1、基于单片机的温度控制系统南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于单片机的温度控制系统设计Based on Single Chip Microcomputer Temperature Control System Design学 院（系）： 计算机与信息工程学院 专 业： 计算机科学与技术 学 生 姓 名： 李瑞卿 学 号： 1306734005 指 导 教 师（职称）：鲁庆宾（副教授） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2015 年 6 月 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology基于单片机的温度控制系统基于单片机的温度控制系统设计 通信工
2、程专业 李瑞卿【摘 要】温度是工业控制中主要的被控参数之一，在日常生活中也经常要用到温度的检测及控制。本文介绍了一种以 AT89C51 单片机为核心的控制器，以DS18B20 为温度传感器的温度控制器。首先，通过对元器件的选择，设计控制器的硬件电路；然后，设计相关应用程序；最后，通过仿真，对整个系统进行调试、分析。最终实现温度采集、显示、控制等功能。仿真结果表明，所设计的控制器能够完成所需功能，并且具有测量精准高、实时性好、使用方便等特点。【 关键词】： 温度控制；AT89C51；温度显示；DS18B20Based on Single Chip Microcomputer Temperatur
3、e Control System DesignCommunications Engineering Major Li RuiqingAbstract:Temperature control is charged with one of the main industrial parameters, in everyday life also often use to detect and control the temperature. This paper presents a AT89C51 microcontroller as the core to the controller to
4、DS18B20 temperature sensor temperature controller. First, the choice of components, design of the controller hardware circuit; then, design-related applications; Finally, the simulation of the entire system for debugging and analysis. The ultimate realization of temperature acquisition, display and
5、control functions. Simulation results show that the designed controller to complete the required function, and has high measurement precision, real-time, user-friendly features.Key words: Temperature control; AT89C51; Temperature display; DS18B20基于单片机的温度控制系统目 录1 绪 论 .11.1 课题背景及意义 .11.2 课题研究的内容 .11.3
6、.温度控制器的选择 .22. 温度控制器的硬件电路设计 .32.1 温度传感器的选择 .32.1.1 数字温度传感器 .32.1.2 热电阻温度传感器 .42.1.3 方案选择 .42.2 温度采集模块电路的设计 .42.2.1 DS18B20 介绍 .42.2.2 温度传感器工作原理 .52.2.3 DS18B20 工作原理介绍 .72.2.4 DS18B20 使用中的注意事项 .82.2.5 DS18B20 和 AT89C51 单片机连接电路 .92.3 显示模块设计 .102.3.1 LCD 液晶显示器简介 .102.3.2 液晶模块简介 .112.3.3 液晶显示部分与 STC89C5
7、1 单片机的接口 .132.4 按键电路的设计 .142.4.1 单片机检测按键的原理 .142.4.2 矩阵键盘的设计 .153. 系统软件设计 .163.1 主程序的设计 .163.2 DS18B20 初始化程序 .173.3 LCD 初始化程序的设计 .193.4 继电器控制的程序 .204. 仿真结果及分析 .264.1 系统仿真 .264.2 仿真分析 .275. 总结 .28基于单片机的温度控制系统参考文献 .29附 录 .30致谢 .36基于单片机的温度控制系统01 绪 论1.1 课题背景及意义日常生活中温度控制在各行各业中都起着重要的作用，因此能够检测温度变化的温度检测设备出现
