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1、花卉大棚温度自动控制系统设计摘 要本论文对温度数据的采集与控制温度进行了详细的阐述。主要讲述了一个在计算机远程控制下,利用单片机对远程温度进行采集显示并控制温度的增长。同时通过 PC 机对 PWM 波输出进行 PID 调整。采用了 AT89C51 单片机,通过 DS18B20 和按键完成数据的采集温度显示温度设定功能,并完成 PID 控制算法的实现和控制信号的输出。主频我们选用了 11.0592M 的晶振(使波特率为整数)。并给出其软硬件设计及调试。在论文完成过程中，主要进行了以下工作：1对系统要求进行分析，并设计系统的整体结构；2把整体细分化，对每个模块进行详细设计；3按照硬件电路，编写软件

2、程序；4调试阶段，调试各软、硬件模块，编写测试程序，验证系统的可用性，最后制成系统样机。 本论文主要对远程温度采集与控制系统进行了较详细的阐述。软件的二大模块：采集模块、PID 控制，并对主要芯片的使用做了说明。对硬件电路的数据采集、数据设定及显示部分作较详细的阐述。介绍了整体硬件的实现方案。关键词：温度采集 ， AT89C51 单片机 ， DS18B20 ， PID 控制2008 届毕业设计说明书Flower greenhouse temperature control system designAbstractThis paper on the temperature data acqui

3、sition and control temperature carried out a detailed exposition. Mainly tells the story of a computer remote control, using the SCM acquisition of long-range temperature display and control the temperature increase. At the same time, PC-to-output PWM PID adjustment. AT89C51 SCM used by DS18B20 and

4、keys to complete the acquisition temperature data showed that function of temperature settings, and completed the PID algorithm to achieve the output and control signals. We choose the frequency of the crystal 11.0592 M (rounded to the baud rate). And gives its hardware and software design and debug

5、ging. Papers in the process of completion, mainly for the following work: 1. System requirements for analysis and design of its overall structure; 2. The overall breakdown of the detailed design of each module; 3. In accordance with the hardware, software programs to prepare; 4. Debugging stage, the

6、 debugging software and hardware modules, prepared by the testingprocedures, the verification system availability, made the final prototype system. This paper on the acquisition and long-range temperature control system was described in detail. The two software modules: acquisition module, PID contr

7、ol, and the main chip used to do a note. The hardware circuit data collection, data set and showed that some for more detailed exposition. On the hardware to achieve the overall programme. Keywords: temperature acquisition，AT89C51，SCM DS18B20 ，PID control目 录1 绪论 .12 国内外温室控制技术发展概况 .22.1 手动控制 .22.2 自动

8、控制 .22.3 智能化控制 .33 单片机的组成及原理 .43.1 单片机的组成 .43.2 8051 单片机执行指令的过程 .53.3 AT89C51 的介绍 63.3.1 AT89C51 单片机性能 73.3.2 功能特性概述: .73.3.3 AT89C51 引脚功能说明: .94 采用 K 型热电偶的温度传感器 205 DS18B20 基本知识 225.1 DS18B20 产品的特点 .235.2 DS18B20 的引脚介绍 .235.3 DS18B20 的读时序 .245.4 DS18B20 的写时序 .245.5 电路原理图 245.6 系统板上硬件连线 256 花卉大棚温度自动

9、控制系统设计 .266.1 应用 ATMEL 公司的 AT89C51 作为主控芯片 266.1.1 在温度的数据采集方面 .276.1.2 显示方面 .286.1.3 控制方面 .286.2 功能模块设计与电路参数计算 286.2.1 温度采集电路 .282008 届毕业设计说明书第 I 页 共 II 页6.2.2 控制器 .296.2.3 显示模块与按键 .296.2.4 加热器控制电路 .306.2.5 控制算法的改进 .306.3 系统调试 306.3.1 单片机系统 .306.3.2 数字 PID .326.3.3 温度调节 .326.3.4 系统统调 .326.4 系统指标测试 32

10、7 结语 34参考文献 .35致谢 .361 绪论温度是工农业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油、农业工程中，具有举足轻重的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。本课题研究的目的是将单片机对温度控制的基本原理实例化，设计一个实时控制花卉大棚内温度的控制系统。随着农业现代化的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、

