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恒温控制器毕业设计
摘要
随着科技的不断进步，在工业生产中温度是常用的被控参数，而采用单片机来对这些被控参数进行控制已成为当今的主流。
本设计主要介绍以AT89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。
温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。
文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：
温度传感电路、温度控制电路、PC机与单片机串口通讯电路和一些接口电路。
单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。
通过测试表明，本设计对温度的控制有方便、简单的特点，从而大幅提高了被控温度的技术指标。
关键词：
AT89S51单片机DS18B20温度芯片温度控制串口通讯
Abstract
Asthetechnologyadvancesinindustrialproductioninthetemperatureischargedwithcommonparameters,andtheuseofthosechargedwithSCMtotheparametersofcontrolhasbecomethemainstream.
Thisdesigntakeat89S51monolithicintegratedcircuitascoretemperaturecontrolsystem'sprincipleofworkanddesignmethod.ThetemperaturesignalbythetemperaturechipDS18B20gathering,andtransmitsbydigitalsignal'swayforthemonolithicintegratedcircuit.Inthearticleintroducedthiscontrolsystem'shardwarepart,including:
Temperatureexaminationelectriccircuit,temperature-controlcircuit,PCmachineandmonolithicintegratedcircuitserialportcommunicationchannelandsomeinterfacecircuit.
Themonolithicintegratedcircuitthroughcarriesoncorrespondingprocessingtothesignal,thusrealizesthetemperaturecontrolgoal.Passedthetestsshowthatthedesignofthetemperaturecontrolisconvenientandsimplecharacteristics',thusgreatlyraisingthetemperaturewascharged
withthetechnicalindicators.
Keywords：
AT89S51MonolithicIntegratedCircuit；DS18B20TemperatureChip；TemperatureControl；SerialPortCommunication
引言1
第一章绪论2
一、恒温控制器的研究目的.2
二、恒温控制器的设计背景和发展现状.2
三、单片机的发展现状以及未来趋势.3
第二章系统设计任务及要求4
一、系统设计任务.4
二、系统设计的基本要求.4
第三章系统的硬件设计5
一、电路的总体工作原理.5
二、参数采集模块设计.6
1.温度传感器DS18B2C芯片介绍与运用6
2.DS18B20的测温原理7
三、主控制模块设计9
四、温度控制电路的设计10
五、键盘电路的设计11
六、显示电路的设计12
第四章系统的软件设计14
一、系统的主程序设计14
二、程序代码（详见附录程序清单）15
第五章系统的控制16
一、温控电路及报警电路的控制16
17
18
19
19
19
20
错误！
未定义书签。
二、LCD显示电路的控制
三、使用说明.
第六章电路问题分析
第七章全文总结
一、经济效益分析.
二、社会效益分析.
致谢
参考文献
附录
引言
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、材料、电力电子等。
常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同。
在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。
这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。
传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。
控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。
而采用数字温度传感器DS18B20因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。
数字温度传感器DS18B2C只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。
由于DS18B2C芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把温度传感器DS18B20故成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。
第一章绪论
一、恒温控制器的研究目的
温度是工业生产和科学实验中的重要参数之一。
在化工、冶金、医药、航空等领域里，对温度控制的效果直接影响到许多产品的质量及使用寿命。
而在我们日常生产、生活中也经常涉及到控制温度的问题。
但是我们经常所用的测温元件大部分都是用热敏电阻来实现的，其过程需要比较多的外部硬件支持，软件调试复杂，制作成本高。
而采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便，简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制技术指标。
它可以对温度进行实时监测和控制，当温度高于设定的上限值或低于下限值时就会发出报警信号，因此被广泛应用于工业生产生活的多个方面。
所以恒温控制器的设计就有很高的理论研究价值和实际应用价值。
二、恒温控制器的设计背景和发展现状
温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。
即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。
在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。
