1、中文摘要I本科毕业论文（20 届）基于单片机的温度控制系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 中文摘要II摘 要温度控制系统在我们的生活中普遍存在，温度的控制在各个领域都有积极的意义，特别是随着计算机测量和控制技术的发展与广泛应用。采用单片机的控制系统一般具有控制简单、方便、灵活性大等特点。以单片机为核心的温度采集与控制系统的研究与应用，在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平，从而大大提高产品的质量。本设计采用 AT89C51 为主控制芯片，采用数字式温度传感器 DS18B20 对水的温度进行采集，将采集到的温度信号送入单片机处理并通过 16
2、02 液晶显示器对采集到的温度进行实时显示，通过实测温度与设定温度比较，来控制温度的报警电路工作。为了提高控制的灵活性可以通过按键电路对上下限温度进行调整。在本设计中增加了温度控制模块，当温度值低于下限温度时，通过单片机输出控制信号调整加热器功率。关键字：AT89C51，温度，DS18B20，1602AbstractIIIAbstractThe temperature control system in our life is universal existence, temperature control has positive significance in various fields
3、, especially with the development of computer measurement and control technology development and the widespread application. Microcomputer control system has such as the characteristics of flexibility , simple control, convenient. Microcontroller as the core of the temperature acquisition and resear
4、ch and application of the control system ,greatly improving the performance of temperature control in our life, thus greatly improving product quality.This design uses AT89C51 as The main control chip, application of digital temperature sensor DS18B20 to collect the water temperature , the temperatu
5、re signal into the microcontroller processing and to display the collected temperature in the liquid crystal 1602,According to the comparison of actual temperature and set temperature to Control temperature alarm circuit. In order to improve the flexibility of the control, we can adjust the upper an
6、d lower limits of temperature through button circuit. In this design add the temperature control module, when the temperature is lower than the lower limit temperature, through the MCU output control signal to adjust the power of the heater. Keywords: AT89C51, Temperature, DS18B20, 1602目 录IV目 录摘要 .I
7、Abstract.II目录 .III第一章 引 言 .11.1 知识背景介绍 .11.2 课题的目的和意义 .11.3 课题的研究内容 .2第二章 设计方案论证 .32.1 总体方案设计 .32.1.1 总体设计思路分析 .32.1.2 各部分基本功能介绍 .32.1.3 总体设计框图 .42.2 微处理器方案的选择与论证 .42.3 温度测量方案选择与论证 .52.4 显示模块方案选择与论证 .52.5 时钟模块的方案选择与论证 .52.6 控制部分的选择与论证 .62.7 键盘方案选择与论证 .62.8 声光报警部分方案选择与论证 .7第三章 系统硬件设计 .83.1 微处理器模块 .83
