基于单片机的智能温度控制新版系统.doc

基于单片机智能温度控制系统设计

摘 要
该水温控制系统采用单片机进行温度实时采集与控制。温度采集由“一线总线”数字化温度传感器DS18B20提供，DS18B20在-55～25固有测温辨别率为0.5 ℃。水温实时控制采用双向可控硅BT134和光隔离器MOC3041控制电热丝和电扇进行升温、降温控制。系统具备较高测量精度和控制精度，能完毕升温和降温控制。
通过对基于单片机相对温度控制器设计，加深对传感器技术及检测技术理解，巩固对单片机知识掌握，并系统复习本专业所学过知识。
核心词：AT89C51 DS18B20 BT134 MOC3041 水温控制
Abstract
This system uses the microcontroller. an measure the relative humidity of the surrounding air automatically and accurately ，and after measuring the data and changing through，send it in the processor，Then through the programming of the software，after changing the value of relative humidity of the environment at present into the decimal digit，and then in charge of the number to show；And，through software programming，in addition，corresponding control circuit (such some circuit as photoelectric coupling and relay ,etc. make up )，design the relative humidity of the present environment of regulation that can be automatic：When the indoor air humidity is too high.
Through designing the controller of relative humidity based on one-chip computer ，strengthen the knowledge of the technology of the sensor and detection technique，the ones that consolidated to knowledge of the one-chip computer were mastered，and the systematic knowledge that a speciality has been studied of review.
Keyword：AT89C51 DS18B20 BT134 MOC3041 水温控制

目录
1.系统方案选取和论证 3
1.1任务 4
1.2规定 4
1.2.1基本规定 4
1.2.2发挥某些 4
1.3 系统基本方案 4
1.3.1各模块电路方案选取及论证 5
1.3.2系统各模块最后方案 6
2．系统硬件设计 8
2.1温度采集某些设计 8
2.2 矩阵键盘设计 9
2.3液晶显电路 9
2.4 水温升温将温控制. 10
3．系统软件设计 11
3.1读取DS18B20温度模块子程序 11
3.2数据解决子程序 11
3.3键盘扫描子程序 13
3.4主程序流程图 14
4. 系统测试 16
4.1 静态温度测试 16
4.2动态温控测量 16
4.3成果分析 16
附录1.参照文献 18
附录2.源代码 19

