水温自动控制系统

中国地质大学继续教育学院本科生毕业论文（设计）题 目 水温自动控制系统 英文题目 Water temperature automatic control system学生姓名 赵俊萱 学 号 090F31133074 专 业 电气工程及其自动化 班级/批次 2013年秋季 指导教师 苏娜 职 称 网络专升本 函授站 内蒙古学习中心 二一五年八月中国地质大学继续教育学院本科生毕业论文（设计） 题 目 水温自动控制系统 英文题目 Water temperature automatic control system学 生 签 名 ：赵俊萱 指导教师签名： 二一五年八月摘 要温度是表征物体冷却程度的物理量，也是一种最基本的环境参数。在农工业生产及日常生活中，对温度的测量及控制始终占据着极其重要的地位。目前,典型的温度测控系统由模拟式温度传感器、A/D 转换电路和单片机组成。由于模拟式温度传感器输出的模拟信号必须经过A/D 转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口，因而使得硬件电路结构复杂，成本较高。而以DS18B20 为代表的新型单总线数字式温度传感器集温度测量和A/D转换于一体,直接输出数字量，与单片机接口电路结构简单，广泛使用于距离远、节点分布多的场合，具有较强的推广应用价值。本次设计的水箱水温控制系统采用现在流行的AT89S51单片机，配以DS18B20数字温度传感器，该温度传感器可自行设置温度上下限。单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较，由此作出判断是否启动继电器以开启设备。本设计还加入了常用的液晶管显示及状态灯显示灯常用电路，使得整个设计更加完整，更加灵活。该设计已应用于水箱水温控制系统。关键词：温度， AT89S51，单片机控制 ，DS18B20ABSTRACTThe temperature is attributes the object cooling degree the physical quantity, is also one kind of most basic environment parameter. In the agriculture industrial production and the daily life, is occupying the extremely important status throughout to the temperature survey and the control. At present, the typical temperature observation system by the simulation type temperature sensor, A/D switching circuit and the monolithic integrated circuit is composed. Because the simulation type temperature sensor outputs the simulated signal must obtains the digital signal after A/D transformation link be able with microprocessor connections and so on monolithic integrated circuit, thus causes the hardware circuit structure to be complex, the cost is high. But as representatives new single main line digital temperature sensor collection temperature survey and A/D transforms take DS18B20 in a body, the direct output digit quantity, is simple with the monolithic integrated circuit interface circuit structure, the widespread use in is away from, the node to distribute many situations far, has the strong promotion application value. The temperature was designed with the now popular AT89S51 SCM, and with DS18B20 digital temperature sensor, The temperature sensor can set up their own temperature collars. SCM will detect that the temperature of the input signal and temperature, the lower comparisons this judgment whether to activate