基于单片机的温度控制系统的设计.docx
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基于单片机的温度控制系统的设计
编号:
毕业论文（设计）
题目基于单片机的温度控制系统的设计
指导教师
学生姓名
学号200811705059
专业机械设计制造及其自动化
教学单位德州学院机电工程系（盖章）
二0一二年五月十日
德州学院毕业论文（设计）开题报告书
2012年01月15日
院（系）
机电工程系
专业
机械设计制造及自动化
姓名
学号
200811705059
论文（设计）题目
基于单片机的温度控制系统的设计
一、选题目的和意义
温度是日常生活中无时不在的物理量，温度的控制在各个领域都有积极的意义。
很多行业中都有大量的用电加热设备，如用于热处理的加热炉，用于融化金属的电阻炉及各种不同用途的温度箱等。
用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便、简单、灵活性大等特点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量，单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较，由此作出判断是否启动继电器以开启设备，并且在设计中还加入常用的LCD液晶显示及常用电路，使得整个设计更加完善。
二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势
国内外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。
目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器精度和分辨率较低，温度控制效果不是很理想但价格很便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一套商品化的，性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。
单片机的体积小、性能价格比高、应用灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要额地位。
从工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等方面直至国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。
三、课题设计方案[主要说明：
研究（设计）的基本内容、观点及拟采取的研究途径和方法。
]
按照系统设计功能的要求，确定系统有6个模块组成：
电源模块、主控制器模块、温度传感器模块、报警电路模块、按键预置温度值电路模块及LCD显示模块。
根据系统的设计要求，温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的数字温度传感器DS18B20，选择单片机AT89S51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。
采用DS18B20温度传感器，省却了采样／保持电路、运放、数／模转换电路以及进行长距离传输时的串／并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本。
系统的总体设计思路是温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89S51单片机上，经过AT89S51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符LCD1602液晶模块。
四、计划进度安排[主要说明：
起止时间及分阶段的进度要求。
]
（1）2011年11月10日至2011年11月24日：
学生与指导教师双选，拟定设计论文题目：
学生根据情况选择指导教师，并经过指导老师同意确定。
指导教师与学生见面，学生根据自身的实际情况和今后的发展与指导教师商量后选定或自拟设计论文题目。
（2）2011年11月底至12月初设计论文题目论证：
与指导教师所出的参考设计论文题目进行分析、讨论，最后确定设计论文题目。
（3）2011年1月01日至2011年1月10日；查阅相关文献，撰写开题报告。
（4）2012年01月10日至2012年04月07日；资料搜索、调研及方案确定，进行毕业设计计算，绘制相关图纸，撰写论文初稿。
（5）2012年04月中旬；中期查询，对论文初稿进行检查、修改。
（6）2012年04月中旬至2012年05月中旬；完善设计，说明书和图纸修改。
（7）2012年05月中旬至2011年05月下旬；毕业设计论文答辩资格审查。
（8）2012年05月下旬至2012年06月初；毕业设计论文答辩。
五、主要参考文献
[1]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：
高等教育出版社2008
[2]DallasSemiconductor公司DS1820技术资料
[3]DALLASDS18B20数据手册[Z].
