基于51单片机的温度自动控制系统实现.docx

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基于51单片机的温度自动控制系统实现

编号：

最牛的自主论文

题目：

温度自动控制系统实现

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题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

2013年5月28日

摘要

　　温度控制是我们工业生产过程和日常生活中经常遇到的过程控制；在我们日常生活中，家里的饮水机、电风扇、空调、暖气开关、宿舍的热水系统无不需要用到自动温控系统。

而要实现对多个温度系统的控制目前在市场上是很少的，单个的主机对各个温控的对象进行控制显得资源浪费，为了解决这个问题，实现一个主机对多个系统进行控制，本课题主要对实现了双通道的温度自动控制系统的说明。

本设计主要是基于STC89C51单片机和DS18B20温度传感器的温度自动控制系统，并采用1602液晶屏作为温度显示模块，设计中充分利用单片机的管脚资源，实现两个通道的温度控制系统，独立键盘可以对正常温度的范围进行设定，还可选择工作的测温通道，控制模块主要是通过控制信号的输出实现对相关升降温器件进行开关控制，从而实现一个双通道的温控自动控制系统。

设计中采用MCS-51单片机来对温度进行控制，是因为其具有控制方便、组态简单和灵活性大，集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，重量轻，能耗低，价格便宜，可靠性好，抗干扰能力强和使用方便等方面的独特的优点；而且可以大幅度提高被控温度的技术指标。

所以此装置不仅轻便、稳定，而且功能非常实用。

本文从硬件电路的设计、软件设计两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路，对硬件原理图和程序框图作了简单的描述，对设计的实现过程和调试过程也做了相应的说明。

关键字：

单片机；1602液晶屏；DS18b20；温度控制

Abstract

Temperaturecontrolisourindustrialprocessesandfrequentlyencounteredineverydaylifeprocesscontrol;inourdailylife,homewaterdispenser,electricfans,airconditioning,heatingswitch,dormitoriesnotneedtouseahotwatersystemhasnoautomatictemperaturecontrolsystem.Inordertoachieveapluralityoftemperaturecontrolofthesystemcurrentlyonthemarketisverysmall,foreachindividualhostobjectstocontrolthetemperaturebecomeswasteofresources,andinordertosolvethisproblem,therealizationofasystemforcontrollingapluralityofhosttheprojectimplementsadual-channelautomatictemperaturecontrolsystem.

ThisdesignisbasedmainlyonSTC89C51MCUandDS18B20temperaturesensorautomatictemperaturecontrolsystem,andtheuseof1602asatemperatureLCDdisplaymodule,designedtofullyutilizethemicrocontrollerpinresourcestoachievetwo-channeltemperaturecontrolsystemcanseparatekeyboardsettingthenormaltemperaturerange,temperaturemaychoosetoworkchannel,thecontrolmoduleisimplementedbyacontrolsignaloutputoftherelevantswitchingcontrolofheatingandcoolingdevices,inordertoachieveatwo-channelcontrolsystemforautomatictemperaturecontrol.DesignusedinMCS-51microcontrollertocontrolthetemperature,becauseofitseasytocontrol,configurationsimplicityandflexibility,highintegration,strongfunction,versatility,andinparticular,ithassmallsize,lightweight,consumptionislow,cheap,goodreliability,anti-interferenceabilityandeaseofuseoftheuniqueadvantages;controlledtemperatureandcangreatlyimprovethetechnicalspecifications.Sothisdeviceisnotonlylightweight,stable,andisverypractical.

    Thisarticlefromthehardwarecircuitdesign,softwaredesignintroducestwoMCS-51microcontrollertemperaturecontrolsystemdesign,hardwareschematicsandblockdiagrambrieflydescribed,therealizationofthedesignprocessandthedebuggingprocesshasmadethecorrespondinginstructions.

Keywords:

SCM;1602LCDscreen;DS18b20;temperaturecontrol

引言

　　温度是生活及生产中非常基本的物理量，它是物体冷热程度的表征。

自然界中一切物理和化学过程都紧密与温度相关联。

在我们的日常生活中，温度的测量和控制都直接影响我们的生活环境，以及我们的生产生活，对工业、农业等都用重要的影响。

因此，温度的测量和控制在国民经济许多的方面中，均受到了相当程度的重视。

在我们实际的生活环境下，由于系统内部与外界的热交换是很难控制的，而且其他热源的干扰也是难以精确的计算，因此温度量的变化，容易受到难以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，我们就需要其他手段来实现这样一个隔热的目的。

例如，可以让目标系统的内部环境与其外部环境的温度同步变化。

由热力学第二定律，这两个温度相同的系统之间逐步的达到最终的热平衡，利用这样一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把外界和目标系统完全进行热隔离。

