基于单片机的温度控制系统硬件设计

基于单片机的温度控制系统硬件设计内容摘要：

（ 4）价格如何，使用是否方便。 下面就几种方案的传感器进行分析和对比： 方案 1： 采用热敏电阻，热敏电阻多利用对温度敏感的半导体材料制成，其电阻阻值会随温度的变化发生明显的变化。 有随温度升高而变大的正温度系数电阻（ PTC），也有随温度升高而变小的负温度系数电阻 (NTC)。 其 体积小，适合于测量微弱的温度变化，但热敏电阻精度、稳定性、线性度都较差。 不适于小于 1℃的温度信号检测，且不能直接用于 A/D转换。 方案 2: 采用 AD590 作为传感器， AD590 是电流型温度传感器，它是二端器件作为一种高阻电流源，不需要严格考虑传输线上的电压信号损失噪声干扰问题，其精度高、价格低、无需辅助电源、线性度和互换性好。 特别适用于多点温度测量和控制系统。 方案选择： 选择方案 2。 因为 AD590 电路简单稳定可靠，测量精度高无需调试，与A/D 转换器连接方便。 A/D 转换器 的选择 模 /数转换器是一种将连续的模拟量转化成离散的数字量的一种电路或器件。 模拟信号转换为数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过程。 针对不同的对象有不同的A/D 转换器可供选择，其中有通用的也有专用的。 在选择 ADC 器件时要考虑多种因素，除了关键参数、分辨率和转换速度以外，还要考虑其他因素，如静态与动态精度、数据接口类型、控制接口与定时、采样保持性能、基本要求、功耗、使用环境要求等问题。 方案 1: 采用积分型 A/D 转换器，如 ICL135 等。 双积分型 ADC 转换精度高，但转换速度不够快，若 用于温度测量，不能及时地反映当前温度值，且多数双积分型 ADC 其输出端不是二进制，而是直接驱动数码管的。 所以若直接将其输出端接 I/O 接口会给软件设计带来极大的不便。 方案 2: 采用逐次逼近式转换器，对于这种转换方式，通常是用一个比较输入信号与作为基准的 n位 DAC输出进行比较，并进行 n 次 1 位转换。 这种方法类似于天平上用二进制砝码称量物质。 采用逐次逼近寄存器，输入信号仅与最高位（ MSB）比较，确定 DAC 的最高位（ DAC 满量程的一半）。 确定后结果（ 0 或 1）被锁存，同时加到 DAC 上，以决定 DAC的输出（ 0或 1/2）。 逐次逼近式 ADC0809 芯片内包含 8位模 /数转换器、 8通道多路转换器与微机控制兼容的控制逻辑。 8 通道多路转换器能直接连通 8 个单端输入信号中的任何一个。 ADC0809 具有转换速度快、精度高、输出为二进制码、直接接 I/0 口、软件设计方便等特点。 方案选择： 选择方案 2。 理由：用 ADC0809 采样速度快，配合温度传感器应用方便，价格低廉，降低设计成本。 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 8 主控芯片的选择 温度控制在工业生产中运用非常广泛，其控制过程中存在着很强的干扰性和时滞性，温度控制对系统的稳定性等性能要求 也较高。 采用传统的 PID 控制已经远不能满足温度控制和采样显示的功能要求。 而采用单片机控制则可以很容易的克服掉这些问题。 自单片机问世以来，在我国使用最多的还是 Intel 公司的 MCS51 系列单片机。 51 系列单片机具有品种全、兼容性强、性价比高等特点，且软硬件应用设计资料丰富齐全，已为我国广大工程技术人员所熟知。 STC 推出的 51 系列 单片机芯片是全面兼容其它 51 单片机的，其中 STC89C51 具有功能强大、速度较快、寿命长、价格低、抗干扰性超强、功耗低、并支持系统的在线编程等特点。 综合本温控系统的技术指标，以 STC89C51 作为主控芯片是一个不错的选择。 在此运用中以 STC89C51 单片机为基础，结合温度传感器、 A/D 转换器、 LED 显示电路、电磁继电器等，组成了一个基于 STC89C51 单片机的温度控制系统。 系统 设计的 硬件电路 包括主控制器、温度传感器、 A/D 转换器、 LED 显示等部分。 在温度控制系统中，需要将温度的变化转换为对应的电信号，选用 89C51 单片机为中央处理器，通过温度传感器 AD590 对空气进行温度采集，将采集到的温度信号传输给模数转换器ADC0809 进行模数转换，将转换后的数 字信号传输 给 单片机， 单片机计算出温度传感器采集的多点温度的平均值， 再由单片机控制数码管 显示 ， 采集到的温度通过三位 LED 显示出来。 