基于单片机的温度控制系统.docx
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基于单片机的温度控制系统
本科毕业设计（论文）
基于单片机的温度控制系统
范银凤
燕山大学
2012年6月
本科毕业设计（论文）
基于单片机的温度控制系统
学院：
里仁学院
专业：
通信工程
学生姓名：
范银凤
学号：
0813********
指导教师：
王成儒
答辩日期：
2012.6.17
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
里仁学院系级教学单位：
电子工程系
学
号
0813********
学生
姓名
范银凤
专业
班级
通信工程4班
题
目
题目名称
基于单片机的温度控制系统
题目性质
1.理工类：
工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.文管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（√）自选题目（）
主
要
内
容
采用单片机技术进行温度控制系统设计，系统采用DS18B20作为温度传感器，LCD1602液晶作为显示模块，以AT89S51单片机为处理器，具有现场温度采集并显示，超过上限报警，超过下限自动加温的功能，并可通过键盘自主设置温度上下限值。
基
本
要
求
根据设计的要求，要利用温度传感器实时温度。
当温度高于设定的温度时（40℃），打开降温装置进行调整使温度在设定的范围内。
当温度低于设定的温度时（35℃），打开升温装置进行调整使温度在设定的范围内。
同时要求能设定温度。
参
考
资
料
（1）单片机C语言与PROTUES仿真技能实训。
（2）单片机应用开发与实践。
（3）Protel实用教程。
（4）51单片机应用程序开发与实践。
周次
第1～2周
第3～4周
第5～7周
第8～10周
第11～14周
应
完
成
的
内
容
查阅资料、掌握单片机设计系统方法。
学习DS18B20及LCD1602资料。
进行系统方案论证。
进行系统硬件设计，并绘制原理图。
采用C51进行系统软件设计。
系统优化。
指导教师：
王成儒
职称：
教授2012年3月1日
系级教学单位审批：
练秋生
2012年3月10日
摘要
本设计以AT89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。
温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。
并且从热力学角度对本设计的控制环境进行简单分析，了解温度场进而确定传感器的合理检测位置。
文中介绍了该控制系统的硬件部分，其中温度检测电路的检测精度可达到1℃。
温度控制电路由三极管的导通与否来驱动继电器的开关，进而对升降温设备进行控制。
单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。
文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：
LCD液晶显示程序、键盘及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序、超温报警程序。
关键词AT89S51单片机；DS18B20温度芯片；温度控制；键盘和显示
Abstract
thisdesignasthecoreoftheAT89S51temperaturecontrolsystemoftheworkingprincipleanddesignmethod.TemperaturesignalchipDS18B20collectionbythetemperature,andthewaytodigitalsignaltransfertothemicrocontroller.AndfromtheAngleofthedesignofthermodynamicsthissimplecontrolenvironmentanalysis,understandthetemperaturefieldandthendeterminethereasonabledetectingpositionsensor.Thepaperintroducesthehardwarepartofthecontrolsystem,includingtemperaturedetectioncircuitdetectionaccuracycanreach1℃.Temperaturecontrolcircuitofthetransistorbyconductionornottodrivetherelayoftheswitch,andthentorisecoolingequipmentcontrol.SCMthroughtosignalprocessed,soastoachievethepurposeoftemperaturecontrol.Thispaperhasmainlyintroducedthesoftwaredesignpart,herethemodularizedstructure,mainmodulehas:
LCDdisplay,keyboardandakeyprogramprocedures,temperaturesignalprocessingprogram,relaycontrolprocedures,supertemperaturealarmingprogram.
