基于单片机的炉温温度控制系统设计

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1、河南理工大学毕业设计论文摘要在工业生产过程中，往往需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉的温度进行检测和调节，因此需要一种合适的系统对其温度进行精确控制。由于单片机具有低功耗、高性能、可靠性好、易于产品化等特点，因此采用单片机对温度进行控制不仅节约成本，控制方法灵活多样，并且可以达到较高的控制精度，从而能够大大提高产品的质量，因此单片机被广泛应用在中小型控制系统中。自动控制技术尤其是温度控制技术在国内外得到广泛的应用和发展。时滞效应始终困扰着其实际应用，为此人们发明了多种控制方法来解决时滞问题，例如比例控制方式、DDC控制方式。本文将针对一种温度控制方式进行学习，并设计一个以AT89S52单片机为

2、核心、利用新型集成化智能1-Wire总线数字温度传感器DS18B20实现的温度采集控制系统，同时还阐述了直接数字控制（DDC）控制算法。本系统按照模块化程序设计思想，完成了对系统软件部分的设计，给出了各个功能模块的设计思想和流程图。温度采集控制系统不但能够准确地进行温度数据的采样转换，稳定进行升温、恒温的控制过程，而且可以记录温度时间对应关系，并以现今广泛使用的液晶显示器作为输出设备，使数据读取更加直观。现场仿真表明，该系统在测试过程中工作稳定，满足设计要求。本设计采用以8位AT89S52单片机作为系统的CPU。使用电加热器升温，配合键盘输入，液晶显示器显示。具有硬件结构简单、人机界面友善、管

3、理功能健全、系统可靠性高、记录数据准确、使用维护方便等优点。 关键字：温度采集系统； 单片机； DS18B20； 温度控制The Design of Furnace Temperature Control System Based on Single Chip MicrocomputerAbstractIn the industrial production process, often require various types of furnace, heat treatment furnace, reactor temperature detection and regulation,

4、so it needs a proper system of precise control of its temperature. as low power consumption single chip, high performance, reliability, easy-to-market commodity and so on, so to control the temperature using SCM not only save on cost, control method of flexible and diverse, and can achieve higher pr

5、ecision, which can greatly enhance the quality of the product, so SCM is widely used in the Small control system. The automatic control technique is a temperature particularly controls technique at domestic and international get the extensive application with develop. Time postpone effect perplex al

6、ways in fact on the occasion of applied, for this person invents various controls method to resolve the problem of Time postpone. This paper introduces a design of temperature data acquisition system based on single-chip AT89S52. The system collects temperature data through 1-Wire Digital Thermomete

7、r DS18B20, and the control algorithm of DDC parameters is presented.This system according to mold a design for turning procedure design toughing, completing to system software part of designs, giving each function mold piece thought with flow chart. A function temperature control system can proceed

8、accurately the data adopts the kind converts, stabilizing the proceeding heat, the control process of the constant temperature, and can satisfy completely to the request of the system accuracy. and can show them to the operators by the way of the Liquid Crystal Display. This system used the present

9、the usage the LCD and actions output equipments, make data kept the view more. The results of the simulation show that the system works stably and meets the expected design requirements.The temperature data acquisition and control system adoption with 8 bit AT89S52 single a machine for system CPU. T

10、he usage electricity heating apparatus heats, matching with the keyboard importation, displays with the LCD. It has simple structure, high system reliability, and the data recorded are reliable and the operation and maintenance are convenient.Key words: temperature data acquisition system; single-ch

11、ip; DS18B20; temperature control 18目录1 绪论11.1 课题背景11.2 选题的目的和意义21.3 炉温控制的国内外研究现状及发展趋势21.4 本系统的任务和本文的主要内容42 系统总体分析与设计52.1 系统方案选择52.1.1 主控芯片单片机的选型52.1.2 温度传感器的选择52.2 系统的组成和工作原理62.3 系统主要元件介绍72.3.1 AT89S52单片机简介72.3.2 1602液晶显示器102.3.3 DS18B20数字温度传感器142.3.4 固态继电器182.4 本章小结193 硬件系统设计203.1 单片机的最小应用系统203.2 温

12、度采集转换系统213.3 升温驱动控制系统223.4 键盘显示系统233.5 报警系统253.6 系统电源模块263.7 本章小结274 软件系统设计284.1 软件总体设计284.2 系统初始化函数294.3 控制函数304.4 读温度子程序314.5 键盘显示函数324.6 时间函数334.7 本章小结345 系统的调试与仿真355.1 软件调试355.2 硬件调试365.3 本章小结376 结论38致谢39参考文献40附录11附录2181 绪论1.1 课题背景及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制，在许多工业场合中都是重要的环节。温度的变化影响各种系统的自动运作，例如冶金、机械、食品

