基于单片机恒温控制系统的设计.doc

1、 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在 老 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者授权长江师范学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的 学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： I 摘 要 本设计 主要研究

2、的是基于单片机的恒温控制，通过对单片机添加外围电路并编程来达到设计目的。 其主要分为了 软件 系统 和硬件 系统 两 个 部分， 然 而软件 系统的 设计是 建立 在硬件 系统的 基础上进行 的 。设计最终 达到 了 恒温 控制功能 的目的。 包括 实际 温度 的 测量 及显示、 温度上下限范围设定、超过上下限温度 报警 并亮灯以及 处理。 本设计 是把 AT89C52单片机 作为控制中心， 把 DS18B20 温度传感器作 为温度传感器 。 它的 测量范围 在 0100 之间 , 分辨率 为 0.1 摄氏度且 误差 不大于 1 摄氏度 ；采用继电器作为弱电控制强电输出。作为 恒温 控制系统，

3、它将温度探测、 单片机 控制和弱电控制强电技术相结合，从而达到恒温控制系统的目的。本设计 不但能够 设置 目标 温度的上下限值范围 ， 并且 当 实际 温度 不高于设定目标温度 下限值 的时候， 继电器 一 吸合 灯亮 开始加热 ，蜂鸣器响 且灯亮； 当温度 不低于设定目标温度 上限值 的时候， 继电器 一 断开 灯 灭 停止加热 ，同时 继电器二吸合灯亮开始降温， 蜂鸣器响 且灯亮 。 关 键字： 51单片机； 恒温 控制 系统 ； DS18B20温度 传感器 II Abstract This design study is based on single-chip temperature

4、control, by adding external circuit and microcontroller programming to meet the design objectives. The main software system is divided into two parts and hardware systems , however, the design of software systems is based on the hardware system performed . Designed to ultimately achieve the purpose

5、of temperature control function , including measurement and abc the actual temperature , upper and lower temperature range is set , over the lower temperature alarm and lighting and processing . This design is the AT89C52 microcontroller as the control center, the DS18B20 temperature sensor as a tem

6、perature sensor , its measurement range between 0 100 , with a resolution of 0.1 degrees Celsius and the error is less than 1 degree Celsius ; using the relay as a weak control the strong electric output. As temperature control system, it will detect the temperature , single-chip control and weak co

7、ntrol technology combined with strong power , so as to achieve a constant temperature control system. This design can not only set the target temperature of the upper and lower limits , and when the actual temperature is not higher than the target set temperature limits when the relay a pull start h

8、eating lights , buzzer and lights, when the temperature is not lower than set the target temperature limit , when a broken lamp relay stops heating , while the relay pull two lights began to cool , the buzzer sounds and lights. Keywords: 51 microcontroller; temperature control system; DS18B20 temper

9、ature sensor目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1.1 课题背景 1 1.2 研究的目的和意义 1 1.3 本文研究的主要内容 1 1.4 本文的章节安排 1 2 方案选择 2 2.1 温度测量部分 2 2.2 主控部分 2 2.3 显示部分 2 2.4 数据掉电存储部分 3 2.5 弱电控制强电部分 3 2.6 控制算法分析 3 3 系统设计 5 3.1 硬件设计 5 3.1.1 中央控制器设计 5 3.1.2 数据掉电保护 电路 6 3.1.3 键盘电路 8 3.1.4 加热器控制电路 8 3.1.5 温度测量芯片 DS18B20 9 3.1.6 1602

10、LCD 显示电路 11 3.2 软件设计 12 3.2.1 主程序 12 3.2.2 温度读取子程序 13 3.2.3 上下限温度比较子程序 13 3.2.4 AT24C02 掉电保护子程序 14 3.2.5 温度计算子程序 14 3.2.6 温度数据显示子程序 15 3.3 测试及分析 15 4 设计总结 16 参考文献 17 致 谢 18 附录 A C 语言源程序 19 长江师范学院本科毕业论文（或设计）基于单片机恒温控制系统 第 1 页 共 28页 1 绪论 1.1 课题背景 随着社会的进步 和工业的快速发展， 在工业生产 过程中 以及日常生活中， 都对各种 温度、压力、流量 以及 液位

