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单片机的温度控制器毕业论文
摘要
本设计以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：
温度检测电路、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。
文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：
数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、超温报警程序。
关键词：
AT89C51单片机DS18B20温度芯片温度控制串口通讯
ABSTRACT
TheworkingprincipleanddesignmethodofthedesignAT89S51microcontrollerasthecoretemperaturecontrolsystem.ThetemperaturesignalbythetemperaturechipDS18B20acquisition,anddigitalsignalstransmittedtothemicrocontroller.Thispaperintroducesthehardwarepart,thecontrolsystemincludes:
temperaturedetectioncircuit,temperaturecontrolcircuit,PCandMCUserialcommunicationcircuitandsomeinterfacecircuit.SCMthroughcarriesoncorrespondingprocessingtothesignal,soastoachievethepurposeoftemperaturecontrol.Thispaperhasmainlyintroducedthesoftwaredesignpart,usesthemodularstructureinhere,themainmodule:
digitaltubedisplayprogram,keyboardscanningandkeyprocessingprocedure,temperaturesignalprocessingprocedure,relaycontrolprocedures,over-temperaturealarmprogram.
Keywords:
AT89S51microcontrollerDS18B20temperaturechiptemperaturecontrol,serialcommunication
第1章绪论
1.1课题的背景及意义
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然己经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。
成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少.随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家，企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。
目前，温度控制器产品从模拟、集成温度控制器发展到智能数码温度控制器。
智能温控器（数字温控器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结合，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种控制器，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平，现阶段正朝着高精度高质量的方向发展,相信以我国的实力，温控技术在不久的将来一定会为于世界前列！
1.2相关技术的发展概况
1.2.1温度调节系统构成
系统主要包括单片机控制模块，温度采集模块，温度显示模块，温度上下限调整模块，温度调整模块等五大部分。
系统总体框架如图1所示。
图1-1温度调节系统
1.2.2近年来国内温度调节系统的发展
1、温度控制器广泛应用于家用电器，主要为冰箱、冷柜、空调、饮水机、微波炉等制冷制热产品配置。
2、在工业园购地或新建厂房，增添设备，可年产温度控制器500万只。
目前国内市场价每只温度控制器11元，出口价每只2美元。
年产500万只温度控制器，年产值可达6000万元，年利润可达1500万元，投资回收期3.5年左右
3、目前国内温度控制器生产企业较少，仅广东、江苏、辽宁、江西各有一家规模稍大一点的生产厂家，他们的生产能力远远不能满足电子温度控制器市场的需求。
4、温度控制器不仅在国内市场销售顺畅，而且在国际市场也十分看好，特别是日本、意大利、美国等国家对温度控制器产品的需求量很大，出口前景十分乐观。
5、由于沿海发达地区产业的梯度转移，科龙集团已在南昌新建分厂，上海华意集团也与江西签订了投资意向，江西境内的昌河集团微型汽车规模日益壮大，汽车、空调用温度控制器需求量也必将增大。
1.2.3近年来国外温度调节系统的发展
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）。
工业电子温度控制器全球市场的增长率在2003年为3.6%，2004年为3.5%，2005年为2.5%。
预计2006年全球市场的增长率仅为1.2%，而预测2010年的综合年度增长率（CAGR）仅为0.7%。
欧洲和北美工业电子温度控制器市场受到这一趋势的影响最大。
这两个较大地区的市场预计将在2010年出现负增长。
然而，亚太市场，较小的拉丁美洲和其他地区的市场预计仍将保持增长。
中国作为一个主要的制造中心和工业电子温度控制器市场的崛起是这一增长的驱动因素。
OEM厂商以及众多的终端工业厂商已经开始转移到中国大陆，以获得低成本的劳动力和原料优势。
日本经济的复苏同样推动该地区走出了停滞发展时期。
OEM厂家和主要终端工业公司将制造业务向中国的转移，以及温度控制器价格的下降，是欧洲和北美工业电子温度控制器市场预测下降的主要原因。
此外，许多位于欧洲和北美的工业电子温度控制器供应商已经表明一旦准备充分，他们将很快在中国展开他们的制造工业电子温度控制器业务。
通过在中国生产电子温度控制器，供应商不但可以获得更便宜的劳动力和原料的竞争优势，而且他们这样更接近主要的发展市场。
1.3本文研究内容
本文重点对该系统的硬件、软件进行分析设计。
在硬件上对各部分电路一一进行了理论分析与方案论证进行了设计，介绍了DS18B20数字温度传感器在单片机下的硬件连接及软件编程，并给出了软件流程图，最终设计完成了该系统的硬件电路。
在软件设计上根据硬件电路和该温度采集系统所需要实现的功能，经过反复的模拟运行、调试、修改，最终完成了该系统的软件设计。
通过硬件与软件的密切配合，最终设计完成达到了题目所要求的功能。
本设计采用的是AT89C51单片机，对多点温度进行采集。
通过集成温度传感器DS18B20将温度值转换为电量输出。
通过键盘实现增加或减少温度上下限模式的切换；可以利用键盘设定温度的最大值和最小值，当温度高于设定的上限值时，单片机停止加热器加热，同时点亮上限指示灯，当温度低于设定的下限时，单片机启动加热器加热，同时点亮下限指示灯。
在软件上进行主程序和子程序的编程，使该温度控制系统实现智能化发展，精度更高。
第2章控制器方案