1.系统方案选取和论证
1.1任务
设计并制作一种水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范畴内由人工设定，并能在环境温度减少时实现自动控制，以保持设定温度基本不变。
1.2规定
技术指标为-40~+100度
控制精度为1度
温度检测精度为0.5度
控制对象为电炉丝加热器，介质为水，LED数码直读显示
1.3 系统基本方案
依照题目规定系统模块分可以划分为：温度测量模块，显示电路模块，加热模块，控制模块。为实现各模块功能，分别做了几种不同设计方案并进行了论证。
1.3.1各模块电路方案选取及论证
（1）控制器模块
依照题目规定，控制器重要用于对温度测量信号接受和解决、控制电热丝和电扇使控制对象满足设计规定、控制显示电路对温度值实时显示以及控制键盘实现对温度值设定等。对控制器选取有如下二种方案：
方案一：
由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类器件运用其感温效应，在将随被测温度变化电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据解决，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
方案二：
由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类器件运用其感温效应，在将随被测温度变化电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据解决，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。
从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简朴，软件设计也比较简朴，故采用了方案二。
（2）加热装置有效功率控制模块
依照题目，可以使用电热炉进行加热，控制电热炉功率即可以控制加热速度。当水温过高时，关掉电热炉进行降温解决，让其自然冷却。在制作中，咱们装设一种小电电扇，当水温超高时关闭电炉启动电扇散热，当需要加热时启动电炉关闭电扇。由于加热功率较大，考虑到简化电路设计，咱们直接采用220V电源。对加热装置控制模块有如下两种方案：
方案一：
采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于交流电功率控制有两种形式：控制导通交流周期数达到控制功率目；控制导通角方式控制交流功率。由交流过零检测电路输出方波经恰当延时控制双向可控硅导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统动态性能指标。该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。但该方案可以实现功率持续调节，因而响应速度快，控制精度高。
方案二：
采用继电器控制。使用继电器可以很容易实现地通过较高电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。这种电路无法精准实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将导致影响。通过比较，咱们选取方案一。
（3）温度采集模块
题目规定温度静态误差不大于等于0.2℃，温度信号为模仿信号，本设计要对温度进行控制和显示，因此要把模仿量转换为数字量。该温度采集模块有如下三种方案：
方案一：
运用热电阻传感器作为感温元件，热电阻随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻阻值变化，从而得到与电阻值相应温度值。最惯用是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温条件下其物理，化学性质不变。由铂电阻阻值变化经小信号变送器XTR101将铂电阻随温度变化转换为4～20mA线形变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到A/D转换器——ADC0809.即将模仿信号转换为数字信号。该方案线性度优于0.01％。
方案二：
采用温度传感器AD590K。AD590K具备较高精度和重复性，良好非线性保证±0.1℃测量精度。加上软件非线性补偿可以实现高精度测量。AD590将温度转化为电流信号，因而要加相应调理电路，将电流信号转化为电压信号。送入8为A/D转换器，可以获得255级精度，基本满足题目规定。
方案三：
采用数字温度传感器DS18B20。DS18B20为数字式温度传感器，无需其她外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简朴。
基于以上分析和既有器件所限，温度采集模块选用方案三。DS18B20与老式热敏电阻相比，她可以直接读出被测温度并且可依照实际规定通过简朴编程实现9～12位数字值读数方式。并且从DS18B20读出信息或写入DS18B20信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统构造更趋简朴，可靠性更高。她在测温精度、转换时间、传播距离、辨别率等方面带来了令人满意效果。
（4）键盘与显示模块
依照题目规定，水温要由人工设定，并能实时显示温度值。对键盘和显示模块有下面两种方案：
方案一：
采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）具备功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强,并可灵活现实各种状态。
方案二：
采用三位LED七段数码管分别显示温度十位、个位和小数位。按键采用单列3按键进行温度设定。数码管具备：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境规定较低。同步数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
依照以上阐述，51单片机资源丰富，依照需要，咱们选用方案一。
1.3.2 系统各模块最后方案
依照以上分析，结合器件和设备等因素，拟定如下方案：
1. 采用AT89C51单片机作为控制器，分别对温度采集、LCD显示、温度设定、加热装置功率控制。
2. 温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20。此器件经软件设立可以实现高辨别率测量。
3. 电热丝有效功率控制采用光隔离器和双向可控硅控制。
4. 显示用LCD液晶显示实时温度值。
系统基本框图如图1.1所示。CPU（AT 89C51）一方面写入命令给DS18B20，然后DS18B20开始转换数据，转换后通过89S52来解决数据。数据解决后成果就显示到数码管上。此外由键盘设定温度值送到单片机，单片机通过数据解决发出温度控制信息到继电器。
Output
LED数码管
继电器
DS18B20
键盘输入

AT89C52
Input

1.1系统基本框图
2．系统硬件设计
2.1温度采集某些设计
本系统采用半导体温度传感器作为敏感元件。传感器咱们采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度采集和转换，DQ接上拉电阻，与单片机P2.6口相连，直接与单片机通讯，大大简化了电路复杂度。DS18B20测温电路如图2.1所示。

图2.1 DS18B20测温电路
2.2 矩阵键盘设计
由于控制键位较多，以便程序设计，硬件安全可靠，咱们设计4×4矩阵键盘，与单片机P1口相连，电路如图2.2所示。

图2.2 矩阵键盘电路
2.3液晶显电路
咱们用单片机P0口作为1602数据传播口，P2.0为数据命令选取端、P2.1读写、P2.2使能端。硬件电路如图2.3所示。

图2.3 液晶硬件电路图
2.4 水温升温将温控制.
本设计中涉及到了强电某些，因而对电炉控制咱们用moc3041和bt13电路如图2.4，对电扇咱们采用继电器，电路如图2.5.