11、与人民生活关系密切，已越来越受到世界各国的重视，这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。计算机控制系统在温室种植中得到了越来越广泛的应用,并正在成为温室控制的核心，该系统的使用,可以为植物提供一个理想的生长环境,并能减轻人的劳动强度，提高设备的利用率等。本文设计了一种基于 AT89C51 单片机的温度测量和控制装置，能对环境温度进行测量，并能根据温度给定值给出调节量，控制执行机构，实现调节环境温度的目的。2008 届毕业设计说明书第 1 页 共 36 页2 国内外温室控制技术发展概况温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候

12、对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。国外对温室环境控制技术研究较早，始于 20 世纪 70 年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80 年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。从国内外温室控制技术的发展状况来看

13、，温室环境控制技术大致经历以下三个发展阶段:2.1 手动控制这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。2.2 自动控制这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目

14、标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时作出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。2.3 智能化控制这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发

15、出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。2008 届毕业设计说明书第 3 页 共 36 页3 单片机的组成及原理3.1 单片机的组成由中央处理器（CPU）、存储器（RAM 和 ROM）、I/O（Input/Output）接口和I/O 设备就构成了通用的微型计算机系统。通用微机系统由多个 IC（Intergraded Circuit）芯片组成，CPU 只是其中的一个组织部分。如果

16、把 CPU、RAM、ROM、终端系统、定时/计数器、以及 I/O 口等主要微型机部件集成在一块芯片上，就称该芯片为单片微型计算机 SCMC（Single Chip Micro Computer）,简称单片机。单片机的基本结构如下： 运算器：用于实现算术和逻辑运算。计算机的运算和处理都在这里进行控制器：是计算机的控制指挥部件，使计算机各部份能自动协调的工作存储器：用于存放程序和数据（又分为内存储器和外存储器，内存储器就如我们电脑的硬盘，外存储器就如我们的 U 盘）输入设备：用于将程序和数据输入到计算机（例如我们电脑的键盘、扫描仪）输出设备：输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果以用户需要的形式

17、显示或保存（例如我们的打印机）1 中央处理器（CPU）通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器（Central Processing Unit）,简称 CPU。需要提醒的是 MCS-51 的 CPU 能处理 8 位二进制数或代码。2 内部数据存储器（RAM）8051 芯片共有 256 个 RAM 单元，其中后 128 单元被专用寄存器占用（稍后我们详解） ，能作为寄存器供用户使用的只是前 128 单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前 128 单元，简称内部 RAM。地址范围为00HFFH（256B） 。是一个多用多功能数据存储器，有数据存储、通用工作寄存器、堆栈、

18、位地址等空间。3 内部程序存储器（ROM）8051 内部有 4KB 的 ROM，用于存放程序、原始数据或表格。因此称之为程序存储器，简称内部 ROM。地址范围为 0000HFFFFH（64KB） 。 4 定时器/计数器8051 共有 2 个 16 位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。定时时靠内部分频时钟频率计数实现，做计数器时，对 P3.4（T0）或 P3.5（T1）端口的低电平脉冲计数。 5 并行 I/O 口 MCS-51 共有 4 个 8 位的 I/O 口（P0、P1、P2、P3）以实现数据的输入输出。具体功能在后面章节中将会详细论述。 6 串行

19、口 MCS-51 有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为移位器使用。RXD（ P3.0）脚为接收端口，TXD（P3.1）脚为发送端口。 7 中断控制系统 MCS-51 单片机的中断功能较强，以满足不同控制应用的需要。共有 5 个中断源，即外中断 2 个，定时中断 2 个，串行中断 1 个，全部中断分为高级和低级共二个优先级别。 8 时钟电路 MCS-51 芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率为 12MHZ。3.2 8051 单片机执行指令的过程

20、 单片机执行程序的过程，实际上就是执行我们所编制程序的过程。即逐条指令的过程。计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令-分析指令-执行指令。 取指令的任务是：根据程序计数器 PC 中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。 分析指令阶段的任务是：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令,可循环等待指令。 一般计算机进行工作时，首先要通过外部设备把程序和数据通过输入接口电路和数据总线送入到存储器，然后逐条取出执行。但单片机中的程序一般事先我们都已通过写入

