1、本科毕业论文（20 届）单片机数字温度控制系统优化设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 -本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计） ，是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 毕业论文（设计）- I -第 I 页目 录目 录 .I摘 要 .IIABSTRACT .III第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 总体设计方案及思路 .2第二章 硬件电路设计 .82.1 AT89S5
2、1 单片机技术及系统实现方法 .82.2 硬件最小系统设计 .92.2.1 复位电路的设计 .92.2.2 时钟电路的设计 .102.3 温度传感器介绍 .112.3.1 温度传感器的发展及简介 .112.3.2 数字温度传感器 DS18B20 的工作原理 .112.3.3 ROM 操作命令 .132.3.4 DS18B20 的测温原理 .142.4 DS18B02 与单片机的硬件电路的设计 .162.4.1 设计原则 .162.4.2 引脚连接 .162.5 显示电路的设计 .172.6 温度设定与保存电路设计 .172.7 继电器电路的设计 .192.8 电源接口与报警电路 .20第三章
3、软件部分设计 .213.1 系统软件设计整体思路 .213.2 程序设计 .233.2.1 主程序 .233.2.2 DS18B20 程序 .23第四章 调试 .254.1 硬件调试 .254.2 软件调试 .26第五章 结论 .27参考文献 .28致 谢 .29附录 A: 程序 .29附录 B：总图 .41毕业论文（设计） 第 II 页单片机数字温度控制系统优化设计摘 要温度对于人类来说并不陌生，其对我们的生产生活有着重要的影响。同时也是衡量事物冷热程度的标志。对于许多环境而言，加热是它们不可缺少的一个环节。在许多环境中也要避免温度过高，而影响生产和生活。因此需要温度控制系统。使用单片机控制
4、温度不仅便捷，还比较容易实现。随着工业技术的发展和智能化时代的到来，各个系统的优化设计正在掘地而起。本系统在数字温度测量的基础上经行了更广泛的扩展。使用 DS18B20 作为温度传感器，配以继电器来实现单片机对数字温度的控制。以温度为输入信号，AT89S51 单片机通过对数据的识别从而发出相应的控制指令，使得继电器有所回应，从而达到系统的目的和要求。在实用性方面，添加了断电存储功能，能有效的使用该系统。本系统简单实用，可以运用到许多地方。关键词：数字温度控制；AT89S51；DS18B20；控制系统；单片机毕业论文（设计） 第 III 页Optimal design of digital te
5、mperature control system based on single chip microcomputerAbstractTemperature is no stranger to human beings, and it has an important impact on our production and life. At the same time is a measure of the degree of hot and cold signs of things. For many environments, heating is an integral part of
6、 them. In many environments, the temperature is too high to affect the production and life. So the temperature control system is needed. The use of single-chip temperature control is not only convenient, but also relatively easy to achieve. With the development of industrial technology and the arriv
