基于单片机的水温控制系统设计-毕业设计

基于单片机的水温控制系统设计

学生：指导教师：

内容摘要：说起温度控制系统，大家并不陌生了，在我们生活中许许多多的家用电器都可以涉及到温度的控制，像存储美食的电冰箱，为我们带来凉爽的空调都会用到温度控制系统，为我们带来热气腾腾开水的饮水机等等。而本文介绍了水温控制系统的基本原理，本系统可以用于饮水机等电路，整个系统的核心就是AT89C51单片机，它是这个系统的主控制单元，对于水温控制当然温度控制系统也是必不可少的，这个系统则应用了DS18B20为温度传感器的温度控制系统，采集温度后利用数码管显示当前温度，并通过继电器对其加热等。总而言之水温控制系统在生活中的大量应用为我们带来了方便，提高了我们的生活质量。

关键词：水温控制系统单片机 AT89C51 DS18B20 继电器

Design for microcomputer temperature control system Abstract:Speaking of temperature control system, everybody is not strange, in our life, many household appliances can be involved in temperature control, like food storage refrigerator, bring us cool air conditioning, the temperature control system is used for us a steaming hot water drinking machine, and so on. Water temperature control system are introduced in this paper, the basic principle of this system can be used for water dispensers circuit, such as the core of the whole system is AT89C51 single chip microcomputer, it is the main control unit to the system, the water temperature control temperature control system is also indispensable, of course, the application system, the temperature control system of temperature sensor DS18B20, after collecting temperature using digital tube display the current temperature, and through the relay on the heating, etc. Overall water temperature control system in the life of a large number of applications for our brought convenient, improve the quality of our life.

Keywords:water temperature control system of single chip microcomputer AT89C51 DS18B20 relay

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目录

前言 (1)

1 水温控制器背景 (1)

2 方案比较 (1)

2.1 控制电路的方案比较 (1)

2.2 温度采集模块 (2)

2.3 显示模块 (2)

2.4 温度控制模块 (2)

3 硬件电路 (3)

3.1 硬件框图 (3)

3.2 功能介绍 (3)

3.2.1 控制电路模块 (3)

3.2.2 温度采集模块功能 (6)

3.2.3 温度控制模块功能 (7)

3.2.4 显示模块功能 (8)

4 软件设计 (10)

4.1 主程序流程图 (10)

4.2 温度采集程序 (11)

4.2.1 温度转换 (12)

4.3 按键处理 (13)

4.4 显示模块 (13)

5 调试说明 (15)

5.1 温度采集误差 (15)

5.2 水温控制测试 (16)

5.3 温度突变测试 (17)

6 结束语 (18)

附录 (19)

参考文献 (21)

基于单片机的水温控制系统设计

前言

电饭煲，电冰箱,电空调在我们生活中随处可见，为我们的生活带来了极大的方便,这一切的功劳都归属于水温控制系统的诞生。随着科技不断进步，如今的水温控制系统越来越精确，质量越来越高，效率也越来越好。

然而水温控制系统不仅仅应用在一些日常的家电中，还在工业上普遍应用。例如冶金，电力生产等对温度都有极其高的要求，工业冶炼都是在高温环境下操作的，在如此恶劣的环境下，控制温度是对员工安全的负责，是对产品质量的指标，是对成品数量的标准，可见水温控制的重要性，不仅提高了产品质量，还相应节约了人力劳动。

在现在工业发达的领域，自动化控制应用越来越广泛，大大节约了人力物力资源，由于单片机的广泛应用和发展，使水温控制系统越来越精确，越来越方便，越来越与我们的生活息息相关，人们也越来越放心使用。

1 水温控制器背景

人们对生活质量的要求越来越高，现在电子技术的不断发展推动了水温控制的不断进步，即能满足人类现在的需要。目前水温的控制系统一般采用以微处理器为核心的计算机控制技术，代替了从前落后的控制器，从而提高了自动化能力，并且精确度也越来越高。由于单片机的问世，自动化控制将单片机的功能发挥到淋漓尽致，单片机也成为了大多电子产品中必不可少的核心元件，而对于本课题的水温控制系统也涉及到了单片机的应用，在当代生活水温控制系统应用越来越广泛，说明了水温控制系统在我们生活中的地位，并且适合各种场合的智能水温控制器也随之诞生。本课题就是在STC89C52单片机上的水温控制系统。

