基于单片机的温度控制系统设计.doc

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毕业设计说明书（论文）

作者:

学号：

教研室:

电气自动化教研室

专业:

电气自动化技术

题目:

基于单片机的温度控制系统设计

指导者：

评阅者：

2013年5月

毕业设计（论文）评语

学生姓名：

班级、学号：

题目：

综合成绩：

指导者评语：

该生能按时完成毕业设计（论文）任务书规定的工作，积极查阅有关文献资料，设计态度端正，能独立思考并解决有关技术问题，论文符合学校规定的格式，写作的规范化程度好。

设计方案可行，有一定的创新性，如果再多参考一些外文资料，将会更加完善。

建议成绩评定为，可以提交答辩。

指导者（签字）：

2013年5月15日

毕业设计（论文）评语

评阅者评语：

评阅者（签字）：

年月日

答辩委员会（小组）评语：

答辩委员会负责人（签字）：

2013年5月20日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

文献综述

摘要本设计用AT89C51单片机实现房间的恒温控制。

该系统由温度检测模块、温度显示模块、标准温度设定以及温度控制模块组成。

温度检测模块是将DS18B20温度传感器对温度进行测量所传出的数字信号利用单片机进行读取和处理；温度显示模块用四位LED数码管显示，温度显示的精度为0.1度；温度设定模块用三个按键进行房间标准温度值的输入；温度控制是根据房间的实际温度与设定的标准温度之间的差值来调节可变脉宽（PWM）的宽度，从而控制可控硅的导通或截止的时间实现系统的恒温控制。

本设计的相关软件编程由汇编语言实现，与硬件电路相辅相成，很好实现了系统的功能。

本温度控制系统实现简单，经济有效，能够达到良好的温度控制效果。

本系统操作简单，实用性强，成本低廉，在实际生产生活中可以广泛应用。

关键词AT89C51单片机温度传感器DS18B20恒温控制

可变脉宽（PWM）

目录

1绪论 1

1.1温度控制系统研究的目的和意义 1

1.2温度控制系统研究概况 1

1.3温度传感器技术 1

2系统总体方案设计 4

2.1方案论证 4

2.2系统功能介绍 5

3系统硬件电路设计 7

3.1传感器接口电路设计 7

3.1.1温度数据采集电路 7

3.2LED显示接口电设计 9

3.2.1AT89C51单片机 10

3.2.2LED数码管 12

3.3温度控制电路的设计 13

4脉宽调制 16

4.1脉宽调制的介绍 14

4.2基本原理 14

4.3脉宽调制信号的设计思想 15

4.4脉宽调制信号的作用 15

4.5脉冲宽度调制优点 16

5系统软件设计 16

6系统软件调试 19

6.1目测 19

6.2硬件调试 19

6.3软件的调试 19

6.4注意事项 20

结束语 22

参考文献 23

致谢 24

附录一程序 25

附录二硬件电路图 36

专科毕业设计说明书（论文）第35页共36页

1绪论

1.1温度控制系统研究的目的和意义

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。

随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化是现代温度控制系统发展的主流方向。

特别是近几年来，温度控制系统早已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又与人们息息相关的一个世纪问题。

针对这种实际情况，设计一个温度控制系统具有广泛的应用前景与意义。

本设计为房间温度控制系统设计，控制的对象是房间温度。

温度控制在日常生活及工业领域应用十分广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。

而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视。

其实在很多场所温度都需要得到很好的控制。

针对这一问题，本系统设计的目的是实现可以根据设定温度进行自行调节的系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。

1.2温度控制系统研究概况

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。

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。

1.3温度传感器技术

传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术。

计算机和通信技术发展极快，相当成熟，而传感器应用技术因为需要使用模拟技术，而模拟技术还有很多问题难以解决，因此传感器应用技术也有待进一步发展。

为了适应现代科学技术的发展，世界总舵国家都把传感器技术列为现代的关键技术之一。

通常将能把非电量转换为电量的器件称为传感器，其实质上是一种功能块，作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。

它是实现测试与自动控制系统的首要环节。

如果没有传感器对原始参数进行精确可靠地测量，那么无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制都将无法实现。

温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之手。

温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：

传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要输能够进行非电量和电量之间的转换；模拟集成温度传感器/控制器；智能温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化、智能化及网络化的方向发展。

温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器两大类，其中，接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这个示值即为被测对象的温度。

这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。

但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。

非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。

常用的是辐射热交换原理。

此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。

温度传感器的发展大致可分为以下几种：

（1）热电偶传感器。

热点偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50℃～1600℃进行连续测量，特殊的热电偶如金,铁,镍,铬最低可测到-269℃，钨,铼最高可达2800℃。

（2）模拟集成温度传感器。

采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。

模拟集成温度传感器的主要特点是：

功能单一、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

（3）光纤传感器。

光纤测温技术可分为两类:

全辐射测温法，单辐射测温法，双波长测温法，多波长测温法等。

特点是：

光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低，无论是就地使用或远传均十分方便而且光纤直径小，可以单根、成束、Y型或阵列方式使用，结构布置简单且体积小。

缺点是：

测量起来困难,难于实现较高的精度，工艺比较复杂,且造价高，推广应用有一定困难。

（4）半导体吸收式光纤温度传感器。

半导体吸收式光纤温度传感器是利用了半导体材料的吸收光谱随温度变化的特性实现的。

一种传光型光纤温度传感器，是指在光纤传感系统中，光纤仅作为光波的传输通路，而利用其它如光学式或机械式的敏感元件来感受被测温度的变化。

在这类传感器中，半导体吸收式光纤温度传感器是研究得比较深入的一种。

（5）智能温度传感器。

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。

随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。

其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635等。

相比较而言，传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。

数字式温度传感器的种类也不少，并且在实际工程设计中具有上述诸多优点。

2系统总体方案设计

2.1方案论证

方案一：

本课题的初步设计方案是通过控制调功电路的导通比，来实现对被调对象的控制，由图1可见，负载是加热器件，而过零触发电路是由锯齿波发生，信号综合，直流开关，同步电压与过零脉冲输出5个环节组成。

如下图所示:

图2.1方案一电路图

图2.1为第一个设计方案，该方案的工作原理简述如下：

（1）锯齿波是由单结晶体管BT和R1，R2，R3，W1和C1组成的张驰震荡产生，然后经射极跟随器V1、R4输出。

（2）控制电压（Uk）与锯齿波电压进行电流叠加后送到V2的基极，合成电压为Us，当U