对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。
为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。
现代信息技术的三大基础是信息采集控制（即温度控制器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。
温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升。
温度控制器是基于单片机开发的温度控制装置。
其主要功能是，根据用户设定温度与实际温度的差值来控制加热器等执行机构，从而改变温度至用户所需。
近些年来，因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统（DCS，个人电
脑（PC和可编程逻辑控制器（PLC，全球工业电子温度控制器市场增长缓慢。
随着我国电子温度控制器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。
了解国内外电子温度控制器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。
目前主要有模拟、集成机械式温度控制器和智能电子式温度控制器两大系列。
且国际上新型温度控制器正从模拟式向数字式、电子式；从集成化向智能化、网络化的方向发展。
在当今电子信息时代，电子自动化、信息采集控制在任何行业都是不可逆转的潮流，智能电子式温度控制器全面取代机械式温度控制器将在未来很短时间内实现。
三、单片机的发展现状以及未来趋势
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM只读存储器ROM多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCMMCUSOCE大阶段。
（1）SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功，奠定了SCM^通用计算机完全不同的发展道路。
（2）MCHP微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
（3）单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用
单片机的发展自然形成了SOC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOCK单片机应用系统设计会有较大的发展。
第二章系统设计任务及要求
一、系统设计任务
设计一个基于DS18B20的温度控制系统，配合硬件实现温度实时采集和自动调控,显示当前温度等功能，实现单片机的闭环控制系统。
该系统能在温度高于或低于设置的温度值时自动开启风扇或加热器驱动DS18B20使其温度在规定的值内。
二、系统设计的基本要求
1.实现单片机闭环控制系统：
系统内部能够自动调节。
2.自动启动风扇或加热器功能：
当DS18B20的温度高于设定的的最高温度时，系统能够自动的驱动风扇散热；当DS18B20的温度低于设定的最低温度时,系统能够自动的驱动加热管加热。
3.设置温度范围控制功能：
系统在设计过程中实现上下限温度的按键设置。
4.温度显示：
在整个系统中可以直观的显示当前的温度。
第三章系统的硬件设计
一、电路的总体工作原理
温度控制系统采用AT89S51八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3.1:
图3.1系统框图
根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机
AT89S51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。
选用数字温度传感器DS18B20,省却了采样/保持电路、运放、数/模转换电路以及进行长距离传输时的串/并转换电路，优化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统硬件成本。
该系统的总体设计思路如下：
温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到
AT89S51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符LCD。
检测范围5摄氏度到60摄氏度。
本系统除了显示温度以外还可以设置一个温度值，对所测温度进行监控，当温度高于或低于设定温度时，开始报警并启动相应程序（温度高于设定温度时，风扇开；当温度低于设定温度时，加热器开）。
中央微处理器AT89S51:
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，
片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，片内时钟振荡器，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
AT89S51单片机综合了微型处理器的基本功能。
按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的AT89S51单片机作为整个系统的控制器。
二、参数采集模块设计
1.温度传感器DS18B2C芯片介绍与运用
DS18B20是美国DALLAS公司生产的数字温度传感器芯片，具有结构简单、功耗小、体积小、抗干扰能力强、使用方便等优点。
可以在三根线上同时并联多个温度传感器，每台分机上可以连接多根电缆，每根电缆上可以并联几十个点，构成串行总线工作方式。
由于18B20芯片送出的温度信号是数字信号，因此简化了A/D转换的设计，提高了测量效率和精度；并且芯片的ROM中存有其唯一标识码，即不存在相同标识码的DS18B20,适合与微处理芯片构成多点温度测控系统。
综上，在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。
该芯片的物理化学性很稳
定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。
在o—100摄氏度时，最大线形偏
差小于1摄氏度。
该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制
图3.2DS18B20引脚分布图
引脚定义：
DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
2.DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理如图3.3所示。
用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期,内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。
计数器被预置到对应于-55C的一个值。
如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器的值增加，表明温度大于-55C。