the relay to open the equipment. The design also includes commonly used digital display and control state lights commonly used circuit, making the whole design more complete, more flexible. The design has been applied to someone, to someone intelligent temperature control. Key words：emperature ，AT89S51 ，SCM Control ，DS18B20目录摘 要2ABSTRACT31 绪论41.1 课题的背景及意义41.2 课题的设计目的41.3 本课题的主要工作51.4 论文的主要内容51.5 水温控制系统的主要功能52 系统方案设计72.1 方案选择72.1.1 方案一72.1.2 方案二82.2 系统设计原理82.3 系统组成92.4 温度传感器介绍102.4.1 温度传感器DS18B20的特点102.4.1 DS18B20的主要特性112.5 单片机介绍123 系统硬件电路设计153.1电源模块设计153.2 震荡电路模块163.3 复位电路模块173.4 键盘操作模块183.5 温度检测电路模块193.6 加热控制电路203.7 制冷控制电路203.8 显示电路214 系统软件设计224.1 系统软件设计思路224.2 系统程序流程图235 系统调试与仿真275.1 keil及protues软件介绍275.1.1 keil软件介绍285.1.2 protues软件介绍285.2 应用keil软件进行程序调试285.3 protues软件仿真29图5-4 保温仿真图结论31参 考 文 献32致 谢33部分程序341 绪论1.1 课题的背景及意义随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，以单片机控制器作为主要的控制器件的产品也在大量的研发之中，单片机技术涉及到很多的领域，向电力、化工、食品等行业都和单片机技术有联系。传统的工场温度测温系统有很多的缺点，例如测温需要花费的时间长，系统的灵敏度和精度低，控制过程复杂等，然而单片机技术在测温系统中的应用很好的解决了这些问题。温度这个信息量在我们的日常生活中占有很重要的地位，在工业生产中也占有非常重要的功能。对于温度的测量不同的生产者会根据系统对象的不同采取不同的测温方法。这就会导致产品的工艺程度不同，系统的测温精度也不同，当今在技术的不断的发展下人们对测量精度和控制精度的研究也越来越高，传统方式的测温已经不能满足人们的需要，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大。在最近这几年来，科学技术在不断的进度，相关的测温算法也在逐渐的被研究者研发和使用，如：PID控制，神经网络控制和模糊控制等都很好的应用子啊测温系统中，并且发挥了应有的效果。本系统所使用的加热器件是电加热棒，功率为1千瓦，要求温度在0100。系统的研究在测温领域具有重要的意义。1.2 课题的设计目的本设计的内容是水温度控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度的控制。以前人们对温度控制不够重视，主要采用人工的方法进行控制。这就会导致在不同的场合会有很多的意外事情发生，为了更好的解决这些问题，本次设计了一款基于单片机的智能温度控制系统，它不但测量精度高，可以进行自动的控制，而且外表美观，便于携带，可以很好的实现智能化的水温控制功能。1.3 本课题的主要工作本课题的研究重点是设计一种基于单片机的水箱温度控制系统。利用数字温度传感器DS18B20，此传感器课读取被测量温度值，进行转换。主要工作如下：1. 温度测试基本范围1085。2. 精度误差小于0.5。3. LCD液晶显示。4. 具有加热和制冷的功能。5. 液晶显示，显示区分度为0.1。6.键盘设定控制温度值。1.4 论文的主要内容本文是基于AT89S51单片机，采用数字温度传感器DS18B20，利用DS18B20不需要A/D转换，可以直接进行温度采集显示，水箱水温控制系统。包括传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路，温度调节电路等组成。通过单片机实现启控温度设置，当温度低于设定温度时系统加热，当温度高于设定温度时系统制冷，实现控温的一种温控应用电路设计，并显示温度测量的结果。1.5 水温控制系统的主要功能本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的水箱水温控制系统实现了基本的水温控制功能：当温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升。当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动制冷开关，使温度下降。当温度下降到上限温度以下时，停止降温。并且可以通过液晶显示器件把检测到的温度值显示出来。