KeywordsAT89S51MonolithicIntegratedCircuit；DS18B20TemperatureChip；TemperatureControl；KeyboardandDemonstration
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.1.1目的及意义2
1.1.2内容及其要求2
第2章方案论证4
2.1题目分析4
2.1.1对浴室环境的设定4
2.1.2浴室温度场分析5
2.1.3整体工作原理9
2.2温度传感器的选择11
2.2.1采用模拟集成温度传感器11
2.2.2采用数字单片智能温度传感器12
2.3显示器的选择13
2.3.1LED显示器13
2.3.2LCD液晶屏13
2.4核心芯片的选择14
2.4.1采用凌阳单片机14
2.4.2采用AT89S51单片机14
2.5本章小结21
第3章系统的硬件设计22
3.1系统的设计22
3.2温度传感单元设计23
3.3温度控制单元的设计25
3.4键盘单元的设计27
3.5显示单元的设计27
3.6本章小结28
第4章系统的软件设计30
4.1系统程序结构30
4.2系统软件流程30
4.3本章小结31
结论33
参考文献35
致谢36
附录137
附录242
附录346
附录451
附录564
第1章绪论
1.1课题背景
温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。
即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。
在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。
对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。
为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。
本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。
可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活、医疗、工业生产等方面的温度测量及控制。
常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。
这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。
传统的继电器调温电路简单实用，但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。
控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时，参数调整不便仍是普遍存在的问题。
而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。
数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。
由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。
更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。
本设计是一个数字温度测量及控制系统，能测室内的温度，并能在超限的情况下进行控制、调整，并报警。
保证环境保持在限定的温度中。
1.1.1目的及意义
随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。
本文采用单片机AT89S51设计了温度实时测量及控制系统。
单片机AT89S51能够根据温度传感器DS18B20所采集的温度在液晶屏上实时显示，通过控制从而把温度控制在设定的范围之内。
所有温度数据均通过液晶显示器LCD显示出来。
系统可以根据时钟存储相关的数据。
温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是在工农业生产过程中一个很重要而且很普遍的参数。
温度的测量及控制对保证产品、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。
而且随着科学技术的发展和生产的不断发展，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制参数之一。
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。
在日常生活中，也可以广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭试问测量及工业设备测量场合。
但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术原件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，成本较高。
1.1.2内容及其要求
（1）内容本次的毕业设计的题目是基于单片机的温度控制系统。
它是多种技术知识的结合，不仅涉及到软件的设计，而且还将应用于电子技术与单片机的应用技术有机结合，使其具有精度高、测量误差小、稳定性好等特点[1]。
本设计主要介绍了对浴室温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。
浴室温度的控制部分，提出了用DS18B20、AT89S51单片机及LCD的硬件电路完成对室温的实时监测及显示，利用DS18B20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热暖灯的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。
（2）要求具体指标要求正常工作温度范围为35℃~40℃，温度误差为<1℃。
具体控制要求根据设计的要求，要利用温度传感器实时温度。
当温度高于设定的温度时（40℃），打开降温装置进行调整使温度在设定的范围内。
当温度低于设定的温度时（35℃），打开升温装置进行调整使温度在设定的范围内。
同时要求能设定温度。
国外温度测控系统研究国外对温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。
先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。
80年代末出现了分布式控制系统。
目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
国内温度测控系统研究我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。
我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。
我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。
在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。
我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。
第2章方案论证
2.1题目分析
本设计是一个数字温度控制系统，能测量温度，并能在超限的情况下进行控制、调整，并报警。
2.1.1对浴室环境的设定
传热模型的建立：
从传热学角度来看，浴室是一个近似于封闭的空间，浴室内部安装的浴霸则是相当于一个稳定输出热量的内热源。
浴霸进入稳定工作状态之后，浴室内部的温度场梯度分布是基本趋于稳定的。
设定浴室的尺寸设定为长宽均为4m，高为3m的一个长方体空间，其表面积达到了80平方米，而浴霸的表面积不过是0.4到0.6平方米左右，热源和空间的表面积比例接近了1:
200，空间的表面积是热源的200倍，符合于空间表面积远大于热源表面积的状况。
图2-1浴室模型
图2-1为浴室模型，高为3m，长宽均为4m，，上表面的凹槽代表热源（浴霸）从图中可以更直观的看出，浴霸的表面积相比于传热空间的表面积可以忽略，可以视为一个热源点，因而浴室模型做了如下的简化处理。
图2-2简化的传热模型
热源视为一个发热点，只需要考虑其功率和热量，不需要考虑其尺寸影响，建立了如图2-2所示的传热模型。
