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温度控制系统的设计

摘 要 单片机是20世纪中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块，具有功能强、体积小、可靠性高、价格低廉等特点，在工业控制、数据采集、智能仪表、机电一体化、家用电器等领域得到了广泛的应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化限度。
51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一，随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和普遍接受及应用。51系列及其衍生单片机还会在继后很长一段时间占据嵌入式系统产品的低端市场，因此，作为新世纪的大学生，在信息产业高速发展的今天，掌握单片机的基本结构、原理和使用是非常重要的。

1.总体电路方案设计及原理
1.1. 温度控制系统设计规定
一、设计任务
运用温度传感器件、集成运算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半导体致冷器)等设计一个温度控制器。
二、规定
（1）控制密闭容器内空气温度
（2）容器容积>5cm*5cm*5cm
（3）测温和控温范围： 0℃~室温
（4）控温精度±1℃
1.2 基本设计思绪
温度段位显示
根据系统的规定，本次设计可分为温度温度采集模块、温度显示 和温度信号控制3个模块。具体框架图如图1所示：
温度采集采集模块，

温度信号控制

图1
1.3 温度控制系统工作原理
温度传感器 DS18B20 从设备环境的不同位置采集温度，51单片机获取采集的温度值，经解决后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。通过按钮来控制，使电路中的温度有高有低。 按钮按下，温度高于设定的温度时，LED1亮；按钮按下，温度正好是设定的温度时，LED2亮；按钮按下，温度低于设定的温度时，LED3亮。
1.4温度采集原理
a温度传感器热电偶测温基本原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图2所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是运用这一效应来工作的。
b温度传感器热电阻测温原理
温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增长而增长这一特性来进行温度测量的。
c数字化温度传感器的工作原理
将温度信号转化为串行数字信号供微解决机解决

2 各模块基本功能与设计方案选择和论述
2.1 温度采集方案的概述
温度传感器从使用的角度大体可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达成测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，初期得到广泛使用的接触式温度传感器重要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。现在的温度传感器已经走向数字化，集成化，外形小，接口简朴，广泛用于生活中的各个领域。
方案一：采用热敏电阻
可以用热敏电阻对温度感应限度来实现对输入信号的改变，精度比较高，但是价格比较贵。
方案二：采用热电偶
热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简朴、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。但是，由于热电偶来采集温度的话会用到运放的比较器电路，信号放大电路，译码器电路来将模拟信号转化为数字信号继而在数码管上显示出来，电路结构过于复杂。
方案三：采用二极管
二极管在正向导通时由于少子的存在和导电性，所以导通电压会受温度影响，优点是价格便宜，对电路规定低，但缺陷是精度不高。
方案四：采用数字化温度传感器DS18B20
DS18B20是美国半导体公司推出的第一片支持一线总线的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微解决器的优点，可以直接将温度转化成串行数字供微解决器解决。用此前器件后续电路只需要用单片机控制，电路简朴并且精确度高。
综上所述：由于本次课设的规定是对一个较范围内的温度进行采集，所以对精度的规定较高，考虑到成本问题，并且保证电路结构简明，本次实验采用方案三进行温度采集。
2.2 温度显示方案的概述
方案一：用数码管显示
通过51单片机这个微解决器得到转化后的温度数值后，通过程序设定，是可以精确到小数点后两位的，所以用4位数码管就可以了，接口较少。并且数码管消耗的电力比液晶显示更加清楚，适合在白天等强光下显示。缺陷是只可以显示数字，不可以显示出其他有用信息。
方案二：用1602液晶屏显示
也可以运用1602来对转换后的温度进行显示进行控制，但是由于液晶是反光式的，在外界光线很明亮时容易看不清楚。它的优点是可以显示出文字信息，很明了。
2.3 直流电源选取方案的概述
本次实验中多处用到+5v的电压源供电，如LED的点亮，DS18B20引脚处需要的高点平等。
方案一：用4个1.5v的电池串联起来。
用电池盒装上4个电池，然后加在外围电路中即可。但是实际值6v，比标准的5v稍高一些，也许影响DS18B20的工作。
方案二：用USB接口正好产生的5v电压来供电。
此方法不需要额外去找5v的电压源供电，进一步是的电路简朴。缺陷是这样接的话，一旦外围电路出现问题，烧坏外部器件的同时，也许会通过USB伤害电脑。

3 系统软件设计

整个温度系统是硬件电路配合软件电路的设计来完毕的。当硬件的功能拟定以后，软件的功能也就拟定了。主程序分为4大模块，分别为:
A DS18B20内部的温度转换部分
B读出转换后的温度数值
C在七段数码管上的显示模块
D温度解决即控制模块
4 89C52单片机系统的硬件连接及调试
4.1 原理电路图
运用74HC04、51单片机、七段数码管、LED、晶振、电解电容 、DS18B20按键、USB接口组成所有系统。

温度控制系统原理
4.2 89C52单片机
运用单片机解决温度转化成的串行数字信号，实现信号解决。将获得的结果通过输出装置输出显示在七段数码管上，并且在最后的解决部分也借用了P2口的三个引脚，来点亮所需要点亮的LED灯。
89C52单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、并行I/O口、串行I/O口、定期/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。

单片机控制部分电路

4.3温度采集部分
运用一个DS18B20温度传感器作为外部温度的检测部分，并将采集好的串行数字信号供单片机解决。

获取外界温度电路
4.4 温度显示部分
4个和四位七段数码管组成显示部分，LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简朴而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM(AC)。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处在内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的相应关系。

温度显示部分
4.5 温度解决电路
按钮来控制，使电路中的温度有高有低。
按钮按下，温度高于设定的温度时，LED1亮；
按钮按下，温度正好是设定的温度时，LED2亮；
按钮按下，温度低于设定的温度时，LED3亮；

温度控制部分
5 设计心得
本次课程设计有较强的综合性，不仅规定设计者能纯熟使用单片机来实现温度的采集与读数，纯熟编写程序，还规定对单片机的电路连接结构，对数码管芯片有明确清楚的了解与结识。