基于AT89C51单片机的智能温度控制系统.doc

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1、武汉理工大学机电工程学院检测系统综合课程设计说明书基于AT89C51单片机的空调智能温控设计1前言目前，测控系统在工业生产中起着把关者和指导者的作用，它从生产现场到各种参数的获取，运用科学规律和系统工程的做法，综合有效地利用各种先进技术，通过自动手段和装备，使每个生产环节得到优化，进而保证生产规范化，提高产品质量，降低城北，满足需要，保证安全生产。传统的测控系统主要由“测控电路”组成，所具备的功能较少，也比较弱。随着计算机技术的迅速发展，使得传统的系统发生了根本性的变化，即采用微型计算机作为测控系统的主题和核心，代替传统测控系统的常规电子线路，从而成为新一代的微机化测控系统。目前，单片机在工业

2、控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。特别是其中的C51系列的单片机的出现，具有更好的稳定性，更快和更准确的运算精度，推动了工业生产，影响着人们的工作和学习。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会.而今，空调等家用电器随着生产技术的发展和生活水平的提高越来越普及，一个简单，稳定的温度控制系统能更好的适应市场。本次设计的温度控制电路是以AT89C518051单片机为控制核心来进行整体的设计。整个系统硬件部分包括AD590的温度采样电路，无线增益滤波器电路，AD0808的

3、数模转换器，按键电路，驱动电路，7段译码器，LED数码显示器，看门口电路，电源转换电路。在配合用汇编语言编制的程序使软件得以实现，实现空调温度智能转换的基本功能。本控制电路成本低廉，功能实用，操作简便，有一的实用价值。2设计目的及要求2.1本课程设计的目的 课程设计的主要目的是使学生们进一步了解检测系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对理论知识的理解，能运用所学的传感器原理智能仪器设计仪器仪表电路等专业知识设计测控系统各个单元，并组成系统。做到学有所成，并且能够充分的运用到现实的实践环节中。本次课程设计的题目是检测系统综合课程设计，其内容十分丰富，要求从电路、单片机、机械图、传感器等方面的知

4、识，将其综合的运用。设计的最终结果要求有一定的使用价值。2.2本课程设计的要求1从下列题目中选择一个自己的题目（1） 温度测控系统设计（2） 压力测控系统设计（3） 流量测控系统设计（4） 机械参量测量系统设计（5） 液位测量系统设计（6）成分测量系统设计2根据课程设计任务和要求，查找有关资料，翻译一篇外文资料。确定各设计单元方案。应按题目要求选构思方案，经过一定的计算确定具体参数。设计完成后，进行相应的物理实验或计算机仿真实验，验证系统设计的正确性，根据情况修改参数，反复进行。每个学生按照老师给出的题目独立完成设计任务。写出符合要求的设计说明书和绘制较高质量的电路原理图。3硬件电路设计3.1

5、空调温度控制的功能设计通过温度传感器对空气进行温度采集，将采集到的温度信号通过处理后传输给单片机，再由单片机控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动空调机的加热或降温循环对空气进行处理，从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况。空调温控器主要单片机，时序电路，温度采样电路，A/D转换电路，温度显示电路，温度输入电路，驱动电路等组成。系统原理图见图1所示： 80517段译码器数码管按键电路驱动电路温度采样电路继电器AD转换7段译码器数码管信号处理电路图1 空调机温度控制系统框图3.2 单片机 由于空调温度控制器的核心就是单片机，单片机的选择将直接关系到控制系统的工作是否有效和协调。本

6、设计采用MCS-51系列的8051单片机，因为8051单片机应用广泛，性能稳定，抗干扰能力强，性价比高。AT80C51包含了8位CPU，片内振荡器，4K字节ROM,128字节RAM,2个16位定时器，计数器，中断结构，I/O接口等。可进行计算，定时等一系列功能。其管脚图如下图2所示： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口， P0 口作为原码输入口，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口。 P3口也可作为AT

7、89C51的一些特殊功能口，如列所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。 图2 80C51管脚图3.3温度采样电路3.3.1AD590型温度传感器AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，AD590温

8、度感测器是一种已经IC化的温度感测器,它会将温度转换为电流,由于此信号为模拟信号，因此，要进行进一步的控制及数码显示，还需将此信号转换成数字信号。它的主要特性如下：(1)流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数；即： 式中： (1)Ir流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T热力学温度，单位为K。 (2)AD590的测温范围为-55+150；(3)AD590的电源电压范围为4V30V； 下列表表2分别表示温度与电压电流之间的关系表 AD590温度与电流之间的关系温度AD590电流经10K电压0273.2uA2.732A10283.2uA2.832A20293.2uA

