基于proteus的温控报警设计与实现毕业设计.docx
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基于proteus的温控报警设计与实现毕业设计
摘要
在日常生活和工业生产中，经常需要对环境温度进行准确检测，以对温度进行准确控制的目的。
然而目前温度检测和温控报警装置总是存在不少缺陷，不能满足实际应用要求，为此需要对温控报警系统进行重新设计。
文中提出了基于Proteus的温控报警系统设计方案，设计了以AT89S51单片机为核心器件的温度控制和报警电路。
并且对硬件系统和模块进行了设计和规划，其中系统硬件设计模块主要包含单片机系统、温度采集、温度显示、温度报警、温度控制和负载等六大主要模块。
同时还进行系统软件设计，对主要功能模块进行了分析。
最后还进行了系统仿真实验，并对仿真结果进行了分析和评价。
文中设计的系统能够实时存储相关的温度数据并可设置温度上下限值，可实现对环境温度测量，并在超出温度上下限值一定范围的情况下发出警告，因此具有一定的使用价值和社会价值。
关键词：
温度控制；Proteus；AT89S51；DS18B20；超温报警
Abstract
Indailylifeandindustrialproduction,oftenneedtoaccuratelydetecttheambienttemperature,thetemperatureaccuratelybecontrolledtoreachthepurposes.However,thetemperaturedetectionandtemperaturecontrolalarmdevicealwayshasmanydefects,therequirementcannottobemeetofpracticalapplication,soweneedtoredesigntemperaturealarmsystem.ThispaperpresentstheProteustemperaturealarmsystemdesignbasedonthedesignofthetemperaturecontrol,AT89S51microcontrollertobeusedasthecoredeviceandalarmcircuit.Andthehardwaresystemandthemodulesbedesignedandplanned,includedsystemhardwaredesignmodulecomprisesasinglechipsystem,temperatureacquisition,temperaturedisplay,temperaturealarm,temperaturecontrolandloadsixmajormodule.Alsoonthesystemsoftwaredesign,themainfunctionmoduleisanalyzed.Finally,thesimulationexperimenthasbeencarriedout,andthesimulationresultsareanalyzedandevaluated.Thesystemdesignedinthepapercanstorerelatedtemperaturedatareal-timeandcansettheupperandlowertemperature,theambienttemperaturemeasurement,andissuedawarninginexcessoftheupperandlowertemperaturerangeofcircumstances,soithascertainusevalueandsocialvalue.
Keywords：
Temperaturecontrol;Proteus;AT89S51;DS18B20;Overtemperaturealarm
第1章绪论
1.1课题研究背景
在人们的日常生活，工业制造，制冷等领域，温度作为当前环境的重要因素之一，具有相当重要的意义。
例如火灾报警，温室获粮仓中温度的实时监测，冷库的温度调节等，因为此以温度参数为基础而设计的温度系统被广泛开发和使用。
使用传统意义上的温度计采集温度信息，不但采集精度底，实时性差，而且操作人员的劳动强度高，不利于广泛推广。
此外由于环境因素导致数据难以采集的问题，特别是在工厂，火灾的那个的现场，工作人员不能长时间停留在现场观察和采集温度，就需要实现能够将数据采集并将其传送到一个地方集中进行处理，以节省人力物力，提高效率，但这样也会出现数据传输的问题，由于厂房大，需要传输数据多，使传统方法容易造成资源浪费且可操作性差，精度不高，这都在不同程度上限制了工作的进行和展开。
