1、1摘 要近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益的更新。本文从硬件和软件两方面来讲述对温度的自动控制过程,在控制过程中主要应用 AT89C51、ADC0809、LED 显示器、LM324 比较器，和通过 DS18B20 数字温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过七位数码管显示实时温度的一种数字温度计。软件方面采用汇编语言来进行程序设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。最后,对系统功能和性能进行了考核和评估，结果表明
2、系统的准确度和精确度较现有仪器有较大提高。关键词：单片机系统 传感器 数据采集 模数转换器 温度3目 录第一章 绪论 31.1 课题的背景及其意义 .31.2 课题研究现状 .31.3 课题研究的内容及要求 .31.3.1 课题的主要研究内容 .31.3.2 课题的主要研究内容 .3第二章 AT89C51 系列单片机工作原理的研究 .32.1 AT89C51 及 80C51 系列基本组成及特性 32.2 AT89C51 及 80C51 系列引脚功能 32.3 AT89C51 系列单片机的功能单元 3第三章 温度控制器的硬件设计 33.1 硬件设计 .33.2 温度采样部分 .33.3 控制温度
3、 .33.4 模数转换部分 .33.5 模数转换技术 .33.6 积分型模数转换器 .33.7 显示部分 .3第四章 温度控制器的软件设计 34.1 主程序流程图 .34.2 读温度子程序 .34.3 计算温度子程序 .34.4 按键流程图 .34.5 显示流程图 .3第五章 结论 3致谢 .3参考文献 .3第一章 绪论1第一章 绪论1.1 课题的背景及其意义现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及
4、家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。电子技术的飞速发展，给人类的生活带来了根本的的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机，更是将人类社会带入了一个新的时代。利用微机的强大功能
5、。人们可以完成各种各样的控制。然而，微机造价高，对于大多数的工业控制来说，也并不需要微机那样强大的功能，于是单片机就运用而生了。单片机其实就是一个简化的微机 1，将微机的 CPU，存储器，I/O 接口。定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机了，它主要用来完成各种控制功能 2。相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单 的控制场合以降低成本。另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可在工业现场复杂的环境下运行 3。单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业控制，数据采集，智能化仪表，家用电器等方面得到极为广泛的应用。温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过
6、程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常生基于单片机的水温控制系统的研究与设计2活
7、中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。相比传统温度控制器，本次设计将有明显的改变。不仅能实现温度数据的测量与控制，还提高了控制精度的可靠性和稳定性。传统温度控制器的控制精度普遍不高，不能满足对温度要求较为苛刻的生产环节。目前国内温度监控系统的研究正在飞速的发展，被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域等方面，但对温度要求比较严格的场合，我国的设备根本无法胜任,更提供不了具有建设性的、有价值决策的数据。而国际上新型温度监控器正从模拟式向数字式、由
8、集成化向智能化、网络化的方向发展。另一方面智能温度监控器正朝着低功耗、智能化、高精度、安全性及研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。本系统设计一个以 AT89C51 为核心的水温控制系统，能在一定的范围内采集监控水温，控制精度有所提升，同时具有较好的快速性，报警，七段数码管显示等功能并且价格低廉，具有很高的工程应用价值和现实意义。1.2 课题研究现状温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值
9、。20 世纪 80 年代开始，国外在单回路 PID 控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID 控制理论从此进入了高速发展阶段。 人工智能是应用除了数学式子以外的方法把人们的思维过程模型化，并利用计算机来模仿人的智能的学科。智能控制就是应用人工智能的理论与技术和运筹学的优化方法，并将其同控制理论方法与技术相结将智能控制与 PID 控制相结合，实现温度的智能控制。智能控温法采用神经元网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具
10、有自适应 PID 算法的温度控制仪表。 目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对第一章 绪论3不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。 1.3 课题研究的内容及要求1.3.1 课题的主要研究内容本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。水箱水温控制部分，提出了用 DS18S20、AT89C51 单片机及 LED 的硬件电路完成对水