[4]陈慧双单片机电阻炉温度控制系统设计及仿真[J]制造业自动化2010第32卷第10期
[5]谭杰胡真瑞浅谈单片机温度控制系统[J]科技向导2011年第17期
[6]王梅红基于单片机的温度控制系统设计与仿真[J]四川兵工学报2012年第33卷第2期
[7]刘敏基于AT89S53单片机电阻炉温度控制系统设计[J]宁夏电子2008第4期
指导教师意见及建议：
签名：
年月日
教学单位领导小组审批意见：
组长签名：
年月日
德州学院毕业论文（设计）中期检查表
院（系）：
机电工程系专业：
机械设计制造及其自动化2012年4月18日
毕业论文（设计）题目：
基于单片机的温度控制系统的设计
学生姓名
学号
200811705059
指导教师
杨光军
职称
讲师
计划完成时间：
2012年5月5日
2011.11.3----2012.1.20确定毕业设计论文题目及撰写开题报告。
2012.1.21----2012.3.30查询相关材料、进行课题研究，在已完成研究的基础上撰写毕业设计，完成设计初稿。
2012.4.1----2012.4.15撰写毕业论文内容，并且完善设计。
2012.4.16----2012.4.30上交论文让老师审阅，根据指导教师提出的修改意见进行修改，并最终定稿。
2012.4.30----2012.5.6 将设计论文交于评阅教师进行评阅，根据评阅教师意见，进一步修改设计论文，准备答辩。
完成情况：
到现在为止，我通过查找资料学到了很多有单片机控温的技术资料，并且有了整体的设计方案，开始了本次课题设计的基于单片机的温度控制系统的设计。
开始绘制电路原理图。
现在论文所需资料已经基本齐全，毕业论文的初稿已经完成。
开始绘制电路原理图和编程工作。
指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页）
签名：
年月日
备注：
基于单片机的温度控制系统的设计
（德州学院机电系，山东德州253023）
摘要：
本设计以AT89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。
温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机，并且通过液晶1602实时显示温度。
该控制系统的包括：
温度检测电路、温度控制电路、液晶显示电路和一些接口电路。
单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。
软件设计部分在这里采用模块化结构，主要模块有：
液晶显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、超温报警程序。
关键词：
AT89S51单片机；DS18B20；温度芯片；温度控制；液晶
1系统的总体设计
1.1设计背景
随着社会的快速发展，科技的进一步加速，智能化测温已是现代温度控制发展的主流方向。
温度在我们日常生活中是无时不在的物理量，温度的控制问题在各个方向领域都有着积极的意义。
近年来，温度控制系统已应用到各个方面，但温度控制一直是一个未完全开发的领域，又是与人们息息相关的问题。
温度控制系统的主要要求是确保温度在一定规定的范围内变化，并要求其温度稳定性好且不震荡。
用单片机对温度进行控制不仅简单、方便、灵活性大，而且还可以很大程度的提高被控对象的技术指标，因而能够大幅度提高产品的质量。
用单片机将检测到的温度信号与输入的温度上限、温度下限进行比较，并作出判断是否启动继电器以开启加热制冷设备以控制温度，而且在设计中还加入常用的LCD液晶显示及常用电路，使得整个设计更加完善。
1.2系统总体设计方案简介
按照系统设计功能的要求，确定系统有6个模块组成：
电源模块、主控制器模块、温度传感器模块、报警电路模块、按键预置温度值电路模块及LCD显示模块[1]。
系统程序主要包括：
主程序、温度采集子程序、温度控制子程序、显示子程序、报警子程序。
根据系统的设计要求，温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的数字温度传感器DS18B20，选择单片机AT89S51为测控系统的控制芯片来完成数据的采集、处理、显示、报警等功能。
采用DS18B20数字温度传感器，省却了采样、保持电路，运放，数、模转换电路以及进行长距离传输时的串、并转换电路，简化了电路，缩短了制作时间，降低了系统的硬件成本。
系统的总体设计思路如下：
温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89S51单片机上，经过AT89S51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符LCD1602液晶模块。
检测范围5摄氏度到60摄氏度。
本系统除了显示温度以外还可以设置一个温度值，对所测温度进行监控，当温度高于或低于设定温度时，开始报警并启动相应程序（温度高于设定温度时，风扇开；当温度低于设定温度时，加热器开）。
系统框图如图1：
图1系统框图
2系统各模块方案论证与选择
2.1主控制器模块
方案一：
采用DSP作为系统控制器。
DSP（digitalsignalprocessor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。
DSP具有对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小，容易实现集成，可分时复用，共享处理器，方便调整处理器的系数实现自适应，可用于频率非常低的信号等优点。
但DSP硬件电路比较复杂，且价格昂贵，数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。
方案二：
采用单片机作为系统控制器。
单片机具有可靠性强、性价比搞、电压低、功耗低等优点得到迅猛发展和大范围推广，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种逻辑功能，本身带有定时器、计数器，可以用来定时和计数，并且其功耗低，体积小，计数成熟和成本低等优点。
其代表为AT89S51。
基于以上分析，拟定方案二，用AT89S51单片机作为控制器[2]。
2.2温度模块
（1）温度采集单元
方案一：
采用模拟集成温度传感器
模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
典型代表是AD590。
AD590是温度-电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。
但需要放大电路和A/D转换电路，电路设计较为繁琐。
由于AD590的增益有偏差，因此应对采集电路进行调整，增加设计难度。
