基于stc89c51单片机自动热水器的设计与制作.doc

论文题目：一种单片机控制的热水器的设计学 生：* 签名：_指导老师：* 签名：_摘要近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强、体积小、功耗低、价格便宜、工作可靠、使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，在自动控制、智能化仪器、仪表、数据采集、军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。本文主要介绍了基于单片机 STC89C51 的温度控制系统的设计方案与软硬件实现。以 STC89C51 单片机为核心，设计了单片机温度控制系统，该系统很好的实现了对被测系统温度的检测、分析处理以及结果显示。本方案中采用温度传感器 DSl8B20 采集温度数据,LED 数码显示管显示温度数据。按键设置温度可改变加热器的温控状态，当温度低于设定温度时,单片机启动加热器加热。本文给出了系统总体框架、程序流程图和 Proteus 仿真结果，并在硬件平台上实现了所设计的功能。【关键词】单片机 温度控制系统 温度传感器 LED 数码显示管【论文类型】硬件设计Title: Design of water heater which based on SCMMajor: Communication EngineeringName: * Signature: _Supervisor: * Signature: _ABSTRACTIn recent years, with the computer in the social sector and the development of large-scale integrated circuits, the application of SCM is continuously to thoroughly, because it has the strong function、 small volume、 low power consumption、low price and reliable、 easy to use, so particularly suitable for related control and system, in automatic control、 intelligent instrument and meter, data acquisition, military products, and household electrical appliances, etc, the microcontroller is often used as a core component, according to the specific hardware structure and software application, the object characteristics for improvement.The design and implementation which based on software and hardware of temperature control system based on single chip microcontroller STC89C5l are introduced in this paperMicrocontroller temperature control system is designed with the core of STC89C51.This system made the testing of temperature, analysis processing and results display come true well. In this scheme ,temperature data is collected by DSl8B20, shown on LED The control states of heater can be changed by keypresses. When the temperature is under the setting temperature the microcontroller started heater heating .The overall framework of the system，the program flow chart and a simulation result of Proteus are given in this paper, the designed functions are achieved in hardware platform【Key words】Single chip microcontroller Temperature control system Temperature sensor LED【Type of Thesis】hardware design前言自20世纪70年代单片机问世以来，其因极高的性能价格比而受到人们的高度重视和关注，例如现在的消费类产品、通讯类产品、仪器仪表以及工业测控系统中等各个方面，大都是用一个或多个单片机组成比较简单、方便和科学的智能控制系统来实现。总的来说，单片机的发展应用从根本上改变了控制系统的传统设计思想及设计方法。