基于单片机的温度控制系统设计.docx

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基于单片机的温度控制系统设计

摘要

温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。

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。

温度控制的发展引入单片机后，可以降低对某些硬件电路的要求。

基于单片机的温度控制系统，可以实现对温度的精确控制。

本文以温室为研究对象，以AT89C51单片机为核心所实现的温度控制系统具有自动完成数据采集、数据处理、数据转换控制、键盘终端处理及显示的功能。

当实际温度低于设定值，PTC进行加热，反之PTC就停止加热。

实际温度超上限或者低下限时，系统自动报警。

温度控制采用的是双位控制，简单易行，在精度要求不是特别高的温室，可行度很高。

最后对系统进行调试并在PROTEUS里仿真，结果表明该系统原理可行。

又在一个小空间进行试验，误差在1℃左右，结果符合预期。

运行稳定、控制效果好、性价比高。

关键词：

单片机，温度控制，DS18B20，温室

Abstract

Temperatureisthephysicalquantitycharacterizingthetemperatureextentofobjects;itisanimportantandgeneralparameterinindustrialandagriculturalproductionprocess.Duetotheuniversalityoftemperaturemeasurement,thequantityoftemperaturesensoroccupiesfirstplaceamongvarioussensors.Itcanlowertherequirementsofsomecircuitsafterintroducingthedevelopmentoftemperaturecontrolintomicrocontrollerunit.Itcanalsoachieveprecisecontrolofthetemperature,basedonthetemperaturecontrolsystemofmicrocontrollerunit.

Inthisarticle,greenhouseistheobjectofstudy.ThetemperaturecontrolsystemwhichtakesAT89C51asthecorehasthefunctionofautomaticcompletedataacquisition,dataprocessing,dataconversioncontrol,keyboardterminalprocessinganddisplay.Whentheactualtemperatureisbelowthesetvalue,PTCstartsheating,onthecontrary,itstopsheating.Whentheactualtemperatureexceedstheupperorlowerlimit,thesystemgivesanalarmautomatically.Temperaturecontrolissimpleandeasywithadualpositioncontrol.Itishighlyfeasibleinthegreenhousewheretheaccuracyrequirementsarelessstrict.

TheresultsshowstheprincipleisavailableafterdebuggingthesystemandsimulatinginProteus,wealsoconductedthesametrialinasmallerroom,andtheerrorisabout1℃,whichisinlinewithexpectations.Thesystemisstable,easytocontrolandcost-effective.

Keyword:

microcontrollerunit,temperaturecontrol,DS18B20,greenhouse

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

温度是表征物体冷热程度的物理量，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。

温度控制采用单片机设计的全数字仪表，是常规仪表的的升级产品。

温度控制的发展引入单片机后，可以降低对某些硬件电路的要求，但依然需要重视测试电路本身的重要性，尤其是直接获取被测信号的传感器部分，仍应给以充分的重视，有时提高整台仪器的性能的关键仍然在于测试电路尤其是传感器的改进。

现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。

传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。

基于单片机的温度控制系统，可以实现对温度的精确控制，使得在某些场合下人们对温度高低的要求得以实现。

对人们的生产和生活影响巨大，比如，在我国的北方，冬天温度极低，但引入温室大棚后，冬天的时候人们也能吃到新鲜的蔬菜；钢铁厂里炼铁，对温度的要求更高，这就使得温度控制变得极为有意义，而在我们的日常生活中，空调让冬天不冷夏天不热，确实让我们感受到温度控制对我们生活质量的提高也有着极大的作用。

总之，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。

1.2国外研究现状

1.2.1国外研究现状

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。

990年代中期，智能温控仪问世，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。

目前，国际上已开发出多种智能温控器系列产品。

智能温控器部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器和接口电路。

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

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。

1.2.2国研究现状

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。

1.2.3总的发展阶段

总的来说，温控器被广泛应用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升。

近百年来，温控器的发展大致经历了三个阶段：

1.模拟温度控制器；2.集成温度控制器；3.能温度控制器，目前，国际上新型温控器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

