基于单片机温度监控设计毕业设计.doc

目 录

第一部分 设计任务与调研.......................................................1
第二部分 设计说明...................................................................6
第三部分 设计成果...................................................................9
第四部分 结束语.....................................................................11
第五部分 致谢.........................................................................12
第六部分 参考文献...............................................................13

第一部分 设计任务与调研
1.主要任务

温度往往是一个很重要的量，需要准确地加以控制。除了这些部门之外，温度控制系统还广泛应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统。温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。具有硬件组成简单、成本低廉、系统稳定、易于操作和管理等优点。能在实际工程中得到广泛的应用。我们现在完全可以运用单片机来代替人工测量，这样既能省时又可以省力。本文以AT89C51单片机作为控制器和DS18B20作为温度数据采集系统作为研完对象，以此来实现对温度系统的控制，单片机温度控制系统不仅具有操作简单、灵活性高等优点，同时还可以有效提高被控温度下的相关技术指标。在本文中对单片机温度控制系统中软件设计、硬件组成以及接口电路的设计进行了详细的阐述，并分析了在对温度系统进行控制的过程中单片机控制的应用，从而提出了针对单片机温度控制系统实现可行性和有效性。

2.设计的思路、方法

在对温度系统进行控制时，传感器是对温度测量的主要载体，利用传感器将温度信息传输到放大电路，将其转换到毫伏级电压信号后，将相应的弱电压信号逐渐放大到单片机可以处理的可控范围之内，再通过A/D转换器将电压信号转变成数字信号输出到主机中。在利用单片机对信号进行采集的过程中，为了有效地提高测量精度，在采样时同时要对信号实现过滤。与此同时，经数字滤波的信号就会转变为对应的标度，从而将温度指数显示在LED屏上，实际温度与设定温度相差在不同范围内做出不同的提示。不大于1℃时，绿灯亮；不大于3℃时，红灯亮；大于1℃且小于3℃时，绿灯闪烁。LED显示实时温度。
在对温度控制系统进行设计的过程中，设计的目的是为了对温度进行实时、准确地控制，以便解决工业生产中对温度无法实现控制的难题。针对这种状况，温度值显示可以采用十进制的数码来实现，从而方便人们对温度进行监测。同时，提前输入人工设定的温度范围，以便当温度超出控制范围时，系统可以自动启动系统调节功能，保持温度稳定，实现自动控温的目的。

3.与本课题相关的资料（影片、图片等）。

图1-1 系统硬件组成框图

图1-2 AT89C51引脚图

图1-3 DS18B20内部结构图

图1-4 DS18B20的引脚图

4.调研的目的

依据现阶段单片机的使用状况来看，单片机主要是属于一种微型计算机，其将I:PU, ROM以及RAM接口和相应中断系统中多个部件集中在一起，从而组成了整体式的器件。单片机不但具有体积小，便于携带等优点，而且其功能也非常多样，通过外加电源以及晶振的共同作用，可以非常快速地对信息进行处理和控制。因而在现代化工业中，单片机针对温度系统的控制得到了广泛的应用，也大大提高了企业的经济效益。在高新科技领域中，由超大规模集成电路发展而来的微型单片机具有功能强、体积小、性价比高等特性，在生产过程中，单片机主要是应用在对劳动条件改善方面，可以有效提高资源的利用效率，防止了一些意外事故的发生，还能起到节约资源的作用，从而使企业获得较作。
将降软件编制方法和流程进行统一规范，建立标准化、规范化的工程，大力发展与电子技术相关联的产业，进一步提高电子技术的编制效率。鼓励并积极组织各研究部门、各大高校、工厂、各行各业应用部门甚至是业余人员投入到电子技术的研究开发当中，并建立完善的电子技术专利等相关制度，尊重并保护人们所取得的研究成果。通过组织用户协会使人们进行应用技术的广泛交流。随着科学技术的发展，我国社会对电子技术专业人才需求也随之增大，高校作为人才培养的重要基地应该对自身的教学课程作出适当的调整，制定适合社会发展规律的教学模式、内容、方法，为社会输送更多的电子技术专业人才，并不断提高我国电子技术专业的理论水平，为电子技术的发展和社会发展做出应有的贡献。