8、.1.1 单片机 AT89C51 介绍 .83.1.2 单片机最小系统 .83.2 温度采集模块 .93.2.1 温度采集芯片 DS18B20 的介绍 .103.2.2 温度采集芯片 DS18B20 的内特性和供电方式 .113.2.3 DS18B20 的操作时序图 .113.2.4 DS18B20 芯片与单片机的电路连接图 .13目 录V3.3 温度显示模块 .133.3.1 液晶显示 1602 的介绍 .133.3.1 LCD1602 与单片机的硬件连接图 .143.4 温度控制模块 .163.4.1 系统控制算法 .163.4.2 温度控制电路 .163.5.1 时钟芯片 DS1302
9、简介 .173.5.2DS1302 引脚排列及引脚功能 .183.5.3DS1302 的操作办法 .193.5.4 DS1302 与单片机的引脚连接 .203.6 按键模块 .203.6.1 独立按键和矩阵键盘的工作原理及注意问题 .203.6.2 按键电路 .213.7 声光报警模块 .223.7.1 声光报警电路 .223.8 电源电路 .22第四章 软件程序设计 .244.1 系统总体软件设计 .244.1.1 温度 PID 控制器的改进和参数的整定 .244.1.2 系统的主程序流图 .264.2 各个模块的软件设计 .274.2.1 温度检测 .274.2.2 液晶显示 1602 的
10、软件流程图 .294.2.3 中断服务流程图 .30结 论 .31参考文献 .32致谢 .33附录 .34第一章 引 言-1- 第 一 章 引 言1.1 知 识 背 景 介 绍传感器正处于不断发展的发展阶段，以前传统型的传感器正在被新型传感器所替代。现在微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化的传感器才能适应时代的潮流，而新型传感器正好就具备了这些特点。目前微型化的传感器已经成功的研制出来了是由硅为主的硅压力传感器，更多功能的传感器还在不断的发展研制中。单片机是 20 世纪 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU、 RAM、ROM、I/O 接口和中断系统与统一硅片的
11、器件。 20 世纪 80 年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌出，出现许多高性能新机种。现在，8 位单片机的巩固发展和 16 位、32 位单片机的推出，使得单片机渗透到我们生活的各个领域。本系统设计选用 MCS-51 单片机来完成，因为 MCS-51 的技术成熟，价格低廉，市场上容易买到 1。因此以单片机为控制核心，以微型传感器作为采集部分来水的温度进行测量可以达到比较好的效果。1.2 课 题 的 目 的 和 意 义通过该课题的学习使我们对温度控制系统有一个更加全面的，掌握常规算法的使用方法，掌握单片机应用系统软硬件的设计方法，对本科学习的专业知识进一步的巩固和学习。温度是表征物体冷热程
12、度的物理量，温度信号也是工业现场常见的物理参数。作为工业自动化生产中检测的重要指标，温度的测量和可靠控制，对工业生产有着十分重要的意义。在工业生产过程中经常需要对温度进行控制，有些工艺过程对其温度的控制效果将直接影响产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。温度检测系统在人们的生产和生活中有着广泛的应用，很多场合都可以看到它的身影。随着半导体技术的不断发展，由单片机构建的温度检测系统也向着精度高、速度快、体积小等方向发展。第一章 引 言-2- 单片机对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法。自从 1976 年Intel 公司推出第一批单片机以来，80 年代单片机技术进入快
13、速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展。单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/0 接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。单片机技术与传感测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、计算机操作系统、数字信号处理、自动控制、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，单片机的使用范围非常广泛。此外，拥有非常强大管理功能。在管理和控制测量电路时，单片机的应用，使整个系统的智能化，低功耗，使用很少的电子元件，内部布线，成本低，制造、安装、调试及维修方便。1.3 课 题 的 研 究 内 容本文所要
14、研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。水箱水温控制部分，提出了用 DS18S20、AT89C51 单片机及 1602 显示模块的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，利用 DS18S20 与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。而炉内温度控制部分，采用一套 PID 闭环负反馈控制系统，由 DS18S20 检测炉内温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在 1602 中显示。控制器是用 AT89C51 单片机，用 PID 算法对检