以前用硬件电路实现的大部分控制功能，现在基本上都可以用单片机通过软件编程来实现。以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制就叫微控技术，也即是单片机控制技术。单片机控制技术的发展及人们现代生活水平的提高，各种智能化的仪器、仪表越来越受到人们的青睐，其中电热水器就是典型的一个代表。由于燃气灶热水器的安全性比较差，于是电热水器就越来越受到了人们的认可。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个监控领域中广泛应用的器件。采用单片机对热水器进行控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。本文采用单片机 STC89C51 设计了一个温度实时测量及控制系统。单片机STC89C51 能够根据温度传感器 DSl8B20 所采集的温度数据来控制加热器启停，从而把温度控制在设定的范围之内。它可实现温度的采集、转换、显示以及控制，达到根据水温智能控制热水器温度的目的。该系统的基本原理是通过温度传感器将温度数据传入单片机， 通过程序编写及二位温度显示器外设的连接，进而对水的温度加以测试和有效控制，从而实现了人工智能化。设计方案简便直观，稳定可靠。本次实践主要目的如下：(1)首先本次设计的主要目的在于巩固、加深同时扩大对 51 系列单片机应用的知识面,提高综合应用及灵活运用所学知识解决工业控制的能力； (2)其次在于培养针对不同课题的需要,自主选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力,进一步提高组成系统、软件编程、软硬件调试的动手能力；(3)通过对课题设计方案的分析、选择和比较,进一步熟悉用 51 单片机做系统开发、研制的过程,软硬件设计的方法、内容及步骤；(4)进一步掌握汇编语言在硬件编程中的应用。目录1 绪论.11.1 研究的背景及意义.1 1.2 国内外研究状况.1 1.3 单片机的应用简介.1 1.4 本文研究的主要内容.22 系统组成及工作原理.32.1 方案确定.3 2.1.1 单片机的选择.3 2.1.2 传感器的选择.3 2.1.3 显示器的选择.3 2.2 系统组成.4 2.3 工作原理.43 系统硬件设计.53.1 系统硬件总体设计.5 3.1.1 STC89C51 简介.5 3.1.2 DS18B20 简介 .6 3.1.3 数码管简介.8 3.2 子系统（模块一）.9 3.2.1 单片机控制模块.9 3.2.2 温度测量模块.9 3.2.3 键盘设定模块.11 3.2.4 数据显示模块.11 3.2.5 加热控制模块.124 系统软件设计.134.1 软件整体流程图：.13 4.1.1 主流程图.13 4.1.2 定时中断服务流程图.13 4.1.3 读出温度流程图.14 4.1.4 温度检测流程图.15 4.1.5 按键管理流程图.165 系统调试.175.1 软件调试.17 5.2 Proteus 仿真.185.2.1 仿真过程.18 5.3 硬件调试.19 5.3.1 硬件实物简介.20 5.3.2 STC-ISP 工具介绍.21 5.3.3 硬件实现之中出现的问题及解决方法.216 总结.227 心得.238 致谢.24参考文献.25附录.2701 绪论1.1 研究的背景及意义 在科学技术突飞猛进的今天，各种智能化的仪器、仪表给人们的生活带来了极大的便利。而在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机来对温度进行控制不仅具有控制方便，组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。1.2 国内外研究状况单片机是在 1970 年微处理器研制成功之后随之而出现的。单片机经历了多次更新换代，其发展速度每 2-3 年要更新一代，集成增加一倍，功能翻一番。单片机发展速度之快，应用范围之广，已达到了惊人的地步。它已渗透到社会生产和生活的各个领域，可谓无孔不入。纵观近几十年的发展过程，单片机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强 I/O 功能及结构兼容方向发展。预计其今后的发展趋势如下：（1）微控制器的 CPU 核仍以 CISC 为主，但向 RISC 演化。（）提升指令执行速度。（）集成大容量片上 FLASH 存储器，实现 ISP、IAP。（）普遍使用混合信号（数字模拟相混合）集成技术。（5）追求低电压、低功耗、低价位、LPG(少腿芯片)。1.3 单片机的应用简介单片机的应用主要体现在它的控制功能上，它的应用范围在社会生产、生活的各个领域不断扩展，诸如智能仪器仪表、家用电器和军事设备的智能化以及实时过程控制等方面，单片机都扮演着越来越重要的角色。下面介绍单片机的典型应用领域：（1）家用电器领域 （2）办公自动化领域1（3）商业营销领域（4）在工业控制领域（5）智能仪表与集成智能传感器（6）汽车电子与航空航天电子系统（7）在计算机网络和通信领域（8）单片机在医用设备领域1.4 本文研究的主要内容本文通过采用 STC89C51 单片机简单的设计了一个温度实时测量以及控制系统。用智能传感器 DS18B20 作为温度检测元件，将所测温度数据传到单片机，单片机可以通过单线接口读出该数据，然后根据所采集的温度数据来控制加热器的启动和关闭，从而把温度控制在设定的范围之内。