基于STC89C52单片机的温度控制电路设计要点.pdf
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1、德州学院物理与电子信息学院2011 级电子信息科学与技术电子系统设计考查报告 基于温度传感器的单片机温控电路设计 一、 设计分析 在各行业中广泛应用的温度控制器及仪器仪表主要具有如下的特点:一是在 复杂的温度控制系统中能够适应于大惯性、大滞后的控制; 二是在受控系统数学 模型难以建立的情况下, 得到控制; 三是在受控系统中, 能够被控制过程很复杂 且参数时变的温度控制系统控制;五是温度控制系统普遍具有参数自检功能,借 助计算机技术,能控制对象和参数, 并且具有特性进行自动调整的功能等特点 1 。 本次电子工艺实训旨在练习实用单片机系统的设计与安装,掌握典型51 系 列单片机最小系统及外围电路设
2、计、常用电子元器件的识别、 万用板焊接电路的 方法、巩固常用电子仪表测量与调试电路参数的方法,培养创新实践动手能力, 为下学期单片机、电子系统设计等课程奠定理论和实践基础。 具体要求如下: 1.自行设计以STC89C52RC40 单片机为控制核心的实用单片机控制系统的硬件 电路,实现至少一个环境参量信息采集、数值显示、报警功能。 2.根据设计,利用万用板焊接硬件电路,并做简单调试。 3.要求模块化设计,单片机最小系统模块、显示模块、信息采集报警模块、键 盘模块,主要贵重器件用排座插接,电阻、电容、按键等元器件要求布局合理、 排列整齐,无虚焊。 二、 设计方案 本文设计是以单片机为核心, 实现温
3、度实时测控和显示。 确定电路中的一些 主要参数,了解温度控制电路的结构,工作原理,对该控制电路性能进行测试。 具体设计方案: (1)本设计是用来测控温度的,可以利用热敏电阻的感温效应,将被测温度 变化的模拟信号,电压或电流的采集过来,首先进行放大和滤波后,再通过A/D 转换,将得到的数字量送往单片机中去处理,用数码管将被测得的温度值显示出 来。但是这种电路的设计需要用到放大滤波电路,A/D转换电路,感温电路等一 德州学院物理与电子信息学院2011 级电子信息科学与技术电子系统设计考查报告 系列模拟电路,设计起来较麻烦 2 。 (2) 本设计采用单片机做处理器,可以考虑使用温度传感器,采用由达拉
4、斯 公司研制的 DS18B20 型温度传感器,此传感器可以将被测的温度直接读取出来, 并进行转换,这样就很容易满足设计要求。 从上面的两种方案,可以很容易看出来,虽然方案(2)软件部分设计复杂点, 但是电路比较简单且精度高,故采用方案(2)。 图 1. 总体方框图 三、 系统硬件设计 据设计的需求,分析单片机的工作原理, 可以大体得出来温度控制电路设计 的总体方框图,主处理器采用单片机STC89C52RC40,温度采集部分采用温度传 感器,用 4 位 LED显示数码管作为显示部分, 用来将温度显示出来。 系统硬件电 路部分由四大模块组成:温度采集模块、温度显示模块、报警模块、键盘模块和 单片机
5、最小系统模块 3 。 (一)单片机最小系统模块 在课题设计的温度控制系统设计中,控制核心是STC89C52 单片机,该单片 德州学院物理与电子信息学院2011 级电子信息科学与技术电子系统设计考查报告 机为 51 系列增强型 8 位单片机,它有 32 个 I/O 口,片内含 4K FLASH 工艺的程 序存储器,便于用电的方式瞬间擦除和改写,而且价格便宜,其外部晶振为 12MHz ,一个指令周期为 1S。使用该单片机完全可以完成设计任务,其最小系 统主要包括: 复位电路、震荡电路以及存储器选择模式 (EA脚的高低电平选择), 电路如下图 3.1 所示: 图 2. 最小系统 本课题设计的温度控制
6、系统主控制芯片选型为STC89C52 单片机,其特点如 下: STC89C52 单片机的 40 个引脚中有 2 个专用于主电源引脚, 2 个外接晶振的 引脚, 4 个控制或与其它电源复用的引脚,以及32条输入输出 I/O 引脚。 下面按引脚功能分为4 个部分叙述个引脚的功能。 (1)电源引脚 Vcc和 Vss Vcc(40 脚) :接+5V电源正端 Vss(20 脚) :接+5V 电源正端。 (2)外接晶振引脚 XTAL1和 XTAL2 XTAL1 (19 脚) :接外部石英晶体的一端。在单片机内部,它是一个反相放 大器的输入端,这个放大器构成采用外部时钟时,对于HMOS 单片机,该引脚接 地
