基于单片机温度控制系统设计.docx

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基于单片机温度控制系统设计

摘要

近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

本文从硬件和软件两方面来讲述水温自动控制过程,在控制过程中主要应用AT89C51、ADC0809、LED显示器、LM324比较器，而主要是通过DS18B20数字温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过四位数码管显示实时温度的一种数字温度计。

软件方面采用汇编语言来进行程序设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。

为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。

而系统的过程则是：

首先,通过设置按键,设定恒温运行时的温度值，并且用数码管显示这个温度值.然后,在运行过程中将采样的温度模拟量送入A/D转换器中进行模拟-数字转换，再将转换后的数字量用数码管进行显示，最后用单片机来控制加热器,进行加热或停止加热，直到能在规定的温度下恒温加热。

关键词：

单片机系统；传感器；数据采集；模数转换器；温度

Abstract

Inrecentyears,withthecomputerpenetrationinthesocialfield,theapplicationofSCMistokeepatthesametime,traditionalcontroltestingupdateonCrescentbenefits.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolsystemofsingle-chipapplications,oftenasasingle-chipcorecomponenttouseonlysingle-chipisnotenoughknowledge,butalsothespecifichardwarestructureandthespecificfeaturesofapplicationsoftwareobjectscombinetomakeperfect.

Inthispaper,bothhardwareandsoftwareforautomaticcontrolofwatertemperatureontheprocess,inthecontrolofthemainapplicationoftheprocessofAT89C51,ADC0809,LEDdisplay,LM324comparator,butmainlythroughthedigitaltemperaturesensorDS18B20collectingambienttemperaturetosingle-chipmicrocomputerasthecorecontrolcomponents,andthroughfourreal-timedigitaldisplayofadigitalthermometertemperature.Softwareusingassemblylanguageforprogramming,sothattheimplementationofDirectivespeed,tosavestoragespace.Inordertofacilitatetheexpansionandchangestothedesignofmodularsoftwarestructure,sothatthelogicoftherelationshipbetweenprogramdesignmoreconcise,Hardwaresoftwareco-operationunderthecontrolofit.

Andsystematicprocessis:

Firstofall,bysettingthebutton,setthethermostattemperatureatthetimeofoperation,anddigitaldisplayofthetemperature.Then,intherunningtemperatureoftheprocessofsamplinganalogintotheA/Dconverterinthesimulation-digitalconverter,andthenconverteddigitalcontrolwithdigitaldisplay,thelastsingle-chipmicrocomputertocontroltheheaterusedforheatingorstopheatinguntilthetemperatureintheprovisionsundertheconstanttemperatureheating.

Keywords：

Single-chipmicrocomputersystem；Sensor；DataAcquisition；ADC；Temperature

目录

第1章绪论1

1.1课题的背景及其意义1

1.2课题研究的内容及要求2

1.3课题的研究方案3

第2章设计理论基础6

2.1单片机的发展概况6

2.2AT89C51系列单片机介绍7

2.2.1AT89C51系列基本组成及特性7

2.2.2AT89C51系列引脚功能8

2.2.3AT89C51系列单片机的功能单元11

2.3ADC0809模数转换器14

2.4运算放大器LM32416

2.5移位寄存器74LS16418

2.6数码显示管LED19

2.7数字温度计DS18S2020

第3章硬件电路设计21

3.1单片机控制单元21

3.2温度采样部分21

3.3模数转换部分23

3.3.1模数转换技术23

3.3.2积分型模数转换器24

3.4显示部分24

3.5调节执行单元25

第4章软件设计28

4.1主程序流程图28

4.2中断子程序流程图29

4.3按键流程图30

4.4显示流程图31

第5章系统调试及结论分析32

5.1硬件调试32

5.1.1硬件电路故障及解决方法32

5.1.2硬件调试方法33

5.2软件调试33

5.2.1软件电路故障及解决方法33

5.2.2软件调试方法34

5.3结论分析35

第6章总结与展望36

6.1总结36

6.2展望37

参考文献38

致谢39

附录40

1．系统总程序清单40

2．系统的原理图49

3．外文资料原文50

4．外文资料译文54

第1章绪论

1.1课题的背景及其意义

二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术、微型单片机技术的应用更是空前广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，需要对各种参数进行温度测量。

因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语，同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。

如在日趋发达的工业之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。

在农业中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。

温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。

温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。

由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。

而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。

在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。

因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。

在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。

但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。

1.2课题研究的内容及要求

我本次的毕业设计的题目是单片机水温控制系统设计。

它是多种技术知识的结合，不仅涉及到软件的设计，而且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合，使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点。

电路板的设计技术和机械加工工艺的巧妙结合，使其具备了显示直观、体积做工精细等特点，能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础。

因为经过我们调查发现许多应用场合原来就有测温控温仪器，只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高，以往的那些测温控温的仪器根本不能满足现在的要求。

其中，有部分应用场合对精度提高的幅度要求也不是特别高。

因此，为了提高性价比，我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良，以此为出发点，主要阐述的是水温自动控制系统的一种实现方法。

1．课题的主要研究的内容

本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。

水箱水温控制部分，提出了用DS18S20、AT89C51单片机及LED的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。

而炉内温度控制部分，采用一套PID闭环负反馈控制系统，由DS18S20检测炉内温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在LED中显示。

控制器是用89C51单片机，用PID算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。

它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS18S20都有唯一的产品号，可以一并存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。

从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS18S20供电，而且不需要额外电源。

同时DS18S20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。

而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。

而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。

2．用单片机实现其具体控制功能如下：

（1）能够连续测量水的温度值，用十进制数码管来显示水的实际温度。

（2）能够设定水的温度值，设定范围是30℃～90℃。

（3）能够实现水温的自动控制，如果设定水温为85℃，则能使水温保持恒定在85℃的温度下运行。

（4）用单片机AT89C51控制，通过按键来控制水温的设定值，数值采用数码管显示。

1.3课题的研究方案

温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。

温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。

温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。

对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式：

（1-1）

1．方案一（见图1-1）

图1-1方案一的图

此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。

其特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静态差大、不稳定。

系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，不能用数码管显示，不能用键盘设定。

2．方案二（见图1-2）

图1-2方案二的图

此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，但由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。

这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码管显示，对键盘进行设定。

3．方案三（见图1-3）

图1-3方案三的图

此方案采用89C51单片机系统来实现。

单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。

单片机系统可以用数码管来显示水温的实际值，能用键盘输入设定值。

本方案选用了AT89C51芯片，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。

结论：

前两种方案是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂的控制规律，控制方案的修改也较为繁琐。

而方案三是采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。

也使得系统所测得结果的精度大大提高。

所以，经过对三种方案的比较，本次毕业设计采用了方案三。