1、基于单片机stc89c51的水温控制器设计研究摘要工业生产的自动控制领域，温度检测和控制占具着有非常重要地位。温度测控系统在科学研究、工业生产直到人们的日常生活范围中，应用都非常广泛。以致温度传感器的使用数量在各类传感器中居首。单片机技术已经涉及到人们的生活中，无论工作，科研，各个领域，单片机已经变成了一种比较完善的技术,本文讲解了一种基于单片机控制的数字温度器，本温度控制器属于多功能温度计，能设置上下限报警温度，当温度不属于设置范围内时，报警器会出现报警。本文首先介绍玩温度控制的国内外发展情况，分析了各种温度传感器的优点和缺点，在此基础上提出了系统的设计方案，实现了温度采集、水温控制、实时水
2、温的显示和报警功能，设计使用单片机作为核心控制器件，配置相应的外围电路、编写个功能的驱动程序达到实现水温控制的效果。论文中详细介绍了水温控制器的基础电路设计和各个部分的程序的设计流程，设计出一种简单方便的温度控制器。关键词：单片机；智能温度控制；DS18B20；报警AbstractAutomatic control of industrial production, temperature detection and control of the has a very important position. Temperature measurement and control system
3、in industrial production, scientific research, and in the field of Peoples Daily life, has a wide range of applications. So that the use of the temperature sensor number tops in all kinds of sensors.Single chip technology has spread to we live, work, scientific research, each domain, has become a ma
4、ture technology, this paper introduces a kind of based on single chip microcomputer control digital temperature device, the thermometer belongs to the multi-function thermometer, can set up and down the temperature alarm, when the temperature is not set range, you can call the police.Play at first,
5、this paper introduces the temperature control of the development situation at home and abroad, analyzes the advantages and disadvantages of all kinds of temperature sensor, based on this, advances the design scheme of the system, and realizes the temperature acquisition, temperature control, real-ti
6、me temperature display and alarm functions, design USES single-chip microcomputer as the core control device, configure corresponding peripheral circuit, write a function driver to achieve the effect of water temperature control. Temperature controller is introduced in the paper the application of e