通过软件编程可实现温度的采集、转换、显示以及控制，从而达到智能控制温度的目的。该系统的基本原理是通过通过程序编写将温度传感器所采集的温度数据传入单片机，然后再通过串行口外接移位寄存器 74LS164，采用 2 位静态 LED数码管显示器进行显示，进而对水的温度加以测试和有效控制，从而实现了温度测量及控制,设计方案简便直观，稳定可靠。22 系统组成及工作原理2.1 方案确定由设计要求可知，该水温控制器应包括主控制器单片机、温度测量读取模块、加热控制模块、键盘设定模块及数据显示模块。2.1.1 单片机的选择单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易，自问世以来以其极高的性价比一直受到人们的重视和关注。STC89C51 性价比非常高，指令系统完全兼容 ATMEL 公司的增强型 MSC-51单片机，不仅可以代替 AT89C51，而且功能更强，速度更快，寿命更长，价格更低，所以本次设计中单片机就选用 STC89C51。2.1.2 传感器的选择方案一：传统温度传感器的温度值转换需要先经电桥电路获取电压模拟量，再经信号放大和 A/D 转换成数字信号，其缺点是在更换传感器时，会因放大器出现零点漂移而必须对电路进行重新调试，以克服这种参数的不一致性。方案二： DS18B20 为数字式器件，其可将被测温度直接转换成计算机能识别的数字信号输出，不存在零点漂移这类问题，因此使用起来非常方便。另外DS18B20 的精度可以控制在±0.5，且它是数字输出，只占用一个 I/O 端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的 A/D 转换和较复杂的外围电路。综上比较，选用温度传感器 DS18B20 来完成温度读取模块不仅精度高，更安全稳定简便，所以选用数字式温度传感 DS18B20。2.1.3 显示器的选择方案一：液晶显示器在使用中有许多注意事项，不能对它长期施加直流电，否则易造成显示器的老化；必须注意防潮；防止施加过大的压力；对于使用的环境温度要特别注意，温度不能太高也不能太低；防止紫外线的直接照射；要特别注意防静电，焊接显示器时烙铁要接地等许多注意事项，且液晶显示器成3本相对数码管来说稍微高一点，但其耗电量低。方案二：数码管显示器则对电源没有特殊要求，受环境温度的影响不大，不怕阳光的照射，也没有严格的防静电要求，且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同时它的显示亮度要比液晶显示器亮许多，适于安装在室内、室外、黑暗和光线强的各种环境中，但它的耗电量明显高于液晶显示器。由于本系统要求在不同的环境条件下使用，且亮度要求比较高，所以选用成本低、配置灵活的数码管显示器更适合本系统。所以本系统中采用两位数码管，用来显示设定的温度和当前温度。2.2 系统组成如图 2.1 所示，该系统主要包括单片机控制模块、温度测量读取模块、加热控制模块、键盘设定模块、指示灯模块及数据显示模块。控制器使用STC89C51 单片机，通过独立按键电路来设置预置加热温度，并在按键结束后将设置的温度值在数码管上显示。环境温度由智能传感器 DS18B20 来测出，在进行处理后将数据传到单片机，当定时中断到时将测出的当前温度在数码管上显示。加热通过用固态继电器控制加热丝来进行。S T C 8 9 C 5 1 R CDS18B20键盘加热控制指示灯数据显示图 2.1 系统组成图2.3 工作原理如上图所示，以 STC89C51 单片机为核心，独立按键设置预定温度，按键结束后在数码管上显示设定温度。用智能传感器 DS18B20 作为温度检测元件，它能直接读出被测温度，单片机可以通过单线接口读出该数据，然后再通过串行口外接移位寄存器 74LS164，采用 2 位静态 LED 数码管显示器，每当 1s 定时到时，显示当前测到的温度，按键时显示设定温度。43 系统硬件设计3.1 系统硬件总体设计基于 STC89C51 单片机的热水器的硬件总体设计电路原理图如附录中 1 所示：通过独立按键电路来设置所需加热温度，并将设置的温度值在数码管上显示。加热由固态继电器完成，图中用发光二极管 D2 代替。周围环境的温度由数字传感器 DS18B20 来测出，进行处理后传给单片机。当当前温度达到设定温度时点亮发光二极管 D1，同时熄灭 D2 代表关闭继电器，同理当当前温度小于设定温度时熄灭 D1，同时点亮 D2 表示开启继电器。3.1.1 STC89C51 简介STC89C51 的引脚图如图 3.1 所示，它是宏晶科技推出的新一代高速/低功 耗/超强抗干扰的单片机指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周 期和 6 时钟/机器周期可以任意选择且可以完成 ISP 在线编程功能，另外 STC89C51 还增加了两级中断优先级，内部有 EEPROM，可以在程序中修改，断电 不丢失。