基于51单片机的智能温控系统.doc

(完整版)基于51单片机的智能温控系统
编 号：____________
审定成绩:

重庆邮电大学
毕业设计（论文）

设计（论文)题目：
基于单片机的智能温控系统设计

学院名称：
自动化学院
学生姓名：
孙旺
专业：
自动化
班级:
0811203
学号：
2011212950
指导教师：
易纲 王大军
答辩组负责人：
耿道渠

填表时间： 二〇一六 年 六 月
重庆邮电大学教务处制

诚信承诺书
本人慎重承诺和声明：
本人在毕业设计（论文）过程中遵守学校有关规定，恪守学术规范，在指导教师的指导下独立完成，没有剽窃和抄袭他人的学术观点、思想和成果，未篡改研究数据，若有违规行为的发生，我愿接受学校处理，并承担一切法律责任。
论文作者签名：
年 月 日

摘 要

单片机由于其功能的丰富和成本的低廉,自开发以来短短几十年就融入了到了社会的各个领域。温度作为生产过程中不可忽视的重要一环，一直都是控制环节着重部分.本系统就是实现单片机对温度的控制和调节。
本系统设计以STC89C51单片机为核心部件,采用DS18B20集成温度传感器对环境温度进行实时采样测量。用数码管显示实时温度。为了适应各种变化场景，设置了通过按键调整温度上下阈值。如超过阈值系统将启动蜂鸣器报警，同时开启风扇为发动机降温,使其工作在合适的温度范围内.
通过硬件电路的设计和软件程序的调试，整个控制系统实现对环境温度的实时显示，控制和调节，比较完整地真实的模拟了现实环境下的工作情况,恰到好处地仿真了现实环境调节系统的工作情况。DS18B20作为温度传感器与AT89C51结合实现温度检测系统，由于18B20的测温范围为—55℃到125℃,符合环境温度正常的工作温度范围，DS18B20的测量精度为0.5℃，对于一些微小的温度变动也能测量，由于正常的温度上下限警戒值都在DS18B20的测量范围内,软件设计好，蜂鸣器和小风扇安装好后，即可实现超越警戒值的报警功能和温度调节功能。同时该系统结构简单，具有一定的普及性。

【关键词】温度电控系统 STC89C51单片机 DS18B20测温 数码管显示
警戒报警

ABSTRACT

Microcontroller technology has spreaded to our lives， work, scientific research， each domain has become a relatively mature technology, this paper introduces a kind of based on MCU control of the digital temperature sensor， thermometer belongs to a multi-functional thermometer， you can set upper and lower temperature alarm, when the temperature is not in the set range， can call the police.
The system is designed to STC89C51 microcontroller as its core component， use DS18B20 integrated temperature gather temperature measure the real-time sampling， led LCD display with a higher and a lower limit on the value of real-time alert temperature, In order to adapt to changes in the scene, We set up the upper and lower buttons to adjust the temperature threshold. If the temperature is over the threshold value， the system will start the buzzer alarm, and turn on the fan for the engine to cool， make it work in a temperature range suitable。
The system hardware and software systems to achieve a real—time monitoring of the water temperature, real-time control， real-time display and limit alarm-functions. Just right to simulate the engine in complex situations conditioning system works. STC89C51 18B20 as a temperature sensor and combined to achieve the temperature detection system, Since 18B20 has the temperature range of —55 ℃ to 125 ℃, in line with the engine tank normal operating temperatur。The 18B20 has measurement accuracy of 0。5 ℃， for some small temperature changes can also be measured。 Since the higher and the lower limit guard values a measuring in the range of normal temperatures in the 18B20。 If software design is good， buzzer and a small fan installed， you can achieve beyond the warning value alarm functions the system is simple, Since 18B20 uses water proof design， external lasting isolation， anti—interference ability， which are suitable for on-site temperature measurement sin harsh environments， there is a wide range of applications。 At the same time the system is simple, it is universal。

