单片机的水温控制器的研究
目录
一、引言 1
（一）课题背景 1
（二）课题的主要任务及内容 1
二、硬件设计 1
（一）硬件设计原理框图 1
（二）加热控制电路 2
（三）温度测量电路 2
（四）控制电路 3
（五）数码管显示电路 4
三、软件设计 5
（一）主程序 5
1、主程序设计 5
2、控温模块程序设计 6
3、温度测量模块设计 6
4、控制电路模块设计 7
5、数码管显示电路设计 8
四、实物制作 9
（一）元器件选择 9
（二）实物调试 10
1、系统调试 10
（三）调试故障及原因 10
总结 11
致谢 12
参考文献 13
附录一：水温控制器设计的总电路图 14
附录二 ：C语言程序代码 15
附录三：元器件清单 24
附录四：实物图 26
一、引言
（一）课题背景
随着科学技术日新月异的进步，人们期望能够使用更加简单便利，易于操作，这就意味着人们要求所使用的工具应该更加智能化。例如传统的水银温度计，随着人类在一些领域的要求的深入，对温度的测量控制要求越发的精细，传统的水银温度计已经不能满足人们的需要了，所以只有给传统的温度计加上单片机以及各种电子模块，使得它变得更加智能更加符合人们的需求，才能给人们的生产、生活、科研提供更加便捷、完善的设施。本文所研究的水温控制器相较于传统的水银温度计来说，具有测温精度高，温度可控，可搭配负载多样等优点。主 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
要用于一些对温度要求比较严苛的场所，本设计由控制模块，测温传感器电路模块，数码管显示电路模块，继电器驱动负载模块所构成。
（二）课题的主要任务及内容
1.确定设计总体方案。
2.设计各功能模块，说明各种功能模块的功能及工作原理，选择各功能模块用到的元器件，并确定主要元器件的参数。
3.完成全部电路原理图设计。
4.完成电路软件设计
5.完成设计论文的写作
要求达到的各项指标如下：
1.基本温度的测量范围0℃-99℃ ；
2.测量精度小于 0.1℃ ；
3.数码管显示温度；
4.温度可控；
5.扩展功能：可以设定报警功能以及上限和下线温度，可以驱动负载进行加热和制冷功能，控制温度的变化。
二、硬件设计
（一）硬件设计原理框图
本设计采用继电器作为控制温度的元件，蜂鸣器作为报警元件，不同颜色的LED灯光指示加热和制冷。本设计中的继电器可以直接驱动2500W功率的负载，可以实现对大功率负载的控制。当保温箱开始工作的时候，可以控制水温在预设的上下限之间。如果当时的环境温度超过预设的温度，单片机会控制相应负载工作，控制温度上升或下降到预设温度范围内，并驱动蜂鸣器工作发出警示音。本设计的温控系统操作简单易懂，适用范围极广。
故本设计由控制模块，测温传感器电路模块，数码管显示电路模块，继电器驱动负载模块所构成，其原理框图如图1所示。
图1 硬件设计原理框图
（二）加热控制电路
本设计中采用电磁继电器，通过它通电后的磁效应（继电器得电，K1部分形成回路，否则断开）来工作的。设计中继电器的的驱动采用了一个PNP结三极管，低电平导通，三极管起到了开关的作用，并串联一个1K的电阻，当L输入1个低电平时，三极管导通，电流流过三极管在到继电器，最后回到地形成回路。其中指示灯与继电器并联，并串联一个分压电阻。所以当L口输入低电平时，继电器吸合，指示灯亮起。其原理图如图2所示。
图2 加热控制电路原理图
（三）温度测量电路
相较于传统的热敏电阻，DS18B20传感器拥有全方面的优势。它能够直接读取测量的温度并且能够根据设计需求通过编程实现9~12位的数字读取，而且使用单线接口的DS18B20拥有更加简便的传输方式。因此采用DS18B20传感器的温度测量电路有更值得信赖的性能。温度测量电路具体电路图如图3。温度测量功能的具体编程过程：温度传感器接收温度转换信号并开始工作，转化而来的温度数值将先储存在Cache中，并用十六位二进制补码表示。单片机通过I/O接口对数值进行读取。先读取低位数值再读取高位数值，表示数据采用LSB格式，当“S”所表示的标志位的值不同的时候，采用不同的温度计算方式。当读取的S位的值为0的时候将直接将读取到的二进制的值转换为十进制的值，这种转换方式比较简单；而当读取到的S位的值是的时候，在进行二进制换算十进制之前需要先将二进制补码转换成二进制原码。当温度的值计算出以后，将最终计算出的数值与事先设定好的上限下限温度进行对比，如果高于上限温度或者低于下限温度，控制电路即发出告警信号，蜂鸣器报警。其电路图如图3。
