1、 I 论文题目：基于单片机的温度测控系统的硬件设计 专 业 : 自动化 本 科 生： * （签名） _ 指导老师： * （签名） _ 摘 要 在当今社会中，温度的测量与控制是一个与人们的生活生产紧密联系的课题，而单片机以其独特的优点，在电子产品当中有着很广泛的应用，所以把单片机与温度的测量与控制结合起来，能够给人们精确测量控制温度带来很大的便捷，让人们的生活更加舒适，而且能够给生产部门对器件的精确制造提供很大的帮助。 本设计是基于单片机的温度测控系 统的硬件设计。该系统由单片机、液晶显示屏、温度传感器、电热管、小风扇等模块构成。主要的工作原理是通过单片机将温度传感器采集到的温度信号经过计算，得
2、到的结果通过处理、比较从而来控制电热管和小风扇的工作状态，使得环境温度控制在设定温度的一定范围内。 通过硬件电路和软件的调试表明，该系统能够达到设计目标，首先能够把温度在显示屏上实时显示出来，而且能够准确的控制加热与散热部件的工作状态，从而把温度控制在设定温度上下 0.3 度的范围内。 关键字 ： 单片机，温度测控系统 II Subject : Temperature control system hardware design based on Micro controller Specialty: Automation Name : * (signature)_ Instructor: *
3、 (signature)_ ABSTRACT In todays society, the measurement and control of temperature is the subject of a production and is very close to peoples life, while the micro controller with its unique advantages, the electronic products which have a very wide range of applications, so the micro controller
4、and temperature measurement and control of combined it can accurately measure the temperature control to the people a great deal of convenience, so that peoples lives more comfortable, but also to the production department for precision manufacturing devices provide great help. This design is a temp
5、erature control system hardware design based on micro controller . The system consists of micro controller, LCD display, temperature sensor, heating pipes, fans and other small modules. The main result of works by the micro controller temperature sensor to the temperature signal has been calculated,
6、 obtained by processing, comparison and thus to control the heating pipes and a small fan operating status, making the ambient temperature is controlled within a certain range of temperature settings. Through hardware and software debugging showed that the system can achieve the design goal, first t
7、he temperature can be displayed in real time on the screen, and can accurately control the working status of heating and cooling components, thus bringing down the temperature control at the set temperature within the range of 0.3 degrees. KEY WORDS : micro controller, temperature control system III
8、 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题的选题背景及生产需求状况 . 1 1.2 选题的研究意义 . 1 1.3 论文的主要工作 . 2 第二章 系统整体设计 方案与原理 . 2 2.1 方案的比较与选择 . 3 2.1.1 滞环控制系统 . 3 2.1.2 模糊 PI 控制系统 . 3 2.2 模糊 PI 控制系统简介 . 4 第三章 系统设计主要芯片及主要硬件的介绍 . 5 3.1 单片机 STC89C52RC 的结构及工作原理 . 6 3.1.1 STC89C52RC 单片机简介 . 6 3.1.2 单片机的外围引脚及其功能 . 8 3.1.3 单片机的定时 /计数器 . 9 3.1.
9、4 单片机内部结构 . 10 3.2 主要硬件介绍 . 13 3.2.1 显示屏 LCD1602. 13 3.2.2 温度传感器 DS18B20 . 14 3.2.3 直流电机驱动 模块 L298n . 16 第四章 系统整体设计及硬件模块设计 . 17 4.1 晶振及复位模块 . 17 4.2 复位模块 . 17 4.3 温度采集模块 . 18 4.4 液晶显示模块 . 18 4.5 按键输入模块 . 19 4.6 升温模块 . 20 4.7 降温模块 . 21 4.8 上下限报警模块 . 21 第五章 软件设计部分 . 23 IV 第六章 结论与展望 . 24 参 考文献 . 25 致谢
10、. 26 附录一：总电路图 . 27 附录二：电路仿真图 . 28 附录三：实物图 . 29 附录四：软件程序 . 31 1 第一章 绪论 1.1 课题的选题背景及生产需求状况 随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速发展和广泛应用。单片机具有处理能力强、运行速 度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。温度又是工业生产中常见并且十分重要的参数之一，特别是在冶金、石油、食品、印染等工厂中，为了提高产品质量，基于单片机的温度测控系统几乎存在每一个中小企业中，由于我国对于温度测控技术的研究较晚，在经过对发达国家温度测控技术的学习和吸收
11、以后，才掌握了温度室内的微机控制技术，但是我国以单片机为核心的温度测控技术还有待发展，与发达国家相比还存在着较大差距。我国的温度测量控制技术还没有完全成熟，在生产实习生活中还存在着许多问题，所以学习以 单片机为核心的温度测控技术具有很大的现实性和必要性。而且我国对于基于微机为核心的温度测控系统的需求很大，很多大的公司相继开发新型的温度测控系统去满足市场对温度测控系统的各种特殊需求，使之应用于各个行业，存在于各种产品中。所以，基于单片机的温度测控系统的生产和需求都是很大的，并会日益增大。 1.2 选题的研究意义 在当今的日常生活和工业生产过程中，对于温度的控制一直都有着非常重要的作用。然而现在我