7、al of the era of intelligent design, optimization of each system are digging up. Based on the digital temperature measurement, this system has been widely extended, using DS18B20 as the temperature sensor. With relay to achieve single-chip digital temperature control. Temperature as the input signal
8、, AT89S51 microcontroller through the identification of the data to issue the corresponding control instructions, so that the relay has a response, so as to achieve the purpose and requirements of the system. In the practical aspect, the power down storage function is added, and the system can be ef
9、fectively used. The system is simple and practical, can be applied to many places Key Words：Digital temperature control；AT89S51；DS18B20 ；Control；Singlechip毕业论文（设计）第 1 页第一章 绪论1.1 研究背景从物理学的角度来说，温度是一种基本的物理量。与许多多元化的事物联系着，并且扮演着非常重要的角色。在物理世界中我们了解了物体的热胀冷缩，这时温度便开始在我们的思想里形成了一个概念。随着时代的发展，数字化和大规模集成电路充斥着我们的眼球。在
10、这样的情况下，温度影响着我们的生活和生产。如果能够很好的控制某个场合的温度，那么就可以提高我们的生产效益和生产技术指标，甚至可以节约能源。并且温度也关系着我们的生产和生活，所以对其的测量和控制在整个生产和生活过程中都得到了相当的重视。处于实际的生产环境中，系统内部与外部的温度是很难控制的。同时，也无法准确的计算其他热源的影响。这时，为了达到绝热的目地，我们常常需要采取一系列的措施。例如，使得目标系统的外部环境温度与目标系统内部的温度处于同步变化中。根据理论依据，热力学第二定律很好的诠释了不可能把热从低温到高温传递使物体不受其他因素影响。因此，当内部温度变化的时候，需要采取措施使其保持在原有的温
11、度环境中。除此之外，在众多实际的环境中，增温与降温相比要显得容易得多。如果我们需要对温度的精度有很高的需求，那么就不允许温度出现实际温度超过控制目标温度的现象。在那些封闭的空间中，如果隔热效果很好，更不允许出现上述情况。就像许多冶金和炼钢的环境下，只是注重了温度的升高，抑或是没有那么精确的降温设备。然而，在相反的情况下，生产和生活是很难进行的。随着国内外经济飞速的发展，人们对温度控制的需求越来越多。数字温度控制系统在一些领域也得到了非常多的重视，并不断的向着智能化数字化的方向发展。目前国产的数字温度控制器分辩率很难媲美外国的产品，测量的结果会相对的模糊一些。而国外的数字温度控制器相对国内，在分
12、辨率和精度上提高了许多，但是销售价位也比国产的昂贵。许多发达国家现在己经生产出来了一些性价比较高的数字温度控制器，而且应用范围非常广泛，例如美国、瑞典等等。它们都有许多相似的地方，适用于那毕业论文（设计）第 2 页些处理系统比较繁琐冗长、受干扰程度很弱、精确度比较模糊的系统。繁琐冗长的处理程序所需要的时间就相对较长一些，就很有可能导致所处理的结果不具备实时有效性。受干扰程度较弱而且具备自动调整功能，就可以在系统处理结果的同时自动的调节可接受范围内的允许的误差值，从而得到更加准确的处理结果。借助计算机的技术实时的对温度的变化进行控制，使分析的结果精度更高。现在，我国的温度控制系统也在不断地借鉴国
13、外的先进技术和经验，向更加高性能，智能化，数字化的方向发展。1.2 总体设计方案及思路系统的输入信号为温度，那么就需要对其进行识别。这时候就需要使用温度传感器来对温度进行识别。使用传统的 PT 铂电阻等这类温度传感器需要进行 A/D 转换。如果采用这样的方法就会大大的增加电路的复杂程度，不利于系统的设计。在对上诉问题进行反思之后，得出一个更好的解决办法。在传感器的选择上，使用集成数字温度传感器。这样直接获得数字信号，单片机直接对该信号进行处理，这样更方便系统进行目标温度的处理。同时考虑到断电的情况下，还可以使用数据存储芯片 AT24C02 来对温度上下限的值进行存储。也可以考虑使用备用电源，但