13、、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制1。对于不同控制系统，其适宜的温度总是在一个范围。超过这个范围，系统或许会停止运行或遭受破坏，所以我们必须能实时获取温度变化。对于，超过适宜范围的温度能够报警。同时，我们也希望在适宜温度范围内可以由检测人员根据实际情况加以改变。单片机对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法。从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、

14、彩电，单片机都可以大显其能。单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统2。单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。同时，单片机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低、制造、安装、调试及维

15、修方便3。随着电视监视器材、计算机技术的日益发展，图形监视系统在电视系统或监控场所得到了广泛地应用。用图形来实时显示被控对象（摄像机、终端设备等）在操作过程中的状态，具有清晰明了、形象直观且可以及时处理反馈信息。它比数字仪表包含的信息量大得多，因此使现场监控人员的工作方式得到了改进，效率也由此得到了很大的提高。现场电视监控系统由实时控制系统、监视系统及管理信息系统组成。实时控制系统完成实时数据采集处理、存储、反馈的功能；监视系统完成对各个监控点的全天候的监视，能在多操作控制点上自动或手动切换多路图像，能遥控前端设备，能使摄像镜头自动对焦等；管理信息系统完成各类所需信息的采集、接收、传输、加工、

16、处理，是整个系统的控制核心。目前的图形实时监控软件通常用VC或VC+开发，它具备编译各种可视化程序的功能，可以使计算机通过监控界面达到对被控对象的各种实时操控4。电炉是把炉内的电能转化为热量对工件加热的加热炉，同燃料炉比较，电炉的优点有：炉内气氛容易控制，甚至可抽成真空；物料加热快，加热温度高，温度容易控制；生产过程较易实现机械化和自动化；劳动卫生条件好；热效率高；产品质量好；且更加环保对与日趋严重的环境问题是一个很好的产品等。冶金工业上电炉主要用于钢铁、铁合金、有色金属等的熔炼、加热和热处理5。19世纪末出现了工业规模的电炉，20世纪50年代以来，由于对高级冶金产品需求的增长和电费随电力工业

17、的发展而下降，电炉在冶金炉设备中的比额逐年上升。电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械、冶金等行业的生产中占有十分重要的地位6。对电阻炉温度控制的好坏直接影响工艺要求的温度水平和加热质量，以致直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标，所以本文研究电炉炉温的控制。1.2 选题的目的和意义随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。温度测试控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意

18、外7。温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例8。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。如冶金工业的加热炉、电力工业的锅炉、化学工业的反应炉等设备，通过对温度的监控，保证产品的质量；即使日常生活中的微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器也同样需要温度监控。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的8。因此，本课题以电炉炉温为研究对象，以单片机为主要硬件平

19、台，编制基于智能化的温控软件，对电机上的绝缘漆进行烘干的电阻炉温度实时监视控制系统，以提高控制精度，达到控制要求，从而提高企业效益。1.3 炉温控制的国内外研究现状及发展趋势电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械、冶金等行业的生产中占有十分重要的地位。对电阻炉温度控制的好坏直接影响工艺要求的温度水平和加热质量，以致直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标，所以国内外关于电阻炉自动控制的研究一直备受重视，发展比较快，也取得了较为丰硕的成果。总的来说，电阻炉温度控制技术的发展可分为以下几个阶段9：（1）经典控制技术阶段。第一阶段时间为20世纪4060年代，称之为“经典控制”时期。在60年

20、代以前，一些设备齐全的大型工业电阻炉除了配置一些监测仪表外，还设置PID调节器，以经典控制理论为依据，实现单个参量的自动调节。（2）现代控制技术阶段。第二阶段时间为20世纪6070年代，称之“现代控制技术”时期。国际上，主要采用系统辨识、最优控制、自适应控制等控制技术对炉温进行控制，如美国Conshohochen厂在六七十年代曾在轧机控制中，引入在线参数估计机制和离散化模型，通过运用广义最小方差控制策略建立相应的冶金加热炉自适应控制系统。（3）智能控制技术阶段。第三阶段时间为20世纪70年代末至今。七十年代末，电阻炉温度控制技术已经基本成熟，逐渐向“智能控制”和“复杂系统控制”的方向发展。近2