【Key words】Temperature electronic control system STC89C51 microcontroller DS18B20 temperature Led display Warning alarm

目 录

前 言 1
第一章 绪论 2
第一节 选题的目的和意义 2
第二节 国内外研究综述 2
第三节 本课题所完成的任务 3
第四节 本章小结 3
第二章 系统方案设计 5
第一节 设计系统简述 5
第二节 系统方案论证 5
一、主控芯片的选择 5
二、显示模块的选择 6
三、温度传感器选择 6
四、掉电保持方案论证 7
第三节 系统总结构图 7
第四节 本章小结 7
第三章 硬件各单元的设计 9
第一节 主控芯片简介 9
一、STC89C51单片机简介 9
二、STC89C52单片机引脚介绍 10
第二节 单片机最小系统电路的设计 11
第三节 温度传感器电路 11
一、DS18B20简介 11
二、DS18B20在系统中的连接电路 12
第四节 数码管介绍 13
第五节 独立按键输入模块 13
一、键盘功能介绍 13
二、本设计的按键功能及接口电路 14
第六节 继电器控制模块 14
一、固态继电器SSR工作原理 14
二、本设计采用的继电器接口电路 14
第七节 越限报警模块 16
一、蜂鸣器报警模块 16
第八节 掉电保护 16
第九节 本章小结 17
第四章 环境温度控制系统软件设计 18
第一节 系统工作过程简介 18
第二节 程序模块 18
一、主程序 18
二、温度传感器驱动子程序 19
三、键盘扫描处理程序 20
四、温度检测与控制子程序 20
第三节 本章小结 21
第五章 系统调试 23
第一节 系统调试环境的搭建 23
第二节 系统工作情况 23
一、系统工作在正常温度范围 23
第三节 本章小结 24
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
附 录 28
一、英文原文 28
二、英文翻译 36
三、工程设计图纸 42
四、源程序 44

IV

前 言

科学技术的不断发展，实际生活的需求导致人们对生产工艺的水平的不断提升，其中环境因素就是生产工艺中极其重要的一环.而温度作为环境的主要组成部分，加上其相对的易控性，一直以来都是人们重点研究的参数.伴随着单片机在各个领域的应用，工农业生产中利用单片机对温度控制更是理所应当并且相关技术已经非常成熟,所以对温度的实时控制，对温度的调节速度的控制和对调节精度的提升仍是值得探索的课题.
  单片机的发展，对现代社会实行全面计算机控制提出了可能。其成本的低廉、功能的强大，扩展性能的强大和工作环境的要求低等等优点更是让工业控制发生了巨大变化。所以凭着其他控制手段无法企及的优越性，单片机对于温度控制的应用也是发展十分可观。
 生产过程对整个流程都有严格的工艺要求，温度作为过程环节之一再加上其对生产过程的直接影响,对温度控制的研究并将其应用于生产中是具有非常可观的前景和实际意义。考虑到大多数实际情况，温度变化速度较慢和变化范围不大，本系统拟采用STC89C51单片机,使用恰当的温度传感器设计一个闭环环境温度控制系统.
拟采用PWM控制温度的调节，然后使用数码管将实时温度显示出来。整体系统架构简单，只用一个主机加上负载即可，程序也主要是模块化程序，也就是说硬件和软件都很容易实现，系统有很强的推广性。

