基于AT89C51单片机的智能温度控制系统.

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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。

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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。

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3．硬件电路设计

3.1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：

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。

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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AT89C51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：

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Ir/T=1 (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4V～

30V；下列表１表2分别表示温度与电压电流之间的关系

3.3.2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：

U0=-IrRf (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：

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VI=(1+Rf/R)U0

(3)

最后由(1),(2),(3)得到：

VI=(1+Rf/R)TRf

（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

由温度传感器采集到的信号中可

能夹有高频的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Ｗ0=1/（C1*C2*R2*R3）^0.5 (2)

图4 无限增益低通滤波电路

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

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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： 1～5和26～28（IN0～IN7）：8路模拟量输入端。

8、14、15和17～21：8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）： A／D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）： A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D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。

23～25（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

A/D 转换电路如图3所示。ADC0808的A/D转换结果输出端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，所以在地址选图5 二分频电路

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择信号ABC三个引脚可以都直接的接地。

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ADC0808的电路本身连接如图3、图4所

示：

图6 ADC0808连接电路

3.5按健开关

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：

图 7温度设置按键

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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，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

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3.7其它电路

3.7.1压缩机驱动电路

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。

图9压缩机控制电路

3.7.2电源转换电路

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：图10电源电压转换电路

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

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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74ＬＳ１２３来实现的。其电路图如下图所示：

图11 看门口电路

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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。

图12主程序流程图

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图13中断服务程序流程图

4.3 程序内容编写

ORG 0000H

JMP 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,A; 启动A/D转换\WR=0 WAIT: JNB P2.1,SET0; 检测温度输入

JB P2.0,ADC; 检测转换是否完成

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JMP WAIT; 没转换完成则等待

ADC: MOVX A,@DPTR; 将转换好的值送入A LCALL 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,#100

DIV AB

MOV R3，A

MOV A,#10

XCH A,B

DIV AB

SWAP A

ORL A,B

RET

L2: MOV A,20H

ADD A,20H;

DA A;

MOV 20H,A;

MOV A,21H;

ADDC A,21H;

DA A;

MOV 21H,A;

RET

DISP: MOV A,20H;

ANL A,#0F0H

SWAP A;

MOV 22H,A

MOV A,21H;

显示程序交换高低位 14 / 21

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ANL A,#0FFH SWAP A ; ORL A,22H; MOV 23H,A MOV P1,A; MOV R7,#0FFH; DJNZ RET

SET0: LCALL JNB LCALL A2: CJNE MOV A1: MOV MOV MOVC MOV MOV MOV D4: MOV D2: MOV D1: JNB DJNZ DJNZ DJNZ JMP SET1: LCALL JNB LCALL R7,$; DELAY;

P2.1,$; DELAY; R0,#0FFH,A1; R0,#14; A,R0;

DPTR,#TABLE ; A,@A+DPTR; P1,A; 24H,A; R5,#4FH; R7,#0FFH R6,#0FFH

P2.1,SET1; R6,D1 R7,D2 R5,D4

START; DELAY;

P2.1,$; DELAY; 是否显示完等待按键操作消除按键抖动延时数据指针指向表头查表有按键按下转SET1 等待按键操作消除抖动

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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

MOV

SUBB

JNC

CLR

MOV

SUBB

JNC

CLR

RETURN: POP

POP

RETI ;

OFF: SETB

JMP

DELAY: MOV

D3: MOV

DJNZ

DJNZ

RET

TABLE: DB

DB

DB

END C ; A,24H; A,23H; OFF; C; A,24H; A,23H; OFF; P3.0; PSW ACC P3.0; RETURN R7,#60; R6,#248 R6,$ R7,D3 20H,21H,22H,23H,24H;

25H,26H,27H,28H,29H 30H,31H,32H,33H,34H 进位标志清0 比较温度压缩机停止工作中断返回压缩机开始工作延时程序

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5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！