21、0年来，模糊控制技术、神经网络控制、遗传算法等智能控制技术发展较快，并且在炉温控制系统中都有所应用。如日本三菱电机公司在1998年开发了MACTUS 210系列的模糊PID自校正调节器。这类控制器用模糊控制规则和推理，去优化PID控制器的参数，有较强的适应性，但调节过程复杂。日本山武、霍尼韦尔公司在1995年开发出了商品化的SDC30系列智能型数字调节器，由人工神经元和模糊控制来整定PID控制器参数10。由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了一些比较先进的控制设备，但是从整体上讲，我们的电阻炉温度控制技术比国外发达国家要落后四、五十年，一些中小型企业的控制技术仍以模拟仪表系统控制为主导地位，

22、这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。控制不方便，控制精度不高，从而造成产品质量低、废品率真高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低等，这些都缩减了企业的效益。随着微机控制技术的发展，用微机构成构成计算机控制系统，具有较高的可行性和经济价值。但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统，且大多硬件均是国外进口的，投资成本很高。所以，我们要好好学习先进控制技术，争取早日赶超国外那些发达国家。要达到控制要求，提高控制精度，保证产品质量，降低废品率，从而增加企业效益。1.4 本系统的任务和本文的主要内容a.

23、本系统所要完成的任务是：（1）能够实时、准确的采样温度值的变化。采样温度范围是-55+125。（2）能够以DDC控制方式，进行升温、恒温过程。升温是要用固态继电器控制加热，控制对象是电机绝缘漆的烘干温度，所以恒温控制在一百度。（3）更加人性化的设计。上、下限温度能够用户输入并显示。声音、警报灯的报警功能等。初始的上限和下限分别是是30和10。b.本文的主要内容是：（1）温度控制系统硬件的设计炉温控制系统硬件设计主要包括AT89S52单片机、温度传感器温度采集模块、温度控制模块、显示模块、按键输入设定模块、声光报警模块的介绍。（2）温度控制系统软件的设计借助Keil C51开发工具，以C语言为开

24、发语言，开发了单片机系统的温度检测与控制程序模块、对温度传感器模块、显示模块、温度控制模块进行控制，键盘导入设定的温度，使其与实际温度进行运算并输出。（3）温度控制系统的仿真以Proteus为基础，画出电路图加载各模块，加载程序并模拟实际电路的运行状态进行仿真。2 系统总体分析与设计2.1 系统方案选择2.1.1 主控芯片单片机的选型建立单片机炉温控制系统可以采用8031作为控制核心，以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换，控制上使用对电阻丝加电使其升温。此方案简易可行，器件的价格便宜。但8031内部没有程序存储器，需要扩展，增加了电路的复杂性。但此方案在硬件、软件上的成本都比较高，而且

25、易受外部环境的影响和限制，系统工作相对不稳定。单片机种类繁多，经过比较。此次设计方案采用AT89S52单片机实现，与MCS-51系列单片机兼容。我们在单片机课程中已经熟悉了51系列单片机，用起来会得心应手。而且该单片机软件编程自由度大，支持ISP在线编程，支持串口下载，使编程工作更加方便和自由地进行。可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。进行数据转换，控制电路部分采用继电器控制，有比89C51更高的工作频率，从而有更快的计算速度。此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的数据。2.1.2 温度传感器的选择温度传感器可以采用极为普遍的晶体管3DG6作为温度传感器，廉价的电压/频率转换器（V/F）

26、LM331与AT89S52单片机组成的温度测量仪。但抗干扰性差，数据处理复杂，数据存放空间大，受市场限制。设计中广泛采用热电阻传感器，铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、稳定性好等特点，被广泛用于中温（-200+650）范围的温度测量中。但铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性较正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度

27、值11。采用数字可编程温度传感器DS18B20作为温度检测元件。数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。不需要将温度传感器的输出信号接到A/D转换器上，减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积进行数据转换，控制电路部分采用固态继电器控制，此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的数据。由于采用具有一总线特点的温度传感器，所以电路连接简单；而且该传感器拥有强大的通信协议，同过几个简单的操作就可以实现传感器与单片机的交互，包括复位传感器、对传感器读写数据、对传感器写命令。软件、硬件易于调试，制作成本较低。也使得系统所测结果精度大大提高。本设计是对电机绕组绝缘漆烘干温度的控制，大约是一百度左