同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。
然后计数器又开始计数直到0,如果门周期未结束，将重复这一过程。
斜率累加器用于修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器达到被测温度值。
预置］
I低温度系数掠荡亲1
I斜率廩加器］
irz
1
1
■
.1
f计数比较器_
r1
列减法计数器1|
|预置|
1
増力口
__温密令存尹1<—
1咽毗王iJU1
t停止
高温度至数振荡器
制减法计数器习須减到M
图3.3DS18B20的测温原理
VC5
VC5
4.7K
DS18B20
DS1
1
C1
31
22P
Y1
11.0592M
19
18
9
22P
C2
+5
丄
17
20
C3
106
U2
VCC
P00
P10
P01
P11
P02
P12
P03
313
P04
314
P05
315
P06
316
P07
317
P27
NT1
P26
NT0
P25
P24
T1
P23
T0
P22
P21
EA/VP
P20
XTAL1
XTAL2
RESET
RXT
RD
TXD
WR
ALE/PROG
GND
PSEN
AT89S51
15
14
40
2
3~
5
6~
7
8~
39
38
37
36
35
34
33
32
28
27
26
25
24
23
22
21
10
11
30
29
R1
8.2K
图3.4温度传感电路图
DS18B20有六条控制命令，如表3-1所示：
表3-1DS18B20控制命令
指令
约定代码
操作说明
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换
读暂存器
BEH
读暂存器9个字节内容
写暂存器
4EH
将数据写入暂存器的THTL字节
复制暂存器
48H
把暂存器的THTL字节写到E2RAM中
重新调E2RAM
B8H
把E2RAM中的THTL字节写到暂存器THTL字节
读电源供电方式
B4H
启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU
CPU对DS18B20的访问流程是：
先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令,最后对存储器操作，数据操作。
三、主控制模块设计
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEI公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，
芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下
特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM，32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIPTQFF和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
由于系统控制方案简单，数据量也不大，考虑到电路的简单和成本等因素，因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控芯片。
主控模块采用单片机最小系统是由于AT89S51芯片内含有4kB的E2PROM无需外扩存储器,电路简
单,并且价格低廉
14
33貂3T
3B
35
34
33
32
31
30
23
2&
21
15
2B
18
25
IT
24
IS
23
19
22
20
21
P1,0
Fl.1
PL2
F1,3
F1.4MD3I/PL5MIS0ZP1.6SCK/P1.7
RSTRXE/P3.0TXD/P3.1rMT0/P3.2fNTl/P3.3T0/P3.4T1/P3.5®/P3r6
SC/P3.7
XTAL2XTAL1PDIPG-lID
□Vcc
□PO.0/AEO
□PO.1/AD1
□PO.2MD2
□PO.3/AD3
□P0.4/AD4
□PO,5ZAD5
□PO.&/AD6
□PO.7/ADT
□EA/VFF
□ALE/FROQ
□PESF
□P2.7ZA15
□P2.6/A14
JP2.5/A13
□P2,4/A12
□P2.3/A11
□P2.2/A1O
□P2”l〃9
□P2.0/A8
图3.5AT89C51
VC5
四、温度控制电路的设计
U2
R12
470
VC5
VCC
40
POO
39
Ti
P10
PO1
■38
P11
P02
37
P12
P03
36
P13
P04
35
P14
P05
34
P15
P06
33
P16
P07
P17
P27
28
R5
5
6
8
INT1
INTO
P26
P25
P24
27
26
加热
Q1
C9012
R11
470
电风扇
Q2
C9012
GND
GND
_ii.14
22P
1Y1
31
11.C592M
19
C2
T
18
―IP
-Ji
9
C1
15
EA/VP
XTAL1
XTAL2
RESET
22P
T1
TO
P23
P22
P21
P20
24
23
21
Rd
WR
GND
AT89S51
R1
82K
17勺
20
RXT
TXD
ALE/PROG
10
30
PSEN
VCC
D1
LED
U1
BUZZER
Q3
C9012
GND
实际电路如图2.4所示,通过键盘设定温度的上下限。
把实际测量的温度和设定
的上下限进行对比,来控制PO.O、P0.1、P0.7端口的高低电平。
把PO.O、P0.1、P0.7端口分别与三极管的基极连接来控制温度和报警。
当测量的温度超过了设定的最高温度,P2.2由高电平变成低电平，就相当于基极输入为“0”这时三极管导通推动风扇和控制电路工作，反之，当基极输入为“T时，三极管不导通，报警器和控制电路都不工作。
只要控制单片机的P0.0、P0.1、P0.7口的高低电平就可以控制模拟电路的工作。
五、键盘电路的设计
如图2.6所示，用AT89S51的并行口P1接4X4矩阵键盘，以P1.0-P1.3作输
入线，以P1.4-P1.7作输出线；液晶显示器上显示每个按键的“0-F”序号。
对应的按键的序号排列如图3.5所示：
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
rc|
D
E
F
图3.7按键的序号排列图
图2.6中微处理单元是AT89S51单片机，X1和X2接12M的两脚晶振,接两个30PF的起振电容，J1是上拉电阻.单片机的P1口8位引脚与行列式键盘输出脚相连，控制和检测行列式键盘的输入.行线通过上拉电阻接到+5V上,无按键按下时，行线处于高电平状态；有键按下时，行线的电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定.
键盘输入的信息主要进程是
1CPU判断是否有键按下.
2确定是按下的是哪个键.
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