基于单片机的水温控制设计doc.docx
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基于单片机的水温控制设计doc
本科生毕业设计
---------基于单片机的水温控制设计
题目
学生姓名
学号
指导教师
专业
班级
目录
摘要
关键词
Abstract
Kewword
第一章绪论
1.1选题背景
1.2选题的现实意义
第二章系统方案设计
2.1方案的选择
2.1.1热膨胀式温度计
2.12电阻温度低
2.1.3热电偶
2.1.4辐射式测温仪表
2.2总体方案设计
2.3水温控制系统完成的功能
第三章系统硬件电路系统设计
3.1DS18B20与单片机接口设计
3.2主板电路设计
3.3各部分电路
3.31显示电路
3.3.2单片机最小系统电路图
3.3.3DS18B20温度传感器电路
3.3.4继电器电路
3.3.5晶振控制电路
3.3.6复位电路
3.4主要硬器件介绍
3.4.1DS18B20简介
3.4.2AT89C51单片机简介
3.4.3LED数码显示管简介
第四张系统软件设计
4.1系统软件设计的总体思想
4.2系统程序流程图
4.2.1主程序
4.2.2读出温度子程序
4.2.3系统总的流程图
第五章结果分析与展望
参考文献
致谢
附录
摘要
基于单片机水温控制系统
目前的水温控制系统大多数采用由模拟传感器·多路模拟开关·A/D转换器及单片机等组成的传输系统，这种系统需要布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和差些复杂，成本也高。
同时线路上传送的事模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化作出及时决定。
在这样的形式下，开发一种实时性高·精度高·能够综合处理多点信息的系统就很有必要。
水温控制在工业和日常生活中应用广泛，分类较多，不同水温控制系统的控制方法也不尽相同，其中以PID控制阀最为常见。
本设计主要介绍基于单片机的水温控制系统的相关理论和实践进行研究。
设计了一种用DS18B20温度传感器和AT89S52单片机为核心系统的水温控制系统，给出了该设计详细的原理说明和具体的设计电路详细叙述了系统的硬件电路的设计要点和结构及软件的设计要点，同时给出了各个重要子程序的流程图。
该水温控制系统能够对水温进行实时监测与控制，通过LRD显示水温的状态，四个数码管显示温度。
关键词：
单片机AT89S52DS18B20水温控制
Summary
Watertemperaturecontrolsystembasedonsinglechip
Mostofthecurrentwatertemperaturecontrolsystemusedbytheanalogsensor•AnalogMultiplexers•A/Dconverterandtransmissionsystemcomposedofsinglechip,thissystemrequiresalargenumberoftemperaturemeasurementarrangementofcables,thesensorsignalscanbesenttothesceneacquisitioncard,installationandbadlycomplex,thecostishigh.Transmissionlinesalsodoanalogsignal,vulnerabletointerferenceandloss,measurementerrorisrelativelylarge,isnotconducivetothecontrollertomaketimelydecisionsunderthetemperaturechange.Inthisform,todevelopareal-timehigh•highaccuracy•Abilitytodealwithmorecomprehensiveinformationsystemwillbenecessary.Temperaturecontroliswidelyusedinindustryanddailylife,classifyingmorecontrolofwatertemperaturecontrolsystemadifferentapproach,inwhichthemostcommonPIDcontrolvalves.
ThisdesignintroducestheTemperatureControlSystemBasedonrelevanttheoreticalandpracticalresearch.DesignofatemperaturesensorandwithDS18B20AT89S52MCUasthecoresystemoftemperaturecontrolsystem,givesdetailsofthedesignprincipleofthecircuitdescriptionandthespecificdesignofthesystemdescribedindetailthedesignofhardwarecircuitelementsandthestructureandsoftwaredesignelementsWealsopresentaflowchartofalltheimportantsubroutines.Thetemperaturecontrolsystemcapableofreal-timemonitoringandcontrolofwatertemperature,watertemperaturethroughtheLRDshowsthestatusoffourdigitaldisplaytemperature.
