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基于单片机的温度控制系统设计
Preparedon24November2020
基于单片机的温度控制系统设计
毕业设计说明书（论文）
作者:
学号：
教研室:
电气自动化教研室
专业:
电气自动化技术
题目:
基于单片机的温度控制系统设计
指导者：
评阅者：
2013年5月
毕业设计（论文）评语
学生姓名：
班级、学号：
题目：
综合成绩：
指导者评语：
该生能按时完成毕业设计（论文）任务书规定的工作，积极查阅有关文献资料，设计态度端正，能独立思考并解决有关技术问题，论文符合学校规定的格式，写作的规范化程度好。
设计方案可行，有一定的创新性，如果再多参考一些外文资料，将会更加完善。
建议成绩评定为，可以提交答辩。
指导者（签字）：
2013年5月15日
毕业设计（论文）评语
评阅者评语：
评阅者（签字）：
年月日
答辩委员会（小组）评语：
答辩委员会负责人（签字）：
2013年5月20日
毕业设计说明书（论文）中文摘要
文献综述
摘要本设计用AT89C51单片机实现房间的恒温控制。
该系统由温度检测模块、温度显示模块、标准温度设定以及温度控制模块组成。
温度检测模块是将DS18B20温度传感器对温度进行测量所传出的数字信号利用单片机进行读取和处理；温度显示模块用四位LED数码管显示，温度显示的精度为度；温度设定模块用三个按键进行房间标准温度值的输入；温度控制是根据房间的实际温度与设定的标准温度之间的差值来调节可变脉宽（PWM）的宽度，从而控制可控硅的导通或截止的时间实现系统的恒温控制。
本设计的相关软件编程由汇编语言实现，与硬件电路相辅相成，很好实现了系统的功能。
本温度控制系统实现简单，经济有效，能够达到良好的温度控制效果。
本系统操作简单，实用性强，成本低廉，在实际生产生活中可以广泛应用。
关键词AT89C51单片机温度传感器DS18B20恒温控制
可变脉宽（PWM）
1绪论
温度控制系统研究的目的和意义
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。
随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化是现代温度控制系统发展的主流方向。
特别是近几年来，温度控制系统早已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又与人们息息相关的一个世纪问题。
针对这种实际情况，设计一个温度控制系统具有广泛的应用前景与意义。
本设计为房间温度控制系统设计，控制的对象是房间温度。
温度控制在日常生活及工业领域应用十分广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。
而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视。
其实在很多场所温度都需要得到很好的控制。
针对这一问题，本系统设计的目的是实现可以根据设定温度进行自行调节的系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。
温度控制系统研究概况
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。
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。
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，才掌握了温度室内微机控制技术，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。
温度传感器技术
传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术。
计算机和通信技术发展极快，相当成熟，而传感器应用技术因为需要使用模拟技术，而模拟技术还有很多问题难以解决，因此传感器应用技术也有待进一步发展。
为了适应现代科学技术的发展，世界总舵国家都把传感器技术列为现代的关键技术之一。
通常将能把非电量转换为电量的器件称为传感器，其实质上是一种功能块，作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。
它是实现测试与自动控制系统的首要环节。
如果没有传感器对原始参数进行精确可靠地测量，那么无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制都将无法实现。
温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之手。
温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：
传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要输能够进行非电量和电量之间的转换；模拟集成温度传感器/控制器；智能温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化、智能化及网络化的方向发展。
温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器两大类，其中，接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这个示值即为被测对象的温度。
这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。
但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。
非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。
常用的是辐射热交换原理。
此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。
温度传感器的发展大致可分为以下几种：
（1）热电偶传感器。
热点偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50℃～1600℃进行连续测量，特殊的热电偶如金,铁,镍,铬最低可测到-269℃，钨,铼最高可达2800℃。
（2）模拟集成温度传感器。
采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。
模拟集成温度传感器的主要特点是：
功能单一、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
（3）光纤传感器。
光纤测温技术可分为两类:
全辐射测温法，单辐射测温法，双波长测温法，多波长测温法等。
特点是：
光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低，无论是就地使用或远传均十分方便而且光纤直径小，可以单根、成束、Y型或阵列方式使用，结构布置简单且体积小。
缺点是：
测量起来困难,难于实现较高的精度，工艺比较复杂,且造价高，推广应用有一定困难。
（4）半导体吸收式光纤温度传感器。
半导体吸收式光纤温度传感器是利用了半导体材料的吸收光谱随温度变化的特性实现的。
一种传光型光纤温度传感器，是指在光纤传感系统中，光纤仅作为光波的传输通路，而利用其它如光学式或机械式的敏感元件来感受被测温度的变化。
