单片机的智能温度控制系统软件设计
本文阐述了温度控制系统的研究背景和意义，介绍了温度检测控制技术的研究现状，以及单片机的发展和趋势。给出了两个智能温度控制系统设计方案，通过方案之间的对比选择了一种适合本课题研究对象和易于实现的方案，在方案确定之后，简要分析了相关元器件的选择。
对智能温度控制系统进行了具体设计，主要包括：系统控制器，数字温度传感器DS18B20，报警电路，数码显示电路，系统设计流程图。在介绍AT89C51芯片、数字温度传感器DS18B20时，主要从芯片引脚、内部结构、工作时序、特性等方面展开。确定设计方案后，建立仿真模型，得出仿真结果。
详细阐述了智能温度控制系统的软件设计，在设计系统软件时，根据软件功能要求，将系统软件分成若干个相对独立的部分，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简洁、流程合理。接着将各功能程序实行模块化、子程序化，这样既便于调试、连接，又便于移植修改。最后对基于AT89C51单片机的智能温度控制系统软件程序进行调试，并结合硬件部分设计进行了系统软件联调。
关键词 AT89C51单片机，数字温度传感器，温度检测，控制系统，软件设计
目 录
1绪论 1
1.1 课题研究背景与意义 1
1.2 温度控制技术研究现状 1
1.3 单片机技术的发展及运用 2
1.3.1单片机技术的发展 2
1.3.2单片机技术的应用 3
1.4 温度检测控制技术的发展趋势 3
1.4.1温度检测控制技术动向 3
1.4.2 国内外温度检测控制技术发展趋势 4
1.5 本论文研究的主要目的和工作安排 4
1.5.1 温度控制系统的设计目的 4
1.5.2 温度控制系统完成的功能 4
1.5.3 工作安 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
排 4
2 基于单片机的智能温度控制系统方案设计 5
2.1 系统设计方案对比 5
2.2 系统组成和总体框图 5
2.3 系统主要器件的选择 6
2.3.1 温度传感器的选择 6
2.3.2单片机的选择 8
2.4 系统主要模块介绍 10
2.4.1 系统控制器介绍 10
2.4.2 温度传感器DS18B20介绍 15
2.4.3 报警电路 19
2.4.4 数码显示电路 20
3 基于Proteus的智能温度控制系统仿真分析 20
3.1 仿真软件介绍 20
3.2 基于单片机的智能温度控制系统仿真模型 21
3.3系统仿真结果和分析 22
4 智能温度控制系统软件设计 25
4.1智能温度控制系统硬件部分介绍 25
4.2 基于单片机的智能温度控制系统软件设计 25
4.2.1 系统软件设计的整体思想 25
4.2.2系统程序流程图 26
5 系统软硬件联合调试 31
总结与展望 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
附录：系统软件程序 37
1绪论
1.1 课题研究背景与意义
当今社会中，经济不断发展，科技不断进步。测温仪器在多个市场领域都得到广泛的运用，人们对控制系统有了新的追求，智能化必不可少的成为温度控制系统发展的新宠儿。本课题是基于单片机的温度智能控制系统，设计出这样的一个系统就可以满足人们对上述的要求，应用很普遍，很有设计价值。
温度是非常常见的物理量，在生活中就处处可以使用到。作为学生，许多学科中
都涉及温度，需要用科学的观点去认识和使用它；当然在生产实践中，更是离不开温度。比如，工业现场如变频器处理过程中需要温度的监控；可见，温度的测量和控制是非常重要的。
单片机以可靠性较高，控制功能强，价格低廉，引脚小，体积小，品种和型号多等良好的控制性能和优秀的嵌入品质,受到广大用户的热捧。温度和单片机的结合使用很有必要，基于单片机的智能温度智能控制系统就是这么产生[1~4]。
1.2 温度控制技术研究现状
温度检测控制技术包含有温度测量技术与温度控制技术，温度测量技术又分为接触式测温技术和非接触式测温技术。接触式测温技术因为结构简单，精度高，价格便宜，满足正常情况下的测量，被较早应用；然而在测量那些温度值很低的物体时候，非常容易受到外接干扰，不能获得正确的数据，除此之外，对腐蚀性介质，超高温度，运动物体等物质的温度测量都难以把握。非接触式测温技术弥补了接触式的缺点，对热容量小的，运动中的物体温度都能捕捉测量并且不破坏被测温场。响应速度快就会存在测量不精确的缺陷，测温装置复杂，价格贵。在实际使用中，要根据现实情况选择满意的方式，能够确保器件符合测量要求；同样在满足了测量要求的同时也要兼顾下资金的投入，以最少的价格最优[5, 6]。