2 方案比较

2.1 控制电路的方案比较

方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA具有高速运行，编程简单的优势，但是本系统只是一个简单普通的水温测试系统，高速运行对本系统来说与不是高速运行的控制系统相比不会产生太大优势，所以不需要高速运行这个特点，并且FPGA成本高，引脚多，十分麻烦，对于本系统利用不到其优势且由于引脚多会给其带来额外麻烦，所

方案二：采用STC89C52RC单片机作为控制器。本单片机是在一块芯片中集成了数据存储器ROM，中央处理器，定时器，计数器和程序存储器RAM,32位IO口，可通过编程实现逻辑，运算等控制，且其具有体积小，功耗低，成本低的优势，而且此单片机引脚较少，对于本系统是最佳的选择。不仅可以实现自动化控制水温的功能，又可以降低成本又是十分简便的方式。

综上所述选择方案二。

2.2温度采集模块

方案一：采用热敏电阻器采集温度，尽管其灵敏度较高，工作范围也挺广泛，但是其阻值与温度关系非线性严重，调试较复杂，固不采用。

方案二：采用热电偶采集温度，尽管其精确度较高，稳定性好，但是其灵敏度低，成本较高，对污染特别敏感，调试困难,固也不采用。

方案三：采用DS18B20温度传感器采集温度，可直接与本系统控制电路单片机通信，读取测温数据。且线路简单，耗用资源少，灵敏度高，测温范围-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625 ℃，而且较其它温度采集模块，我们已对DS18B20有了初步的接触，在我们使用时会更加等心应手，减少不必要的麻烦，最主要是DS18B20能满足本系统所有要求。

综上所述选择方案三。

2.3显示模块

方案一：采用LED八段数码管。使用该方案时就要用到三个LED分别显示温度的十位、个位和小数位，在制作时就使其复杂麻烦。尽管数码管低消耗，但是其引脚不规则，在辨别和确认引脚时也较为麻烦，还有一点就是温度是可以变化的，是随着时间会改变的，固该系统是动态显示，为满足这点要求LED八段数码管在使用时要外加驱动电路，就更为复杂。

方案二：采用液晶显示屏。液晶显示屏不但具有数码管显示的特点，但是较LED

八段数码管而言，它的引脚就较其简单，而且抗干扰能力强，编程也相对简单容易，使本系统在制作时更为简单，且满足我们的所有需求。

综上所述选择方案二。

2.4 温度控制模块

方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率。采用本方案需通过控制其导通角来掌握电流大小，尽管可控硅开端速度快且无涌流，但该方案电路复杂，还需增加其他光耦

方案二：采用PWM控制固态继电器来达到控制电流大小的目的，从而控制加热温度降低温度，继电器可以很容易地实现通过较高的电压和电流，并且较方案一电路简单，不用外加光耦器件，且成本低，对整体系统无干扰，响应快，能满足该系统要求。

综上所述选择方案二。

3 硬件电路

3.1 硬件框图

该总系统主要以STC89C52为核心模块来控制整个系统，还有温度采集模块，显示模块，温度控制模块，键盘输入等共同协调而成，该系统可以简单的控制水温，并加热水温使其达到预设状态，该系统最常见的实例就是饮水机。饮水机是设置水温达到几乎100摄氏度，当打开电源自动开始加热到预设温度，当达到预设温度时保温，保持预设温度，当温度未达到时，又继续自动加热，以此循环。水温控制器的硬件框图如3.1-1所示。

图3.1-1 硬件框图

3.2 功能介绍

3.2.1 控制电路模块

本系统控制电路模块是采用单片机STC89C52，它属于51系列单片机，具有51系列单片机的特点，51系列单片机又被叫做位处理器，因为其有一优点就是从内的硬件到软

机还具有高集成度，体积小的特点，它是将各功能部件集成在一块小芯片上，具有逻辑运算，置位，清零等功能，最主要是其控制能力强,而本系统用到的STC89C52单片机是一个8位单片机，，它的外部晶振为12MHz，一个指令周期为1μS，它还有32个IO口，而单片机的IO口逻辑操作及位处理能力很强，适用于使用控制功能系统。单片机STC89C52内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。