11、温的实时检测及显示，利用 DS18S20 与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。而炉内温度控制部分，采用一套 PID 闭环负反馈控制系统，由 DS18S20 检测炉内温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在 LED 中显示。控制器是用 89C51 单片机，用 PID 算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机
12、处理，而且每片 DS18S20 都有唯一的产品号，可以一并存入其 ROM 中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个 DS18S20 芯片。从 DS18S20 读出或写入 DS18S20信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的 DS18S20 供电，而且不需要额外电源。同时 DS18S20 能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分和人
13、机对话部分来共同实现温度的监测与控制。1.3.2 课题的主要研究内容能够连续测量水的温度值，用十进制数码管来显示水的实际温度。能够设定水的温度值，设定范围是 3090。能够实现水温的自动控制，如果设定水温为 85，则能使水温保持恒定在85的温度下运行。用单片机 AT89C51 控制，通过按键来控制水温的设定值，数值采用数码管显示。基于单片机的水温控制系统的研究与设计4第二章 AT89C51 系列单片机工作原理的研究5第二章 AT89C51 系列单片机工作原理的研究2.1 AT89C51 及 80C51 系列基本组成及特性AT89C51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPERO
14、MFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。而在众多的 51 系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51 更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和 8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。AT89C51 基本功能描述如下：AT89C51 是一种低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器，而且在其片种还有 4k 字节的在线可重复
15、编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除 1000 次，数据保存时间为十年。它与 MCS-51 系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替 MCS-51 系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS-51 系列产品没有的功能。AT89C51 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积, 增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于 4k, 四个 I/O 口全部提供给用户。可用 5V 电压编程，而且写入时间仅 10 毫秒, 仅为8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与 8751/87C51 的 12V 电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合
16、许多嵌入式控制领域。AT89C51 芯片提供三级程序存储器锁定加密， 提供了方便灵活而可靠的硬加密手段, 能完全保证程序或系统不被仿制。另外,AT89C51 还具有 MCS-51 系列单片机的所有优点。1288 位内部 RAM，32 位双向输入输出线, 两个十六位定时器/计时器, 5 个中断源, 两级中断优先级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51 有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的, 当外围器件仍然处于工作状态时, CPU 可根据工作情况适时地进入睡眠状态, 内部 RAM 和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是
17、 VCC 电压低于电源下限, 当振荡器停止振动时, CPU 停止执行指令。该芯片内 RAM 和特殊功能寄存器值保持不变, 一直到掉电模式被终止。只有VCC 电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。AT89C51 与T89S51 相比,外型管脚完全相同，AT89C51 的 HEX 程序无须任何转换可直接在 AT89S51 运行,结果一样。它们之间主要区别在于以下几点：基于单片机的水温控制系统的研究与设计6引脚功能：管脚几乎相同,变化的有,在 AT89S51 中 P1.5,P1.6,P1.7 具有第二功能,即这 3 个引脚的第二功能组成了串行 ISP 编程的接
