基于单片机的温度控制系统.docx
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基于单片机的温度控制系统
本科毕业设计说明书
基于单片机的温度控制系统
THETEMPRETURECONTROLSYSTEMBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTER
学院（部）：
电气与信息工程学院
专业班级：
电气工程及其自动化
学生姓名：
指导教师：
2013年05月25日
基于单片机的温度控制系统
摘要
本设计以AT89C51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。
文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：
温度检测电路、温度控制电路、PC机与单片机串口通讯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。
文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：
数码管显示程序、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。
该控制系统可以实时存储相关的温度数据并记录当前的时间。
系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，计算温度子程序、按键处理程序、LCD显示程序以及数据存储程序等。
关键词：
AT89C51，单片机，DS18B20温度芯片，温度控制
THETEMPRETURECONTROLSYSTEMBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTER
ABSTRACT
Theat89c51monolithicintegratedcircuitistakeascoretemperaturecontrolsystem'sprincipleofworkanddesignmethod.ThetemperaturesignalbythetemperaturechipDS18B20gathering,andtransmitsbydigitalsignal'swayforthemonolithicintegratedcircuit.Thecontrolsystem'shardwarepartisintroduced.Including:
Temperature,examination,electric,circuit,temperature-controlcircuit,PCmachineandmonolithicintegratedcircuitserialportcommunicationchannelandsomeinterfacecircuit.Themonolithicintegratedcircuitthroughcarriesoncorrespondingprocessingtothesignal,thusrealizesthetemperaturecontrolgoal.Inthearticlealsoemphaticallyintroducedthesoftwaredesignpart,usesthemodularstructureinhere,themainmoduleincludes:
Nixietubedisplaysequence,keyboardscanningandpressedkeydisposalprocedure,temperaturesignalprocessingprocedure,black-whitecontrolprocedure,excesstemperaturewarningprocedure.
KEYWORDS：
AT89C51monolithicintegratedcircuit，DS1820temperaturechip，temperaturecontrol，serialportcommunication
目录
摘要（中文）I
摘要（英文）II
1绪论1
1.1中外温度控制系统的发展状况1
1.1.1国外温度测控系统研究1
1.1.2国内温度测控系统研究1
1.2温度控制系统研究意义1
1.3温度控制系统的实现方法4
2方案设计6
2.1系统工作原理6
2.2各模块设计6
2.2.1温度传感器电路6
2.2.2通用键盘显示电路设计8
2.2.3温度控制及超温报警电路9
2.2.4数模转换模块设计11
2.2.5数据存储器扩展模块12
3硬件介绍14
3.1AT89C51单片机简介14
3.1.1主要特性14
3.1.2管脚说明15
3.1.3振荡器特性16
3.1.4芯片擦除16
3.28279芯片简介17
3.2.1引脚介绍17
3.2.28279的编程方法19
3.2.38279的操作21
3.2.48279编程举例23
3.362256芯片简介25
3.3.162256引脚功能25
3.3.262256引脚图26
3.474LS373简介27
3.5DS1820简介27
3.5.1DS18B20的内部结构28
3.5.2DS18B20温度传感器的存储器28
3.5.3DS1820使用中注意事项29
4软件设计31
4.1程序结构分析31
4.2子程序设计34
4.2.1读出温度子程序34
4.2.2 LED数码显示管程序35
4.2.3键盘扫描及按键处理子程序36
5结束语37
参考文献39
致谢40
1绪论
1.1中外温度控制系统的发展状况
1.1.1国外温度测控系统研究
国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。
先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。
80年代末出现了分布式控制系统。
目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
1.1.2国内温度测控系统研究
我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。
我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。
我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。
在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。
我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。
国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。
成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。
1.2温度控制系统研究意义
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。
现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。