28、右，在其测量范围内。综合多方考虑，经过对各种温度传感器的比较，本设计决定采用DS18B20建立温度检测电路。2.2 系统的组成和工作原理常用的温度控制算法都采用PID算法。本设计从成本、设计复杂度、实用性及开发时间诸多因素的考虑采用了DDC算法，主要体现在升降温过程中。系统为典型的闭环反馈式温度控制系统，见图2-1。其中数字控制器的功能由单片机实现。给定值输出值恒温装置数字控制器执行器+ _ 测量与变送装置图2-1 温度控制系统原理图本系统控制对象是电炉等需要保持在一定区间内恒温的设备，他们都需要有加温或降温功能，有的当温度超过一定上限时会报警。某时刻的实际温度低于用户设定的下限温度，此时刻系

29、统就处于升温状态，直到实际温度到达上限温度值，系统才停止升温。反之，如果实际温度高于用户设定的下限值时，系统处于降温状态。当实际温度超过用户设定的上、下限温度时，系统还会通过声音、警报灯来报警，同时启动相应的降升温措施。系统基本硬件结构框图如图2-2所示，其功能和原理如下。（1）AT89S52：负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作。（2）温度温度传感器DS18B20：负责温度与数字量的转化。其精度可精确到小数点后四位。（3）驱动模块：采用固态继电器控制加热4000W加热器设备的方式。固态继电器采用低电压输入方式，一般为DC 310V，本设计用+5V输入方式。这样控制部分与大功率部分实现隔

30、离，可抑制干扰。实现以弱控强。AT89S52DS18B20采温度声光报警LCD显示模块驱动模块键盘输入模块图2-2 系统基本硬件结构框图（4）键盘输入模块：用4*1独立的键盘。可以实现人工对温度上、下限值的设定。（5）LCD显示模块：采用常用的LCD1602显示温度传感器采集到的温度，并且显示采值时的时间，以及温度上下限值。（6）红、蓝色LED，蜂鸣器：负责系统的报警功能。当温度超过用户设定的上、下限值时系统将报警。LED灯在单片机的控制下点亮，同时蜂鸣器发出报警声，通知用户采取相应的措施。2.3 系统主要元件介绍本设计采用采用总线型结构的设计。由P0口作数据线，P0口和P2口共同作地址线。P

31、2口地址高8位，P0口地址低8位。2.3.1 AT89S52单片机简介本设计采用的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上8K字节Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52单片机主要功能特点有：与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；256字节RAM；1000次擦写周期；全静态操作：三级加密程序存储器；3

32、2位可编程I/O口线；双数据指针；三个16位定时器/计数器；八个中断源（一个6向量2级中断结构）；全双工UART串行通道；片内晶振及时钟电路；看门狗定时器；掉电标识符；0Hz33Hz，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，掉电后中断可唤醒12。引脚图如图2-3所示。图2-3 AT89S52单片机引脚结构示意图VCC：电源（+5V）。GND：地。P0口：本次设计中P0口与P2口共同实现LCD

33、显示功能。P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器

34、或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P1口：本次设计P1口中P1.0到P1.3接4个按键。按键P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2

35、分别作定时器/计数器2的外部计数输（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P1口第二功能有，P1.0：T2（定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出）P1.1：T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5：MOSI（在系统编程用）P1.6：MISO（在系统编程用）P1.7：SCK（在系统编程用）P3口：本设计中P3口将用于接收温度信号。P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用

36、。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。本次设计P3口中P3.4将用于接收发送温度型号。P3引脚号第二功能有，P3.0：RXD（串行输入）P3.1：TXD（串行输出）P3.2：INT0（外部中断0）P3.3：INT1（外部中断1）P3.4：T0（定时器0外部输入）P3.5：T1（定时器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）RESET：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机

37、复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX 或MOVC指令时有

38、效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接Vcc。在flash编程期间，EA也接收12伏Vpp电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反

39、相放大器的输出端。2.3.2 1602液晶显示器液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，因此，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。本系统采用LCD1602液晶显示模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。 1602采用标准的16脚接口，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，可通过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选

40、择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0D7为8位双向数据线13。LCD1602管脚图在Proteus中的代替元件如图2-4所示。图2-4 LCD1602芯片管脚图1602的接口与管脚功能表如表2-1所示。表2-1接口引脚及其功能引脚号符号状态功能1Vss电源地2Vdd电源+5V3VEE液晶驱动电源4RS输入寄存器选择5R/W

41、输入读、写操作6E输入使能信号7DB0三态数据总线（LSB）8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线（MSB）15LEDA输入背光+5V16LEDK输入背光地1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)存储了160个点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。1602液晶模块内部的