9、2.932A30303.2uA3.032A40313.2uA3.132A50323.2uA3.232A60333.2uA3.332A70343.2uA3.432A80353.2uA3.532A90363.2uA3.632A100373.2uA3.732A表 ADC0809的输入与输出关系温度AD590电流opa1opa2opa3ADC输入ADC输出0273.2uA2.732A0V0V0V010283.2uA2.832A-0.1V1V1V5020293.2uA2.932A-0.2V2V2V10030303.2uA3.032A-0.3V3V3V15040313.2uA3.132A-0.4V4V4V

10、20050323.2uA3.232A-0.5V5V5V2503.3.2温度采样工作原理 因为AD590是将温度转换为电流，而单片机对电压信号更好测量，所以要将电流转化为电压，同时对电压信号进行放大后输入A/D转换ADC0808的VI-端口。 电流转化为电压表达式如下： (2) 由反相比例运算放大电路，根据“虚断”，“虚短”，集成运放净输入电压为零，净输入电流为零，净输入电流为零等推算出表达式为： (3) 最后由(1),(2),(3)得到： （4）图5为温度采样的电路图如右图所示：图3 温度采样电路3.3.3无限增益低通滤波电路 图4 无限增益低通滤波电路由温度传感器采集到的信号中可能夹有高频的

11、噪声信号和干扰信号，在经过放大后，这样的信号会对采集的结果和转换的结果产生很大的误差和不良的后果。无线增益低通滤波器既可以将高频信号除去，也可以起到放大的作用。其电路图如右图6所示，低通的频率为100HZ。放大倍数 Kp=-R3/R1 （1）频率 0=1/（C1*C2*R2*R3）0.5 (2)3.4 A/D转换电路由于温度是一种模拟信号，则由信号采集电路采集的信号是一种模拟信号，而且频率很低。但是单片机和电脑所识别的是具有高低电位的数字信号，这就要求在信号的处理中必须把模拟信号转换为数字信号从而输给单片机处理。3.4.1ADC0801介绍ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行

12、模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路 模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。各引脚功能如下： 15和2628（IN0IN7）：8路模拟量输入端。8、14、15和1721：8位数字量输出端。 22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 6（START）： AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 7（EOC）： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）

13、。 9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平， 才能打开输出三态门，输出数字量。 10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。12（VREF（+）和16（VREF（-）：参考电压输入端 11（Vcc）：主电源输入端。 13（GND）：地。 2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路输出端注意：out8为最低位-out1为最高位，out8-out1 分别接单片机的P0.0到P0.7端。3.4.2 A/D转换电路工作原理图5 二分频电路 A/D 转换电路如图3所示。ADC0808的A/D转换

14、结果输出端out8-out1与8051的P0.0-P0.7相连，EOC经反向后与P3.3口相连，EOC端用于给出A/D转换完成信号，所以通过查询P3.3便可以获知A/D转换是否完成。单片机的WR接ADC0808的START，来操作ADC0808的转换开始，当转换结束后由EOC变低电位在此次的设计中由于只有一路信号的输入，我选择的是从0路输入，所以在地址选择信号ABC三个引脚可以都直接的接地。图6 ADC0808连接电路由0808的CLK时钟的频率是640Khz，所以在必须从单片机的时钟脉冲进行分频后才行，在分频中，采用的是D触发器进行二分频。ADC0808时钟的二分频电路电路连接和ADC080

15、8的电路本身连接如图3、图4所示：3.5按健开关图 7温度设置按键按键开关电路由一按键连接到8051的P2.1端口所示。按下P2.1按键，放开后进入温度设定模式，显示设定最高温度34oC，每按一次设定温度将减小1oC，直至最低设定温度20oC，再按一次回到34oC。其电路图如下图所示：3.6温度显示电路3.6.1 LED驱动 74LS47 介绍：74LS47是一块BCD码转换成7段LED数码管的译码驱动IC，7447的主要功能是输出低电平驱动的显示码，用以推动共阳极7段LED数码管显示相应的数字。相应引脚功能如下：（1）QA,QB,QC,QD,QE,QF,QG:7段LED数码输出引脚。（2）A

16、，B，C，D ：输入引脚。（3）RBO，BT，LI 高电平输出有效。3.6.2 温度显示工作原理 温度显示电路如图7所示：由2片TTL7447和2片七段LED组成，LED采用共阳级接法。7447的QA-QG接BCD的a-g,段选信号由8051的P1口提供，LED显示数据由7447的输出决定,即由P1口信号的取值决定。图8 TTL7447 BCD显示电路3.7其它电路3.7.1压缩机驱动电路图9压缩机控制电路压缩机驱动控制，AT89C8051的RXD的引脚与一个限流电阻连接后再与一个三级管连接来驱动继电器从而达到控制压缩机电压的目的。二极管的母的是起一个保护的作用。3.7.2电源转换电路图10电