7、;对于 CHOMS 单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。 德州学院物理与电子信息学院2011 级电子信息科学与技术电子系统设计考查报告 XTAL2 (18 脚) :接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至片内振荡器的 反相放大器的输出端。当采用外部时钟时,对于HMOS 单片机,该引脚作为外部 振荡信号的输入端。对于CHMOS 芯片,该引脚悬空不接。 (3)控制信号或与其它电源复用引脚 控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD 、ALE/P、PSEN和 EA/VPP等 4 种形式。 (A) RST/VPD (9 脚) :RST即为 RESET ,VPD为备用电源,所以该引脚为单 片机的上电
8、复位或掉电保护端。 当单片机振荡器工作时, 该引脚上出现持续两个 机器周期的高电平,就可实现复位操作,使单片机复位到初始状态。 当 VCC发生故障,降低到低电平规定值或掉电时,该引脚可接上备用电源 VPD (+5V)为内部 RAM 供电,以保证 RAM 中的数据不丢失。 (B) ALE/ P (30 脚) :当访问外部存储器时,ALE (允许地址锁存信号) 以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低 (C ) PSEN(29脚): 片外程序存储器读选通输出端, 低电平有效。当从外部程 序存储器读取指令或常数期间,每个机器周期PESN 两次有效,以通过数据总线 口读回指令或常数。当访问
9、外部数据存储器期间,PESN 信号将不出现。 (D) EA/Vpp(31 脚) :EA 为访问外部程序储器控制信号,低电平有效。当 EA端保持高电平时,单片机访问片内程序存储器4KB (MS 52 子系列为 8KB ) 。 若超出该范围时, 自动转去执行外部程序存储器的程序。当 EA端保持低电平时, 无论片内有无程序存储器, 均只访问外部程序存储器。 对于片内含有 EPROM 的单 片机,在 EPROM 编程期间,该引脚用于接21V的编程电源 Vpp。 (4)输入 / 输出( I/O )引脚 P0口、P1口、P2口及 P3口 (A).P0 口(39脚22 脚) :P0.0P0.7 统称为 P0
10、口。当不接外部存储器与 不扩展 I/O 接口时,它可作为准双向8 位输入/ 输出接口。当接有外部程序存储 器或扩展 I/O 口时,P0口为地址 / 数据分时复用口。它分时提供8 位双向数据总 线。 对于片内含有 EPROM 的单片机,当 EPROM 编程时,从 P0口输入指令字节,而当 检验程序时,则输出指令字节。 (B).P1 口(1 脚8 脚) :P1.0P1.7 统称为 P1口,可作为准双向 I/O 接口 德州学院物理与电子信息学院2011 级电子信息科学与技术电子系统设计考查报告 使用。对于 MCS 52 子系列单片机, P1.0 和 P1.1 还有第 2 功能:P1.0 口用作定 时
11、器/ 计数器 2 的计数脉冲输入端T2;P1.1 用作定时器 / 计数器 2 的外部控制端 T2EX 。对于 EPROM 编程和进行程序校验时, P0口接收输入的低 8 位地址。 (C).P2 口(21 脚28 脚) :P2.0P2.7 统称为 P2 口,一般可作为准双向 I/O 接口。 当接有外部程序存储器或扩展I/O 接口且寻址范围超过256 个字节时, P2口用于高 8位地址总线送出高8 位地址。对于 EPROM 编程和进行程序校验时, P2口接收输入的 8 位地址。 (D).P3 口(10 脚17 脚) :P3.0P3.7 统称为 P3口。它为双功能口,可以 作为一般的准双向I/O 接
12、口,也可以将每1 位用于第 2 功能,而且 P3口的每一 条引脚均可独立定义为第1 功能的输入输出或第2 功能。 P3口的第 2 功能见下表: 表 1 单片机 P3.0 管脚含义 ( 二) 温度采集模块 DS18B20温度传感器是美国达拉斯(DALLAS) 半导体公司推出的应用单总线 技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D 转换器、存储器等做在 一个很小的集成电路芯片上。本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件 DS18B20 ,是在经过多方面比较和考虑后决定的,主要有以下几方面的原因: 引脚第 2 功能 P3.0 RXD (串行口输入端 0) P3.1 TXD (串行口输出端)