18、口。编程功能：AT89C51 仅支持并行编程，而 AT89S51 不但支持并行编程还支持 ISP 再线编程。在编程电压方面,AT89C51 的编程电压除正常工作的 5V 外,另Vpp 需要 12V,而 AT89S51 仅仅需要 4-5V 即可。烧写次数更高：AT89S51 标称烧写次数是 1000 次,实为 1000-10000 次,这样更有利开始学习者反复烧写,降低学习成本。工作频率更高：AT89C51 极限工作频率是 24MHZ,而 AT89S51 最高工作频率是 33MHZ,(AT89S51 芯片有两中型号,支持最高工作频率分别为 24MHZ 和 33MHZ)从而具有更快的计算速度。 电
19、源范围更宽：AT89S51 工作电压范围,达 4-5.5V,而 AT89C51 在底于 4.8V和高于 5.3V 的时侯则无法正常工作。 抗干扰性更强：AT89S51 内部集成看门狗计时器(Watchdog Timer),而AT89C51 需外接看门狗计时器电路,或者用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干扰。虽然目前单片机的品种很多，但其中最具代表性的当属 Intel 公司的 MCS-51单片机系列。MCS-51 以其典型的结构、完善的总线、SFR 的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础 4。MCS-51 系列的典型芯片是 80C51（
20、CHMOS 型的 8051） 。为此，众多的厂商都介入了以 80C51 为代表的 8 位单片机的发展，如 Philips、Siemens（Infineon） 、Dallas、ATMEL 等公司，我们把这些公司生产的与 80C51 兼容的单片机统称为80C51 系列。特别是在近年来，80C51 系列又有了许多发展，推出了一些新产品，主要是改善单片机的控制功能，如内部集成了高速 I/O 口、ADC、PWM、WDT 等，以及低电压、微功耗、电磁兼容、串行扩展总线和控制网络总线性能等。 ATMEL公司研制的 89CXX 系列是将 flash memory（EEPROM ）集成在 80C51 中，作为用
21、户程序存储器，并不改变 80C51 的结构和指令系统。 Philips 公司的 83/87CXX 系列不改变 80C51 的结构、指令系统，省去了并行扩展总线，属于非总线的廉价性单片机，特别适合于家电产品。 Infineon（原 Siemens 半导体）公司推出的C500 系列单片机在保持与 80C51 兼容的前提下，增强了各项性能，尤其是增强了电磁兼容性能，增加了 CAN 总线接口，特别适用于工业控制、汽车电子、通信和家电领域。鉴于 80C51 系列在硬件方面的的广泛性、代表性和先进性以及指令系统的兼容性，可用其作为介绍对象；至于其他类型的单片机，在深入学习和掌握了 80C51 单片机之后再
22、去学习已不是什么难事。对 80C51 单片机系列的芯片型号，以及它们的技术性能指标作进一步说明。51 子系列和 52 子系列 80C51 系列又分为 51 和 52 两个字系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中 51 子系列第二章 AT89C51 系列单片机工作原理的研究7市基本型，而 52 子系列则书增强型。52 子系列功能增强的具体方面，片内 ROM从 4KB（千字节）增加到 8KB； 片内 RAM 从 128B 增加到 256B；定时器/计数器从2 个增加 3 个；中断源从 5 个增加到 6 个。这几种配置形式对应着不同的单片机芯片，它们各有特点，也各有其适用场所，在使用时应根据需
23、要进行选择。目前较普遍采用的表述方式是：内部程序存储器有两种配置形式，它们是 OTP（one time programmable,一次性可编程）和 MTP（multi-times programmable，多次性可编程） ，注意两种表述方式的异同。单片机的发展趋势：制作工艺 CMOS 化（全盘 CMOS 化） 出于对低功耗的普遍要求，目前各大厂商推出各类单片机产品都采用了 CHMOS 工艺 5。 80c51 系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS 工艺。即高密度短沟道 MOS 工艺。另一种是 CHMOS 工艺，即互补金属氧化物的 HMOS 工艺。CHMOS 是 CMOS 和 HMOS
24、 的结合，除保持了 HMOS 的高速度和高密度的特点之外，还具有 CMOS 低功耗的特点。例如 8051 的功耗为 630mW，而 80C51的功耗只有 120mW。在便携式、手提式、或野外作业仪器设备上低功耗是非常有义。以此，在这些产品中必须使用 CHMOS 的单片机芯片。尽量实现单片化。随着集成电路技术的快速发展和“以人为本”思想在单片机设计上的体现，很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求，将一些常用的功能部件，如 A/D（模/数转换器） 、D/A(数/模转换器)、PWM（脉冲产生器）以及 LCD（液晶）驱动器等集成到芯片内部，尽量做到单片机化；同时，用户还可以提出要求，由厂家量身定做（S
25、OC 设计）或自行设计。共性与个性共存。如今的市场上为我们提供了丰富多彩的单片机产品。从宏观上讲，有 RISC 和 CISC 两大类型；从微观上说，有Intel、Motorola、Philips、Microchip、EMC 等公司的相关产品。在未来相当长的时间内，都将维持这种群雄并起、共性与个性共存的局面。2.2 AT89C51 及 80C51 系列引脚功能单片机的 40 个引脚大致可分为 4 类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚 6。 电源 VCC - 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端； 时钟XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 控制线：控制线共有 4 根 A
