MCS51单片机机应用于温度控制器本科生毕业设计

目录

1 前言 (3)

2 温度控制器的技术参数 (4)

3 系统设计方案的论证 (5)

3.1 方案比选 (5)

3.2 方案说明 (6)

4 控制系统设计 (7)

4.1 系统的工作原理 (7)

4.2 硬件电路设计 (7)

4.3 系统软件设计 (13)

5 调试，安装，运行 (24)

5.1 系统硬件调试 (24)

5.2 系统软件调试 (24)

6 小结 (25)

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

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2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

MCS51单片机机应用于温度控制器

摘要：本文论述了采用单片机控制的智能温度控制器，使用AT89C4051单片机、ADS7844E AD转换芯片、HT1621B液晶显示驱动芯片及液晶显示器，实现温度的测量、输出控制及显示功能。

关键字：单片机、AD转换，液晶显示及其驱动

1 前言

模拟电路温度控制器存在电路复杂、功能简单和调试不方便的问题，随着电子技术的快速发展，超大规模集成电路的技术越来越成熟，制造成本越来越低，单片机在军事、工业、通讯、家用电器、智能仪表等领域的应用越来越广泛，使产品的功能、精度和质量大幅度提高；同时，电路的设计更简单、故障率低、可靠性高、成本低；特别是近几年来Flash技术的发展，使单片机系统的开发周期大大缩短，开发成本大幅降低，使用单片机控制的智能仪表是仪表领域发展的必然趋势。本文论述了采用ATMEL公司的AT89C4051单片机和美国Burr-Brown公司的ADS7844E模-数转换芯片以及HOLTEK公司的HT1621B液晶显示驱动芯片设计的LCD显示智能温度控制器。

本系统实现了模拟温度数据采集、模拟量到数字量转换、软件对温度信号进行非线性校正,单片机数据运算及逻辑处理、LCD显示、键盘处理及继电器输出控制功能。

本文主要介绍了智能温度控制器的功能和设计的过程。重点说明电路设计、软件设计。

2 温度控制器的技术参数

本系统采用ATMEL公司的AT89C4051单片机和美国Burr-Brown公司的ADS7844E模-数转换芯片以及HOLTEK公司的HT1621B液晶显示驱动芯片设计，实现了模拟温度数据采集、模拟量到数字量转换、单片机数据运算及逻辑处理、LCD 显示、键盘处理及继电器输出控制功能，主要技术参数见表1

表1 主要技术参数表

3 系统设计方案的论证

本章主要叙述温度控制器的设计方案。

3.1 方案比选

随着电子技术的发展，温度控制器的设计方案经历了模拟电路温度控制器、模拟量测量加数字显示、单片机温度控制器的发展过程；在单片机温度控制器的设计方案中，又发展出各种智能型的温度控制器方案，如：高AD转换的精度，PID 调节控制输出、PID + 模糊控制等。本次设计着重锻炼自己的动手能力，熟悉单片机的使用，具体提出如下设计方案：

方案一：采用8031单片机作为控制核心，以最普通的器件ADC0809作数模转换，以继电器作为控制输出。此方案简单可行，造价低廉，但由于8031没有片内ROM，需要扩展程序存储器，增加了电路的复杂性，并且由于0809是8位的数模转换电路，在温度测量范围很小时，测量精度还能满足要求，当测量温度范围稍宽时，测量的精度就不能实际应用的要求。

方案二：采用片内带Flash存储器MCS51系列单片机作为控制核心，采用12位数模转换电路，以继电器作为控制输出。由于采用了12位的ADC转换芯片，转换范围从0到4096，当温度范围要求为0-1000℃时，每一位表示约为0.25℃，考虑到ADC转换芯片的转换精度±1LSB及运算放大器的误差，测量精度理论上可到0.5℃，可以满足一般的控制要求。

方案三：目前许多单片机生产商推出了自带ADC转换，FLASH存储器、EEPROM 的产品，如美国Analog Devices公司AduC812内部带12位的ADC转换，如果采用AduC812单片机作为控制核心，则系统外围电路比较简单且能够达到控制精度要求，但是成本较高。

本系统采用方案二，温度控制器所需要的IO数量不多，程序量不是很大（不考虑PID调节控制输出），为了节省单片机的IO口，选用12位串行口数模芯片ADS7844E，单片机使用AT89C4051，片内程序存储器空间为4K，15条IO。

