基于80C51单片机温度控制系统的研究.docx
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基于80C51单片机温度控制系统的研究
第一章绪论 2
1.1 选题背景 2
第二章 设计方案 2
2.1温度传感器的选择 3
2.2湿度传感器的选择 3
2.3信号采集通道的选择 3
第三章 系统总体设计 3
3.1 信号采集 4
3.1.1 温度传感器 4
3.1.2湿度传感器 6
3.2 信号分析与处理 9
3.2.1 A/D转换 10
3.2.2单片机8051 13
3.3显示与报警的设计 15
3.3.1显示电路 15
3.3.2报警电路 16
第四章 软件设计 17
第一章 绪论
1.1 选题背景
温湿度检测传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材,通过人工进行检测,对不符合温度和湿度要求的场所进行通风、去湿和降温等工作。
这种人工测试方法费时费力、效率低,且测试的温度及湿度误差大,随机性大,因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。
设计过程及工艺要求
一、基本功能
~检测温度、湿度
~显示温度、湿度
~过限报警
二、主要技术参数
~ 温度检测范围:
-30℃-+50℃
~ 测量精度:
0.5℃
~ 湿度检测范围:
10%-100%RH
~ 检测精度:
1%RH
~ 显示方式:
温度:
四位显示 湿度:
四位显示
~ 报警方式:
三极管驱动的蜂鸣音报警
第二章 设计方案
当将单片机用作测控系统时,系统总要有被测信号懂得输入通道,由计算机拾取必要的输入信息。
对于测量系统而言,如何准确获得被测信号是其核心任务;而对测控系统来讲,对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。
传感器是实现测量与控制的首要环节,是测控系统的关键部件,如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换,一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制,几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量,使设备和系统正常运行在最佳状态,从而保证生产的高效率和高质量。
2.1温度传感器的选择
采用AD590,它的测温范围在-55℃~+150℃之间,而且精度高。
M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会损坏。
使用可靠。
它只需直流电源就能工作,而且,无需进行线性校正,所以使用也非常方便,借口也很简单。
作为电流输出型传感器的一个特点是,和电压输出型相比,它有很强的抗外界干扰能力。
AD590的测量信号可远传百余米。
2.2湿度传感器的选择
测量空气湿度的方式很多,其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化,间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
采用HS1100/HS1101湿度传感器。
HS1100/HS1101电容传感器,在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
不需校准的完全互换性,高可靠性和长期稳定性,快速响应时间,专利设计的固态聚合物结构,由顶端接触(HS1100)和侧面接触(HS1101)两种封装产品,适用于线性电压输出和频率输出两种电路,适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
相对湿度在1%---100%RH范围内;电容量由16pF变到200pF,其误差不大于±2%RH;响应时间小于5S;温度系数为0.04pF/℃。
可见精度是较高的。
2.3信号采集通道的选择
在本设计系统中,温度输入信号为8路的模拟信号,这就需要多通道结构。
采用多路分时的模拟量输入通道。
这种结构的模拟量通道特点为:
对ADC、S/H要求高。
处理速度慢。
硬件简单,成本低。
软件比较复杂。
图2-1多路分时的模拟量输入通道
第三章 系统总体设计
本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号,和A/D模拟数字转换芯片的性能,我设计了以8051基本系统为核心的一套检测系统,其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。
图3-1 系统总体框图
本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。
(一)信号采集 由AD590、HS1100及多路开关CD4051组成;
(二)信号分析 由A/D转换器MC14433、单片机8051基本系统组成;
(三)信号处理 由串行口LCD显示器和报警系统等组成。
3.1 信号采集
3.1.1 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。
根据特性分挡,AD590的后缀以I,J,K,L,M表示。
AD590L,AD590M一般用于精密温度测量电路,其电路外形如图3-2所示,它采用金属壳3脚封装,其中1脚为电源正端V+;2脚为电流输出端I0;3脚为管壳,一般不用。
集成温度传感器的电路符号如图3-2所示。