单片机不但引脚少，而且功能强大，本系统主要应用了STC89C52具有控制能力强，及内部又8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器，使我们采集温度后可以直接将数据传输到单片机，并可以记录储存到此时的数据，并且它的控制能力可以协调控制各模块之间自动运行，且编写程序控制较其它而言相对简单，再者单片机引脚少，使电路不至于麻烦，为操作者带来很大的便利。如图3.2.1-1为STC89C52电路图。

图3.2.1-1 STC89C52电路图

STC89C52单片机共有40个引脚，其中有2个用于主电源引脚，分别是Vcc和Vss，位于40和20引脚；2个外接晶振的引脚，分别是XTAL1和XTAL2，其中XTAL1在单片机内是反相放大器中的输入端，而XTAL2则是输出端；4个控制或与其它电源复用的引

输出端），EA/Vpp（访问外部程序储器控制信号和编程电源）；以及32个输入输出IO引脚，其中分为P0（P0.0～P0.7），P1(P1.0～P1.7)，P2(P2.0～P2.7)，P3(P3.0～P3.7)口，而P3口不仅具有准双向接口的功能，还具有其它功能，具体如表3.2.1-1所示。

每个输入输出IO口，输入输出的数据总类是不一样的。

P0：共有P0.0～P0.7。它分为两种接口情况，其中一种是不接不扩展IO接口或外部存储器时，它就被用作准双向8位输入输出接口。另外一种是接有扩展IO口或外部程序存储器时，P0口就被作为地址数据分时复用口，然而其中分时的接口可提供8位的双向数据总线。在片内含有EPROM的单片机，P0还有其它作用。EPROM可以编程和检验，当它进行编程的时候，就可以从P0输入指令字节；而当检验程序的时候，对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，P0口输出指令字节。

P1：共有P1.0～P1.7。它具有输入输出端口的通用特点就是可被用作准双向IO接口使用。对于STC89C52单片机来说它的功能较唯一。

P2：共有P2.0～P2.7。它也具有输入输出口的一般特性就是可用作双向IO接口。它接有外部IO接口或者外部程序存储器，并且它的寻址范围大于了256个字节的时候，P2就被用作P高8位地址总线并且可以送出高8位地址。

P3：共有P3.0～P3.7。它也具有输入输出口的一般特性就是可用作双向IO接口。P3口又被叫作双功能口，它的每一个引脚都可以单独使用，不仅可以单独用作输入输出接口，并且每一个单独的引脚都有其单独的其它功能，如表3.2.1-1P3口其它功能所示。

表3.2.1-1 P3口其它功能

4个控制引脚，它还能与其它电源复用，RST引脚又可以作为VPD引脚，叫作备用电源，它的作用就是当VCC发生故障不能使用时，譬如断电或者电平降到低电平范围，此时可接到备用电源VDP为系统RAM供电，以保证RAM继续运行，使其中的数据不至于丢失。EA引脚又可以作为VPP引脚，但是被看作VPP时的条件是当片内含有EPROM的单片机，并且当EPROM在编程的时候，这时该控制引脚用来接21V的编程电源，也就是Vpp。

3.2.2 温度采集模块功能

该系统采用数字温度传感器DS18B20，将该传感器输出信号上拉电阻直接接到单片机的P1.0引脚上。该传感器上具有半导体温敏器，数据存储器，数模转换等都集成在一块芯片上，所以它具有温度测量，通过A/D转换之后得出温度数值并存储记忆，其测量温度-55℃～+125℃，满足我们测温的范围。

该学期我们在嵌入式的课程上也初步接触到了DS18B20，在课内我们利用DS18B20的感温测温功能测试了室内温度并且通过SSI数码管显示出数据。通过那次实验我了解到DS18B20是一种工业中常用的数字温度传感器，它的接线十分方便简单，且封装形式很多，譬如不锈钢封装封装式，螺纹式，管道式，磁铁吸附式等等。封装后的该器件应用广泛，譬如用于高炉水循环测温，机房测温，洁净室测温，锅炉测温等。

DS18B20采用的是独特的单线接口方式，当在与微处理器连接使用时仅仅只需要一条口线就可以实现其与微处理器的双向通讯，对于该水温测试系统来说十分方便，减少了安装制作的麻烦，其测温范围在-55℃～+125℃，测温误差也极其小。DS18B20还有个特点就是支持多点组网，也就意味着在一个测温系统中不仅仅只能采用一个DS18B20，还可以多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，其最多可以并联8个，即就能实现多点测温的功能。但是有一点不足就是过多的DS18B20并联在一起时，从而造成供电的电源电压值较低，因为电压过低，使传输不稳定，即信号传输就不稳定。