21、器固化在片内或片外程序存储器中，因而一开机即可执行指令。 2008 届毕业设计说明书第 5 页 共 36 页下面我们将举个实例来说明指令的执行过程： 开机时，程序计算器 PC 变为 0000H。然后单片机在时序电路作用下自动进入执行程序过程。执行过程实际上就是取出指令（取出存储器中事先存放的指令阶段）和执行指令（分析和执行指令）的循环过程。 例如执行指令：MOV A,#0E0H，其机器码为“74H E0H”，该指令的功能是把操作数 E0H 送入累加器， 0000H 单元中已存放 74H， 0001H 单元中已存放 E0H。当单片机开始运行时，首先是进入取指阶段，其次序是： 1 程序计数器的内容

22、（这时是 0000H）送到地址寄存器； 2 程序计数器的内容自动加 1（变为 0001H） ； 3 地址寄存器的内容（0000H）通过内部地址总线送到存储器，以存储器中地址译码为跟，使地址为 0000H 的单元被选中； 4 CPU 使读控制线有效； 5 在读命令控制下被选中存储器单元的内容（此时应为 74H）送到内部数据总线上，因为是取指阶段，所以该内容通过数据总线被送到指令寄存器。 至此，取指阶段完成，进入译码分析和执行指令阶段。 由于本次进入指令寄存器中的内容是74H（操作码） ，以译码器译码后单片机就会知道该指令是要将一个数送到 A 累加器，而该数是在这个代码的下一个存储单元。所以，执行

23、该指令还必须把数据（E0H）从存储器中取出送到 CPU，即还要在存储器中取第二个字节。其过程与取指阶段很相似，只是此时 PC 已为 0001H。指令译码器结合时序部件，产生 74H 操作码的微操作系列，使数字 E0H 从 0001H 单元取出。因为指令是要求把取得的数送到 A 累加器，所以取出的数字经内部数据总线进入 A 累加器，而不是进入指令寄存器。至此，一条指令的执行完毕。单片机中 PC=0002H，PC 在 CPU 每次向存储器取指或取数时自动加 1，单片机又进入下一取指阶段。这一过程一直重复下去，直至收到暂停指令或循环等待指令暂停。CPU 就是这样一条一条地执行指令，完成所有规定的功能

24、。3.3 AT89C51 的介绍AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压,高性能 CMOS8 位单片机,片内含 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和 128 bytes 的随机存取数据存储器(RAM),器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失存储技术生产,兼容标准 MCS-51指令系统,片内置通用位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元,功能强大。3.3.1 AT89C51 单片机性能 AT89C51 单片机提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数为:1) 与 MCS-51 产品指令系统完全兼容2) 4K 字节可重擦写 F

25、lash 闪速存储器3) 100 次擦写周期4) 全静态操作:0Hz-24MHz5) 三级加密程序存储器6) 128*8 字节内部 RAM7) 32 个可编程 I/O 口线8) 2 个 16 位定时/计数器9) 6 个中断源10) 可编程串行 UART 通道11) 低功耗空闲和掉电模式3.3.2 功能特性概述:AT89C51 提供以下标准功能:4K 字节 Flash 闪速存储器,128 字节内部 RAM,32个 I/O 口线,两个 16 位定时/计数器,一个向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路.同时,AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节

26、电工作模式.空闲方式停止 CPU 的工作,但允许 RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作.掉电方式保存 RAM 中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到一个硬件复位。2008 届毕业设计说明书第 7 页 共 36 页图 3.1 PQFP/TQFP图 3.2 PDIP图 3.3 PLCC3.3.3 AT89C51 引脚功能说明:1）V CC:电源电压2）GND:地P0 口:P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口,也即地址/数据总线复用作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程

27、序存储器时，这转换地址(低 8 位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时,P0 口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。2008 届毕业设计说明书第 9 页 共 36 页图 3.4 AT98C51 方框图P1 口:P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P1 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路,对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出阻抗一个电流 IIL。 Flash 编程和程序校验期间,P1 接收低 8