5.总结

电子技术作为现今社会新技术革命的成果之一，其潜在价值已经越来越受到全世界的关注和重视。因此，必须正确积极地看待和推动电子技术的发展，并加强电子技术基础理论研究和实践的投入，充分发挥电子技术的作用。相信随着科技的高速发展和人们要求的不断提高，电子技术的应用将会越来越广泛，必将带动电子技术的稳定长足进步与发展。基于单片机温度控制系统的设及可以有效实现工业生产中对温度控制的要求，现阶段，应用单片机实现温度控制的方式主要有与高精度传感器结合、人机交互信号测量以及硬件式闭环控制;这几种方式都可以有效地实现对温度的控制，但是因采用与高精度传感器结合的方式可以克服后两种方式带来的缺点，因而在实际生产中应用地最为广泛。基于单片机温度系统的开发和设计对实现现代化生产具有非常重要的作用。

第二部分 设计说明

1.理论分析

温度的测量和控制在日常生活和工业领域中具有广泛的应用，随着人们生活水平的大幅提高，对温度测量控制的精度和范围也有着更高的要求。在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题，这类控制对象惯性大，滞后现象严重，存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，从而导致控制系统性能不佳，甚至出现控制不稳定、失控等现象。PID控制方式控制稳定且精度高，但是控制对象的模型难以建立，并且当扰动因素不明确时，参数调整较复杂。本文采用DS18B20数字温度传感器，该传感器具有微型化、封装简单、低功耗、高性能抗干扰能力、测量范围广、强易配处理器等优点，可使系统测量更加精确，电路更加简单。可应用于家用电器、汽车、冷库等领域。

2.设计方案

该系统将检测点的温度采集之后发送到单片机进行处理，并通过4X 4矩阵按键进行温度上限和下限的设定。当温度超过设定值范围后，单片机将发出控制信号启动升温装置或降温装置，使温度恒定在一定的范围。系统主要包括温度采集模块、4X 4行列式矩阵按键模块、主控模块、温度控制模块、测温控温显示模块等，其结构框图如下图所示。

图2-1 程序结构框图

3.正文
系统温度测量部分采用DALLAS公司生产的一线式数字温度传感DS18B20，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、测量范围广、强易配处理器等优点，DS18B20可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，它具有三引脚T0-92小体积封装形式，温度测量的范围为一55一+125℃,测温分辨率可达到0.0625℃。
该系统采用4X 4行列式矩阵按键输入，其中除了0 ~9这10个相应数字温度按键外，还设计了温度重设按键、确定按键、零下温度选择按键和小数点按键等用来控制温度。该系统采用的是非编码式键盘，按键的识别采用的是全局扫描法。
主控模块设计采用AT89C51单片机作为主控芯片。该芯片是一款高性能的CMOS 8位微处理器，自带4 KB闪存，产品性价比高，满足系统的设计需求。该系统中主控芯片AT89C51不断的对采集到的温度信号与输入的控制温度进行比较，若超出设定范围则启动升温或降温装置，直至温度到达设定的范围区间内。
该系统温度控制电路中，单片机通过三极管的通断控制继电器，达到控制电热器的目的。当温度低于设定温度下限时，单片机发送低电平信号经过74LS04非门电路后变为高电平，使NPN型三极管导通，继电器使电源与电热器接通，电热器加热，温度慢慢升高。当温度高于设定温度上限时，单片机发送高电平信号经过74LS04非门电路后变为低电平，使NPN型三极管截止，继电器使电源与制冷系统接通，制冷系统工作，温度慢慢降低。当继电器突然断电时，会产生很大的反向电流，反接在三极管两端的二极管可将反向电流分流，达到保护三极管的作用。
设计显示部分采用2个4位8段共阳极数码管7SEG-MPX4-CA。一个数码管用于显示当前环境温度，另外一个数码管用于显示设定温度。为了节省I/O口，本设计通过74LS04双2线一4线译码器连接两个数码管的位码。
设计软件部分采用模块化设计，通过Keil公司开发的Vision3编译器用C51语言编写，主要包括温度检测，按键驱动和温度控制等。其中温度检测包括DS 18B20初始化子程序、DS 18B20读取子程序、DS 18B20写子程序、DS 18B20转换温度子程序、DS 18B20温度采集子程序、采集温度数码管显示子程序等；按键驱动包括矩阵按键驱动子程序、按键显示子程序等;温度控制包括输入键值处理子程序、温度对比控制子程序等。主程序流程图如下图所示。

