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汪洋单片机温度控制
2012届本科生毕业设计
题目：
基于单片机AT89C51温度控制系统
作者姓名：
汪洋
学号：
2008080637
系（院）：
机械与电子工程学院
专业：
电气工程及其自动化
指导教师姓名：
李娜
指导教师职称：
硕士
2012年11月18日
SuZhouUniversity
Year2012DissertationForBachelor'sDegree
Title:
AT89C51microcontrollerbased
temperaturecontrolsystem
Author:
Wangyang
StudentID:
2008080637
Department:
ElectronicandElectronicalEngineering
Major:
ElectronicEenineeringandAntomation
Instructor:
LiNa
ProfessionalTitle:
AMaster'sDegree
November20th,2011
摘要
单片机自20世纪70年代问世以来，已广泛地应用在工业自动化、自动检测、控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各方面。
它具有功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强，简单方便，前景广阔，等优点。
此外，单片机的体积小、性能价格比高、应用灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要额地位。
本温度控制系统就是以AT89C51单片机为控制核心。
主要由温度传感模块，单片机编程模块，显示模块，控制模块等部分组成。
温度信号由温度传感器DS18B20采集，经过放大转化为电压信号进行编码，测温分辨率0.1℃。
水温实时控制由继电器电热丝和风扇进行升温和降温。
显示部分由1602LCD液晶显示温度的当前值及温度上下限。
实现对温度的加热、制冷及实时监控。
该系统具有温度超调量小、调节时间短、测量精确等优点、且控制方便、显示直观、性能稳定、可靠性高。
由于设备的局限性本系统不含继电器、加热和制冷设备，但可实现温度上下限设定和报警装置等功能。
关键字：
51单片机;DS18B20;温度;控制
ABSTRACT
Microcontrollerfromitsinceptioninthe1970s,hasbeenwidelyusedinindustrialautomation,automaticdetection,control,smartinstrumentation,electromechanicalintegrationequipment,automotiveelectronics,homeappliancesandsoon.Ithasafull-featured,applicationreliability,anti-interferenceability,simpleandbroadprospects,andsoon.Inaddition,thechip'ssmallsizeandhighcostperformance,applicationflexibilityandstrongfeaturesintheembeddedmicro-controlsystemintheamountofveryimportantposition.
ThetemperaturecontrolsystemistoAT89C51microcontrollerforthecontrolofthecore.Mainlybythetemperaturesensingmodule,microcontrollerprogrammingmodule,displaymodule,controlmoduleandothercomponents.TemperaturesignalfromthetemperaturesensorDS18B20acquisition,throughmagnificationintoavoltagesignalisencoded,temperatureresolutionof0.1℃.Real-timecontroltemperatureandfanheatingwirefromtherelayforheatingandcooling.Inpartbythe1602LCDLCDdisplaythecurrenttemperaturevalueandtemperatureonthelowerlimit.Achievethetemperatureoftheheating,coolingandreal-timemonitoring.Thesystemhasatemperatureovershoot,theadjustmenttimeisshort,precisemeasurement,etc.,andeasytocontrol,displayandintuitive,stableperformanceandhighreliability.Duetoequipmentlimitationsofthesystemwithoutrelays,heatingandcoolingequipment,butcanachievethelowerlimitonthetemperaturesettingandalarmfunctions.
Keyword:
51single;DS18B20;temperature;control
目录
引言1
1系统设计方案2
1.1设计任务2
1.2设计要求2
1.3系统设计方案2
2各某块电路的方案选择及论证3
2.1主控模块3
2.1.1方案选择3
2.2温度控制部分4
2.1.1度控制单元4
2.1.2温度采集单元4
3系统硬件及各电路设计5
3.1中央处理器5
3.1.1AT89C51单片机5
3.1.2AT89C51引脚简单介绍6
3.1.3AT89C51特殊功能寄存器7
3.1.4时钟电路8
3.1.5复位电路8
3.1.6串行通信9
3.1.71602LED液晶显示11
3.1.5按键控制单元13
3.2数字温度传感器DS18B2013
4系统软件设计16
4.1系统主程序的设计16
4.2键盘处理及显示子程序设计17
结论19
参考文献20
附录一21
附录二23
致谢34
基于单片机AT89C51温度控制系统
（宿州学院08级电气三班）指导教师：
李娜
引言
温度控制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，用于融化金属的电阻炉及各种不同用途的温度箱等。
用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便、简单、灵活性大灯特点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而从而能够大大提高产品的质量，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，并且在设计中还加入常用的LCD液晶显示及常用电路，使得整个设计更加完全，更加灵活。
随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制形同发展的主流方向。
在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不震荡。
特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发完全的领域，却又是与人们息息相关的问题。