2 系统方案设计2.1 方案选择2.1.1 方案一通过使用传统的热电偶测温元件，进行温度的测量，热电偶是由金属导线组成的，金属两端的电动势会随着温度的变化而产生变化，更具热电偶的温度和电压的关系就可以算出测量的温度值是多少，热电偶的电压变化时模拟量，要进入单片机进行数据的分析，就需要使用A/D转换器进行模数转换，把经过A/D转换的信息送入单片机后就可以计算出测量的温度值是多少，测量的温度值需要使用显示器件显示测量的结果，热电偶的优点是测量的温度值的范围宽，可以测量几百度的温度变化值，缺点是容易受到干扰。在进行A/D转换的时候，A/D转换的电设计复杂、系统主要包括对A/D0809 的数据采集，自动手动工作方式检测，温度的显示等，这几项功能的信号通过输入输出电路经单片机处理。此外还有复位电路，晶振电路，启动电路等。故现场输入硬件有手动复位键、A/D 转换芯片，处理芯片为51 芯片，执行机构有4 位数码管、报警器等。系统框图如图 2-1所示。图 2-1 热电偶温差电路测温系统框图2.1.2 方案二采用集成的数字温度传感器DS18B20温度测量芯片，这款芯片是数字量输出，这样就可以通过单片机直接采集传感器的信号而不需要使用A/D转换电路进行模数转换，DS18B20数字温度传感器的设计电路简单，输出信号稳定，测量的温度范围是0-100摄氏度。DS18B20数字温度传感器使用单总线的传输方式，这样就可以占用很好的单片机I/O资源。同时单片机的编写的程序简单，而且传感器的体积非常的小，既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC 机通信上传数据，另外AT89S51 在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。从以上两种方案，容易看出方案一的测温装置可测温度范围宽、体积小，但是线性误差较大。方案二的测温装置电路简单、精确度较高、实现方便、软件设计也比较简单，故本次设计采用了方案二。2.2 系统设计原理利用温度传感器DS18B20可以直接读取被测温度值，进行转换的特性，模拟温度值经过DS18B20处理后转换为数字值，然后送到单片机中进行数据处理，并与设置的水温值进行比较，如果当前的温度值高于设定的值，系统就要自行的进行降温，开启制冷开关。如果当前的温度值低于设定的温度值那么系统将会自动的升温。保持系统一直处于平衡状态。同时处理后的数据送到LCD液晶中显示。2.3 系统组成在本系统的电路设计方框图如图2-2所示，它由三部分组成:1、控制部分主芯片采用单片机AT89S51；2、显示部分采用液晶对当前的温度数值实现温度显示；3、温度采集部分采用DS18B20温度传感器；控制部分主；4、温度设定电路我们通过键盘进行温度报警值的设定；5、加热部分我们通过固态继电器控制电加热丝进行加热；6、制冷部分我们通过继电器控制制冷芯片来实现；图2-2 水箱水温系统框图（1）控制部分单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用。（2）显示部分显示电路部分我们选用液晶显示器对温度值进行显示。液晶的特点是成本低，功耗小，并且可以显示汉字，方便我们人工进行控制。（3）温度采集部分温度采集部分使用单总线数字温度传感器DS18B20，这款传感器是美国DALLAS公司生产的，传感器有三个引脚，一个电源引脚，一个底线引脚，一个是数据输出引脚。数字输出引脚直接和单片机的I/O口连接就可以。2.4 温度传感器介绍2.4.1 温度传感器DS18B20的特点美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 一线总线接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。目前DS18B20批量采购价格仅6元左右。 DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为2C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 继一线总线的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。 DS18B20、DS1822 一线总线数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持一线总线接口，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内，精度为0.5C。DS1822的精度较差为2C。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3.0V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20的外形 ：DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图2-3所示图2-3 DS18B20外形及引脚排列图DS18B20引脚定义： (1) GND为电源地； (2) DQ为数字信号输入/输出端； (3) VDD为外接供电电源输入端；2.4.1 DS18B20的主要特性（1）独特的单线接口方式：与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯。（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5 V。 （4）测温范围：-55 +125。固有测温分辨率为0.5。 （5）通过编程可实现912位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 （7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2.5 单片机介绍单片机的工作是就是执行用户程序、指挥各部分硬件完成既定任务。单片机最小系统主要包括复位电路和时钟电路，同时单片机最小系统也是保证单片机能够工作所必不可少的组成部分。以下是采用单片机AT89S51的最小系统介绍。AT89S51单片机是由美国的ATMEL公司研发和生产的一款高性能。低电压的8位单片机，这款单片机的内部含有8K的程序存储器，是可以反复擦写的。还有256 bytes的（RAM）随机存储器 ，单片机使用ATMEL公司的高端的生产技术、可靠性好、安全性高，单片机兼容标准的MCS-51指令集，单片机的芯片内部具有Flash存储的单元和通用的8位中央处理器（CPU），可以方便灵活的应用在生活中的各个领域。单片机的管脚图如图2-4所示：图 2-4 AT89S51单片机引脚图 P0 口：单片机的P0口是一组具有 8 位漏极开路型德邦双向的I/O 端口，也就是说地址/数据总线是复用的端口。当端口作为输出口的用时，每位都能用吸收电流方式来驱动8个TTL的逻辑门电路，当作为高阻抗的输入端用是时候需要对端口写“1”。当访问外部的程序存储器和数据存储器的时候，端口通过分时复用的功能来转换地址总线这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间要激活内部的上拉电阻。 P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。对该端口写“1”时 ，可以通过内部存在的上拉电阻拉端口为高电平，在这个时候可以作为输入端口使用。当需要作为输入端口使用的时候，因为内部具有上拉的电阻，当引脚被外部的信号拉拉低的时候，就会输出一个电流值。P2口：P2口一个8位双向I/O口，内部自带上拉电阻。当对端口写“1”的时候，由于内部的上拉电阻存在可以把端口拉到高电平状态，在这个时候可以作为输入端口使用，需要作为输入端口使用的时候，因为内部具有上拉的电阻，当引脚被外部的信号拉拉低的时候，就会输出一个电流值。当访问外部的程序存储器或者具有16位地址的外部的数据存储器的时候，P2端口可以当做高8位的地址数据使用。当访问具有8位地址的外部的数据存储器的时候，P2端口线上具有的内容（也就是特殊的功能寄存器（SFR）区中R2寄存器里面的内容），在整个过程中是不会改变的。P3口：P3端口也是8 位双向的I/O端口，内部自带上拉电阻。P3 端口有很强的的驱动能力，输出缓冲级可以驱动4个TTL型的逻辑门电路。当对P3端口写入“1”的时候时，因为上拉电阻的存在会被拉高，因此可以作为输入端口使用。当作为输入端使用的时候，被外部信号拉低的P3端口就会用上拉电阻输出电流（IIL）。P3端口除了具有一般I/O口的功能之外，它还有第二功能的作用，如下表2-1所示：表2-1 P3口的第二功能说明端口引脚第二功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 （外中断0）P3.3（外中断1）P3.4 T0（定时计数器0外部输入）P3.5 T1（定时计数器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）RST：复位输入端口。在振荡器工作的时候，如果单片机的RST引脚出现了两个或大于两个机器周期的高电平的时候单片机将会复位。 ALE/PROG:在访问外部的数据存储器和程序存储器的时候，ALE-（地址锁存允许端）会输出脉冲信号来锁存地址的低8位字节数据。即使不需要访问外部的存储器，ALE 仍会输出正脉冲信号，这样ALE就可以用于定时的目的或者对外进行时钟的输出。特别需要要注意的是：当每次访问外部的数据存储器的时候需要跳过一个脉冲信号。PSEN：PSEN是程序储存允许输出控制端口，作为外部的程序存储器的读选通的信号来使用，当 AT89S51单片机用外部的程序存储器来取指令的时候，PSEN在每个机器周期两次有效，就是输出两个时钟脉冲。在这个时间内，当需要访问外部的数据存储器的时候，有效的两次PSEN信号是不出现的。 EA/VPP：是外部访问允许控制端。当需要单片机值访问外部的程序存储器的时候，EA端口必须始终为低电平，就是接地。如EA端口为高电平，也就是接VCC的时候，单片机就会执行内部的程序存储器中的所有指令。 XTAL1：振荡器的反相放大器和内部的时钟发生器的输入端口。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3 系统硬件电路设计3.1电源模块设计众所周知，电源电路是一个系统的心脏，无论是AT89S51单片机工作电源还是驱动电路，液晶显示等模块的驱都要用到+5V的直流电源。