基于单片机的水温自动控制系统文档格式.docx
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2.2软件总体设计3
2.3单片机最小系统电路4
2.4键盘电路5
2.5数码管及指示灯显示电路6
2.6温度采集电路8
2.7电源电路12
2.8报警电路设计13
2.9加热管控制电路设计13
第三章系统流程15
3.1主程序流程图15
3.2各个模块的流程图17
3.2.1读取温度DS18B20模块的流程17
3.2.2键盘扫描处理流程19
3.2.3报警处理流程20
第四章系统调试21
4.1硬件电路调试21
4.2软件调试21
4.3系统操作说明22
总结23
致谢24
参考文献25
附录1：
系统源程序26
附录2：
系统硬件总图36
第一章绪论
1.1课题研究的相关背景
及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制,在许多工业场合中都是重要的环节.水温的变化影响各种系统的自动运作，例如冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的水处理温度要求严格控制。
对于不同控制系统，其适宜的水质温度总是在一个范围。
超过这个范围，系统或许会停止运行或遭受破坏，所以我们必须能实时获取水温变化。
对于，超过适宜范围的温度能够报警。
同时，我们也希望在适宜温度范围内可以由检测人员根据实际情况加以改变。
传统的温度采集电路相当复杂，需要经过温度采集、信号放大、滤波、AD转换等一系列工作才能得到温度的数字量，并且这种方式不仅电路复杂，元器件个数多，而且线性度和准确度都不理想，抗干扰能力弱。
现在常用的温度传感器芯片不但功率消耗低、准确率高，而且比传统的温度传感器有更好的线性表现，最重要的一点是使用起来方便。
1.2基于单片机水温自动控制系统的现状
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但国内生产的温度控制器来讲总体发展水平仍然不高，同国外的日本美国德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。
目前我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制难于控制滞后复杂时变温度系统控制，即是说适应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。
1.3基于单片机水温自动控制系统的发展方向
由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国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。
在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。
温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。
尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。
由于温度控制具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。
模糊逻辑控制（FLC）是人工智能领域中形成最早、应用最广的一个重要分支，适用于结构复杂且难以用传统理论建立模型的问题。
目前FLC已经成功地应用与各种温度控制上。
模糊控制与一般的自动控制的根本区别是，不需要建立精确的数学模型，而是运用模糊理论将人的经验知识、思维推理，其控制过程的方法与策略是由所谓模糊控制器来实现。
对于多变量、非线性和时变的大系统，系统的复杂性和控制技术的精确性形成了尖锐的矛盾。
模糊控制对那些难以获得数学模型或模型非常粗糙的工业系统，如那些大滞后、非线性等复杂工业对象实施控制有独特优势，但静态误差不易控制.模糊控制偏偏含有大量专家经验,实际实现比较困难,它绝不可以代替经典的自动控制，而是扩展了一般的自动控制。
在一些实际过程中，人们也常把模糊控制与一般的自动控制结合在一起应用，并且已研制出神经模糊网络的家电产品，将模糊控制技术与人工神经网络、专家系统等人工智能中一些新技术相结合，向着更高层次的研究和应用发展。
采用模糊控制其优点是不需要粗确知道被控对象的数学模型，而且适用于有较大滞后特性的控制对象。
缺点是静态误差不易控制，因含有大量专家经验，实际实现比较困难。
模糊控制比传统的PID控制等方法,在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势。
将模糊控制技术应用于家电产品在国外已是很普遍的现象。
单片机是家用电器常用的控制器件,把二者结合起来,可使控制器的性能指标达到最优的目的。
基于模糊控制技术的单片机控制的电热水器,是对传统的电热水器开关控制的改造,具有达到设定温度的时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点，将成为以后发展的主流。
第二章系统方案设计
设计并制作一个基于单片机的热水器温度控制系统的电路，其结构框图如图2-1：
图2－1系统结构框图
2.1硬件系统子模块
（1）单片机最小系统电路部分
（2）键盘扫描电路部分
（3）数码管温度显示和运行指示灯电路部分
（4）温度采集电路部分
（5）继电器控制部分
（6）报警部分
2.2软件总体设计
良好的设计方案可以减少软件设计的工作量，提高软件的通用性，扩展性和可读性。
本系统的设计方案和步骤如下：
（1）根据需求按照系统的功能要求，逐级划分模块。
（2）明确各模块之间的数据流传递关系，力求数据传递少，以增强各模块的独立性，便于软件编制和调试。