在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食储存、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的主要参数之一。
单片机自20世纪70年代问世以来，已广泛地应用在工业自动化、自动检测、控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各方面。
它具有功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强，简单方便，前景广阔，等优点。
此外，单片机的体积小、性能价格比高、应用灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要额地位。
从工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等方面直至国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。
国内外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。
目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器精度和分辨率较低，温度控制效果不是很理想但价格很便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一套商品化的，性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。
1系统设计方案
1.1设计任务
设计和制作一个温度控制装置，能够控制加热或制冷装置使温度达到某一设定值，同时在LED上显示出来。
并且能设置温度上下限，当温度超过设定值时报警电路会报警。
1.2设计要求
该设计要求学生熟练掌握单片机的原理及应用，并对系统温度传感某块、显示某块有一定的了解。
1.3系统设计方案
该系统以AT89C51单片机为核心，温度传感器随时将温度信号转化为电信号经单片机识别，单片机根据传入的信号控制控制电路，控制加热或制冷系统，同时在LCD上显示出来，形成对温度的检测和控制。
该系统为一个闭环反馈调节系统。
结构图如下。
图1系统硬件结构
2各某块电路的方案选择及论证
2.1主控模块
2.1.1方案选择
方案一：
采用DSP作为系统控制器。
DSP（digitalsignalprocessor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。
它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。
DSP具有对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小，容易实现集成，可分时复用，共享处理器，方便调整处理器的系数实现自适应，可用于频率非常低的信号等优点。
但DSP硬件电路比较复杂，且价格昂贵，数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。
方案二：
采用单片机作为系统控制器。
单片机具有可靠性强、性价比搞、电压低、功耗低等优点得到迅猛发展和大范围推广，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种逻辑功能，本身带有定时器、计数器，可以用来定时和计数，并且其功耗低，体积小，计数成熟和成本低等优点。
基于以上分析，拟定方案二，有AT89C51单片机作为控制器。
根据上面的方案选择，电路原理图如下图2。
图2主控电路
2.2温度控制部分
2.1.1度控制单元
方案一：
采用可控硅来控制加热器有效功率，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,但是该方案电路设计复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。
方案二：
采用继电器控制。
使用继电器可以很容易地实现通过较高的电压和电流，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，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。
但可以由多路加热丝组成功率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能。
基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，简单易行，可实现性强。
2.1.2温度采集单元
方案一：
选用集成温度传感器AD590。
AD590的测温范围是-55～+150℃，最大非线性误差为±0.3℃，响应时间仅为20us，重复性误差低至±0.05℃。
电源电压范围是4V～30V，且能承受44V正向电压喝0V反向电压，不会因为反接而损坏。
此外AD590是温度-电流传感器，对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助。
但需要放大电路和A/D转换电路，电路设计较为繁琐
方案二：
使用带有A/D（模数转换）单片集成的DS18B20传感器。
DS18B20测温范围为－55℃～＋125℃，无需其他外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据。
具有线路简单，性能稳定体积小的特点。
比较以上方案，所以选择方案二。
3系统硬件及各电路设计
3.1中央处理器
MCS-51系列单片机主要包括基本型产品8031/8051/8751（对应的低功耗型80C31/80C51/87C51和增强型产品8032/8052/8752。
虽然他们是8位的单片机，但是具有品种全、兼容性强性能价格比高等特点且软硬件应用设计资料丰富齐全，已为我国广大工程技术人员所熟悉和掌握。
在20世纪80年代和90年代，MCS-51系列单片机是在我国应用最为广泛的单片机机型之一。
3.1.1AT89C51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。
具有四个4个8位可编程并行I/O口，2个可编程16位定时器，中断系统具有五个中断源五个中断向量。
图3AT89C51单片机实物图
XTAL2
XTAL1
图4AT89C51单片机的片内硬件组成结构
3.1.2AT89C51引脚简单介绍
图5AT89C51引脚图
40个引脚按其功能可分为如下3类：
电源及时钟引脚——VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。
控制引脚——PSEN、ALE/PROG、EA/VPP、RST。
I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。
3.1.3AT89C51特殊功能寄存器
AT89C51中的CPU对片内各功能部件的控制是采用特殊功能寄存器集中控制方式。
特殊功能寄存器（SFR）的单元地址映射在片内RAM的80H—FFH区域中，共有26个，离散地分布在该区域中，其中有些SFR还可以进行位寻址。
表1AT89C51寄存器列表
符 号
地 址
注 释
*ACC
E0H
累加器
*B
F0H
乘法寄存器
*PSW
D0H
程序状态字
SP
81H
堆栈指针
DPL
82H
数据存储器指针低8位
DPH
83H
数据存储器指针高8位
*IE
A8H
中断允许控制器
*IP
D8H
中断优先控制器
*P0
80H
端口0
*P1
90H
端口1
*P2
A0H
端口2
*P3
B0H
端口3
PCON
87H
电源控制及波特率选择
*SCON