随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。
因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。
电子技术的飞速发展，给人类的生活带来了根本的的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机，更是将人类社会带入了一个新的时代。
利用微机的强大功能。
人们可以完成各种各样的控制。
然而，微机造价高，对于大多数的工业控制来说，也并不需要微机那样强大的功能，于是单片机就运用而生了。
单片机其实就是一个简化的微机，将微机的CPU，存储器，I/O接口。
定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机了，它主要用来完成各种控制功能。
相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单的控制场合以降低成本。
另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可在工业现场复杂的环境下运行。
单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业控制，数据采集，智能化仪表，家用电器等方面得到极为广泛的应用。
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。
温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度湿度的检测与控制。
并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注。
而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度湿度的检测及控制就非常有必要了。
随着科技的飞速发展和普及，高性能设备越来越多，各行各业对温湿度的要求也越来越高。
传统的温湿度检测模式是以人为基础，依靠人工轮流值班，人工巡回查看等方式来测量和记录环境状况信息。
在这种模式下，不仅效率低不利于人才资源的充分利用，而且缺乏科学性，许多重大事故都是由人为因素造成的，人工维护缺乏完整的管理系统。
而问世监控系统就可以解决这样人才资源浪费，管理不及时的问题，这是由于它的智能化设计所决定的。
故本次设计对于类似项目还具有普遍意义。
8051单片机是常用于控制的芯片，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度控制系统的实力也很多。
使用8051单片机能够实现温湿度全程的自动控制，而且8051单片机易于学习掌握，性价比高。
使用8051型单片机设计温湿度控制系统，可以即时精确的反应温室内的温度以及适度的变化。
完成诸如升温到特定的温度、降温到特定的温度。
在温度上下限范围内保持恒温等多种控制方式，在湿度控制方面也是如此。
将此系统应用到温室当中无疑为植被生长提供了更加适宜的环境。
对于大棚种植和花圃、花卉栽培，必须在某些特定环境安装温湿度装置对其进行监控。
本系统可以及时、精确的反映室内的温度以及湿度的变化，能够满足温湿度的控制要求。
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。
这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。
传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。
控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。
而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。
数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。
由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。
更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。
1.3温度控制系统的实现方法
温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。
采用主回路无触点控制,克服继电器接触不良的缺点,且维修方便,缺点是温度控制范围小,精度不高。
本文就最近几年快速发展的PID温控,模糊控制,神经网络控制在温度控制中的应用做一综述。
模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法,主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。
它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。
电力系统的模型通常是不完善的,即使模型已知,也存在参数变化的问题。
PID控制简单、方便,但难以解决非线性和参数的变化,模糊控制不需要装置的精确模型,仅依赖于操作人员的经验和直观判断,非常容易应用。
模糊温控的实现:
（1）将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值,建立规则,例如,IF温度太高OR温度正在上升,THEN减少控制输入,或风冷。
将这些模糊规则写成模糊条件语句,形成模糊模型。
（2）根据控制查询表,形成模糊算法。
（3）对温度误差采样的精确量模糊化,经过数学处理输入计算机中,计算机根据模糊规则推理做出模糊决策,求出相应的控制量,变成精确量去驱动执行机构,调整输入,达到调节温度,使之稳定的目的。
同传统的PID控制比较,模糊控制响应快,超调量小,参数变化不敏感。
人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术,是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。
它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络,拓扑结构算法各异,其中误差反向传播算法（即BP算法）应用最为广泛。
温度控制系统由于负载的变化以及外界干扰因素复杂,而PID控制只能对电参数的影响做精确的计算,对于外界环境的变化只能做近似的估算,影响控制精度。
人工神经网络以其高度的非线映射,自组织,自学习和联想记忆等功能,可对复杂的非线性系统建模。
该方法响应速度快,抗干扰能力强,算法简单,且易于用硬件和软件实现。
训练方法实际是网络的自学习过程,即根据事先定义好的学习规则,按照提供的学习实例,调节网络系统各节点之间相互连接的权值大小,从而达到记忆,联想,归纳等目的。
在温控系统中,将温度的影响因素如天气、气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入,将其输出作为PID控制器的参数,以实验数据作为样本,在微机上反复迭代,随实验与研究的进行与深入,自我完善与修正,直至系统收敛,得到网络权值,达到自整定PID控制器参数的目的。
