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基于单片机的温度控制电路设计
内容摘要
日常的生产与生活中，温度是一个永恒的话题和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量。
温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量至关重要，所以人们需要用到良好的温度检测及控制装置系统来解决这些问题。
本文介绍了采用555定时器、AT89C2051芯片、以及DS1620温度传感器等组成的温度控制系统的设计方法和工作原理。
能够通过传感器对温度的感应自动调节加热功率的大小，并且在解决温度检测的基础上，通过555定时器完成对温度的特殊控制，即能实现对温度恒温控制，其温控效果好，电路简单可靠，使用效果非常好。
索引关键字：
555定时器传感器自动控制系统 AT89C2051
目 录
第一章 绪论 1
1.1 温度控制系统的应用 1
1.2 传感器在温度控制系统的应用 1
第二章 555定时器概述 1
2.1555定时器介绍 1
2.2555定时器的工作原理 2
2.3555定时器的电路结构与功能 2
2.4555定时器电路组成及其引脚 2
2.5555定时器的应用 2
2.6555定时器的温度控制电路 2
第三章 基于DS1620和AT89C2051的数字温度控制 3
3.1DS1620的介绍 3
3.2引脚功能说明 3
3.3温度值数据格式 3
3.4操作和控制 3
3.5DS1620的两种操作模式 4
3.6程序设计 5
3.7AT89C2051概述 5
3.8AT89C51引脚图 5
3.9AT89C2051的数字温度控制 6
3.10硬件电路连接 7
第四章 温度控制电路总结 7
4.1温度控制系统设计要点 7
4.2温度控制系统设计内容 7
后记 8
参考文献 9
第一章 绪论
1.1温度控制系统的应用
以温度作为被控制量的反馈控制系统。
在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量，需要准确地加以控制。
除了这些部门之外，温度控制系统还广泛应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统。
温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。
1.2传感器在温度控制系统的应用
随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。
传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。
因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。
传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。
因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。
另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。
温度传感器是其中重要的一类传感器。
其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。
为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。
本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控系统。
文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。
第二章 555定时器概述
2.1555定时器介绍
555定时器又称时基电路，是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
555定时器按照内部元件分为双极型和单极型。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V-16V工作，7555可在3-18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
2.2555定时器的工作原理
它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。
C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
2.3555定时器的电路结构与功能
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
一般555定时器由分压器、比较器、触发器和开关及输出等四部分组成。
2.4555定时器电路组成及其引脚
如图2-1所示
图2-1
2.5555定时器的应用
一、构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅。
二、构成多谐振荡器，组成信号产生电路。
三、构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。
2.6555定时器的温度控制电路
温度测量主要利用温度传感器实现。
温度传感器。
采用NTC（负温度系数）热敏电阻，其电阻值坼随温度r的升高而迅速减少。
阻值-温度关系为：
RT=Ae加
（1）式中：
A、B是由半导体材料和加工工艺所决定的两个常数，日是热敏指数。
热敏电阻的阻值与温度之间存在非线性关系。
对非线性问题可以用数学方法进行处理，但算法比较繁琐，而且要占用大量的硬件资源。
本设计中采用ROM预先存储周期一温度的数据，然后通过查表法进行标度变换。
测温范围在0℃-99℃之间，分辨率为4-I℃。