图3-2AD590外形(图1)及电路符号(图2)
1、流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,即:
IT/T=1μA/K
式中:
IT——流过器件(AD590)的电流,单位μA。
T——热力学温度,单位K。
2、AD590的测温范围-55℃-+150℃。
3、AD590的电源电压范围为4V-30V。
电源电压可在4V-6V范围变化,电流IT变化1μA,相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会损坏。
4、输出电阻为710MΩ。
5、精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档,其中M档精度最高,在-55℃~+150℃范围内,非线形误差±0.3℃。
图3-3 AD590应用电路
一、摄氏温度测量电路
如图3-3所示,电位器R2用于调整零点,R4用于调整运放LF355的增益。
调整方法如下:
在0℃时调整R2,使输出V0=0,然后在100℃时调整R4使V0=100mV。
如此反复调整多次,直至0℃时,V0=0mV,100℃时V0=100mV为止。
最后在室温下进行校验。
例如,若室温为25℃,那么V0应为25mV。
冰水混合物是0℃环境,沸水为100℃环境。
二、多路检测信号的实现
本设计系统为八路的温度信号采集,而MC14433仅为一路输入,故采用CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路,其硬件接口如图3-4所示
图3-4八路分时的模拟量信号采集电路硬件接口
3.1.2湿度传感器
测量空气湿度的方式很多,其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化,间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
下面介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用。
一、特点
不需校准的完全互换性,高可靠性和长期稳定性,快速响应时间,专利设计的固态聚合物结构,由顶端接触(HS1100)和侧面接触(HS1101)两种封装产品,适用于线性电压输出和频率输出两种电路,适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
图3-5a为湿敏电容工作的温、湿度范围。
图3-5b为湿度-电容响应曲线。
DTL/TTL-COMS电平转换器,带有禁止端的8选1译码器输入,分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成。
CD4051的内部原理框图如图3-9所示。
图3-8、CD4051的内部原理框图
图中功能如下:
通道线IN/OUT(4、2、5、1、12、15、14、13):
该组引脚作为输入时,可实现8选1功能,作为输出时,可实现1分8功能。
XCOM(3):
该引脚作为输出时,则为公共输出端;作为输入时,则为输入端。
A、B、C(11、10、9):
地址引脚
INH(6):
禁止输入引脚。
若INH为高电平,则为禁止各通道和输出端OUT/IN接至;若INH为低电平,则允许各通道按表3-2关系和输出段OUT/IN接通。
VDD(16)和VSS(8):
VDD为正电源输入端,极限值为17V;VSS为负电源输入端,极限值为-17V。
VGG(7);电平转换器电源,通常接+5V或-5V。
CD4051作为8选1功能时,若A、B、C均为逻辑“0”(INH=0),则地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。
其它情况下,输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下
表 3-2
输入状态 接通
通道 输入状态 接通
通道
INH C B A INH C B A
0 0 0 0 0 0 1 0 1 5
0 0 0 1 1 0 1 1 0 6
0 0 1 0 2 0 1 1 1 7
0 0 1 1 3 1 x x x 均不显示
0 1 0 0 4
3.2 信号分析与处理
3.2.1 A/D转换
一.A/D转换器的特点
为了把温度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理,本系统选用了双积分A/D转换器MC14433,它精度高,分辨率达1/1999。
由于MC14433只有一路输入,而本系统检测的多路温度与湿度信号输入,故选用多路选择电子开关,可输入多路模拟量。
MC14433A/D转换器
由于双积分方法二次积分时间比较长,所以A/D转换速度慢,但精度可以做得比较高;对周期信号变化的干扰信号积分为零,抗干扰性能也比较好。
目前,国内外双积分A/D转换器集成电路芯片很多,大部分是用于数字测量仪器上。
常用的有3.5位双积分A/D装换器MC14433和4.5位双积分A/D转换器ICL7135
二.MC14433A/D转换器件简介
MC14433是三位半双积分型的A/D转换器,具有精度高,抗干扰性能好的优点,其缺点是转换速率低,约1—10次/秒。
在不要求高速转换的场合,例如,在低速数据采集系统中,被广泛采用。
MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全相同,可以互换。
MC14433A/D转换器的被转换电压量程为199.9mV或1.999V。
转换完的数据以BCD码的形式分四次送出(最高位输出内容特殊,详见表3-3)。