14、由于成本关系，使用存储芯片要划算许多。也能提高系统的容错率和使用率。下图为系统框图。使用四位一体的共阳极数码管来完成对温度的显示。在目标信号的采集上，使用数字温度传感器 DS18B20。如图 1.1 所示。图 1.1 整体设计框图 AT89S51DS18B20键盘输入LED 显示启动加热或降温继电器蜂鸣器毕业论文（设计）第 3 页（1）控制部分用 AT89S51 作为主控制器。具有基本 51 单片机所具有的功能。能够使用传感器对信号进行采集，之后传输给单片机进行处理。以键盘电路和液晶显示或数码管显示以此实现人机交互。使用该单片机具有许多如下的优点。首先 AT89S51 易于学习，适合我们进行基
15、本的毕业设计。 51 系列的单片机是我们进行开发的首选，因为只有掌握了它的基本应用我们才能掌握其他主流的单片机。并且该单片机学习开发资料多，十分便于我们学习和使用。如果使用主流的单片机，在程序和技术指标上我们很难在短时间内掌握，这是一个循序渐进的过程。其次 C 语言编程简单易用。与计算机 C 语言相比，单片机中的 C 语言更要简单。其主要集中在一些循环判断语句上，例如 ifelse；for；while 等语句。只要我们有过计算机 C 语言的学习经验，就能够对其进行程序的编写，大大减少我们的学习时间。方便我们的学习。同时采用 keil 公司开发的 51 单片机编程软件进行编译和程序的编写。同时我
16、们还可以选择汇编语言。最后 AT89S51 单片机价格便宜，能够进行大规模的采集和使用，其价格在几元左右。（2）显示部分显示电路采用四位一体共阳极数码管显示。P0 口不需要使用上拉电阻。（3）温度采集部分本系统使用 DS18B20 数字温度传感器来对温度进行测量。在与单片机的通信中，DQ 接 P3.7 口。该数字温度传感器具有如下特点：1) 具有单总线结构，只需要一根数据线就能进行数据和信号的传输；2) 可以把多个该传感器接在一起，实现多点温度检测的功能；3) 结构简单，无需外部元器件；4) 可以使用外部供电，电源范围适用于单片机；5) 待机的功耗几乎为零；6) 温度以 3 位数字显示，精确到
17、小数点后一位；毕业论文（设计）第 4 页7) 可以自定义温度上下限；8) 超过温度上下限时具有报警器件；9) 电源极性接反只会不能工作，不会损坏器件。 DS18B20 传感器内部结构DS18B20 采用 3 脚 PR35 封装，如图 1.2 所示；DS18B20 的内部结构如图 1.3 所示。图 1.2 DS18B20 封装图 1.3 DS18B20 内部结构DS18B20 内部结构的组成部分：1)DS18B20 具有唯一的序列号，并且各个部分对应相应的内容。也正是因为其具有这样的结构且具有校验码，所以多个该数字温度传感器依然可以使用单总线结构。ROM 结构如下表 1.1 所示。表 1.1 R
18、OM 结构64 位ROM和单线接口存储器和控制逻辑暂 存 器8 位CRC产生器温度传感器上限触发 TH下限触发 TL电源探测DQ内部 VDD毕业论文（设计）第 5 页8b 检验 CRC 48b 序列号 8b 工厂代码（10H）MSB LSB MSB LSB MSB LSB2)TH 和 TL 的值可以人为输入进行设置，也可以直接在程序编写中完成。3)暂存器运行速度很快，其可以用来对该数字温度传感器的测温精度进行设置。暂存器 RAM 是高速进行的，由各个字节组成。最开始的两个字节代表着测得温度的信息，接下来的两个相邻字节是温度上下限触发器的拷贝。在单片机进行复位的过程中，其信息被更新。第五字节，是
19、分辨率对应的字节。在该数字温度传感器进行工作时，分辨率会转换为对应的温度数值。由于高速暂存器 RAM 有三个字节属于保留状态，并未使用，所以全部显示为逻辑 1。为了保证系统通信的正确性，可以让第九字节读出前面所有字节的循环冗余校验码。这样就可以达到检测数据准确性的要求。该内部存储器结构如下图 1.4 所示。Byte0 温度测量值 LSB（50H）Byte1 温度测量值 MSB（50H） E2PROMByte2 TH 高温寄存器 - TH 高温寄存器Byte3 TL 低温寄存器 - TL 低温寄存器Byte4 配位寄存器 - 配位寄存器Byte5 预留（FFH）Byte6 预留（0CH）Byte7 预留（10H）Byte8 循环冗余码校验（CRC）图 1.4 DS18B20 内部存储器结构TM 表示工作位模式，一般用来设置其处在工作模式还是测试模式中。一般情况下，该位在出厂时的值为零，用户需要对其进行设置，以达到自己对其使用的需求。接下来的两位决定着温度转换的精度以及位数，即 R1 和 R0，并且据此来设定分辨率。后五位全为一。如图 1.5 所示。TM R1 R0 1 1 1 1 1