8、在人们的视线中。它能使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示温度变化情况，协助人们及时调整，并有温度报警作用，让温度控制更好的服务于整个社会和人们的生活。21 世纪是电子技术飞速发展的时代，人类的生活发生了质的变化，特别是随着大规模集成电路的出现微型计算机应运而生，让人类社会进入了一个新的时代。虽然微机可以完成各种各样的工程控制，但是微机价格高，对于大多数的工业控制来说，并不是最佳选择。于是单片机就出现在了人们的视野中。它是一个简化的微机，将微机的中央处理器，存储单元，I/O 接口，定时器/计数器等集成在一片芯片上。和微机比较，单片机价格低廉，适合应用在工业的控制场合以降低成本。另外，单片机
9、可靠性高，性能稳定。可在复杂的工业环境下运行。单片机依靠其高性价比，在工业控制，工业生产，家用电器制造等方面得到了广泛的应用。温度是表征物体冷热程度的物理量，工农业生产过程中温度是一个重要的参数。温度测量在产品生产，工业设计，能源节约中起到了关键性的作用。随着科学技术的进步和生产的需要，温度传感器不断更新丰富起来。温度作为一个模拟量，如果采用合适的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽说不难，但电路也很复杂，成本也很高。温度测量中测量温度是重点，本设计中单片机温度测量同样如此。1.2 课题研究的内容本设计研究的主要课题是基于单片机的水温控制系统，介绍了对炉内温度的显示、控制和报警，实现了温度
10、的实时显示及控制。其中炉内温度控制中，采用AT89C51 单片机、DS18B20、和 LCD 的硬件电路检测和显示实时水温，采用基于单片机的温度控制系统1DS18B20 与单片机相接再由硬件与软件电路组合来实现对加热电阻丝的控制和超出规定的上下限温度的报警。1.3.温度控制器的选择温度控制器选择基于 51 单片机的温度控制器，图 2-1 是基于 51 单片机的温度控制器框图。该控制器由温度采集模块、控制模块、显示模块、报警模块以及电源模块等组成。基于单片机的温度控制器框图如图 2-1 所示。单片机显示模块报警电路电源模块温度采集模块键盘模块图 1-1 基于单片机温度控制器框图51 单片机是控制
11、器的控制核心，因此单片机的选择，对所设计系统的实现以及功能的扩展有着很大的影响。单片机种类很多，在众多 51 系列单片机中，较为常用的是 ATMEL 公司的 AT89C51 和 AT89S52 单片机，AT89C51 片内 4KROM 是Flash 工艺的，使用专用的编程器自己就可以随时对单片机进行电擦除和改写，片内有 128 字节的 RAM。而 AT89S52 含有在系统可编程的 Flash 存储器，片内有8K 闪存，RAM 的容量也较 AT89C51 大，为 256 字节。显然这种单片机优点更多，开发时间也大为缩短。基于单片机的温度控制系统22. 温度控制器的硬件电路设计2.1 温度传感器
12、的选择温度是表征物体冷热程度的物理量,它可以通过物体随温度变化的某些特性（如电阻、电压变化等特性）来间接测量，利用这种物理特性制成的传感器称为温度传感器。常用的温度传感器有热电偶、热敏电阻、热电阻、集成温度传感器及数字式温度传感器等多种温度传感器。2.1.1 数字温度传感器典型的数字温度传感器如 DS18B20，该传感器主要特性如下：1.数据线供电是寄生电源方式下的供电方式，电压适应的范围更宽，电压范围：3.05.5V；2.DS18B20 在和微处理器的连接仅仅需一条总线即就可以实现 DS18B20 和微处理器双向的通信，它的单线接口方式十分特殊；3.DS18B20 可以支持多个点的组网功能，
13、多个 DS18B20 可并联的在唯一的总线上，能够实现组网的多点测温；4.转换的电路及全部传感器元件就像一只三极管集成在的集成电路内，DS18B20 在使用的时候不需要任何的外围元件；5.在-10+85时精度为0.5，测温范围55+125；6.可分辨温度依次为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，相对应的可以编程的分辨率是 912 位，可实现高精度测温；7.12 位分辨率时最多在 750 毫秒内把温度值转换为数字，在 9 位分辨率时最多在 93.75 毫秒内把温度转换为数字，速度更快；8.直接输出数字温度信号的测量结果，可传送 CRC 校验码，同时以“单总线“串行方式传送给 CPU，
