基于单片机的温度监控系统.docx
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基于单片机的温度监控系统
基于单片机的温度监控系统
摘要：
温度控制在各个行业运用广泛，在化工、冶金、医药、食品和实验室等众多领域里都有涉及。
温度的高低直接影响到产品的质量及使用寿命，因此在实际应用中对温度都要求严格控制，对于温度的精确度和稳定性均有较高的要求。
随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实。
其中以单片机为核心对温度进行控制简单直接、精度高、控制灵活、成本低。
本系统是以AT89S52单片机为主控制单元，并采用数字温度传感器DS18B20采集现场温度数据而设计的远程温度控制系统。
该系统具有对监控对象温度的实时采集并显示；按键设置上、下限温度值；超出设定温度范围，自动报警并能通过外部设备控制温度等功能。
该系统结构新颖，电路简单，控制方便。
关键词：
单片机；DS18B20；温度检测；温度控制
TemperatureMonitoringSystemBasedonSingle-chipMicrocomputer
Abstract：
Temperaturecontrolisusedwidelyinindustryandchemical,metallurgy,medicine,foodandlaboratory,manyareasareinvolved.thetemperatureofadirectimpactonthequalityoftheproductandservicelife,soinactualusageisstrictlycontrolthetemperaturerequiredfortheaccuracyandstabilityarehigher.thetheoryandelectroniccontroloftechnologyandindustrialcontroloftheabilitytoenhanceandhighlyintelligentisgraduallybecomingareality.oneofamonolithicintegratedcircuitstocontrolthetemperatureastraightforward,highprecision,flexibilityandcontrolthecostswerelow.
Thissystemismainlycontrolledbyat89s52monolithicintegratedcircuits,andthetemperaturesensorsds18b20thedigitaldatacollectedfromthedesignofaremotecontrolsystem.thetemperatureofthesystemformonitoringtheobjectofthecollectionanddisplaythetemperatureofthereal-time；buttonsetstheminimumtemperatureandisbeyondthescopeand；setthealarmandtotheperipheraldevicesundercontrolthetemperatureandotherfeatures.Thesystemstructureandsimple,andthecontrolcircuitfor
Keywords：
Microcontroller;TDS18B20;Tmeasure;Temperaturecontrol
第1章绪论
1.1概述
温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。
自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。
在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。
因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。
在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。
为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的，例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。
根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。
另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。
因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。
特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。
这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。
同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标温度，对控制效果的影响也是很大的。
鉴于上述这些特点，高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。
下面就简要的讨论一下温度测控技术的发展与现状。
1.2温度测控技术的发展与现状
近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。
温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。
在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是:
简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度,但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。
另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是:
不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。
但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。
因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。
温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类:
动态温度跟踪与恒值温度控制。
动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。
在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某允许值。
本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。
从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种:
1.2.1定值开关控温法
所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置（或冷却装置）进行通断控制。
若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。
这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。
目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。
由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。
1.2.2PID线性控温法
这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。
由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。
其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。
前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。
其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。
采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（比例值、积分值、微分值）。
只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。
但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。
1.2.3智能温度控制法
为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，如PID参数的自学习，自整定等等。
并通过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。
智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。
其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。
尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。
目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。
所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。
目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。
这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。
1.3系统总体设计方案
本设计的温度测量及加热控制系统以AT89S52单片机为核心部件，外加温度采集电路、温度显示电路、加热控制电路和越限报警等电路。
采用单总线型数字式的温度传感器DS18B20，及行列式键盘和动态显示的方式，以容易控制的固态继电器作加热控制的开关器件。
本作品既可以对当前温度进行实时显示又可以对温度进行控制，以使达到用户需要的温度，并使其恒定在这一温度。
人性化的行设计使设置温度简单快速，两位整数一位小数的显示方式具有更高的显示精度。
建立在模糊控制理论上的控制算法，使控制精度完全能满足一般社会生产的要求。