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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，2005

[2] 吴金戎. 8051单片机实践与应用[M].北京:清华大学出版社，2005

[3] 胡斌.图表细说电子元器件[M].北京：电子工业出版社，2005

[4] 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，2006

[5] 姜志海.电片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2005

[6] 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，2005，6：20-21

[7]李伙友.基于MCS-51的温度控制器的设计[J].龙岩学院学报，2006，24(6):16-18

[8]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

[９]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，２００６

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8.译文

The Introduction of AT89C51

Microcontrollers are used in a multitude of commercial applications such as modems, motor-control systems, air conditioner control systems, automotive engine and among 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 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 AT89C51 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 environment 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 designed 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 instruments. 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 automotive power-train control, vehicle dynamic suspension, antilock braking, and stability control applications. Because of these critical

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applications, the market requires a reliable cost-effective controller with a low interrupt latency response, ability to service the high number of time and event 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 autopilot 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 problems, it is essential that comprehensive testing of the controllers be carried out at both the component level and system level under worst case environmental and voltage conditions.This complete and thorough

validation necessitates not only a well-defined process but also a proper environment and tools to facilitate and execute the mission successfully.Intel Chandler Platform Engineering group provides post silicon system validation (SV) of various micro-controllers and processors. The system validation process can be broken into three major parts.The type of the device and its application requirements determine which types of testing are performed on the device.

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AT89C51的介绍

单片机广泛应用于商业：诸如调制解调器，电动机控制系统，空调控制系统，汽车发动机和其他一些领域。这些单片机的高速处理速度和增强型外围设备集合使得它们适合于这种高速事件应用场合。然而，这些关键应用领域也要求这些单片机高度可靠。健壮的测试环境和用于验证这些无论在元部件层次还是系统级别的单片机的合适的工具环境保证了高可靠性和低市场风险。Intel 平台工程部门开发了一种面向对象的用于验证它的AT89C51 汽车单片机多线性测试环境。这种环境的目标不仅是为AT89C51 汽车单片机提供一种健壮测试环境，而且开发一种能够容易扩展并重复用来验证其他几种将来的单片机。开发的这种环境连接了AT89C51。本文讨论了这种测试环境的设计和原理，它的和各种硬件、软件环境部件的交互性，以及如何使用AT89C51。

8 位AT89C51 CHMOS 工艺单片机被设计用于处理高速计算和快速输入/输出。MCS51 单片机典型的应用是高速事件控制系统。商业应用包括调制解调器，电动机控制系统，打印机，影印机，空调控制系统，磁盘驱动器和医疗设备。汽车工业把MCS51 单片机用于发动机控制系统，悬挂系统和反锁制动系统。AT89C51 尤其很好适用于得益于它的处理速度和增强型片上外围功能集，诸如：汽车动力控制，车辆动态悬挂，反锁制动和稳定性控制应用。由于这些决定性应用，市场需要一种可靠的具有低干扰潜伏响应的费用-效能控制器，服务大量时间和事件驱动的在实时应用需要的集成外围的能力，具有在单一程序包中高出平均处理功率的中央处理器。拥有操作不可预测的设备的经济和法律风险是很高的。一旦进入市场，尤其任务决定性应用诸如自动驾驶仪或反锁制动系统，错误将是财力上所禁止的。重新设计的费用可以高达500K 美元，如果产品族享有同样内核或外围设计缺陷的话，费用会更高。另外，部件的替代品领域是极其昂贵的，因为设备要用来把模块典型地焊接成一个总体的价值比各个部件高几倍。为了缓和这些问题，在最坏的环境和电压条件下对这些单片机进行无论在部件级别还是系统级别上的综合测试是必需的。Intel Chandler 平台工程组提供了各种单片机和处理器的系统验证。这种系统的验证处理可以被分解为三个主要部分。系统的类型和应用需求决定了能够在设备上执行的测试类型。