单片机控制温度加热系统设计.docx

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单片机控制温度加热系统设计

长春工业大学

毕业设计、毕业论文

题目单片机控制温度加热系统设计

学院电气与电子工程学院

专业班级

指导教师

姓名

年月日

摘  要

在日常生活及工业生产过程中，经常要用到温度的检测及控制，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。

在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。

温度控制在生产过程中占有相当大的比例。

温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。

该设计介绍了一种利用单片机AT89C51组成的高精度温度控制系统，从硬件和软件两方面介绍了单片机温度控制系统的设计思路。

着重介绍了硬件原理图和程序框图。

阐述了系统的工作原理、设计及实现。

由DS18B20温度传感器芯片测量当前的温度，并将结果送入单片机。

然后通过AT89S51单片机对送来的温度进行计算和转换，并将此结果送入液晶显示模块。

最后，由1602液晶显示器将温度显示出来。

它可以实时的显示和设定温度，实现对温度的自动控制，当温度值超出上、下限时自动报警，实现了系统结构简单、性能可靠、控制精度高。

同时系统具有扩展性好，分辨率高，测量范围宽，抗干扰性强等特点。

关键词：

51单片机传感器DS18B20

ABSTRACT

Thedetectionandcontroloftemperatureisoftenusedindailylifeandindustrialproductionprocess,temperatureisoneoftheimportantphysicalparametersoftheproductionprocessandscientificexperimentsgenerally.Duringtheproductionprocess,inordertocarryouttheproductionefficiently,wemustcontrolitsmainparameterswell,suchastemperature,pressureandsoon.Temperaturecontrolintheproductionprocessesalargeproportion.Temperaturemeasurementisthebasisoftemperature-controllingandamorematuretechnology.

AprecisiontemperaturecontrolsystemusedAT89C51SCMandthehardwarecircuitandsoftwareofthissystemareintroduced.Schematicdiagramofthehardwareandproceduresisrelatedinemphasis.Workingprinciple,designandimplementationiselaborated.ThecurrenttemperatureismeasuredbyDS18b20temperaturesensorandtheresultsistransportedintoSCM.Then,thetemperatureiscalculatedandtheconversionresultsistransportedintotheliquidcrystaldisplaymodules1602onshow.Itcandisplaycurrenttemperaturewhichissetrandomlyandcontrolledflexibility,andthetemperaturecontrol.Whenthetemperatureisbeyondtheupperandlowerlimitsoftemperature,thealarmsystemstartsautomatically.Whatisrealizedinthissystemissimplestructure,reliableperformanceandhighprecisioncontrol.Thesystemisingoodscalability，high-resolution，widerange，anti-interferenceperformanceandsoon．

KeyWords:

51-seriesmicrocomputerSensorDS18B20

第一章绪论

1.1课题的意义

现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。

随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。

因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。

温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。

温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。

由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。

而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。

在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。

因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。

采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。

1.2国内外研究状况和发展趋势

1.2.1温度检测技术简介

一、随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的方法种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法[1]：

1.利用物体热胀冷缩原理制成的温度计，利用此原理制成的温度计大致分成三大类。

（1）玻璃温度计，它是利用玻璃感温包内的测温物质（水银、酒精、甲苯、煤油等）受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的；

（2）双金属温度计，它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在上一起制成的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片，由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度；

（3）压力式温度计，它是由感温物质（氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等）随温度变化，压力发生相应变化，用弹簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。

2.利用热电效应技术制成的温度检测元件

利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。

热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。

热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。

常用的热电偶有以下几种。

（1）镍铬-镍硅，型号为WRN，分度号为K，测温范围0-900℃，短期可测1200℃。

（2）镍铬-康铜，型号为WRK，分度号为F，测温范围0-600℃，短期可测800℃。

（3）铂铑-铂，型号为WRP，分度号为S，在1300℃以下的温度可长期使用，短期可测1600℃。

（4）铂铑30—铂铐6，型号为WRR，分度号为B，测温范围300-1600℃，短期可测1800℃。

3.利用热阻效应技术制成的温度计

用此技术制成的温度计大致可分成以下几种。

（1）电阻测温元件，它是利用感温元件（导体）的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。

目前常用的有铂热电阻（分度号为Pt100、Pt10两种）和铜热电阻（分度号有Cu50、Cu100两种）。

（2）导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大负温度系数，也就是说温度升高时，其阻值降低。

（3）陶瓷热敏元件，它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制作而成的热敏元件，常称为PCT或NCT热敏元件。