11、 这 四种过程变量 有着更高的要求 。其中，温度的过程变量 是最为重要，也是 应 用 最为广泛的 。在 很多 地方，都需要 用到 对温度 的 控制。然而， 使 用常 规的 方法 来进行控制是没有多少发展潜力的 ， 而且还不能够 满足 用户所想要 的性能要求 。 因此，本设计将利用 51 单片机和温度传感器来设计一个恒温控制系统。 1.2 研究的目的和意义 恒温控制系统的设计，可以满足较高的性能要求，具有控制方便、简单和 灵活性大、降低消耗、控制成本等优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量，从而提高生产效率。 为了 能够 对 温度 传感器 有进一步的 认识和

12、了解，研究其用法与用途 。因此，本人 利用 51单片机 再 结合 温度 传感器技术而设计了这一 恒温 控制系统。本设计 适用范围比较广 ， 不但 可以作为 工业锅炉的温度控制还能够用于室内 监控系统、 大棚 恒温控制系统 、水温控制系统 等等。课题主要任务是完成恒温控制，利用单片机实现温度在一定范围内实现恒温 且 具有操作方便，控制灵活 的 优点。 1.3 本文研究的主要内容 本文简单介绍了 温度智能控制系统的历史发展，重点介绍如何用单片机和温度传感器实现恒温控制系统的设计和制作，并且分析其算法。并通过 KeilC 编译软件来对设计的程序进行仿真调试，从而实现本次毕业设计。 本文重点部分 主要

13、体现在 对单片机最小系统的设计，包括 实时温度 测量 电路 的设计，单片机时钟电路的设计， 单片机 复位电路的设计， 掉电保护数据电路的设计， 键盘 输入 电路的设计， LCD 显示电路的设计，弱电控制强电的设计等。以及这些电路工作的各个子程序。 本文重点强调的是原理和实用性，原理结合实例，综合分析了恒温控制系统的工作原理和实现方法。 1.4 本文的章节安排 本文分为 3 章：第 1 章是绪论，作为引子，介绍文章用到的一些简单概念，介绍 恒 温智能控制系统的历史背景，应用以及各种工业传感器的其它一些知识 ,说明恒 温 控制系统的应用以及本文的意义。第2 章为关键技术，介绍测量电路、主控电路、显

14、示电路等各个方案的优缺点，并从几个方案中选择一个最优的方案进行系统设计。第 3 章为电路设计，分为硬件设计和软件设计及测试结果，电路的硬件设计，包括 AT89C52 单片机电路、键盘电路、加热器控制电路、温度测量电路、 LCD1602 显示电路等。程序设计主要介绍 恒温 控制系统 的主程序和各个子程序，子程序包括： 读取 温度子程序、温度上下限比较子程序、温度 计算 子程序、显示温度数据子程序等。简要介绍了测试 恒温 控制系统的测试方法和测试结果。 长江师范学院本科毕业论文（或设计）基于单片机恒温控制系统 第 2 页 共 28页 2 方案选择 2.1 温度 测量部分 温度测量电路设计可以采用

15、AD590 温度传感器，温度范围在 -55 +150之间，精度较高，在温度范围内非线性误差在 0.3 内。 AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。它 能够在 只 有 直流电源 的环境下 工作，无需进行线性校正，使用方便，接口简单。和电压输出型相比，它有很强的 抗外界干扰能力 ， 测量信号可远传百余米。但是 51 单片机没有 A/D 接口，如果采用 AD590 就要增加硬件成本。 温度测量电路设计可以 采用 DS18B20 温度 传感器 ， DS18B20 数字温度 传感器 是 DALLAS 公司生产的单总线器件， 它 具有线路简单，体积小

16、的特点 4； 该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。本制作的最大特点之一就是直接采用温度 传感器对温度 进行测量，使 电路更 简单 操作更方便 。 因此，本设计 采用温度 传感器 DS18B20 进行 温度 测量 ，体现了设计 制作的集成 化趋势。使总体 设计电路更简洁，有效地 减少了一 些不必要 的干扰，提高精 准 度。 2.2 主控部分 设计中采用 AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位 单片机 ， 它除 具有 了 89C51 单片机 所具有的优点外， AT89C52 单片机 的内部 RAM 存储器还 扩展为 256 字节 ,相比 89C51 单片机的容量增