因此，高精度，底成本，实时性好的温控制系统筮待人们去开发。
1.2国内外研究现状
随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步。
温度的测量主要分成两个部分，一个部分就是传感器，它是温度信号被转换为电信号。
另一个部分就是电子装置，它主要是对信号进行接收、处理、显示等功能。
不同的温度段以及测量的精度要求的不同，测量装置也会不尽相同，从传感器方面看，己出现有各种金属的材料、非金属的材料、半导体的材料所制成的传感器，也有红外传感器等。
仪器的本身也逐渐趋与向小型化，成度较高的芯片或者元件组所成电路。
对于测点较多，并具有报警、巡测、控制等多功能测温装置，一般采用单片机电路。
目前的温度检测技术原理很多，大致包括以下几种：
物体热胀冷缩原理；
热电效应；
热阻效应；
利热辐射原理等。
有着各自的不可替代优点的传统温度传感器,由于自身的自热效应从而了测量的精度,从而制约它们应用微型化的高端的电子产品中。
与传统的温度传感器相比较,半导的体温度传感器具有功耗低、体积小、灵敏度高等诸多的优点,无论是从电压方面、还是从电流方面频率的输出,都与温度成线性关系,半导体的温度传感器适合在集成的电路系统中的应用。
目前,半导体的温度传感器的工作的温度范围还限于只在-50～150℃。
未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围,以及智能化、网络化等方面。
近年来，在温度的检测的技术的领域中，新的检测原理技术有实用性的重大进展。
新的温度的检测元件正在不断涌现现以及完善化，主要包括以下几种。
晶体管的温度检测的元件;
集成电路的温度检测的元件;
核磁共振的温度的检测器;
热噪声的温度的检测器;
石英晶体的温度的检测器;
光纤的温度的检测器
激光的温度检的测器等。
目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，通过温度传感器来实现测量温度的。
温度传感器以及信号处理构成了测温仪器的两部分。
温度测量就是通过温度传感器将要测量的对象的温度的数值值转换成电的或者其它形式信号,通过信号的处理以及处理转换成温度的数值显示出来的过程。
温度的传感器随着温度的变化而受影响的方面有电容、电动势和磁性能、频率、以及光学特性等等。
随着科学的发展,更好的温度的传感器还会不断的出现。
1.3课题研究重点和思路
随着单片机技术的日益成熟，应用范围的逐渐扩大，以单片机为核心的控制系统，逐渐应用到生活中的很多方面，这不仅克服了系统中存在的严重延时，节省了人力，提高了采样频率，而且很大程度上提高了控制效果和控制精度。
而以单片机为核心的温控报警器集中了其中的特点。
单片机温控报警控制系统中的关键是测量温度、发出警报并控制温度，从而达到各种需求。
因此，单片机温控报警器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、无线控制等重要工业领域中，扮演着重要角色。
在日常生活中，也可广泛实用于空调器、电加热器等各种家居电器。
本文设计以AT89S51单片机为核心的温度控制和报警电路。
实现温度的智能控制，使负载能够在温度的工作环境下正常工作。
在了解和研究温度智能控制的原理后，能够得到温度检测及控制报警电路相应模块的实现思路，设计出相应的电路图并能够将电路图仿真，最终实现设计的功能。
重点研究内容该系统中各核心模块的的详细设计方案，得出结论和分析。
第2章系统总体设计方案
2.1功能要求
本设计以AT89S51为核心，控制整个系统。
适合在一定温度条件的环境下，电路中用到了继电器，通过单片机的弱点系统来控制与继电器项链的强电系统，从而保证强点系统控制的安全性。
系统的利用数字温度传感器DS18B20采集数据并送给单片机，单片机处理之后将采集的数据送给LCD1602显示一边操作人员直观的了解当前温度。
我们给系统正常工作设定为0℃-50℃，如果当前温度在这个温度设定范围内，则单片机控制继电器闭合，使继电器控制的负载回路导通，是系统正常工作；若当前温度不在这个范围内，则说明当前温度不满足工作需求。
，此时单片机控制蜂鸣器发出警报，并且控制继电器使负载停止工作。
并根据当前温度，若温度小于0℃，则启动加热装置，若温度高于50℃，则启动降温装置，直到达到系统温度，蜂鸣器停止报警，负载回路导通，重新开始工作。
从而达到一个自动控制的作用，整个系统形成一个闭环温度值，系统变化参数为温度的值，负载的工作取决于环境温度的变化，通过单片机弱电控制与继电器相连的强电系统，从而解决了强电系统直接控制对操作人员有一定危险性的特点。