15、测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。第二章 设计方案论证-3- 第 二 章 设 计 方 案 论 证2.1 总 体 方 案 设 计2.1.1 总体设计思路分析利用 AT89C51 作为整体设计的控制器。采用 DS18B20 对水温进行检测，集成的液晶显示器 1602。配合其它的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，当温度超出设定的上下限时启动报警系统，并通过软件与硬件电路配合来实现对加热装置的实时控制，使温度保持在设定范围。系统的温度控制
16、单元的设计，是对检测到的温度与键盘设定的温度之差，通过算法的处理使单片机输出控制信号控制电阻炉的工作，去调节电阻炉的加热功率，从而控制水的温度。最后通过温度控制模块的控制作用，使温度值其达到稳定。此方案总体来说控制简单，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统整体控制精度也较高。2.1.2 各部分基本功能介绍本系统通过单片机 AT89C51 控制用 DS18B20 数字温度计采集温度。通过LCD1602 液晶显示屏显示当前温度，当检测到温度低于系统设定温度值，单片机控制电阻炉对水温进行加热，当检测到温度高于系统设定温度值时则电阻炉停止工作。实现水温的自动控制。各部分的功能(1)电阻炉：接 22
17、0V 交流电，通过单片机输出控制信号控制电阻炉的工作状态，完成对水温的控制。(2)温度传感器：对水温进行实时检测，将检测到的温度送入单片机内部。(3)单片机基本系统：a. 要对温度采集传感器传过来的信号，进行相应的处理，送往显示部分； b.检测键盘的处理信号，经 CPU 检测，配合程序的设计对设定的温度报警范围进行调整，送往 1602 显示； c.根据实测温度和设定温度的比较，进行相应的处理，给出控制信号。(4)显示：与单片机完成数据的传输，将检测到的温度值，预设温度值等信息进行显示。(5)按键：完成温度上下限的设定，对测量温度范围进行调整。第二章 设计方案论证-4- (6)报警电路：当检测到
18、水温在所设定的温度范围之外时，单片机控制报警电路进行报警。(4)双向可控硅：接受单片机传来的信号，根据控制量大小，由单片机输出占空比可调的 PWM 信号，来控制双向可控硅的导通和关断，控制加热时间长短来改变水的温度，进而得到期望的温度值。2.1.3 总体设计框图本设计是一个自动的温度检测与控制系统，由下面几个主要部分组成：AT89C51 单片机，温度检测电路，显示电路，键盘电路，温度控制电路。总体框图如图 2-1 所示。温度控制模块液晶显示模块按键模块 AT89C51单片机温度采集模块声光报警模块时钟模块图 2-1 总体设计框图2.2微 处 理 器 方 案 的 选 择 与 论 证方案一：采用可
19、编程的逻辑器件，FPGA/CPLD 作为系统的核心控制器。FPGA 的使用非常灵活，同一片 FPGA 通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能，并且在抗干扰，速度上有很大优势。方案二：采用 AT89C51 单片机作为核心控制器。AT89C51 是一种带 4K 字节闪存，可编程、可擦除只读存储器、低电压、高性能的 8 位微处理器，并且第二章 设计方案论证-5- 单片机体积小，集成度高，性能稳定，可靠性高，有着较高的性价比。此方案比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路未实现的部分，使系统硬件简化，各类功能易于实现。综上所述，采用方案二作为本系统的核心控制器的实现方案。2.3温 度 测 量 方
20、案 选 择 与 论 证方案一：使用热敏电阻、或热电偶，AD590 等温度传感器。该方案可以实现系统中的温度测量，但用热敏电阻、或热电偶，AD590 等采集到的信号均需要加模拟和数字转换电路的,电路设计比较麻烦，并且其有精确度低，测温点数量少等缺点，所以不宜采用。方案二：利用 DS18B20 传感器对水的温度进行测量。此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D 模块，降低硬件成本，简化系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点 2。综上所述，选用方案二作为温度测量方案。2.4 显 示 模 块 方 案 选 择 与 论 证方案一
21、：采用 LED 显示。 LED 显示具有体积小，耗电量低，使用寿命长，高亮度、低热量，环保，坚固耐用等优点，但是显示内容有限，并且 LED 无法显示所需的文字等内容，所以不采用。方案二：采用 LCD1602 液晶显示。此液晶显示是数字式的，和单片机的接口电路简单可靠，且 1602 液晶可同时显示汉字和数字信息且功耗低、画质清晰，可以达到显示要求。综上所述，选用方案二来完成本系统中的显示设计。2.5时 钟 模 块 的 方 案 选 择 与 论 证为了实现温度的实时温度检测，系统时钟的方案可以有两种选择。方案一：此方案可以利用单片机本身内部自带的定时器，通过软件的配合编写，进行计时，完成设计要求。但是由于单片机内部不带有设定实时时钟的功能，而片内定时器精度不高再加上定时器的溢出中断很有可能被其它中断暂