AT89S51单片机可允许接入的电源电压为4055V，我们一般使用的是5V电源，其中正极接40引脚VCC，负极(地)接20引脚GND。所需的5V电源可由开关电源器件直接获得，也可以按图3-1搭建。图3-1电源电路模块由图3-1所示的电源电路模块可以看出，该电源模块的电路由变压、整流、稳压和滤波元件构成。具体包括的元件清单为：变压器(输出9V，功率15W)；整流桥（4个整流二极管）；三端稳压集成芯片7805；电容1000uF，100pF各一个，104uF两个；发光二极管一只，其中一个发光二极管用来做电源指示用；二极管一只，用来保护7805；电阻一只；最后还需要在电路中附上散热片以保证电路正常工作。3.2 震荡电路模块我们知道单片机是一种时序电路，在使用单片机时，我们必须给其提供脉冲信号，单片机才能正常工作。在AT89S51内部已集成了一个高增益的单级反相放大器，将外接的晶体振荡器提供的振荡信号放大，可以使AT89S51运行在相应的速度(033MHZ可选)。单片机的18和19引脚，分别为XTALl和XTAL2两个引脚，这两个引脚就分别是该放大器的输入端和输出端，外界提供的振荡信号通过这两个引脚进入单片机。具体连接方式如图3-2所示。图3-2 内部振荡方式和外部振荡电路典型方式晶振电路是单片机工作不可缺少的组成部分，主要由一个12MHz的晶振和2个30Pf的电容组成。晶振电路的主要作用是给单片机提供时钟脉冲信号。单片机按照晶振提供的时钟信号进行工作。AT89C52单片机内部集成了时钟震荡电路。定时器件常用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。从XTAL和XTAL2接入，如图3-3所示。 图3-3时钟电路一般地，电容C1和C2取30pF；晶振的频率范围是1.212MHz。晶振的频率越高，就是使系统时钟的频率越高，这样单片机的运行速度也越快。在通常情况下，使用振荡频率为6MHz或12MHz的晶振。如果系统中使用了单片机的串行口通信，则一般采用振荡频率为11.0592MHz的晶振。3.3 复位电路模块复位电路是构成单片机最小系统的主要部分之一，复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。为可靠起见，电源上电稳定后还要经过一定的延时，才能撤销复位信号，以防电源开关获电源插头分一合过程中引起的抖动而影响复位。图3-4 上电自动复位和按键开关复位在本设计中，采用的是阻容RC上电复位电路，通过电容加到RST端上一个高电平复位信号，高电平持续时间取决于RC电路参数。为了保证系统能可靠地复位，RST端上的高电平信号必须有足够长的时间，当引脚RST上出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。通常为了确保复位，持续高电平的时间大约在10ms左右。复位电路如图3-5所示。图3-5复位电路模块3.4 键盘操作模块在本设计中采用开关按键来构成矩阵式非编码键盘，为了节省单片的I/O口，设计中借鉴了常用的“以软代硬”的设计思想，即把复杂的电路通过编写软件来代替其硬件资源，这样使电路图看起来简单，并且节约设计系统的成本开销。本设计中需要用到16个按键，我们将16个按键排列成44的矩阵，形成一个矩阵键盘，这样一来，设计中只需8条口线而不是16条就能够实现设计中所需要的按键功能，比独立式键盘节省了一半的口线资源。如图3-6所示，在4条行线和列线的交点上设置按键，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接+5V电源，处于高电平状态；将4条列线的一端接单片机的输出口线，另一端悬空。采用扫描法进行键识别，单片机向列线输出信号，再通过行线输入来接收行线的状态，根据按键行、列的组合来获得键码。图3-6 4*4行列式键盘原理图本设计中，所用到的矩阵键盘如图3-7所示。主要的功能就是实现温度值的设定。图3-7 矩阵键盘3.5 温度检测电路模块采用一线制数字温度传感器DS18B20来作为本课题的温度传感器。传感器输出信号进4.7K的上拉电阻直接接到单片机的P1.0引脚上。DS18B20温度传感器是美国达拉斯(DALLAS)半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件DS18B20，是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以下几方面的原因：（1）系统的特性：测温范围为-55+125 ，测温精度为士0.5；温度转换精度912位可变，能够直接将温度转换值以16位二进制数码的方式串行输出；12位精度转换的最大时间为750ms；可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式。（2）系统成本：由于计算机技术和微电子技术的发展，新型大规模集成电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格也越来越低。一支DS18B20的体积与普通三极管相差无几，价格只有十元人民币左右。（3）系统复杂度：由于DS18B20是单总线器件，微处理器与其接口时仅需占用1个I/O端口且一条总线上可以挂接几十个DS18B20，测温时无需任何外部元件，因此，与模拟传感器相比，可以大大减少接线的数量，降低系统的复杂度，减少工程的施工量。