所以ROM中只需存储100个数据。
而且ROM中存储的不是如l℃、2℃、3℃等整数点的值，而是1.5℃、2.5℃、3.5℃等的值，这样既可以保证精度的要求又可以起到四舍五入的作用。
采用ROM进行标度变换，还使设计灵活通用，在此电路中只需更改ROM中存储的数据就可以适用于多种类型的温度传感器。
第三章 基于DS1620和AT89C2051的数字温度控制
3.1DS1620的介绍
DS1620是一片8引脚的片内建有温度测量并转换为数字值的集成电路，他集温度传感、温度数据转换与传输、温度控制等功能于一体。
测温范围：
－55～＋125℃，精度为0.5℃。
该芯片非常容易与单片机连接，实现温度的测控应用，单独做温度控制器使用时，可不用外加其他辅助元件。
3.2引脚功能说明
表3-1
引脚
名称
功能
1
DQ
三限制的数据输入/输出
2
CLK/CONY
三限制的时钟和标准转换输入
3
RET
三限制的复位输入
4
GND
接地
5
TCOM
温度高/低限触发输出
6
TLOW
温度低限触发输出
7
THIGH
温度高低限触发输出
8
VDD
3-5V电源
3.3温度值数据格式
DS1620的温度值为9位数字量，数据用补码表示，最低位表示0.5℃。
几个典型温度的数字量如表2所列。
通过三线传送数据时，低位在前，高位在后。
DS1620读出或写入的温度数据值可以是9位的字（在第9位后将置为低电平），也可以作为两个8位字节的16位字。
这时高7位为无关位。
这种方式在8位单片机中处理是比较方便的。
3.4操作和控制
控制/状态寄存器用于决定DS1620在不同场合的操作方式，也指示温度转换时的状态。
控制/状态寄存器的定义如下。
DONE THF TLF NVB 10CPU 1SHOTDONE：
温度转换完标志。
“1”转换完成，“0”转换进行中。
THF：
温度过高标志。
温度高于或等于TH寄存器中的设定值时变为“1”。
当THF为“1”后，即使温度降到TH以下，THF值也仍为“1”。
可以通过写入“0”或断开电源来清除这个标志。
TLF：
温度过低标志。
温度低于或等于TL寄存器中的设定值时变为“1”。
当TLF为“1”后，即使温度升高到TL以上，TLF值也仍为“1”。
可以通过写入“0”或断开电源来清除这个标志。
NVB：
非易失性存储器忙标志。
“1”表示正在向存储器中写入数据；“0”表示存储器不忙。
写入存储器要10ms时间。
CPU：
CPU使用标志。
“1”表示使用CPU，DS1620和CPU通过三线制进行数据传输；“0”表示不使用CPU，当不使用CPU时，接低电平，CLK/作为转换控制使用。
这一位存放在非易失存储器中，允许至少50000次写操作。
1SHOT：
一次突发模式。
“1”时按转换协议进行一次转换；“0”时连续转换。
这一位存放在非易失性存储器中，允许至少50000次写操作。
3.5DS1620的两种操作模式
一、单独工作模式
在这种工作模式下，DS1620作为热继电器使用，常用连续转换方式，可在没有CPU参与下工作。
预先必须写入控制寄存器操作模式和TH、TL寄存器的温度设定值，CLK/用作转换开始控制端。
要注意：
这种工作模式下，控制/状态寄存器的CPU标志位必须设为“0”。
为了使CLK/作转换控制，必须为低电平。
如果CLK/被拉低，且在10ms以内置高，则产生一次转换；如果CLK/保持低，则DS1620连续进行转换。
当CPU为“0”时，转换由CLK/控制，而不受SHOT控制位的限制。
DS1620有三个温度触发控制端。
当DS1620的温度高于或等于TH寄存器设定值时，THIGH输出为高电平；当温度低于或等于TL寄存器设定值时，TLOW输出高电平；当温度高于TH寄存器设定值时，TCOM输出为高电平，直到温度下降到TL寄存器设定值以下时才会变为低电平。
二、三线串行通信模式
三线制由三个信号线组成：
（复位）、CLK（时钟）和DQ（数据）。
数据传输在由低电平变为高电平后开始。
在数据传输过程中，使变为低电平会终止数据传输。
时钟由一序列上升沿和下降沿组成。
DS1620输入、输出数据时，都必须是上升沿数据有效。
读写数据时低位在前，高位在后。
DS1620的三线制操作时序如图3-1所示。
图3-1
从时序图可知，三线制的操作大部分是命令字在前，数据在后（部分命令后不需要数据）。
下面是DS1620的几个主要命令字：
开始转换[EEh]开始转换温度，后面不需要有其它数据；
读温度[AAh]读出最后一次温度转换的结果，后面的9个脉冲输出9位温度值；
读配置寄存器[0Ch]命令后的连续8个脉冲读出配置寄存器的内容；
写配置寄存器[ACh]命令后的连续8个脉冲写入配置寄存器新的内容；
写TH寄存器[01h]命令后的连续9个脉冲写入TH寄存器9位温度高限设定值；
写TL寄存器[02h]命令后的连续9个脉冲写入TL寄存器9位温度低限设定值；
读TH寄存器[A1h]命令后的连续9个脉冲读出TH寄存器9位温度高限设定值；
读TL寄存器[A2h]命令后的连续9个脉冲读出TL寄存器9位温度低限设定值。
3.6程序设计
程序采用C51编制，在KEILCV6.20下调试通过。
DS1620SetConf用于配置控制/状态寄存器的内容；用DS1620startConv开始进行温度转换；用DS1620ReadConf返回控制/状态寄存器内容；可查寻DONE位来判断是否转换完成，转换完成后用DS1620read读出转换的温度值。
也可采用软件延时方式，在开始转换后延时1s以上，再读转换的温度数据值。
3.7AT89C2051概述
AT89C2051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以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