7、ach part of the basic circuit design and the design process, design a simple and convenient temperature controller.Key words:Single chip microcomputer; Intelligent temperature control; DS18B20目录摘要 IAbstract II第一章 绪论 11.1 温度控制器国内外状况 11.2 课题研究的背景 11.3 课题研究的意义 11.4 本设计的优缺点 11.5 关于本设计 22.1 温度传感器分类与选择 42
8、.1.1 温度传感器分类 42.1.2 温度传感器的选择 42.2显示器选型 52.3软件总体设计 52.4 总体方案的确定 5第三章 系统各功能模块电路设计 73.1 系统工作原理 73.2 系统相关硬件及模块介绍 73.2.1 温度采集电路 73.2.2 单片机最小系统设计 73.2.3 显示模块 83.2.4 报警电路设计 83.2.5 键盘电路设计 9第四章 系统软件设计 114.1 软件程序设计 114.1.1 主程序模块流程图 114.1.2 温度读写程序 114.1.3 键扫描程序 144.1.4 报警子程序设计 144.1.5 数码管显子流程图设计 15第五章 系统调试 175
9、.1 系统仿真 175.1.1 原理图设计 175.1.2 运行结果分析 185.2 硬件调试 19总结 22致谢 23参考文献 24第1章 绪论1.1 温度控制器国内外状况信息采集控制、信息处理和信息传输被称为现代信息技术的三大支柱。属于信息技术比较尖端产品的温度控制器，然而被广泛用于工农业生产、科学研究以及日常生活等许多领域，而且需求的数量日益增长。水温控制器是一种能根据不同用户对温度的特别需求，自动调节水温以满足用户需要的温度控制装置。实现以上要求的方法理论上有许多，但是目前业界主要有传统机械式温度控制器和智能电子式温度控制器两个大系列。目前很多国内外生产厂商都在新型控制模型与数控芯片的
10、基础上，研发智能型温度控制器 。已有一些国内厂家生研制出了智能室温控器，并已开始应用于实际工程。在国外，温度监测技术研究技术起步早，因而技术进步也较大，从温度监测系统标准的制定到各种硬件软件设备及技术都比较成熟，各种无线监控技术也得到广泛使用，尤其在发达国家，自动管理温度技术基本实现。因而目前国外温度监测系统技术已经非常完善，正朝着数字化多功能集成化自动调控和数据远程传输的方向发展，不仅能随时检测检测温度而且可以实时的控制温度。1.2 课题研究的背景工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通过信息技术和自
11、动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发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。本设计就是基于单片机AT89C51温度控制系统的设计，通过本次课程实践，我们更加的明确了单片机的广泛用途和使用方法，以及其工作的原理。1.3 课题研究的意义随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。本文采用单片机AT89C51设计了温度实时测量及控制系统。单片机AT89C51 能够根据温度传感器DS18B20 所采集的温度在液晶屏上实时显示，通过控制从而把温度控制在设定的范围之内。所有温度数据
12、均通过液晶显示器LED显示出来。系统可以根据时钟存储相关的数据。通过该课程的学习使我们对计算机控制系统有一个全面的了解、掌握常规控制算法的使用方法、掌握简单微型计算机应用系统软硬的设计方法，进一步锻炼同学们在微型计算机应用方面的实际工作能力。1.4 本设计的优缺点本设计为了实现水温控制，用了DS18B20温度传感器，这种传感器分为防水传感和不防水传感器，可防水传感器可直接伸到水里探测水的温度，如果要实现测试水温就要采用防水传感器。在实现水温控制的时候，采用了两个常开继电器，一个继电器控制加温装置，另一个继电器控制降温装置。当水温在报警范围内两个继电器均为常开。当水温过低时，报警器报警，控制加温
