单片机温度控制系统毕业设计论文doc.docx
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单片机温度控制系统毕业设计论文doc
题目基于单片机的温度控制系统
英文题目Temperaturecontrolsystembased
onsinglechip
学生姓名：
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系别：
机械与电子工程系
2012年5月1日
摘要
温度是日常生活中无时不在的物理量，温度的控制在各个领域都有积极的意义。
很多行业中都有大量的用电加热设备，如用于热处理的加热炉，用于融化金属的坩锅电阻炉及各种不同用途的温度箱等，采用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便、简单、灵活性大等特点，而且还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。
因此，智能化温度控制技术正被广泛地采用。
本温度设计采用现在流行的AT89S51单片机，配以DS18B20数字温度传感器，该温度传感器可自行设置温度上下限。
单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较，由此作出判断是否启动继电器以开启设备。
本设计还加入了常用的数码管显示及状态灯显示灯常用电路，使得整个设计更加完整，更加灵活。
关键字：
单片机温度控制继电器
ABSTRACT
Thetemperatureisconstantlyinthedailylifeofphysicalandtemperaturecontrolsinvariousfieldshaveapositivemeaning.Alotofbusinesseshavealotofpowerheatingequipment,suchasthatusedfortheheattreatmentfurnace,formeltingmetalcrucibleresistanceheatersandthevarioususesoftemperaturebins,SCMusingtheirrighttocontrolnotonlyeasytocontrol,simple,suchasthecharacteristicsofflexibility,butcanalsosignificantlyincreasethetemperaturewaschargedwiththetechnicalindicators,whichcangreatlyenhancethequalityoftheproducts.Therefore,intelligenttemperaturecontroltechnologyisbeingwidelyadopted.
ThetemperaturewasdesignedwiththenowpopularAT89S51SCM,andwithDS18B20digitaltemperaturesensor,Thetemperaturesensorcansetuptheirowntemperaturecollars.SCMwilldetectthatthetemperatureoftheinputsignalandtemperature,thelowercomparisonsthisjudgmentwhethertoactivatetherelaytoopentheequipment.
Thedesignalsoincludescommonlyuseddigitaldisplayandcontrolstatelightscommonlyusedcircuit,makingthewholedesignmorecomplete,moreflexible.
Keywords:
SinglechipmicrocomputerTemperaturecontrolSSR
绪论
1.1课题研究背景及意义
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
单片机在测控领域中具有十分广泛的应用，它既可以测量电信号，又可测量湿度、温度等非电信号。
由单片机构成的温度检测和温度控制系统可广泛应用于很多领域。
在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。
另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。
因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。
本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。
1.2测温技术的发展与应用
近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；
（1）传统的矩阵式温度传感器；
（2）模拟集成温度传感器／控制器；（3）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、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
随着科学技术日益迅速的发展，数字监控系统已经深入到生活的各个方面。
温度计作为测温器件，不仅在日常生活中而且在工农业（例如粮食储藏）技术中应用十分广泛。
但是常用的温度计多为管式温度计，不仅读数很不方便，还容易损坏。
因此在DS18B20数字温度传感器技术的基础上制作的数字温度计，由于能够数码管直接显示温度，读数方便快易，而且电路简单、安全可靠而被大量应用于温检和温控系统中。
DS18B20是DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单线数字温度传感器。
它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。
随着电子器件的发展,控制电路的形式也多种多样,无论是神经网络,模糊控制还是遗传算法,都属于人工智能领域,同PID结合以调节PID参数,可以适应温控系统非线性、干扰多、时延长、时变和分布变化的特点，可以实现温控系统的参数自调整,将线性控制与非线性相结合,从而达到更好的控制效果。
1.3设计具体任务及要求
（1）课题设计要求：
1、温度设定在40-900C，最小区分度为10C，标定温差≤10C
2、环境温度降低（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤10C
3、用十进制数码显示水的实际温度
2）课题内容：
采用单片机AT89C51为核心。
采用了温度传感器DS18B20采集温度变化信号，并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。
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控制使系统还具有控制精度高的特点。
2.温度控制原理的总体设计
2.1单片机芯片的选择方案和论证
方案一:
采用8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温。
此方案简易可行,器件的价格便宜,但8031内部没有程序存储器,需要扩展,增加了电路的复杂性,且ADC0809是8位的模数转换,不能满足本题目的精度要求。
方案二:
采用AT89C51单片机，AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
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，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机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。
综观上述两种方案的论证与比较,我们采用AT89C51作为主控模块芯片。
2.2显示模块选择方案和论证
方案一：
