基于单片机的水温控制系统.docx

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基于单片机的水温控制系统

摘要

温度控制系统可以说是无所不在，热水器系统、空调系统、冰箱、电饭煲、电风扇等家电产品以至手持式高速高效的计算机和电子设备，均需要提供温度控制功能。

本系统的设计可以用于热水器温度控制系统和饮水机等各种电器电路中。

它以单片机AT80C51为核心，通过3个数码管显示温度和4个按键实现人机对话，使用单总线温度转换芯片DS18B20实时采集温度并通过数码管显示，并提供各种运行指示灯用来指示系统现在所处状态，如：

温度设置、加热、停止加热等，整个系统通过四个按键来设置加热温度和控制运行模式。

关键词：

单片机，数码管显示，单总线，DS18B20

Abstract

Temperaturecontrolsystemcanbesaidtobeubiquitous,waterheaters,airconditioningsystems,refrigerators,ricecookers,electricfansandotherhomeappliancesaswellashigh.speedandefficienthand.heldcomputersandelectronicequipmentarerequiredtoprovidetemperaturecontrol.Thesystemdesigncanbeusedfordrinkingwaterheatertemperaturecontrolsystemsandotherelectricalcircuits.AT80C51microcontrollerasthecoreofit,throughthethreetemperaturedigitaldisplayand4keystoachieveman.machinedialogue,theuseofsingle.chipbustemperatureconversiontemperatureDS18B20real.timeacquisitionandthroughthedigitaldisplayandoffersavarietyofoperatinglighttoindicatesystemnowliveinthestate,suchas:

temperaturesetting,heating,andstopheating,theentiresystemthroughthefourbuttonstosettheheatingtemperatureandcontroltheoperatingmode

Keywords:

Microcontroller,digitaldisplay,singlebus,DS18B20

1绪论

1.1课题的背景及研究意义

及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制,在许多工业场合中都是重要的环节.水温的变化影响各种系统的自动运作，例如冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的水处理温度要求严格控制。

对于不同控制系统，其适宜的水质温度总是在一个范围。

超过这个范围，系统或许会停止运行或遭受破坏，所以我们必须能实时获取水温变化。

对于，超过适宜范围的温度能够报警。

同时，我们也希望在适宜温度范围内可以由检测人员根据实际情况加以改变。

1.2国内外现状及发展趋势

单片机对对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法.自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展。

单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业，大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其能。

单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。

单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。

同时，单片机具有较强的管理功能。

采用单片机对整个测量电路进行管理和控制，使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成本低，制造、安装、调试及维修方便。

传统的温度采集电路相当复杂，需要经过温度采集、信号放大、滤波、AD转换等一系列工作才能得到温度的数字量，并且这种方式不仅电路复杂，元器件个数多，而且线性度和准确度都不理想，抗干扰能力弱。

现在常用的温度传感器芯片不但功率消耗低、准确率高，而且比传统的温度传感器有更好的线性表现，最重要的一点是使用起来方便。

1.3论文主要工作概述

课题采用的是单总线数字温度传感器DS18B20，可直接将温度转换值以16位数字码的方式串行输出：

将温度转化为数字编码只需1秒左右。

而且它具有独特单线接口方式，即与微处理器接口时仅需占用1个I/O口；支持多节点；测温时无需任何外部元件，可以通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式。

测温范围为—55℃～+125℃。

由于传送的是串行放大器和A/D转换器可以统统被省却，因而这种测温方式大大提高了各种温度测控系统的可靠性，降低了成本，缩小了体积。

其测温系统结构简单，硬件少，成本低，测温精度高，转换速度快，实用性高，应用范围广泛，市场前景好，经济效益可观。

本文主要结构：

第一章为绪论，介绍水温控制背景发展及现状；

第二章为系统的方案论证，比较了几种不同的方案，为本设计筛选出合适的方案；

第三章为硬件系统设计，在合理方案的基础上，选定合适的元器件，组成基本系统，实现相应的功能；

第四章为软件设计，论述了主程序以及各个子程序的功能；

第五章为系统调试，对设计的系统进行测试，发现并解决在调试阶段的问题。

2系统方案论证 

2.1系统方案设计及论证  

方案1：

采用传统的二位模拟控制方法，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教高，而且不能用数码显示和键盘设定。

