MCS51单片机机应用于温度控制器毕业论文

目录1 前言 (1)2 温度控制器的技术参数 (2)3 系统设计方案的论证 (3)3.1 方案比选 (3)3.2 方案说明 (4)4 控制系统设计 (5)4.1 系统的工作原理 (5)4.2 硬件电路设计 (6)4.3 系统软件设计 (16)5 调试，安装，运行 (30)5.1 系统硬件调试 (30)5.2 系统软件调试 (30)6 小结 (31)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 A/D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、A/D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，在温度测量围很小时，测量精度还能满足要求，当测量温度围稍宽时，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，转换围从0到4096，当温度围要求为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I/O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I/O口，选用12位串行口数/模芯片ADS7844E，单片机使用AT89C4051，片程序存储器空间为4K，15条I/O。

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 芯片主要有两种接口类型：I2C接口及SPI接口，主要的代表芯片有AT24C02/04/08/16系列和AT25010/020/040系列，由于ADS7844E转换芯片采用的是SPI接口，所以选用AT25010存储器可以节省I/O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HOTELK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 系统的工作原理图 1 系统功能框图系统的工作原理是：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）、温度测量围、温度校正值、温度校正符号等。

由于温度测量围、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字节部RAM ，15个I/O 口，两个16位定时/计数器，5个中断向图2 AT89C4051管脚图量（两种优先级），一个全双工串行通信接口，置一个精密模拟比较器，片振荡器及时钟电路。

AT89C4051的功能框图如图3所示。

CPU的端口资源分配见表2：图3 A T89C4051功能框图表2:CPU的端口资源分配表注：由于P1.0及P1.1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R 14的电流为I 1，流过R t 的电流为I 2，由于恒流源的电流为1mA ，所以有：I 1+I 2 = 1； (1) I 1/I 2=（10R 0+R t ）/11R 0 (2) R t =R 0（1+At+Bt 2） (3) A=3.90802×10-3；B=-5.80×10-7；R 0=100 当温度较低时，I 1/I 2≈1，所以有：V i =I 2R t -I 1R 0≈0.5(R t -R 0) (4) 又因为△R= R t -R 0 = R 0（At+Bt 2），所以：V i ≈0.5*R 0（At+Bt 2）≈0.5*R 0*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 = 10R 0(At+Bt 2)/(22+At+Bt 2)（mV ） （6） 软件校正采用最小二分法分段校正：将整个测量围按每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 – 0.10Vo50~100℃： T0 = 0.92*T – 1.44100~150℃： T0 = 0.95*T – 4.28150~200℃： T0 = 0.98*T – 8.80200~250℃： T0 = 1.01*T – 15.11250~300℃： T0 = 1.04*T – 23.45300~350℃： T0 = 1.08*T – 34.16350~400℃： 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。

图5 信号调理电路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℃的围，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。