温度控制系统

《单片机技术》课程设计任务书

一、设计题目：数字电子钟、数字频率计、数字电压表、交通灯、抢答器、密码

锁、波形发生器、数字温度计、计算器、数字式秒表。

二、适用班级：

三、指导教师：

四、设计目的与任务：

学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《单片机技术》中所学的理论知识和实验技能，掌握单片机应用系统的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。

五、设计内容与要求

设计内容

1、数字电子钟

设计一个具有特定功能的电子钟。该电子钟上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入时钟准备状态；第一次按电子钟启动/调整键，电子钟从0时0分0秒开始运行，进入时钟运行状态；再次按电子钟启动/调整键，则电子钟进入时钟调整状态，此时可利用各调整键调整时间，调整结束后可按启动/调整键再次进入时钟运行状态。

2、数字频率计

设计一个能够测量周期性矩形波信号的频率、周期、脉宽、占空比的频率计。该频率计上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入测量准备状态。按频率测量键则测量频率；按周期测量键则测量周期；按脉宽测量键则测量脉宽；按占空比测量键则测量占空比。

3、数字电压表

设计一个能够测量直流电压的数字电压表。测量电压范围0～5V，测量精度小数点后两位。该电压表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入测量准备状态，按测量开始键则开始测量，并将测量值显示在显示器上，按测量结束键则自动返回“P.”状态。

4、交通灯

设计一个具有特定功能的十字路口交通灯。该交通灯上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。按开始键则开始工作，按结束键则返回“P.”状态。要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，甲车道为

主车道，每次通车时间为60秒，乙车道为次车道，每次通车时间为30秒，要求黄灯亮3秒，并且1秒闪烁一次。有应急车辆出现时，红灯全亮，应急车辆通车时间10秒，同时禁止其他车辆通过。

5、抢答器

设计一个具有特定功能的抢答器。该抢答器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。主持人按下开始按钮后，抢答开始并限定时间30S；10S内无人抢答，蜂鸣器发出音响；主持人按下开始按钮之前有人按下抢答器，抢答违规，显示器显示违规台号，违规指示灯亮，其它按钮不起作用；正常抢答，显示器显示台号，蜂鸣器发出音响，其它抢答按钮无效；正常抢答下，从按下抢答按钮开始30S内，答完按钮没按下，则作超时处理，超时处理时，违规指示灯亮，显示器显示违规台号。蜂鸣器发出音响；各台数字显示的消除，蜂鸣器音响及违规指示灯的关断，都要通过主持人按复位按钮。

6、密码锁

设计一个具有特定功能的密码锁。该密码锁上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。该密码锁具有系统原始密码888888，用户可以设定并存储用户密码，密码输入时应处于保密显示状态，密码输入正确时应显示密码输入正确提示信息，否则，显示密码输入错误提示信息。

7、波形发生器

设计一个具有特定功能的波形发生器。该波形发生器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。该波形发生器可以分别产生幅值0～5V、频率100Hz～100KHz范围内的三角波、锯齿波、方波、梯形波和正弦波。

8、数字温度计

设计一个具有特定功能的数字温度计。该数字温度计上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。测量温度范围0℃～99℃，测量精度小数点后两位，可以通过开始和结束键控制数字温度计的工作状态。

9、计算器

设计一个具有特定功能的计算器。该计算器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。能实现（1）基本的加、减、乘、除、平方、开方；（2）三角函数运算；（3）十进制、十六进制转换运算；（4）其他功能。

10、数字式秒表

设计一个具有特定功能的数字式秒表。该数字式秒表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。该数字式秒表应具有开始、暂停、连续、清零和停止功能。

设计要求

1、以上课题可以任选其一或多选，学生也可以自拟课题；

2、编程语言：汇编或C51；

3、计算机打印《单片机技术》课程设计说明书一份；

4、设计时间：一周；

5、实物制作；

6、人员分组：一人一组一实物。

六、《单片机技术》课程设计说明书正文主要内容

参照“《单片机技术》课程设计说明书正文主要内容”文件。

七、《单片机技术》课程设计说明书书写规范格式

参照“《单片机技术》课程设计说明书书写规范格式”文件。

八、参考资料

1、马忠梅，单片机的C语言Windows环境编程宝典[M], 北京：北京航空航

天大学出版社，2003.6；

2、李光飞,单片机C程序设计指导[M],北京:北京航空航天大学出版社，2003.01 ；

3、李光飞,单片机课程设计实例指导[M],北京:北京航空航天大学出版社，2004.9。

电气自动化教研室

2012年9月10日

摘要

本系统设计以AT89S52单片机为核心，通过测温系统将半导体制冷片温度反馈给单片机，并通过数码管显示温度。然后单片机再判断温度是否在我们需求的范围内，如果温度过高或过低单片机通过返回给继电器电路的高低电平来控制半导体制冷片升温或者降温，从而实现我们的设计要求。

关键词：继电器；测温系统；AT89S52；半导体制冷片

ABSTRACT

T his system design with AT89S52 SCM as the core, through the temperature measurement system will semiconductor refrigeration piece temperature feedback to single chip microcomputer, and through the digital tube display temperature. Then single-chip microcomputer to judge whether the temperature in our demand range, if the temperature is too high or too low SCM through the back to the relay circuit of high and low level to control the semiconductor refrigeration piece of heating or cooling, so as to realize our design requirements.