另外，在大多数的实际环境中，温度增加要比使温度降低方便得多。

因此，对温度的控制精度要求，如果是比较高的情况下，冲现象是不允许出现的，即目标温度的控制不能让实际温度超过。

尤其是隔热效果、较好的环境，温度一旦出现过冲，温度是很难被降低下来的。

这是因为，很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。

道理同样，对于只有冷却，没有加热环节的应用中，目标温度高于实际温度，对控制效果的影响也是非常大的。

但生活中同样存在很多的应用，有时在一个环境中要对多个系统进行温度控制。

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。

同一环境同样可能需要多通道的温度控制系统，下面就简要的讨论一下，自动温度检测与控制技术的发展与现状。

1绪论

1.1温度测量与控制技术的发展与现状

　　近些年来，自动温度控制系统中，温度的测量与控制在理论上的发展比较成熟，但在实际应用中，为了保证能快速实时地对温度进行采样，确保采集的数据传输更可靠，并对温度场进行精确的温度控制，仍然是我们目前需要解决的问题。

温度测控技术包括两个方面。

分别是温度测量技术和温度控制技术；在温度测量技术中又分为两种方式：

接触式测温，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，但由于检测元件容易受到热惯性的影响，并且响应时间较长，由于有些物体的热容量较小，而无法实现精确的测量，运动物体的温度也是难以测量。

非接触式测温方法，它是通过对辐射能量的检测来实现温度测量，其优点是不破坏被测温度场，可以测量有那些物体热容量较小的情况，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。

但它的缺点是，测量误差较大，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，要考虑多种影响因素，在满足测量精度的前提下，尽量降低我们的成本投入。

目前是测温技术常见的有以下几种方式。

薄膜温度传感器：

在传感器结构改进方面,出现了薄膜温度传感器,它是随着薄膜技术的成熟而发展起来的新型微传感器,其敏感元件为微米级的薄膜,具有体积小、热扰动小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成和安装的特点,并且具有耐磨、耐压、耐热冲击和抗剥离的优良性能,特别适合于微尺度或小空间温度测量、表面温度的测量等场合。

近年来发展的陶瓷薄膜热电偶,可以测量更高的温度,克服了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点,在高温表面温度测量领域应用更为广泛。

辐射测温技术：

随着光电和红外探测器的发展,出现了多种多样的红外测温仪,红外测温技术得到了更多的应用。

具体表现在:

（1）测温范围从高温、中温向中、低温部分拓展;

（2）准确度和稳定性更高;（3）工作波段多样化,可根据被测对象的特性选择;（4）从点测量发展到二维面测量;（5）红外测温仪具有小型化和智能化的特点;（6）从测量原理和方法上消除发射率影响,实现物体的真温测量。

光纤测温技术：

黑体空腔式光纤高温计是由黑体空腔与被测介质达到温度平衡,通过光纤将黑体腔的辐射能量传输给光电探测器件,从而实现温度测量。

如蓝宝石黑体空腔式光纤高温计,具有测温高、响应快、寿命长的特点,可以部分取代贵金属热电偶。

还有一种测量钢水温度的消耗型光纤温度传感器,也是基于以上原理,由普通石英光纤实现测温,因其价格低、准确度高的特点可以取代消耗型贵金属热电偶。

新型数字测温技术：

DS18b20是一种新型的数字温度传感器，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，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的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。

目前测温技术的发展可知，测温技术多样，针对不用的应用选择相关的测温技术，测温技术已经是一项比较成熟的技术。

2设计任务

本课题要求完成一种，基于51单片机和DS18B20为核心的温度自动控制系统，具有温度检测、温度显示、温度范围设置、温控控制信号输出功能。

并实现具有双通道的温度自动控制功能的系统。

并且具备按预设程序控制运行功能。

课题的需要完成的主要任务有：

（1）搭建单片机的最小系统，包括复位电路、供电电路、时钟电路。

（2）加入显示模块，使用1602液晶屏作为显示屏。

（3）使用DS18b20进行温度数据的采集。

（4）加入键盘控制模块，用对温度控制通道的选择和对温度上下限的数值控制。

（5）使用蜂鸣器，实现当超出正常温度范围时，蜂鸣器报警。

（6）控制信号可以控制相应的外接控温器件。

（7）实现双通道系统温度控制

（8）温度显示精度为0.5摄氏度。

3设计构思及理论

3.1设计思路

由于本课题主要要求的是，完成一种基于51单片机和DS18B20为核心的温度自动控制系统，具有温度检测、温度显示、温度范围设置、温控控制信号输出功能。

并实现具有双通道的温度自动控制功能的系统。

本文所温度控制系统硬件部分的研究，按功能大致可以分为以下几个部分：

单片机主控模块、输出通道、输入通道、电源电路等。

硬件总体结构框图如图3-1所示。

由结构框图可见，温度控制系统是以单片机为控制的主机，主控模块由扩展外部存储器构成。

被测对象的温度，由DS18B20温度传感器检测温度，并转化为数字信号。

图3-1系统结构框图

转化的数字信号将给单片机进行处理，一方面将测得的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来；另一方面将该温度值和设定的温度值相比较，根据其偏差值的大小，采用控制算法进行运算，最后通过单片机的输出管脚输出控制信号。

