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水温控制系统毕业设计论文
摘要
为了实现高精度的水温水位控制，本文介绍了一种以AT89S52单片机为控制核心、以一种新型的可编程温度传感器（DS18B20）为温度采集器件来实现水温水位控制系统。
文章着重介绍核心器件的选择、各部分电路及软件的设计。
AT89S52单片机完善的内部结构、优良的性能和强大的中断处理能力，决定了该控制系统的特点：
电路结构简单、程序简短、系统可靠性高等。
加热和制冷由AT89S52单片机控制继电器的通断来实现，以实现自动控制，温度检测采用新型的可编程温度传感器（DS18B20），不需要复杂的信号调理电路和A/D转换电路，能直接与单片机完成数据的采集和处理，采用LCD1602液晶实时显示温度值，实现方便、简单。
本系统根据不同需要可用于各种场合。
关键词：
单片机DS18B20LCD1602水温控制
Abstract
Inordertorealizehighprecisiontemperatureofthewaterlevelcontrol,thispaperintroducesakindofAT89S52SCMinascontrolcore,withanewtypeofprogrammabletemperaturesensor（DS18B20）fortemperaturegatheringdevicetorealizethetemperatureofthewaterlevelcontrolsystem.Thisarticlemainlyintroducesthecoredeviceofchoice,eachpartofthecircuitandthesoftwaredesign.AT89S52SCMperfectinternalstructure,goodperformance,andstronginterrupthandlingability,decidedthecontrolsystemfeatures:
circuitstructureissimple,programshort,systemreliabilityhigher.ByheatingandrefrigerationAT89S52SCMcontrolrelayofthehigetorealize,inordertorealizetheautomaticcontrol,temperaturetestingAnewprogrammabletemperaturesensor（DS18B20）,notinneedofsophisticatedsignalregulatecircuitandA/Dconversioncircuit,canworkdirectlywiththesinglechipmicrocomputercompletedataacquisitionandthetreatment,andALCD1602liquidcrystaldisplaytemperature,realizetheconvenient,simple.Thissystemcanbeappliedtovariousneedsaccordingtodifferentsituations.
Keywords：
microcontrollerDS18B20LCD1602control
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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年月日
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
第一章绪论
1.1课题背景
在人类的生活环境中，温度扮演着及其重要的角色。
自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度控制有着密切的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都得考虑着温度的因素。
温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，如电热水器、自动饮水机等，都要用到水温控制系统。
高校的发展同样要求用现代化手段提升现有的实验设备，为学生提供更多更好更现代化的实验条件。
因此我们应该应用电子专业知识，实现温度控制的自动化，提高工业企业自动化水平。
目前的水温控制系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机组成的传输系统。
这种系统需要布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸复杂，成本也高。
同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化及时做出决定。
在这样的形式下，开发一种实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的系统就很有必要。
近年来，单片机以其功能强、体积小、使用方便、性能价格比较高等优点,在实时控制、自动测试、智能仪表、计算机终端、遥测通讯、家用电器等许多方面得到了广泛的应用。
用单片机对温度进行实时检测和控制来解决工业及日常生活中对温度的及时自动控制，是现代温控系统发展的趋势。
1.2课题的目的和意义
人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大、本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。
该课题的研究适应了社会对于水温控制的发展趋势,将单片机应用于水温控制系统中，将单片机控制方式成功地引入了水温控制领域,丰富了水温控制技术,该系统可用作工厂、学校等场所的温度检测设施，由人工设定温度，有很好的实用价值，控制系统不仅可用于控制水温，还可应用到对温度有一定要求的其它领域。
也为今后水温控制技术的发展探索了一条行之有效的道路,具有广阔的发展空间。
水温控制在生产中及生活中都发挥着重要的作用，如一些现代化车间里，生产特殊要求产品加工需要在一定的温度下才能进行，水产养殖中，也要对水的温度进行严格的控制，才能确保达到最好的效果，在家居生活中，我们同样离不开水温的控制，如电热水器，自动饮水机等，都要用到水温控制系统。
实现水温控制的方法有很多种方法，如单片机控制，PLC控制，模糊控制等，而其中用单片机实现的水温控制系统，具有可靠性高，价格低廉，简单易实现等众多优点。
1.3设计任务及要求
一、设计任务
设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升水，容器为搪瓷器皿。