第一章 绪论

第一节 选题的目的和意义

超大规模集成电路的不断研究导致了单片机的迅速发展，由于其体积小，作用多，价格低等优点,单片机被普遍应用于大规模的生产实践当中，尤其是涉及过程控制的生产工艺。对工艺要求日益增高的现代化生产,温度属于过程控制的主要参数.比较熟悉的如冶金行业,皮革制造行业，电力工程行业等等，人们都需要对工艺流程中的温度达到持续稳定的控制,只有这样才能得到自己所需的产品。
产品的生产制造都是在各种各样的因素共同影响下来完成的，温度属于常见的但十分重要的工艺参数。因为温度会使得各种反应产生或好或坏的影响，作为生产方面，当然希望产生对自己有利的变化,所以生产自动化的重要环节之一就是温度控制。
近年来单片机控制在自动控制系统技术中的应用是在飞速发展的。人类的温度控制生活方式进一步得到了自我完善，单片机温度控制系统的诞生,能为我们带来更舒适、更方便、更安全的生活。科学的不断发展使得人们可以在各个方面可以轻而易举地做到很多以前无法想象的事情，不仅提高了办事效率,而且让人们有更多的时间来加强精神文明建设，这也是为什么发达国家的国民素质普遍强于发展中国家的要素之一。
对于在工农业生产的实际条件下，环境温度一直都是生产工艺中不可忽视的重要因素。对于农业来说，我们都知道光合作用对于植物生长来说可以说是必不可少的因素。而温度又是光合作用中极其重要的一节。并且对于害虫杂草的生长也影响十分大；对于工业来说，产品的生成温度和仪器的工作环境也对温度提出了严格要求。总的来说，以实现对温度的稳定精确控制是很有现实意义的课题。

第二节 国内外研究综述

计算机控制系统作为计算机发展的一个分支，自发展以来就主要服务于工业控制并逐渐发展成了一门独立学科。它主要根据工业生产的工艺要求,在信息技术和自动控制原理的辅助下，设计出有征对性的自动化控制系统。随着该学科研究的不断深入，硬件制造工艺的发展和计算机控制技术的成熟不断成熟，自然而然温度控制水平也得到不断提升，工业生产工艺也得到了可喜的提升。
国外由于工业自动化发展较早，所以在温度控制研究方面比较成熟,掌握的技术也相对完善。相对而言,国内由于发展时间短，这方面研究发展有一定差距，不过由于温度控制本身就属于较简单的，所以总体来也取得了不错的发展成绩和前景，美国达拉斯公司的产品DS18B20就属于比较成功的温度传感器。DS18B20属于可编程单总线数字式的温度传感器，可对温度进行实时响应。并且每个芯片都有自己的唯一序列号,故可以在一条总线上实现多个该芯片并联,减少了总线的占用。再加上只有3个管教,连接电路也十分简单。而且是和单片机实现直连，所以对本次的课题研究，环境温度的闭环控制也是足够的。本次可以环境温度控制，主要由主机部分、显示部分、温度感应部分和报警部分组成，通过硬件的设计和软件的调试完成研究目标。
总的来说，温度由于在工业生产的重要地位，其在国内外的发展体系都已经很成熟了。国内外的研究高度也是差不多的。

第三节 本课题所完成的任务

通过单片机控制温度传感器，二者通过ISP端口互联。传感器将温度传输给单片机，数码管显示当前温度,通过提前设定阈值，超过范围后报警,并可以随时更改阈值范围。当温度低于阈值下限时,蜂鸣器响起。单片机输出1,继电器吸合，加热片工作，直到处于阈值范围内。同理，当温度高于阈值上限时，蜂鸣器响起，单片机输出1,继电器吸合，风扇转动，降温达到阈值范围内。拿到课题要求,通过网上查询资料，挑选好适合的芯片，搭建系统，设计硬件电路，调试软件程序。本次课题目的需要将所学知识应用于实践,培养独立的设计，动手能力.在整个过程中，熟悉了相关规程和规范，树立工程的观点，为今后从事相关方面的工作打下良好基础。

第四节 本章小结

本章主要查找了温度控制的发展，比较了国内外目前发展实况和差距并做了粗略的陈述，对课题方向有了一个大概的印象。然后，我们通过对设计题目的分析，明确了所要完成的课题设计任务,思考出一个符合设计背景要求的总体设计框架,对设计进行总体概括，使对设计思路有个整体的把握，进而设计出符合题目要求的设计作品及论文.