17、 大了 ；AT89C52 单片机 的内部 FLASH PERAM 也 增加 1 倍，达到 8K。额外 在 89C51 单片机的基础上还多了一个定时器 /计数器 T2。且 价格便宜，再编程方便 ， 在工业控制中有广泛的应用， 因此 在 本 次毕业设计中采用 AT89C52 作为主控器。 2.3 显示部分 显示电路 设计中可以采用 LED 数码管显示 器件来作为显示模块 ， 然而 LED 不同位显示的时间间隔 局限性较大 ， 间隔 太短， 由于 发光二极管从导通到发光有 一定的 延时， 使 导通时间太短，发光太弱 没有办法 看清。 间隔 太长， 由于 要受 到 临界闪烁频率 的限制 ，时间越长，占

18、用 CPU 时间也 越多 。它的 优点是LED 数码管价格便宜，显示清晰并且编程较简单。 由于 选用数码管显示 会 占用 许多 CPU 的时间所以我没有采用它。 显示电路 设计中 也 可以采用液晶显示 器件作为显示模块 ， 它具有 体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。在单片机系统中使用 LCD 液晶显示 器件作为显示 输出 模块 有以下优点 : (1) 数字式接口： LCD1602 液晶显示器 一般采用 数字式的 接口 ， 使用起来 更加简单 快捷 。 (2) 体积小，重量轻。 (3) 功率消耗小： 相比 LED 数码管显示器件 LCD1602 液晶显示器 占用 CPU 时间少 ，功率消耗比其

19、它显示器要小。 (4) 显示 效果好 ：在收到信号 后， LCD1602 液晶显示器 上的 每一个点 都将 保持 原有的 色彩和亮度，使其 恒定发光， 屏幕 不会 出现 闪烁 现象 。 1602 型 LCD 显示模块具备这么多优点，所以这次设计采用了 1602LCD 作为显示模块。 长江师范学院本科毕业论文（或设计）基于单片机恒温控制系统 第 3 页 共 28页 2.4 数据掉电存储部分 数据掉电存储电路在很多地方都是需要用到的 ,比如 ,电子日历等一些需要电源的电子产品，如果没有设置数据掉电保护电路，那么在突然掉电后，它的数据将得不到保护，就会自动回到初始状态的数据设置，在下一次通电时用户需

20、要再一次的去设置各种数据，增加了用户的操作，使整个产品变得不适 用，然而 数据掉电存储 电路 设计中采用 I2C 总线式串行器件， 它 有 体积小 、 抗干扰 、 低 功耗等特点， 而且能够完美的解决上面所提到的种种问题。 所以 本次设计选 用 AT24C02 芯片 作为数据掉电存储 芯片 。 2.5 弱 电 控制强电部分 毕业设计中有一部分电路是弱电控制强电的，它的作用是用单片机的输出信号去控制继电器的断开与吸合，然后把继电器的控制端接在电热丝或 压缩机上 。在设计中用继电器作为弱电控制强电输出，其实还可以用可控硅作为弱电控制强电输出。 常用的 继电器有 电磁继电器 、 固体继电器 、 舌簧

21、继电器等 几种 ， 然而在实际应用的时候要根据 实际的情况来做出选择，用途不一样，所选择的继电器也不一样。 如 何选择合适的继电器是关键。下面简要介绍几种继电器的工作原理 ： 1）电磁继电器： 它主要是 利用电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用 来使电路吸合（通）和断开的一种电气继电器。 2）固体继电器： 它是使电源的 输入和输出 相 隔离 从而达到通、断的效果的 一种继电器。 3）舌簧继电器： 它是 利用触电簧片和衔铁磁路 在一个密封的空间内 产生 双重作用的舌簧动作来 使电路通、断或者转换 的 一种 继电器 因为电子市场电磁继电器比较便宜而且控制简单， 因此 在 本 设计中采用电磁继电器作为弱