Keywords: semiconductor；refrigeration tablet；relay temperature measuring system；AT89S52

目录

1 引言 (1)

2 系统方案设计 (1)

3 硬件设计 (2)

3.1控制模块 (2)

3.2 温度检测反馈模块 (5)

3.3 显示模块 (8)

3.4 键盘模块 (11)

3.5继电器电路的设计........................................... .12

4 软件设计 (12)

5 系统测试 (13)

5.1 模块检测 (13)

5.2 整体检测 (13)

结束语 (14)

鸣谢 (15)

参考文献 (16)

附录A 温度控制系统原理图 (17)

附录B 温度控制系统PCB图 (18)

附录C 程序清单 (19)

1引言

如今，温度控制大部分都是较大空间内实现的，尽管半导体制冷原理早在上个世纪五十年代就被提出，但直到现在半导体制冷应用并不是十分广泛。半导体制冷具有无污染、无噪声、可控温度范围大等特点，而传统的制冷方式，如冰箱只能制冷而不能制热，空调可控温度范围小，这些温控系统在某些领域都存在较大的局限性。所以，本文以AT89S52单片机为控制中心，通过较为简单的电路实现了对温度的控制。

2 系统设计方案

图1 系统组成框图

3 硬件设计

3.1 控制模块

3.1.1 AT89S52概述

a. AT89S52 单片机简介

AT89S52 是一种带8K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM）、256B 片内RAM的低电压，高性能CMOS 8位微处理器。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89S52 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

b. AT89S52单片机封装类型

图2 AT89S52单片机双列直插封装

c. AT89S52单片机各管脚功能

：接+5V电源。

V

CC

GND：接地。

XTAL1：片内反向振荡放大器的输入端。当使用片内时钟时，此端接外部石英晶体和微调电容的一端；当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接地，

对于CHMOS单片机，此引脚作为外部振荡信号的输入端。

XTAL2：片内反向振荡放大器的输出端。当使用片内时钟时，此端接外部石英晶体和微调电容的另一端；当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接外部振荡源，对于CHMOS单片机，此引脚悬空。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FLASH 编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH 进行校验时，P0输出原码，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，P1口缓冲器能接收输出4个 TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。此外，P1.0还作为定时器计数器2的外部计数输入（P1.0/T2），P1.1作为定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收/输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。当P2口用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口是一带内部带上拉电阻的8位双向I/O口，每脚可接收/输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为AT89S52的一些特殊功能口。P3.0：RXD（串行输入口）；P3.1：TXD（串行输出口）；P3.2：/INT0（外部中断0输入）；P3.3：/INT1（外部中断1输入）；P3.4：T0（定时器0外部计数输入）；P3.5：T1（定时器1外部计数输入）；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/V

：RST是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚PD

加上持续时间大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，即可完

为此引成复位操作。在单片机正常工作时，此引脚应为≤0.5V低电平。V

PD

发生故障，降低到某一规定值脚第二功能，即备用电源的输入端。当主电源V

CC

的低电平时，将+5V电源自动接入RST端，为内部RAM提供备用电源，以保证片内RAM中的信息不丢失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。

ALE/P__R__O__G__：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机访问外部存储器时，用于锁存地址的低位字节。当单片机上电正常工作后，即使不访问外部锁存器，

的1/6，可用于初步ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率f

osc

判断单片机芯片的好坏。ALE端可以驱动8个LS型TTL负载。应当注意的是，当访问外部数据存储器时，在1个机器周期中ALE只出现1次，即丢失1个ALE 脉冲。因此，严格来说，不宜用ALE作精确的时钟源或定时信号。如想禁止ALE 的输出可在SFR 8EH地址上置0。此时，只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。P__R__O__G__为此引脚第二功能，在对片内EPROM型单片机编程时，作为编程输入端。

P__S__E__N__：外部程序存储器选通端，接外部程序存储器的O__E__（输出允许）端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。

E__A__/V

：E__A__为外部程序存储器选择控制端。当E__A__保持低电平时，单片机在此PP

期间只访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。当E__A__端保持高电平时，单片机在此间访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过1FFFH时，即超出片内程序存储器的8KB地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电）。