第二章 系统方案设计

第一节 设计系统简述

本系统选用合适的单片机(Micro—controller）作为主机，温度传感器不断提取周围环境的实时温度，再将转换后的数字信号传给主机,主机即单片机把数据通过串行方式传输给数码管上显示当前温度。同时，处理器将收集的温度和阈值进行比对,在控制继电器的吸合使风扇转动或者加热片加热.
由于要控制的环境温度属于常温，系统要求温度传感器能精确地测量，达到这样的高温阈值系统仍能够正常工作和报警，并使系统稳定在一定的工作范围之内。

第二节 系统方案论证

一、主控芯片的选择
1、方案一
使用FPGA（现场可编程门列阵）当成整个系统的处理器.FGPA属于高度集成的芯片，各个器件都已经提前安装在芯片上。所以可以完成各种复杂的功能要求，并且体积小，平稳性高。而且可以进行电子设计自动化（EDA）软件的仿真，也支持器件的增加。总体来说，FGPA比较适合作为大量元素的实时控制器。本次设计只是对环境温度的一次模拟控制，所测的数据和大小都不高，传输速度也没有很高的要求。并且FGPA成本高，价格不菲,硬件电路非常复杂，系统实物搭建比较困难。无论软硬件，FGPA都不是特别好的选择.
2、方案二
英特尔公司生产的STC89C51作为系统核心处理器.51系列单片机体系发展成熟,软件编程很容易实现.而且本次课题主要是为了实现逻辑控制，对计算速度没有特别要求。而51就很适合实时的逻辑控制,用程序很容易实现。再加上其功耗不高，价格低廉。恰巧本设计要求的功耗低，要求的硬件电路也较为简单，整体系统搭建比较方便。基于以上分析拟订方案二.

二、显示模块的选择
1、方案一
采用4位共阴极数码管记录实时温度.数码管作为一种常见的显示器材,具有价格低廉，功耗低，能在各种条件下工作而且编程也比较容易实现控制。
2、方案二
使用LCD1602作为系统的显示模块。相较于数码管，液晶显示内容较多，分辨率相对也较高。同时，功耗也较低,比较小巧，硬件电路也比较容易实现.但成本较高，编程复杂。考虑到本次研究的要求，决定选用方案一。

三、温度传感器选择
1、方案一
使用热电偶来测量温度.热电偶属于直触式的测温方式即测量时与被测物体直接接触。测温范围跨度比较大，不容易被环境外物影响。但是热电偶要加上补偿电路且材料价高,还得经过专门的接口电路转换成数字信号（即AD转换电路）才能由微处理器进行处理。硬件方面稍微复杂，而且不是很实惠.
2、方案二
使用热敏电阻测量温度，热敏电阻比较适用于常温的测量,连接电路非常简单.但是精度不高，而且比较容易被环境影响，尤其不适合测量1℃信号的收集。
3、方案三
采用数字温度传感器DS18B20作为测温元件,且有防水的DS18B20可供使用,使测量的物件范围进一步扩大。18B20被称为一线器件，主要优点可以总结如下：
（1）采用的是单总线方式与控制芯片连接仅需一根数据线即可实现传感器与单片机的双向通讯，单总线经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量.
（2)测量的温度范围较宽,测量精度较高,测温范围为—55～125℃，在—10~+85℃ 范围内，精度为±0。5℃ 。
（3）因为是数字式温度传感器，直接输出数字信号，在使用中不需要任何外围部件即可实现测温,简洁方便，实用性强，对于本设计的模拟系统功能足够.
综上所述,测温元件我们选择数字式温度传感器DS18B20，功能齐全，硬件电路连接简单，就已经足够实现我们要求的功能[5]。

四、掉电保持方案论证
为了增加实用性，还连接了I2C总线方式的芯片AT24C02。该芯片在电源关闭之后能够自己记录上一次的数据.加上连接电路简单，使用方便被广泛应用于生产实际当中。本设计就是采用了其掉电保持功能。