2.2系统总体框架设计搭配
单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制报警系统。
该控制系统可以实时存储相关的温度数据。
其主要包括：
电源电路、温度采集电路、按键处理电路、LCD显示电路、报警电路以及单片机基本电路。
电路功能总框架图如图2.1所示：
单片机
温度控制电路
显示电路
温度采集电路
报警电路
电源电路
图2.1总框架图
它们的主要功能分别是：
（1）温度采集功能：
由温度传感器检测当前环境温度，并将温度传给单片机AT89S51。
（2）温度显示功能：
采集到的温度，能够直接显示在LCD1602上，便于使用者的操作和观测。
（3）温度报警功能：
对采集到的温度自动判断并进行声音和光报警，起到提示的作用。
（4）温度控制功能：
由两部分组成，分别是加热和降温装置，实现智能全自动操作。
第3章系统硬件设计
3.1电路硬件电路总体设计概述
温度自动控制系统实际上是对温度参数的采集而根据采集的温度来自动进行控制。
目的是使负载能够工作，通过单片机只能控制而改变温度，使环境温度达到设定范围。
主要应用于一些需要特殊温度需求的地方，比如机房等，通过实时只能监控。
某些重要实验也需要温度在一定范围内进行，都可以通过本系统来控制。
本设计是一个闭环自动控制系统。
弱电控制强电，单片机控制继电器的开合，再控制负载的工作状态。
避免了使用人员直接接触强点系统导致的危险性。
本设计的硬件部分分为六个模块：
单片机系统模块、温度采集模块、温度显示模块、温度报警模块、温度控制模块、负载模块。
3.2单片机系统模块
3.2.1单片机历史
通过单片机的基本操作处理的二进制位数进行分类，单片机主要分为：
4位的单片机、8位的单片机、16位的单片机和32位的单片机。
单片机的发展史可大致分为4个阶段。
（1）第一阶段（1974年--1976年）：
早期级阶段。
因为初期的技术和经验比较贫乏，单片机采用的是双片形式。
例如，在1974年的12月，日本的一家公司开发出的8位的F8单片机，就只包括了简单的8位CPU、64ＢＲＡＭ和2个并行口。
（2）第二阶段（1976年--1978年）：
低性能阶段。
在1976年，MCS--48（8位单片机）被Intel公司推出，它极大地促进了世界各个公司的单片机的变革和发展；在1977年，GI公司虽然推出了PIC1650，可是这个时期各个公司的单片机还是处于性能低的阶段。
（3）第三阶段（1978年--1983年）：
高性能阶段。
例如，1978年，Z8单片机被Zilog公司推出；1980年，Intel公司以MCS--48单片机为基础使MCS--51系列被推出，6801单片机被Motorola公司推出等，让单片机的综合能力跃上了一个新的台阶。
从此，世界各公司的这种高性能单片机迅速发展起来。
这个阶段推出的单片机普遍带有串行I/O口、多级中断系统、16位定时器/定时器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB,有的片内还带有A/D转换器。
由于这类单片机的性能价格比高，因而被广泛应用，是目前应用数量最多的单片机。
（4）第四阶段（1983年--现在）：
8位单片机的巩固、发展以及16位单片机和32位单片机的推出阶段。
16位单片机的典型产品为Intel公司生产的MCS--96系列单片机。
而32位单片机的优势不仅具有更高的集成度，其数据处理速度还比16位单片机也提高许多，性能与此同时也比8位、16位单片机更加优越。
在单片机制造业蓬勃发展的20世纪90年代，Motorola、Intel、ATMEL、德州仪器（TI）、Philips、LG等公司中大量的性能优越的单片机被发展起来，极大地促进了单片机的应用。
近年，不少新型的高集成度的单片机产品的涌现，使单片机出现的局面更加丰富多彩。
目前，不仅8位单片机被得到广泛的应用，16位单片机和32位单片机也得到广大用户的青睐。
专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能是最终形成事实上的标准MCU芯片。
3.2.1AT89S51介绍
AT89S51是带低电压的4K字节的闪烁的可编程的能擦除的只读存储器性能高的CMOS8位微处理器，就是我们所说的单片机。
对于单片机内的可擦除的只读的存储器在正常情况下能够反复擦除上百次。
这种器件是采用高密度的不容易丢失的存储器制造技术来制造的，同工业标准中的MCS-51指令以及输出的管脚相互兼容的。