方案二：
采用数字单片智能温度传感器
数字温度传感器包含A/D转换器、温度传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路等模块。
其典型产品有DS18B20。
DS18B20是美国DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，其温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式并以串行形式输出，其工作电源既可采用寄生电源方式产生，也可在远端引入，多个DS18B20还可以并联到3、2根线上，CPU只需一根端口线就能与许多DS18B20通信，占用CPU的端口较少，并且制作简单，外接电路简单。
比较以上方案，由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便与AD590相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20[3]。
（2）温度控制单元
方案一：
采用可控硅来控制加热器有效功率，可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式，但是该方案电路设计复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。
方案二：
采用继电器控制。
使用继电器可以很容易地实现通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。
继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。
这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。
但可以由多路加热丝组成功率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能。
基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，简单易行，可实现性强。
2.3显示模块
方案一：
采用传统的七段数码LED显示器。
LED虽然价格便宜，但在现代的许多仪表、各种电子产品中逐渐被LCD所取代。
方案二：
采用LCD液晶屏进行显示。
LCD液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要2～3伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线，比传统的数码LED显示器显示的界面有了质的提高。
在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。
虽然LCD显示器的价格比数码管要贵，但它的显示效果好，是当今显示器的主流，所以采用LCD作为显示器。
3系统的硬件及各模块电路设计
3.1中央处理器
中央微处理器AT89S51：
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：
40个引脚，4KBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级并且2层中断嵌套，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路以及片内时钟振荡器[4]。
3.1.1AT89S51引脚简单介绍
图2AT89S51引脚图
40个引脚按其功能可分为如下3类：
电源及时钟引脚——VCC、VSS、XTAL1、XTAL2。
控制引脚——PSEN、ALE/PROG、EA/VPP、RST。
I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。
3.1.2时钟电路与复位电路
AT89S51单片机各功能部件的运行都以时钟信号为准，有条不紊、一拍一拍地工作。
因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
其时钟电路原理图如图3所示[5]。
图3时钟电路原理图
复位是单片机的初始化操作，只需给AT89S51的复位引脚RST加上大雨2个机器周期（即24个时钟震荡周期）的高电平就可使AT89S51复位。
复位电路通常采用上自动复位和按钮复位两种方式。
上电复位是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，次信号随着VCC对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间。
因此为保证系统能可靠地复位，EST引脚上的高电平必须维持足够长的时间。
其复位电路原理图如图4所示。
图4复位电路原理图
3.1.3单片机最小系统电路图
51系列单片机最小系统包括三部分：
电源、复位电路和晶振电路。
其最小系统电路图如下图5所示。
图5最小系统原理图
3.2DS18B20的简介及其与单片机接口电路设计
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，它能直接读出被测温。
DS18B20是DALLAS公司继DS1820后推出的一种改进型智能数字温度传感器，性价比非常好，只需要一根线就能直接读出被测温度，并可根据实际需求编程实现9～12位数字值的读数方式[6]。
3.2.1DS18B20的引脚功能
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
接地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择为VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
表1DS18B20芯片的引脚功能图
3.2.2DS18B20的内部结构
温度传感器DS18B20的内部结构如下图6所示，主要包括：
64位ROM、温度传感器、高速缓存器及配置寄存器等部分组成。
图6DS18B20的内部结构
3.2.3DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理如下图7所示,
图7DS18B20测温原理
DS18B20主要由一下几部分组成：
温度系数振荡器、减法计数器、斜率累加器、温度寄存器。
温度系数振荡器用于产生减法计数脉冲信号，低温度系数振荡器受温度的影响度很小，所以用于产生固定频率的脉冲信号，此信号送给减法计数器1，高温度系数振荡器随温度变化其振荡频率的改变而改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的欲置值。