13、装置的继电器闭合，开始对水加温，控制降温的继电器断开，降温装置不工作；当水温高于报警水温范围时，报警器报警，控制加温装置的继电器断开，且控制降温的继电器闭合，降温装置开始工作，周而复始，起到控制水温的作用。因为本设计的加温装置用的是220V电源，使得本设计操作起来比较危险，容易将硬件烧坏，就只能用一个功率较低的灯泡作为代替，起到模拟加温装置的作用；降温装置是用一个功率较低的风扇来模拟降温，所以本实验看到的结果只能是模拟控制水温。由于单片机具有以下的很多优点，被我们选定为制作该作品的首选芯片单片机特点：（1）高集成度，体积小，高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然
14、也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 （2）控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 （3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的最低工作电压仅为1.8V3.6V，而工作电流仅为数百微安。 （4）易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，
15、很容易构成各种规模的计算机应用系统。 （5）优异的性价比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。 1.5 关于本设计本设计制作目的在模拟水温度的控制系统，本设计是设计一个水温控制器，实现温度检测。设计采用DS18B20温度传感器，获得的温度数据传给AT89C51单片机进行数据存储和处理，判断送到的温度数据是否超限，超限就进行报警提示
16、，同时通过控制继电器来控制加热设备。本文主要主要工作安排首先介绍温度传感器的发展和设计需要完成任务，在第二章介绍了系统整体方案；第三章介绍了系统的硬件电路的设计；第四章介绍了系统的软件电路设计；第五章对系统调试进行说明。最后总结本设计。第二章 系统总体设计方案2.1 温度传感器分类与选择温度是生活中常见的物理量，它与我们的生活实时相关，人类对温度研究一直在继续，经过多年发展已经有很多成熟的温度传感器在各个领域的得到了很好应用，下面介绍下温度传感器的分类和设计中温度传感器选择的方法。2.1.1 温度传感器分类(1)模拟温度传感器输出的模拟量信号，优点是响应速度较快。(2)数字温度传感器输出的数字
17、量，它输出响应速度较慢，但接口简便。工程中常常选用热电阻式温度传感器、热敏电阻式温度传感器、模拟集成式温度传感器 、热电偶式温度传感器、智能温度传感器实现对温度检测。2.1.2 温度传感器的选择工业上温度传感器有四类：热电偶、热电阻何热敏电阻及集成电路温度传感器；各类温度传感器的温度测量范围不同，应用的环境也不同。本节重点对比几种方案进行分析：方案1：采用热敏电阻来检测温度变化，它的电阻值随着环境温度变化而变化。但是热敏电阻测温精度低、可靠性差，不适用于精度要求高的场合。方案2：数字温度传感器DS18B20，它的温度测量范围为55125之间,精度可以达到12位精度，测温分辨率为0.0625，工
18、作电压在3V5.5V之间，它直接输出数字信号，便于单片机进行处理。方案3：在温度测量系统中，也可采用单片机温度传感器，但芯片输出的都是模拟信号，须经过转换后才能送给单片机，使测温系统的硬件结构变的复杂，使的软件开发难度增大。温敏元件在应用于温度环境监测的过程中，虽然温敏电阻成本低，可是后续电路麻烦，也要进行温度标定。AD590属于电流型集成温度传感器，且它输出的为模拟信号，且这一输出信号不强，因而需要放大并且需要设计A/D转换电路，而如果设计使用的是普通的放大电路，那么运放的效果难以保证，而且测量放大器价格不低，使得整个系统设计成本得以提高。系统设计采用DS18B20采集温度的变化，这就是任意
19、的多个DS18B20可以在一根总线上挂接的原因，从而方便的进行多点测温，且用串行数字信号输出形式，可以将测量到的温度结果提供给单片机AT89C51的3.7口，将这一端口作为数据输入。在多点的温度检测和采集系统中，DS18B20有很大的优势。DS18B20的工作电压为+5V，DS18B20的检测温范围为-55至125，测量精度可达0.5，用软件编程可以将DS18B20的温度转换结果的位数得以确定，输出精度位数为9到12位不等，但是它的默认值为12位。经过分析，方案2适合在本系统中使用。对于水温控制器进行测温时采用数字芯片，而且可以简化硬件电路，适合用于单片机测温系统中的温度传感器。2.2显示器选