17、源电压转换电路在实际的应用中，单片机的电压5V电压和运放的15V电压都需要从外部的220V交流电源来供给。这就需要我们把220V的交流电转换为5V和15V的直流电。在本设计中，采用了简单实用的变压器，根据理想变压器原副边匝数比公式则可通过计算来调节参数达到转化为低压的目的。低压的交流信号再通过整流稳压等操作实现了交流向直流转换的要求了。其电路图如右图所示：3.7.3看门狗电路看门狗电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作.其工作原理是:看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平),这一程序语句是分散地放在单片机其他控

18、制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段 进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位。硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环，或者说PC指针不能回来。那么定时时间到后就会使单片机复位。常用的WDT芯片如MAX813 ,5045, IMP 813等等。本次设计用的是两个74来实现的。其电路

19、图如下图所示：图11看门口电路4系统软件设计4.1软件设计思路软件设计的任务包括启动A/D转换、读A/D转换结果、设置温度、温度控制等，其中启动A/D转换、读A/D转换结果、设置温度等工作在主程序中完成，温度控制在中断服务程序中完成，即每隔一段时间对比测量温度与设定温度之间的大小关系，根据对比结果给出控制信号，令压缩机的运行或停止，实现温度调控。4.2 程序流程主程序流程图如图11所示中断服务程序流程图12所示。开始系统初始化启动定时器启动A/D转换设置温度要设置温度吗？是否完成A/D转换？读入A/D转换结果显示处理，比较控制YNYN 图12主程序流程图保护现场重装定时初值设定温度测量温度？令

20、压缩机工作令压缩机停止工作中断返回YN图13中断服务程序流程图4.3 程序内容编写ORG 0000HJMP START0 ; 主程序 ORG 000BH ; 定时器/计数器0溢出中断JMP TIM0 ; 转中断程序ORG 0030H; 定时中断0入口地址START0: MOV TMOD,#01H; 设定定时器0工作方式1 MOV TH0 , #3CH; 50ms定时储值 MOV TL0,#0B0H; SETB TR0; 启动定时器0 MOV IE,#82H; 定时器0开放中断 MOV 24H,#0FFH; ANL P1,#00H; MOV R0,#14; 延时START: MOVX DPTR,

21、A; 启动A/D转换WR=0WAIT: JNB P2.1,SET0; 检测温度输入 JB P2.0,ADC; 检测转换是否完成 JMP WAIT; 没转换完成则等待ADC: MOVX A,DPTR; 将转换好的值送入ALCALL L1; 调用十进制转换子程序LCALL DISP; 调用显示子程序JMP START L1: MOV B,#100DIV ABMOV R3，AMOV A,#10XCH A,BDIV AB SWAP AORL A,BRET L2: MOV A,20H ADD A,20H; DA A; MOV 20H,A; MOV A,21H; ADDC A,21H; DA A; MOV

22、 21H,A; RETDISP: MOV A,20H; 显示程序 ANL A,#0F0H SWAP A; 交换高低位 MOV 22H,A MOV A,21H; ANL A,#0FFH SWAP A ; ORL A,22H; MOV 23H,A MOV P1,A; MOV R7,#0FFH; DJNZ R7,$; 是否显示完 RETSET0: LCALL DELAY; JNB P2.1,$; 等待按键操作 LCALL DELAY; 消除按键抖动A2: CJNE R0,#0FFH,A1; MOV R0,#14; 延时A1: MOV A,R0; MOV DPTR,#TABLE ; 数据指针指向表头

23、MOVC A,A+DPTR; 查表 MOV P1,A; MOV 24H,A; MOV R5,#4FH;D4: MOV R7,#0FFHD2: MOV R6,#0FFHD1: JNB P2.1,SET1; 有按键按下 转SET1 DJNZ R6,D1 DJNZ R7,D2 DJNZ R5,D4 JMP START; SET1: LCALL DELAY; JNB P2.1,$; 等待按键操作 LCALL DELAY; 消除抖动 DEC R0; JMP A2;TIM0: PUSH ACC; 保护现场 PUSH PSW MOV TH0,#3CH; 重装定时初值 MOV TL0,#0B0H CLR C

24、; 进位标志清0 MOV A,24H; 比较温度 SUBB A,23H; JNC OFF; CLR C; MOV A,24H; SUBB A,23H; JNC OFF; CLR P3.0; 压缩机停止工作RETURN: POP PSW POP ACC RETI ; 中断返回OFF: SETB P3.0; 压缩机开始工作 JMP RETURNDELAY: MOV R7,#60; 延时程序D3: MOV R6,#248 DJNZ R6,$ DJNZ R7,D3 RETTABLE: DB 20H,21H,22H,23H,24H; DB 25H,26H,27H,28H,29H DB 30H,31H,3