（3）确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并分别调试通过。
（4）按照开发式软件设计结构，将各模块有机的结合起来，即成一个较完善的系统。
首先接通电源系统开始工作，系统开始工作后，通过按键设定温度值的上限值和下限值，确定按键将设定的温度值存储到指定的地址空间，温度传感器开始实时检测，调用显示子程序显示检测结果，调用比较当前显示温度值与开始设定的温度值比较，如果当前显示值低于设定值就通过继电器起动加热装置，直到达到设定值停止加热，之后进行保温，如果温度高于上限进行报警。
本次设计主要思路是通过对单片机编程将由温度传感器DS18B20采集的温度外加驱动电路显示出来，包括对继电器的控制，进行升温，当温度达到上下限蜂鸣器进行报警。
P17开关按钮是用于确认设定温度的，初始按下表示开始进入温度设定状态，然后通过P15和P16设置温度的升降，再次按下P17时，表示确认所设定的温度，然后转入升温或降温。
P23所接的发光二极管用于表示加热状态，P25所接的发光二极管用于表示保温状态。
P23接继电器。
P31是温度信号线。
整个电路都是通过软件控制实现设计要求。
2.3单片机最小系统电路
因为80C51单片机内部自带8K的ROM和256字节的RAM，因此不必构建单片机系统的扩展电路。
如图2－2，单片机最小系统有复位电路和振荡器电路。
值得注意的一点是单片机的31脚
必须接高电平，否则系统将不能运行。
因为该脚不接时为低电平，单片机将直接读取外部程序存储器，而系统没有外部程序存储器，所以
必须接VCC。
在按键两端并联一个电解电容，滤除交流干扰，增加系统抗干扰能力。
图2－2单片机最小系统图
2.4键盘电路
键盘是单片机应用系统中的主要输入设备，单片机使用的键盘分为编码键盘和非编码键盘。
编码键盘采用硬件线路来实现键盘的编码，每按下一个键，键盘能够自动生成按键代码，并有去抖功能。
因此使用方便，但硬件较复杂。
非编码键盘仅仅提供键开关状态，由程序来识别闭合键，消除抖动，产生相应的代码，转入执行该键的功能程序。
非编码键盘中键的数量较少，硬件简单，在单片机中应用非常广泛。
图2－3为按键和AT80C51的接线图，检测仪共设有4个按键，每个按键由软件来决定其功能，4个按键功能分别为：
（1）SW1：
设定按键（设定按键）
（2）SW2：
加法按键（当前位加5）
（3）SW3：
减法按键（当前位减5）
（4）SW4：
退出设置键（系统初始化）
图2－3单片机按键和AT80C51的接线图
2.5数码管及指示灯显示电路
（1）数码管显示说明
各个数码管的段码都是单片机的数据输出，即各个数码管输入的段码都是一样的，为了使其分别显示不同的数字，可采用动态显示的方式，即先只让最低位显示0（含点），经过一段延时，再只让次低位显示1，如此类推。
由视觉暂留，只要我们的延时时间足够短，就能够使得数码的显示看起来非常的稳定清楚，过程如表2-1。
表2-1数码管编码表
段码
位码
显示器状态
08H
01H
□□□□□□□0
abH
02H
□□□□□□1□
12H
04H
□□□□□2□□
22H
□□□□3□□□
a1H
10H
□□□4□□□□
24H
20H
□□5□□□□□
40H
□6□□□□□□
aaH
80H
7□□□□□□□
本论文中使用了3个数码管，其中前两位使用动态扫描显示实测温度，在设置加热温度的时候，两个数码管是闪烁，以提示目前处在温度设置状态。
第三位数码管静态显示符号“℃”。
（2）运行指示灯说明
本热水器温度控制系统中共使用到3个LED指示灯和3个数码管。
右上角的红色LED是电源指示灯；
数码管右边的红色LED是加热指示灯，当刚开机或温度降到设定温度5℃以下时，该灯会亮，表示目前处于加热状态；
当温度上升到设定温度时，该LED灭，同时数码管右边的绿色LED亮，表示目前处于保温状态，用户可以使用热水器；
当温度再次下降到设定温度5℃以下时，绿色LED灭，红色加热的LED灯亮，不断循环。
图2－4LED数码管显示电路图
2.6温度采集电路
（1）DS18B20介绍
Dallas最新单线数字温度传感器DS18B20简称新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。
Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS18B20一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内,精度为±
0.5℃。
DS1822的精度较差为±
2℃。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
其DS18B20的管脚配置和封装结构如图2-5所示。
图2-5DS18B20封装
引脚定义：
①DQ为数字信号输入/输出端；
②GND为电源地；
③VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
（2）DS18B20的单线（1－wirebus）系统
单线总线结构是DS18B20的突出特点，也是理解和编程的难点。
从两个角度来理解单线总线：
第一，单线总线只定义了一个信号线，而且DS18B20智能程度较低（这点可以与微控制器和SPI器件间的通信做一个比较），所以DS18B20和处理器之间的通信必然要通过严格的时序控制来完成。
第二，DS18B20的输出口是漏级开路输出，这里给出一个微控制器和DS18B20连接原理图。
这种设计使总线上的器件在合适的时间驱动它。
显然，总线上的器件与（wiredAND）关系。
这就决定：
（1）微控制器不能单方面控制总线状态。
之所以提出这点，是因为相当多的文献资料上认为，微控制器在读取总线上数据之前的I/O口的置1操作是为了给DS18B20一个发送数据的信号。
这是一个错误的观点。
如果当前DS18b20发送0，即使微控制器I/O口置1，总线状态还是0;