26、LE/PROG：地址锁存允许/片内 EPROM 编程脉冲ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址； PROG 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程基于单片机的水温控制系统的研究与设计8脉冲。 PSEN：外 ROM 读选通信号。 RST/VPD：复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD 功能：在 Vcc 掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp：内外 ROM 选择/片内 EPROM 编程电源。 EA 功能：内外 ROM 选择端。 Vpp 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，施加编程电源Vpp。 I
27、/O 线80C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口：P0、P1、P2、P3 口，共 32 个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线） 。AT89C51 有 40 引脚双列直插（DIP）形式。其与 80C51 引脚结构基本相同，其逻辑引脚图如图 2.1 所示。图 2.1 AT89C51 逻辑引脚图各引脚功能叙述如下：电源和晶振VCC运行和程序校验时加+5VGND接地XTAL1输入到振荡器的反向放大器XTAL2反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器（当使用外部振荡器时，XTAL1 接地，XTAL2 接收振荡器信号）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持
28、 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地第二章 AT89C51 系列单片机工作原理的研究9址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。I/O（4 个口，32 根）P
29、0 口8 位、漏极开路的双向 I/O 口。当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路） 。P0 口（作为总线时）能驱动 8 个 LSTTL 负载。P1 口8 位、准双向 I/O 口。在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。P1 口可驱动 4 个 LSTTL 负载。对于 80C51，P1.0T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1T2EX，是定时器的外部输入端。这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置 1。P2 口8 位、准双向 I/O 口。当使用片外存储器（ROM 及 RAM）时，输出高 8 位地址。在编程/校验期间，接收高
30、位字节地址。P2 口可以驱动 4 个 LSTTL负载。P3 口8 位、准双向 I/O 口，具有内部上拉电路。P3 口提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置 1。P3 口可以输入/输出 4 个 LSTTL负载。串行口P3.0RXD（串行输入口） ，输入。P3.1TXD（串行输出口） ，输出。中断P3.2INT0 外部中断 0，输入。P3.3INT1 外部中断 1，输入。定时器/计数器P3.4T0 定时器/计数器 0 的外部输入，输入。P3.5T1 定时器/计数器 1 的外部输入，输入。数据存储器选通P3.6WR 低电平有效，输出，片外存储器写选通。P3.7RD 低电平有效，输
31、出，片外存储器读选通。控制线(共 4 根)输入：RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。基于单片机的水温控制系统的研究与设计10EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加 21V 的编程电压。注意：在加密方式 1 时，EA 将内部锁定为 RESET；当 EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。输入、输出：ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。ALE 以 1/6 的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在 EPROM 编程期间，作输入，
32、输入编程脉冲（PROG） 。ALE 可以驱动 8 个 LSTTL 负载。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。注意：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。输出：PSEN片外程序
33、存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当 PSEN 有效时，程序存储器的内容被送上 P0 口（数据总线） 。PSEN 可以驱动 8 个 LSTTL 负载。2.3 AT89C51 系列单片机的功能单元并行 I/O 接口：单片机芯片内有一项主要功能就是并行 I/O 口。51 系列共有 4 个 8 位的并行I/O 口，分别记作 P0、P1、P2、P3 每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低八位地址和数据由 P0 口分时传送，高八位地址由 P2 口传送。定时器/