方案2：

采用单片机AT89C51为核心。

采用了温度传感器18B20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各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。

比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此本设计电路采用方案2。

2.2 功能模块设计及论证 

本设计以单片机为控制核心，系统由温度采集模块、加热模块、键盘显示模块及电源模块等四大模块组成。

现将各部分主要元件及电路做以下的论证：

2.2.1温度采样模块

方案1：

采用热敏电阻，可满足35℃..95℃的测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1℃的温度信号是不适用的。

方案2：

Dallas最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。

Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS18B20一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为.55℃~+125℃，在.10℃~+85℃范围内,精度为±0.5℃。

DS1822的精度较差为±2℃。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

经上述比较，方案2明显优于方案1，故选用方案2。

2.2.2键盘及显示模块

控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计的好坏直接影响到电路的好坏。

方案1：

采用可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成，可编程/显示器件8279实现对按键的扫描、消除抖动、提供LED的显示信号，并对LED显示控制。

用8279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。

方案2：

采用数码管与地址译码器74LS138组成显示系统，按键直接与80C51相连接的按键系统控制，这种方案既能很好的控制键盘及显示，为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。

对比两种方案可知，方案1虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计的成本和电路整体的性能，我们采用方案2。

2.3总体设计简介

2.3.1硬件总体设计

设计并制作一个基于单片机的热水器温度控制系统的电路，其结构框图如图2.1：

图2.1系统结构框图

Figure2.1SystemStructurecurve

2.3.2软件总体设计

良好的设计方案可以减少软件设计的工作量，提高软件的通用性，扩展性和可读性。

本系统的设计方案和步骤如下：

（1）根据需求按照系统的功能要求，逐级划分模块。

（2）明确各模块之间的数据流传递关系，力求数据传递少，以增强各模块的独立性，便于软件编制和调试。

（3）确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并分别调试通过。

（4）按照开发式软件设计结构，将各模块有机的结合起来，即成一个较完善的系统。

首先接通电源系统开始工作，系统开始工作后，通过按键设定温度值的上限值和下限值，确定按键将设定的温度值存储到指定的地址空间，温度传感器开始实时检测，调用显示子程序显示检测结果，调用比较当前显示温度值与开始设定的温度值比较，如果当前显示值低于设定值就通过继电器起动加热装置，直到达到设定值停止加热，之后进行保温，如果温度高于上限进行报警。

3硬件系统设计

本设计主要思路是通过对单片机编程将由温度传感器DS18B20采集的温度外加驱动电路显示出来，通过对继电器的控制，进行升温，当温度达到上下限蜂鸣器进行报警。

P1.7开关按钮是用于确认设定温度的，初始按下表示开始进入温度设定状态，然后通过P1.5和P1.6设置温度的升降，再次按下P1.7时，表示确认所设定的温度，然后转入升温或降温。