42、控制器共有11条控制指令，如表2-2所示。表2-2 1602液晶模块指令表指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清显示0000000001光标返回000000001置输入模式00000001I/DS显示开/关控制0000001DCB光标或字符移位000001S/CR/L置功能00001DLNF置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址（ACG）置数据存储器地址001显示数据存储器地址（ADD）读忙标志或地址01BF计数器地址（AC）写数到CGRAM或DDRRAM10要写的数据从CGRAM或DDRRAM读数11读出的数据1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都可以通过指令编程来

43、实现。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置。I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移。S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标。B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位。S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令。DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位

44、总线。N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示。F：低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址。BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。1602液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接连接，其连接图如图2-5所示。图2-5 1602液晶模块与8951单片机连接图液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就

45、是告诉模块在哪里显示字符，表2-3是1602的内部显示地址。表2-3 1602液晶模块内部显示地址图123456789101112131415161000102030405060708090A0B0C0D0E0F2404142434445464748494A4B4C4D4E4F比如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B（40H)+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。2.3.3 DS18B20数字温度传感器DS18B

46、20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点14。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。DS18B20的性能特点：（1）DS18B20采用DALLAS公司独特的“单线（1-Wire）总线”专有技术，通过串行通信接口（I/O）直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）。（2）测温范围是55+125。其分辩力为0.5，但若采用高分辨力模式，分辩力可达0.1。温度/数字量转换时间的典型值为200ms，最大值为500 ms。（3）内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，扣除8位产品系列号和8位循环

47、冗余校验码CRC之后，产品序号占48位。出厂前就作为DS18B20唯一的产品序号，存入其ROM中，在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DS18B20。（4）适配各种单片机或系统机。（5）用户可分别设定各路温度的上、下限并写入随机存储器RAM中。利用报警搜索命令和寻址功能，可迅速识别出发生了温度越限报警的器件。（6）内含寄生电源。该器件既可以由单线总线供电，也可选用外部+5V电源（允许电压范围是3.45.5V），进行温度/数字转换时的工作电流约为1.5mA，待机电流仅为25µA，典型功耗为5mW。DS18B20的引脚及其功能介绍：PR35封装的DS18B20的引脚排列图如图2

48、-6所示。图2-6 DS18B20的引脚排列图DS18B20详细引脚功能描述如表2-4所示。表24 DS18B20引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。DS1820的工作原理：DS1820的内部结构如图2-7所示。由图2-7可知，DS1820由三个主要数字器件组成： 64bit闪速ROM；温度传感器；非易失性温度报警触发器TH和TL。64位ROM和单总线端口存储器和控制逻辑存储器温度传感器上触发TH下触发LH高速暂存器8位CRC产生器

49、DQ内部VddVdd电源检测图2-7 DS1820内部结构图DS18B20内部的64bit闪速ROM结构如图2-8所示。8bit校验CRC48bit序列号8bit工厂代码（10H）MSB LSB MSB LSB MSB LSB图2-8 DS1820内部的64bit闪速ROM结构图当总线为高电平时，DS1820从总线上获得能量并储存在内部电容上。当总线为低电平时，由电容向DS1820供电。DS1820的测温原理：内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为-55时的值，如果计数器到达0之前，门电路未

50、关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55。同时，计数器复位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。温度表示值为9bit，高位为符号位，其结构如下图2-9所示15。 MSB LSB111001110图2-9 温度表示值9bit结构图对DS1820的使用，多采用单片机实现数据采集。处理时，将DS1820信号线与单片机一位口线相连，单片机可挂接多片DS1820，从而实现多点温度检测系统。系统对DS1820的操作以ROM命令和存储器命令形式出现。（1）ROM命令代码及其含义READROM命令代码33H：如果只有一片

51、DS1820，可用此命令读出其序列号，若在线DS1820多于一个，将发生冲突。MATCHROM命令代码55H：多个DS1820在线时，可用此命令匹配一个给定序列号的DS1820，此后的命令就针对该DS1820。SKIPROM命令代码CCH：此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820。SEARCHRDH命令代码F0H：用以读出在线的DS1820的序列号。ALARMSEARCH命令代码ECH：当温度值高于TH或低于TL中的数值时，此命令可以读出报警的DS1820。（2）存储器操作命令代码及其含义WRITESCRATCHPAD命令代码4EH：写两个字节的数据到温度寄存器。READSCRAT

