单片机的恒温室控制系统设计
摘 要嵌入式系统概念以及技术的发展使得恒温室控制系统得到了更快更全面的发展，并且在用户使用度方面实现了大幅度的普及。本课题将主要以恒温室控制系统作为研究设计目标，将采用AT89C51芯片作为主控单片机，外部结合DS18B20温度传感器、继电器以及液晶屏等模块，设计了一款能够实现加热、制冷、温度检测、液晶显示等功能的恒温室系统，在课题的设计方法上，本论文采用了层次分明的模块化设计，通过原理图和流程图的形式对各模块的硬件和软件设计原理和方法进行了详细的描述，通过最后的成果分析本系统适合推向未来恒温室系统市场，相比于先用产品具有更低的成本和更高的性能。
目录
一、 引言 1
（一） 恒温室控制系统的发展背景 1
（二） 恒温室控制系统的国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控器的选取 3
（二） AT89C51处理器简介 4
（三） DS18B20传感器概述 5
（四） LCD1602型显示器概述 5
（五） HK4100FDC5V继电器介绍 6
三、 硬件系统设计 7
（一） 恒温室系统的硬件结构框图设计 7
（二） 51单片机最小系统 7
1. 时钟电路 7
2. 复位电路 8
（三） 温度检测电路设计 8
（四） 显示器外围电路设计 9
（五） 加热器/制冷器电路设计 9
四、 软件系统设计 11
（一） 恒温室系统的软件工作流程设计 11
（二） DS18B20传感器工作流程设计 12
（三） 显示器工作流程设计 12
1. 判忙函数?? 12
2. 写数据流程?? 13
3. 写指令流程?? 13
（四） 加热器/制冷器启闭开关工作流程设计 14
总 结 15
参考文献 16
致 谢 17
附录一 原理图 18
附录二 元件列表 19
引言
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
恒温室控制系统的发展背景
本课题将要设计的这款恒温室控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，所谓的基于51单片机的恒温室控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的温度传感器、加热器、制冷器以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，这就是我们经常说的基于51单片机的恒温室控制系统。最早的用于实现恒温环境功能的仪器或者称为器械早在很多年前就已经出现，这类传统意义上的恒温室系统全部采用机械结构来完成，当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用传统结构来实现温度的恒定控制功能是主流方式，这种机械式恒温室系统所表现出的特点也是非常显著的，由于大部分结构是由机械组成的（如散热风扇、加热风机等），因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于机械部件存在不可避免的摩擦和老损，因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于传统恒温室全部采用机械结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废，这就是传统恒温室系统的典型特点。随着科学技术的飞速发展以及电子技术的空前的全民化，人们已经越来越不能满足于这种传统恒温室系统所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，大部分恒温室系统的设计师们意识到唯有采用电子技术进行自动控制才能带来这种产品的全面发展，于是诸多开发人员以及相关传统企业开始了对基于单片机的恒温室控制系统的开发与设计，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的恒温室控制系统突破了传统式的单一功能性，不但实现了传统式的基本加热、散热功能，更引入了快速恒温、显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，因此即使将产品推向市场，也不耽误恒温室产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现恒温室控制系统的二次甚至多次升级，这还传统式恒温室系统所无法实现的，另外由于这种电子式恒温室系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的恒温室控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款恒温室控制系统。
恒温室控制系统的国内外发展现状
电子式恒温室系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产恒温室系统产品的技术已经趋于成熟，而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间，因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世，一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品，到那时基于单片机的恒温室控制系统将能够通过优良的PID控制算法实现温度的快速稳定、保温等功能，目前国内外所能实现的最先进恒温室系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，要实现更高性能的恒温室系统我们有很长一段路要走。
本文主要研究内容
本课题在经过对当前市面上相关产品的大量调研后，结合自身的专业知识掌握程度，最终确立了如下的设计研究内容：
1、恒温室具有制冷和加热两种模式；
2、当按下制冷模式按键后，可设置制冷，当温度高于设定温度时，继电器模块闭合，启动制冷器进行制冷，当低于设定温度时，关闭制冷器；
3、当按下加热模式按键后，可设置加热，当温度高于设定温度时，继电器模块断开，关闭加热器，当低于设定温度时，继电器闭合，开启加热器对室内进行加热；
4、具有显示功能，实时显示恒温室内温度。
方案选择及元器件介绍
主控器的选取
对于主控器的选择主要结合了主控芯片性能、成本以及自身的使用经历等多方面因素，通过这些因素的权衡最终来决定本系统选用的主控器芯片，在进过了预期的筛选和对比后，最终选出了ATMEL公司的AT89C51单片机和德州仪器公司的TMS320F28335型DSP作为最终的考虑对象，由于这两款主控器芯片对于本文所设计的系统来说都具有足够的适合性，因此下面对这两款芯片分别作介绍。
如果选用ATMEL公司的AT89C51单片机来作为本文所设计系统的主控器芯片，那么将为本系统引入三大优势，首先在单片机的性能方面，由于这款单片机推向市场的时间较TMS320系列DSP来说要早三十年左右的时间，无论是学校图书馆还是网络上都遍布着大量的关于AT89C51单片机的学习资料以及各种开发过程中容易遇到的问题的解决方法，因此如果选用AT89C51单片机来作为主控器，那么能为本次毕业设计道路产出很大的障碍，对于毕业设计的顺利完成能够起到保驾护航的重大作用；而第二大优势更加重要，由于目前市面能够很容易买到直插封装的AT89C51单片机，这对于实物电路的PCB电路布局非常方便，不用单芯紧密的贴片形式引脚带来的难于焊接以及电路绘制等难题，而TMS320F28335芯片全是贴片封装，紧密排列的贴片引脚在100Pin以上，这需要耗费巨大的经历以及耐心才能绘制无误，非常不利于短暂的毕业设计的顺利完成；第三大优势是AT89C51单片机相对于TMS320F28335来说在成本上至少是后者的二十分之一，目前市面上AT89C51单片机的平均价格在3元每片左右，而TMS320F28335每片在60元以上，因此这对于构建高性价比的设计目标来说是非常不利的。
