基于单片机控制的水温控制系统的方案设计书正文.docx
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基于单片机控制的水温控制系统的方案设计书正文
现在的电子产品朝着密集型发展，而电子产品的温度特性普遍比较差，这就对温度的自动控制提出了新的要求。
如果采用国外进口的温度检测与自控系统，虽然性能较好，但是结合国情，其价格相当昂贵，又全是英文，推广起来比较困难[2]。
基于以上问题，本论文设计出一个温度传感器，配合单片机计算机系统，从软件的编制上实现对各外围硬件的控制，最终实现对水温的自动控制。
在硬件的设计上，所有的元器件都采用了通用型产品，使得设计出来的产品及维修都相当方便，可以有效地降低成本，同时另外一点就是能用软件实现的功能尽量选用软件进行操作，更加突出了产品的简单性和高可靠性。
2.1系统设计技术指标
本设计水温设定由人工设定，温度设定范围为40-90℃，最小区分度为1℃,标定温差≤1℃；环境温度降低时，温度控制的静态误差≤1℃；用十进制数码管显示水的实际温度；采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到90℃）时，减小系统的调节时间和超调量。
2.2方案的选择与论证
根据任务和测量控制现象以及现有的条件，现提出了以下两个方案。
方案一：
采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。
由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码显示和键盘设定[3]。
方案二：
此方案采用了AT89C51单片机为核心，采用温度传感器DS18B20进行温度采集，用继电器控制加热，使其达到电路简单、可靠的目的。
使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。
将两个方案比较便可以得出一个结论，方案二明显的改善了方案一得不足及缺点，并具有控制简单，控制温度精度高的特点。
因此本设计电路采用方案二。
2.3系统总体方案设计
本系统的电路设计方框图如图2-1所示，它由七部分组成：
①控制部分主芯片采用单片机AT89C51；②显示部分采用3位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示；③温度采集部分采用DS18B20温度传感器；④加热控制部分采用继电器电路；⑤时钟电路；⑥复位电路；⑦单列3按键键盘输入设定温度值。
图2-1系统设计方框图
2.3.1温度传感器DS18B20简介
温度传感器是整个控制系统获取被控对象特征的重要部件，它的特性直接影响系统的精度。
美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS1820,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理，是最新的“一线器件”[4]。
它具有体积小、适用电压宽、经济、实用、线性度很好，精度较高且其本身已经进行了校正，使用时不需再进行调整等特点。
本设计采用DS18B20作为智能温度传感器，采集的数据以“一线总线”的数字方式传输直接送到单片机中，同时可传送CRC校验码，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。
DS18B20的特性有：
温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路；电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作等。
以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统，性能价格比也非常出色[5]！
因此选择DS18B20作为本电路的温度传感器。
其外部结构如图2-2所示[6]。
图2-2DS18B20外部结构
DS18B20的引脚及特性：
GND：
接地；
DQ：
数据输入／输出脚（单线接口，可作寄生供电）；
VDD：
为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
DS18B20的内部结构：
1、64位光刻ROM。
开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，实现一线进行通信的目的。
64位闪速ROM的结构如图2-3所示。
图2-364位闪速ROM结构图
2、非挥发的温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限值；
3、高速缓存存储，可以设置DS18B20温度转换精度。
DS18B20温度传感器内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PRAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器。
前两个字节包含测得的温度信息，第三和第四字节是TH和TL的易失性拷贝，每次上电复位被刷新。
第五个字节为配置寄存器,它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余检验字节。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值，低五位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
2.3.2控制芯片AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除存储器可以反复擦除100次[7]。
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，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，其结构图及各管脚如图2-4所示。
图2-4AT89C51结构图
管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收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口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收、输出4个TTL门电流。
当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
当因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
当P2口用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
RST：
复位输入。
当振荡器复位期间时，要保持RST脚两个机器周期的高电平。
当51芯片通电，时钟电路开始工作，在RST引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM的状态。
各特殊功能寄存器初始状态如表2-1所示。
表2-1各特殊功能寄存器初始状态表
特殊功能寄存器
初始态
特殊功能寄存器
初始态
ACC
00H
B
00H
PSW
00H
SP
00H
DPH
00H
TH0
00H
DPL
00H
TL0
00H
IP
xxx00000B
TH1
00H
IE
0xx00000B
TL1
00H
TMOD
00H
TCON
00H
SCON
xxxxxxxxB
SBUF
00H
P0-P3
11111111B
PCON
0xxxxxxxB
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如果想禁止ALE的输出，可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当EA保持低电平时，只允许外部程序存储器（0000H-FFFFH）使用，不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式为“1”时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，只允许内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
反向振荡放大器的输出及内部时钟工作电路的输出。
振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
2.3.3键盘与LED数码显示电路简介
数码管由7个发光二极管组成,行成一个日字形,它们可以共阴极,也可以共阳极。
通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字。
数码管具有：
低耗能、低损耗、低压、寿命长耐老化，对外界环境要求低。
同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易、资源占用少。
说到七段数码管，它在家电及工业控制中有着很广泛的应用,例如用来显示温度、数量、重量、日期、时间等等，具有显示醒目、直观的优点，七段数码管是由7个独立的二极管采用共阴或共阳的方法连接而成。
通常将这7个独立的二极管做成a、b、c、d、e、f、g这7个笔划，数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字。
本电路采用三位LED7段共阴数码管分别显示温度的十位、个位和小数位，用单列3按键进行温度设定。
扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序的编写[8]。
其显示数字对应的二进制电平信号如表2-2所示。
表2-2显示数字对应的二进制电平信号
显示数字
a
b
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