通过对系统软件和硬件设计的合理规划，发挥单片机自身集成众多系统级功能单元的优势，在不减少功能的前提下有效降低了硬件成本，系统操控简便。
1.3.1系统性能要求及特点
（l）系统性能要求：
运用DS18B20温度传感器对温度进行采集；
运用LED显示温度；
能把温度控制在一定范围内；
模块化设计，安装拆卸简单，维修方便；
系统可靠性高，不易出故障；
尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。
（2）系统特点：
鉴于上述系统功能要求以及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。
本系统在硬件设计方面具有如下特点：
控制主板采用AT89S52作为核心芯片；作为与MCS-51系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统的性能要求。
运用DS18B20温度传感器对温度进行采集，运用LED显示温度。
通过继电器来控制温度。
整个系统遵循了冗余原则及以软代硬的原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。
系统扩展和配置在满足功能要求的基础上留有适当裕量，以利于扩充和修改。
1.3.2系统硬件方案分析
目前，温度控制的硬件电路一般采用模拟电路（AnalogCircuit）和单片机（Microcontroller）两种形式。
模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。
它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。
根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。
在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。
另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。
单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。
它是把中央处理单元CPU（CentralProfessingUnit）、随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）、定时/计数器以及1/0（InPut//OutPut）输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是：
功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。
由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。
另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，片上系统SOC（SystemOnChip）得到了十足的发展。
一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种SOC芯片应用到先进的控制仪表中。
SOC芯片通常含有一个微处理器核（CPU），同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器（RAM和ROM），并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。
它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。
从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，SOC是实现温度控制系统的最佳选择，但目前市场上SOC的价格还比较昂贵，并且SOC的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。
从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。
目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。
AT89S52单片机是ATMEL公司出品的与MCS-51系列兼容的低电压、高性能Cross位单片机。
本系统是以AT89S52为核心器件组成的控制系统。
此外，在选取外围扩展芯片时，本着节约成本的原则，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片及器件。
1.3.3系统软件方案分析
目前，MCS-51单片机的开发主要用到两种语言:
汇编语言和C语言。
与汇编语言相比，C语言具有以下的特点：
（l）具有结构化控制语句
结构化控制语言的显著特点是代码和数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。
这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护及调试;
（2）适用范围大和可移植性好
同其他高级语言一样，C语言不依赖于特定的CPU，其源程序具有良好的可移植性。
目前，主流的CPU和常见的MCU都有C编译器。
加之集成开发环境KEIL编译生成的代码效率很高（仅比汇编语言生成的代码效率低10%-15%）。
所以，本系统选择使用C语言开发。
由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，故要求整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软件结构。
第2章系统元件简介
2.1单片机简介
2.1.1单片机
单片机到底是什么呢？
就是一个电脑，只不过是微型的，麻雀虽小，五脏俱全：
它内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机，排烟罩VCD等等的家电里面都可以看到它的身影。
它主要是作为控制部分的核心部件。
它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板。
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？
很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？
原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。
一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸。
对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。
单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。
一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。
英特尔）生产的，89C51是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的，其内核兼容MCS-51单片机。
2.1.2单片机的应用领域
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
（1）在智能仪器仪表上的应用
片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
（2）在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
（3）在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
（4）在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
（5）单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
2.1.3AT89S52简介
DS18B20引脚图如图2-1所示
图2-1DS18B20引脚图
主要性能：
●MCS-51单片机产品兼容
●K字节在系统可编程Flash存储器
●1000次擦写周期
●全静态操作：
0Hz～33Hz
●三级加密程序存储器
●32个可编程I/O口线
●三个16位定时器/计数器
●八个中断源
●全双工UART串行通道
●低功耗空闲和掉电模式
●掉电后中断可唤醒
●看门狗定时器
●双数据指针
●掉电标识符
功能特性描述：
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，片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AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，AT89S52具有如下特点：
40个引脚，8kByteslash片内程序存储器，256bytes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，AT89S52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PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
2.2DS18B20简介
2.2.1DS18B20的性能特点
DS18B20数字温度计是DALLAS公司半导体公司最新推出的一种单线改进型智能温度传感器。
与传统的热敏电阻等测温度元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9—12位的数字读书方式。
而且单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
2.2.2DS18B20产品的特点
（1）只要求一个端口即可实现通信。
（2）多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能。
（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
（4）测量温度范围在－55。
C到＋125。
C之间。
（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
（6）内部有温度上、下限告警设置。
（7）不需要外部器件，零待机功耗。
（8）用户可以的非易失性温度报警设置。
（9）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度。
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