28、位地址。P2 口:P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P2 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路,对端口写“1”,通过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器(例如执行 MOVX DPTR指令)时,P2 口送出高 8 位地址数据,在访问 8 位地址的外部数据存储器(如执行MOVX RI 指令 )时,P2 口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中 R2 寄存器的内容),在整个访问期间不改变。Flash

29、编程或校验时,P2 亦接收高位地址和其它控制信号。P3 口:P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P3 口输出阻抗缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路,对 P3 口写入“1”时,它被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口.作输入时,被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出阻抗电流 IIL。 P3 口除了作为一般的 I/O 口线外,更重要的用途是它的第二功能,如下表所示: 表 3.1 P3 口的第二功能端口引脚 第二功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 (外中断 0)0INTP3.3 (外中断 1)1P3.4 T0(定时/ 计数

30、器 0)P3.5 T1 定时/计数器 1P3.6 (外部数据存储器写选通)WRP3.7 (外部数据存储器读选通)DP3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号: 1）RST： 复位输入,当振荡器器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将单片机复位。2）ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 Flash 存储器

31、编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8E 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置前后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 无效。3）PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读先通信号，当AT89C51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，2008 届毕业设计说明书第 11 页 共 36 页即输出两个脉冲。在此期间，将访问外部数据存储器，这再次有效的 PSEN 信号不出现。4）EA/V

32、PP：外部访问允许。欲使 CPU 访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFH） 。EA 端必须保持低电平（接地） ，需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁EA 端状态如 EA 端为高电平（接 VCC 端） ，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 VPP，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 VPP。5）XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。6）XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。7）时钟振荡器：AT89C51 中有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，引脚XTAL1 和 XTAL2 分别

33、是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应该符合产品技术条件的要求。8）空闲节电模式： AT89C51 有两种可用软件编程的省电模式，它们有空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器 PCON（即电源控制寄存器）中的 PD（PCON.1）和 IDL（PCON.0）位来实现的。PD 是掉电模式，当 PD=1 时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL 是空闲等待方式，当 IDL

34、=1，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即 PD和 IDL 同时为 1，则先激活掉电模式。在空闲工作模式状态，CPU 保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持满打激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内 RAM 和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条允许中断的事件被激活，IDL（PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随 RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。其

35、二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU 通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位周期要保持两个机器周期（24 个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止 CPU 访问片内 RAM，而允许访问其它端口。为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。（1） 掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执的指令，片内 RAM 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新

36、定义特殊功能寄存器但不改变 RAM 中的内容，在 VCC 恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启并稳定工作。见下表：表 3.2 空闲和掉电模式外部引脚状态（2） 程序存储器的加密：AT89C51 可使用对芯片上的 3 个加密位LB1、LB2、LB3 进行编程（P）或不编程（U）来得到如下表 3.3 所示的功能：表 3.3 AT89C51 上的加密位的功能程序加密位LB1 LB2 LB3保护类型1 U U U 没有程序保护功能2 P U U 禁止从外部程序存储器中执行 MOVC 指令读取内部程序存储器的内容模式 程序存储器 ALE PSEN P0 P1 P2 P3空闲

37、模式 内部 1 1 数据 数据 数据 数据空闲模式 外部 1 1 浮空 数据 地址 数据掉电模式 内部 0 0 数据 数据 数据 数据掉电模式 外部 0 0 浮空 数据 数据 数据2008 届毕业设计说明书第 13 页 共 36 页3 P P U 除上表功能外，还禁止程序校验4 P P P 除以上功能外，同时禁止外部执行当加密位 LB1 被编程时，在复位期间，EA 端的逻辑电平被采样并锁存，如果单片机上电后一直没有复位，则锁存起的初始值是一个随机数，且这个随机数会一直保持到真正复位为止。为使单片机能正常工作，被锁存的 EA 电平值必须与该引脚当前的逻辑电平一致。此外，加密低位只能通过整片擦除的