图2-2所示的传热模型，是在浴室内部建立起的一个半径为2m的圆球传热模型，半球以外的部分，接收到的辐射能量很少，温度场基本梯度很缓，可以视为热量均匀分布，温度一致。
浴霸的功率一般在2600w以上，3000w以下，在下面的分析计算当中，设定为2800w。
注：
浴霸将所获得的电能主要转化为了热能，通过热辐射发散到了周围环境当中；转化为光能所消耗的电能仅有二十瓦左右，相比于整体的2800W的功率，尚不足百分之一，因而在计算的时候，是不考虑电能转化为光能的损失的。
2.1.2浴室温度场分析
温度场分布的分析：
自然界的热量传递有热传导，对流传热和热辐射三种方式。
一个热源点散发热量，不考虑尺寸，热传导的作用是微乎其微可以忽略的；而周围的环境是近似于封闭的，虽然热源周围有着气态流体的存在，但是其宏观流动性的表现并不是很明显，无论是自然对流传热还是强制对流传热，其强度都是微弱的；因而，在这个模型当中，只需要深入分析计算热辐射的影响。
在一个仅仅考虑热辐射的传热模型当中，热源视为类同于质点的存在之后，由于浴霸在浴室当中的位置（设定在浴室上表面中心），浴室当中的热量阶梯是呈现半球面分布的；以浴霸为球心，半径持续连续延伸的每一个半球面上，都会有一个特定的温度和辐射强度。
图2-3浴室内温度场分布示意图
图2-3表示了从浴室上表面看，温度场的分布，呈现同心圆的规律，是连续分布的，由内而外温度逐渐递减，图中表现为暖色调向冷色调的过渡；我们需要确定的就是，这些连续存在的半球面温度场，哪一个上面的辐射强度和温度恰好和整个房间的平均温度和平均辐射强度相吻合，得出一个确定的半径数值。
传热学的分析计算：
在持续稳定工作的情况之下，从传热学角度来看，通过前面的分析，我们可以把我们要求解决的问题，转化为如下问题：
在以热源为球心的半球，球径尺寸延伸到了多少的时候，热源辐射能量被室内空气吸收达到了一半？
也即是球径尺寸延伸到了多少的时候，温度降达到了一半？
计算式表达如下：
（2-1）
其中P=2800w，表示的是浴霸的功率；S表示的半球的表面积。
能够满足的S如下式：
（2-2）
即
（2-3）
想要求得平均温度对应的半径，现在的问题就是求出辐射强度。
我们已知的条件为平均温度范围为35oC到40oC，我们可以计算出平均温度为35oC和40oC时，分别对应的辐射强度，进而求出两个平均温度分别对应的半径，如果某个平均温度位于这两个温度之间，那么相应的半径也位于两个半径值之间。
计算过程和公式如下：
首先取平均温度为35oC的状况：
室温为25oC
空气的定压比热容按理想气体状况取值：
=1.40KJ/K.kg
空气的密度按常温状况下取值：
=1.29kg/m3
经历时间t后，室内空气吸收辐射热量，平均温度达到了35oC，
需要的能量：
（2-4）
=866.88KJ
浴室的墙壁表面是光洁的，对于辐射到其上的能量，能够将绝大部分反射，因而不论空气对于热量的吸收率是多少，热量往返反射之间，最终都会被空气吸收；所以在能量计算中，从整体考虑，可以处理为热源的能量全部被空气所吸收，不去分段考较每一个瞬间的辐射。
所以平均温度达到35oC，所需要的时间：
=866.88KJ/2.8KW
=309.6S
按照传热学辐射理论，计算辐射强度（计算中，空气吸收率取0.19）：
即
=532W/m2
又
计算得：
r1=0.6473m
图2-4平均温度为35oC时，所在位置示意图
取平均温度为40oC的状况：
室温为25oC
空气的定压比热容按理想气体状况取值，
=1.40KJ/K.kg
空气的密度按常温状况下取值，
=1.29kg/m3
经历时间t1后，室内空气吸收辐射热量，平均温度达到了40oC，
需要的能量:
KJ
平均温度上升到40oC需要的时间：
=464.4S
按照传热学辐射理论，计算辐射强度（计算中，空气吸收率取0.19）：
=798W/m2
又
计算得：
r2=0.5285m
浴室内部的温度梯度是逐渐变缓的，温度降越来越小，越远离浴霸的球面，其温度降越缓；靠近浴霸所在，温度降剧烈。
而且随着时间的延长，浴室的整体温度升高，其平均温度所在也是不断地内移的，温度越高越是靠近中心热源所在。
结论：
根据以上计算结果，可以得出结论，当平均温度从35oC升高到40oC的时候，平均温度所在位置从距离热源的半球面内移到了距离热源的半球面上。
2.1.3整体工作原理
根据系统的设计要求，选择DS18B20作为本系统的温度传感器，选择单片机AT89S51为测控系统的核心来完成数据采集、处理、显示、报警等功能。
选用数字温度传感器DS18B20，省却了采样／保持电路、运放、数／模转换电路以及进行长距离传输时的串／并转换电路，简化了电路，缩短了系统的工作时间，降低了系统的硬件成本[2]。
该系统的总体设计思路如下：
温度传感器DS18B20把所测得的温度发送到AT89S51单片机上，经过51单片机处理，将把温度在显示电路上显示，本系统显示器为点阵字符LCD，1602液晶模块。
检测范围35摄氏度到40摄氏度。
本系统除了显示温度以外还可以设置一个温度值，对所测温度进行监控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（排风扇），当采集的温度经处理后低于设定温度时，单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备（浴霸）。
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，或者温度传感器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。
图2-5工作原理图
温度控制系统采用AT89S51单片机作为微处理单元进行控制。
独立式键盘把设定温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器，还可以通过键盘完成温度检测功能的转换。
温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比较来控制温度控制器。
中央微处理器AT89S51：
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。
AT89S51单片机综合了微型处理器的基本功能。
按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的AT89S51单片机作为整个系统的控制器[3]。
2.2温度传感器的选择
2.2.1采用模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
图2-6是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。
因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k
时，输出电压
随温度的变化为1mV/K。
但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。
调整的方法为：
把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使
=273.2mV。
或在室温下（25℃）条件下调整电位器,使
=273.2+25=298.2（mV）。
但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度[4]。
AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出数字量送给单片机进行温度控制。
图2-6基于AD590测温基本应用电路
2.2.2采用数字单片智能温度传感器
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
目前，已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）.智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（1-WIRE）总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线[5]。
温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。
智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。
典型产品有DS18B20，智能温度控制器适配各种微控制器,构成智能化温控系统
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