1.3课题研究的容

本文所要研究的课题是基于单片机的温度控制系统的设计，控制对象为温室，主要目标是实现温度的设定值显示、实际值实时测量及显示，温度超上限和低下限危险报警。

单片机连接的温度调节装置由软件与硬件电路配合来实现温度实时控制，显示可由软件控制并在数码管中显示。

比较采集到温度与设定值及上下限的大小，然后做出相应的反应，控制执行机构是否降温或升温，判断警报与否。

第二章硬件系统总体方案设计

本次毕业设计以51系列单片机为核心对温度进行控制，使被控对象的温度稳定在某一指定数值上，允许有1℃的误差（不包括元件本身的制造引起的误差），键盘输入设定温度值，LED数码管显示温度值（实际的或设定的）。

基于上述要求，提出以下两种方案，下文是对两种方案的具体论述。

2.1硬件系统总体设计方案一

方案一如图2-1所示，此方案选用DS18B20芯片进行温度采集及模拟量与数字量之间的转换，并直接输出数字量，无需信号放大，且只占用一根口线，然后将其送数码管显示。

4X4矩阵式键盘，首先要对其进行键盘扫描，判断是否有键按下，如有键按下，要判断是那个键按下，确定键值，然后对其进行输入，把最后设定的温度值送给数码管进行显示。

如果对一个温度值已经设定完毕后，无需再按任何键即有效，如果温度值设定得不合理，可对温度进行重新设定，温度的上下限可由软件编程设定，这样就完成了对温度的总体设置。

对于数码管显示模块，采用了动态显示的方法，在程序的设计中也相应的采用动态显示方法对其进行编写。

首先把设定的（或采集到）数据的十进制数进行字节拆分，分别求出要显示个位数、十位数、百位数（显示实际温度时，还要求出十分位），然后将其送至数码管显示。

显示设定值还是实际值，可由按键进行切换。

对于温度控制模块，首先是把采集的数据和设定的温度上下限进行比较，如低于下限值或高于上限值，蜂鸣器警报，再把实际温度和设定的温度比较，决定加热与否以及加热时间的控制。

单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制，不需要向外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单。

信号的传递路线短，可以提高系统精度。

图2-1方案一框图

2.2硬件系统总体设计方案二

方案二如图2-2所示，采用AT89C51作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用电阻丝进行加热。

此方案简易可行,器件的价格便宜,且ADC0809是8位的模数转换,测温围是0-800℃，误差为0.5%,即分辨率为1/200，而ADC0809的分辨率为1/256，故能满足本题目的精度要求。

系统要有温度设定部分，由于8051的接口不够的问题，所以对其进行接口扩展，采用最常用的8255并行接口芯片对其扩展，采用4×4矩阵式键盘接在8255的A口和B口，键盘中有0到15之间十六个数字键，对温度的显示采用三个数码管对其进行显示，分别是百位、十位、个位。

且系统设置报警装置，使用户能够实时知道温度是否在所设定所的围。

控制电路部分采用MOC3041控制可控硅的通断以实现对温室温度的控制。

图2-2方案二框图

2.3硬件系统的方案选择

两种方案的区别在于温度的采集部分，由上可知，DS18B20相对于AD590在此系统的优势相当明显，节约单片机的I/O口线，数据传送路径短，精确度高，节约成本，故选用方案一。

此方案以单片机为该系统的控制核心。

温度的检测部分使用了DS18B20、AT89C51单片机及数码管的硬件电路完成对室温的实时检测与显示，通过4×4键盘设定温室的温度，比较温度的设定值与实测值的大小，然后由单片机发出信号，控制光电耦合器和双向可控硅导通与否，由此控制PTC加热器的通断，实现对温室温度的恒温控制。

因为温室的温度波动比较小，故不必采用软件滤波对温度进行平滑控制。

报警部分采用一个3V的有源蜂鸣器，