源（V

PP

3.1.2 单片机最小系统设计

单片机最小系统是单片机能正常工作的所必须的最基本电路，包括复位和晶体振荡电路，为方便今后本系统扩展功能，所以最小系统采用双排针单独引出I/O口的方式，其电路设计如图3所示。

图3 各种系统电路设计

3.2 温度检测反馈模块

3.2.1 DS18B20基础知识

DS18B20单线数字温度传感器是DALLAS半导体公司开发的世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。它具有3引脚TO－92小体积封装形式。温度测量范围为-55℃～+125℃，可编程为9～12位A/D 转换精度，测温分辨率可达0.0625℃。被测温度用符号扩展的16 位数字量方式串行输出。工作电压支持3V～5.5V的电压范围，既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。DS18B20还支持“一线总线”接口，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。它还有存储用户定义报警温度等功能。

DS18B20 内部结构及管脚：

DS18B20内部结构如图2-3所示，主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH 和TL、配置寄存器。其管脚排列如图2-4所示，DQ 为数字信号输入/输出端，GND为电源地，VDD为外接供电电源输入端，采用寄生电源方式时，该引脚接地。

图4 DS18B20 内部结构

图5 DS18B20外形及管脚

由于DS18B20只有一根数据线，因此它和主机（单片机）通信是需要串行通信，而AT89S52有两个串行端口，所以可以不用软件来模拟实现。经过单线接口访问DS18B20必须遵循如下协议：初始化、ROM操作命令、存储器操作命令和控制操作。要使传感器工作，一切处理均从序列开始。

主机发送（Tx）--复位脉冲（最短为480μs的低电平信号）。接着主机便释放此线并进入接收方式（Rx）。总线经过4.7K的上拉电阻被拉至高电平状态。在检测到I/O引脚上的上升沿之后，DS18B20等待15-60μs,并且接着发送脉冲（60-240μs的低电平信号）。然后以存在复位脉冲表示DS18B20已经准备好发送或接收，然后给出正确的ROM命令和存储操作命令的数据。DS18B20通过使用时间片来读出和写入数据，时间片用于处理数据位和进行何种指定操作的命令。它有写时间片和读时间片两种。

写时间片：当主机把数据线从逻辑高电平拉至逻辑低电平时，产生写时间片。

有两种类型的写时间片：写1时间片和写0时间片。所有时间片必须有60微的持续期，在各写周期之间必须有最短为1微秒的恢复时间。

读时间片：从DS18B20读数据时，使用读时间片。当主机把数据线从逻辑高电平拉至逻辑低电平时产生读时间片。数据线在逻辑低电平必须保持至少1微秒；来自DS18B20的输出数据在时间下降沿之后的15微秒内有效。为了读出从读时间片开始算起15微秒的状态，主机必须停止把引脚驱动拉至低电平。在时间片结束时，I/O引脚经过外部的上拉电阻拉回高电平，所有读时间片的最短持续期为60微秒，包括两个读周期间至少1μs的恢复时间。

一旦主机检测到DS18B20的存在，它便可以发送一个器件ROM操作命令。所有ROM操作命令均为8位长。

DS18B20芯片功能命令表如下：

表1 DS18B20功能命令表

命令功能描述命令代码CONVERT 开始温度转换 44H READ SCRATCHPAD 读温度寄存器（共9字节） BEH READ ROM 读DS18B20序列号 33H WRITE SCRATCHPAD 将警报温度值写如暂存器第2、3字节 4EH MATCH ROM 匹配ROM 55H SEARCH ROM 搜索ROM F0H ALARM SEARCH 警报搜索 ECH SKIP ROM 跳过读序列号的操作 CCH READ POWER SUPPLY 读电源供电方式：0为寄生电源，1为外电源 B4H

DS18B20是用12位存储温度，最高位为符号位，下表为它的温度存储方式：

表2 DS18B20温度存储地址分配

中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

3.2.2 温度检测电路的设计

DS18B20为单总线数字温度传感器，其与单片机的连接很简单，电路如图2-5所示。

图6 DS18B20温度检测电路

3.3 显示模块

3.3.1 数码管显示原理

常用的数码管为8段式，其每一段对应一个发光而二极管，分为共阳极和共阴极两种。如图2-11所示为共阴极数码管内部结构。其所有二极管阴极连在一

起并接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，此发光二极管被点亮，相应的段被显示。同样，共阳极数码管则是所有阳极相连并接高电平，当某个发光二极管的阴极为低电平时，即被点亮，相应的段被显示。将每段按一定的顺序分别命名为a、b、c、d、e、f、g、dp，为其提供刚好一个字节的不同的段码（即字型码）即可控制数码管相应的段被点亮显示出不同的字型。