2.1控制器方案设计
系统的原理是采用温度传感器对温度进行控制，并把温度状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中，再通过3位八段LED显示器显示出温度的测量值及报警安全提示。
用LED显示是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点，根据当前的温度值和用户设定的温度值决定是否增加或减少温度。
检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，温度增加；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，温度降低。
图2-1硬件电路设计图
2.2控制器功能及原理
2.2.1控制器的基要求及本功
本设计的目的是以单片机为核心设计出一个温度采集系统。
通过本课题设计，综合运用单片机及接口技术、微机原理、微电子技术，锻炼动手操作能力，综合运用能力，学习论文的写作方法和步骤。
设计的温度控制器有以下功能要求：
1.选择温度传感器，设计硬件线路和仪表的外观。
2.编制控制程序。
3.要求面板按键、菜单设置合理。
4.上下限报警采用继电器接点输出。
5.采用最小系统，最小的外形。
6.量程和传感器参数设置。
7.编制使用说明书等资料。
8.本设计利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度控制系统，文中传感器理论单片机实际应用有机结合，简单讲述了利用新型芯片探测环境温度的过程，以及实现模数转换的原理过程。
通过对本设计，提高我对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用
2.2.2控制器原理图
所设计系统的原理图共分为七大模块：
主模块、指示灯、加热器启动或停止模块、温度的测量模块、键盘模块、报警模块和电源设计模块。
如下图2-2所示。
图2-2控制原理图
2.3主要芯片概述
2.3.1单片机AT89C51
1．AT89C51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。
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。
2．功能特性：
兼容MCS-51指令系统32个双向I/O口
2个16位可编程定时/计数器，全双工UART串行中断口线，2个外部中断源，中断唤醒省电模式，看门狗（WDT）电路，灵活的ISP字节和分页编程，4k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM，4.5-5.5V工作电压，时钟频率0-33MHz128x8bit内部RAM，低功耗空闲和省电模式，3级加密位软件设置空闲和省电功能。
3.系统中所用一些引脚的简介
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。
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.3.2数字温度传感器DS18B20
1*温度传感器
1、适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电.
2、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
3、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
4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内
5、温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
6、可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温
7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快
8、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校验码，具有极强的抗干扰纠错能力
9、负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
2*DS18B20的外形和内部结构
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的外形及管脚排列如下图:
DS18B20引脚定义
（1）DQ为数字信号输入/输出端；
（2）GND为电源地；
（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
图2-3：
DS18B20内部结构图
3*DS18B20工作原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20测温原理如图3所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
图2-4：
DS18B20测温原理框
2.4LED数码管
2.4.1.LED数码管显示器的结构
LED显示器是一种由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。
单片机系统中通常使用8段LED数码显示器，其外形及引脚如图2-5（a）所示，由图可见8段LED显示器由8个发光二极管组成。
其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，通过不同的组合可用来显示各种数字，包括A～F在内的部分英文字母和小数点“.”等字样。
a数码管引脚排列bLED显示器两种不同的接法
图2-5LED数码管显示器
LED显示器有两种不同的形式：
一种是8个发光二极管的阳极都连在一起构成共阳极，使用时共阳极接+5V,每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。
当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时不点亮。
这称为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起构成共阴极，使用时共阴极接地，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。
当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时不点亮。
这称为共阴极LED显示器。
如图2-5（b）所示。
2.4.2LED数码管显示器的显示段码
为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码（或称字形代码），组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的显示段码为1个字节。
各段码位的对应关系如表1-1：
表1-1段码位与显示段的对应关系
段码位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
显示段
dp
g
f
e
d
c
b
a
用LED显示器显示十六进制数和空白字符与P的显示段码如表1-2所示：