52、CHPAD命令代码BEH：读取温度寄存器的温度值。COPYSCRATCHPAD命令代码48H：将温度寄存器的数值拷贝到EERAM中，保证温度值不丢失。CONVERT命令代码44H：启动在线DS1280做温度A/D转换。RECALL EE命令代码B8H：将EERAM中的数值拷贝到温度寄存器中。READPOWERSUPPLY命令代码B4H：在本命令送到DS1280之后的每一个读数据间隙，指出电源模式：“0”为寄生电源；“1”为外部电源。DS18B20的使用方法：由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议

53、，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问16。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。其复位时序图如2-10所示：图2-10 DS18B20的复位时序图DS18B20的读时序：对

54、于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。其读时序图如2-11所示。DS18B20的写时序：对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线17。其写时

55、序如图2-12所示。图2-11 DS18B20的读时序图图2-12 DS18B20的写时序图2.3.4 固态继电器固态继电器（亦称固体继电器）英文名称为Solid State Relay，简称SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继

56、电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。固态继电器专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、调温、电炉加温控制、电机控制、数控机械、遥控系统、工业自动化装置中。另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。固态继电器由三部分组成：输入电路，隔离（耦合）和输出

57、电路。输入：按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。隔离：固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种：光电耦合通常使用光电二极管光电三极管，光电二极管双向光控可控硅，光伏电池，实现控制侧与负载侧隔离控制；高频变压器耦合是利用输入的控制信号产生的自激高频信号经耦合到次级，经检波整流，逻辑电路处理形成驱动信号。输出电路：SSR的功率开关直接接入电源与负载端，实现对负载电源的通断切换。2.4 本章小结本章主要分析了部分芯片的选型并确定了系统的方案。介绍了系统组成模块及其工作原理，还给出了所用元件的简介，为后面的设计作准备。通过本章

58、的说明和分析易知：温度采集模块采用DS18B20；显示模块采用LCD1602；单片机选用AT89S52芯片；按键模块采用独立按键；采用固态继电器控制加热设备的方式。电源模块方面，系统各个模块均采用+5V的电源供电。3 硬件系统设计3.1 单片机的最小应用系统单片机最小系统包括晶振电路和复位电路。最小应用系统设计是单片机应用系统设计的基础。AT89S52的复位输入引脚RST为单片机提供了初始化的手段，可以使程序从指定处开始执行，在AT89S52的时钟电路工作后，只要RST引脚上出现超过两个机器周期以上的高电平时，即可产生复位的操作，只要RST保持高电平，则AT89S52循环复位，只有当RST由高

59、电平变成低电平以后，AT89S52才从0000H地址开始执行程序，本系统采用上电加按键复位方式的复位电路。当振荡频率选用12MHZ时，下图3-1中的电解电容C3取10µF，R1取0.1K左右，R2取10K。图3-1单片机复位与时钟电路时钟电路是用来产生AT89S52单片机工作时所必须的时钟信号，AT89S52本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，AT89S52在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。我们系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。AT89S52内部有一个用于构成振

60、荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器18。电路中的C1、C2的选择在33pF，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。晶振频率为在12MHZ，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。3.2 温度采集转换系统在设计此类系统时，传统的方法是通过热敏电阻或模拟集成温度传感器采集温度的模拟量，再用A/D器将转换后的数字量送给单片机，这些方案的主要缺点是精度差，（例如典型的模拟集成温度传感器

61、AD590的精度仅为0.5）并且因为采用了A/D转换器使电路过于复杂。基于简化电路，提高性价比的考虑，本设计采用集成化智能型温度传感器DS18B20完成现场温度的采集。系统电路图如图3-2所示。图3-2 温度转换采集系统电路图DS18B20是美国DALLAS公司生产单线智能温度传感器，其采用DALLAS公司独特的“单线（1Wire）总线”专有技术，通过串行通信接口（I/O）直接输出被测温度值（912位二进制数据，含符号位）。其工作在在12位模式下时，所对应的温度分辨力高达0.0625。温度/数字转换时间的典型值为93.75ms。根据定义，单线总线只有一根线，这意味着总线上每个器件只能分时驱动单线总线，并要求每个器件必须有漏极开路输出或三态输出的特性。DS18B20的单线接口I/O就属于漏极开路输出。在单线总线上必须接上拉电阻，其电阻值约为5K（标称值可取5.1 K或4.7 K）。当单线总线上挂有多个从属器件时，也称之为多点总线19。单线总线杂空闲状态下呈高电平。操作单线总线时，必须从空闲状