第三节 系统总结构图

考虑到课题要求和所要达成的设计目的,先对各个模块进行硬件选择，再考虑到软件编程的实施可能性，最后系统搭建。经过多方面的论证，最终确定了以Atmel生产的STC89C51作为主机，集温度传感器，报警和显示等多个模块的整体。系统搭建完成后，得到的系统整体结构图如下图所示：
实时温度

STC89C51
温度传感器
键入上下限值

掉电保护

加热制冷
数码管显示
驱动控制

图2.3 系统结构图

第四节 本章小结

本章节主要讨论了对完成系统设计所必需的硬件的选择问题，主要针对包括主控芯片，温度采集模块，温度实时显示模块的选择，进行了较为仔细的斟酌和选择.
其中中央处理器采用ATMEL公司的STC89C51作为系统主机，其逻辑运算能力强,体积较小，软件实现简单且灵活多变,硬件电路连接也不复杂,被广泛应用于实时控制中。
而显示模块选用数码管进行实时显示数据，提前设置好阈值,再加上掉电保护，能够实时显示当前温度。
温度传感器选择了数字温度传感器DS18B20作为测温元件，DS18B20能够达到课题要求，而且只需一根数据线与单片机相连,简化了硬件电路,使对系统的模拟更加简便易懂。
综上,在选择好了相关硬件器材之后,即可对软件部分进行编写和调试了。

第三章 硬件各单元的设计

第一节 主控芯片简介

本课题设计的温控中央处理器选型为STC89C51单片机，其管脚封装如图3。1。1所示：

一、 STC89C51单片机简介

图3.1。1 STC89C51单片机

STC89C51是一种带8K可反复擦写Flash ROM的单片机[1],其制造工艺属于高性能CMOS 8位微处理器。阿特美儿(Atmel）公司制造的该芯片同时收集了工业标准的MCS—51工业指令集，兼容管脚的输出。该芯片同时把多功能的8位处理器和存储器集成在单个芯片中,实现了高效率控制。其为多数控制系统提供了一种价格低廉且可靠性高的选择方式。

二、STC89C52单片机引脚介绍
STC89C52芯片总共有40个引脚，包含2个电源引脚，2个时钟信号引脚，4个控制和32个I/O口,4个控制引脚还可以连接其他外界电源。下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能：
①主电源引脚（2根）
VCC(Pin40):电源输入，接＋5V电源
GND(Pin20)：接地线
②外接晶振引脚（2根）
XTAL1（Pin19）:片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin20):片内振荡电路的输出端
③控制引脚（4根)
RST/VPP（Pin9）：复位引脚，复位时需要引脚上输出两个周期的“1”即高电平。
ALE/PROG（Pin30):地址锁存允许信号
PSEN(Pin29):外部存储器读选通信号
EA/VPP（Pin31)：此引脚叫做对内外程序存储器的选择,引脚接高电平时,连接内部程序存储器,读取内部指令；反之读取外部程序指令。
④可编程输入/输出引脚（32根)
STC89C51单片机有有P0，P1,P2,P3四组I/0口，每一组有分别有8个引脚，每个引脚都是可以实现单独编程的，总共有32个引脚.其中P3口如下表所示：

表3.1 单片机P3口管脚含义
引脚
第2功能
P3.0
RXD（串行口输入端0）
P3.1
TXD（串行口输出端）
P3.2
INTO（外部中断0请求输入端，低电平有效)
P3。3
INTI（外部中断1请求输入端，低电平有效)
P3.4
T0（定时器/计数器0计数脉冲端）
P3.5
T1（定时器/计数器1计数脉冲端）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效)
P3.7
RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效)

P0口（Pin39~Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口(Pin1～Pin8）:8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1。7
P2口（Pin21~Pin28):8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2。7
P3口（Pin10~Pin17)：8位准双向I/O口线，名称为P3.0~P3.7