P2.3所接的发光二极管用于表示加热状态，P2.5所接的发光二极管用于表示保温状态。

P2.3接继电器。

P3.1是温度信号线。

整个电路都是通过软件控制实现设计要求。

3.1单片机控制系统

80C51单片机内部自带8K的ROM和256字节的RAM，不必构建单片机系统的扩展电路。

如图3.1，单片机最小系统有复位电路和振荡器电路。

值得注意的一点是单片机的31脚

必须接高电平，否则系统将不能运行。

因为该脚不接时为低电平，单片机将直接读取外部程序存储器，而系统没有外部程序存储器，所以

必须接VCC。

在按键两端并联一个电解电容，滤除交流干扰，增加系统抗干扰能力。

图3.1单片机最小系统图

Figure3.1Smallestsingle.chipsystemcurve

3.2人机交互电路

3.2.1键盘电路

键盘是单片机应用系统中的主要输入设备，单片机使用的键盘分为编码键盘和非编码键盘。

编码键盘采用硬件线路来实现键盘的编码，每按下一个键，键盘能够自动生成按键代码，并有去抖功能。

因此使用方便，但硬件较复杂。

非编码键盘仅仅提供键开关状态，由程序来识别闭合键，消除抖动，产生相应的代码，转入执行该键的功能程序。

非编码键盘中键的数量较少，硬件简单，在单片机中应用非常广泛。

图为按键和AT80C51的接线图，检测仪共设有4个按键，每个按键由软件来决定其功能，4个按键功能分别为：

（1）SW1：

设定按键（设定按键）

（2）SW2：

加法按键（当前位加5）

（3）SW3：

减法按键（当前位减5）

（4）SW4：

退出设置键（系统初始化）

图3.2单片机按键和AT80C51的接线图

Figure3.2AT80C51microcontrollerbuttonsandwiringcurve

3.2.2数码管及指示灯显示电路

（1）数码管显示

各个数码管的段码都由单片机的数据口输出的信号控制，数码管可以采用静态显示和动态显示两种驱动方式。

①静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二.十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

②动态显示驱动：

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在实际应用中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低，过程如表3.1。

因此选用动态驱动方式。

表3.1数码管编码表

Tab.3.1Digitalcoding

段码

位码

显示器状态

08H

01H

□□□□□□□0

abH

02H

□□□□□□1□

12H

04H

□□□□□2□□

22H

08H

□□□□3□□□

a1H

10H

□□□4□□□□

24H

20H

□□5□□□□□

04H

40H

□6□□□□□□

aaH

80H

7□□□□□□□

本论文中使用了3个数码管，其中前两位使用动态扫描显示实测温度，在设置加热温度的时候，两个数码管是闪烁，以提示目前处在温度设置状态。

第三位数码管静态显示符号“℃”。

（2）运行指示灯说明

本热水器温度控制系统中共使用到3个LED指示灯和3个数码管。

绿色LED1为电源指示灯，即接通电源后该灯会亮起；

红色LED2是加热指示灯，当刚开机或温度降到设定温度5℃以下时，该灯会亮，表示目前处于加热状态；当温度上升到设定温度时，该LED灭；

黄色LED3为保温状态指示灯，用户可以使用热水器；当温度再次下降到设定温度5℃以下时，黄色LED灭，红色加热的LED灯亮，不断循环。

图3.3LED数码管显示电路图

Figure3.3LEDdigitaldisplaycircuitcurve

3.3温度采集控制电路

3.3.1温度采集电路

（1）DS18B20介绍

Dallas最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。

Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS18B20一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为.55℃~+125℃，在.10℃~+85℃范围内,精度为±0.5℃。

DS1822的精度较差为±2℃。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

其DS18B20的管脚配置如图3.4所示。

图3.4DS18B20管脚图

Figure3.4DS18B20pincurve

引脚定义：

①DQ为数字信号输入/输出端；

②GND为电源地；

③VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

（2）DS18B20的单线（1.wirebus）系统

单线总线结构是DS18B20的突出特点，也是理解和编程的难点。

从两个角度来理解单线总线：

第一，单线总线只定义了一个信号线，而且DS18B20智能程度较低（这点可以与微控制器和SPI器件间的通信做一个比较），所以DS18B20和处理器之间的通信必然要通过严格的时序控制来完成。

第二，DS18B20的输出口是漏级开路输出，这里给出一个微控制器和DS18B20连接原理图。

这种设计使总线上的器件在合适的时间驱动它。

显然，总线上的器件与（wiredAND）关系。

这就决定：

（1）微控制器不能单方面控制总线状态。

之所以提出这点，是因为相当多的文献资料上认为，微控制器在读取总线上数据之前的I/O口的置1操作是为了给DS18B20一个发送数据的信号。

这是一个错误的观点。

如果当前DS18b20发送0，即使微控制器I/O口置1，总线状态还是0;置1操作是为了是I/O口截止（cutoff），以确保微控制器正确读取数据。

（2）除了DS18B20发送0的时间段，其他时间其输出口自动截止。

自动截止是为确保：

1时，在总线操作的间隙总线处于空闲状态，即高态。

2时，确保微控制器在写1的时候DS18B20可以正确读入。

由于DS18B20采用的是1.Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S52单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。