图3-9MC14433A/D转换器的内部逻辑框图
图3-10 MC14433引脚图
MC14433的框图(图3-10)和引脚(图3-11)功能说明
各引脚的功能如下:
电源及共地端
VDD:
主工作电源+5V。
VEE:
模拟部分的负电源端,接-5V。
VAG:
模拟地端。
VSS:
数字地端。
VR:
基准电压。
外界电阻及电容端
RI:
积分电阻输入端,VX=2V时,R1=470Ω;VX=200Mv时,R1=27KΩ。
C1:
积分电容输入端。
C1一般为0.1µF。
C01、C02:
外界补偿电容端,电容取值约0.1µF。
R1/C1:
R1与C1的公共端。
;CLKI、CLKO:
外界振荡器时钟调节电阻Rc,Rc一般取470KΩ左右。
转换启动/结束信号端
EOC:
转换结束信号输出端,正脉冲有效。
DU:
启动新的转换,若DU与EOC相连,每当A/D转换结束后,自动启动新的转换。
过量程信号输出端
/OR :
当|Vx|›VR,过量程/OR输出低电平。
位选通控制线
DS4----DS1:
选择个、十、百、千位,正脉冲有效。
DS1对应千位,DS4对应个位。
每个选通脉冲宽度为18个时钟周期,两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。
图3-11MC14433选通脉冲时序图
BCD码输出线
Q0---Q3:
BCD码输出线。
其中Q0为最低位,Q3为最高位。
当DS2、DS3和DS4选通期间,输出三位完整的BCD码数,但在DS1选通期间,输出端Q0-------Q3除了表示个位的0或1外,还表示了转化值的正负极性和欠量程还是过量程其含意见表3-3
表3-3、DS1选通时Q3~Q0表示的结果
由表可知Q3表示1/2位,Q3=“0”对应1,反之对应0。
Q2表示极性,Q2=“1”为正极性,反之为负极性。
Q0=“1”表示超量程:
当Q3=“0”时,表示过量程;当Q3=“1”时,表示欠量程;
MC14433与8051单片机的接口设计
由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码,Q0~Q3HE DS1~DS4都不是总线式的。
因此,MCS-51单片机只能通过并行I/O接口或扩展I/O接口与其相连。
对于8051单片机的应用系统来说,MC14433可以直接和其P1口或扩展I/O口8155/8255相连。
下面是MC14433与8051单片机P1口直接相连的硬件接口,接口电路如图3-13所示
图3-12 MC14433与8051单片机P1口直接相连的硬件接口
3.2.2单片机8051
为了设计此系统,我们采用了8051单片机作为控制芯片,在前向通道中是一个非电信号的电量采集过程。
它由传感器采集非电信号,从传感器出来经过功率放大过程,使信号放大,再经过模/数转换成为计算机能识别的数字信号,再送入计算机系统的相应端口。
8051是有8个部件组成,即CPU,时钟电路,数据存储器,程序存储器,并行口(P0~P3)串行口,定时计数器和中断系统,它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上,即组成了单片微型计算机,
8051就是MCS-51系列单片机中的一种。
图3-138051基本组成
3-14 8051引脚功能图
8051的制作工艺为HMOS,采用40管脚双列直插DIP封装,引脚说明如下:
VCC(40引脚)正常运行时提供电源。
VSS(20引脚)接地。
XTAL1(19引脚)在单片机内部,它是一个反向放大器的输入端,该放大器构成了片内的震荡器,可以提供单片机的时钟信号,该引脚也是可以接外部的晶振的一个引脚,如采用外部振荡器时,对于8051而言此引脚应该接地。
XTAL2(18引脚)在内部,接至上述振荡器的反向输入端,当采用外部振荡器时,对MCS51系列该引脚接收外部震荡信号,即把该信号直接接到内部时钟的输入端。
RST/VPD(9引脚)在振荡器运行时,在此引脚加上两个机器周期的电平将单片机复位,复位后应使此引脚电平保持不高于0.5V的低电平以保证8051正常工作。
在掉电时,此引脚接备用电源VDD,以保持RAM数据不丢失,当BVCC低于规定的值时,而VPD在其规定的电压范围内时,VPD就向内部数据存储器提供备用电源。
ALE/PROG(30引脚)当8051访问外部存储器时,包括数据存储器和程序存储器,ALE9地址锁存允许0输入的脉冲的下沿用于锁存16位地址的低8位,在不访问外部存储器的时候,ALE仍有两个周期的正脉冲输出,其频率为振荡器的频率的1/6,在访问外存储器的是候,在两个周期中,ALE只出现一次,ALE断可驱动8个LSTTL负载,对于有片内EPROM的而言,在EPROM编程期间,此脚用于输入编程脉冲PROG。
(29引脚)此脚输出为单片机内访问外部程序存储器的读选通信号,在读取外部指令期间,PSEN非有两次在每个周期有效,在此期间,每当访问外部存储器时,两个有效的PSEN非将不再出现,同样这个引脚可驱动8个LSTTL负载。
/VPP(31引脚)当保持高电平时,单片机访问内部存储器,当PC值超过0FFFH时,将自动转向片外存储器。
当保持低电平时,则只访问外部程序存储器,对8051而言,此脚必须接地。
P0,P1,P2,P3:
8051有四个并行口,在这四个并行口中,可以在任何一个输出数据,又可以从它们那得到数据,故它们都是双向的,每一个I/O口内部都有一个8位数据输出锁存器和一个8位数据输入缓冲器,各成为SFR中的一个,因此CPU数据从并行I/O口输出时可以得到锁存,数据输入时可以得到缓冲,但他们在功能和用途上的差异很大,P0和P2口内部均有个受控制器控制的二选一选择电路,故它们除可以用做通用I/O口以外还具有特殊的功能,P0口通常用做通用I/O口为CPU传送数据,P2口除了可以用做通用口以外,还具有第一功能,除P0口以外其余三个都是准双向口。