因为控制目标存在差异将温度控制技术分成两大类:动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪可以完成将被控制的物体的温度根据之前设置的曲线产生变动；恒值温度控制技术，顾名思义：可以让被控物体的温度保持在稳定的某一数据内，并且波动的浮动在允许的范围内。因为本设计主要是利用水测得的温度完成控制功能，所以需利用恒值温度控制技术。恒值温度控制技术可以分为几种[6~8]，分别是：
（1）定值开关控温法
这种方法简单的阐述下就是：借助一些硬件或者软件电路来获得温度值，得到后的数据与原先设好的定值温度比较，存在差异，从而系统根据差异做出判断，到底是要开通加热装置呢还是要关断冷却装置呢？这些动作的实施也就是完成了控温，此种方法可以在系统温度上升到之前设置好的温度点时断开电源，在系统温度下降到设置温度点时开通电源，但会在运行过程中产生滞后，导致温度上下波动，不易控制，缺乏准确性。
（2）PID线性控温法
PID控制很早就得到了大众的热捧进而发展起来，有着算法简单，高可靠的优点让它在工业中得到重视，尤其符合高精确的数学模型控制系统。系统的误差，误差积累，误差变化这三个部分，如果控制不好的话，它的三个控制性能会同时改变，那被控品的质量就很难得到保证了。
（3）智能温度控制法
智能温度控制法已经成为当下热潮，人们纷纷想出一系列的控制方法满足要求。不少人在PID基础上，想出采用自动调节PID参数的方式，适量减少线性控温缺点。
智能温度控制主要从模糊数学和神经网络中得到理论支持。从国内外的角度来看，国内温控仪表的发展缓慢，性能方面发展还不到位，差于国外。
1.3 单片机技术的发展及运用
1.3.1单片机技术的发展
将CPU，存储器，输入/输出接口集成在一片集成电路芯片上，形成单片微型计算机，简称单片机。从产生和在发展过程中，可以简单将单片机化成三个过程[1, 4, 9~12]。
（1）形成阶段
1.4.1 温度检测控制技术动向[7, 8, 16, 17]
（1）增大测温范围
液化气体的超级低的温度很难被检测，这也是工业中急需被解决的难题，为了响应这个急迫要求，目前测温技术的研究方向是超高和超低温度的精确检测，扩大测温范围。
（2）增加测温对象
温度检测技术的应用范围已经从工业延伸到家用电器，航天航空领域。
图2.2 PTC热敏电阻R-T特性曲线 图2.3 NTC热敏电阻R-T曲线
NTC热敏电阻的电阻－温度特性曲线如图2.3所示。NTC在很高的温度范围内，电阻值随温度指数大幅度改变着。热敏电阻有不少优点，其中就有：灵敏性高；体积小，使用方便；但是非线性特别严重，元件互换性差，非常容易老化。
1绪论 1
1.1 课题研究背景与意义 1
1.2 温度控制技术研究现状 1
1.3 单片机技术的发展及运用 2
1.3.1单片机技术的发展 2
1.3.2单片机技术的应用 3
1.4 温度检测控制技术的发展趋势 3
1.4.1温度检测控制技术动向 3
1.4.2 国内外温度检测控制技术发展趋势 4
1.5 本论文研究的主要目的和工作安排 4
1.5.1 温度控制系统的设计目的 4
1.5.2 温度控制系统完成的功能 4
1.5.3 工作安 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
排 4
2 基于单片机的智能温度控制系统方案设计 5
2.1 系统设计方案对比 5
2.2 系统组成和总体框图 5
2.3 系统主要器件的选择 6
2.3.1 温度传感器的选择 6
2.3.2单片机的选择 8
2.4 系统主要模块介绍 10
2.4.1 系统控制器介绍 10
2.4.2 温度传感器DS18B20介绍 15
2.4.3 报警电路 19
2.4.4 数码显示电路 20
3 基于Proteus的智能温度控制系统仿真分析 20
3.1 仿真软件介绍 20
3.2 基于单片机的智能温度控制系统仿真模型 21
3.3系统仿真结果和分析 22
4 智能温度控制系统软件设计 25
4.1智能温度控制系统硬件部分介绍 25
4.2 基于单片机的智能温度控制系统软件设计 25
4.2.1 系统软件设计的整体思想 25
4.2.2系统程序流程图 26
5 系统软硬件联合调试 31
总结与展望 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