PCT热敏元件分为突变型及缓变型二类。

突变型PCT元件的温阻特性是当温度达到顶点时，它的阻值突然变大，有限流功能，多数用于保护电器。

缓变型PCT元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大，起温度补偿作用。

NCT元件特性与PCT元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值减小。

二、近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了重大进展。

新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。

1.晶体管温度检测元件

半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。

半导体的电阻温度系数比金属大1~2个数量级，二级管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。

基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。

2.核磁共振温度检测器所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。

利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温度检测器。

这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。

在常温下，可作理想的标准温度计之用。

3.信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表现代工业过程自动化系统是现场总线控制系统，它是信息技术进入工业自动化后出现的新一代的自动控制系统。

现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。

所有的现场仪表均接到现场总线上。

在这样的系统中，通常不应使用各种不同输出的温度计，必须将输出转变成统一的电信号，这样“温度计”就变成了“温度变送器”。

在现场总线控制系统中的温度变送器主要是热电偶变送器和热电阻变送器，也有辐射温度变送器。

1.2.2温度检测技术的发展

生产管理一体化、网络化是当今工业自动化控制领域的大趋势，要实现这些功能，必须借助于工业计算机、现场网络及开放的工业数据库。

利用先进技术手段监测各种复杂生产环境的被控参数（如温度、流量及压力等），使生产和管理一体化，可以有效地提高生产和管理的自动化水平。

温度追踪测量（也可以称作是温度分布测定技术）是一种利用微机来实现数据采集、数据通讯传输和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中记录和说明热加工产品与空气温度关系的技术，追踪测量得到的数据被显示为图表或数字。

这个过程最简单的形式就是它可以告诉生产者所生产的产品的温度、保持这个温度有多长时间以及在什么时间达到了什么温度。

通过分析数据，生产人员可以保证产品达到最好的质量、解决产品存在问题、优化生产工艺路线及节约能耗。

1.国内外温度检测技术动向

（1）扩展检测范围

现在工业上通用的温度检测范围为-200~3000℃，而今后要求能测量超高温与超低温。

尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如10K以下的温度检测是当前重点研究课题。

（2）扩大测温对象

温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。

应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。

（3）发展新型产品

利用以前的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足用户需要。

同时利用新的检测技术制造出新的产品。

2.国内外温度检测发展趋势

根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展：

（1）继续生产量大面广的传统的温度检测元件，如:

热电偶、热电阻、热敏电阻等。

（2）加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。

如近来已经开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。

（3）向智能化、集成化、适用化方向发展。

新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展，向机电一体化方向发展。

1.3课题的研究方案

1.3.1课题的主要研究的内容

本次所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。

水箱水温控制部分，提出了用DS18S20、AT89C51单片机及LED的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。

而炉内温度控制部分，采用一套PID闭环负反馈控制系统，由DS18S20检测炉内温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在LED中显示。

控制器是用89C51单片机，用PID算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。

它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点[2-1]，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS18S20都有唯一的产品号，可以一并存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。

从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS18S20供电，而且不需要额外电源。

同时DS18S20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。

而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。

而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分和人机对话部分来共同实现温度的监测与控制。

1.3.2用单片机实现其具体控制功能

1.用单片机AT89C51控制，能够连续测量水的温度值，用十进制数码管来显示水的实际温度。

2.能够设定水的温度值，设定范围是小于等于100度

3.温度控制精度：

设定值±1度

第二章方案论证

2.1题目分析

利用单片机结合温度传感器实现对水温进行控制，加热范围：

T=10℃~100℃，控制精度：

±1℃，加热功率:

P=5kw,择相应的控制算法。

2.2总体方案选择

2.2.1方案一热敏电阻加A/D

测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

2.2.2方案二数字传感器

在温控系统中，直接采用数字传感器DS18B20，由于它体积更小、适用电压更宽、更经济现场温度直接以“一线总线的数字方式传输，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，系统里安放一个DS18B20悬挂于水箱中间.通过这这个回馈温度与设定温度相比较得到偏差，后输出控制脉冲，该控制脉冲经过触发三极管，使之触发，使固态继电器导通，程序控制同步触发脉冲的来临时间，从而控制继电器的通断时间，以达到对电热阻丝温度的调节和功率的改变实现对水的恒温和升温控制。

系统硬件电路由温度检测、单片机与键盘/显示器、固态继电器控制电路等部分组成如图2-1所示。

图2-1系统的控制方案框图

综上所述的两种方案，该设计选用方案二比较合适。

2.3硬件电路方案的选择

2.3.1显示器的选择

LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势已取消到该网页的导航。

利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器[2-2]，而具体对比如下：

1、LED与LCD的功耗比大约为1:

10，LED更节能。

2、LED拥有更高的刷新速率，在视频方面有更好的性能表现。

3、LED提供宽达160°的视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动画信息，可以播放电视、录像、VCD、DVD等彩色视频信号。