3.2 方案说明

系统中设计了一个EEPROM存储器来保存设置参数，目前市面上常用的EEPROM 用AT25010存储器可以节省IO端口。

显示器件常用的有LED数码管显示器件、LCD显示器件。LED数码管显示器件具有亮度大，寿命长等特点，但需要较大的驱动电流；LCD显示器件成本低、功耗小，但需要专用的驱动电路以及亮度低；本方案的显示器件采用6位字符液晶显示器，驱动芯片采用HOK公司的HT1621B。

4 控制系统设计

控制系统设计主要包括系统工作原理、系统硬件设计和系统软件设计。系统软件设计主要包括软件结构、各子程序流程及具体代码设计；下面分别介绍各部分的设计过程

4.1 系统的工作原理

系统功能框图如图1所示

系统的工作原理是：电桥将温度传感器Pt100的温度信号转换为与温度相关的电压信号，经过两级运算放大后进入ADC转换；CPU读取ADC转换结果，经过运算转换为显示的温度字符，控制LCD驱动器来显示温度值，另外，CPU将测量出的温度值与系统设定的温度值相比较，根据不同的控制模式来控制继电器的输出，系统中的按键用来设定系统工作参数，电源电路主要为各电路提供工作电源。

系统中需要保存的参数有：设定温度值、回程差值（防止温度到达设定值时输出振荡）、加热或制冷工作模式（0表示加热模式，1表示制冷工作模式）、温度测量范围、温度校正值、温度校正符号等。由于温度测量范围、温度校正值、温度校正符号用于系统调试校正，此参数不能由用户随便修改，所以在修改这些参数前必须先输入一个密码（默认为1234）后系统才显示这些参数，建议用户不要修改此类参数。

本系统采用了四个按键，功能分别为：加键、移位键、功能键、保存键。按下功能键可循环显示系统各项参数，通过加键和移位键组合可对各项参数进行修改，按下保存键后，CPU将修改后的参数写到EEPROM中，系统重新上电后CPU将调用EEPROM中的参数（如果不对数据进行保存时，系统重新上电后将调用以前设置的参数）。

4.2 硬件电路设计

温度控制器电路主要包括：CPU电路、温度信号调理电路、ADC转换电路、液

晶显示及驱动电路、电源电路及控制输出电路；

4.2.1 CPU电路

CPU电路主要是CPU、数据存储器及晶振电路。CPU采用美国ATMEL公司的MCS51系列单片机AT89C4051，管脚图如图2所示，它具有以下标准功能：4K字节FLASH 闪速存储器，128字节内部RAM，15个IO口，两个16位定时计数器，5个中断向量（两种优先级），一个全双工串行通信接口，内置一个精密模拟比较器，片内振荡器及时钟电路。AT89C4051的功能框图如图3所示。CPU的端口资源分配见表2：

表2:CPU的端口资源分配表

注：由于P1.0及P1.1内部不带上拉电阻，使用时在此两脚上需要接上拉电阻，电阻阻值按10K选取数据存储器采用美国ATMEL公司AT25010 EEPROM。AT25010通过SPI接口与CPU进行数据交换，端口连接见表1。

时钟采用12M晶体振荡器，负载电容按22p选取。

4.2.2温度信号调理电路

本设计温度传感器采用Pt100，温度信号由电桥电路输出后，经过两级放大后进入ADC转换。

1、Pt100传感器介绍

Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，其温度阻值对应关系为：0℃≤t≤850℃时，Rt=R0（1+At+Bt2）式中，A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；R0=100。

Pt100温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200℃～+850℃；热响应时间<30s；允通电流≤5mA。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

2、电桥采集数据的电路图及原理

Pt100电桥电路如图4、图5所示。其中，R10﹑R11﹑R14﹑Rt组成电桥，R10=R11= 10R0, R14=R0。电桥采用TL431组成恒流源供电，为了避免流过Pt100传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大，取Im=1mA。

设流过R14的电流为I1，流过R t的电流为I2，由于恒流源的电流为1mA，所以有：

I1+I2 = 1； (1)

I1I2=（10R0+R t）11R0 (2)

R t=R0（1+At+Bt2） (3) A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；R0=100

当温度较低时，I1I2≈1，所以有：

V i=I2R t-I1R0≈0.5(R t-R0) (4)