进而对被测物体温度进行控制。

如果实际测得的温度值超过，或低于系统给定的极限安全温度，保护电路会做出反应，同时报警电路报警响起，从而保护被测对象。

单片机快速、准确的进行温度数据采集、然后处理、显示温度和控制主要是时钟电路，提供的时钟频率，使单片机能正常的处理许多任务。

各个器件工作的电源和电压主要有外接电源提供。

温度的设定范围就通过独立键盘进行设定，使被测物体在设定的温度范围下工作。

3.2方案论证

3.2.1主机模块

方案一：

ARM处理器为RISC芯片，是32位的微处理器。

具有体积小、功耗低、高性能，功能强大等特点，支持16位32位双指令集，能很好的兼容8位/16位器件，共有37个寄存器，是目前应用于嵌入式系统的主流处理器。

因此，使用ARM处理器来作为本课题的主控制芯片是可行的，但是其成本相对较高。

方案二：

51内核单片机是典型的微控制器，其广泛应用于工业控制领域。

目前应用广泛的单片机类型有51单片机、AVR单片机、430超低功耗单片机PIC单片机等。

STC12C5A60S2单片机属于增强型单片机，具有高速，宽电压，低功耗，低成本,并且具有2个双全工串口通信接口等特点。

根据本课题的设计要求可知，使用51单片机实现所有功能。

根据以上说明可知，方案一功能强大，但是由于成本相对较高，而方案二也可以实现课题所有要求，并且成本非常低。

因此本课题方案二单片机STC12C5A60S2单片机作为主机主控制芯片，而从机控制芯片则选择成本更低的AT89S52单片机作为控制芯片。

3.2.2显示模块

方案一：

1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶，能够同时显示32个字符（16列2行）。

具有微功耗，体质小，显示内容丰富，超薄轻巧，成本低等特点。

提供各种控制命令,如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，还具有8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。

使用其作为小规模系统的显示模块式可行的。

可以使用其作为本课题的显示模块。

但是，由于1602不可以显示图像文字，因此显示效果以及在人机交互上的效果还是有缺憾。

方案二：

LCD12864是一种具有4位/8位并行，2线或3线串行多种接口方式，内部含有国际一级，二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其分辨率为128x64。

使用该液晶可以构成全中文的人机交互图形界面。

并且具有操作简单，低电压低功耗，功能强大等特点。

根据以上说明可知，由于本课题需要测量显示的数据较多，并且需要根据特定要求进行人机交互设置操作，因此选择方案二中的LCD1602作为主机模块的液晶显示模块可以达到很好的显示效果，且价格低廉。

3.2.3温度测量

方案一：

使用热敏电阻作为感温器件。

由于热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。

温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。

热敏电阻具有灵敏度高，工作温度范围宽，体质小使用方便等特点。

但是由于热敏电阻的线性度极差，因此用来测量温度的精度就相应的降低了。

方案二：

使用DS18B20数字测温传感器作为测温器件。

单总线数字温度传感器DS18B20只有一根数据线，系统中的数据交换，控制都由这根线完成。

单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络。

DS18B20还具有测量温度范围宽，精度高，体积小，成本低，使用方便等特点。

根据以上所述可知，选用DS18B20数字测温传感器作为测温器件具有众多的优点。

因此本课题选用DS18B20作为测温器件。

4系统电路的设计及原理说明

4.1电路系统说明

硬件电路主要有两大部分组成：

模拟部分和数字部分；从功能模块上来分有：

主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、电源电路、控制执行电路。

各个模块电路通过主机电路控制，协调一致的进行工作。

完成对被测物体的温度控制。

硬件结构框图如图4-1所示。

图4-1硬件结构框图

4.2电路设计说明

主机选用INTEL公司的MCS-51系列单片机89C51来实现，利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点，力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。

本系统选用的89C51芯片时时钟可达12MHZ，运算速度快，控制功能完善。

其内部具有128字节RAM，而且内部含有4KB的EPROM不需要外扩展存储器，也有数据通信接口，通过TXD、RXD与PC机连接，可以进行人机操作，使得操作更加简单、方便。

具有五个中断源，两个中断优先级，两个外部中断、两个定时中断还用一个通信中断，可以对温度检测进行实时处理和分时操作，这样就可以对被测物体温度监测更加准确、延时性更小，同时也可使系统整体结构更为简单实用[1]。