20、型本文涉及的单片机测温系统需要对实时温度值/比较的最大值显示即可，适合的显示方案有以下两种。LCD液晶显示和采用七段数码管显示。液晶显示可以显示汉子、英文和数字；数码管适合在显示信息量较小的系统中使用，数码管适合显示数字。由以上可知，数码管显示电路最为简单/低廉。考虑显示的温度从-55+125，如果采用七段数码每显示一路就需要3组数码管，再加上温度最大值需要单独显示出来，这样不仅会增加数码管的数量还会增加编写单片机驱动程序难度。因此选择LCD液晶显示器作为显示模块最优，完全可以满足使用要求。2.3软件总体设计编程采用汇编、C语言均可，这也是其应用广泛、上手快的原因之一。汇编编程指令效率高，适用
21、于对时序要求较高场合，比如本文涉及的DS18B20读写操作可以使用汇编语言对照芯片手册的时序图和讲解逐条来编写驱动模块程序块。C语言编程指令移植性高，代码可以重复使用适合1602LCD的驱动和主程序的编写。2.4 总体方案的确定1、系统基本框架本设计是利用AT89C51单片机为控制芯片，通过采集温度传感器的数据，通过对采集数据进行运算，实现温度采集和温度控制的设计。系统结构图1所示。设计的目标是实现对水温的采集、通根据设定最大关闭加热设备，如果小于最小的温度值打开加热设备进行加热，达到实现恒温控制的目的。该温度控制系统由单片机主最小系统，温度采集模块，数码管显示模块，按键设置模块、蜂鸣报警模块
22、、存储模块等组成。设计中需要实现的功能如下：（1）液晶实时显温度的数据信息。（2）可通过按键设置触发报警的阈值，也可以通过按键进行设置和修改。（3）可以实现温度上下阀值报警。（4）实现恒温控制功能。 系统各模块功能说明：（1）温度传感器采集模块的功能是采集当前水温度值。（2）显示模块的功能是显示实时水温。（3）声音报警模块的功能是当水温值超过设置的阀值就会发出报警声音。（4）键盘模块的功能是设置水温的上下阀值以及手动报警。（5）主控模块功能是采集传感器数据、键盘输入信息进行处理输出报警信息和控制加热设备进行加热系统的实时显示。 2、系统工作原理介绍考虑到该系统功能较少，由普通单片机即可实现。而
23、AT89C51单片机具有重量轻、体积小、对环境要求不高、抗干扰能力强、可靠性高、价格低廉、灵活性好等优点，故本系统选用AT89C51单片机作为系统主控制器。在温度采集方面，选用单线数字温度传感器DS18B20进行温度数据采集；人机对话界面通过按键盘来设置温度的上下线报警值和数码管显示电路的作用时实时显示水温值，同时在设置参数的时候可以显示当前设置的温度大小；存储电路的作用是实现对设定温度上下阀值进行存储，这样的设计可以保在系统重新工作时不用重新设置温度参数，方便使用；报警电路用于上下阀值的温度报警，当超过上限报警的时候，数码管会点亮，同时发出报警声音，下限也是一样的效果；继电器电路用于控制对水
24、进行加热的设备行工作。 图1 系统结构框图本章主要介绍系统的传感器的选择和系统的总体方案设计，绘制系统结构图，并对每部分电路进行详细的说明。通过本章的工作系统的整体设计思想已经确定，下面的内容将围绕系统的整体结构进行软件和硬件的设设计。第三章 系统各功能模块电路设计3.1 系统工作原理系统用AT89C51为主控芯片，数字传感器DS18B20完成数据采集，AT89C51对采集的温度数据进行分析和运算，控制信号的输出。这些控制信号将分别控制数码管的显示、启动报警装置与启动和停止加热装置。同时利用单片机自身的使能端口实现系统的复位，手动设置温度上限线和报警功能。3.2 系统相关硬件及模块介绍3.2.
25、1 温度采集电路本系统中采集温度选用的是数字式温度传感器DS18B20测量温度的范围在-55到+125，精度0.5的范围是在-10到+85,DS18B20电压范围支持3V到5.5V，分辨率在9到12位之间。DS18B20的引脚图如图2所示。三个引脚分别为：VDD外接供电电源端；QD数字信号输入输出端；GND地信号端。图2 DS18B20引脚图在此设计中，DS18B20的DQ端和AT89C51的P3.7进行相连接，AT89C51通过这个管脚对温度进行读和写的操作。3.2.2 单片机最小系统设计单片机最小工作系统包括电源电路、晶振电路、系统复位电路和程序下载电路组成。单片机最小系统如图3所示。图3