3.3显示与报警的设计
3.3.1显示电路
LCD12864在市面上主要分为两种,一种是采用st7920控制器的,它一般带有中文字库字模,价格略高一点。
另一种是采用KS0108控制器,它只是点阵模式,不带字库。
LCD12864模块的20个引脚定义如下:
1。
Vss &nbs
第二章p; 逻辑电源地2。
VDD 逻辑电源正 5v3。
V0 LCD驱动电压4。
RS 数据/指令选择:
高电平为数据,低电平为指令5。
R/W 读/写选择:
高电平为读数据,低电平为写数据6。
E 读写使能,高电平有效,下降沿锁定数据7。
DB0 数据输入输出引脚8。
DB1 数据输入输出引脚9。
DB2 数据输入输出引脚10。
DB3 数据输入输出引脚11。
DB4 数据输入输出引脚12。
DB5 数据输入输出引脚13。
DB6 数据输入输出引脚14。
DB7 数据输入输出引脚15。
CS1 片选择号,低电平时选择前64列16。
CS2 片选择号,低电平时选择后64列17。
RET 复位信号,低电平有效。
18。
VEE 输出-15v电源给V0提供驱动电源19。
A 背光电源LED正极20。
K 背光电源LED负极
具体电路图如下:
图3-15 LCD12864功能图
3.3.2报警电路
在微型计算机控制系统中,为了安全生产,对于一些重要的参数或系统部位,都设有紧急状态报警系统,以便提醒操作人员注意,或采取紧急措施。
其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波,标度变换之后,与该参数上下限给定值进行比较,如果高于上限值(或低于下限值)则进行报警,否则就作为采样的正常值,进行显示和控制。
本设计采用峰鸣音报警电路。
峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器,然后通过MCS-51的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。
压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流,可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动,也可以用一个晶体三极管驱动。
在图中,P3.2接晶体管基极输入端。
当P3.2输出高电平“1”时,晶体管导通,压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫;当P3.2输出低电平“0”时,三极管截止,蜂鸣器停止发声。
图3-21是一个简单的使用三极管驱动的峰鸣音报警电路:
图3-16三极管驱动的峰鸣音报警电路
本设计是为在温湿度测量中对温湿度的上下限超出是的提示报警,接口位于单片机AT89C51的P3.2口,但温湿度过限时,P3.2口被置0,本系统开始工作。
第四章 软件设计
温度控制主程序的设计应考虑以下问题:
(1)键盘扫描、键码识别和温度显示;
(2)温湿度采样,数字滤波;(3)越限报警和处理;(5)温度标度转换。
通常,符合上述功能的温度控制程序由主程序和T0中断服务程序两部分组成。
主程序流程图:
T0中断流程图:
温度采样子程序流程图:
键扫描程序流程图:
报警子程序流程图:
参考文献:
1.李广弟,朱月秀,王秀山.单片机基础.北京:
北京航空航天大学出版社,2001.72.万光毅,严义,邢春香.单片机实验与实践教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2006.4
3.张琳娜,刘武发.传感检测技术及应用.中国计量出版社,1999
4.沈德金,陈粤初.MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例.北京航空航天大学出版社,1990
5.胡汉才.单片机原理及接口技术.清华大学出版社,1996
附录程序清单
主程序:
TEMP_ZH DATA 24H ;实时温度值存放单元
TEMPL DATA 25H ;
TEMPH DATA 26H ;
TEMP_TH DATA 27H ;高温报警值存放单元
TEMP_TL DATA 28H ;低温报警值存放单元
TEMPHC DATA 29H ;
TEMPLC DATA 2AH
K1 EQU P1.4
K2 EQU P1.5
K3 EQU P1.6
K4 EQU P1.7
BEEP EQU P3.7
RELAY EQU P1.3
LCD_X EQU 2FH ;LCD地址变量
LCD_RS EQU P2.0
LCD_RW EQU P2.1
LCD_EN EQU P2.2
flag1 equ 20H.0 ;DS18B20是否存在标记
KEY_UD EQU 20H.1 ;设定KEY的UP与DOWN标记
date_lineequp3.3
;=====================================================
ORG 0000H
JMP MAIN
MAIN:
MOV SP,#60H
MOV A,#00H
MOV R0,#20H ;将20H-2FH单元清零
MOV R1,#10H
CLEAR:
MOV @R0,A
INC R0
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