减法计数器对脉冲信号进行减法计数。
温度寄存器存放转化后的温度数值。
DS18B20的测温原理：
减法计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将会自动加1。
减法计数器1的预置将被重新装入，减法计数器1将重新开始对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行计数，循环一直到减法计数器2减到0为止,温度寄存器值的将停止累加。
这时温度寄存器中的数值即为所测的温度[7]。
3.2.4DS18B20与单片机的接口设计及工作时序
图8DS18B20与单片机的接口电路
由DS18B20的通讯协议可知，其温度转换包括以下三个步骤[8]：
1.每次读写前都必须要进行复位；
2.复位成功后必须发送一条ROM指令；
3.最后发送RAM指令，才可以对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待15～60微秒左右后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
工作时序包括以下几个步骤：
初始化时序、写时序和读时序，其是时序图如图9。
（1）初始化时序图
图9初始化时序
总线上的所有操作都是从初始化后开始的，主机响应应答脉冲。
应答脉冲使主机知道总线上有从机设备并且从机设备准备就绪。
主机会输出低电平并保持时间480微秒以上，从而产生复位信号。
接着主机将会释放掉总线，4.7KΩ上拉电阻会将总线拉高并延时15～60微秒，此时主机进入接受模式，以产生低电平应答脉冲，此低电平要延时480微秒。
（2）写时序图
图10写时序
写时序包括写0和写1时序。
所有写时序至少需要60微秒，而且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间，并且都是以总线拉低开始的。
写1时序，主机会输出低电平，并延时2微秒，然后释放总线，再延时60微秒。
写0时序，主机会输出低电平，并延时60微秒，然后再释放掉总线并延时2微秒。
（3）读时序图
图11读时序
主机发出读时序时，从机才向主机传输数据，所以在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。
所有读时序至少需要60微秒，并且在2次独立的读时序之间至少需要1微秒的恢复时间。
每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1微秒。
主机在读时序期间必须保持总线释放，并且在时序起始后的15微秒之内采样总线状态。
主机输出低电平延时2微秒，然后主机转入输入模式并延时12微秒，然后读取总线当前电平，最后再延时50微秒[8]。
3.3LCD显示模块及其与单片机的接口电路
3.3.11602字符型LCD简介及引脚功能说明
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
1602基本参数为显示容量:
16×2个字符、芯片工作电压:
4.5—5.5V、工作电流:
2.0mA（5.0V）、模块最佳工作电压:
5.0V、字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm。
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下表2所示[8]。
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接地电源时对比度最高，接正电源时对比度最弱（使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
低4位三态、双向数据总线0位（最低位）。
8
DB1
低4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
低4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
低4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
低4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
低4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
低4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
表2LCD1602的引脚功能图
3.3.21602LCD的指令说明及时序
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3所示[9]：
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
确定输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
控制显示开/关
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
确定字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
确定数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到DDRAM或CGRAM
1
0
要写的数据的内容
11
从DDRAM或CGRAM读数据
1
1
要读的数据的内容
表3LCD1602控制命令表
3.3.31602LCD与单片机的接口电路
图12LCD1602与单片机的接口电路图
3.4电源、按键、报警、温度控制模块
（1）电源
图13系统电源电路图
（2）按键电路
图14按键电路图
（3）报警电路
图15报警电路
（4）温度控制电路
图16温度加热控制电路
图17温度制冷控制电路
（5）系统整体电路
图18系统整体电路
4系统软件设计
4.1系统主程序的设计
系统的软件主要是采用C语言，对单片机进行变成实现各项功能。
主程序对模块进行初始化，而后调用读温度、处理温度、显示、键盘等模块。
用的是循环查询方式，来显示和控制温度，主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值并负责调用各子程序[10]。
控制算法在主程序中实现，软件总体结
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