Keywords:
MCUAT89S52DS18B20temperaturecontrol
第一章绪论
1.1选题背景
随着电子技术的迅速发展，计算机已深入地渗透到我们的生活中，已经出现了能满足各种不同需求，具有各种特殊功能的单片机，这种单片机具有集成度高，性能价格比优越，货源充足等优点，在工业测量领域内获得了极为广泛的应用价值。
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的关系。
在冶金，钢铁，石化，水泥，玻璃，医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都得考虑着温度的因素。
水温控制在生产中与日常生活中都发挥着重要的作用，如一些现代化车间里，生产特殊要求产品加工需要在一定的温度下才能进行，水产养殖中，也要对水的温度惊醒严格的控制，才能确保达到最好的效果，在家具生活中，我们同样离不开水温的控制，如电热水器，自动饮水机等，都要用到水温控制系统。
温度控制是许多企业常见的控制装置，如机械行业的零件处理，塑料制品的注塑机上，粉末冶金行业烧结炉·还原炉等都有温度控制问题，尤其以热处理加热炉的温度控制最为典型。
热处理加热炉是工厂热处理和高校热处理实验广泛使用的加热设备。
现在所使用的炉温控制方法很多仍旧是陈旧的动圈式两位指示调节仪。
这种炉温控制方法温度波动范围大，保温时间考人工计时，加热速度不能控制，温度不能全程动态跟踪显示。
这样的控制和显示方式不能满足日益发展的工业需求。
高校的发展同样要求现代化手段提升现有的试验设备，为学生提供更多更好更现代化的实验条件。
因此，我们就学校热处理实验用电阻加热炉进行现代化改革，将PC机强大软硬件资源，友好的人机界面和80C196单片机优秀的实时控制功能，灵活的编程能力有机的结合起来，开发出热处理微机控制系统实现温度控制的自动化
1.选题的现实意义
随着单片机和传感技术的迅速发展，自动温度控制领域发生了巨大的变化，无论是在工业生产过程中，还是日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或者过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费，特别是在当前水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好的利用起来。
在现在冶金·石油·化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。
在环境恶劣或者温度较高等场合下，为了保证生产过程的安全进行，设计一种经济实惠又符合我国使用的水温控制系统势在必行。
现代的电子产品超密集型发展，而电子产品的温度特性普遍较差，这就对温度的自动控制提出了新的要求，数字化单线技术是利用DALLAS公司生产的新型器件实现的。
它将系统的地址线·数据线·控制线合为一根导线，允许在这个导线上挂接数百个控制对象，形成多点单总线测控系统。
采用单线总线协议后，可在监测点将模拟信号数字化。
这样，在单线总线上传输的就是数字信号。
若采用国外进口的温度检测于自控系统，虽然其性能较好，结合国情，其价格相当昂贵，因语言问题，难以大范围的推广，在针对以上问题出现的情况下，我们设计出一个温度传感器，配合单片机计算系统，从软件的编制上实现对外围硬件的控制，最终实现对水温的自动控制。
在硬件的设计上，所有元件都采用通用型器件，舍得设计出来的产品生产及维修都相当方便，可以有效的降低成本，同时另外一点就是能用软件实现的功能尽量选择软件进行操作，更加突出了产品的简单性和可靠性，因此，我们设计的方法是一个值得推广的方法
第二章系统方案设计
2.1方案的选择
为了使设计具有高可靠性，与实际运用的紧密结合性，从经济，实用的角度出发，我对水温控制系统进行精心的设计，在设计的过程中，我们综合多方面的知识进行分析，对于本系统的设计，其他控制部分的电路基本相同，主要不同的是对温度传感器的选用，下面就各种不同的传感器构成的温度自动控制系统进行分析与对比。
2.1.1热膨胀是温度计
该温度计是利用膨胀法来测量温度的一种仪表。
膨胀时温度计按选择的物质不同可分为液体膨胀式温度计，气体膨胀式温度计和固体膨胀式温度计三大类。
对于液体膨胀式温度计，根据填充的液体不同又可分为水银温度计和有机液体温度计。
固体膨胀是温度计，按结构又可分为双金属温度计和杆式温度计两种。
膨胀式温度计可以用作标准仪器，广泛用于测量设备，管道和容器的温度，在医疗卫生和食品工业中也得到广泛的应用。
膨胀式温度计具有结构简单，使用和制造方便，价格便宜以及精度高等优点。
缺点：
不便于远距离测温（压力式温度计除外），结构脆弱，易坏。
2.1.2电阻温度计
热电阻是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而变化的特性来测量温度的一种感温元件。
使用热电阻作感温元件的温度计常称为电阻温度计。
常用的热电阻有：
铜电阻，铂热电阻和钛电阻。
热电阻必须与二次仪表配合使用才能指示出被测介质的温度。
热电阻的热温原理是基于金属导体的电阻值随温度的变化而变化的特性，再用显示仪表测出热电阻的电阻值从而得出与电阻值相应的温度值。
这种测温的方法已经广泛应用于工业生产和民用生活中，在此基础上，人们还将热敏电阻与信号放大，模数转换集成在一块芯片上，开发了集成温度传感器，使得设计出来的温度自动控制系统既简单可靠，性能又高，因此在业内运用极广。
优点：
电阻温度计具有测量精度高，性能稳定，灵敏度高，应用范围广，可鱼啊努力测温，便于微机实时处理，并能实现温度自动控制和记录。
2.1.3热电偶
热电偶是用两种不同成分的导体焊接在一起，两端温度不同时，在回路中就毁有热电势产生，因此热电偶是通过测量热电势从而测量温度的一种感温元件，它是一种变化器，它能将温度信号转变为电信号在有显示仪表显示出来。
热电偶测量温度的基本原理是热电效应，它是热电效应理论的具体应用之一，在温度的测量中得到了广泛的应用。
优点：
测量精度高，结构简单，动态响应快，可做远距离测量测量范围广。
2.1.4辐射式测温仪表
辐射式测温仪表是指依据物体辐射的能量来测量其温度的仪表。
它属于非接触式测量仪表，具有测量温度高，反应迅速，热惰性小等优点。
该仪表适用于具有腐蚀性的高纯的物体以及运动状态物体的测温。