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是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51中的所有特殊功能寄存器与MCS-51系列的单片机相同，特殊功能寄存器也称专用寄存器，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作，用户在编程时可以置数设定，却不能自由移动它用。
在51系列单片机中，将各专用寄存器与片内RAM统一编址，且作为直接寻址字节，可直接寻址。
51系列有18个专用寄存器，其中3个为双字节寄存器，共占21个字节。
3.8AT89C51引脚图
芯片AT89C51的引脚排列和逻辑符号如图3-2所示。
图3-2
3.9AT89C2051的数字温度控制
在单片机家族的众多成员中，MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。
由于MCS系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。
单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。
由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达到最优化，工作也相对稳定。
51的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。
因此，测控系统中，使用51单片机是最理想的选择。
时钟振荡器,将外部时钟电路跟晶振放在同一个封装里面,一般都有4个引脚了,两条电源线为里面的时钟电路提供电源,又叫做有源晶振,时钟振荡器,或简称钟振.好多钟振一般还要做一些温度补偿电路在里面,让振荡频率能更加准确.
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。
退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器，但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。
温度控制系统采用AT89C2051八位机作为微处理单元进行控制。
采用4X4键盘把设定温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器，还可以通过键盘完成温度检测功能的转换。
温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比较来控制温度控制器。
系统框图如图3-3所示
图3-3
3.10硬件电路连接
图3-4
如图3-4所示是用AT89C51单片机作CPU来操作DS1620的。
单片机的P1口连接DS1620的三线通信接口：
P1.1接DQ,P1.2接CLK/CONV,P1.3接RET。
第四章 温度控制电路总结
4.1温度控制系统设计要点
温变化规律的控制，这主要在控制程序设计中考虑。
温度控制范围：
这就涉及到测温元件、功率的选择等。
控制精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律选择等。
4.2温度控制系统设计内容
本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。
课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。
设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。
本设计系统包括温度传感器，A/D转换模块，温度传感器模块，和555定时器，AT89C51芯片等。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
整个系统的核心是以555定时器进行温度监控，完成了课题所有要求。
后记
首先在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。
尤其要强烈感谢我的论文指导老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。
另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。
在此向帮助和指导过我的各位老师表示最忠心的感谢！
感谢这篇论文所涉及到的各位学者。
本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。
感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多帮助，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。
由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！
其次，应当感谢学校给我们这次设计机会，并为我们的设计提供了良好的设计环境以及完备的设备，让我们的设计中学到了许多宝贵的知识。
最后，在完成这篇论文过程中，我自觉和不自觉的参考了许多文献，对于这些文献作者，虽然在不可能一一提及，但是对他们每一位表示最诚挚的谢意！
参考文献
[1]俞国亮.MCS-51单片机原理及应用.北京：
清华大学出版社，2008
[2]王涛、陈新社等.多谐振荡器在湿度测量中的应用传感器技术，2009.4
[3]曹辉、胡俊.数字式温度测量电路设计及其实现微电子学，2010.1
[4]夏季强.单片机实验与实践教程北京：
北京航天大学出版社，2010.3
[5]汪红.电子技术电子工业出版社，2009.8
[6]沙占友.智能化传感器原理与应用.北京：
电子工业出版社，2004
[7]沙占友.单片机外围电路设计.北京：
电子工业出版社，2003
[8]彭为、黄科等单片机典型系统设计实例精讲电子工业出版社，2006.12
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