置1操作是为了是I/O口截止（cutoff），以确保微控制器正确读取数据。
（2）除了DS18B20发送0的时间段，其他时间其输出口自动截止。
自动截止是为确保：
1时，在总线操作的间隙总线处于空闲状态，即高态。
2时，确保微控制器在写1的时候DS18B20可以正确读入。
由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S52单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
①DS18B20的复位时序，如图2-6
图2-6DS18B20的复位时序图
②DS18B20的读时序
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。
对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
DS18B20的读时序图如图2-7所示。
图2-7DS18B20的读时序
③DS18B20的写时序
对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。
如图2-8所示。
图2-8DS18B20的写时序图
（3）DS18B20的供电方式
在图2-9中示出了DS18B20的寄生电源电路。
当DQ或VDD引脚为高电平时，这个电路便“取”的电源。
寄生电路的优点是双重的，远程温度控制监测无需本地电源，缺少正常电源条件下也可以读ROM。
为了使DS18B20能完成准确的温度变换，当温度变换发生时，DQ线上必须提供足够的功率。
有两种方法确保DS18B20在其有效变换期内得到足够的电源电流。
第一种方法是发生温度变换时，在DQ线上提供一强的上拉，这期间单总线上不能有其它的动作发生。
如图2-9所示，通过使用一个MOSFET把DQ线直接接到电源可实现这一点，这时DS18B20工作在寄生电源工作方式，在该方式下VDD引脚必须连接到地。
图2-9DS18B20供电方式1
另一种方法是DS18B20工作在外部电源工作方式，如图2-10所示。
这种方法的优点是在DQ线上不要求强的上拉，总线上主机不需要连接其它的外围器件便在温度变换期间使总线保持高电平，这样也允许在变换期间其它数据在单总线上传送。
此外，在单总线上可以并联多个DS18B20，而且如果它们全部采用外部电源工作方式，那么通过发出相应的命令便可以同时完成温度变换。
图2-10DS18B20供电方式2
（4）DS18B20设计中应注意的几个问题
DS18B20具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用接口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送。
因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
在DS18B20有关资料中均未提及1Wire上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。
当1Wire上所挂DS18B20超过8个时，就需要考虑微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。
实际应用中，测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。
本文以广泛应用的数字温度传感器DS18B20为例，说明了1Wire总线的操作过程和基本原理。
事实上，基于1Wire总线的产品还有很多种，如1Wire总线的E2PROM、实时时钟、电子标签等。
他们都具有节省I/O资源、结构简单、开发快捷、成本低廉、便于总线扩展等优点，因此有广阔的应用空间，具有较大的推广价值。
本设计将温度传感器DS18B20与单片机TXD引脚相连，读取温度传感器的数值。
DS18B20与单片机连接图如图所示2-11所示。
图2-11DS18B20与单片机连接图
2.7电源电路
采用L7805稳压块，输出为5V。
电子组件要正常运作都需要电源电压供电，一般常用的电源电压为+5V或+12V，图为数字集成电路所供给的电压为+5V，而CMOSIC所供给的电压为+12V，7805是一个稳压块。
7805稳压管把高电压转换到低电压，7805稳压管具有保护单片机的作用。
L7805输出端要并联上一个电解电容，滤除交流电干扰，防止损坏单片机系统。
本设计采用两种供电方式，如图2-12，图a为四节干电池共6V经二极管加压后得到将近5V的直流电源，电源配以开关和指示灯，以方便使用。
黄色发光二极管表示保温，红色的表示加热状态；
图b一种为DC7~18V直流稳压电源变换成5V的直流电。
a.直流电源b.交流电源
图2-12电源设计图
2.8报警电路设计
同时可以在系统里设定温度上限值，由于加热停止后，加热管还有余热当采集到的外界温度高于当前所设定温度上限值时，程序就会进入报警子程序，触发蜂鸣器进行报警。
报警电路原理图如图2-14所示。
图2-14报警电路图
图中的三极管8550的作用是增加驱动能力，比9012的驱动电流还大些，因此选用8550。
当程序进入报警子程序时，把P2.7置0，就会触发蜂鸣器，为了使报警声音效果更好，对P2.7取反，发出报警“嘟噜”声音。
2.9加热管控制电路设计
继电器是常用的输出控制接口，可以做交直流信号的输出切换。
它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
继电器控制接点操作说明如下：
（1）COM：
Common，共同点。
输出控制接点的共同接点。
（2）NC：
NormalClose常闭点。
以Com为共同点，NC与COM在平时是呈导通状态的。
（3）N
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