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1、目 录1前言.12温度控制器的技术参数.23系统设计方案的论证.33.1方案比选.33.2方案说明.44控制系统设计.54.1系统的工作原理.54.2硬件电路设计.64.3系统软件设计.165调试，安装，运行.305.1系统硬件调试.305.2系统软件调试.306小结.31第 1 页 共 31 页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
2、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
3、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。第 2 页 共 31 页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
4、术参数表测量精度： 0.5量程 0400显示分辨率： 0.1采样速度： 500毫秒调节算法： 开关调节 (ON/OFF)输入： 热电阻：Pt100输出： 继电器，常开触点(max.250VAC,1A)报警： 继电器，常开触点(max.250VAC，3A)电源： 220VAC10%； 50Hz环境： 工作温度：0 50，相对湿度85%第 3 页 共 31 页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
5、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没有片内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，在温度测量范围很小时，测量精度还能满足要求，当测量温度范围稍宽时，测量的精度就不能实际应用的要求。方案二：采用片内带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
6、输出。由于采用了12位的ADC转换芯片，转换范围从0到4096，当温度范围要求为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内部带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
7、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，片内程序存储器空间为4K，15条I/O。第 4 页 共 31 页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
8、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。第 5 页 共 31 页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 系统的工作原理系统功能框图如图1所示系统的工作原理是：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
9、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）、温度测量范围、温度校正值、温度校正符号等。由于温度测量范围、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，所以在修改这些参单片机AT89C4051A/D存储器 显示驱动液晶显示器键盘及控制输出图 1 系统功能框图温度测量放大电源电路第 6 页 共 31 页数前必须先输入一个密码（默认为1234
10、）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
11、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字节内部RAM，15个I/O口，两个16位定时/计数器，5个中断图2 AT89C4051管脚图第 7 页 共 31 页向量（两种优先级），一个全双工串行通信接口，内置一个精密模拟比较器，片内振荡器及时钟电路。AT89C4051的功能框图如图3所示。CPU的端口资源分配见表2：图3AT89C4051功能框图第 8 页 共 31 页表2: CPU的端口资源分配表引脚名称 功能 引脚名称 功能P1.0 AT25010片选信号 P3.0 功能键P1.1 HT1621B片选信号 P3.1 加键P1.2 ADS7844E片选信号 P3.2 保存键P1.3 HT1621B读控制信号 P3.3 移位键P1.4 HT1621B写控制信号 P3.4P1.5 串行口时钟 P3.5 继电器控制输出P1.6 串行数据输入 P3.6P1.7 串行数据输出 P3.7 看门狗复位注：由于P1.0及P1.1内部不带上拉电阻，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