采用LCD显示器，LCD是液晶显示屏的全称，主要有TFT、UFB、TFD、STN等几种类型的液晶显示屏。
电脑液晶显示屏常用的是TFT。
TFT屏幕是薄膜晶体管，是有源矩阵类型液晶显示器，在其背部设置特殊光管，可以主动对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这也是所谓的主动矩阵TFT的来历,这样可以大的提高响应时间，约为80毫秒，有效改善了STN（STN响应时间为200毫秒）闪烁模糊的现象，有效的提高了播放动态画面的能力。
和STN相比，TFT有出色的色彩饱和度,还原能力和更高的对比度,太阳下依然看的非常清楚,但是缺点是比较耗电,而且成本也较高。
方案二：
LED显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也是被广泛运用的。
如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。
LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。
体积更小，重量更轻、相对显示面积更大、零辐射，无闪烁、功耗小，抗干扰能力强、画面质量更高。
使用功能更为智能化。
经过二种方案的比较，排除了前一种方案之后，最后选择方案二：
LED数码管动态扫描显示
2.3温度传感器设计的选择方案和论证
方案一：
采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度，重复性，可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适合用的。
而且使用热敏电阻需要用到十分复杂的算法，一定程度增加了软件实施的难度。
方案二：
采用温度芯片DS18B20测量温度，该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测量元件，且此元件线性较好。
在0-100摄氏度时，最大线性偏差小于1摄氏度。
该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。
本制作的做大特点之一就是直接采用温度芯片对温度进行测量，使数据传输和处理简单化。
此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。
综观上述两种方案的论证与比较,我们采用温度芯片DS18B20作为主控模块芯片。
2.4控制按键的选择
方案一:
矩阵式按键，将键值显示在七节显示器上的单片机源码。
把每个键都分成水平和垂直的两端接入，比如说扫描码是从垂直的入，那就代表那一行所接收到的扫描码是同一个bit，而读入扫描码的则是水平，扫描的动作是先输入扫描码，再去读取输入的值，比对之后就可知道是哪个键被按下。
比如说扫描码送入01111111，前面的0111是代表扫描第一行P1.0列，而后面的1111是让读取的4行接脚先设為VDD，若第一行的第三列按键被按下，那读取的结果就会变成01111101（注意1111变成1101），其中LSB的第三个bit会由1变成0，这是因為这个按键被按下之后，被垂直的扫描码电位short，而把读取的LSB的bit电位拉到0，此即為扫描原理。
由於这种按键是机械式的开关，当按键被按下时，键会震动一小段时间才稳定，為了避免让8051误判為多次输入同一按键，我们必须在侦测到有按键被按下，就Delay一小段时间，使键盘以达稳定状态，再去判读所按下的键，就可以让键盘的输入稳定。
用来对温度报警由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
方案二:
独立式按键,每个按键实现一个功能,易于控制且编写程序简单,容易理解，虽然会占用一定的单片机I/O口资源,但是题目中要求使用的按键要尽量少。
通过以上两种方案比较，采用方案一。
3.系统硬件设计
系统硬件设计是进行系统设计的最重要、最关键的一步。
总体方案的好坏，直接影响整个控制系统调节品质及实施细则。
硬件系统也是由不同模块组成的，但各个模块是协调工作的，例如显示部分是系统和人类交互的窗口，没有这部分A/D转换精度再高控制效果再好，我们无法得知，所以每一部分都很重要。
系统硬件设计分为主控模块、测温模块、显示与键盘模块、继电器控制模块、时钟与复位电路、报警电路六大块组成如下图3-1所示。
图3-1温度测控系统硬件原理框图
（1）DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。
另一种是寄生电源供电方式，如图3.1所示单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。
本设计采用电源供电方式，P1.1口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89S51的P1.0来完成对总线的上拉。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。
采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。
由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三状态的。
主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：
初始化:
ROM操作指令；存储器操作指令。
（2）继电器XIAL1和XIAL2分别接28PF的电容，中间再并个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路。
（3）LED数码管显示有动态显示和静态显示两种显示驱动
（4）键盘是由一组按压式或触摸式开关构成的阵列，键盘的设置由应用系统具
体功能来决定。
键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘编码键盘能够由硬件自动提供与被按键对应的编码，它需要采用较多的硬件，价格较贵。
非编码式键盘仅提供行和列组成的矩阵，其硬件逻辑与按键编码不存在严格对应关系，而要由软件程序来确定。
非编码键盘的硬件接口简单，但是要占用较多的CPU时间。
键盘接口的这些任务可用软件或硬件来完成，相应地出现了两大类键盘，即编码键盘和非编码键盘。
由于本设计要实现的功能中只要求通过键盘来查看或调整预设的温度报警值，要求较简单，所以可采用最简单的编码键盘结构，即利用8051单片机I/O端口实现的独立式键盘接口。
（5）复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式，本设计采用按键电平复位，其中
接低电平，允许使用外部存储器。
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效。
其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即两个机器周期）以上。
若使用频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间应超过4微妙才能完成复位操作。
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送斯密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对斯密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
（6）AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
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，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机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。
（7）工作原理
温度传感器DS18B20从设备环境的不同位置采集温度，单片机AT89S51获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。