第二节 单片机最小系统电路的设计

在课题设计的温度控制系统设计中，控制主机是STC89C51单片机，该单片机为51系列8位单片机,它有32个双向I/O口，片内含有一个程序存储器，工艺为8K FLASH,可以采用上电的方式对信息进行改变,并且成本低廉。其片外所接的时钟电路频率为12MHz，执行一条指令的时间为1us.本次课题所要求的目标都完全能够用该芯片达成.晶振电路，复位电路和片内外存储器的选择电路组成了改芯片的最小电路系统。连接如下图所示：

图3。3。2 单片机最小系统

第三节 温度传感器电路

一、DS18B20简介
选择DS18B20作为本次系统设计的温感元件.它和单片级之间通过一根总线相连接于P3.7口，同时加上一个10K的下拉电阻。
DS18B20是美国哒拉丝公司（DALLAS）制造的集温敏元件、A\D转换器、存储器于一体的单线式温度传感器。具有高度集成，连接电路简单等多方面优点。作为本次温度模块的核心元件，主要考虑到有以下几方面的因素：
①芯片的测温范围：DS18B20能够测量的温度范围是（-55℃,+125℃),能够完成常温的检测。而且它的测温精度高达士0.5℃；功耗低，可以通过USB供电；可以将所测量的数据通过16位二进制的方式串行输出［5］。
②传感器的成本：随着大规模集成电路的飞速发展，导致芯片的作用越来越丰富，体积迅速减小，价格愈发低廉.一支DS18B20的体积与普通三极管相差无几,价格也就几块钱,便宜而且实用。
③传感器的连接方式:DS18B20与单片机的连接只需要一根总线，但同时单片机同时也可以通过这一根总线与多个DS18B20相连,若是忽略掉硬件电路,理论上是可以连接无限的芯片。无形中减少了总线的占用，简化了系统.
DS18B20温度传感器只有三根外引线,所以硬件电路非常简单。一根接地线GND，一根电源线VDD和数据交互接口DQ。芯片有两种常见的供电方法：一种叫做数据线供电，这个时候电源线接地,通过内部电容完成信号收集，花费时间较长;另一种就是大多数人采取的方法，叫做外部电源法。直接给电源线VCC一个5V的电源即可，温度信号采集转化较快。本次设计采用的是第二种外部电源法，较为方便。

二、DS18B20在系统中的连接电路
DS18B20一端是金属探头，另一端分别引出地线,电源线，数据线.本次通过DS18B20传感器与单片机的直接连接实现对DS18B20的供电，称作外部供电方式。其接口电路如图3。3所示，其中STC89C51单片机采用P3。7和DS18B20通信.

图3.3 DS18B20接口电路

第四节 数码管介绍

数码管是由发光二极管构成的半导体发光元件，通过电流的导通使二极管发亮,本次设计采用的是4位共阴极的八段数码管.
上面的4位共阴极的八段数码管中的4指的是能够最多同时显示4个数据。八段就是一个数码管里里面由8个发光二极管组成,常用的还有7段的数码管，比前者少了一个显示小数点的二极管.数码管按连接方式分为共阳极和共阴极。我们知道，二极管只有当高低电流导通时才能发光.共阳极就是阳极（高电平）一端全部连接在一起，和+5V电源相连,阴极分散连接，当需要某一个点亮时，就将该二极管的阴极导入低电平，灯就被点亮了，其他不会变化。同理，共阴极就是阴极连接在一起，全部接地,把高电平送入到需要点亮的二极管阳极即可。这样设计方便了电路的连接。
本次设计的数码管显示器的引脚如图3.4所示，总共十二个引脚，其中A、B、C、D、E、F、G、dp为段选，即是选择需要点亮的二极管。S1、S2、S3、S4是位选，即是选择需要点亮的数码管，需要说明的是,只有位选成功后才能打开段选。