图3 温度测量电路电路图
（四）控制电路
控制器模块主要用于对温度采集模块采集到的温度信息进行处理，驱动数码管显示模块显示当前温度，控制键盘用于预设上限下限报警温度，控制加热和制冷负载的工作状态。在对STC89C51单片机、现场可编程们阵列、PID控制系统等控制器进行对比分析后，因为STG89C51单片机体积小、功耗低、价格优廉、能够通过编程实现各种功能、并且拥有很好的控制和计算能力等特点，所以本设计采用STC89C51单片机作为控制电路的核心，对测温传感器电路模块，数码管显示电路模块，继电器驱动负载模块进行控制。其原理图如图4所示。
图4 控制电路原理图
（五）数码管显示电路
独立式按键I/O简单直接，将四个按键分辨与单片机相连接。P1.0设定温度，P1.1增加温度值P1.2减少温度值。时钟基值由12MHz晶振提供。RESER是复位键。由于本设计中数码管显示的都是非常简洁的数值，所以使用动态扫描的显示方式。之所以采用共阴极数码管来显示是因为单片机输出的电流较小。其原理图如图5和图6所示。
图5 数码管显示电路原理图
图6 数码管显示电路原理图
三、软件设计
图8 控温模块程序设计流程图
3、温度测量模块设计
温度测量模块设计是采用汇编语言完成了程序软件的设计，根据其各个部分的功能对相应的进行程序编写。其流程图大致为主程序系统的初始化动作，接着完成对温度数据的采集、处理温度数据以及对显示、键盘和报警模块进行处理的流程。其所运用的是死循环的原理来显示控制温度。温度测量模块设计流程图如图9所示
致谢
首先，感谢学校对给我的悉心栽培。给我们创造了一个优异的学习环境，注重人文教育，引进一流的教学设备，营造出奋发向上的学习环境，使得我们能够全身心的投入到学习中去。
一、引言 1
（一）课题背景 1
（二）课题的主要任务及内容 1
二、硬件设计 1
（一）硬件设计原理框图 1
（二）加热控制电路 2
（三）温度测量电路 2
（四）控制电路 3
（五）数码管显示电路 4
三、软件设计 5
（一）主程序 5
1、主程序设计 5
2、控温模块程序设计 6
3、温度测量模块设计 6
4、控制电路模块设计 7
5、数码管显示电路设计 8
四、实物制作 9
（一）元器件选择 9
（二）实物调试 10
1、系统调试 10
（三）调试故障及原因 10
总结 11
致谢 12
参考文献 13
附录一：水温控制器设计的总电路图 14
附录二 ：C语言程序代码 15
附录三：元器件清单 24
附录四：实物图 26
一、引言
（一）课题背景
随着科学技术日新月异的进步，人们期望能够使用更加简单便利，易于操作，这就意味着人们要求所使用的工具应该更加智能化。例如传统的水银温度计，随着人类在一些领域的要求的深入，对温度的测量控制要求越发的精细，传统的水银温度计已经不能满足人们的需要了，所以只有给传统的温度计加上单片机以及各种电子模块，使得它变得更加智能更加符合人们的需求，才能给人们的生产、生活、科研提供更加便捷、完善的设施。本文所研究的水温控制器相较于传统的水银温度计来说，具有测温精度高，温度可控，可搭配负载多样等优点。主 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
要用于一些对温度要求比较严苛的场所，本设计由控制模块，测温传感器电路模块，数码管显示电路模块，继电器驱动负载模块所构成。
（二）课题的主要任务及内容
1.确定设计总体方案。
2.设计各功能模块，说明各种功能模块的功能及工作原理，选择各功能模块用到的元器件，并确定主要元器件的参数。
3.完成全部电路原理图设计。
4.完成电路软件设计
5.完成设计论文的写作
要求达到的各项指标如下：
1.基本温度的测量范围0℃-99℃ ；
2.测量精度小于 0.1℃ ；
3.数码管显示温度；
4.温度可控；
5.扩展功能：可以设定报警功能以及上限和下线温度，可以驱动负载进行加热和制冷功能，控制温度的变化。