AT89S51单片机给大多数的嵌入式的控制系统提供了一种划算的方案。
AT89S51具有的特点：
（1）4K字节的可编程的闪烁的存储器
（2）正常寿命是1000写/擦循环
（3）信息数据的保留时间是10年
（4）全静态的工作范围是0Hz至24Hz
（5）拥有三级程序的存储器的锁定
（6）128*8位的内部RAM
（7）32位I/O线
（8）拥有两个1十六位的定时器/计数器
（9）拥有中断源五个
（10）可编程的串行的通道
（11）闲置时低功耗以及掉电模式
（12）拥有片内的振荡器以及时钟电路
3.2.2AT89S51系列引脚功能
AT89S51有40引脚双列直插（DIP）形式。
其逻辑引脚图如图3.1所示。
图3.1AT89S51引脚图
各引脚功能叙述如下：
（1）电源和晶振
VCC（40脚）——接+5V的电源
GND（20脚）——接数字地
XTAL1（19脚）——片内震荡器反相放大器以及时钟发生器电路的输入端
XTAL2（18脚）——片内震荡器反相放大器的输出端
（2）I/O（4个口，32根）
P0口——P0口拥有一个8位漏级开路的双向I/O口，每脚能够吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口——P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口——P2口为一个是内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口中的缓冲器可以接收以及输出4个TTL门的电流，如果当P2口被写“1”时，其管脚会被内部的上拉的电阻拉高，并且会作为输入。
因此当其被作为输入时，P2口的管脚会被外部的电压拉低，将输出电流。
这是由于P2口内部电压上拉的缘故。
如果当外部的程序存储器或者是16位地址的外部数据存储器进行存取选用且在P2口时，在P2口从其输出的地址的高八位，其给出地址为“1”时，它会利用内部的上拉的优势，当其要对外部存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器内的内容。
在FLASH编程以及校验时的地址信号和控制信号会传输给P2口。
P3口——P3口管脚有8个双向I/O口内部电阻上拉，可接并且可以收输出4个TTL的门电流。
如果当P3口写入“1”后，I/O会上拉为高电平，并且用作于输入。
如果当它作为输入时，由于被下拉的为低电平，所以P3口将输出电流（ILL）这原因也是由于它上拉的缘故。
同时，P3口也能够可作为AT89CS1的所应用的一些特殊的功能口，如表3.1所示：
表3.1AT89S51的一些特殊端口
（3）控制线（共4根）
RST是复位的输入。
如果当振荡器要立即复位，这时要确保RST的脚在它的两个的机器周期中的高电平的时间。
ALE/PROG：
当要访问外部的存储器，这时地址锁存会允许它的输出的电平能够用于锁存的地址的地位字节。
如果在用于FLASH编程的期间，这时此引脚需用于输入的编程脉冲中。
如果在平时，ALE端必须以不变的且稳定的频率周期输出它的正脉冲信号，这时它的频率为振荡器频率的1/6。
因而它可以用于向外部输出的脉冲或者要用作于的目的为定时。
我们必须要注意的问题是：
每当其要用作于外部数据的存储器时，它将会要跳过的是一个ALE脉冲。
如果想要禁止ALE产生的输出则可以让SFR8EH的地址的上位置置0。
与此同时，ALE如果正在在执行MOVX，则MOVC的指令是ALE才能起作用。
除此之外，该引脚会被略微拉高。
假如微处理器在外部的执行状态时ALE禁止，则置位会无效。
/PSEN：
外部的程序的存储器所存储的选通信号。
每个机器的周期的两次/PSEN有效，是在由外部的程序的存储器取指期间。
但是它在访问外部的数据的存储器时，这两次的有效的/PSEN信号将会不出现。
/EA/VPP：
当/EA要保持低电平时，这时在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），无论是否有内部的程序的存储器。
当注意加密方式为1时，/EA将内部的锁定为RESET；当/EA端保持在高电平时，此间内部的程序的存储器。
如果在FLASH的编程期间，这时此引脚也能用于施加12V的编程的电源（VPP）。
3.2.3AT89S51最小系统
单片机的工作工程是：
取一条指令、译码、进行微操作，再取一条指令，译码再进行操作，这样自动的、一步步的有微操纵依次完成相应的指令规定功能。
这些指令在微操作的时间上有严格的次序，称为时序。
89S51单片机的时钟信号通常由两种方式产生，内部时钟和外部时钟方式。
内部时钟方式。