（3）DS18B20的供电方式

在图3.5中示出了DS18B20的寄生电源电路。

当DQ或VDD引脚为高电平时，这个电路便“取”的电源。

寄生电路的优点是双重的，远程温度控制监测无需本地电源，缺少正常电源条件下也可以读ROM。

为了使DS18B20能完成准确的温度变换，当温度变换发生时，DQ线上必须提供足够的功率。

有两种方法确保DS18B20在其有效变换期内得到足够的电源电流。

第一种方法是发生温度变换时，在DQ线上提供一强的上拉，这期间单总线上不能有其它的动作发生。

如图3.5所示，通过使用一个MOSFET把DQ线直接接到电源可实现这一点，这时DS18B20工作在寄生电源工作方式，在该方式下VDD引脚必须连接到地。

图3.5DS18B20供电方式1

Figure3.5DS18B20PowerSupply1curve

另一种方法是DS18B20工作在外部电源工作方式，如图3.6所示。

这种方法的优点是在DQ线上不要求强的上拉，总线上主机不需要连接其它的外围器件便在温度变换期间使总线保持高电平，这样也允许在变换期间其它数据在单总线上传送。

此外，在单总线上可以并联多个DS18B20，而且如果它们全部采用外部电源工作方式，那么通过发出相应的命令便可以同时完成温度变换。

图3.6DS18B20供电方式2

Figure3.6DS18B20PowerSupply2curve

（4）DS18B20设计中应注意的几个问题

DS18B20具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用接口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送。

因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

在DS18B20有关资料中均未提及1Wire上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。

当1Wire上所挂DS18B20超过8个时，就需要考虑微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。

实际应用中，测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。

本文以广泛应用的数字温度传感器DS18B20为例，说明了1Wire总线的操作过程和基本原理。

事实上，基于1Wire总线的产品还有很多种，如1Wire总线的E2PROM、实时时钟、电子标签等。

他们都具有节省I/O资源、结构简单、开发快捷、成本低廉、便于总线扩展等优点，因此有广阔的应用空间，具有较大的推广价值。

本设计将温度传感器DS18B20与单片机TXD引脚相连，读取温度传感器的数值。

DS18B20与单片机连接图如图所示3.7所示。

图3.7DS18B20与单片机连接图

Figure3.7ConnectionwiththeMCUDS18B20curve

3.3.2加热管控制电路

继电器是常用的输出控制接口，可以做交直流信号的输出切换。

它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

继电器控制接点操作说明如下：

●COM：

Common，共同点。

输出控制接点的共同接点。

●NC：

NormalClose常闭点。

以Com为共同点，NC与COM在平时是呈导通状态的。

●NO：

NormalOpen常开点。

NO与COM在平时是呈开路状态的，当继电器动作时，NO与COM导通，NC与COM则呈开路状态。

当89S52的P2.5输出高电平时，继电器不导通，反之当输出低电平时，继电器导通，这样就激活了连接回路。

图3.8单片机控制继电器电路

Figure3.8MCUcontrolrelaycircuitcurve

3.4电源电路

采用L7805稳压块，输出为5V。

电子组件要正常运作都需要电源电压供电，一般常用的电源电压为+5V或+12V，因为数字IC（IngegratedCircuit：

集成电路）所供给的电压为+5V，而CMOSIC所供给的电压为+12V，7805是一个稳压块。

7805稳压管把高电压转换到低电压，7805稳压管具有保护单片机的作用。

L7805输出端要并联上一个电解电容，滤除交流电干扰，防止损坏单片机系统。

本设计采用两种供电方式，一种为DC7.18V直流稳压电源变换成5V的直流电；另一种为四节干电池共6V经二极管加压后得到将近5V的直流电源，电源配以开关和指示灯，以方便使用。

黄色发光二极管表示保温，红色的表示加热状态。

图3.9系统电源设计图

Figure3.9Systempowersupplydesigncurve

3.5报警电路

同时可以在系统里设定温度上限值，由于加热停止后，加热管还有余热当采集到的外界温度高于当前所设定温度上限值时，程序就会进入报警子程序，触发蜂鸣器进行报警。

报警电路原理图如图所示。

图3.10报警电路图

Figure3.10Alarmcircuitcurve

图中的三极管8550的作用是增加驱动能力，