4、LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。

综上所以用LED作为显示器

2.3.2温度传感器的选择

（1）数字温度传感器

典型的数字温度传感器如DS18B20，该传感器主要特性如下：

1.数据线供电是寄生电源方式下的供电方式，电压适应的范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V；

2.DS18B20在和微处理器的连接仅仅需一条总线即就可以实现DS18B20和微处理器双向的通信，它的单线接口方式十分特殊；

3.DS18B20可以支持多个点的组网功能，多个DS18B20可并联的在唯一的总线上，能够实现组网的多点测温；

4.转换的电路及全部传感器元件就像一只三极管集成在的集成电路内，DS18B20在使用的时候不需要任何的外围元件；

5.在-10～+85℃时精度为±0.5℃，测温范围－55℃～+125℃；

6.可分辨温度依次为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，相对应的可以编程的分辨率是9～12位，可实现高精度测温；

7.12位分辨率时最多在750毫秒内把温度值转换为数字，在9位分辨率时最多在93.75毫秒内把温度转换为数字，速度更快

8.负压特性：

接反电源的极性时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作

（2）热电阻温度传感器

热电阻的测量精度高,性能稳定,使用方便,测量范围宽,在高精度、低温测量中占有重要的地位。

热电阻传感器主要用于中低温度（-200℃～+650℃或850℃）范围的温度测量。

常用的工业标准化热电阻有铂热电阻和铜热电阻。

铂电阻传感器是利用金属铂（Pt）的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器。

以铂电阻作为测温元件进行温度测量的关键是要能准确地测量出铂电阻传感器的电阻值。

铂电阻具有适用范围广、测量范围大、稳定性高、重复性好、价格低廉、使用方便等优点，成为目前工业和实验室中温度测量应用最广泛普遍的传感元件之一，工业中应用较多的热电阻传感器如Pt100。

（3）两种方案的选择

对比上述两种方案，虽然Pt100的测量温度范围比较大，但是由于其测温原理是电阻值随着温度的改变而改变，需要设计非常优良的温度采集电路，其中应包括测温部分，线性化部分，放大部分，A/D转换部分，这就会使外围的电路更加复杂。

DS18B20是数字式温度传感器，只需一根总线就可以与单片机通信，是外围的电路大大简化，测量的精度更准确。

因此本控制器的设计中，温度传感器拟选择DS18B20作为温度采集传感器

2.3.3单片机的选择

本次设计采用的是AT89C51型号单片机，AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年[2-3]。

它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积,增加系统的可靠性，降低了系统成本。

只要程序长度小于4k,四个I/O口全部提供给用户。

可用5V电压编程，而且写入时间仅10毫秒,仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。

AT89C51芯片提供三级程序存储器锁定加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。

另外,AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点[3]。

128×8位内部RAM,32位双向输入输出线,两个十六位定时器/计时器,5个中断源,两级中断优先级,一个全双工异步串行口及时钟发生器等。

AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。

间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时,CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态,内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。

这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。

掉电模式是VCC电压低于电源下限,当振荡器停止振动时,CPU停止执行指令。

该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变,一直到掉电模式被终止。

只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。

2.3.4按键电路的设计

单片机检测按键的原理：

单片机的I/O口即可以作为输出也可以作为输入使用当该检测按键使用的是它的输入功能，我们把按键的其中一端接地，另一段与单片机的I/O口相连，开始时先给I/O口赋一个高电平，然后让单片机一直不断循环检测该I/O口是已经否变为了低电平，若是按键闭合，就相当于此I/O口通过按键接地了，变成低电平，程序如果检测到I/O口变为了低电平就说明该按键已被按下，然后就执行相应的指令和程序

1.矩阵式键盘接口

矩阵式键盘（也称行列式键盘）适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交点上。

一个3×3的行列结构可以构成一个有9个按键的键盘。

同理，一个4×4的行列结构可以构成一个16键的键盘，很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。

按键设置在行列线交点上，行列线分别接到按键开关两端。

行线通过上拉电阻接到+5V上。

平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。

列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平，列线电平如果为高电平，则行线电平为高电平。

这是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。

由于矩阵键盘中行列线为多键公用，各按键均影响该键所在行列的电平。

因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来比做适当的处理，才能确定闭合键的位置，本系统只用到四个按键不予选择。

2.独立式按键接口

独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。

因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。

独立式按键电路配置灵活，软件简单。

但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。

由于本系统只用到了四个按键所以选择这种按键方式即可。

综上所述本次设计键盘共有4个键，采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计，当某个键按下的时候低电平有效，四个键分别为K1～K4。

K1复位键，