图2.4 电炉控制图

图2.5 电扇电路图
3．系统软件设计
3.1读取DS18B20温度模块子程序
每次对DA18B20操作时多要按造DS18B20工作过程中合同进行。
初始化-> RoM操作命令-> 存储器操作命令-> 解决数据 程序流程图如图3.1所示。
3.2数据解决子程序
由于DS18B20转换后裔码并不是实际温度值，因此要进行数据解决。由于本程序采用是0.0625精度，小数某些值，可以用后四位代表实际数值乘以0.0625，得到真正数值，数值也许带几种小数位，因此采用四舍五入，保存一位小数即可。也就说，本系统温度精准到了0.1度。
一方面程序判断温度与否是零下，如果是，则DS18B20保存是温度补码值，需要对其低8位（LS Byte）取反加一变成原码。解决过后把DS18B20温度复制到单片机RAM中，里面已经是温度值Hex码了，然后转换Hex码到BCD码，分别把小数位，个位，十位BCD码存入RAM中。数据解决子程序流程图如图3.2所示。
开始
开始
初始化
DS18B20存在？
ROM操作命令
存储操作命令
读取温度值
返回
是
否

图3.1 读取DS18B20温度子程序流程图
返回
数据传递
温度与否为负？
BCD码转换
求补运算

图3.2 数据解决子程序流程图

3.3键盘扫描子程序
设立上下限报警温度
开始
键盘扫描
功能键与否按下？
是
主函数
否

图3.3 键盘子程序流程图
3.4主程序流程图
总模块流程图如图3.4所示。本软件设计采用循环查询来解决各个模块，温度是缓慢变化量因此可以满足性能规定。
初始化
开始
数据解决
显示子程序
键盘扫描子程序
继电器
可控硅
ds18b20与否存在
是
显示上次数值
否
温度与否高于设立温度
是
否
电扇
电炉

4. 系统测试
4.1 静态温度测试
测试方式：由于条件限制，采用模仿加热方式进行测试。
测量仪器：空调温度显示屏
测试成果如表4.1所示：
表4.1 测试成果数据
原则温度/℃
20
22
25
27
28
测量温度/℃
19.8
22.1
24.7
26.8
27.6
误差/℃
0.2
0.1
0.3
0.2
0.4
4.2动态温控测量
测试方式：加热方式用体温对传感器DS18B20进行加热。设定控制温度，记录超调温度，稳态误差。超调温度与加热功率关于，这里不再测量。
测量仪器：空调温度显示屏
测量成果如表4.2所示：

表4.2 测试成果数据
设定温度/℃
29
30
33
35
超调温度/℃
1.3
0.9
1.1
0.6
稳态误差/℃
0.2
0.4
0.2
0.4

4.3成果分析
有以上测量成果可见，系统基本上达到了所规定指标，静态测温精度重要由DS18B20来决定。
在控温指标中，影响系统性能因素诸多。最核心是加热系统自身物理性质及控制算法。由于条件限制，在本设计中采用体温进行测试。

附录1.参照文献
[1]刘勇 编 数字电路 电子工业出版社
[2]陈正振 编 电子电路设计与制作 广西交通职业技术学院信息工程系
[3]杨子文 编 单片机原理及应用 西安电子科技大学出版社 王法能 编
[4]单片机原理及应用 科学出版社
[5]全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 高吉祥 主编

附录2.源代码
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

unsigned char key_value;
//bit dir=1;
unsigned char pwm=30;
float temperature;
unsigned char key_value；//存储键盘返回
float temperature;
unsigned char t[2],*pt//用来存储温度值,测温程序就是通过这个数组与主函数通信

uchar key_flag=0;//定义有键按下标志

#include "reg52.h"
#include "user.h"
#include "hardware.c"
#include "lcd.c"
#include "ds18b20.h"
#include "key.c"
void main()
{
LCD_Initial();
sys_init();
setds18b20(TH,TL,RS);//设立上下限报警温度和辨别率
delay_18B20(100);
Init_DS18B20();
while(1)
{
pt=ReadTemperature();//读取温度,温度值存储在一种两个字节数组中,
temper_LCD();//实测温度转化为ACSII码,并送液晶显示缓冲区
LCD_Print(0,0,TempBuffer0);
LCD_Print(0,1,TempBuffer1);
key_value=kbscan();
if(key_flag==1)
{
key_value=kbscan();
key_command(key_value);
alarm=1;
delay_20ms(20);
alarm=0;
}
else alarm=0;

useralarm();
}
}

void timer1(void) interrupt 3
{

TH1=(65536-pwm*100)/256;
TL1=(65536-10000)%256;

}

#include <intrins.h>//液晶显示程序
//Port Definitions**********************************************************
sbit LcdRs= P2^0;
sbit LcdRw= P2^1;
sbit LcdEn = P2^2;
sfr DBPort = 0x80;//P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.数据端口

void lcd_delay(unsigned char t)
{ unsigned char i,j;
for(i=0;i<t;i++)
for(j=0;j<100;j++);