目录
一、 引言 1
（一） 恒温室控制系统的发展背景 1
（二） 恒温室控制系统的国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控器的选取 3
（二） AT89C51处理器简介 4
（三） DS18B20传感器概述 5
（四） LCD1602型显示器概述 5
（五） HK4100FDC5V继电器介绍 6
三、 硬件系统设计 7
（一） 恒温室系统的硬件结构框图设计 7
（二） 51单片机最小系统 7
1. 时钟电路 7
2. 复位电路 8
（三） 温度检测电路设计 8
（四） 显示器外围电路设计 9
（五） 加热器/制冷器电路设计 9
四、 软件系统设计 11
（一） 恒温室系统的软件工作流程设计 11
（二） DS18B20传感器工作流程设计 12
（三） 显示器工作流程设计 12
1. 判忙函数?? 12
2. 写数据流程?? 13
3. 写指令流程?? 13
（四） 加热器/制冷器启闭开关工作流程设计 14
总 结 15
参考文献 16
致 谢 17
附录一 原理图 18
附录二 元件列表 19
引言
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
恒温室控制系统的发展背景
本课题将要设计的这款恒温室控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，所谓的基于51单片机的恒温室控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的温度传感器、加热器、制冷器以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，这就是我们经常说的基于51单片机的恒温室控制系统。最早的用于实现恒温环境功能的仪器或者称为器械早在很多年前就已经出现，这类传统意义上的恒温室系统全部采用机械结构来完成，当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用传统结构来实现温度的恒定控制功能是主流方式，这种机械式恒温室系统所表现出的特点也是非常显著的，由于大部分结构是由机械组成的（如散热风扇、加热风机等），因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于机械部件存在不可避免的摩擦和老损，因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于传统恒温室全部采用机械结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废，这就是传统恒温室系统的典型特点。随着科学技术的飞速发展以及电子技术的空前的全民化，人们已经越来越不能满足于这种传统恒温室系统所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，大部分恒温室系统的设计师们意识到唯有采用电子技术进行自动控制才能带来这种产品的全面发展，于是诸多开发人员以及相关传统企业开始了对基于单片机的恒温室控制系统的开发与设计，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的恒温室控制系统突破了传统式的单一功能性，不但实现了传统式的基本加热、散热功能，更引入了快速恒温、显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，因此即使将产品推向市场，也不耽误恒温室产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现恒温室控制系统的二次甚至多次升级，这还传统式恒温室系统所无法实现的，另外由于这种电子式恒温室系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的恒温室控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款恒温室控制系统。
恒温室控制系统的国内外发展现状
电子式恒温室系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产恒温室系统产品的技术已经趋于成熟，而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间，因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世，一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品，到那时基于单片机的恒温室控制系统将能够通过优良的PID控制算法实现温度的快速稳定、保温等功能，目前国内外所能实现的最先进恒温室系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，要实现更高性能的恒温室系统我们有很长一段路要走。
本文主要研究内容
本课题在经过对当前市面上相关产品的大量调研后，结合自身的专业知识掌握程度，最终确立了如下的设计研究内容：
1、恒温室具有制冷和加热两种模式；
2、当按下制冷模式按键后，可设置制冷，当温度高于设定温度时，继电器模块闭合，启动制冷器进行制冷，当低于设定温度时，关闭制冷器；
3、当按下加热模式按键后，可设置加热，当温度高于设定温度时，继电器模块断开，关闭加热器，当低于设定温度时，继电器闭合，开启加热器对室内进行加热；
4、具有显示功能，实时显示恒温室内温度。
方案选择及元器件介绍
主控器的选取
对于主控器的选择主要结合了主控芯片性能、成本以及自身的使用经历等多方面因素，通过这些因素的权衡最终来决定本系统选用的主控器芯片，在进过了预期的筛选和对比后，最终选出了ATMEL公司的AT89C51单片机和德州仪器公司的TMS320F28335型DSP作为最终的考虑对象，由于这两款主控器芯片对于本文所设计的系统来说都具有足够的适合性，因此下面对这两款芯片分别作介绍。
如果选用ATMEL公司的AT89C51单片机来作为本文所设计系统的主控器芯片，那么将为本系统引入三大优势，首先在单片机的性能方面，由于这款单片机推向市场的时间较TMS320系列DSP来说要早三十年左右的时间，无论是学校图书馆还是网络上都遍布着大量的关于AT89C51单片机的学习资料以及各种开发过程中容易遇到的问题的解决方法，因此如果选用AT89C51单片机来作为主控器，那么能为本次毕业设计道路产出很大的障碍，对于毕业设计的顺利完成能够起到保驾护航的重大作用；而第二大优势更加重要，由于目前市面能够很容易买到直插封装的AT89C51单片机，这对于实物电路的PCB电路布局非常方便，不用单芯紧密的贴片形式引脚带来的难于焊接以及电路绘制等难题，而TMS320F28335芯片全是贴片封装，紧密排列的贴片引脚在100Pin以上，这需要耗费巨大的经历以及耐心才能绘制无误，非常不利于短暂的毕业设计的顺利完成；第三大优势是AT89C51单片机相对于TMS320F28335来说在成本上至少是后者的二十分之一，目前市面上AT89C51单片机的平均价格在3元每片左右，而TMS320F28335每片在60元以上，因此这对于构建高性价比的设计目标来说是非常不利的。
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