单片机的智能温度控制系统硬件设计
本文首先简述了温度控制系统的研究意义，讨论了国内外温度控制系统的研究现状及发展趋势；简单介绍了温度控制系统的相关控制方法，论述了论文的工作安排。接着，通过对智能温度控制系统不同设计方案之间的对比，选择了一种基于ATC89C51单片机的可行方案；对该方案进行了分析验证，对方案中所需的相关器件进行了选择。阐述了基于ATC89C51单片机的智能温度控制系统方案的工作原理，介绍了单片机开发平台、开发工具及温度传感器的选择。
然后，设计了基于ATC89C51单片机的智能温度控制系统，给出了总体控制框图， 对系统的硬件实现所需器件进行了详细介绍，包括数字温度传感器DS18B20、AT89C51单片机、蜂鸣器、数码管等，从各自的引脚结构到工作原理，再到器件特性等都作了分析。
最后研制了基于ATC89C51单片机的智能温度控制系统的相关硬件电路；设计了各个部分的硬件电路模块，给出了各个模块的电路图，并分析了各个模块的功能特性；给出了总体硬件电路原理图和PCB图。对基于ATC89C51单片机的智能温度控制系统硬件电路进行了调试，并结合软件部分设计进行了系统软硬件联调，能满足设计之初所需要实现的现象。
关键词 温度，单片机，控制系统，硬件设计
目 录
1绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 课题设计的目的和使用单片机控制的优点 1
1.3 温度检测控制技术的研究现状 1
1.4 温度检测控制技术的发展趋势 2
1.4 .1温度检测控制技术动向 2
1.4.2 温度检测控制技术发展趋势 3
1.5 论文主要内容和工作安排 3
2 智能温度控制系统的设计方案及各部分模块介绍 4
2.1 智能温度控制系统的方案对比分析 4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
r /> 2.1.1 方案一 4
2.1.2 方案二 5
2.1.3 方案二的设计思路 5
2.2 智能温度控制系统总体结构 5
2.3 系统控制器AT89C51 6
2.3.1 51系列单片机介绍 6
2.3.2 AT89C51单片机 7
2.4 温度传感器DS18B20 9
2.4.1 传感器的分类 9
2.4.2 传感器的选用原则 10
2.4.3 DS18B20内部结构 10
2.4.4 DS18B20的工作原理 12
2.5 报警电路模块 13
2.6 数码显示模块 13
3 基于Proteus的智能温度控制系统仿真分析 14
3.1 仿真软件介绍 14
3.2 基于单片机的智能温度控制系统仿真模型 15
3.3 系统仿真结果和分析 16
4 基于单片机的智能温度控制系统硬件实现 19
4.1 AT89C51单片机芯片引脚接线电路 19
4.2 晶振控制电路 20
4.3 DS18B20温度传感器电路 20
4.4 显示电路模块 21
4.5 报警电路 21
4.6 继电器电路 22
4.7 复位电路 22
4.8 系统总电路图 23
5 系统软硬件联合调试 24
5.1 系统软件设计介绍 24
5.1.1 系统软件程序的组成和各程序功能 24
5.1.2 主程序流程图 24
5.2 系统硬件研制和调试 25
5.3 系统软硬件联合调试 26
总结与展望 28
致 谢 30
参 考 文 献 31
1绪论
1.1 课题研究背景和意义
人类社会文明和进步始终伴随着各种温度的变化而发展着，日常生活和生产中，对各种温度进行控制的过程是必不可少的。随着社会主义现代化的步伐加快，稳定性好、控制精度高的温度测量和控制系统越来越多的被应用到社会生产的各个领域。控制系统的性能的好坏决定着生产过程是否安全、高效、高品质，低能耗。温度的测量与控制技术不论在电力、化工，还是在冶金、农业等领域中都有着举足轻重的作用。
现代工业对温度控制的要求很高，温度控制的准确性、控制的及时性、控制的灵活性、以及操作的简单可行性都会明显影响设备的运行效率。现阶段有很多检测设备温度的方法与器件。其中，单片机以其系统完善的结构、规范化的特殊功能寄存器以及完善的指令系统而成为主流机型,具有广阔的发展前景。
本设计主要是针对测温精度要求较高的场合，采用数码显示管显示温度。与传统的测温方式相比，本设计具有测温更为准确、范围更广、控温响应更快、读书更为方便等优势。除此之外，本设计可以实现设定最高、最低温度报警值，实现温度上下限蜂鸣与指示灯的双重报警，安全易用。本课题将会对单片机和温度检测与控制的系统进行简单的介绍。 [1, 2]
1.2 课题设计的目的和使用单片机控制的优点
在现代社会，越来越多的生产都在走向自动化，一旦进行机器生产，就会产生热量，有时候过高的温度会导致严重的安全问题，所以说，精准的温度控制在生产生活中有着相当的必要性。单片机在体积小便携的基础上，功能和价格的比率是成反比的，也就是说它的功能全面但是价格却很低廉，正因为如此，它在一些高智能化，高便携度的产品上受到了广大设计生产者的喜爱。其中，单片机以其系统完善的结构、规范化的特殊功能寄存器以及完善的指令系统而成为单片机的主流机型。现有的测温机型往往对于设备的温度变化响应较慢，控制精度较差而且不易实现简单操作。因为这种种原因，本次课题的设计就选择了基于AT89C51单片机作为主要控制系统。[3]
1.3 温度检测控制技术的研究现状
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。
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，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。
（6）1个全双工串行口。
此次设计中，我选用了新型的51类别的单片机，这类的单片机的特点有：
（1） 8位高速CPU（100 MIPS）；
（2）单片机内部存储器128B；
4）输入输出引脚
①P0用作通用I/O口（C=0）,在这种情况下，C=0，装换开关接的是锁存器的反相输出端。此时的P0口作为通用口使用，同样也是属于准双向口。P0用作地址/数据总线（C=1）,当作为地址数据总线使用时候，C=1，装换开关接的是与之前不同的反方向，这时候的地址数据线的状态是与门的输出的决定性因素，实现利用价值。此时的P0是一个真正的双向口。
1绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 课题设计的目的和使用单片机控制的优点 1
1.3 温度检测控制技术的研究现状 1
1.4 温度检测控制技术的发展趋势 2
1.4 .1温度检测控制技术动向 2
1.4.2 温度检测控制技术发展趋势 3
1.5 论文主要内容和工作安排 3
2 智能温度控制系统的设计方案及各部分模块介绍 4
2.1 智能温度控制系统的方案对比分析 4
r /> 2.1.1 方案一 4
2.1.2 方案二 5
2.1.3 方案二的设计思路 5
2.2 智能温度控制系统总体结构 5
2.3 系统控制器AT89C51 6
2.3.1 51系列单片机介绍 6
2.3.2 AT89C51单片机 7
2.4 温度传感器DS18B20 9
2.4.1 传感器的分类 9
2.4.2 传感器的选用原则 10
2.4.3 DS18B20内部结构 10
2.4.4 DS18B20的工作原理 12
2.5 报警电路模块 13
2.6 数码显示模块 13
3 基于Proteus的智能温度控制系统仿真分析 14
3.1 仿真软件介绍 14
3.2 基于单片机的智能温度控制系统仿真模型 15
3.3 系统仿真结果和分析 16
4 基于单片机的智能温度控制系统硬件实现 19
4.1 AT89C51单片机芯片引脚接线电路 19
4.2 晶振控制电路 20
4.3 DS18B20温度传感器电路 20
4.4 显示电路模块 21
4.5 报警电路 21
4.6 继电器电路 22
4.7 复位电路 22
4.8 系统总电路图 23
5 系统软硬件联合调试 24
5.1 系统软件设计介绍 24
5.1.1 系统软件程序的组成和各程序功能 24
5.1.2 主程序流程图 24
5.2 系统硬件研制和调试 25
5.3 系统软硬件联合调试 26
总结与展望 28
致 谢 30
参 考 文 献 31
1绪论
1.1 课题研究背景和意义
人类社会文明和进步始终伴随着各种温度的变化而发展着，日常生活和生产中，对各种温度进行控制的过程是必不可少的。随着社会主义现代化的步伐加快，稳定性好、控制精度高的温度测量和控制系统越来越多的被应用到社会生产的各个领域。控制系统的性能的好坏决定着生产过程是否安全、高效、高品质，低能耗。温度的测量与控制技术不论在电力、化工，还是在冶金、农业等领域中都有着举足轻重的作用。
现代工业对温度控制的要求很高，温度控制的准确性、控制的及时性、控制的灵活性、以及操作的简单可行性都会明显影响设备的运行效率。现阶段有很多检测设备温度的方法与器件。其中，单片机以其系统完善的结构、规范化的特殊功能寄存器以及完善的指令系统而成为主流机型,具有广阔的发展前景。
本设计主要是针对测温精度要求较高的场合，采用数码显示管显示温度。与传统的测温方式相比，本设计具有测温更为准确、范围更广、控温响应更快、读书更为方便等优势。除此之外，本设计可以实现设定最高、最低温度报警值，实现温度上下限蜂鸣与指示灯的双重报警，安全易用。本课题将会对单片机和温度检测与控制的系统进行简单的介绍。 [1, 2]
1.2 课题设计的目的和使用单片机控制的优点
在现代社会，越来越多的生产都在走向自动化，一旦进行机器生产，就会产生热量，有时候过高的温度会导致严重的安全问题，所以说，精准的温度控制在生产生活中有着相当的必要性。单片机在体积小便携的基础上，功能和价格的比率是成反比的，也就是说它的功能全面但是价格却很低廉，正因为如此，它在一些高智能化，高便携度的产品上受到了广大设计生产者的喜爱。其中，单片机以其系统完善的结构、规范化的特殊功能寄存器以及完善的指令系统而成为单片机的主流机型。现有的测温机型往往对于设备的温度变化响应较慢，控制精度较差而且不易实现简单操作。因为这种种原因，本次课题的设计就选择了基于AT89C51单片机作为主要控制系统。[3]
1.3 温度检测控制技术的研究现状
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。
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，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。
（6）1个全双工串行口。
此次设计中，我选用了新型的51类别的单片机，这类的单片机的特点有：
（1） 8位高速CPU（100 MIPS）；
（2）单片机内部存储器128B；
4）输入输出引脚
①P0用作通用I/O口（C=0）,在这种情况下，C=0，装换开关接的是锁存器的反相输出端。此时的P0口作为通用口使用，同样也是属于准双向口。P0用作地址/数据总线（C=1）,当作为地址数据总线使用时候，C=1，装换开关接的是与之前不同的反方向，这时候的地址数据线的状态是与门的输出的决定性因素，实现利用价值。此时的P0是一个真正的双向口。
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