AT89S51单片机的水温控制系统设计
AT89S51单片机的水温控制系统设计[20200131185632]
【摘要】
单片机对温度进行控制，有控制简单、方便、灵活等优点，可以大幅度提高温度控制的精度。本设计以AT89S51单片机为核心，采用软件编程，通过PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制。适用于环境参数不稳定、经常变化的小范围水温控制电路。
本设计的任务是用电炉对水进行加热，设计一个基于单片机的电炉水加热控制电路。要求显示门限和实际水温，并且要求门限温度可以由人工通过键盘来控制。电路可以通过对实际和门限温度的差值的处理来控制继电器进而控制电炉的开关，达到对水温进行控制的目的，使水温保持在设定温度上。
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关键字:】单片机AT89S51,固态继电器,7407同相器
引言 1
一、硬件设计 1
（一）硬件总体设计 1
（二）AT89S51单片机 2
1. AT89S51单片机组成 2
2．AT89S51单片机引脚结构 2
3．AT89S51单片机的最小系统 3
（三）显示电路 5
1. LED显示器引脚结构 5
2. 7407同相器 5
3. 显示电路 6
（四）按键电路模块 7
（五）温度传感器DS18B20 8
（六）固态继电器 8
（七）系统电路原理 9
二、软件设计 9
（一）主程序流程图 9
（二）子程序流程图 10
1. 预置温度非法报警子程序 10
2. PWM子程序 11
总结 13
致谢 14
参考文献 15
附录一 原理图 16
附录二 PCB图 17
附录三 元件清单 18
附录四 程序 19
引言
水温控制在工业及日常生活中的应用都非常广泛应用广泛, 如工业现场的锅炉、加热炉的控制，家庭生活实用的热水器、饮水机的控制，内部都涉及到温度控制。传统依靠人工控制的温度、液位、湿度等信号的测压﹑力控系统，外围电路比较复杂，测量精度较低，分辨力不高，需进行温度校准；且它们的体积较大、使用不够方便等一系列缺点。随着科技的进步，人们的生活水平也随之提高，以单片机为核心的温度采集系统开始出现，实现自动控制，方便人们的生活。
本设计的目的就是通过基于单片机的水温控制电路来达到控制电炉内的水温方便控制，减少资源的浪费。单片机强大的控制功能和灵活的编程实现特性可以大幅度提高温度控制的技术指标，减轻工人的劳动强度、节约能源。单片机具有简单和灵活等特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为生活中不可减少的一部分。
本设计用电炉对水进行加热，设计一个基于单片机的电炉水加热控制电路。需要完成的功能是温度的设定控制、检测与显示，以及报警等。要求显示门限和实际水温，并且要求门限温度可以由人工通过键盘来控制。电路可以通过对实际和门限温度的差值的处理来控制继电器进而控制电炉的开关，达到对水温进行控制的目的，使水温保持在设定温度上
一、硬件设计
（一）硬件总体设计
本设计以AT89S51单片机为核心，传感器对水温进行实时检测，把数据储存在单片机AT89S51的芯片上，同时利用模拟键盘设置水温上限，若是超过这个上限，则实现报警功能。同时控制继电器开关，接收单片机传来的信号，通过其驱动，然后执行相应的操作来控制电炉工作与否。系统框图如图1所示。
图1 系统框图
（二）AT89S51单片机
1. AT89S51单片机组成
AT89S51是一种的低电压、低功耗、高性能CMOS8位微处理器，带有4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory），俗称单片机。它内置中断逻辑控制电路，32路可编程I/O接口,2个16位定时器/计数器，其内部结构如图2所示。
图2 AT89S51单片机内部结构图
AT89S51采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，数据保留时间可达到10年之久，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。AT89S51是一种高效微控制器，可将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在AT89S51单片机中，为很多嵌入式控制系统提供了一套灵活性高且价廉的方案。
2．AT89S51单片机引脚结构
AT89S51单片机的管脚分布图如图3所示。
（1）电源引脚
VCC：电源电压； VSS：接地；
（2）I/O口引脚
P0口（P0.0-P0.7）：当P1口的管脚写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
P1口（P1.0-P1.7）：P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口（P2.0-P2.7）：当P2口被写入1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
P3口（P3.0-P3.7）：。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
图3 AT89S51管脚分布图
（3）控制引脚
RST：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作、计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。
ALE/PROG：。一般情况下，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）。当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
3．AT89S51单片机的最小系统
最小系统包括单片机的基本供电、时钟电路和复位电路。
图4 单片机最小系统
（1）时钟电路
AT89S51单片机内部有一个高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端，如果在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接上晶体振荡器(晶振)或陶瓷振荡器就构成了稳定的自激振荡电路，该振荡器电路的输出可直接送入内部时序电路。 本设计采用内部时钟电路,其工作原理如图5所示。
C1、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz ～ 12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl 和XTAL2靠近。内部时钟方式产生的时钟信号的频率就是晶振的固有频率，用fsoc来表示。
图5 单片机时钟电路
（2）复位电路
计算机在启动运行时都需要复位，从初始状态开始工作。AT89S51单片机的（RST）脚为复位引脚，是复位信号的输入端，系统上电后，时钟电路开始工作，只要RST 引脚上出现大于两个机器周期时间的高电平即可引起单片机执行复位操作，并且其有效时间应持续24个振荡周期以上。AT89S51单片机复位方法有两种，即在RST引脚加上大于两个机器周期时间的高电平或WDT计数溢出。上电复位如图6所示。
图6 上电复位电路
（三）显示电路
1. LED显示器引脚结构
LED（Light Emitting Diode）是发光二极管的缩写。LED显示器是由发光二极管构成的。LED显示器在单片机中的应用非常普遍。三位LED显示器的管脚分布如图7所示
如图7 三位LED显示器的管脚图
LED显示器的引脚功能，a、b、c、d、e、f、g这7段每一个段对应一个发光二极管。h（dip）引脚对于的是小数点。7段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段。因此提供给LED显示器的字型码正好是一个字节。
9、10、11引脚连接7407驱动器，7407接收到单片机的水温信号，驱动显示器显示温度值。本设计选用共阴极显示器，如图7所示。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连结在一起，此公共阴极接地。
【摘要】
单片机对温度进行控制，有控制简单、方便、灵活等优点，可以大幅度提高温度控制的精度。本设计以AT89S51单片机为核心，采用软件编程，通过PID算法来控制PWM波的产生，进而控制电炉的加热来实现温度控制。适用于环境参数不稳定、经常变化的小范围水温控制电路。
本设计的任务是用电炉对水进行加热，设计一个基于单片机的电炉水加热控制电路。要求显示门限和实际水温，并且要求门限温度可以由人工通过键盘来控制。电路可以通过对实际和门限温度的差值的处理来控制继电器进而控制电炉的开关，达到对水温进行控制的目的，使水温保持在设定温度上。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】单片机AT89S51,固态继电器,7407同相器
引言 1
一、硬件设计 1
（一）硬件总体设计 1
（二）AT89S51单片机 2
1. AT89S51单片机组成 2
2．AT89S51单片机引脚结构 2
3．AT89S51单片机的最小系统 3
（三）显示电路 5
1. LED显示器引脚结构 5
2. 7407同相器 5
3. 显示电路 6
（四）按键电路模块 7
（五）温度传感器DS18B20 8
（六）固态继电器 8
（七）系统电路原理 9
二、软件设计 9
（一）主程序流程图 9
（二）子程序流程图 10
1. 预置温度非法报警子程序 10
2. PWM子程序 11
总结 13
致谢 14
参考文献 15
附录一 原理图 16
附录二 PCB图 17
附录三 元件清单 18
附录四 程序 19
引言
水温控制在工业及日常生活中的应用都非常广泛应用广泛, 如工业现场的锅炉、加热炉的控制，家庭生活实用的热水器、饮水机的控制，内部都涉及到温度控制。传统依靠人工控制的温度、液位、湿度等信号的测压﹑力控系统，外围电路比较复杂，测量精度较低，分辨力不高，需进行温度校准；且它们的体积较大、使用不够方便等一系列缺点。随着科技的进步，人们的生活水平也随之提高，以单片机为核心的温度采集系统开始出现，实现自动控制，方便人们的生活。
本设计的目的就是通过基于单片机的水温控制电路来达到控制电炉内的水温方便控制，减少资源的浪费。单片机强大的控制功能和灵活的编程实现特性可以大幅度提高温度控制的技术指标，减轻工人的劳动强度、节约能源。单片机具有简单和灵活等特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为生活中不可减少的一部分。
本设计用电炉对水进行加热，设计一个基于单片机的电炉水加热控制电路。需要完成的功能是温度的设定控制、检测与显示，以及报警等。要求显示门限和实际水温，并且要求门限温度可以由人工通过键盘来控制。电路可以通过对实际和门限温度的差值的处理来控制继电器进而控制电炉的开关，达到对水温进行控制的目的，使水温保持在设定温度上
一、硬件设计
（一）硬件总体设计
本设计以AT89S51单片机为核心，传感器对水温进行实时检测，把数据储存在单片机AT89S51的芯片上，同时利用模拟键盘设置水温上限，若是超过这个上限，则实现报警功能。同时控制继电器开关，接收单片机传来的信号，通过其驱动，然后执行相应的操作来控制电炉工作与否。系统框图如图1所示。
图1 系统框图
（二）AT89S51单片机
1. AT89S51单片机组成
AT89S51是一种的低电压、低功耗、高性能CMOS8位微处理器，带有4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory），俗称单片机。它内置中断逻辑控制电路，32路可编程I/O接口,2个16位定时器/计数器，其内部结构如图2所示。
图2 AT89S51单片机内部结构图
AT89S51采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，数据保留时间可达到10年之久，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。AT89S51是一种高效微控制器，可将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在AT89S51单片机中，为很多嵌入式控制系统提供了一套灵活性高且价廉的方案。
2．AT89S51单片机引脚结构
AT89S51单片机的管脚分布图如图3所示。
（1）电源引脚
VCC：电源电压； VSS：接地；
（2）I/O口引脚
P0口（P0.0-P0.7）：当P1口的管脚写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
P1口（P1.0-P1.7）：P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口（P2.0-P2.7）：当P2口被写入1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
P3口（P3.0-P3.7）：。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
图3 AT89S51管脚分布图
（3）控制引脚
RST：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作、计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。
ALE/PROG：。一般情况下，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）。当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
3．AT89S51单片机的最小系统
最小系统包括单片机的基本供电、时钟电路和复位电路。
图4 单片机最小系统
（1）时钟电路
AT89S51单片机内部有一个高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端，如果在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接上晶体振荡器(晶振)或陶瓷振荡器就构成了稳定的自激振荡电路，该振荡器电路的输出可直接送入内部时序电路。 本设计采用内部时钟电路,其工作原理如图5所示。
C1、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz ～ 12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl 和XTAL2靠近。内部时钟方式产生的时钟信号的频率就是晶振的固有频率，用fsoc来表示。
图5 单片机时钟电路
（2）复位电路
计算机在启动运行时都需要复位，从初始状态开始工作。AT89S51单片机的（RST）脚为复位引脚，是复位信号的输入端，系统上电后，时钟电路开始工作，只要RST 引脚上出现大于两个机器周期时间的高电平即可引起单片机执行复位操作，并且其有效时间应持续24个振荡周期以上。AT89S51单片机复位方法有两种，即在RST引脚加上大于两个机器周期时间的高电平或WDT计数溢出。上电复位如图6所示。
图6 上电复位电路
（三）显示电路
1. LED显示器引脚结构
LED（Light Emitting Diode）是发光二极管的缩写。LED显示器是由发光二极管构成的。LED显示器在单片机中的应用非常普遍。三位LED显示器的管脚分布如图7所示
如图7 三位LED显示器的管脚图
LED显示器的引脚功能，a、b、c、d、e、f、g这7段每一个段对应一个发光二极管。h（dip）引脚对于的是小数点。7段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段。因此提供给LED显示器的字型码正好是一个字节。
9、10、11引脚连接7407驱动器，7407接收到单片机的水温信号，驱动显示器显示温度值。本设计选用共阴极显示器，如图7所示。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连结在一起，此公共阴极接地。
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