（4）系统的调试和维护：由于引线的减少，使得系统接口大为简化，给系统的调试带来方便。同时因为DS18B20是全数字元器件，故障率很低，抗干扰性强，因此，减少了系统的日常维护工作。DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ ，外供电源线VDD，共用地线GND。DS18B20有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。这种情况下，用单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD接+5V)，相应的完成温度测量的时间较短。在本设计中采用外部供电方式实现DS18B20传感器与单片机的连接，其接口电路如图3-8所示。图3-8温度传感器接口3.6 加热控制电路控制电路图如下图3-9。用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象为电热棒，采用对加在电热棒两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。对电加热棒通断的控制采用SSR-40DA固态继电器。它的使用非常简单，只要在控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用 NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动。当单片机的P1.3为高点平时，三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作，当单片机的P1.3为低电平时固态继电器关断，加热器不工作。图3-9 加热控制电路3.7 制冷控制电路水温控制系统有一个主要的功能就是当温度高于设定的温度时系统要进行降温过程。而系统降温主要是通过单片机控制半导体制冷芯片的开关来实现的。图3-10中P1.1引脚控制制冷芯片继电器。给P1.1低电平，三极管导通，电磁铁触头放下来这时候制冷芯片就开始工作。 图3-10风扇控制电路3.8 显示电路本课题设计的水温控制系统是采用液晶屏128*64作为显示模块，其接口原理图如下图3-11所示：这个型号的液晶不但可以显示数字、字符还可以显示汉字。这样可以给使用者一个清晰的界面。图3-11液晶显示接口电路4 系统软件设计4.1 系统软件设计思路程序设计是系统软件设计的主要的工作，为了能够很好的实现系统所具有的的功能，程序设计是非常重要的，程序设计要求调理清晰的方法和步骤。其步骤可概括为以下三点：分析系统的功能和控制策略及先关的算法：把复杂的问题详细具体分析，找出最合理的计算方法，最后确定程序编写的步骤。这是能否编制出高质量程序的关键。程序画流程图设计：在进行程序设计之前，要根据我们使用的算法画出系统的程序流程图，清晰的流程图可以减少编程错误。程序编写：根据我们设计好的流程图，对程序进行逻辑分析，之后进行程序的编写和调试。结构化程序设计是程序数据的理想的设计方法。结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向语句(或指令)的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。MCS51指令系统的指令长度较短，它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率，编成的程序占用内存单元少，执行也非常的快捷，与本系统的应用要求很适合。而且MCS51指令系统有丰富的位操作（或称位处理）指令，可以形成一个相当完整的位操作指令子集，这是MCS51指令系统主要的优点之一。对于要求反应灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化”产品，可以充分体现出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序（初始化子程序、写程序和读程序）4.2 系统程序流程图系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，复位应答子程序，写入子程序等。1）主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图4-1所示。通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分分开存放在不同的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。图4-1 主程序流程图2）读出温度子程序 读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位。流程图如图4-2所示DS18B20复位、应答子程序跳过ROM匹配命令写入子程序温度转换命令写入子程序显示子程序(延时)DS18B20复位跳过ROM匹配写入子程序读温度命令子程序终 止 图4-2读出温度子程序3）写入子程序如图4-3所示开始进位C清0终止R2是否为0P1.0置 0延时46US带进位右移延时12USP1.0清0图4-3写入子程序4)系统总的流程图如图4-4所示。