图7 共阴极数码管结构

由N个数码管按一定的方式连在一11起即可形成一个N位的数码管，也分为共阳极和共阴极，其显示方式可分为静态显示和动态显示。如图2-12所示为4位数码管的构成。

图7 4位数码管结构

N位数码管工作于静态显示方式时，各个数码管的共阴极（或共阳极）连在一起并接地（或接+5V），各个段选端分别连接不同的8位I/O口或经不同的锁存器与I/O口相连。各个数码管的显示字符已经确定则将维持不变，指导送入另一个字符的段码为止，在同一时间里，每一位显示的字符可以各不相同，因此，静态显示的亮度都较高。这种显示方式编程容易，但占用I/O口或锁存器较多，随

着显示位数的增多，资源浪费将会更严重。因此，在显示位数较多的情况下，一般不采用静态显示，而是采用动态显示。

N位数码管动态显示时，其所有的段选端都连在一起，有1个8位I/O口控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阳极（或共阴极）也即位选端则由不同的I/O线控制，形成各位的分时选通。因此，在同一时刻，如果各位的位选端都处于选通状态，则各个数码管将显示相同的字符。若要各位都够同时显示出与本位相应的显示字符，就必须采用动态显示，即在某一时刻，只让某一位的位选端处于选通状态，而其他各位都不选通，同时段码线上输出相应位要显示的字符的段码；在下一时刻只让下一位的位选端处于选通状态，在段码线上再输出其要显示的字符的段码。如此循环下去，只要每位显示的间隔时间足够短，利用发光二极管的余晖效应和人眼的视觉暂留作用，就可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示不同字符的效果。这种显示方式节省硬件资源，但占用CPU时间较多，适于显示位数较多的情况。

3.3.2 显示电路设计

本系统采用4位共阳极数码管动态显示的方案以节省硬件资源，降低电路复杂度。设计电路如图2-13所示。

图8 4位数码管动态显示连接电路

单片机的P0口输出段选码，其位选端经过4个9012 PNP三极管驱动与电源端Vcc相连，而9012的通断则通过编程对P2.4～P2.7输出高低电平来控制。其中，当某位输出为低电平时对应的与之连接那个9015导通，当单片机输出段选

码时，对应的那位数码管就会显示相应的段码的内容，当P2.4～P2.7轮流不断的输出低电平，并且P0口在不同的位选中时输出段码时，4位数码管就会轮流显示不同的值，如果扫描时间足够的短，那么利用其余晖和我们的视觉暂留效应，就会看到4位数码管同时在发亮而且在显示不同的内容。

3.4 键盘模块

3.4.1 键盘的工作原理

键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机工作的主要手段，可分为独立式键盘和行列式（矩阵）键盘。

行列式（矩阵）键盘用于按键较多的场合，有行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。最常用的4*4的行、列结构的键盘即可提供16个按键，与独立式键盘相比可节约大量I/O口线。行列式键盘中行、列为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平，因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列信号配合起来并作适当处理，才能确定按下键的位置。

3.4.2 键盘的工作原理图

原理图如下2-9：

图9 行列式键盘连接电路

3.5 继电器控制电路的设计

3.5.1继电器的工作原理

单片机是一个弱电器件，一般情况下他们大都工作在5V甚至更低。驱动电流在ｍA级以下。而要把它用于一些大功率场合，比如控制电动机，显然是不行的。所以，就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动”。继电器驱动就是一个典型的、的功率驱动环节。在这里，继电器驱动含有两个意思：一是对继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件：还有就是继电器去驱动其他负载，比如继电器可以驱动中间继电器，可以直接驱动接触器，所以，继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口。

继电器控制半导体制冷片的原理图。

3.5.2继电器电路的原理图

图10 继电器电路原理图

4 软件设计

实现功能程序如附录C

5 系统测试

5.1 模块测试

将程序导入硬件电路，分别对每个模块进行检测，检查其功能是否达标，通对每个模块的检测，每个模块的功能达到了预期要求。

5.2整体测试

连接好系统硬件电路，把系统综合源程序写入控制器，经测试，各模块均能正常运行，基本实现系统所要求的功能。

经过一段时间的不懈努力，本系统设计工作已然就绪，基本达到了所预期的要求和效果。但由于自身水平有限及一些客观因素，本设计仍存在很多不足和待改进之处。例如可以加入红外遥控控制，加入人体感应模块使系统有人情况下能通过是否需要升降温自动工作等。

通过这次课程设计，检验了我大学三年的学习成果，但同时，也使我深刻地认识到自身存在的不足和知识点的严重欠缺，认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义和重要性。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练，但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。