mnn（memoryneuronnetwork）在每个网络节点增加了记忆神经元,在学习动态非线性系统时,不须知道实际系统过多的结构,同时当系统滞后比较大时不会造成网络庞大难以训练。
PID控制即比例、积分、微分控制。
自19世纪40年代开始以来,广泛应用在工业生产中,长期以来,由于其结构简单、实用、价格低,在广泛的过程领域内可以实现满意的控制。
温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较,差值作为PID功能块的输入。
PID算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数,利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制,使控制过程连续,是很普通的调节方法。
其缺点是现场PID参数整定麻烦,被控对象模型参数难以确定,外界干扰会使控制漂离最佳状态。
提出一种PID参数自整定的温度控制算法,采用简化临界比例度整定法,只需整定一个参数,提高了参数的整定效率,用编程的方法实现在线参数自整定。
应用这种规则的系统特点是其瞬态响应超调量小,抗干扰能力强,且振荡有足够的阻尼,具有良好的选择性和灵敏度。
效果得到了改善。
针对大功率二极管应用中的技术困难,提出开关型大电流双向输出模型和含PID调节器的双闭环控制。
本文即采用PID算法来实现温控系统的设计。
2方案设计
2.1系统工作原理
单片机温度控制系统是以AT89C51单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。
系统的原理框图如图2-1所示，其基本控制原理为:
用键盘将温度的设定值送入单片机，并在LED显示，启动运行后，通过信号采集电路将温度信号采集到后，送入单片机系统进行PID控制运算，将控制量输出，改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的控制电阻炉的加热。
当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。
数存扩展
8279
AT89C51
温控电路
数模转换
传感器
键盘与显示
电炉
图2-1系统原理图
2.2各模块设计
2.2.1温度传感器电路
采用一线制数字温度传感器DS18B20来作为本课题的温度传感器。
传感器输出信号进4.7K的上拉电阻直接接到单片机的P1.0引脚上。
DS18B20温度传感器是美国达拉斯（DALLAS）半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。
该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。
本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件DS18B20，是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以下几方面的原因：
（1）系统的特性：
测温范围为-55℃～+125℃，测温精度为士0.5℃；温度转换精度9～12位可变，能够直接将温度转换值以16位二进制数码的方式串行输出；12位精度转换的最大时间为750ms；可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式。
（2）系统成本：
由于计算机技术和微电子技术的发展，新型大规模集成电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格也越来越低。
一支DS18B20的体积与普通三极管相差无几，价格只有十元人民币左右。
（3）系统复杂度：
由于DS18B20是单总线器件，微处理器与其接口时仅需占用1个I/O端口且一条总线上可以挂接几十个DS18B20，测温时无需任何外部元件，因此，与模拟传感器相比，可以大大减少接线的数量，降低系统的复杂度，减少工程的施工量。
（4）系统的调试和维护：
由于引线的减少，使得系统接口大为简化，给系统的调试带来方便。
同时因为DS18B20是全数字元器件，故障率很低，抗干扰性强，因此，减少了系统的日常维护工作。
DS18B20温度传感器只有三根外引线：
单线数据传输总线端口DQ，外供电源线VDD，共用地线GND。
DS18B20有两种供电方式：
一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。
这种情况下，用单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。
另一种是外部供电方式（VDD接+5V），相应的完成温度测量的时间较短。
在本设计中采用外部供电方式实现DS18B20传感器与单片机的连接，其接口电路如图2-2所示。
VCC
P1.0
3
2
1
图2-2温度传感器电路
2.2.2通用键盘显示电路设计
如图2-3所示，ALE信号作为8279的时钟信号，从而与时钟同步。
8279的中断信号IRQ接到单片机的P1.1引脚。
缓冲器地址A0接到单片机的P2.5引脚，片选信号则接到单片机的P2.6引脚。
读写信号分别和单片机的读写信号相连。
8279的数据线D0-D7与单片机的数据线直接相连。
8279与AT89C51的许多信号是兼容的，可直接链接，十分方便。
8279的8位数据线直接连接到AT89C51的P0口。
读写信号分别于89C51的读写信号相连接。
AT89C51的锁存信号ALE接8279的CLK，在内部分频后产生共内部时钟信号。
8279的终端请求信号经一个反相器反向后接AT89C51的P1.1.AT89C51的三个可寻址寄存器只需要两个地址，即命令/状态寄存器地址和数据寄存器地址。
8279中与地址有关的信号为A0和片选信号，它们的链接情况直接决定着寄存器的地址，一旦硬件电路确定，寄存器的地址也就确定下来了。
LED的发光效率和颜色取决于制造的材料，一般常用红色，偶尔也用黄色或绿色。
发光二极管LED是智能化测量控制仪表中简单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其他信息。
它的优点是耗电省，配置灵活，接口方便，价格低，寿命长，对电流电压的要求不高及容易实现多路等。
LCD是一种被动显示器，它本身并不发光，只是调节光的亮度。
目前常用的LCD是根据液晶的扭曲一向列效应原理制成的，可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。
对于采用电池供电的便携式智能化测量控制仪表，考虑到低功耗的要求，常常需要采用液晶显示器，它体积小，重量轻，功耗极低，因此在仪器仪表中的应用十分广泛。
但是必须借助外来光显示。
CRT显示器可以进行图形显示，但接口较复杂，成本也较高。
在多路温度巡检仪中只需要显示4位数字形式的温度和路数，可以不必使用价格较高的CRT；4位LED的工作电流为240mA左右，由于使用交流电源供电，足以提供LED显示器所需要的功率，对于LED而言，仅有
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