表1-2十六进制数和空白字符与P的显示段码
字型
共阳极段码
共阴极段码
字型
共阳极段码
共阴极段码
0
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
B
83H
7CH
3
B0H
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
84H
71H
7
F8H
07H
空白
FFH
00H
8
80H
7FH
P
8CH
73H
共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的，当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合从而显示各种字符。
8个笔划段dp、g、f、e、d、c、b、a对应于1B（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。
例如，对于共阴极LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极dpgfedcba各段为01110011时，显示器显示“P”字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是0×73。
如果是共阳极LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（0x8C）。
图2-6LED显示器动态显示接口电路
第3章硬件电路设计
3.1主模块
单片机控制模块是温度控制器的核心，它控制了温度的采集、处理与显示、温度上下限值的设定与温度越限时加热器的启动与停止。
本文选用AT89C51作为控制器件。
AT89C5单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。
功能强大的AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
3-1主模块
3.2键盘设定温度模块温度上下限设置模块
温度上下限设置模块包括四个按键：
（1）模式切换键：
进行模式之间的切换，模式包括设置温度上限模式、设置温度下限模式，每次按下该键就在这两种模式之间切换。
（2）温度上下限增加键：
增加温度上下限的值。
（3）温度上下限减少键：
减少温度上下限的值。
（4）确定键：
确定保存设置。
图3-2温度控制器面板设计
表3-1规格参数
电源电压
100~240VAC，50/60Hz
24VAC/DC，50/60Hz
电压范围
额定供给电压的85%~110%
功耗
5VA
3VA/2W
传感器输入
多点输入
控制输出
继电器输出
250VAC，3A阻性负载
电源输出
12VDC，21mA
控制方法
ON/OFF或自动调节
报警输出
250VAC，1A阻性负载
设置方法
使用面板按键设置
显示方法
4位，七段数字显示
其他功能
·输入移动
·温度单位更改
·报警输出
·传感器错误检测
3.3温度采集模块
数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20、数字化温度传感器DS18B20也,测量温度范围为-55°C~+125°C,在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
并且还可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。
图3-3为温度采集模块
图3-3温模块
3.4报警电路
路由一个三极管和蜂鸣器组成。
当温度值在设定的范围时，单片机AT89C51的P3.7口高电平引脚始终保持高电平，当所采集的温度越限时，P3.7口便由高电平改为低电平，使三极管导通从而发出蜂鸣声进行报警来提醒操作人员实施相应的措施，如图3-4所示
图3-4报警模块
3.5电源模块
电源模块为系统板上其它模块提供＋5V电源，电源输入有两种方式，一种为交直流电源从电源插座输入，输入的电压要求，直流输入应大于7.5V，交流输入应大于5V，通过7805三端稳压器得到5V的直流电源供给系统其它模块工作，另一种为从USB接口获取＋5V电源，只要用相应配套的USB线从电脑主机获取＋5V直流电源，在电源模块中加有保护电路，即电路中有短路，不会对7805三端稳压器及电脑主机电源有损害！
其电路原理图如图3-5所示
图3-5电路原理图
3.6总结
整个系统的工作原理是：
由AT89C51单片机控制，按预先编制的程序定时对被测信号进行采样，并自动进行零漂校正，最后显示所测温度值，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行温度值的控制，并输出0~10mA控制电流，配以主回路实现温度的控制及显示。
系统程序分传感器控制程序和显示器程序和温度控制程序三部分，传感器控制程序是按照DS18B20的通信协议编制。
系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。
标度转换程序根据温度检测值求的实际炉温，数字调节器程序根据恒温给定值与实际值的偏差。
，调节温度的变化使之与给定恒温值一致。
AT89C51对温度的控制是通过双向可控硅实现的。
双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz市电回路。
在给定周期T内，AT89C51只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。
第4章系统软件设计
该系统硬件系统完全，但系统的运算与控制必须靠软件支持，系统硬件组态完后，根据I/O地址分配和功能要求便可以进行软件编程。
软件编程是系统完成控制的一个重要部分。
系统软件程序主要完成初始化工作，输入输出控制，子程序主要完成数据采集处理的功能包括采集的液位数据与给定的液位值的比较，是否需要报警，以及处理完成显示部分的信号输出。
在该系统的软件部分的设计中，第一部分主要是对流程图的介绍，其中包括了对温度的检测，对各个继电器的控制开和关，以及温度是否正常工作的报警。
4.1软件设计流程图
本软件流程图设计简易合理，方便易于操控，能够针对温度的不同状态和不同外界条件进行控制,温度运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善;同时大大提高了控制系统的抗干扰能力。
下图即为主程序流程图
图4-1主程序流程图
第5章课题设计总结
毕业设计是学生即将完成学业的最后一个重要环节，它既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好的开端。
所以在此有必要对这次的毕业设计作一个系统的总结。
这次毕业设计，我选择了实做的题目，这不仅是对我的一种锻炼，也是对我大学三年所学知识的综合检查。
从开始设计到设计的完成，我感觉收获很多，不仅在理论上有了很大的升华,并且还在实践中锻炼了自己。
使自己成长了许多。
本文首先对整个系统的工作原理和实现方法进行了简单的介绍，给出了系统工作的整体框图。
在此基础上，介绍了系统设计用到的各个模块的功能特性，并进性了方案比较，选择出了最优越的方案。
在理论上对整个系统有一定了解的情况下，进行了系统模块的电路的设计，充分利用各方面的资料，发挥我所学的特长。
整个系统的开发过程是曲折的，首先在硬件设计上，由于以前
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