二、硬件设计
（一）硬件设计原理框图
本设计采用继电器作为控制温度的元件，蜂鸣器作为报警元件，不同颜色的LED灯光指示加热和制冷。本设计中的继电器可以直接驱动2500W功率的负载，可以实现对大功率负载的控制。当保温箱开始工作的时候，可以控制水温在预设的上下限之间。如果当时的环境温度超过预设的温度，单片机会控制相应负载工作，控制温度上升或下降到预设温度范围内，并驱动蜂鸣器工作发出警示音。本设计的温控系统操作简单易懂，适用范围极广。
故本设计由控制模块，测温传感器电路模块，数码管显示电路模块，继电器驱动负载模块所构成，其原理框图如图1所示。
图1 硬件设计原理框图
（二）加热控制电路
本设计中采用电磁继电器，通过它通电后的磁效应（继电器得电，K1部分形成回路，否则断开）来工作的。设计中继电器的的驱动采用了一个PNP结三极管，低电平导通，三极管起到了开关的作用，并串联一个1K的电阻，当L输入1个低电平时，三极管导通，电流流过三极管在到继电器，最后回到地形成回路。其中指示灯与继电器并联，并串联一个分压电阻。所以当L口输入低电平时，继电器吸合，指示灯亮起。其原理图如图2所示。
图2 加热控制电路原理图
（三）温度测量电路
相较于传统的热敏电阻，DS18B20传感器拥有全方面的优势。它能够直接读取测量的温度并且能够根据设计需求通过编程实现9~12位的数字读取，而且使用单线接口的DS18B20拥有更加简便的传输方式。因此采用DS18B20传感器的温度测量电路有更值得信赖的性能。温度测量电路具体电路图如图3。温度测量功能的具体编程过程：温度传感器接收温度转换信号并开始工作，转化而来的温度数值将先储存在Cache中，并用十六位二进制补码表示。单片机通过I/O接口对数值进行读取。先读取低位数值再读取高位数值，表示数据采用LSB格式，当“S”所表示的标志位的值不同的时候，采用不同的温度计算方式。当读取的S位的值为0的时候将直接将读取到的二进制的值转换为十进制的值，这种转换方式比较简单；而当读取到的S位的值是的时候，在进行二进制换算十进制之前需要先将二进制补码转换成二进制原码。当温度的值计算出以后，将最终计算出的数值与事先设定好的上限下限温度进行对比，如果高于上限温度或者低于下限温度，控制电路即发出告警信号，蜂鸣器报警。其电路图如图3。
图3 温度测量电路电路图
（四）控制电路
控制器模块主要用于对温度采集模块采集到的温度信息进行处理，驱动数码管显示模块显示当前温度，控制键盘用于预设上限下限报警温度，控制加热和制冷负载的工作状态。在对STC89C51单片机、现场可编程们阵列、PID控制系统等控制器进行对比分析后，因为STG89C51单片机体积小、功耗低、价格优廉、能够通过编程实现各种功能、并且拥有很好的控制和计算能力等特点，所以本设计采用STC89C51单片机作为控制电路的核心，对测温传感器电路模块，数码管显示电路模块，继电器驱动负载模块进行控制。其原理图如图4所示。
图4 控制电路原理图
（五）数码管显示电路
独立式按键I/O简单直接，将四个按键分辨与单片机相连接。P1.0设定温度，P1.1增加温度值P1.2减少温度值。时钟基值由12MHz晶振提供。RESER是复位键。由于本设计中数码管显示的都是非常简洁的数值，所以使用动态扫描的显示方式。之所以采用共阴极数码管来显示是因为单片机输出的电流较小。其原理图如图5和图6所示。
图5 数码管显示电路原理图
图6 数码管显示电路原理图
三、软件设计
图8 控温模块程序设计流程图
3、温度测量模块设计
温度测量模块设计是采用汇编语言完成了程序软件的设计，根据其各个部分的功能对相应的进行程序编写。其流程图大致为主程序系统的初始化动作，接着完成对温度数据的采集、处理温度数据以及对显示、键盘和报警模块进行处理的流程。其所运用的是死循环的原理来显示控制温度。温度测量模块设计流程图如图9所示
致谢
首先，感谢学校对给我的悉心栽培。给我们创造了一个优异的学习环境，注重人文教育，引进一流的教学设备，营造出奋发向上的学习环境，使得我们能够全身心的投入到学习中去。
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