又因为△R= R t-R0 = R0（At+Bt2），所以：

V i≈0.5*R0（At+Bt2）≈0.5*R0*A*t =0.195*t (mV) （5）由公式（5）可知，温度较低时，Pt100传感器的线性度良好；当温度较高时，Pt100传感器的线性度变差，此时有

V i= 10R0(At+Bt2)(22+At+Bt2)（mV）（6）

软件校正采用最小二分法分段校正：将整个测量范围按每50℃为一段，共分为8段，求出每一段的校正函数分别为：（求解方法采用Excel中的SLOPE函数及

INTERCEPT函数）

0~50℃： T0 = 0.89*T – 0.10

50~100℃： T0 = 0.92*T – 1.44

100~150℃： T0 = 0.95*T – 4.28

150~200℃： T0 = 0.98*T – 8.80

200~250℃： T0 = 1.01*T – 15.11

250~300℃： T0 = 1.04*T – 23.45

300~350℃： T0 = 1.08*T – 34.16

350~400℃： T0 = 1.12*T – 47.65

温度的计算方法：T=ADC转换结果*量程4096，将T的值代入校正函数中，求出校正后的温度值T0。

3、误差分析

（1）Pt100传感器的非线性产生的误差

Pt100的温度函数为R t=R0（1+At+Bt2），由此可见Pt100的阻值与温度的函数不是线性关系，不考虑其它因素带来的误差，由于Pt100传感器的非线性，在0-400℃的范围内，可产生约12℃的误差，在实际测量中，用非线性校正程序可以减少由此带来的误差。

（2）AD转换器非线性带来的误差

在实际应用中会发现，对同一模拟输入信号Vi，经AD转换得出的数字量会有±1位的跳变，这是由AD转换器的判断误差造成的。AD转换器的一位跳变对应的电压值，即为该12位AD转换器的分辨率0.00122V=1.22mV，将会产生温度误差。

（3）AD转换器参考电压Vref带来的误差

在比较转换过程中，Vref的变化会对输出的二进制代码有影响。在模拟输入信号不变的情况下，若Vref变大，会导致输出的二进制代码变小；反之，则变大，从而导致了温度误差。

4、注意事项与结论

由上面的分析可得，为了提高温度测量的准确性， AD转换器的5V参考电源要稳定在mV级；在价格允许的情况下，Pt100传感器﹑AD转换器和运放的线性度要高。同时，利用软件矫正其误差，可以使测得温度的精度在±0.5℃。

4.2.3 ADC转换电路

本方案的ADC转换采用Burr－Brown公司的ADS7844E，它是推出的一种高性能、宽电压、低功耗的12bit串行模数转换器。它有8个模拟输入端,可用软件编程为8通道单端输入AD转换器或4通道差分输入AD转换器,其转换率高达200KHz,而线性误差和差分误差最大仅为±1LSB。ADS7844在电源电压为2.7V~5V之间均能正常工作,最大工作电流为1mA,进入低功耗状态后的耗电仅3μA。ADS7844通过串行接口与CPU进行通信,而且接口简单方便。ADS7844E的引脚排列如图6所示，引脚与其它电路的连接见表3。

ADS7844E的引脚功能：CH0~CH7：模拟输入端,当器件被设置为单端输入时,这些引脚可分别与信号地COM构成８通道单端输入AD转换器；当器件被设置为差分输入时,利用CH０~CH1、CH2~CH3、CH4~CH5和CH6~CH7可构成4通道差分输入AD转换器

COM：信号地

VREF：参考电压输入端,最大值为电源电压

CS：片选端,低电平有效,该脚为高电平时,其它数字接口线呈三态

DCLK：外部时钟输入端,在时钟作用下,CPU将控制字写入ADS7844E,并将转换结果从中读出

DIN：串行数据输入端,在片选有效时,控制字在DCLK上升沿被逐位锁入

ADS7844E

DOUT：串行数据输出端,在片选有效时,转换结果在DCLK的下降沿开始被逐位从ADS7844E移出

BUSY：“忙”信号输出端,在接收到控制字的第一位数据后变低,只有在转换结束且片选有效时,该脚才输出一个高脉冲

SHDN：电源关闭端,低电平有效。当SHDN为低电平时,ADS7844E进入低功耗状态

VCC,GND：分别为电源端和数字地。

表3: ADS7844E引脚连接表

4.2.4 液晶显示及驱动电路

HT1621B是128 点内存映象和多功能的LCD驱动器，HT1621B 的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合，包括LCD模块和显示子系统，用于连接主控制器和HT1621的管脚只有4 或5 条，HT1621 还有一个节电命令用于降低系统功耗。