当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备（压缩制冷器），当采集的温度经处理后低于设定温度的下时,单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备（加热器）。
当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。
系统中将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据，以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过
（8）硬件电路图见附录1
4.温度控制系统软件的设计
4.1软件总体设计
4.1.1系统软件设计整体思路
一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。
同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。
甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。
因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用与S51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。
程序设计语言有三种：
机器语言、汇编语言和高级语言。
机器语言是机器唯一能“懂”的语言，用汇编语言或高级语言编写的程序（称为源程序）最终都必须翻译成机器语言的程序（成为目标程序），计算机才能“看懂”，然后逐一执行。
高级语言是面向问题和计算过程的语言，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流，但是本系统却选用了汇编语言。
原因在于，本系统是编制程序工作量不大、规模较小的单片机微控制系统，使用汇编语言可以不用像高级语言那样占用较多的存储空间，适合于存储容量较小的系统。
同时，本系统对位处理要求很高，需要解决大量的逻辑控制问题。
MCS—51指令系统的指令长度较短，它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率，编成的程序占用内存单元少，执行也非常的快捷，与本系统的应用要求很适合。
而且MCS—51指令系统有丰富的位操作（或称位处理）指令，可以形成一个相当完整的位操作指令子集，这是MCS—51指令系统主要的优点之一。
对于要求反应灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化”产品，可以充分体现出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。
本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序（初始化子程序、写程序和读程序）
4.2系统程序流图
系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，复位应答子程序，写入子程序等。
4.2.1主程序
主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。
这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图4-1所示。
其程序清单见附录2。
通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分分开存放在不同的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。
图4-1主程序流程图
4.2.2温度子程序
（1）读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。
其程序如图4-2所示。
其程序清单见附录2。
DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位。
图4-2读出温度子程序
4.2.3复位、应答子程序
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效。
其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即两个机器周期）以上。
若使用频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间应超过4微妙才能完成复位操作。
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送斯密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对斯密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
其程序如图4-3所示。
YN
N
Y
图4-3复位、应答子程序
程序清单
AJMPMAIN;这是DS18B20复位初始化子程序
INIT_1820:
SETBP1.0
NOP
CLRP1.0;主机发出延时537微秒的复位低脉冲
MOVR1,#3
其详细清单见附录2
4.2.4写入子程序
（1）写DS18B20的子程序，设置温度上限为90摄氏度，温度下限为20摄氏度。
加热后，温度有时超过90摄氏度却不报警，后经检查，发现是进位C没有清0，于是在如下写入程序中加入进位C清零，便排除了这个异常。
其程序如图4-4所示。
Y
N
图4-4写入子程序
（2）程序清单
WR1:
CLRP1.0
MOVR3,#6
DJNZR3,$
RRCA
MOVP1.0,C
MOVR3,#23
DJNZR3,$
SETBP1.0
NOP
DJNZR2,WR1
RET;读DS18B2
其详细程序清单见附录2。
4.2.5系统总的流程图
图4-5系统总的流程图
5.温度控制系统调试与设计
系统的调试是硬件和软件设计过程中十分重要的环节，为了保证整个系统正常工作，有必要对软件和硬件部分的每一部分进行调试和分析。
本章介绍了温度控制的硬件调试、软件调试和软硬件联机调试的过程，并对调试的结果进行了介绍和分析。
5.1温度控制系统软件调试
主程序的功能是：
启动DS18B20测量温度，将测量值与给定值进行比较，若测得温度小于设定值，则进入加热阶段，置P1.1为低电平，这期间继续对温度进行监测，直到温度在设定范围内，置P1.1为高电平断开可控硅，关闭加热器，等待下一次的启动命令。
当测得温度大于设定值，则进入降温阶段，则置P1.2为低电平，这期间继续对温度进行监测，直到温度在设定范围内，置P1.2为高电平断开，关闭风扇，等待下一次的启动命令。
第一次接电调试，设置温度上限为90摄氏度，温度下限为20摄氏度。
加热后，温度有时超过90摄氏度却不报警，后经检查，发现是进位C没有清0，于是在如下写入程序中加入进位C清零，便排除了这个异常。
WR1:
CLRP1.0
MOVR3,#6
DJNZR3,$
RRCA
MOVP1.0,C
MOVR3,#23
DJNZR3,$
SETBP1.0
NOP
DJNZR2,WR1
RET;读DS18B2
再经实际接电调试，一切运行正常。
加热到90摄氏度时，红灯亮起，自动断电，而低于20摄氏度时，绿灯亮起，开始加热。
结论
本设计中，是以温度采集及控制过程设计为总目标，以89C51单片机最小应用系统为总控制中心，辅助设计有温度采集电路，A/D转换接口，5LED数码管静态串行显示器，查询式键盘等。
了解到温度控制的重要性。
在画原理图，PCB布线过程中不可避免地遇到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考，实在解决不了可以请教指导老师或同学，虽然在设计过程中不可避免地遇到很多问题，但是最后还是在
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