25、2H,33H,34H END5结论空调的发明和使用给人们的生活和工作带来了很大的便利。而空调的发展由原来的手动控制逐渐向智能控制发展，现在市场上很多的空调都已经实现了智能控制。空调的核心就是温度控制系统，温度控制系统的核心就是单片机。单片机因为成本低，功能稳定，而大量应用于各个领域。本论文用MCS-51系列的8051单片机做成空调温度控制器，通过温度采集，A/D转换，CPU控制，然后通过数码管显示等一系列硬件功能和软件功能，共同完成温度的智能控制。由于MCS-51单片机技术成熟，应用广泛，而且比其他单片机简单,通过此单片机做成的空调温度控制器成本低廉，操作简便，有一定的实用性。但由于本人知识不

26、全面和能力的不足，只能对部分温度进行处理，控制精度不高，节能性能不好，反映速度不快等问题等待解决，离成熟还有一段距离。但通过作这次的测控综合课程设计，让我把所学的知识融会贯通，对单片机，汇编语言有了更深的理解，同时学到了更多的知识，对自身能力有了很大的提高。最重要的是不仅仅让自己学会了合作，也从这次的课设里学到了很多以前没有学到的东西，觉得丰富了自己。6.致谢在本论文的完成过程中，首先要感谢我的指导老师李威宣老师，在他的悉心指导和帮助下，才能顺利完成这次设计。李老师为论文的课题研究提供了很多指导性意见，对论文的撰写，修改提供了许多具体的指导和帮助。在此，衷心表示感谢！此外还要感谢我的黄莎同学和

27、寝室室友，他们在学习上给予了很多无私的帮助，值此机会，我向你们说声谢谢！7.参考文献1 何立民. 单片机应用系统设计M.北京：清华大学出版社，20052 吴金戎. 8051单片机实践与应用M.北京:清华大学出版社，20053 胡斌.图表细说电子元器件M.北京：电子工业出版社，20054 王福瑞.单片微机测控系统设计大全M.北京：电子工业出版社，20065 姜志海.电片机原理及应用M.北京：电子工业出版社，20056 黄正祥，邓怀雄，郭延文，周书. 基于MCS-51单片机的温度控制系统J.现代电子技术，2005，6：20-217李伙友.基于MCS-51的温度控制器的设计J.龙岩学院学报，2006

28、，24(6):16-188关平，刘红，林强.可实现的基于MCS-51单片机的恒温控制系统的设计J.自动化技术与应用，2008，27(10)：108-110张靖武，周灵彬单片机系统的设计与仿真北京：电子工业出版社，8.译文The Introduction of AT89C51Microcontrollers are used in a multitude of commercial applications such as modems, motor-control systems, air conditioner control systems, automotive engine and a

29、mong others. The high processing speed and enhanced peripheral set of these microcontrollers make them suitable for such high-speed event-based applications. However, these critical application domains also require that these microcontrollers are highly reliable. The high reliability and low market

30、risks can be ensured by a robust testing process and a proper tools environment for the validation of these microcontrollers both at the component and at the system level. Intel Plaform Engineering department developed an object-oriented multi-threaded test environment for the validation of its AT89

31、C51 automotive microcontrollers. The goals of thisenvironment was not only to provide a robust testing environment for the AT89C51 automotive microcontrollers, but to develop an environment which can be easily extended and reused for the validation of several other future microcontrollers. The envir

32、onment was developed in conjunction with Microsoft Foundation Classes (AT89C51). The paper describes the design and mechanism of this test environment, its interactions with various hardware/software environmental components, and how to use AT89C51.The 8-bit AT89C51 CHMOS microcontrollers are design

33、ed to handle high-speedcalculations and fast input/output operations. MCS 51 microcontrollers are typically used for high-speed event control systems. Commercial applications include modems,motor-control systems, printers, photocopiers, air conditioner control systems, disk drives,and medical instru

34、ments. The automotive industry use MCS 51 microcontrollers in engine-control systems, airbags, suspension systems, and antilock braking systems (ABS). The AT89C51 is especially well suited to applications that benefit from its processing speed and enhanced on-chip peripheral functions set, such as a

35、utomotive power-train control, vehicle dynamic suspension, antilock braking, and stability control applications. Because of these critical applications, the market requires a reliable cost-effective controller with a low interrupt latency response, ability to service the high number of time and even

36、t driven integrated peripherals needed in real time applications, and a CPU with above average processing power in a single package. The financial and legal risk of having devices that operate unpredictably is very high. Once in the market, particularly in mission criticalapplications such as an aut

37、opilot or anti-lock braking system, mistakes are financiallyprohibitive. Redesign costs can run as high as a $500K, much more if the fix means 2 back annotating it across a product family that share the same core and/or peripheral design flaw. In addition, field replacements of components is extremely expensive, as the devices are typically sealed in modules with a total value several times that of the component. To mitigate these probl