图2-2程序流程图

4.作品特点

本文设计的温度测控系统，采用DS18B20数字温度传感器实时采集环境温度，采用4X 4矩阵按键自由设定温度上限和下限，采用AT 89C51单片机处理采集的温度数据和发送控制温度信号，将环境温度和设定温度通过数码管实时显示。设计的样机系统经实验表明，测温精度和控温精度均高达0.1测温范围为一55一125 }C,并可在一55一128℃范围内进行温度控制。温度控制系统在工业生产和日常生活中，主要是要求在一定的温度范围内保证温度恒定，并要求一定的精度，因此该系统可应用于家用电器、工业、汽车、冷库等许多领域。

第三部分 设计成果

1. 设计成果

图3-1温度智能监控系统设计Proteus软件仿真图

2.作品的特点
（1）CPU具有一定的处理速度。实现对多路传感信号的检测。并实现A/D转换，实时通讯，监测报警显示。
（2）拥有较大的程序存储空间。由于应用程序都要在程序存储器中，另外有些特殊的重要数据也需要存储，能够满足系统的需要，也可以通过扩展存储器来解决。
（3）体积小实用方便、灵活。

3.佐证材料

图3-2温度检测模块设计图

图3-3显示模块设计图

图3-4报警模块

第四部分 结束语
1.总结

通过对温度数据采集系统的性能要求分析，提出了整体设计框架，并选择了AT89S51单片机芯片和智能数字化传感器DS18B20。
针对系统性能的要求作了硬件电路设计，主要包括温度测量电路、数据显示电路、时钟电路、复位电路等，当出现了不同的温度LED会发出不同的反应。
本系统只针对温度进行测量和控制，而实际上可控制的参数有很多。所以系统还可以进一步进行功能扩展，实现光照强度、土壤的肥力等其他参数的自动化调控。

2.分析和完善

由于在固定温度下对各环境参数准确性要求不高，故本设计在能够满足系统要求的前提下，测量和控制精确度还有进一步提高的余地。如果系统应用与精确度较高的场合，可从传感器的选择、电路的设计完善等方面进一步提高系统测量和控制的精确度。
本系统只针对温度进行测量和控制，而实际上可控制的参数有很多。所以系统还可以进一步进行功能扩展，实现光照强度、土壤的肥力等其他参数的自动化调控。
由于数据通信采取的方式，本系统测量和控制的距离范围并不是很大。如果需要更远的控制距离，可改进信号线路的传输方式，下一步开发中我们可以利用igbee技术或者GPRS技术实现远程通信。无疑这会增加系统的成本。

第五部分 致谢

首先，在本课题的最后我想要衷心感谢我课题的导师老师。
本篇设计从开始选题到设计过程中所遇到的问题解决，到最后设计的完成，都离不开老师的悉心指导。老师以他渊博的知识、丰富的经验、严谨的治学态度指导我顺利完成设计，无论是资料的收集、题目的选定还是实验的设计过程，老师都给予了我极大的帮助、支持和鼓励。值此设计完成之际，谨向谢老师致以最崇高的谢意!
同时，还要感谢我的舍友们。在我设计的完成过程中，无论是技术知识上所遇到的难题还是编写格式上的错误，他们都给予了我热情的帮助和支持。没有他们的支持，设计的进度也不会那么顺利。

第六部分 参考文献

【1】基于DsI8B2o的单总线测温系统设计[J] .魏玲.2007.P42-P43
【2】基于改进遗传算法的电极调节系统PID参数优化[J].孙彦伟，杨万济.2007.P87-P88
【3】单片机原理与应用技术[M].张友德.北京.机械工业出版社.2004
【4】单片机原理及应用[M].张鑫.北京:电子工业出版社.2008
【5】单片机应用系统设计[M].何立民等.北京航空航天出版社
【6】8051单片机课程设计实训教材[M).陈明荧.清华大学出版社.2004
【7】单片机原理及其接口技术[M].胡汉才.北京:清华大学出版社.1995
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