14、有极强抗干扰和纠错能力；基于单片机的温度控制系统39.负压特性：接反电源的极性时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2.1.2 热电阻温度传感器热电阻的测量精度高,性能稳定,使用方便,测量范围宽,在高精度、低温测量中占有重要的地位。热电阻传感器主要用于中低温度(-200+650或 850)范围的温度测量。常用的工业标准化热电阻有铂热电阻和铜热电阻。铂电阻传感器是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。以铂电阻作为测温元件进行温度测量的关键是要能准确地测量出铂电阻传感器的电阻值。铂电阻具有适用范围广、测量范围大、稳定性高、重复性好、价格低廉、使用方便等优点，成
15、为目前工业和实验室中温度测量应用最广泛普遍的传感元件之一，工业中应用较多的热电阻传感器如 Pt100。2.1.3 方案选择对比上述两种方案，虽然 Pt100 的测量温度范围比较大，但是由于其测温原理是电阻值随着温度的改变而改变，需要设计非常优良的温度采集电路，其中应包括测温部分，线性化部分，放大部分，A/D 转换部分，这就会使外围的电路更加复杂。DS18B20 是数字式温度传感器，只需一根总线就可以与单片机通信，是外围的电路大大简化，测量的精度更准确。因此本控制器的设计中，温度传感器拟选择 DS18B20 作为温度采集传感器。2.2 温度采集模块电路的设计2.2.1 DS18B20 介绍DS1
16、8B20 引脚图如图 2-1 所示。基于单片机的温度控制系统427.0DQ2 VCC3GND1U1DS18B20图 2-1 DS18B20 引脚图DALLAS 最新的单线数字温度传感器 DS18B20 是一种新型“一线器件”，它的体积更小、更适用于多种场合、而且适用电压更宽、也更经济。DALLAS 半导体公司开发的数字化温度传感器 DS18B20 也是世界上第一片支持“一线总线”接口的数字温度传感器。温度的测量范围为-55+125 摄氏度，能编程为 9 位12 位转换精度，0.0625 摄氏度的测温分辨率，分辨率的设定参数及用户设定的报警温度会存储在 EEPROM 中，掉电后依然能保存。用符号
17、扩展的 16 位数字量方式串行的输出被测温度；采用寄生电源方式产生，其工作的电源既可以远端引入；3 根或 2 根线上可并联多个 DS18B20，CPU 只需要一根端口线就能与诸多的 DS18B20 通信，较少占用微处理器的端口，可以节省逻辑电路和大量的引线，因而用它来组成的测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可挂多个这样的数字温度计，非常的方便。2.2.2 温度传感器工作原理DS18B20 的读写时序及测温原理与 DS1820 是相同的，得到的温度值的位数却会因为分辨率的不同而不同，而且进行温度转换时的延时时间从 2s 减为750ms。 DS18B20 的测温原理：低温度系数的晶振，它是用以
18、产生固定频率的脉冲信号给计数器 1，它的振荡频率受到温度的影响非常的小。高温度系数的晶振，则它的振荡率会随着温度的变化而明显的改变，产生的信号就作为计数器 2 的脉冲输入。温度寄存器以及计数器 1 被预先设置在55所对应的一个基数值。对从低温度系数晶振产生的脉冲，将会通过计数器 1 来进行减法的计数，当计数器1 预置的值减到了 0 的时候，计数器 1 的预置值将重新装入，这时候温度寄存器基于单片机的温度控制系统5的值就加 1。计数器 1 也就重新开始进行计数，如此循环，停止温度寄存器值的累加时计数器 2 的计数值到 0，所测温度就为此时温度寄存器中的数值。DS18B20 功能特点：1.采用了总
19、线技术，与单片机的通信只需要一根 I/O 线，在一根线上可以挂接多个的 DS18B20。2.每只 DS18B20 它是根据序列号来访问相应的器件，具有一个独有的，不可更改的 64 位的序列号。3.低压供电，电源范围为 3-5V，可本地供电，也能直接通过数据线提供电源（即寄生电源 2 方式）。4.在-10C 至+85C 范围内的可以达到精度为0.5 摄氏度，测温的范围为55+125 摄氏度。5.温度超过了的预定值的器件可以用报警搜索命令识别以及寻址。6.用户可以自己设定报警上下限温度。7.它转换 12 位的温度的最大时间为 750 毫秒，可编辑的数据位 9-12 位。8.DS18B20 的分辨率
20、由用户通过 EEPROM 设置为 9-12 位。9.DS18B20 可以将检测到的温度值直接转化为数字量，并且通过串行通信方式。DS18B20 有 4 个主要数据部件：1. 光刻 ROM 中的 64 位序列号在出厂之前就已经被光刻好了，它可看作该DS18B20 的地址的序列码。64 位光刻 ROM 的排列为：开始的 8 位 （28H）是产品类型的标号，接着 48 位是该 DS18B20 的自身序列号，最后的 8 位是前面的 56 位循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 的作用是让每一个 DS18B20 都不相同，这样的话就能够一根总线上可挂接多个的 DS18B20。2. DS18B20 温度传感器能实现对温度的测量，以 12 位的转化为例：用 16 位的符号扩展二进制补码读数的形式提供，以 0.0625/LSB 的形式表达，其中 S