}//内部等待函数
void LCD_Wait(void)//读忙状态
{
LcdRs=0;
LcdRw=1;

}

//向LCD写入命令或数据
#define LCD_COMMAN0 // Command
#define LCD_DATA1 // Data
#define LCD_CLEAR_SCREEN0x01 // 清屏
#define LCD_HOMING 0x02 // 光标返回原点

void LCD_Write(bit style，unsigned char input) //写数据1/命令0
{
LcdRs=style;
LcdRw=0;
DBPort=input;
LcdEn=1;lcd_delay(10);LcdEn=0;
LCD_Wait();//设立显示模式

#define LCD_SHOW0x04 //显示开
#define LCD_HIDE0x00 //显示关

#define LCD_CURSO0x02 //显示光标
#define LCD_NO_CURSOR0x00 //无光标

#define LCD_FLASH0x01 //光标闪动
#define LCD_NO_FLASH0x00 //光标不闪动
//设立输入模式

#define LCD_AC_UP 0x02
#define LCD_AC_DOWN 0x00 // default

#define LCD_MOVE 0x01 // 画面可平移
#define LCD_NO_MOVE 0x00 //default

//初始化LCD

void LCD_Initial(void) //初始化LCD
{
LCD_Write(0,0x38)；//8位数据端口,2行显示,5*7点阵
lcd_delay(300);
LCD_Write(0,0x0c)； //显示模式
LCD_Write(0,0x01)； //清屏
LCD_Write(0,0x06)； //输入模式
}
//************************************************************************
void GotoXY(unsigned char x，unsigned char y)
{
EA=0;
if(y==0) LCD_Write(0,0x80|x);
if(y==1) LCD_Write(0,0xc0|x);
EA=1;
}

//输出字符串
void Print(unsigned char *str)
{
EA=0;
while(*str!='\0')
LCD_Write(1,*str++);
EA=1;
}

void LCD_Print(unsigned char x，unsigned char y，unsigned char *str)
{
EA=0;
GotoXY(x,y);
Print(str);
EA=1;
}

//hardware.c 硬件程序
sbit alarm=P2^5;
sbit hot=P2^7;
sbit cold=P2^4;
void sys_init(void)
{ /*
EA=1;
ET1=1;
TMOD=0X01;
TH1=15536/256;
TL1=15536%256;
TR1=1；*/
alarm=0;
cold=0;
hot=0;
}

///////////////////// 矩阵键盘程序
#include <string.h>
char code tab[4][4]={ {'.',1,4,7},//7,8,9， E UP
{0,2,5,8},//4,5,6， D down
{'F',3,6,9},//1,2,3 ，C SET
{'B','C','D','E'}}； //0到F16个键植//A .,0,F +/- ,B OK

void delay(unsigned char a)
{
unsigned char i;
while(a--)
for(i=100;i>0;i--);
}

unsigned char kbscan() //键盘扫描
{
unsigned char hang,lie,key;
key_flag=0;
P1=0x0f;
if(P1!=0x0f)
{
delay(10);
if(P1!=0x0f)
{
alarm=1;
delay_20ms(3);
alarm=0;
key_flag=1;
P1=0x0f;
switch(P1&0x0f)
{
case 0x0e:lie=0;break;
case 0x0d:lie=1;break;
case 0x0b:lie=2;break;
case 0x07:lie=3;break;
}
P1=0xf0;
switch(P1&0xf0)
{
case 0xe0:hang=0;break;
case 0xd0:hang=1;break;
case 0xb0:hang=2;break;
case 0x70:hang=3;break;
}
P1=0x0f;
while(P1!=0x0f);
key=tab[hang][lie];
return (key);
}

}
else return(key_value);

}

void settmper(void)
{
unsigned char i;
LCD_Write(0,1);
GotoXY(0,0);
Print("H_Tmp:");
for(i=0;i<2;i++)
{
key_flag=0;
while(key_flag==0) key_value=kbscan();
while(1)
{
if(key_value!='B'&&key_value!='C'&&key_value!='D'&&key_value!='E'&&key_value!='F'&&key_value!='.') break;
else key_value=kbscan();
}

get_ht[i]=key_value;
LCD_Write(1,key_value+0x30);