在这类传感器中，半导体吸收式光纤温度传感器是研究得比较深入的一种。
（5）智能温度传感器。
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。
随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。
其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635等。
相比较而言，传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。
数字式温度传感器的种类也不少，并且在实际工程设计中具有上述诸多优点。
2系统总体方案设计
方案论证
方案一：
本课题的初步设计方案是通过控制调功电路的导通比，来实现对被调对象的控制，由图1可见，负载是加热器件，而过零触发电路是由锯齿波发生，信号综合，直流开关，同步电压与过零脉冲输出5个环节组成。
如下图所示:
图方案一电路图
图为第一个设计方案，该方案的工作原理简述如下：
（1）锯齿波是由单结晶体管BT和R1，R2，R3，W1和C1组成的张驰震荡产生，然后经射极跟随器V1、R4输出。
（2）控制电压（Uk）与锯齿波电压进行电流叠加后送到V2的基极，合成电压为Us，当Us>0（）时V2导通，Us<0，则V2截止。
（3）由V2、V3以及R8、R9、DW1组成一直流开关，当V2基极电压Ube2>0，V2导通，Ube3接近零电位，V3截止，直流开关导通。
输出24V直流电压。
（4）过零脉冲的输出，由同步变压器TB，整流桥D1及R10，R11组成一削波同步电源，这个电源与直流开关的输出电压共同去控制V4与V5。
只有当直流开关导通期间，V4截止，V4、V5基电极和发射极之间才有工作电压，才能工作在期间，同步电压每次过零时，V4截止，其集电极输出正电压，使V5由截止转导通，经脉冲变压器输出触发脉冲而此脉冲使晶闸管T在需要导通的时刻导通。
在直流开关导通期间使出连续的正弦波控制电压Uk的大小决定了直流开关导通时间的长短，也就决定了在设定周期内导通的周波数，从而可输出功率的调节。
显然，控制电压Uk越大，则导通的周波数就越多，输出的功率也就越大，电阻炉的温度也就越高，反之，电阻炉的温度就越低。
闭环控制自动调温的基本指导思想是在系统中增设温度传感器和温度调节器，温度传感器的基本功能是检测电炉的实际温度，并变换成电压讯号和炉温控制电压Uk进行比较，根据两者差值的大小（Δe=Uk-Uft）和变化方向（即△e为正还是为负），通过调节器进行相反方向的调节，使调节器的输出控制直流开关导通时间的长短，从而使设定周期内晶闸管的导通周波数增大或者减小，相应的电炉温度升高一点或者减小一点。
采取这种控制方式，可以使炉温在较小的范围内变化，控制精度高。
方案二：
为了使得电路的简单化，采用单片机作为控制核心来设计本课题，温度信号采集使用温度传感器DS18B20，温度控制的基本思想为：
通过采集到的温度与标准温度之间的差值来控制加热电阻丝的通电时间长短，从而起到恒温控制的目的。
方案二的设计框图如下图所示：
图方案二设计框图
本方案采用单片机作为控制核心，使用温度传感器进行温度采集，通过将采集到的温度与标准设定温度之间的差值进行温度控制，从而使得温度维持在标准设定温度。
本方案设计成本低，具有具有较高的可靠性，对于系统动态性能与稳定要求不是很高的场合非常的合适。
系统功能介绍
本设计是对房间温度进行检测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：
当温度低于设定的温度时，系统自动通过PWM启动加热装置，使温度上升。
当温度高于设定的温度时，停止加热。
三位数码管及时显示温度，精确到小数点后一位。
本文设计的温度控制系统具有如下功能：
（1）通过温度芯片DS18B20采集温度，并以数字信号的方式传送给单片机。
（2）四位数码管动态实时显示房间温度，显示精度。
（3）三个按键实现标准温度的设定。
（4）利用PWM实现温度的控制。
3系统硬件电路设计
图电路硬件图
此方案以AT89C51为核心，通过DS18B20检测房间温度，将信号传输至单片机，用四位LED数码管显示温度，同时通过将检测的温度与标准设定温度的偏差来控制电阻丝通断时间的长短，从而达到恒温控制的目的。
传感器接口电路设计
温度数据采集电路
DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下特性：
独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感器元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
温度范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率±℃；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC效验码，具有极强的抗干扰纠错能力；测量结果以9位数字量方式串行传送。
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
（1）系统的硬件虽然简单但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。
（2）在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂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。
当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决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。
（3）连接DS18B20的总线电缆有长度限制。
由于信号电缆本身存在电阻，距离过长时将导致信号衰减。
试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m。
DS18B20有PR-35和SOIC两种封装形式，管脚排列如表所示。
本系统选用PR-35封装形式。
DS18B20返回温度值虽然只有9位，如图所示。
管脚
管脚定义
说明
8脚SOIC3脚PR-35
21
GND
地
12
I|O
数据输入端
83
VCC
电源
34567
NC
空脚
表DS18B20管脚排列
图DS18B20温度值表示方法
D9为符号位，0表示正，1表示负，高字节的其他位（D10～D15）是以符号位的扩展位表示的；D0～D8为数据位，以二进制补码表示。
温度是以1/2℃LSB形式表示的。
表为数值和温度的关系。
温度
数据（二进制）
数据（十六进制）
+125
0000000011111010
00FAH
+25
0000000000110010
0032H
+
0000000000000001
0001H
0
0000000000000000
0000H
+
1111111111111111
FFFFH
-25
1111111111001110
FFCEH
-55
1111111110010010
FF92H
表DS18B20数值和温度的关系
因房间环境温度不能出现负温情况，因此本系统不考虑负温情况，这样，在硬件选取上可以考虑选用商业级器件，不必要选用工业级器件，可以大幅度降低成本。
因此单片机读取温度信息后，只需将低字节（D0～D8）送入上位机和控制电路即可。
LED显示接口电设计