在热处理行业中常用来测量高温盐炉，油路和煤气炉的温度，由于它的感温部分不予测量介质直接接触，因此，其测量精度不如热电偶温度计高，测量误差较大，其测量范围一般在400℃---3200℃。
这类仪表有全辐射高温度计，单辐射高温度计和闭塞温度计三种。
而本次设计主要草考电阻温度计的原理，但针对其在温度信号采集时容易产生误差大这个缺点对温度采集电路进行改进。
2.2总体设计方案
本系统的电路设计方框图如图2-1所示，它由三部分组成：
①控制部分主芯片采用单片机AT89C51；②显示部分采用4位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示；③温度采集部分采用DS18B20温度传感器。
1.控制部分
单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用，系统应用三节电池供电。
2.显示部分
显示电路采用4为供养LED数码管，从P0口送数，P2口扫描。
3.温度采集部分
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型只能温度传感器与传统的热敏电阻测温元件相比，它能直接读出被测温度。
这以部分主要完成对温度信号的采集和转换工作，由DS18B20数字温度传感器及其但便宜的借口部分组成。
数字温度传感器DS18B20吧采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.7口，单片机几首温度兵存储。
此部分只用到DS18B20和单片机，硬件很简单。
该系统主要由以下子系统构成：
中央控制处理器AT89C52组成的主机系统；环境数据采集系统等。
主要的系统电路有：
电源电路，单片机最小系统电路，温度传感器电路，输出加热冷却LED指示电路等。
在下一节有明确介绍。
该水温自动控制系统的主要特点有：
（1）产品的互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单易懂，体积小。
（2）该系统能用软件的方式控制硬件，所有用软件式设计的系统向硬件系统的转换时由有关开发软件自动完成的，易操作。
（3）可以从以前德组合设计转向真正的自由设计，所以设计的一致性很好，效率高，可适合大规模的现场制作。
2.3水温控制系统完成的功能
本设计是对水的温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：
当温度低于设定下限温度是，系统自动开启绿色LED表示需要加温，是温度上升。
当温度上升到下限温度以上时，系统自动关闭绿色LED表示水温正常；当温度高于设定上限温度时，系统自动开启红色LED表示需要降温，使温度下降。
当温度下降到上限温度以下是，关闭红色LED表示停止降温。
四个数码管即时显示温度，精确到个位。
第三章系统一件电路设计
3.1DS18B20与单片机接口设计
DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。
另一种是寄生电源供电式，如图3-1所示单片机端口接单线总线，为保证有效的DS18B20始终周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。
此次设计采用的事电源供电方式，P1.7口皆电线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供组都的电流，可以用一个MOSFET管和89C51的P1.7来完成对总线的上拉。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上不许有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。
采用计生电源供电方式是V和GND端均接地。
由于单线制只有一根线，英雌发送接收口必须是三状态的。
主机控制DS18B20完成温度装换必须经过三个步骤：
1.初始化；
2.ROM操作指令；
3.存储器操作指令。
3.2主板电路设计
单片机的P1.7接DS18B20的2号引脚，P0口送数P2口扫描，P1.1,P1.2控制加热和冷却指示灯。
相见附录一
3.3各部分电路
3.3.1显示电路
显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序的编写。
如图3-2所示。
3.3.2单片机最小系统电路图
单片机引脚电路如图3-3所示，这是AT89C51单片机的芯片引脚电路图，上面的各个口引脚和其他各部分的引脚相对应。
3.3.3DS18B20温度传感器电路
DS18B20温度传感器电路如图3-4所示，温度传感器DS18B20直接介于单片机的P1.7口。
3.3.4继电器电路
继电器电路如图3-5所示，途中P1.0引脚控制加热，P1.1引脚控制制冷。
给P1.1低电平，当温度小于40℃时由红灯会亮表示需要加热；同样给P1.1低电平，当温度大鱼90℃时绿灯亮需要降温。
3.3.5晶振控制电路
经侦控制电路如图3-6所示，这边的2条线路直接接于单片机的第18.19两个引脚上。
3.3.6复位电路
复位电路如图3-7所示
3.4主要硬器件介绍
3.4.1DS18B20简介
一.DS18B20的性能特点：
1.独特的单线借口仅需要一个端口引脚进行通信；
2.多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；
3.无需外部器件；
4.可以通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V；
5.零待机功耗；
6.温度以3位数字显示；
7.用花可以定义报警设置；
8.报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的期间；
9.负电荷特性，电源机型接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
二.DS18B20的外部结构
DS18B20采用PR-35封装，如图3-8所示
三.DS18B20内部结构主要由三部分组成：
1.64位光刻ROM。
开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是钱56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