4.2.1单片机电路

（！

）单片机最小系统原理图，如图4-2所示：

图4-2单片机最小系统原理图

（2）单片机电路说明

单片机最小系统原理图如图3.2所示。

单片机最小系统是单片机运行的最基本条件，其中包含有单片机复位电路和晶振电路。

晶振电路选用的晶振频率是11.0592MHz，因为系统电路需要进行串口通信，选用11.0592MHz的晶振在串口通信中产生波特率的误差为零，因此适合进行串口通信。

复位电路具有上电复位和手动复位两种功能，上电复位是系统启动是进行的复位，手动复位是系统运行过程因为某种原因需要进行复位时使用。

4.2.2供电系统电路

（1）电源电路原理图

图4-3电源电路原理图

（2）电源电路说明

在本系统中提供了两种供电方式，方便系统在不同的环境中使用。

供电系统原理图如图4-3所示。

其中一种供电方式为外部电源供电方式，一种为电源线供电方式。

外部电源供电在电路设计中通过插针引出两个引脚负责外接其他电源，而电源要求供电必须在5V，因为此时接入的电路并没有相应的保护电路。

电源线电源供电使用了三端稳压芯片7805进行稳压后再输入到系统，使整个系统的工作电压稳定在5V左右。

因为稳压芯片7805的输入极限值最大为36V。

因此，按照理论值通过外部电源供电时，可输入引脚最大电压为36V。

因为单片机的工作电压是3.3V至5.5V，因此输入小于4.8V时单片机一样能工作，只要7805芯片的输出电压在3.3V至5V之间，单片机均可正常工作。

另外需要说明的是电源线接口不具备数据传输功能，只是单纯的供电输入。

4.2.3显示模块电路

（1）显示模块电路原理图

图4-41602液晶显示电路原理图

（2）显示模块电路说明

本课题主要使用1602液晶屏进行采集数据的显示，电路原理图如图4-4所示，根据1602液晶屏的特征，本系统中采用并行数据传输方式。

因此，LCD1602的引脚7到引脚14直接接到单片机的P0口用于并行数据传输，电位器用于液晶屏对比度的设置。

管脚2、15、16为电源供电接入。

4.2.4时钟电路

（1）时钟电路原理图

图4-5时钟电路原理图

（2）时钟电路说明

实时时钟模块主要用于实时时间显示以及测量数据时间的记录。

电路原理图如图4-5所示。

根据51系列单片机的芯片说明，在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。

晶振的取值范围一般为0~24MHz，常用的晶振频率有6MHz、12MHz、11.0592MHz、24MHz等。

一些新型的单片机还可以选择更高的频率。

外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用20~30pF的瓷片电容。

而本设计采用12MHZ晶振和30PF的电路。

4.2.5复位电路

（1）复位电路原理图

图4-6复位电路原理图

（2）复位电路说明

单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。

复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。

单片机的复位条件：

必须使其RST引脚上持续出现两个（或以上）机器周期的高电平。

按键复位电路中，当按键没有按下时，电路同上电复位电路。

如在单片机运行过程中，按下RESET键，已经充好电的电容会快速通过200Ω电阻的回路放电，从而使得RST引脚上的电位快速变为高电平，此高电平会维持到按键释放，从而满足单片机复位的条件实现按键复位。

4.2.6按键电路

（1）按键电路原理图

图4-7按键电路原理图

（2）按键电路说明

键盘电路设计是用四个控制键盘组成，它具有单片机最简单的输入设备通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话，本设计由于单片机I/O口资源丰富，故采用独立键盘的形式，而不需要采用矩阵键盘，使用矩阵键盘能大量的节约单片机的I/O资源，方便快捷独立键盘虽然占用了I/O资源，但是运用灵活，很适用键盘少的电路。

如表4-1为键盘功能表。

表4-1

按键

键名

功能

KEY1

选定修改键

可选定将要修改的温度限数值

KEY2

调控键

加1

KEY3

调控键

减1

KEY4

通道选择键

可以选择工作的通道

按键电路中的按键分别与P3.2、P3.3、P3.4、P3.5口连接，用于实现信号的输入，单片机在初始化各管脚都是出于高电平状态，当有按键按下的时候，则对应管脚的电平将被拉低，从而我们只需要在单片机程序中，对键盘进行扫描，当扫描检测到低电平时，则说明该按键被按下，然后执行相应的指令，这样就可以实现对单片机的输入控制。

　　当KEY1按键被按下时，则只选择通道一的温控系统工作；而再按下一次按键，则只选择通道二正常工作，通道一停止工作；再接着按下一次按键，又回到初始化状态，两路温控系统都正常工作。

　　当KEY4按下时，首先选中的是通道一的下限温度值；再按下一次按键，则选中通道一的上限温度值；接着再按下一下按键，则选择通道二的下限温度值，再按