水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。
二、设计要求
1.可键盘设定控制温度值，并能用液晶显示，显示最小区分度为0.1℃。
2.可以测量并显示水的实际温度。
温度测量误差在±0.5℃内。
3.水温控制系统应具有全量程（10℃—70℃）内的升降温功能。
4.在全量程内任意设定一个温度值（例如起始温度±15℃内），控制系统可以实现该给定温度的恒值自动控制。
控制的最大动态误差≤±4℃，系统达到稳态的时间≤15min（最少两个波动周期）。
本章小结
本章主要是对课题的总体介绍，介绍了课题背景，课题的目的和意义，课题设计任务及技术指标。
第2章方案论证
2.1系统总体方案的选择
方案一：
此方案是采用传统的二位模拟控制（如图2-1），选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。
由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得较高，而且不能用数码显示和键盘设定。
图2-1模拟电路
方案二：
此方案采用了AT89C52单片机为核心（如图2-2），采用温度传感器DS18B20进行温度采集，用继电器控制加热和制冷，使其达到电路简单、可靠的目的。
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各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。
图2-2温度控制系统框图
方案一是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也较麻烦。
而方案二是采用以AT89S52为控制核心的单片机控制系统，尤其对温度控制，可以达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可以实现显示、键盘设定，报警等功能。
大大提高系统的智能化，也使得系统所测结果的精度大大提高了。
所以本次设计的总体方案采用方案二。
2.2各模块电路的方案选择及论证
根据题目要求系统模块分可以划分为：
温度测量模块，显示模块，加热模块，控制模块。
为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。
2.2.1控制器模块论证
根据题目要求，控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理，控制电热棒和制冷片使控制对象满足设计要求、控制显示电路对温度值实时显示以及控制键盘实现对温度值的设定等。
对控制器的选择有以下三种方案：
方案一：
采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对于纯粹的水温控制，这是足够的。
但是附加显示、温度设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。
同样，使用逻辑电路也可实现控制功能，但总体的电路设计和制作比较烦琐
方案二：
采用FPGA实现控制功能。
使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易地实现控制和显示、键盘等功能，是一种可选的方案。
但与单片机相比，价格较高，显然大材小用。
方案三：
采用单片机最小系统同时完成控制、显示、键盘等功能，软件编程灵活、自由度大，电路设计和制作比较简单，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，是一种非常好的方案。
从以上三种方案，很容易看出采用方案三，电路的设计制作比较简单，功能强大，成本低，故采用了方案三。
2.2.2加热装置有效功率控制模块论证
根据题目，可以使用加热棒进行加热，使用制冷片降温，当水温超过设定温度时关闭加热棒开启制冷片，当需要加热时开启加热棒关闭制冷片。
由于加热的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用220V电源。
对加热装置控制模块有以下两种方案：
方案一：
采用可控硅来控制加热棒有效功率。
可控硅是一种半控器件，应用于交流电的功率控制有两种形式：
控制导通的交流周期数达到控制功率的目的；控制导通角的方式控制交流功率。
由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。
可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标。
该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。
但该方案可以实现功率的连续调节，因此响应速度快，控制精度也高。
方案二：
采用继电器控制加热棒和制冷片。
使用继电器可以很容易实现通过较高的电压和电流的通断，在正常条件下，工作十分可靠。
继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。
这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热棒只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。
但可以通过控制加热棒和制冷片交替工作实现水温的动态平衡，电路焊接简单，响应速度快，控制精度高。
基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，采用继电器控制省去光耦和交流过零检测电路，在软件上选用适当的控制算法，同样可以达到较好的效果。
响应速度快，控制精度。
2.2.3温度采集模块论证
题目要求温度静态误差小于等于±0.5℃，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。
该温度采集模块有以下三种方案：
方案一：
利用热敏电阻传感器作为感温元件，热敏电阻的阻值随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化量，从而得到与电阻值相应的温度值。
最常用的是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温的条件下其物理，化学性质不变。
由铂电阻阻值的变化经小信号变送器XTR101将铂电阻随温度变化的转换为4～20mA线性变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到A/D转换器——ADC0809.即将模拟信号转换为数字信号，该方案线性度优于0.01％。
方案二：
采用温度传感器AD590K。
AD590K具有较高精度和重复性，良好的非线性保证±0.1℃的测量精度。