图 3.1 STC89C51STC89C51 主要特性：5(1)增强型 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期任意选择，指令 代码完全兼容传统 8051 单片机； (2)工作电压：5.5V-3.3V(5V 单片机)/3.8V-2.0V(3V 单片机)； (3)工作频率范围：0-40MHz，相当于普通 8051 的 0-80MHz，实际工作频率可达 到 48MHz； (4)片上集成 1280 字节或 512 字节 RAM (5)具有在应用可编程（IAP） ，在系统可编程（ISP） ，可实现远程软件升级，无需编程器；(6)有 EEROM 功能； (7)可编程看门狗定时器（WDT） ； (8)共 3 个定时/计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用； (9)通用异步串行口（URAT） ，还可用定时器软件实现多个 URAT； (10)低 EMI 方式（ALE 禁止） ；(11)兼容 TTL 和 CMOS 逻辑电平； (12)掉电检测和低功耗模式等。3.1.2 DS18B20 简介DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻等测温原件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。因为它是数字输出，而且只占用一个 I/O 端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的 A/D 转换和较复杂的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。值得注意的是：由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，有严格的时隙概念，因此读/写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20(发复位脉冲),发ROM功能命令,发存储器操作命令,处理数据。1）DS18B20的性能特点如下：（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；（2）多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；（3）不需要外部器件；（4）可通过数据线供电，电压范围3.0-5.5V；（5）零待机功耗；（6）温度以9-12位数字量读出；（7）用户可定义的非易失性温度报警设置；（8）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；（9）负电压特性，电源极性接返时，温度计不会因发热而烧毁，只是不能正常6工作。2）DS18B20的结构DS18B20 主要由四部分组成：（1）64 位光刻 ROM 数据存储器；（2）温度传感器；（3）非易失性电可擦写温度报警触发器 TH 和 TL；（4）非易失性电可擦写设置寄存器。DS18B20的内部结构如图3.2所示：图3.2 DS18B20内部结构图3)DS18B20测温原理DS18B20 温度传感器是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度，测温原理如图3.3所示。DS18B20 内部有两个不同温度系数的振荡器。低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号通过由高温系数振荡器产生的门开通周期而被计数，通过该计数值来测量温度。计数器被预置为与- 55对应的一个基数值，如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，表示测量的温度高于- 55，被预置在- 55的温度寄存器的值就增加一个增量，同时为了补偿和修正温度振荡器的非线性，计数器被斜率累加器所决定的值进行预置，时钟再次使计数器计数直至零，如果开门通时间仍未结束，那么重复此过程，直到高温度系数振荡器的门周期结束为止，这时温度寄存器中的值就是被测的温度值。这个值以 16 位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中。温度值由主机通过发读存储器命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。存储器和控制逻辑温度传感器高温度触发器 TH低温度触发器 TL64 位 ROM 和单线 接口VDDVDDDQ DQ VD D高速缓存CRC 发生器7图3.3 DS18B20测温原理图3.1.3 数码管简介数码管是一种半导体发光器件, 其基本单元是发光二极管，如图3.4所示分别为共阴极和共阳极数码管的基本组成。图3.4 数码管结构图数码管按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管,共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管，在应用时应将公共极COM接到+5V, 当某一字段发光二极管的阴极为低电平时, 相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时, 相应的字段就不亮。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，在应用时应将公共极COM接到地线GND上, 当某一字段发光二极管的阳极为高电平时, 相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时, 相应字段就不亮。数码管按显示方式有静态和动态显示两种显示方式。显示器工作在静态显示方式时，其阴极点（或阳极）连接在一起接地（或5V） ，每一个的段选线（a，b，c，d，e，f， g，p）分别与一个8位口相连；显示器工作在动态显示方式时，段选码端口I/O 1 用来输出显示字符的段选码，I/O 2 输出位选码。