13、 P3.2 INT0(部中断 0 请求输入端,低电平有效) P3.3 INT1(中断 1 请求输入端,低电平有效) P3.4 T0(时器 / 计数器 0 计数脉冲端) P3.5 T1(时器 / 计数器 1 数脉冲端) P3.6 WR (部数据存储器写选通信号输出端,低电平有效) P3.7 RD (部数据存储器读选通信号输出端,低电平有效) 德州学院物理与电子信息学院2011 级电子信息科学与技术电子系统设计考查报告 (1)系统的特性:测温范围为-55+125 ,测温精度为士0.5 ;温 度转换精度 912 位可变,能够直接将温度转换值以16 位二进制数码的方式串 行输出;12 位精度转换的最大
14、时间为750ms ;可以通过数据线供电, 具有超低功 耗工作方式。 (2)系统成本:由于计算机技术和微电子技术的发展,新型大规模集成电 路功能越来越强大,体积越来越小,而价格也越来越低。 (3)系统复杂度:由于DS18B20 是单总线器件,微处理器与其接口时仅需 占用 1 个 I/O 端口且一条总线上可以挂接几十个DS18B20 ,测温时无需任何外部 元件,因此,与模拟传感器相比, 可以大大减少接线的数量, 降低系统的复杂度, 减少工程的施工量。 (4)系统的调试和维护:由于引线的减少,使得系统接口大为简化,给系 统的调试带来方便。 同时因为 DS18B20 是全数字元器件, 故障率很低, 抗
15、干扰性 强,因此,减少了系统的日常维护工作。 DS18B20 温度传感器只有三根外引线:单线数据传输总线端口DQ ,外供电 源线 VDD ,共用地线 GND 。DS18B20有两种供电方式:一种为数据线供电方式, 此时 VDD接地, 它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量,来完成温度转换, 相应的完成温度转换的时间较长。这种情况下,用单片机的一个I/O 口来完成对 DS18B20 总线的上拉。 另一种是外部供电方式 (VDD接+5V),相应的完成温度测量 的时间较短。 (三) 报警模块 设计中的报警装置电路用到了发光二级管、三极管、10K 的电阻。将发光二 级管的一端接地, 另一端接三极管的
16、发射极, 三极管的基极通过电阻接在三极管 上,三极管的集电极电源。 图 5. 报警器 德州学院物理与电子信息学院2011 级电子信息科学与技术电子系统设计考查报告 (四) 键盘模块 键盘实际是就是很多案件的一种组合,按键的按下与否形成一个高低电平, 主控芯片 CPU 通过高低电平来识别所需信号, 进而使程序进行下一步的操作。 键 盘操作的软硬件的设计有以下几个方面的问题:对于此设计来说我们要准确的 显示我们所要对应的信息, 每按一次按键要显示所要显示的信息。这按键是主要 用来控制温度而设计的。 这样比键盘操作方便, 也比较实惠。 按键电路采用中断 模式。 图 6. 键盘输入 (五) 显示、指示
17、模块 本模块用的是0.56 英寸2 位数码管红色共阳数码管5261BS,一般正向压降的 都是 1.5 2V,额定电流为 10mA ,通过最大的电流为40mA 。根据各种不同管接 线的方式,可将数码管分成共阴极型和共阳极型。 德州学院物理与电子信息学院2011 级电子信息科学与技术电子系统设计考查报告 图 7. 数码管 (六)系统总电路图 系统整体硬件电路包括, 传感器数据采集电路, 温度显示电路, 单片机主控 电路等,通过 Altium Designer可画出如图所示的电路图 456 德州学院物理与电子信息学院2011 级电子信息科学与技术电子系统设计考查报告 图8. 系统总电路图 四、系统硬
18、件制作 (一)硬件电路制作方法 1. 按照电路图插接面包板,连接线路。 2. 电路焊接,将各元件焊接到面包板上。 (二)硬件电路制作过程 . 准备好各类器件以及工具。 . 按电路图插接好面包板,先焊接小器件及简单电路. . 用电线连接距离较远的器件,进行焊接. . 焊接完成后用万用表进行电路测试,确保没有短路。 五、系统软件设计 (一)软件设计思路及流程图 德州学院物理与电子信息学院2011 级电子信息科学与技术电子系统设计考查报告 主控制程序的主要是用来实时控制当前所要测控的环境温度,并读出由 DS18B20 测量的经过处理的当前环境的温度值,同时检查温度是否在限度之内, 否则报警,同时调整
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- 基于 STC89C52 单片机 温度 控制 电路设计 要点
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