22、电控制强电 输出。电磁继电器参数为：输入为 5V，可以和单片机接口相匹配，输出额定驱动电流为 10A、驱动电压为 250V，能满足我的设计要求，而且额定驱动电流和电压越大，价格越高。 51 单片机的驱动电流小，不能直接驱动电磁继电器工作，还要在电路设计中加上 继电器的 驱动电路。继电器的驱动电路可以采用 ULN2803 作为继电器驱动电路，因为它具有很多优点。 ULN2803， 是 采用 AP=DIP18,AFW=SOL18 封装方式 的 八路 NPN 达林顿 连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路（诸如 TTL, CMOS 或 PMOS/NMOS）和较高的电流 /电压要求之间的接口，广

23、泛应用于计算机，工业用和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载中 ； 所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。 ULN2803 的设计与标准 TTL 系列兼容，而 ULN2804 最适于 6 至15 伏高电平 CMOS 或 PMOS18。 继电器的驱动电路 也 可以采用三极管驱动 ，它具有电路简单，抗干扰能力强等优点。 2.6 控制 算法分析 下面先简要描述一下 PID 算法： PID 是工业控制上的一种 常见的 、实用性强的 控制算法，其中 P 表示 的是 比例， I 表示 的是 积分， D表示 的是 微分。以温度控制的 PID 程序为例： 其公式为 :Uo(N)=

24、P*E(N)+I*E(N)+E(N-1)+.+E(0)+D*E(N)-E(N-1) E-表示的是 误差 值。 长江师范学院本科毕业论文（或设计）基于单片机恒温控制系统 第 4 页 共 28页 P-表示 的是 比例 ，它可以 提高 主机的 响应速度 并且 减小静态误差 值 ，但 是如果 P 的值太大也是 会增大超调量 以及 稳定时间 的，因此在应用的时候要注意其值得大小合适 。 I 表示 的是 积分 ，它的作用 与 P 大致相同，然 而它确可以使静态误差值小到 0。 D-表示 的是 微分 ，它的作用 与 P 和 I 的刚好 相反， 它 是为了减小超调 和 稳定时间 的 。 然而，在实际应用中我们

25、要综合性的对 P、 I、 D 进行 考虑， 在通常情况下先把 I、 D 的值设定为零，这样就方便我们把 P 的值调好 ,在调好 I 的值 ,把误差降到最低 ，这时 我们再把 D 的值加进去 ,这是一个繁杂的过程要有耐心反复调试，这样才能 达到较好的结果。 控制不同的对象所 采用的算法 也是 不同 的 ，而且 在对 P、 I、 D 进行调试的时候难度差异也是比较大的 。 因此在应用时要结合实际的情况 灵活运用。 本 次毕业设计 是对继电器进行控制因 此 没有采用上述的 PID 控制算法，但是这种控制算法在工业生产中得到了广泛的应用。 而使 采用 了 反馈式温度控制系统，组成部分见下图。其中数字控

26、制器的功能由51 单片机 AT89C52 来 实现。 图 2-1 反馈式控制系统 方框图 综上所述我设计的 恒温 控制系统实际采用电路方案如下图： 图 2-2 总体设计方框图 长江师范学院本科毕业论文（或设计）基于单片机恒温控制系统 第 5 页 共 28页 3 系统设计 3.1 硬件设计 3.1.1 中央控制器设计 本 设计中， 采用 了 AT89C52 单片机 作为中央控制器。 从图 3-1 中，我们可以看出 AT89C52 单片机 内部 主 要包括了 CPU,定时器 /计数器， I/0 接口等多个部分，然而每一个部分都是不可缺少的，都有着各自的作用。 下图 是 AT89C52 单片机的内部

27、结构总框图。 图 3-1 AT89C52 单片机 内部结构框图 P3 口除可作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如 表 3-1 所示： 表 3-1 P3 口第二功能 端口引脚 第二功能 P3.0 RXD(串行输入口 ) P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外中断 0） P3.3 /INT1（外中断 1） P3.4 T0（定时 /计数 器 0） P3.5 T1（定时 /计数器 1） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） 下图是这次毕业设计中的单片机设计原理图 : R A M R O M 定时器 计数器 /中断系统 串行接口寄存器P0P1P2P3振荡电路CPUXTAL1XTAL2/ P S E NA L EEA并行接口