38、方法清除。（3）Flash 闪速存储器的编程：AT89C51 单片机内部有 4K 字节的 Flash PEROM,这个 Flash 存储阵列出厂时已处于察除状态（即所有存储单元的内容均为 FFH） ，用户随时可对其进行编程。编程接口接收高电压（+12V）或电压（VCC）的允许编程信号。低电平编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用 EPROM 编程器兼容。表 3.4 AT89C51 的 Flash 闪速存储器的编程AT89C51 单片机中，有些属于低电平编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息。VPP=12V VPP=5V芯片顶面

39、标识 AT89C51XxxxyywwAT89C51xxxx-5yyww签名字节 (030H)=1EH(031H)=51H(032H)=FFH(030H)=1EH(031H)=51H(032H)=05HAT89C51 的程序存储器阵列是采用字节方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的 PERON 程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。（4）编程方法：编程前，须按下表 3.5 和下图 3.6 所示设置好地址、数据及控制信号，编程单元的地址加在 P1 口和 P2 口的 P2.0P2.3（11 位地址范围 0000H-0FFFH） ，数据从 P0 口输入，引脚

40、P2.6、P2.7 和 P3.6、P3.7 的电平设置见表 6，PSEN 为低电平，RST 保持高电平，EA/VPP 引脚是编程电源的输入端，批要求加上编程电压，ALE/PROG 引脚输入编程脉冲（负脉冲） 。编程时，可采用 4-20MHZ 的时钟振荡器，AT89C51 编程方法如下：1.在地址线上加上要编程的单元的地址信号。2.在数据线上加上要写入的数据字节。3.激活相应的控制信号。4.在高电压编程方式时，将 EA/VPP 端加上+12V 编程电压。5.每对 Flash 存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG 编程脉冲。改变编程单元的地址和写入数据，重复 1-5

41、 步骤，直到全部文件编程结束。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为 1.5ms。（5）数据查询：AT89C51 单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束，在一个写周期中，如需读取最后定写入的那个字节，则读出的数据的最高位（P0.7）是原来写入最高位的肥码。写周期完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，此时，可进入一个字节的写周期，写周期开始后，可在任意时刻进行数据查询。（6）Ready/Busy：字节编程的进度可通过“RDY/BSY”输出信号监测，编程期间，ALE 为高电平“H”后 P3.4（RDY/BSY）端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态） 。编程完成后，P3.4 变为高电平表

42、示准备就绪状态。（7）程序校验：如果加密位 LB1、LB2 没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读原编写的数据，采用下图的电路，程序存储器的地址由 P1 和 P2 口的 P2.0-P2.3输入，数据由 P0 口读出，P2.6、P2.7 和 P3.6、P3.7 的控制信号见表 6，PSEN 保持低电平，ALE、EA 和 RST 保持高电平。校验时，P0 口须接上 10K 左右的上拉电阻。2008 届毕业设计说明书第 15 页 共 36 页表 3.5 Flash 存储器编程真值表注：片擦除操作时要求 PROG 脉冲宽度为 10ms方式 RST PSENALE/ ROG PEANP2.6 P2

43、.7 P3.6 P3.7写代码数据 H L H/12V L H H H读代码数据 H L H H L L H HBit-1 H L H/12V H H H HBit-2 H L H/12V H H L L写加密位Bit-3 H L H/12V H L H L片擦除 H L H/12V H L L L读签名字节 H L H H L L L L图 3.5 编程电路图 3.6 校验电路加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和对写入状态来验证。2008 届毕业设计说明书第 17 页 共 36 页Flash 存储器编程和程序校验时序图 3.7（高电平编程）和图 3.8（低电平编程） 。图

44、3.7 Flash 编程和校验的波形时序（高）图 3.8 Flash 编程和校验的波形时序（低）（8）芯片擦除：利用控制区信号的正确组合（表 3.6）并保持 ALE/PROG 引脚为 10ms 的低电。脉冲宽度即可将 PEROM 阵列（4K 字节）和有一个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1” ，这步骤需在编程之前进行。（9）读片内签名字节：AT89C51 单片机内有 3 个签名字节，地址为 030H、031H、032H。用于声明该器件的厂商、型号和编程电压。读签名字节的过程和单元 030H、031H 及 032H 的正常校验相仿，只需将 P3.6 和 P3.7 保持低

