基于单片机的温度测控系统设计

基于单片机的温度测控系统设计内容摘要：

文） 8  ~： P2 口的 8 位准双向 I/O 端口。 在访问片外存储器时，它输出高 8位地址，即 A8~A15。 在不做总线时，也可以作为普通 I/O 口使用。 在对闪 存编程和验证程序时，它输入高 8 位地址。  ~： P3 口的 8 位准双向 I/O 端口。 这 8 个引脚都具有专门的第二功能，如表 22。 表 22 P3 口各位的第二功能 P3口的各位 第二功能的名称及作用 RXD（串行口输入） TXD（串行口输出） 0INT （外部中断 0 输入） 1INT （外部中断 1 输入） T0（定时 /计数器 0 的外部输入） T1（定时 /计数器 1 的外部 输入） WR（片外数据存储器写选通控制输出） RD（片外数据存储器读选通控制输出） 时钟电路设计 时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。 因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。 常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式，如图 所示。 本设计用的是内部时钟方式。 AT89S51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。 这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。 图 时钟电路 湖南工业大学 本 科毕业设计（论文） 9 上位机通信设计 以单片机为主体构成的分布式数据采集和控制系统，以附加电路结构简单、工作稳定可靠而被广泛应用在工业控制系统中。 目前广泛使用的单片机产品（如 Intel 的803 ATMEL 的 AT89S5 GMS97C51 等系列单片机）芯片中都集成了串行通信接口。 使用这些串行通信接口和 RS485 接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络，从而将多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。 这种 RS485 网络结构具有接口简单、灵活性好、价格低、易于控制等优点，可广泛应用于工业控制系统中。 目前，在很多的分布式数据采集和控制系统中，为了克服单片机的功能不足，都引入了PC 机，并采用主从式结构模式，即以 PC 机为主机，分布在现场的各个单片机系统为从机而组成的系统结构。 一般的 PC 机串行口为标准 RS232 口，根据标准规定： RS232 采用负逻辑，即：逻辑 “1”为 5V～ 15V，逻辑 “0”为 +5V～ +15V；另外，驱动器最大只允许有 2500pF 的电容负载，且通信距离受此电容限制。 因此， 150pF/m 的通信电缆的最大通信距离为 15m，若每米电缆的电容量有所减少，则通信距离即可增长。 RS232传输距离较短的另一原因是其属于单端信号传送，这种传送存在共地噪声且不能抑制共模干扰，因此， RS232 一般用于 20m以内的通信。 而对于大多数分布式控制系统来说，其通信距离一般为几十米到几千米不等，显然， RS232 接口不能满足此类系统的要求，目前广泛采用的是 RS485 收发器。 RS485收发器采用的平衡发送和差分接收具有抑制共模 干扰的能力，加上收发器具有很高的灵敏度，能检测低达 200mV 的电压，因此，传输信号可在千米以外得到恢复。 该系统的扩展通信接口电路如图 所示。 C 1 +1C 1 3C 2 +4C 2 5T 1 I N11T 2 I N10R 1 O U T12R 2 O U T9G N D15V D D2V C C16T 1 O U T14T 2 O U T7R 1 I N13R 2 I N8V E E6U6M A X 2 3 2C 1 1 0 .1 u FC 1 0 0 .1 u FC90 .1 u FP 3 0P 3 1162738495J3D B 9 C80 .1 u FV C CRO1RE2DE3DI4G N D5A6B7V C C8U7M A X 4 8 5 C P AR 2 31 0 KQ89 0 1 3R 2 41 0 kV C CV C CR 2 51KR 2 61K 图 通信电平转换电路 湖南工业大学 本 科毕业设计（论文） 10 显示接口电路 发光二极管 LED 是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。 LED 数码显示器就是由发光二极管组合而成的 1 种新型显示器件。 数码管显示器成本低，配置灵活，与单片机接口简单，在单片机应用系统中广泛应用非常普遍。 LED 数码显示器有两种连接方法 [2]：（ 1）共阳极接法。 把发光二极管的阳极连在一 起构成公共阳极，使用时公共阳极接 +5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。 当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。 （ 2）共阴极接法。 把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。 每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。 当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。 在本设计中所采用的是共阳极 LED数码显示器。 本设计显示接口电路由 4 个共阳极 LED 数码显示管、 4 个 9012 三极管和限流电阻组成。 在软件上采用动态轮流扫描方式，来控制数码管 的显示。 单片机的输出端口P0 口通过限流电阻与数码管的阴极相连，用于控制数码管的字形显示。 单片机的输出引脚 、 、 和 分别通过限流电阻和三极管与数码管的阳极相连，用于向它们提供选通信号。 当端口输出低电平时，相应的三极管导通，使相应的数码管选通。 当端口输出高电平时，相应的三极管截止，使相应的数码管关闭。 硬件接口电路如图 所示。 abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 1共阳abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 2共阳abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 3共阳abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 4共阳P 0 0P 0 1P 0 2P 0 3P 0 4P 0 5P 0 6P 0 7Q29 0 1 2Q19 0 1 2Q39 0 1 2Q49 0 1 2P 2 0P 2 1P 2 2P 2 3V C C 图 显示接口电路 电源模块设计 电源电路为整个控制电路提供电源，是电路设计不可缺少的一部分。 