98H
串行口控制器
SBUF
99H
串行数据缓冲器
*TCON
88H
定时器控制
TMOD
89H
定时器方式选择
TL0
8AH
定时器0低8位
TL1
8BH
定时器1低8位
TH0
8CH
定时器0低8位
TH1
8DH
定时器1高8位
3.1.4时钟电路
AT89C51单片机各功能部件的运行都以时钟信号为准，有条不紊、一拍一拍地工作。
因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
AT89C51单片机内部有一个用于构成震荡的高增益反相放大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体和微调电容，构成一个稳定的自己振荡器。
外部时钟方式时外部时钟电源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空。
图6时钟电路原理图
3.1.5复位电路
复位是单片机的初始化操作，只需给AT89C51的复位引脚RST加上大雨2个机器周期（即24个时钟震荡周期）的高电平就可使AT89C51复位。
复位电路通常采用上自动复位和按钮复位两种方式。
上电复位是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，次信号随着VCC对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间。
因此为保证系统能可靠地复位，EST引脚上的高电平必须维持足够长的时间。
按键手动复位有电平和脉冲两种形式。
图7复位电路原理图
3.1.6串行通信
AT89S51单片机串行口有两个物理上独立的接受、发送缓冲器SBUF（属于特殊功能寄存器），可同时发送、接受数据。
发送缓冲器只能写入不能读出，两个缓冲器共用一个特殊功能寄存器字节地址（99H）。
串行口的控制寄存器共有两个：
特殊功能寄存器SCON和PCON。
图880C51串行口的结构
PC机与单片机的点对点串行通信接口设计：
在测控系统中，经常使用单片机在操作现场进行数据采集，但是由于单片机的数据存储容量和数据处理能力都较低，所以一般情况下单片机通过串行口与PC机的串行口相连，把采集到的数据传送到PC机上，再在PC机上进行数据处理，由于单片机的输入输出是TTL电平，而PC机配置的都是RS-232标准串行接口，为9针D型连接器（插座），由于两者电平不匹配，因此必须对单片机输出的TTL电平转换为RS-232电平。
单片机与PC机的接口方案如图。
图9单片机与PC的串行接口
MAX232：
MAX232是美信公司专门为电脑RS-232标准串口设计接口电路，使用+5V单电源供电该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平。
每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。
它的作用是：
电压转换芯片，将TTL电平转换成可以和电脑串口匹配的电压,这样才能使电脑与单片机系统板相连。
图10单片机最小系统串行通信原理图
3.1.71602LED液晶显示
N=0（读或写一个字符后地址指针减1&光标减1），1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样，其中：
表21602引脚描述
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
低4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
低4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
低4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
低4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
表3寄存器选择控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器（清除屏等）
0
1
读busyflag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值
1
0
写入数据寄存器（显示各字型等）
1
1
从数据寄存器读取数据
RS
R/W
操作说明
注：
关于E=H脉冲——开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0.
busyflag（DB7）：
在此位为被清除为0时，LCD将无法再处理其他的指令要求。
显示地址
表41602地址显示
1
2
3
4
00H
01H
02H
03H
40H
41H
42H
43H
指令集
1602通过D0~D7的8位数据端传输数据和指令。
显示模式设置：
（初始化）
00111000[0x38]设置16×2显示，5×7点阵，8位数据接口；
显示开关及光标设置：
（初始化）
00001DCBD显示（1有效）、C光标显示（1有效）、B光标闪烁（1有效）
000001NSN=1（读或写一个字符后地址指针加1&光标加1），
S=1且N=1（当写一个字符后，整屏显示左移）
s=0当写一个字符后，整屏显示不移动。
数据指针设置：
数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码（0-27H，40-67H）
其他设置：
01H（显示清屏，数据指针=0，所有显示=0）；02H（显示回车，数据指针=0）。
通常推荐的初始化过程：
延时15ms
写指令38H
延时5ms
写指令38H
延时5ms
写指令38H
延时5ms
（以上都不检测忙信号）
（以下都要检测忙信号）
写指令38H
写指令08H关闭显示
写指令01H显示清屏
写指令06H光标移动设置
写指令0cH显示开及光标设置
完毕。
Proteus仿真
使用Proteus仿真1602--即LM016L--依照数据手册说明可能遇到困难，可以尝试采用以下方案解决：
（1）、数据手册中可能介绍1602内部D0~D7已有上拉，可以使用P0口直接驱动。
在Proteus里LM016L内部可能没有,应该人为
加上拉电阻。
建议不要使用排阻，使用普通电阻一个一个拉应该可以解决问题；
（2）、可能碰到不能检测忙信号的问题，尝试使用延时把忙信号拖过去。
3.1.5按键控制单元
用MOD（模式）、TH（上升）、TL（下降）四个单键实现温度值的设定，当系统得到正确的输入值时键盘锁定，随后的输入系统必须复位。
键盘是用STC89C52RC的P2口来控制。
3.2数字温度传感器DS18B20
（1）、DS18B20引脚定义：
a、DQ为数字信号输入/输出端,漏极开路，常态下高电平；
b、GND为电源地；
c、VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）,电源电压范围3-5.5V；
d、NC：
空引脚，悬空不使用。
（2）、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、TL和配置寄存器。
其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。
如图11示。
a、64位光刻ROM是生产厂家给每一个出厂的DS18820命名的产品序列号，可以看作为该器件的地址序列号。
其作用是使每一个出厂的DS18820地址序列号都各不相同，这样，就可以实现一根总线上挂接多个DS18820的目的，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。
数据在出产时设置不由用户更改。
b、高速暂存器，用于
升级会员 