34、计数器定时器/计数器（timer/counter）是单片机中的重要部件，其工作方式灵活、编程简单，使用它对减轻 CPU 的负担和简化外围电路都大有好处。C51 系列包含有两个 16 位的可编程定时器/计数器分别称为定时器/计数器T0 和定时器/计数器 T1；在 C51 部分产品中，还包含有一个用做看门狗的 8 位定时器。定时器/计数器的核心是一个加 1 计数引脚上施加器，其基本功能是加 1第二章 AT89C51 系列单片机工作原理的研究11功能。在单片机的定时器 T0 或 T1 中，有一个定时器发生由 0 到 1 的跳变时，计数器增 1，即为计数功能；在单片机内部对机器周期或其分频进行计数，从
35、而得到定时，这就是定时功能。在单片机中，定时功能和计数功能的设定和控制都是通过软件来进行的。定时器/计数器内部结构及其原理：由定时器 0、定时器 1、定时器方式寄存器 TMOD 和定时器控制寄存器 TCON 组成。当定时器/计数器设置为定时工作方式时，计数器对内部机器周期计数，每过一个机器周期，计数器加 1，直至计满溢出。定时器的定时时间与系统的振荡频率紧密相关，因为 C51 系列单片机的一个机器周期由 12 个振荡脉冲组成，所以，计数频率 fc=fosc/12。如果单片机系统采用 12MHz 晶振，则计数周期公式为 1 微秒，这是最短的定时周期，适当选择定时器的初值可获取各种定时时间。当定时
36、器/计数器设置为计数工作方式时，计数器对来自输入引脚T0（P3.4）和 T1（P3.5）的外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。在每个机器周期的 S5P2 期间采样引脚输入电平，若前一个机器周期采样值为 1，后一个机器周期采样值为 0，则计数器加 1。新的计数值是在检测到输入引脚电平发生 1 到 0 的负跳变后，于下一个机器周期的 S3P1 期间装入计数器中的，可见，检测一个由 1 到 0 的负跳变需要两个机器周期，所以最高检测频率为振荡频率的1/24。计数器对外部输入信号的占空比没有特别的限制，但必须保证输入信号的高电平与低电平的持续时间在一个机器周期以上。振荡器XTAL1 和 XTAL
37、2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。当输入至内部时钟信号时要通过一个二分频触发器，而对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但
38、 RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。中断系统中断系统是单片机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、单片机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断系统大大提高了系统的效率。基于单片机的水温控制系统的研究与设计12C51 系统有关中断的寄存器有 4 个，分别为中断源寄存器 TCON 和 SCON、中断允许控制寄存器 IE 和中断优先级控制寄存器 IP；中断源有 5 个，分别为外部中断 0 请求 INT0、外部中断 1 请求 INT1、定时器 0 溢出中断请求 TF0、定时器 1溢出中
39、断请求 TF1 和串行中断请求 R1 或 T1。5 个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器 IP 和顺序查询逻辑电路共同决定，5 个中断源分别对应 5 个固定的中断入口地址。中断的特点是分时操作，实时处理和故障处理。简单介绍一下本次设计所需的单片机芯片 AT89C51 的中断系统中要用到的中断类型。外部中断源AT89C51 有 INT0 和 INT1 两条外部中断请求输入线,用于输入两个外部中断源的中断请求信号,并允许外部中断源以低电平或负边沿两种中断触发方式来输入中断请求信号。AT89C51 究竟工作于哪种中断触发方式,可由用户对定时器控制寄存器 TCON 中 IT0 和 IT1 位状态的
40、设定来选取。AT89C51 在每个机器周期的 S5P2时对 INT0、线上中断请求信号进行一次检测,检测方式和中断触发方式的选取有关。若 AT89C51 设定为电平触发方式(IT0=0 或 IT1=0),则 CPU 检测到 INT0、INT1上低电平时就可认定其上中断请求有效;若设定为边沿触发方式(IT0=1 或 IT1=1),则CPU 需要两次检测 INT0、INT1 线上电平方能确定其上中断请求是否有效,即前一次检测为高电平和后一次检测为低电平时中断请求才有效。定时器溢出中断源定时器溢出中断由 AT89C51 内部定时器分的中断源产生,故它们属于内部中断。AT89C51 内部有两个 16
41、位定时器/计数器,受内部定时脉冲(主脉冲经 12 分频后)或 T0/T1 引脚上输入的外部定时脉冲计数。定时器 T0/T1 在定时脉冲作用下从全“1”变成全“0”时可以自动向 CPU 提出溢出中断请求,以表明定时器 T0 或T1 的定时时间已到。 串行口中断源串行口中断由 AT89C51 内部串行口的中断源产生,也是一种内部中断。串行口中断分为串行口发送中断和串行口接收中断两种。在串行口进行发送/接收数据时,每当串行口发送/接收完一组串行数据时串行口电路自动使串行口控制寄存器 SCON 中的 RI 或 TI 中断标志位置位，并自动向 CPU 发出串行口中断请求,CPU响应串行口中断后便立即转入
42、串行口中断服务程序执行。因此,只要在串行口中断服务程序中安排一段对 SCON 中 RI 和 TI 中断标志位状态的判断程序,便可区分串行口发生了接收中断请求还是发送中断请求。中断标志AT89C51 在 S5P2 时检测(或接收)外部(内部)中断源发来的中断请求信号后先使相应中断标志位置位,然后便在下个机器周期检测这些中断标志位状态,以决定第二章 AT89C51 系列单片机工作原理的研究13是否响应该中断。基于单片机的水温控制系统的研究与设计14第三章 温度控制器的硬件设计3.1 硬件设计本设计采用按键作为输入控制，通过温度多采样单元采集温度信息，经过LM324 放大器放大及 ADC0809 数