开 始初始化显示当前温度判断当前温度值超过设定温度上限启动制冷降低温度红灯亮设定温度上、下限启动电热升高温度是否低于设定温度下限是绿灯亮否图4-4系统总的流程图5 系统调试与仿真5.1 keil及protues软件介绍5.1.1 keil软件介绍KeilC51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。Uvision与Ishell分别是C51 for Windows和For Dos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件（OBJ）。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（ABS）。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器DScope51或TScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。5.1.2 protues软件介绍PROTEUS软件简介：Proteus具有和其他EDA工具一样的原理图编辑、印刷电路板(PCB)设计及电路仿真功能，最大的特色是其电路仿真的交互化和可视化，Proteus软件由ISIS和ARES两部分构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统原理设计和仿真平台软件，Proteus ISIS是一种操作简便而又功能强大的原理图编辑工具，它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路。本次设计的仿真就是用ISIS 7.1进行的。5.2 应用keil软件进行程序调试单片机软件调试主要是调试本次课程设计的主程序。其调试过程如下：1、新建一个工程。单击Project菜单，在弹出的下拉菜单中选New Project。然后选择你要保存的路径，输入工程文件的名字，保存。2、新建一个工程后弹出一个对话框，根据你的需要选择你使用的单片机型号。然后点击确定。单击“File”，选择“New”，新建文件并在其中输入程序代码，然后保存为C语言文件。3、回到编辑界面后，单击“Target 1”前面的“+”号，然后在“Source Group 1”单击右键选择“Add File To Group Source Group 1”,选中Test.c文件。4、单击“Project”菜单，选中“Built Target”，完成程序的编译，在工程文件夹中找到“.hex”文件即可。5、次后在Protues ISIS中画整机电路图，图画好后，双击C51单片机，此时弹出一个窗口，在项目文件中把刚才产生的“.hex”文件添加进去。保存后则可以进行仿真了。若调试一直存在问题，则要考虑换硬件的电路或软件的程序设计方面的问题。5.3 protues软件仿真通过上面几章节硬件电路的设计和软件电路的设计，以及对Keil软件和Protues软件学习。我们对本水箱水温控制系统做了详细的实验及仿真。用Protues软件仿真的原理图和运行效果如下体5-1。在我们打开Protues软件，运行系统液晶上会显示当前系统的设定的温度和实际的温度值。如果当前的温度值比设定的温度值高，那么液晶就显示系统的工作状态为降温，同时降温灯被点亮。同理当当前的温度值低于设定的温度值的时候液晶会显示系统的工作状态为升温状态，同时加热指示灯被点亮。但设定的温度和检测的温度相等的时候液晶显示保持的工作状态，保持温度指示灯被点亮。图5-1系统整体仿真点击protues中的运行按钮，通过键盘设定温度为20.0度。按键盘中的确认按键，系统的工作状态会处于降温状态。降温指示灯会被点亮，仿真图如下图5-2所示。 图5-1 降温过程仿真图点击protues中的运行按钮，通过键盘设定温度为60.0度。按键盘中的确认按键，系统的工作状态会处于加热状态。加热指示灯会被点亮，仿真图如下图5-3所示。图5-3 系统加热仿真图当系统实际温度和设定温度相等的时候，系统会处于保持状态，保持当前的水温。保温指示灯也会被点亮。仿真图如图5-4所示。图5-4 保温仿真图结论通过本次毕业设计的锻炼，我学到了很多有关水温控制的设计方法与工作原理，巩固了单片机知识。期间也碰到不少问题，解决了温度变化和降温的问题。在软件进行调试的时候才得以发现，特别是44矩阵键盘的调试，改了不下10次。系统调试时碰到过按键不灵敏的问题。后来增加了键盘列位置上的电阻，增加了电平，效果得到改善。慢工出细活，过程是很重要的，只有耐心细心努力地去把握过程，才能得到可喜的结果。本文利用AT89S51对水箱水温进行控制，采用单总线传输方式的DS18B20作为温度传感器，与按键、液晶显示、报警器等外部辅助硬件共同组成一个温度控制系统。设计中用到了KEIL C51 V8.01、PROTEL99SE、PROTEUS6.7等设计与仿真软件，作者本着安全性、可靠性、稳定性和易扩展性等设计原则，对各方案进行了细心的比较，并对设计中使用的芯片进行了仔细的分析，力求设计出一个安全、稳定、可靠的温度控制系统。因此，本系统的安全性和可扩展性都比较好。在仿真过程中，通过先关过程的设定和测试，系统满足本次设计的要求。