电源电路的稳定性决定着整个电路的可靠程度。 在本设计中，整个系统控制电路需要 +5V 的电源。 把市电交流 380V 经过变压器降压为交流 12V，在通过二极管整流、电容滤波、三端集成稳压器稳压后输出 +5V 直流电压。 电源电路图如图 所示。 湖南工业大学 本 科毕业设计（论文） 11 D3D1 D2D4D6P o w e r1 2J1 ~ 2 2 0 VD5C12 2 0 0 u FV in1GND2V o u t3U1C W 7 8 0 5C20 .1 u FC31 0 u FC42 2 0 u FR15 1 0T13 8 0 :1 2+ 5 V 图 电源电路 外部复位电路设计 AT89S51 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。 复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的 S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。 AT89S51 单片机的外部复位电 路有 [3]：（ 1）上电复位。 上电复位电路是一种简单的复位电路，只要在 RST 复位引脚接一个电容到 VCC，接一个电阻到地就可以了。 上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到 RST 复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着 VCC 对电容的充电过程而回落，所以 RST 引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。 为了保证系统安全可靠的复位， RST 引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。 （ 2）按键电平复位。 在上电复位的基础上，在复位电容上并接一个串电阻的按键即可，当按键按下时 RST 引脚高电平，单片机复位。 复位如图 所示。 为了 操作时 调试方便，本设计 中 采用 按键复位电路。 图 复位电路 湖南工业大学 本 科毕业设计（论文） 12 温度检测电路设计 温度检测电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分。 本系统要求对加热炉内温度进行实时采集与检测，在充分保证安全的情况下对待加工器件进行处理。 据要求，本系统的温度检测电路主要由温度传感器、运算放大器、及 A/D 转换器组成。 经固定周期 T 对加热炉内温度进行检测，实现加热功能，并使系统安全稳定。 热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测 温精度高等特点。 但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题 [4]。 ① 非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。 ② 冷端补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为 0℃ 时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的 ,故需进行冷端补偿。 ③ 数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求。 因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号放大、 A/D 转 换、查表线性化、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。 如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。 Maxim 公司新近推出的 MAX6675 即是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、 A/D转换器及 SPI 串口的热电偶放大器与数字转换器。 1. 性能特点 MAX6675 的主要特性如下： ① 简单的 SPI 串行口温度值输出； ② 0℃ ～ 1024℃ 的测温范围； ③ 12 位 ℃ 的分辨率； ④ 片内冷端补偿 ； ⑤ 高阻抗差动输入 ； ⑥ 热电偶断线检测 ； ⑦ 单一 +5V 的电源电压； ⑧ 低功耗特性 ； ⑨ 工作温度范围 20℃ ～ 85℃ ； ⑩ 2020V 的 ESD 保护。 该器件采用 8 引脚 SO 贴片封装。 引脚排列如图 所示，引脚功能 见 表 23。 湖南工业大学 本 科毕业设计（论文） 13 图 引脚排列 表 23 MAX6675 引脚功能 引脚 名称 功 能 1 GND 接地端 2 T K 型热电偶负极 3 T+ K 型热电偶正极 4 VCC 正电源端 5 SCK 串行时钟输入 6 CS 片选段，为低、启动串行接口 7 SO 串行数据输出 8 NC 空引脚 2. 工作原理 K 型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。 K 型热电偶的测温原理是利用转换元件的参数随温度变化的特性，将温度和与温度有关的参数的变化转换为电量变化输出的装置。 两种不同的导体或半导体组成的闭合回路就构成了热电偶 [5]，热电偶两端为两个热电极，温度高的接点为热端、测量端或自由端；温度低的接点为冷端、参考端或自由端。 测量时，将工作端置于被测温度场中，自由端恒定在某 一温度。 热电偶是基于热电效应工作的，热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。 MAX6675 是一复杂的单片热电偶数字转换器，其内部结构如图 所示。 主要包括：低噪声电压放大器 A电压跟随器 A冷端温度补偿二极管、基准电压源、12 位 AD 转换器、 SPI 串行接口、模拟开关及数字控制器。 其工作原理如下： K 型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器 A1 和电压跟随器 A2 放大、缓冲后，得到热电势信号 U1，再经过 S4 送至 ADC。 对于 K 型热电偶，电压变化率为 (41μV/℃ )，电压可由如下公式来近似热 电偶的特性。 U1=(41μV/℃ )(TT0) 上式中， U1 为热电偶输出电压（ mV）， T 是测量点温度； T0 是周围温度。 在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端湖南工业大学 本 科毕业设计（论文） 14 温度即是。