附录：系统软件程序 37
1绪论
1.1 课题研究背景与意义
当今社会中，经济不断发展，科技不断进步。测温仪器在多个市场领域都得到广泛的运用，人们对控制系统有了新的追求，智能化必不可少的成为温度控制系统发展的新宠儿。本课题是基于单片机的温度智能控制系统，设计出这样的一个系统就可以满足人们对上述的要求，应用很普遍，很有设计价值。
温度是非常常见的物理量，在生活中就处处可以使用到。作为学生，许多学科中
都涉及温度，需要用科学的观点去认识和使用它；当然在生产实践中，更是离不开温度。比如，工业现场如变频器处理过程中需要温度的监控；可见，温度的测量和控制是非常重要的。
单片机以可靠性较高，控制功能强，价格低廉，引脚小，体积小，品种和型号多等良好的控制性能和优秀的嵌入品质,受到广大用户的热捧。温度和单片机的结合使用很有必要，基于单片机的智能温度智能控制系统就是这么产生[1~4]。
1.2 温度控制技术研究现状
温度检测控制技术包含有温度测量技术与温度控制技术，温度测量技术又分为接触式测温技术和非接触式测温技术。接触式测温技术因为结构简单，精度高，价格便宜，满足正常情况下的测量，被较早应用；然而在测量那些温度值很低的物体时候，非常容易受到外接干扰，不能获得正确的数据，除此之外，对腐蚀性介质，超高温度，运动物体等物质的温度测量都难以把握。非接触式测温技术弥补了接触式的缺点，对热容量小的，运动中的物体温度都能捕捉测量并且不破坏被测温场。响应速度快就会存在测量不精确的缺陷，测温装置复杂，价格贵。在实际使用中，要根据现实情况选择满意的方式，能够确保器件符合测量要求；同样在满足了测量要求的同时也要兼顾下资金的投入，以最少的价格最优[5, 6]。
因为控制目标存在差异将温度控制技术分成两大类:动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪可以完成将被控制的物体的温度根据之前设置的曲线产生变动；恒值温度控制技术，顾名思义：可以让被控物体的温度保持在稳定的某一数据内，并且波动的浮动在允许的范围内。因为本设计主要是利用水测得的温度完成控制功能，所以需利用恒值温度控制技术。恒值温度控制技术可以分为几种[6~8]，分别是：
（1）定值开关控温法
这种方法简单的阐述下就是：借助一些硬件或者软件电路来获得温度值，得到后的数据与原先设好的定值温度比较，存在差异，从而系统根据差异做出判断，到底是要开通加热装置呢还是要关断冷却装置呢？这些动作的实施也就是完成了控温，此种方法可以在系统温度上升到之前设置好的温度点时断开电源，在系统温度下降到设置温度点时开通电源，但会在运行过程中产生滞后，导致温度上下波动，不易控制，缺乏准确性。
（2）PID线性控温法
PID控制很早就得到了大众的热捧进而发展起来，有着算法简单，高可靠的优点让它在工业中得到重视，尤其符合高精确的数学模型控制系统。系统的误差，误差积累，误差变化这三个部分，如果控制不好的话，它的三个控制性能会同时改变，那被控品的质量就很难得到保证了。
（3）智能温度控制法
智能温度控制法已经成为当下热潮，人们纷纷想出一系列的控制方法满足要求。不少人在PID基础上，想出采用自动调节PID参数的方式，适量减少线性控温缺点。
智能温度控制主要从模糊数学和神经网络中得到理论支持。从国内外的角度来看，国内温控仪表的发展缓慢，性能方面发展还不到位，差于国外。
1.3 单片机技术的发展及运用
1.3.1单片机技术的发展
将CPU，存储器，输入/输出接口集成在一片集成电路芯片上，形成单片微型计算机，简称单片机。从产生和在发展过程中，可以简单将单片机化成三个过程[1, 4, 9~12]。
（1）形成阶段
1.4.1 温度检测控制技术动向[7, 8, 16, 17]
（1）增大测温范围
液化气体的超级低的温度很难被检测，这也是工业中急需被解决的难题，为了响应这个急迫要求，目前测温技术的研究方向是超高和超低温度的精确检测，扩大测温范围。
（2）增加测温对象
温度检测技术的应用范围已经从工业延伸到家用电器，航天航空领域。
图2.2 PTC热敏电阻R-T特性曲线 图2.3 NTC热敏电阻R-T曲线
NTC热敏电阻的电阻－温度特性曲线如图2.3所示。NTC在很高的温度范围内，电阻值随温度指数大幅度改变着。热敏电阻有不少优点，其中就有：灵敏性高；体积小，使用方便；但是非线性特别严重，元件互换性差，非常容易老化。
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