低温度 系数振荡器高温度 系数振荡器停止+1预置计数器温度寄存器=0计数器=0斜率累加器预置比较器8I/O 1不断送待显示字符的段选码，I/O 2 不断送出不同的位扫描码，并使每位显示字符显示一段时间，一般为15ms。利用眼睛的视觉惯性，从显示器上便可以见到相当稳定的数字显示。3.2 子系统（模块一）3.2.1 单片机控制模块图 3.5 单片机控制模块单片机控制模块如图 3.5 所示，它是整个设计方案的核心，控制了温度的设定、读取与显示以及继电器的开启和关闭。本文选用 STC89C51 作为控制器件，它是美国 ATMEL 公司生产的 8 位 Flash ROM 单片机，其最突出的优点是片内ROM 为 Flash ROM，可方便地擦写 1000 次以上，价格低廉，而且其指令丰富，编译工具多，仿真环境好，因此被广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域。3.2.2 温度测量模块温度由DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20采集。 DS18B20测温范围为-55+125，测温分辨率可达00625，被测温度用 符号扩展的16位补码形式串行输出。CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路9如图 3.6 所示，DS18B20 器件只有 3 根外部引脚，其中 VCC 和 GND 分别为电源引脚和接地引脚，另一根 DQ 线则用作 I/O 总线，因此称为一线式数据总线。当 DS18B20 收到温度转换命令后，开始启动转换，转换后的温度值就以 16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存 RAM 的第 1、2 字节中。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时，低位在先，高位在后。图 3.6 温度测量模块 温度值格式如表 3.1 所示,其中“S”为标志位,对应的温度计算为:当符号位S=0 时,直接将二进制位转换为十进制;当 S=1 时,先将补码变换为原码,再计算十进制值。表 3.1DS18B20 对温度数据的计算处理原理：通过观察表3.2可以发现，一个十进制与二进制值间有很明显的关系，就是把二进制的高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一字节，这个字节的二进制值化为十进制值后就是温度值的十、个位值。表 3.2温度二进制输出+1250000 0111 1101 0000+850000 0101 0101 000010+25.06250000 0001 1001 0001+10.1250000 00001010 0010+0.50000 0000 0000 1000-0.51111 1111 1111 1000-10.1251111 1111 0101 1110-25.06251111 1110 0110 1111-551111 1100 1001 00003.2.3 键盘设定模块图 3.7 键盘设定模块 如图3.7所示，按键采用2个功能键，分别是“十位加1”和“个位加1”键，由P1口的P1.0和P1.1低两位作为按键接口。利用加1按键可以分别对预置温度的十位和个位进行加1设置，并在LED上显示当前设置值，连续按动相应位的加1键即可实现温度设置。3.2.4 数据显示模块如图 3.8 所示，温度显示电路是利用单片机串行口外接移位寄存器74LS164，采用 2 位静态 LED 数码显示器进行显示，当定时中断到时显示当前所测温度。11图3.8数据显示模块3.2.5 加热控制模块如图3.9所示为本次设计中固态继电器的接法，输出端接稳定的阻性负载，为了防止输入电压超过额定值，需设置一限流电阻RL；加热控制信号经驱动器驱动固态继电器工作，从而接通或断开加热丝；两端电源，实现对水的加热控制。图3.9固态继电器124 系统软件设计4.1 软件整体流程图：4.1.1 主流程图主流程图如图 4.1 所示，其主要用于进行初始化处理，包括各端口的初始化，定时/计数器的设定、中断允许的设定等，同时进行键盘的扫描输入。图 4.1 主程序流程图134.1.2 定时中断服务流程图定时中断服务流程图如图 4.2 所示，主要通过单片机内部的定时器 T1 进行1ms 定时，再通过寄存器 R6 进行计数，以实现 1s 定时中断的要求。进入中断服务程序后可进行温度转换、读温度、温度计算处理、温度显示、温度检测及显示灯的亮灭。温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，本程序设计中采用 1s 显示程序延时等待转换的完成。计算温度子程序是将 RAM 中读取值进行 BCD 码的转换运算。图 4.2 定时中断流程图4.1.3 读出温度流程图读出温度流程图如图 4.3 所示，其主要功能是读出 RAM 中的 9 字节。需要14注意的是在读出时须进行 CRC 校验，校验有错时不进行温度数据的改写。图 4.3 读出温度流程图4.1.4 温度检测流程图15图 4.4 温度检测流程图温度进行检测流程图如图 4.4 所示，采用每一秒定时采样的方式，每次定 时到时，判断当前温度是否达到预定温度,若到了，则显示灯亮同时