43、模转换器将其转换，由主机 AT89C51 进行处理并将实际温度值和设定温度值分别显示在共阳极数码显示管 LED 上。电子探温技术已经应用到气象温度监测领域，其测得的温度数据输入微机进行统计处理及保存。如果根据事先设定参数对测得数据进行实时运算处理，根据其结果控制应用设备，就可以实现对应用设备的温度监控。气象探温设备等专业仪器都使用感温探头、转换电路和 A/D 转换器，测量精度高、速度快，但成本较高。本文采用电容充电电路，仅需要两个外部元件即可测出温度，无须转换电路、放大电路、A/D 转换器，采用单片机技术完成运算处理，降低了成本，电路简单，稳定可靠，功耗小，特别适合于电池供电。接入交流接触器，
44、就可以控制取暖风机，电加热器、空调等设备，适用于农业、养殖、大型超市、商场、宾馆、办公等一般性低精度要求的温度控制。如对精度要求较高，只需将电阻、电容测温电路换成感温探头，并添加转换电路及 A/D 转换器。3.2 温度采样部分温度采样单元用于采集被控制对象的温度采集参数，它由温度电压转换，小信号放大及 A/D 转换三部分组成，其中将温度转化为电量的温度电压转换由温度传感器热敏电阻实现，A/D 转换选择模数转换器 ADC0809 将采集的温度模拟信号转换为 8255 能处理的二进制数字信号。ADC0809 是位 A/D 转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成 A/D 转换的。ADC0809 由单+
45、5V 电源供电；片内带有锁存功能的 8 路模拟多路开关，可对 8 路05V 的输入模拟电压分时进行转换，完成一次转换约需 100S；片内具有多路开关的地址译码器和锁存器、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256 电阻 T 型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。ADC0809 是引脚双列直插式封装，引脚及其功能（图 3.1）：D7D0：8 位数字量输出引脚。IN0IN7：8 路模拟量输入引脚。VCC：+5V 工作电压。GND：接地。第三章 温度控制器的硬件设计15REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D 转换启动信号输入端。A、B、C：地址输入端。ALE：地址锁存允
46、许信号输入端。EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE： 输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端，译码后可选通 IN0IN7 八个通道中的一个进行转换。图 3.1 ADC0809 的管脚图温度采样单元，如 3.2 所示，用于采集被控对象的温度参数，它由温度电压转换、小信号放大及 A/D 转换三部分组成。其中，将温度转化为电量的温度电压转换由温度传感器-热敏电阻实现，小信号放大由桥式放大电路实现，A/D 转换选择模数转换器 ADC0809，将采集到的温度模拟信号转换为 AT89C51 能够处理的二进制数字信号。基于单片机的水温控制系
47、统的研究与设计16图 3.2 温度采样单元该系统的下位机 8255 单片机作为控制核心，负责采集现场温度值。温度传感器将温度转换为电压信号，经模数转换器 ADC0809 转换成 8 位数字量，并经8255 的 P1 口进入单片机保存。上位 PC 机通过串行口与下位机联络，向下位机发送控制命令和接收下位机上传的数据以及进行人机交互。上位机采用 VB 60 进行人机交互界面设计，并利用其 MSComm 控件实现与下位机简单而高效的串行通信。充分发挥了单片机在实时数据采集和 PC 机对图形处理、显示以及数据库管理上的优点。使得单片机的应用已不仅仅局限于传统意义上的自动监测或控制，而是形成了以网络为核
48、心的分布式多点系统的发展趋势。3.3 控制温度单片机是集成了中央处理部件，存储器、定时器和各种输入输出设备等接口部件。具有集成度高，功能强、速度快、体积小、功耗小、使用方便、价格便宜等优点，在工业生产中，电流、电压、温度、压力流量和开关量都是常用的被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制方便、简单、灵活。而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。3.4 模数转换部分模数转换是将模拟输入信号转换为 N 位二进制数字输出信号的技术。采用数字信号处理能够方便地
49、实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功第三章 温度控制器的硬件设计17能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。与之相应的是，作为模拟系统和数字系统之间桥梁的模数转换的应用日趋广泛。为了满足市场的需求，各芯片制造公司不断推出性能更加先进的新产品、新技术，令人目不暇接。3.5 模数转换技术本次设计还涉及到数模转换技术，而模数转换技术包括采样、保持、量化和编码四个过程。采样就是将一个连续变化的模拟信号 x(t)转换成时间上离散的采样信号x(n)。根据奈奎斯特采样定理，对于采样信号 x(t)，如果采样频率 fs 大于或等于 2fmax(fmax 为 x(t)最高频率成分)，则可以无失真地重建恢复原始信号 x(t)。实际上，由于模数转换器器件的非线性失真、量化噪声及接收机噪声等因素的影响采样速率一般取 fs=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度 tw 是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时