64位膳宿ROM的结构如下：
2.非挥发的温度报警触发器TH和TL，可以通过软件写入用户报警上下限值。
3.高速暂存存储，可以设置DS18B20温度转换的精度。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EPRAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3-9所示。
头2个字节包括测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL得拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第五个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作室寄存器中的分辨率转换为相应的温度数值第5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
四.DS18B20的测温原理
每一篇DS18B20在其ROM中都存有其唯一的40位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。
主机在进入操作程序前必须用读ROM（33H）命令将该DS18B20的序列号读出。
程序可以先跳过ROM，启动所有DS18B20进行温度交换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个DS18B20的温度数据。
DS18B20的测温原理如图3-10所示，图中低温洗漱晶振的震荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变。
所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。
计数门的开启时间有高温洗漱振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入剑法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃的所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行剑法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入。
减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环知道减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值得累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3-10中的斜率加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正剑法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到北侧温度值，这就是DS18B20的岑文原理。
另外，由于DS18B20单线痛惜功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。
操作协议为：
初始化FS18B20（发抚慰脉冲）→发ROM功能命令→发存储及操作命令→处理数据。
3.4.2AT89C51单片机简介
AT89C51是一种大4K字节闪烁可编程可擦除制度存储器（FPEROM-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可反复擦除100次。
该器件可采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管教相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高线微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
在系统可编程（In-SystemProgramming,ISP）功能的发明者是Lattice公司，ISP计数吉大的促进了可编程逻辑器件产品的发展。
在系统可编程，值电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的期间可以用ISP方式擦除或再编程。
ISP计数是未来发展方向。
它的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，挑食结束即成成品，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便，吉大的加快了产品的开发和升级。
ISP的视线相对简单一些，一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写。
对于单片机来讲可以通过SPI或其他的唇形借口接收上位机传来的数据并写入存储器中。
所以即使我们将芯片焊接在电路板上，只要留出和上位机接口的这个串口，就可以实现芯片内部存储器的改写，而无须再取下芯片。
其主要特性如下：
1.与MCS-51兼容
2.4K字节可编程闪烁存储器，寿命：
1000写/擦循环，数据保留时间：
10年
3.全静态工作：
0Hz-24Hz
4.三级程序存储器锁定
5.128*8位内部RAM
6.32可编程I/O线
7.两个16位定时器/计数器
8.5个中断源
9.可编程串行通道
10.低功耗的闲置和掉电模式
11.片内振荡器和时钟电路
3.4.3LED数码显示管简介
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
①动态显示却东：
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有哦数码管的8个显示壁画“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管
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