图3。4 数码管

第五节 独立按键输入模块

一、键盘功能介绍
由于只有三个按键，所以采用独立式键盘设计.相应的按键接口电路设计较为简单，单片机相应的I/O口设定为输入状态，每个独立键盘电路加上拉电阻，保证未按下时为对应引脚是高电平。当按键按下时,通过软件设置端口,判断是否按下，就是是否为“0”。在分别进行相应的工作，本次系统采用的是软件消抖。

二、本设计的按键功能及接口电路
本系统电路中设计了三个按键，第一个按键设置系统的阈值和测量环境的实时温度，按第一下设置大值，第二下设置最小值，第三下次即为当前的实时温度。后两个按键为加减按钮，即是对设置的温度范围进行认为更改,设定自己想要的范围.

图3。5 按键接口电路

第六节 继电器控制模块

一、固态继电器SSR工作原理
本系统采用固态继电器进行控制，它的控制原理是:固态继电器两端各有三个管脚口，一端标明VCC，GND和数据口，其中数据口连接单片机的I/O口，单片机与继电器的通信全靠单片机给数据口的高低电平来控制通断；另一端是三个接口，分别是常闭端,公共端和常开端。将连接要加热的电阻丝的导线拆开一根，一端必须接公共端，另一端可以选择：若接常闭端，则一插上电源，继电器就导通,电阻丝立刻加热;若接常开端，接上电源后电路是断开的.本设计的固态继电器是低电平导通。当单片机I/O口给数据口一个低电平是就触发，继电器由常开变为常闭，继电器导通，电阻丝开始加热，再可根据后续要求进行控制.

二、本设计采用的继电器接口电路
设计的继电器选用低电平触发类型，保持断开。继电器的数据口接到P1.4和P1.2口，单片机通过控制P1。4口和P1。2口的高低电平的输出来控制继电器的开关闭合与否.当温度大于上限值，P1.4口输出低电平，继电器被触发，使开关闭合，电路导通,风扇启动开始降温。知道温度在阈值内后,开关又断开,风扇停止工作.同理，当温度低于下限值时，P1。2口输出高电平，电热器工作升温。达到阈值后，开关断开,加热片停止工作。图3。6。1，图3。6.2和图3.6。3分别为继电器，电阻丝和外接负载（加热片、风扇）的示意图：

图3。6.1 继电器示意图

图3.6.2 电阻丝示意

图3。6。3 外接负载电路

第七节 越限报警模块

一、蜂鸣器报警模块
报警模块的电路如下图所示.通过PNP结连接的三极管9012作为驱动器,和蜂鸣器BEEP直连。当实时温度超过阈值后，输出高电平，三极管导通，BEEP导通,发出蜂鸣声.同时，电路中的一排发光二极管会闪烁来指示出电路的工作状态。
其中原理如下：这次系统采用的三极管是PNP结的9012型。发射极正偏，集电极反偏，所以只有当基极是低电平的时候，才能满足放大条件，同时三极管导通,蜂鸣器得电开始工作，完成报警,当蜂鸣器不需要报警的时候，只需将基极端的电平置低即可。具体电路图如图3.7.1所示。

图3。7.1 蜂鸣器放大电路

第八节 掉电保护

下图是AT24C02的芯片引脚图。

图3。8。1 AT24C02的芯片引脚图

AT24C02提供电可擦除的串行1024位存储或可编程只读存储器（EEPROM)128字(8位/字）。同时，该芯片是I2C总线接口。
芯片在工业生产与商业应用中得到了不断的发展。AT24C01的封装为8脚PDIP、8脚JEDECSOIC、8脚TSSOP，通过2线制串行接口进行数据传输.另外,整个系列有2。7V(2.7V至5.5V)和1.8V （1。8V至5。5V）两个版本。
设备操作：
时钟信号和数据传输变化：SCL要求一直保持高电平，只有这样SDA才能进行数据的传输。当SCL为低电平时，SDA的任何操作都是无效的，主机处于等待状态.DATA在时钟信号为高电平期间的变化定义了起始和终止。
起始状态：在任何动作之前必须有一个起始信号——-—在SCL为高时SDA上产生一个下降沿。
终止状态： SCL为高时SDA产生一个上升沿是停止信号，该信号产生后将终止所有的信息交换。
在一个读的序列之后，停止信号将让EEPROM进入备用电源模式.