加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。
AD590将温度转化为电流信号，因此要加相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号。
送入8位A/D转换器，可以获得255级的精度，基本满足题目要求。
方案三：
采用数字式温度传感器DS18B20，该传感器测温范围为-55℃-+125℃，最重要的是DS18B20传输方式为数字式，采用单总线专用技术，非常节约I/O口。
实现对温度的采集和转换，直接输出数字量，可以直接和单片机进行通讯，大大简化了电路的复杂度
基于以上分析和现有器件所限，温度采集模块选用方案三。
DS18B20与传统的热敏电阻相比，他能够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位的数字值读数方式。
并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根接口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。
他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。
2.2.4键盘与显示模块论证
根据题目要求，水温要由人工设定，并能实时显示温度值。
对键盘和显示模块有下面两种方案：
方案一：
采用LCD1602液晶显示屏和单列3按键。
液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强,并可灵活的现实多种状态。
方案二：
采用三位LED七段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。
按键采用单列3按键进行温度设定。
数码管具有：
低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化等特点。
同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
但可视面积小，画面效果不美观。
根据以上论述，AT89S52单片机资源丰富，根据设计需要考虑到液晶显示屏（LCD）具有功耗小、可视面积大、画面效果好等特点，我们选用方案一。
2.3系统各模块的最终方案
根据以上分析，本着简单、实用的原则，综合考虑硬件构成、软件编程的复杂程度以及价格和题目所要求的精确度等因素，确定如下方案：
1.采用AT89S52单片机作为控制器，分别对温度采集、LCD显示、温度和设定、加热装置功率控制。
2.温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20，此器件经软件设置可以实现高分辨率测量。
3.电热丝有效功率控制采用继电器控制，实现电路简单实用，加上温度变化缓慢可以满足设计要求。
4.显示用LCD液晶显示实时温度值。
系统的基本框图（如图2-2所示）。
CPU（AT89S52）首先写入命令给DS18B20，然后DS18B20开始转换数据，转换后通过AT89S52来处理数据。
数据处理后的结果就显示到1602液晶屏上。
另外由键盘设定温度值送到单片机，单片机通过数据处理发出温度控制信息到继电器。
继电器的通断来控制加热棒和制冷片的工作。
本章小结
本章节主要对硬件电路中的各个模块部分进行方案论证，通过控制精度、实现功能、价格高低、电路难易程度等综合论证，最后确定个部分电路的的最佳方案，以及整机电路原理的详细说明。
第三章主要元器件介绍及硬件电路设计
3.1主要元器件介绍
本课题设计主要用到的原器件有：
数字温度传感器（DS18B20）、单片机AT89S52、LCD1602液晶、继电器。
3.1.1温度传感器（DS18B20）
温度传感器选用可编程温度传感器（DS18B20）芯片。
DS18B20是单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
它的测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等都很适合本电路设计指标，给用户使用带来了更多方便。
一、DS18B20产品的特点
1.单线接口：
仅需一根线与单片机相连；
2.由总线提供电源，也可用数据线供电，电压范围：
3.0～5.5V；
3.测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～85℃时，精度为0.5℃；
4.可编程的分辨率为9～12位，对应的分辨率为0.5～0.03625℃；
5.可编程的温度报警设置；
6.分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字量。
二、DS18B20的引脚介绍
DS18B20可编程温度传感器有3个管脚（如图3-1）。
GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。
VDD为电源接口既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围3．O～5．5V。
详见图3-1DS18B2管脚图。
图3-1DS18B20管脚图
三、DS18B20的内部结构
DS18B20内部功能模块主要由4部分组成：
64位光刻R0M、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
R0M中的64位序列号是出厂前被光刻好的，他可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DSI8B20的64位序列号均不相同。
高低温报警触发器TH和TL，配置寄存器均由一个字节的E2PROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH，TL或配置寄存器写入。
配置寄存器中R1，R0决定温度转换的精度位数：
R1R0＝‘00’,9位精度，最大转换时间为93.75ms；R1R0=‘01’,10位精度，最大转换时间为187.5ms；R1R0=‘10’,11位精度，最大转换时间为375ms；R1R0=‘11’,12位精度，最大转换时间为750ms；未编程时默认为12位精度。
3.1.2主控制器AT89S52
AT89S52（如图3－2所示）是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
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
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