}

GotoXY(0,1);
Print("L_Tmp:");
for(i=0;i<2;i++)
{
key_flag=0;
while(key_flag==0) key_value=kbscan();
while(1)
{
if(key_value!='B'&&key_value!='C'&&key_value!='D'&&key_value!='E'&&key_value!='F'&&key_value!='.') break;
else key_value=kbscan();
}

get_lt[i]=key_value;
LCD_Write(1,key_value+0x30);

}

while(1)
{
key_value=kbscan();
if(key_value=='C') break;
}
TH=get_ht[0]*10+get_ht[1];
TL=get_lt[0]*10+get_lt[1];
setds18b20(TH,TL,RS)； //设立上下限报警温度和辨别率
LCD_Write(0,0x01);
GotoXY(0,0);
Print("Set Sucess!");
delay_20ms(50);
LCD_Write(0,0x01);

}

void setusertmper(void)
{
unsigned char i;
LCD_Write(0,1);

GotoXY(0,0);
Print("Set Tmper:");

for(i=0;i<2;i++)
{
key_flag=0;
while(key_flag==0) key_value=kbscan();
while(1)
{
if(key_value!='B'&&key_value!='C'&&key_value!='D'&&key_value!='E'&&key_value!='F'&&key_value!='.') break;
else key_value=kbscan();
}

get_tm[i]=key_value;
LCD_Write(1,key_value+0x30);
}
while(1)
{
key_value=kbscan();
if(key_value=='B') break;
}
user_temper=get_tm[0]*10+get_tm[1];
LCD_Write(0,0x01);
GotoXY(0,0);
Print("Set Sucess!");
delay_20ms(50);
LCD_Write(0,0x01);

}

void key_command(unsigned char key_value)
{
switch (key_value)
{
case 'C':settmper();break;
case 'B':setusertmper();break;
default:break;
}
}

////////////////////////////// DS18B20程序
sbit DQ = P2^6;
#include<reg52.h>

#define warnning 0xec

void delay_18B20(unsigned int i)
{
while(i--);
}

/**********ds18b20初始化函数**********************/

void Init_DS18B20(void)
{
unsigned char x=0;
DQ = 0； //单片机将DQ拉低
delay_18B20(80)；//精准延时 不不大于 480us
DQ = 1； //拉高总线
delay_18B20(14);
x=DQ； //稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败
delay_18B20(20);
}

/***********ds18b20读一种字节**************/

unsigned char ReadOneChar(void)
{
unsigned char i=0;
unsigned char dat = 0;
for (i=8;i>0;i--)
{
DQ = 0；// 给脉冲信号
dat>>=1;
DQ = 1；// 给脉冲信号
if(DQ)
dat|=0x80;
delay_18B20(4);
}
return(dat);
}

/*************ds18b20写一种字节****************/

void WriteOneChar(unsigned char dat)
{
unsigned char i=0;
for (i=8；i>0；i--)
{
DQ = 0;
DQ = dat&0x01;
delay_18B20(5);
DQ = 1;
dat>>=1;
}
}
/****************设立DS18B20工作状态*******************
TH和TL分别是上限报警和下限报警温度,RS是显示辨别率设立
*******************************************************/
void setds18b20(unsigned char TH,unsigned char TL,unsigned char RS)
{
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC)；// 跳过读序号列号操作
WriteOneChar(0x4E)；// //写入"写暂存器"命令,修改TH和TL和分辩率配备寄存器
//先写TH,再写TL,最后写配备寄存器
WriteOneChar(TH)；//写入想设定温度报警上限
WriteOneChar(TL)；//写入想设定温度报警下限
WriteOneChar(RS)；//写配备寄存器,格式为0 R1 R0 1,1 1 1 1
//R1R0=00辨别率娄9位,R1R0=11辨别率为12位
}

/**************读取ds18b20当前温度************/

unsigned char *ReadTemperature(void)
{

unsigned char tt[2];
EA=0;
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC)； // 跳过读序号列号操作
WriteOneChar(0x44)；// 启动温度转换
delay_18B20(70)； // 温度转化要一段时间
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC)；//跳过读序号列号操作
WriteOneChar(0xBE)；//读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度
tt[0]=ReadOneChar()； //读取温度值低位
tt[1]=ReadOneChar();//读取温度值高位
return(tt);
EA=1;

}