12、国农村和一些企业矿场中，都还用简单的温度测控设备，无法实现对温度的精确测量和控制。随着社会的高速发展，人民 生活水平的提高，更多的生产部门和环节对温度测量控制精度的稳定性和可靠性的要求越来越高，简单的温度测控设备显然已经不能满足社会的需求。所以研制开发更高精度的温度测控系统以满足社会的需求成为了急需解决的问题。 所以此次设计的目的是学习设计出能够实现对温度进行精确控制的温度测控系统，一方面，有助于我们把所学知识运用到生产生活当中，培养我们的研发能力和在完成工程项目中所需要具备的基本素质和要求，另一方面，由于温度测2 控系统在社会上的广泛应用也使得温度测控系统的研究意义非常重要。 1.3 论文的
13、主要工 作 本论文的主要内容安排如下： （ 1）了解以单片机为核心的温度测量控制技术的现状及发展趋势。 （ 2）对设计的控制系统将采用方案进行比较和选择，以及对控制方法的描述。 （ 3）对主要芯片以及部分重要硬件的介绍。 （ 4）对各个硬件模块的电路设计进行说明。 （ 5）关于软件的设计部分。 （ 7）总结。 （ 8）系统的原理图及实物图。 3 第二章 系统整体设计方案与原理 2.1 方案的比较与选择 基于单片机的温度测控系统可以有多种实现方法，这里对两个比较合适的设计方 案进行比较后选择出一个较好的进行设计。 2.1.1滞环控制系统 方案一采用的是滞环控制系统进行控制。 图 2.1 指环控制
14、系统原理图 该系统的工作原理是 :温度传感器 DS18B20 感应到环境温度，然后把数值传送到单片机中，单片机接受数据经处理后一方面把温度数值传送到温度显示屏上显示出来，另一方面与给定的温度上下限作比较从而控制继电器的开断，间接控制电热管和排气扇的工作状态，以达到控制温度的上升与下降的目的，使温度保持在一定范围内。当温度过高或者过低时越限报警装置启动，以便人为采取措施。 2.1.2 模糊 PI 控制系统 方案二采用的是模糊 PI 控制系统进行控制 ,控制系统的原理图如下图 2.2 所示。 、 纸箱温度传感器DS 18 B 20单片机温度显示屏继电器电热管排气扇 继电器越限报警4 图 2.2 模
15、糊 PI 控制系统的原理图 该控制系统的工作原理是：温度传感器 DS18B20 采集到环境温度后，把采集到的数值传送到单片机中，单片机对接收到的数据惊醒处理后，一方面把温度的数值通过温度显示屏显示出来，另一方面把接收到的数据与给定的输入值进行比较得到的差值通过 PI 调节来控制单片机输出等幅 PWM 波形的占空比，进而控制电热管与排气扇的功率达到控制温度的目的。当温度超出设定的温度 警戒线时，越限报警装置启动，以便人为进行控制。键盘输入可以改变温度的设定值 ,使温度的控制更灵活，控制的温度带更广。 经过比较后发现，滞环控制系统的跟踪响应快速，但是误差较大，温度变化范围较大，波动明显。而模糊 P
16、I 控制系统不仅能够很好的跟踪响应，而且可以有效的降低稳态误差，使得温度在很小的范围内变化，提高了控制系统的精度。故此次设计选择模糊 PI 控制系统。 2.2 模糊 PI控制系统简介 模糊控制系统简介 : 模糊逻辑控制简称模糊控制，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术 ,模糊控 制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实 际应用背景。 模糊控制 的 规则 有以下三种 : （ 1）专家的经验和知识 （ 2）操作员的操作模式 纸箱温度传感器DS 18 B 20单片机温度显示屏直流斩波电路电热管排气扇 直流电
17、机驱动越限报警键盘输入5 （ 3）学习 模糊控制系统的特点是 : (1) 简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、滞后、模型不完全系统的控制。 (2) 不依赖于被控对象的精确数学模型。 (3) 利用控制法则来描述系统变量间的关系。 (4) 不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。 (5) 模糊控 制器是一语言控制器，便于操作人员使用自然语言进行人机对话。 (6) 模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，具有较佳的鲁棒性、适应性、强健性及较佳的容错性 但是模糊控制系统对 信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。若
18、要提高精度就必然增加量化级数，导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能进行实时控制 。而 PI控制系统不仅能够很好的跟随响应，而且还能够有效的降低系统稳态误差，所以在小偏差范围内选择 PI控制。 模糊 PI 控制系统 综合了模糊控制的动态性能以及 PI 控制的稳态性能，控制原 理是：当系统的偏差较大是，通过开关选择模糊控制器，以达到较好的动态特性；当系统的偏差较小时，将开关切换到基本 PI 控制器，以获得较好的稳态性能。模糊 PI 控制系统结构如图 2.3 所示。 图 2.3 模糊 PI 控制系统结构图 6 第三章 系统设计主要芯片及主要硬件的介绍 3.1 单片机 STC89C52RC 的
19、结构及工作原理 单片机 微型计算机 简称单片机，是典型的嵌入 式 微控制器 。 用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，单片机又称 单片微控制器 ，它不是完成某一个逻辑功能的 芯片 ，而是把一个 计算机系统集成 到一个芯片上。单片机由 运算器 、 控制器 、 存储器 、 输入输出设备 构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机 缺少了外围设备等。概括的讲：一块 芯片 就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用 单片机 是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。 由于 单片 机 在工业控制领域的广泛应用，
20、单片机由仅有 CPU 的专用 处理器 芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个 芯片 中，使 计算机系统 更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 3.1.1 STC89C52RC 单片机简介 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 STC89C52 使用经典的 MCS-51内核，但做了很多的改进 ， 使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位CPU 和系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提
21、供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 512 字节 RAM， 32 位I/O 口线 ， 看门狗定时器 ，内置 4KB EEPROM， MAX810 复位电路， 3 个 16 位 定时器 /计数器， 4个外部中断，一个 7向量 4级中断结构（兼容传统 51的 5 向量2 级中断结构），全双工 串行口 。 另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中 断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz，