在单片机XTAL1和XTAL2引脚外接晶振。
其中的电容起到稳定频率和快速起振的作用。
典型值微30PF.晶振CYS的震荡频率要小于12MHZ，典型值6MHZ、12MHZ或者11.059MHZ。
外部时钟方式是吧外面已经有的时钟信号引入到单片机中，要求各的那片及同步运行的场合。
实际中通常采用外界晶振的内部时钟方式，晶振频率高一些的时候可以提高指令的执行速度，但相应的功耗和噪声也会增加，在满足系统的功能下，应该尽量选择低一些的晶振频率。
我们这儿选择的是12MHZ的晶振。
复位是使单片机中的各个部件处于某种确定的初始状态。
单片机的工作都是从复位开始。
当89S51的RST引脚加高电平复位信号,保持两个以上机器周期时，单片机内部就执行复位操作。
复位信号变低时，单片机变开始执行程序。
实际操作中，复位也有两种形式：
一种是上电复位，一种是上电复位与按键复位都有效。
上电复位要求接通电源后单片机自动复位。
通常上电复位电路的上电瞬间RST引脚的高电平只要能保持足够时间，两个机器周期，单片机就可以进行复位操作。
我们选取的元器件参数为：
晶振：
12MHZ；电容：
30uf；电阻：
与按键相连的是1K，另外一个10K。
我们还可以在电阻上加一个放电二极管，这样有效提高了若单片机断电后，短时间内再加电复位的可能性。
3.3温度采集模块
3.3.1DS18B20与单片机接口电路
DS18B20有方便的接线方式，封装后多种场合可以适用，封装后的DS18B20可适用于洁净室的测温，电缆沟的测温，高炉水循环的测温，农业大棚的测温，锅炉的测温，弹药库的测温等非极限的温度场合。
使用方便，耐磨耐碰，封装的形式各种各样，适用于各种狭小的的数字测温以及控制领域。
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。
超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎，DS18B20的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关小制作不二的选择，其技术性能有：
（1）拥有的单线的接口方式独特，在DS18B20和微处理器被连接时，仅仅只一条口线就可以实现微处理器和DS18B20双向的通讯正常的运行。
（2）DS18B20的测温范围是－55℃～+125℃，它的固有的测试温分辨率能够精确到0.5℃。
（3）多点组网功能能够被DS18B20支持，多个DS18B20能够并联在同一条三线上，最多只能并联8个,多点测温能够被实现，只是如果测温数量过多，就会导致供电电源的电压过低，因此会造成造成不稳定的信号传输。
（4）工作电源:
3~5V/DC
（5）在使过程中不需要任何外围元件
（6）测量结果则以9~12位数字量方式串行传送
（7）温度数字量转换时间200ms（典型值）
（8）用户可定义的非易失性温度报警设置
温度传感器外形如图3.2所示。
图3.2传感器外形图
本设计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。
传感器信号经4.7K的上拉电阻直接接到单片机管脚上。
DS18B20温度传感器只有三根外接线：
一是单线数据传输总线DQ，二是外供电源线VDD，三是共用地线GND。
DS18B20有两种供电方式：
其中一种为数据线供电方式，供电时VDD接地，它是通过内部电容的能量是空闲时从数据线获取，来完成温度的转换，因而相应的完成温度转换所需时间也较长。
在这种情况下，需要用单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。
另外一种方式是外部供电方式（VDD接+5V），相应的完成温度测量的时间会较短。
工作原理及其应用：
DS18B20温度检测与数字数据的传输集成于一个芯片之上。
其工作一个周期可以分为二个部分，温度检测以及数据处理。
DS18B20有三种形态的存储资源，分别是ROM，RAM，EEPROM。
ROM是属于只读存储器，共64位，用于存放DS18B20ID中的编码，它的前八位是属于单线系列编码（DS18B20的编码是19H），它的唯一的序列号是后面48位的芯片，最后的八位是以上56位的CRC。
其数据在出厂时设置，不能由用户更改。
RAM是属于数据的暂存器，能够用于数据计算以及数据的存取，数据会在掉电后全部消失，DS18B20拥有共9个字节的RAM，它的每个字节是为八位，转换温度后的数据值信息是第1，2字节，它的第3，4字节是用户EEP
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