26、 单片机最小系统3.2.3 显示模块在主控板上需要实现一个人机交互的界面，用于显示系统运行的所有参数，比如温度报警阈值、实时温度数值，数据量相对比较小，形式比较简单，选择数码管，可以将这些信息清晰明了的显示给用户的。如图3-3所示，四位一体共阳数码管是由字段和字位组成的，单片机通过对连接引脚的高低电平操作，可以实现对各个段位选的驱动。 图4 数码管图（四位一体）3.2.4 报警电路设计 本系统报警设计采用蜂鸣器报警。图示，晶体管基极接在单片机P3.6口。当P3.6电平为输出一个高电平脉冲信号时，晶体管导通，加在蜂鸣器两端约有+5V电压而鸣叫。当P3.6输出低电平脉冲信号时，晶体管截止，蜂鸣器不
27、叫。如图5是一个简单的使用三极管驱动蜂鸣器的报警电路，报警电路如图5所示。 图5 报警模块电路设计3.2.5 键盘电路设计键盘扫描电路设计：本设计分配四个按键分别完成设置功能、加键、参数减键。分别接在P3.1 、P3.2 、P3.3。如图6所示。 图6 键盘电路设计单片机IO分配如表1所示：表1 主控芯片各个引脚分配图接口对应器件引脚接口对应器件引脚P0.0接数码管的段选AP2.4空置P0.1接数码管的段选FP2.5接数码管的位选S2P0.2接数码管的段选BP2.6空置P0.3接数码管的段选EP2.7接数码管的位选S1P0.4接数码管的段选DP3.0空置P0.5接数码管的段选DPP3.1接S1
28、按键P0.6接数码管的段选CP3.2接S2按键P0.7接数码管的段选GP3.3接S3按键P1.0空置P3.4空置P1.1空置P3.5空置P1.2继电器控制P3.6接蜂鸣器报警电路P1.3空置P3.7接DS18B20的数据线P1.4继电器控制XTAL1接晶振时钟电路P1.5空置XPAL2接晶振时钟电路P1.6接24C02的SCL端RST接复位电路P1.7接24C02的SDA端空置P2.0空置ALE空置P2.1接数码管的位选S4空置P2.2空置VCC接电源P2.3接数码管的位选S4GND接地本设计中，单片机可以通过检测环境温度高或低，两组继电器的动作实现自动调温度；设计中有两个继电器，一个用于升温
29、。当温度过高或过低的时候完成系统报警；数码管用于显示实时温度和系统运行的工作状态。第四章 系统软件设计4.1 软件程序设计4.1.1 主程序模块流程图主程序流程图首先要设置温室内恒定温度值，如果时间温度大于设置最大温度值关闭加热设备，如果实际温度值小于最小温度值打加热设备。因此实现调温度控制，比如设置最大和最小值在18-26度之间，程序流程图如7所示。图7 主程序流程图4.1.2 温度读写程序在DS18B20通信中命令序列分为3步：初始化、ROM命令，访问DS18B20，必须严格遵守此命令时序，若出现序列混乱，则单总线的单总线器件就不会响应主机。但对于ROM检索命令与报警检索命令，此准则就不适
30、用。在执行这两个命令的时候，执行完命令后系统主机则不能接着执行后边的命令，而是必须返回到执行命令的第一步，温度写程序流程图如图8所示。写操作：当单片机将总线从高电平拉至低电平时，就产生写时间间隙。从T0时刻开始15us之内应将所需写的位送到总线上。DS18B20在T0后15-60us间对总线采样，若低电平写入的位是0；若高电平，写入的位为1。连续写2位间的间隙应该大于1us。图8 温度写程序流程图读操作：当单片机将总线T0时刻从高电平拉至低电平时，总线只须保持低电平4us之后，在T1时刻后T2时刻前有效，T2距T0为15us，也就是说，T2时刻前主机必须完成读位，并在T0后的60-120us内
31、释放总线。温度读程序流程图如图8所示 图9 温度读程序流程图4.1.3 键扫描程序键盘扫描主要用于设置温度的上下限的温度报警值大小，图中以18-26度为例来说明键扫描程序流程，程序流程如图10所示。 图10 键扫描模块流程图4.1.4 报警子程序设计程序运行到声光报警子程序时，首先读取经过计算后的温度数据，并与存储的上下阀值电压进行比较，如果大于或小于阀值电压，在读取一次数据防止由于传感器数据抖动产生的误报警反生。如果确实数据异常启动声光报警，如果数据正常返回主程序继续执行，程序流程如图11所示。 图11 声光报警子程序流程图4.1.5 数码管显子流程图设计本设计中需要显示的参数有，实时温度数值和如果按键设置时，需要显示设置的发阀值，数码管的显示主要对段选和位选的控制，单片机通过对段选和位选送入不同的电平实现对段选和位选的控制。数码管程序设计首先需要进行初始化操作，然后送需要显示的信息到显示缓冲进行显示。程序流程图如图11所示：图12 数码管显示子程序流程图本章主要介绍
