一、引言 (一)课题研究的背景
工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。本设计就是基于单片机STC89C51温度控制系统的设计，通过本次课程实践，我们更加的明确了单片机的广泛用途和使用方法，以及其工作的原理。 (二)课题研究的目的和意义
随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。本文采用单片机STC89C51设计了温度实时测量及控制系统。单片机STC89C51 能够根据温度传感器DS18B20 所采集的温度在液晶屏上实时显示，通过控制从而把温度控制在设定的范围之内。所有温度数据均通过液晶显示器LED显示出来。系统可以根据时钟存储相关的数据。
通过该课程的学习使我们对计算机控制系统有一个全面的了解、掌握常规控制算法的使用方法、掌握简单微型计算机应用系统软硬的设计方法，进一步锻炼同学们在微型计算机应用方面的实际工作能力。
二、硬件电路的设计
(一)系统设计的框架
本课题设计的是一种以STC89C51单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统其主要包括：电源模块、温度采集模块、按键处理模块、LED显示模块、以及单片机最小系统。
继电器 STC89C51单片机 数码管 键盘输入 DS18B20
图1 系统设计框架
(二)单片机最小系统电路
在课题设计的温度控制系统设计中，控制核心是STC89C51单片机，该单片机为51系列增强型8位单片机，它有32个I/O口，片内含4K FLASH工艺的程序存储器，便于用电的方式瞬间擦除和改写，而且价格便宜，其外部晶振为12MHz，一个指令周期为1μS。使用该单片机完全可以完成设计任务，其最小系统主要包括：复位电路、震荡电路以及存储器选择模式（EA脚的高低电平选择），电路如下图2-1所示：
VCCK013RESET+C110uF241234567891011121314151617181920 P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0(RXD)P3.1(TXD)P3.2(INT0)P3.3(INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)P3.6(WR)P3.7(RD)XTAL2XTAL1GNDVCC(AD0)P0.0(AD1)P0.1(AD2)P0.2(AD3)P0.3(AD4)P0.4(AD5)P0.5(AD6)P0.6(AD7)P0.7EA/VPPALE/PROGPSEN(A15)P2.7(A14)P2.6(A13)P2.5(A12)P2.4(A11)P2.3(A10)P2.2(A9)P2.1(A8)P2.0VCC4039383736353433323130292827262524232221C211.0592MHzR710K30Y1C330图2-1 单片机最小系统电路 89C52（1）内部方式时钟电路
在8051芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图2-2所示。
时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。请读者特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的错误。一般地，电容C1和C2取30pF左右，晶体的振荡频率范围是1.2～12MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。8051在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz或12MHz。
8051XTAL1C1晶振1C2XTAL2至内部时钟电路
图 2-2 时钟振荡电路 （2）外部方式时钟电路
在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时，外部的脉冲信号是经XTAL2引脚注入，其连接如图2-3所示。
VCC8051外部时钟信号TTL1XTAL2XTAL1VSS
图 2-3 外部时钟源接法
（3） 时序
时序是用定时单位来说明的。8051的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。它们之间的关系如下：
1）一个振荡脉冲的周期为节拍；
2）一个状态就包含两个节拍； 3）一个机器周期的宽度为6个状态； 4）一条指令周期由若干个机器周期组成。 （4） 单片机的复位电路
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。单片机复位的条件是：必须使RST/VPD 或RST引脚加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。若时钟频率为12 MHz，每机器周期为1 μs，则只需2μs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。
单片机复位期间不产生ALE和PSEN信号，即ALE=1和PSEN=1。这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。复位后，内部各专用寄存器状态如下:
PC： 0000H TMOD： 00H ACC： 00H TCON： 00H B： 00H TH0： 00H PSW： 00H TL0： 00H SP： 07H TH1： 00H DPTR： 0000H TL1： 00H P0~P3：FFH SCON： 00H IP： ***00000B SBUF： 不定 IE： 0**00000B PCON： 0***0000 其中，*表示无关位。注意：
（1）复位后PC值为0000H，表明复位后程序从0000H 开始执行，这一点在实训中已介绍。
（2）SP值为07H，表明堆栈底部在07H。一般需重新设置SP值。 （3）P0~P3口值为FFH。P0~P3口用作输入口时，必须先写入“1”。单片机在复位后，已使P0~P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备。 电路以STC89C51单片机最小系统为控制核心，测温电路由DS18B20提供，输入部分采用三个独立式按键S1、S2、S3。数码管显示部分。 (三)单片机的选型
本课题设计的温度控制系统主控制芯片选型为STC89C51单片机，其特点如下：
1.STC89C51单片机简介
STC89C51是由宏晶科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机。
（1）中央处理器（CPU）
中央处理器是单片机的核心,完成运算和控制功能。8051的CPU能处理8位二进制数或代码。
（2）内部数据存储器（内部RAM）
8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，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。
（3）内部程序存储器（内部ROM）
8051共有4KB掩膜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。
（4）定时/计数器
8051共有两个16位的定时/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。
（5）并行I/O口
MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。
（6）串行口
8051单片机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，也可作为同步移位器使用。
（7）中断控制系统
8051单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。
(8) 时钟电路
8051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一般为6 MHz和12 MHz。
从上述内容可以看出，MCS-51虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。
2. STC89C51主要功能及PDIP封装