45、电平，返回值意义如下：（030H）=1EH 声明产品由 ATMEL 公司制造；（031H）=51H 声明为 AT89C51 单片机；（032H）=FFH 声明为 12V 编程电压；（032H）=05H 声明为 5V 编程电压。（10）编程接口：采用控制信号的正确组合可对 Flash 闪速存储的每一个代码字节进行写入和存储器的整片擦除，写操作周期是自身定时的，初始化后它将自动定时到操作完成。Flash 的编程和校验特性如下表 3.6表 3.6 Flash 的编程和校验特性符号 参数 最小值 最大值 单位(1)PV编程电压 11.5 12.5 V(1)I编程电流 1.0 MatGLC时钟频率 3

46、24 MHzAVt建立地址到 变低PROG48tCLCLGHXt变低后地址保持不变 48tCLCLDVLt建立数据到 变低 48tCLCLGHXt变低后数据保持不变PRO48tCLCLEStENABLE 变高到 PV48tCLCL2008 届毕业设计说明书第 19 页 共 36 页SHGLt加 到 变低PVROG10 us(1)St后保持 P10 usGLHt宽度 1 usAVQt地址到数据有效 48tCLCLELtENABLE 低到数据有效 48tCLCLHQZtENABLE 后数据浮空 0 48tCLCLGBLt变高到 BUSY 变低PROG1.0 usWCt字节写入周期 2.0 Ms4

47、采用 K 型热电偶的温度传感器K 型热电偶在-2701372范围内的分度表 ，这种热电偶性能稳定，产生的热电势大，热电特性线性好，复现性好，高温下抗氧化能力强，耐辐射，使用范围宽，应用广泛。控制系统结构框图如下：图 4.1 控制系统结构图系统的数据采集主要是对铁块现时温度的检测转换,温度的检测由镍铬-镍硅电阻完成,用电桥得到差动值,经差动放大器放大后,送入 A/D 转换器进行转换,最后送入处理器处理。温度给定 PID 控制器 双向可控硅 铁块温度控制与检测A/D 转换图 4.2 温度传感器和信号放大电路我们使用电桥读取镍铬-镍硅电阻的输出信号,图中 TL431 电路部分为供桥电压产生电路,因为

48、供桥电源的变化几乎是一比一的反映到电桥电压输出,所以供桥电源的稳定与否直接影响到温度采样的精度。当系统有一精度足够的+10V 电源时,TL431 电路部分可以省略。电桥部分桥上臂电阻选 22K,右下臂电阻选 100,电桥输出电压为：（4.1）假设系统温度变化范围为 0-120,则根据（4.1）式得电桥输出电压范围约为：0-20mV。信号放大部分属于 V-V 放大,前面我们已经知道电桥的输出电压为0-20 mV,而 A/D 转换的输入电压为-5V-+5V,我们选用单极性输入+3V,这样可以确定放大器的增益为 150 倍（3V/20 Mv）。放大器的极数与单极放大器的带宽增益有关,由于被控对象控制

49、系统中测量速度不是主要的,也就是说带宽问题不予考虑,如果我们选用带宽增益积较大的芯片,则使用单极放大就足够了。在这里我们选用差分式斩波稳零高精度运算放大器 ICL7650。一级放大接成双端差分输入,单端输出形式。放大器接成 T 型反馈网络,则放大器的放大倍数为：（4.2）2008 届毕业设计说明书第 21 页 共 36 页在应用时,各元件阻值可按照上图中选取,实际放大倍数应该根据系统需要通过微调 Rv2 得到。A/D 转换芯片选择首先取决于控制系统对分辨率的要求,在本系统中要求达到控制温度范围为 20100 摄氏度,控制精度为 0.25 摄氏度,则分辨率为：100/0.25=400。5 DS18B20基本知识DS18B20 是美国 Dallas 半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。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，直接将温度转化成串行数字信号供微机处理。DS18B20 的工作原理是：DS1820 采用3 脚PR-35 封装或8 脚SOIC 封装，其中 GND 为地；I/O 为数据输入/ 输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平：VDD是外部+5V电源端不用时应接地:NC 为空脚图5-1 所示为DS1