，在主机AT89C51的P1.4口输出温度控制信号，由光电耦合器MOC3041和可控硅SCR组成。其中光电耦合器MOC3041的作用是将单片机系统与可控硅SCR电路隔开，避免在高压过程中的干扰信号影响单片机的运行；可控硅SCR的作用是相当于一个固态的触点，使之有能力开启或关断电炉，从而控制电炉通断，以实现对水温的实时控制。
第6章 总结与展望
6.1 总 结
近三个月的
毕业设计即将结束，这意味着我们的大学生活也要结束了，但我们的学习没有结束，在本次设计中，我们所学过的理论知识接受了实践的检验，增强我的综合运用所学知识的能力及动手能力，为以后的学习和工作打下了良好的基础。本文以AT89C51系列单片机为核心，用AT89C51单片机作为控制器件，温度信号通过热敏电阻和放大器转换成电信号，再由ADC0809转换成为数字信号，测温电路采用桥式电路，温度设定采用按键移位式设定方法，温度控制采用光耦和可控硅控制加热器。软件算法采用设定值和测量值相比较的算法。在单片机应用的基础上，实现了一种用带有E²PROM的AT89C51单片机控制传感器的自动化温度监控系统。
通过三个月的设计，我也有很深的感触：当今社会在飞速发展，科学技术发展的速度更是迅猛无比，尤其是单片机技术在未来社会发展中一定会起着十分重要的作用，而通过本次设计无论是从硬件实现还是到整个程序的完成，无不是对我个人专业能力的一次提高和体现。而本次设计主要是完成两方面工作，软件程序设计和硬件电路板设计。软件设计包括用单片机设计语言设计控制系统并仿真、实现。硬件设计包括绘制电路原理图，生成图后制作电路板、插件焊件、再做硬件测试。通过这些都使我对采用单片机设计方法有了更深的理解和掌握，同时也让我把所学的知识广泛的应用到了实践中，充分的做到了理论与实践相结合。无论从专业知识、动手能力，还是毅志品质，都使我受益非浅。当然，这与老师和同学的热心帮助也是分不开的。大学生活虽然结束了，但我们的学习还没有结束，只有不断学习，用知识充实自己的头脑，才能在未来社会有一席之地，才能为社会的发展做出应有的贡献，一句话：学无止境。
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6.2展望
单片为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用， 元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。据统计，我国的单片机年容量已达3 亿片，且每年以大约20%的速度增长，但相对于 世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩 具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。 所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。
目前，测温控温系统得到快速的发展，国外的测量控制系统已经成熟，产品也较多。近两年，国内也出现了许多高精度的温度控制系统产品，但相对于用户来说，价格还是偏高。而由于竞争越来越激烈，现在企业发展的趋势是如何最有效的提高生产效率，降低生产成本。寻求性能可靠、价格低廉，且应用广泛的元器件是生产过程的首先要考虑的问题，因此像本设计这种控制简单、精度较高、价格低廉的控制系统会有很好的发展前景，所以学好单片机技术也十分重要。
通过本次的设计，是我感觉到单片机的应用会越来越广泛，而且，在医疗事业的发展中，单片机也会越来越重要。以后的医疗服务会急速的向现代化，智能化方向发展，从而增加了安全性，减少了操作的繁琐性。学习并使用单片机为核心进行设计，将为我们电子工作者打开一扇通往电子设计新出路的大门。
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