HT1621B的引脚功能及与其它电路的连接见表4：

表4: HT1621B的引脚功能及与其它电路的连接表

4.2.5 电源电路

4.3 系统软件设计

4.3.1 软件结构设计

温控器软件主要包括主程序模块、定时器中断处理模块、LCD显示处理模块、ADC转换模块和键盘处理模块。定时器中断处理模块主要产生时间事件，其中200ms 事件用于读取键盘的健值，500ms为ADC转换事件。主程序模块循环判断系统是否有事件发生，当发生200ms事件时，调用键盘处理子程序、LCD显示刷新子程序。当发生500ms事件时，调用ADC转换子程序及LCD显示刷新子程序。主要模块调用关系如图6所示

4.3.2 系统程序流程图设计

1、主程序流程图

2、键盘处理流程

功能：显示相应页面以及修改系统参数

输入：键值

输出：修改显示缓冲器数据及系统参数

寄存器分配：寄存器组1，各子程序具体分配情况见子程序说明。

调用子程序：页面处理子程序(Pagehandle)、加键处程序(Uphandle)、保存数据子程序(Savehandle)、移位处理子程序(Shifthandle)

父函数：主程序

3、ADC转换处理流程

功能：启动ADC转换、读取ADC转换结果、进行温度校正、比较、继电器控制输出

输入：无

输出：温度值显示值、继电器控制输出

寄存器分配：寄存器组3，各子程序具体分配情况见子程序说明。

调用子程序：启动ADC转换子程序(Start_Adc)、读转换结果程序(ReadADC)、求平均值子程序(Average)、二进制温度转BCD码子程序(Bin_Temp_BCD)、温度校正子程序(TempAdjust)、温度比较子程序(TempCopmare)

父函数：主程序

4、定时器中断处理程序流程

功能：产生定时事件

输入：无

输出：时间事件

寄存器分配：寄存器组1。

调用子程序：读取键值子程序(Getkeyvalume)、定时器初始化子程序

父函数：无

4.3.3 系统程序设计

目前许多公司在生产单片机的同时，都会推出自己的编译系统，并且许多编译系统都会支持C语言、汇编语言或两种语言的混合编程；本系统采用汇编语言编程，使用Keil C51编译。由于程序的篇幅较长，下面主要介绍主程序及二进制温度转换为BCD温度值子程序，其它程序请查阅附录中的程序清单。

1、主程序清单

ORG 0000H ；复位入口

JMP PROGRAME_STAR ；程序开始

ORG 0003H ；外部中断0入口

RETI ；

ORG 000BH ；定时0中断入口

AJMP TIME0_INT ；

ORG 0013H ；外部中断1入口

RETI ；

ORG 001BH ；定时1中断入口

RETI ；

ORG 0023H ；串口中断入口

RETI ；

ORG 0060H ；程序起点

PROGRAME_STAR:

MOV SP , #STACK ；设置堆栈

MOV PSW , #(0 SHL 3) ；使用寄存器组0

MOV R0 , #10H ；清内存的开始地址

MOV R1 , #50H -1 ；设置清除内存计数

MOV A , #00H ；

MAIN0:

MOV R0 , A ；内存清零

INC R0 ；

DJNZ R1 , MAIN0 ；

ACALL DEVICE_INIT ；设备初始化

MOV IE ,#82H ；开中断

MAINLOOP:

ACALL WDRESET ；看门狗复位

MOV A , TIMEEVENT ； 200ms事件标志, 处理键盘事件

ANL A , #EVT_MS200 ； A和#EVT_MS200做与运算,取出200ms事件标志位 JZ MAIN1 ； 200ms事件标志位为0时跳到MAIN1

MOV A , #EVT_MS200 ；

CPL A ；

ANL TIMEEVENT , A ；清除200ms事件标志

MOV A , KEYOVER ；键盘处理完标志

JNZ MAIN3 ； ********************

MOV A , KEY_VALUE ；取键值

JZ MAIN3 ；键盘值为0时跳出**********

ACALL KEYHANDLE ；处理键盘事件

AJMP MAIN3 ； ***********************

MAIN1:

MOV A , TIMEEVENT ； 500ms事件标志处理ADC转换

ANL A , #EVT_MS500 ； A和#EVT_MS500做与运算,取出500ms事件标志位 JZ MAIN4 ； 500ms事件标志位为0时跳到MAIN4

MOV A , #EVT_MS500 ；

CPL A ；

ANL TIMEEVENT , A ；清除500ms事件标志

LCALL ADCCONVERT ；调用ADC转换子程序

MAIN3:

ACALL REFESHLCD ；刷新LCD

MAIN4:

SETB CSLCD ； LCD控制芯片片选信号拉高

SETB CSADC ；置位AD7844E 片选

SETB CSE2ROM ；置位AT25010 片选

AJMP MAINLOOP ；主循环

2、二进制温度转换为BCD温度值子程序

;二进制温度转换为BCD温度值子程序

;输出:无

;输入:无

;寄存器组: 第 3 组

; 温度值=ADC转换结果(BIN) * 量程值4096

BIN_TEMP_BCD:

MOV PSW , #(3 SHL 3) ; 使用寄存器组3

MOV R6 , RANGE ; 将BCD码量程值转换为二进制数 MOV R7 , RANGE+1 ;

LCALL BCDTOBIN ;

MOV R0 , #TEMP_VALUE ; 温度转换后的存储地址

MOV R6 , TEMP_BINL ; 取二进制温度低位

MOV R7 , TEMP_BINH ; 取二进制温度高位

LCALL MUL16 ; 调用16进制乘法

;以下程序根据第一次转换的结果查表取出校正函数

MOV A , TEMP_VALUE+1 ; 取二进制温度高位

ANL A , #0F0H ;

SWAP A ;

MOV R6 , A ;

MOV A , TEMP_VALUE+2 ; 取二进制温度高位

ANL A , #0F0H ;

SWAP A ;

MOV R7 , A ;

MOV A , TEMP_VALUE+2 ; 取二进制温度高位

ANL A , #0FH ;

SWAP A ;

ADD A , R6 ;

MOV R6 , A ;R6，R7分别存放二进制温度的低位和高位 LCALL BINTOBCD ; 调用二进制转换为BCD码

MOV A , R5 ; 去掉转换结果的千位

ANL A , #0FH ; TEMP_BCDH 存放结果的百位和十位

SWAP A ;

MOV R5 , A ;

MOV A , R4 ;

ANL A , #0F0H ;

SWAP A ;

ADD A , R5 ;

MOV R6 , A ;

MOV R7 , #00H ;

LCALL BCDTOBIN ;

MOV DPTR , #DIVCODE00 ; 查表地址

MOV A , R4 ; 偏移地址

MOVC A , A+DPTR ;

MOV R5 , A ;

RL A ; 偏移地址*2

MOV DPTR , #INTERCEPT0 ; 查表地址

MOVC A , A+DPTR ;

MOV BINRANGE+1 , A ; 校正值高位

INC DPTR ;

MOV A , R5 ;

RL A ;

MOVC A , A+DPTR ;

MOV BINRANGE , A ; 校正值低位

MOV DPTR , #DIVCODE00 ; 查表地址

MOV A , R4 ; 偏移地址

MOVC A , A+DPTR ;

MOV DPTR , #SLOPECODE ; 查表地址

MOVC A , A+DPTR ; 斜率值

;以下是将(ADC转换结果(BIN) * 量程值 ) *斜率

MOV R4 , A ;

MOV B , TEMP_VALUE ;

MUL AB ; TEMP_VALUE*斜率

MOV TEMP_VALUE , A ;

MOV R3 , B ; R3 乘积的高位暂存 CLR C ;

MOV A , R4 ;

MOV B , TEMP_VALUE+1 ;

MUL AB ; (TEMP_VALUE+1)*斜率 ADD A , R3 ;

MOV TEMP_VALUE+1 , A ;

MOV A , B ;

ADDC A , #00H ;

MOV R3 , A ;

CLR C ;

MOV A , R4 ;

MOV B , TEMP_VALUE+2 ;

MUL AB ; (TEMP_VALUE+2)*斜率 ADD A , R3 ;

MOV TEMP_VALUE+2 , A ;

MOV A , B ;

ADDC A , #00H ;

MOV R3 , A ;