第九节 本章小结

本章主要任务是选用合适的硬件，完成模块的搭建工作。根据大体的研究方向，设计出符合系统要求总体框图。整个硬件部分主要包括STC单片机主控芯片、温度传感器DS18B20、独立按键输入部分和数码管液晶显示部分、超越极限警戒报警模块、风扇冷却系统模块。本章确定了设计的硬件电路部分,使设计思路更加清晰。

第四章 环境温度控制系统软件设计

软件部分书写和调试是整个控制系统的重中之重，本次采用的是C语言程序编写.整个软件部分分为两大功能块：数据采集部分和数据输出部分.数据采集部分包括读写数据和独立按键控制程序.数据输出部分主要包括对数据的测试和数据转换显示两部分。欲让系统的设计合理，必须要考虑到整个系统的工作流程。因为这可以很好的指导系统整体运行.

第一节 系统工作过程简介

当上电复位后检测环境温度。设置阈值,系统运行。在运行过程中，系统不断地检测当前的环境温度，并送往显示器显示,并在超过阈值后，负载工作，超过最大值风扇转动，低于最小值加热片加热。整个过程循环往复，使温度保持在预设温度范围之内。
运行过程中也可以随时改变阈值范围，阈值设定好后马上就可以运行,报警系统的、外界负载的启动也都和新输入的阈值有关。

第二节 程序模块

系统软件部分由主程序、键盘输入程序、设定温度程序、温度检测程序、显示程序几个模块组成。程序模块化后软件的编写将会变得非常简单，程序看起来也更加简洁易读。

一、主程序
主程序完成系统的初始化，包括阈值的设定，继电器的开始的控制状态，芯片的初始化，键盘模块的调用，掉电程序的设定.程序开始时,先进入主程序，根据各种相应情况跳转入各自的子程序，循环往复。主程序的流程图如图4.2.1所示。

开始
初始化
开中断
调用温度传感器数据采集子程序
调用键盘扫描处理子程序
关中断
调用显示子程序

图4.2。1 主程序流程图

二、温度传感器驱动子程序
DS18B20具有自己的通信协议要求，如果想把该芯片所测温度转化必须经过3次转化。每次开始工作前都需要对芯片进行复位操作，成功后分别发送一条ROM和RAM指令，这时候才可以对芯片进行提前的设定.复位要求处理器将数据线拉低500微秒，释放，芯片收到信号后随机等待一到六十微秒左右,然后发出六十微秒的低脉冲，单片机收到该信号证明复位成功.
ROM命令完成单片机与总线上的某一DS18B20建立联系，有搜寻ROM、读ROM、匹配ROM、忽略ROM、报警查找等命令。这里，单片机只连接1个DS18B20，因此只使用读ROM命令来读取DS18B20的48位ID号。
DS18B20功能命令在该步骤中完成环境温度的转化、写暂存寄存器、读暂存寄存器、拷贝暂存寄存器、装载暂存器寄存器、读供电模式命令。
所以，本系统对DS18B20进行的操作主要包括两个子过程:（1）读取DS18B20的序列号。CPU首先发出一道复位脉冲，自动匹配,收到反馈的响应脉冲后。CPU在发出读取序列号的指令，然后就能所需DS18B20的序列号；（2）启动芯片完成转换温度和读取温度的要求。主机收到响应的脉冲后，发出温度转换指令,然后再次重启，发出需要读取的芯片序列号，读取温度。如下图4。2。2所示。

初始化
开始
读取48位ID
启动温度
发送读暂存器命令
返回

图4.4。