参 考 文 献1李建忠.单片机原理与应用M. 西安：西安电子科技大学出版社,2009. 2潘永雄.新编单片机原理与应用M. 西安：西安电子科技大学出版社，2003.3肖玲妮等.Protel 99 SEM.北京：清华大学出版社，2003.4刘瑞新.单片机原理及应用教程M. 北京：机械工业出版社，2003.5靳达.单片机应用系统开发实例导航M.北京：人民邮电出版社，2003.6沈红卫.单片机应用系统设计实例M. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.7华成英. 数字电子技术基础M. 北京：高等教育出版社,2002.8谭浩强. C语言程序设计(第三版)M. 北京：清华大学出版社,2005.9陈杰,黄鸿.传感器监测与技术M. 北京：高等教育出版社,2002.10张红润,张亚凡,邓洪.传感器原理与应用M. 北京：清华大学出版社,2008.11童师白,华成英.模拟电子技术基础M. 北京：高等教育出版社,1980.12朱清慧,张凤蕊.Proteus教程M. 北京：清华大学出版社,2008.13 周润景，张丽娜基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真M北京：北京航空航天大学出版社 ,2006.14胡寿松自动控制原理M北京：国防工业出版社，2000.15金发庆等编. 传感器技术与应用M. 北京：北京机械工业出版社,2002.16邵惠鹤工业过程高级控制M上海：上海交通大学出版社，1997.17刘建辉. 单片机智能控制技术M. 北京：国防工业出版社，2007.18Atmel CorporationATmegal 128L Data Sheet200319DMawhinneyMicrowave tag identification systemsJRCA Rev，199320Geg PaulNew Processors Transform controlMMechanical Engineering，1997.4致 谢在这大学的最后一页里，我要感谢的人很多，首先要感谢我的指导老师，在整个毕业设计过程中，老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，心点拨、热忱鼓励。老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，深深地感动了我，当我遇到难题无从下手时，老师总能给予我中肯的意见，我从心底里感谢他。还要感谢的是我们各课任课老师，没有他们的谆谆教诲，就没有我学有所长的今天。当然，还要感谢寝室的兄弟们在我完成论文的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过这四年的生活。最后要感谢的就是我的父母，谢谢他们对我的支持。现在即将挥别我的学校、老师、同学，还有我的大学生活，虽然依依不舍，但是对未来的路，我充满了信心。最后，感谢在大学期间认识我和我认识的所有人，有他们的伴随，才有我大学生活的丰富多彩，绚丽多姿！部分程序;*资源分配* FLAG1 EQU 54H;是否检测到DS18B20标志位 FLAG2 EQU 00H COUNT EQU 63H CSA EQU P0.4 CSB EQU P0.3 RS EQU P0.2 RW EQU P0.1 E EQU P0.0 COM EQU 21H ;命令字 DAT EQU 22H ;显示数据 column EQU 23H ;列 pagef EQU 24h ;页 cpage EQU 25H ccolumn EQU 26H ;列(0-15) CODE EQU 27h column2 EQU 52H pagef2 equ 60h cpage2 EQU 61H ccolumn2 EQU 62H column3 EQU 2eH pagef3 equ 2fh cpage3 EQU 30H ccolumn3 EQU 31H column4 EQU 32H pagef4 equ 33h cpage4 EQU 34H ccolumn4 EQU 35H column5 EQU 36H pagef5 equ 37h cpage5 EQU 38H ccolumn5 EQU 39H;*主程序开始*ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMP INT0 ;外部中断ORG 0030HSTART: MOV SP,#70H MOV P2,#0F0H CLR A CLR F0 ;清设置键 CLR FLAG2 ;清确认键 MOV COUNT,#0 ;中断次数计数 SETB IT0 SETB EX0 SETB EA LCALL INT ;LCD12864初始化子程序 LCALL CLEAR ;LDC12864清屏子程序 LCALL DISPLAY1 ;显示温度自动控制系统 LCALL DISPLAY2 ;显示设置温度 LCALL DISPLAY3 ;显示预设的温度 LCALL DISPLAY4 ;显示实际温度 LCALL DISPLAY5 LCALL GET_TEMPER ;调用读温度子程序 ACALL DISPLAY5 ;调用显示M: LCALL GET_TEMPER LCALL DELAY1 MM: