1、攀枝花学院本科毕业设计（论文）基于单片机的水温控制系统学生姓名： 赵 鹏 学生学号： 201110501083 院（系）： 电气信息工程学院 年级专业： 电子信息工程 2 班 指导教师： 谢兵 讲师 助理指导教师： 二一五年五月攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘要摘 要随着工农业生产水平和人们生活水平的提高，对工农业环境和生活环境的要求也越来越高，工农业生产设备越来越趋向于自动控制控制乃至于智能控制，人们的日常用品也越趋于智能化和自动化，针对目前社会发展的实际需要，自动控制水温报警系统能应用于许多日常生活和工农业，所以本文的设计也应运而生。本设计就通过 51 系列单片机做出一个自动控制水温报警
2、系统的模型。本设计主要包括硬件和软件设计两个部分。硬件部分包括单片机控制电路、传感器电路、驱动执行报警电路、数码管控制电路等部分组成。处理器采用 51 系列单片机 AT89C51。整个系统是在系统软件控制下工作的。软件部分可以归划成以下几个模块：数据采集、按键控制、蜂鸣器报警、外接温度控制设备和显示等子函数模块。本设计实现自动控制水温功能，即实时感测当前系统工作区的温度信息，温度信息通过数码管显示屏直观的显示出来，我们再根据自己对水温的实用需求，通过按键可以设置一个温度的控制范围，当温度值小于或者超出我们设定的范围时，本系统可以自动执行相应的加热和制冷工作，并接通蜂鸣器使其报警。关键词： AT
3、89c51 单片机，按键控制，数码管显示，AT24C02，DS18B20攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTAs the level of industrial and agricultural production and people living standard rise, demand for industrial and agricultural environment and living environment is becoming more and more high, industrial and agricultural production
4、 equipment is more and more tend to automatic control and intelligent control, Peoples Daily supplies are more tend to be more intelligent and automation, aiming at the practical needs of social development, the automatic control water temperature alarm system can be applied to a lot of daily life a
5、nd industry and agriculture, so the design of this article also arises at the historic moment.This design by 51 series single chip microcomputer to make a model of automatic control temperature alarm system. This design mainly includes the design of hardware and software two parts. Hardware part inc
6、ludes single chip microcomputer control circuit, sensor circuit, driver execution alarm circuit, digital tube control circuit and other parts. The processor with 51 series microcontroller AT89C51. The whole system is the system software work under control. Software part can be as the following sever
7、al modules: data collection, button control, buzzer alarm, external temperature control equipment and display DengZi function module.This design to realize automatic control water temperature function, the real-time temperature sensing the current system of information, the temperature information t
8、hrough digital tube display intuitive display, we again according to the practical demand for water temperature, through the buttons can set a temperature control range, when the temperature is less than or beyond the scope of we set, the system can automatically perform the corresponding heating an
9、d cooling, and turn on the buzzer alarm.Key words： AT89c51, button control, digital tube display, AT24C02, DS18B20, 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目录目 录摘 要 .IABSTRACT .II前 言 .11 绪论 .21.1 课题背景 .21.2 国内外现状及研究水平 .21.3 本课题的发展趋势 .32 设计要求与方案论证 .42.1 设计要求 .42.2 系统基本方案选择和论证 .42.2.1 单片机芯片的选择方案和论证 .42.2.2 温度传感器设计方案论证 .52.2.
10、3 掉电保持方案论证 .52.3 电路设计最终方案决定 .53 系统的硬件设计 .73.1 AT89C51 介绍 .73.1.1 AT89C51 主要功能及 PDIP 封装 .73.1.2 AT89C51 引脚介绍 .73.1.3 单片机最小系统 .83.2 DS18B20 传感器介绍 .93.2.1 DS18B20 概述 .93.2.2 DS18B20 的内部结构 .103.3 数码管介绍 .113.4 AT24C02 简介 .114 系统的软件设计 .144.1 软件设计架构 .144.2 主控制程序 .154.3 DS18B20 的程序流程图 .165 系统仿真 .175.1 仿真软件
11、Proteus 的简介 .175.2 keil uVision2 编程开发工具的简介 .17攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目录I5.3 仿真设计的预期目标 .175.3.1 仿真设计的实现 .175.3.2 最终仿真图 .186 PCB 画图及实物制作 .196.1 制作过程理论实践概述 .196.2 设计原理图 .196.3 印制电路板制作流程 .216.4 最终实物图 .227 组装与调试 .247.1 系统组装 .247.2 硬件调试 .247.3 软件调试 .257.4 硬件软件联合调试 .25结论 .26参考文献 .27致 谢 .28附录 A 电路仿真图 .29附录 B 实物展示
12、.30附录 C C 语言程序 .31附录 D PCB 原理图 .43攀枝花学院本科毕业设计（论文） 前言0前 言随着社会的发展,科学技术的进步和增强安全意识,在锅炉房大型工厂和学校越来越多关注工作环境是否是安全的,所以水温控制变得尤为重要,因此,本文的设计也应运而生。论文的第一阶段的主要任务是熟悉相关计算机辅助设计软件 DXP 等,了解单片机开发相关的工作流程,学习单片机系统的基础上 c 语言（汇编语言）编程和设计,然后能够顺利的做出这个设计的最终产品基于单片机的水温控制系统。第二阶段则是通过自己的努力、教师的指导完成毕业设计的任务和要求，使得基于单片机的水温控制系统成功实现。,有了这个系统就
13、可以完全实时保护和控制系统工作区温度。基于单片机水温控制系统,以 AT89C51 作为核心设备,防水类型 DS18B20 为温度检测和信息传输装置,AT24c02 断电保护芯片、数码管、蜂鸣器、外部加热装置(由金属板而不是这个设计)、外部散热器(由小风扇来取代这个设计)和一个键盘。AT89C51 通过 DS18B20 生成的数据传输;通过按钮来调整温度控制范围 ,不是在控制温度进行加热或启动制冷冷却,温度达到后停止,添加 AT24 系列芯片,可以实现温度设置掉电保存。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪论01 绪论1.1 课题背景温度在许多工业中都有非常重要的作用，因为它是工业控制中主要的被控参
14、数之一。随着我国的综合国力不断增强，经济发展日益加快，之前应用于工农业的温度技术现在也可以用在平常生活中。在工业上，许多工厂中都存在许多电站热炉和供热锅炉，它们的能源消耗非长大，如果在厂房中普及温度控制这一技术，就能极大的减少资源浪费和减轻环境治理上的负担。在农业上，现在很普及的大棚蔬菜就是利用温度控制技术对大棚里的蔬菜的生长温度进行控制，以使它们成长的更快更好，而且这一做法也节省了不少的资源环境，可谓百利而不一害。在人们的日常生活中，温度控制中的水温控制就很实用，人们可以借此控制洗澡时水的温度，这为人们的日常生活带来了极大的便利。随着电子技术的发展和人们生活质量的提高，特别是进入 20 世纪
15、后集成电路的迅猛发展，给人们的生活带来了翻天覆地的变化。现代社会中，随着科学技术的进步，温度检测和控制迅速发展，温度控制将更好的服务于社会。目前，单片机控制器用于从生活工具到工业应用的各个领域。1.2 国内外现状及研究水平在国内，温度控制系统可以说已经深入到社会的方方面面且已取得了重大突破和重要进展，但在温度控制器这一块来说，总体发展水平依旧欠缺，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前，我国在温度控制器这一块的技术水平还处于九十年代中后期，与传统电子强国差距颇大，成熟产品主要以“点位”控制以及常规的 PID 控制器为主。该类型的控制器能适应大部分温度系统控制，但对延时、复杂、时变的
16、温度系统控制效果不佳。而我国对于像自适应控制仪表和较高控制场合的智能化等技术还不怎么成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。由于外国不外漏其生产技术和我国自身开发工作的缓慢，一直到现在都未能自主研发出性能可靠的自整软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。美日德瑞等国家的改技术遥遥领先，都生产出了许多投放给市场的性能优秀的温度控制器以及仪表，并且在各行各业销售火爆，应用广泛。它们主要具有如下的特点：一是能适应一些像大滞后、大时限等复杂的温度系统控制；二是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温
17、度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪论1制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强的特点。如今世界上的温度传感器都在重传统的模拟化向更高级的数字化、集成化和网络化过度。传统的温度传感器有热电偶、铂电阻热
18、敏电阻等，尽管它们都有自身对应优点，但由于本身的发热会严重影响测量温度，并且稳定性低，所以不能用来处理后续电路，但相比于使用 DS18B20 作为温度检测器件，DS18B20 的体积更小，采用一线总线的的最新传输方式使设计更简单，因为可以直接将数字信号传给片，使数据的中间环节变得更加简单，大大提高了系统的容错性和抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，在一 10 一+85C 范围内，测量精度为05。C1.3 本课题的发展趋势国内外温度控制系统也发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格
19、便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表并在各行业广泛应用。从市场角度看，如果我国的大中型企业将温度控制系统引入生产，可以降低消耗，控制成本，从而提高生产效率。嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的要求，符合国家经济发展政策，具有十分广阔的市场前景。现今，应用比较成熟的如电力脱硫设备中，主控制器在主蒸汽温度控制系统中的应用，已经达到了世界前进水平。如今，在微电子行业中。温度控制系统也越来越重要，如单晶炉、神经网络系统的控制。因此。温度控制系统经济前景非常广泛，我国的高新精尖行业研究其应用的意义更
20、是更加重大。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 设计要求与方案论证02 设计要求与方案论证2.1 设计要求(1)基本范围 0-99 ；(2)精度误差小于 0.1 ；(3)数码管直读显示；扩展功能：可以任意设置最高温度和最低温度并当温度不在预设范围内会报警，并能掉电依旧保持预设的温度限值。2.2 系统基本方案选择和论证2.2.1 单片机芯片的选择方案和论证单片机特点:(1)高集成,体积小,可靠性高芯片本身的开发是根据控制环境和工业测量的要求,片内线路简单,其工业噪声电阻比一般 CPU 性能更好。微型控制器编程指令,常数和形式,如固化于 ROM 不容易损坏,大部分信号频道都是集中在单个芯片内部,因此,
21、可靠性高。(2)控制功能是强大的单片机能实现大多数要求来自于控制对象的，因为其本身的指令系统有着非常强大的能力:I / O 端口的逻辑操作，分支转移的能力和位处理能力。(3)低电压、低功耗、使用户携带更方便(4)容易扩展三条总线的扩展和并行、串行输入/输出接脚围绕在芯片外部,十分简单就能形成不同大小的计算机的应用系统。(5)优秀的性价比单片机的性能是非常高的。单片机寻找地址的能力已超过了 64 KB 的桎梏,其中部分已经可以达到 16 兆,芯片上的罗容量最高可达 62 兆,内存容量是 2 兆。因为单片机的需求量大和使用领域宽,企业在商业竞争又令它的价格变的更加便宜,所以其性价比非常高。解决方案
22、 1:采用 STC89C51 芯片为核心的硬件。在 STC89C51 的 8KB 的 ROM 存储空间内,拥有 512 字节的数据存储空间以及 EEPROM 存储空间 2KB，也能与 MCS-51 等系列单片机同时运行。解决方案 2:攀枝花学院本科毕业设计（论文） 设计要求与方案论证1采用 AT89S51 单片机。AT89S51 单片机程序 8 k 字节的存储空间,256 字节的数据存储空间，没有 EEPROM 存储空间,也能和 MCS51 系列单片机同时运行,拥有在线上编辑程序可以被删除的功能。两个方案都全都符合预计需求,考虑到 AT89C51 相对便宜,抗干扰能力强。考虑到成本因素,所以选
23、择 AT89C51 单片机。2.2.2 温度传感器设计方案论证根据材料的熔点，热导率，热膨胀系数随温度的变化而变化的规律，温度传感器可以实现将温度转换为电能。温度测量仪有着十分复杂的内部结构,温度传感器作为其主要部件与其他部件相互融合成使其变的高度统一。根据使用时是否接触可分为两种:接触和非接触式；按照传感器材料及电子元件特性分为两类：热电阻和热电偶。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段;(1)传统的离散温度传感器(含敏感元件);(2)模拟集成温度传感器/控制器;(3)智能温度传感器。各国科研人员都对新型传感器的发展提出了猜想：那必然是条走向数字化，智能化，网络化的方向。国际上开发出了各种测
24、量精度高、分辨能力强的智能化温度传感器，一般使用九到十二位的模拟/数字转换器，可分辨零点五到零点零六二五摄氏度的温度范围。美国大啦思公司新开发的智能温度传感器 DS1624 类型,拥有十三个 2 进制数据,并能输出分辨率零点零三一二五摄氏度,温度测量准确度为正负零点二摄氏度。方案 1:因为这个设计是一个温度测量电路,能够利用对高温敏感的电阻设备利用的热影响,如采集发生改变的被测量温度的电流或者电压、A / D 转换后,能够使用单片机实现数据处理，测量温度就能够被直观反映出来,需要使用 A / D转换,加热电路更麻烦。方案 2:反过来,考虑到微型控制器电路一般都离不开传感器,因此能够利用一个温度传感器 DS18B20,该型号的传感器,测量温度的值,可以直接阅读,能满足设计要求。综合以上两个方案：第二个的方案电路更加简单作为采用。2.2.3 掉电保持方案论证为了方便人们使用,本设计采用串行 E2PROMI2C总线 AT24C02 存储设备,由于它有方便的接口,体积小,掉电源不丢失数据等优点。这个设计就是使用该特性。2.3 电路设计最终方案决定综合上面所描述的各种方案，本设计的最终方案选择,:让 AT89C51 担任主要control system；使用 DS18B20 作为传感器；采用 AT24C02 作为数据记录系统；