本系统选用的是四位数码管动态实时显示房间温度，显示精度。
具体电路图如图：
图
AT89C51单片机
单片机选用ATMEL公司的可在线编程的AT89C51，用于温度采集及数据通讯。
AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8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AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89C51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。
AT89C51有3个并行I/O端口，P0:
～、～、～。
P0端口在没有片内存储器时，可以作为普通I/O口使用，外接存储器时作为地址线/数据线使用。
P1端口可以作为普通I/O口使用，同时、、～还具备特殊功能，如表所示。
P2端口在没有片外存储器时，可以作为普通I/O口使用，外接存储器时作为高8位地址使用。
引脚
特殊功能
T2:
定时器|计数器2的外部计数器输入
T2EX:
定时器|计数器2的捕捉|重载触发及方向控制
MOSI:
用于在线编程（ISP）
MOSI:
用于在线编程（ISP）
SCK:
用于在线编程（ISP）
表AT89C51P1端口的特殊功能
引脚
特殊功能
RXD（串行口输入）
TXD（串行口输入）
INT0（外部中断输入0）
INT1（外部中断输入1）
T0（定时器0外部输入）
T1（定时器1外部输入）
WR（外部数据存储器写控制）
RD（外部数据存储器读控制）
表AT89C51P3端口的特殊功能
单片机在本房间温度监控系统中主要用于通讯及温度采集。
接DS18B20
图单片机最小系统
LED数码管
LED显示器即为发光二极管显示器，具有显示醒目、成本低、配置灵活、接口方便等特点，单片机应用系统中常用它来显示系统的工作状态和采集的信息输入数值等。
LED显示器按其发光管排布结构的不同，可分为LED数码管显示其和LED点阵显示器。
LED数码管主要用来显示数字及少数字母和符号，LED点阵显示器可显示数字、字母、汉子和图形等。
LED点阵显示器虽然显示灵活，但其占用的单片机系统软件、硬件资源远大于LED数码管。
因此除专门应用大屏幕LED点阵显示或有特殊显示要求场合外，几乎所有单片机应用系统都采用LED数码管显示。
本系统选用的是LED数码管显示器。
数码管显示器有两种工作方式，即静态显示方式和动态显示方式。
静态显方式程序非常简单，占用CPU时间资源很少，只是在显示字符改变时调用一下显示程序。
但硬件电路繁多，每个数码管需要一个8位I/O口、一个8位驱动、8个限流电阻。
一般用于数码管位数较少的场合。
LED静态显示由于使用的元器件较少，在数码管显示器较多的场合，电路显得烦琐，为了简化线路，减低成本，本系统选用的是动态扫描显示方式。
温度控制电路的设计
图
通过调节脉冲宽度来控制双向可控硅的通断。
当脉冲宽度变宽（占空比增大）时，双向可控硅的导通时间延长，电阻丝加热时间延长从而使温度升高。
反之脉冲宽度变窄（占空比减小）时，双向可控硅的导通时间缩短，电阻丝的加热时间缩短使得温度降低。
以此方法来控制温度的恒定不变。
4脉宽调制
脉宽调制的介绍
PWM就是的英文缩写，方波高电平时间跟周期的比例叫占空比，例如1秒高电平1秒低电平的PWM波占空比是50%
PWM是开关型稳压电源中的术语。
这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。
脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。
脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
基本原理
随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：
相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。
模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。
9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。
与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。
模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。
模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。
在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。
拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。
与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。
尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。
其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。
能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。
模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。
模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。
通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。
此外，许多微控制器和已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。
脉宽调制信号的设计思想
本课题的脉宽调制信号是设定周期为1s矩形波。
它的产生将定时计数器设定在10ms定时，后通过寄存器R3来控制脉宽调制信号的周期，本课题只是达到一种模拟的效果，在精确上没有过高的要求，因此将1s周期分成100等份，即设定定时器的定时为10ms，R3中启动定时器的次数100。
寄存器R2中存放的数据是根据检测电路和控制电路转换过来的一个数，R2中存放的数值的大小用于控制脉冲信号，在1s内高电平的时间长短。
这样可以从口检测到定周期脉冲可调的控制信号。
脉宽调制信号的作用
可控脉冲
脉宽调制信号由口输出将口输出的矩形波信号接于双向可控硅的控制端来控制可控硅的通断。
当矩形波在一个周期内高电平的时间越长，双向可控硅的导通时间越长，即发热元件上发出的热量也越多。
总之，发热元件上释放出能量的高低由矩形波在一个周期内高电平的时间长短所决定的。
脉冲宽度调制优点
PWM的一个优点是从处理器到信号都是数字形式的，无需进行。
让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。
从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。
在接收端，通过适当的或网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程
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