键盘控制主要包括控制温度的增减，切换手动还是自动控制制冷、制热，手动制热和制冷。 比较采集到的温度是否在设定温度范围内，如果没有在设定的范围内，则报警。 温度控制自动进入制热和制冷状态。 系统 总体 框架图 输入部分 数码管 显示部分 STC89C51 A/D转换器 驱动控制 驱动控制 温度传感器 制热 制冷 空气 键盘控制 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 9 图 21 空调温度控制 总体 结构框图 3 系统硬件电路的设计 STC89C51 与 ADC0809 的接口设计 为了使单片机的运行速度快一些， 本设计采用为 12MHz 的晶体振荡频率。 由于 ADC0809片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号 ALE 经 D 触发器四分频后获得， ALE引脚的频率是单片机的 1/6，而 ADC0809 时钟脉冲输入端要求输入时钟频率不高于 640KHz，所以经过四分频后符合 ADC0809 对时钟频率的要求。 ADC0809 的 ADDA、 ADDB、 ADDC3 位地址输入线是通过单片机的 、 和 来控制，用来实现选通 8个温度传感器 AD590 输入中的那一路。 将 8位数字输出端与单片机相连，用于温度显示。 在启动 A/D 转换时，由 单片机的 和 控制 A/D 的地址锁存和转换启动 ，由于 A/D 的 ALE 和 START 连在一起，因此 ADC0809 在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。 其接口设计框图见图 31。 图 31 89C51 与 ADC0809 接口框图 ALE 单 … 片 机 CLK D0 IN0 … … D7 IN7 ADC0809 ADDA ADDB ADDC D Q CLK Q D Q CLK Q 8 路 输 入 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 10 硬件设计各单元电路 STC89C51 与外围电路 STC89C51 单片机 采用 40只引脚的双列直插封装（ DIP）方式的单片机，引脚功能如下： （ 1） 电源及时钟引脚 — Vcc、 Vss； XTAL XTAL2。 （ 2） 控制引脚 — PSEN、 ALE/PROG、 EA/VPP、 RESET（即 RST）。 （ 3） I/O 口引脚 — P0、 P P P3，为 4个 8位 I/O 口的外部引脚。 STC89C51 单片机的 P0 口为数据输入端， 控制数码管的 片 选信号， 与报警电路的三极管的基极相连， 与锁存器的输入使能相连， 对 单片机传送来的 信号进行 锁存， , 控制两个按键实现对温度的增加或减少； P2 口用来与 ADC0809 的 3 位地址输入线相连，用于选通 8路模拟输入中的一路。 如图 图 321 单片机与外围接口电路 AD590 温度传感器电路 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 11 AD590 为电流输出性集成温度传感器 ，在被测温度一定时， AD590 实质相当于恒流源，把它与直流电源相连，并在输出端串联一个标准的 10K 的电阻，电阻上流过的电流与被测热力学温度成正比，当温度每增加 1℃ ，其电流增加 1uA ,当电阻为 10K 时，输出电压 Vo随温度的变化为 10mV/K。 AD590_ AD590_ AD590_8 分别与 ADC0809 的 8 个输入端口IN0IN7 相连。 应用电路如图 322。 图 322 AD590 应用电路 显示电路 利用 3 位 8段 LED 数码管来显示温度值， LED 数码管一般分为共阴 极和共阳极 两种，为了达到 用 LED显示 不同数字的目 的， 要把不同段的发光二极管点亮，这样就要为 LED 显示器提供段码。 共阴 极 是将 8个发光二极管阴极连接在一起作为公共端 接地 ， 当某个发光二极管的阳极为高电平时，相应发光二极管点亮，相应段被显示； 共阳型是将 8个发光二极管的阳极连接在一起作为公共端 接正电压 ， 当某个发光二极管的阴极接低电平时，相应发光二极管点亮，相应段被显示。 LED 显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。 静态显示。