DS18B20有三根外引线，外部构造十分简单明了，三根引线，分别是DQ，VDD，GND，DQ就是单线数据传输总线端口，VDD就是外供电源线，而GND则是共用地线。了解到DS18B20的外引线之后，我们就可以更加深入了解到它的供电方式，它共有两种常用的供电方式，其中一种为数据线供电方式，这种方法是将VDD接地，然而它获得能量的方法是通过内部电容在空闲时从数据线汲取，从而可任意使其完成温度的转换，但是有一点不足的就是完成相应的温度转换的时间较长，面对这一种不足时，通常采用单片机的一个I/O口来使其来完成对DS18B20总线上拉，使时间尽可能缩短。另一种方法则是外部供电方式，也就是说VDD接+5V，然而这种方式完成相应的温度测量的时间较短。所

接口电路图。

图3.2.2-1 DS18B20接口电路图

3.2.3 温度控制模块功能

温度控制模块，就是经过单片机判断后得出此时的温度与预设温度相比，若大于预设值则进行散热，若小于预设值则进行加热。该系统采用继电器控制电流的大小，来掌握温度的加热和冷却。继电器就是一种电控制器件，它的工作原理是当输入量也就是激励量的变化达到一定的要求时，从而在电气的输出回路中使被控制的量发生预先设定的阶跃变化。通俗说就是用小电流来控制大电流是否运行的开关。

继电器有许多种类，按功能可以分为电磁继电器，固体继电器，舌簧继电器，温度继电器，高频继电器，光继电器等等。按外形尺寸可以分为微继电器，小型继电器，超小型微型继电器。按防护特征可分为密封继电器敞开式继电器等。按反应的物理量可分为电流继电器，电压继电器，阻抗继电器等。按原理可以分为电磁型，电子型，整流型等等。按保护回路可以分为启动继电器，出口继电器等。

现采用两个继电器分别控制加热和降温的功能，根据控制电流的大小来进行加热或降温。当温度比预设温度低时，此时系统需要加热，对于加热系统继电器的两输出端输出220V的交流电，通过控制继电器的闭合来控制电热丝是否加热；当温度比预设温度高时，此时需要降温，对于冷却系统通过控制继电器闭合，从而控制+12V直流电机的转与停来降低温度。然而继电器直流可通过36V，交流最高可达250V，满足该系统的要求，

图3.2.3-1 温度控制电路图

3.2.4 显示模块功能

该系统采用的是液晶屏128*64作为显示模块，抗干扰能力强，显示清晰明了。当有电源通过的时候，排列有秩序，从而光线就较容易通过，当电源断开不导电时，排列就变得换混乱无序，阻止了光线的通过。液晶就像一个开关一样，可以阻止光线通过，或允许光线通过。通常，液晶的面板包括了两片十分精密的无钠玻璃素材，在两片无钠玻璃之间就夹了一层液晶。然而当光束透过中间那层液晶时，其本身会一排排的站立，或者扭转而变成不规则的形状，因此就可以使光束通过或阻止它通过。大多数的液晶都属于有机的复合物，它们是由长棒形状的分子而构成，在无外界干扰条件下，他们的长轴大致相平行。而LCD技术，也就是单色液晶显示器，它是把液晶倒入两个平面间的，而在这两个平面上有各有一列细槽，且互相垂直。就在两个平面之间的分子不得不也成为了90度的扭转形态，再加上光线是沿着分子排列的方向传播的，所以光线在经过液晶之后就旋转了90度。但是一旦液晶有电压通过时，分子由于受外界影响，就重新垂直的排列，从而光线就能直接射出，就不会发生旋转了。在了解了液晶显示的原理后，我们关心的就是怎样将它接入我们的系统。下图3.2.3-1为液晶显示接口电路。

图3.2.3-1 液晶显示接口电路

3.2.5 键盘电路模块功能

键盘的功能顾名思义，既然为水温控制，必然会有温度等一系列参数的设定，该系统采用四个按键来更改参数，功能分别为预设温度加1，预设温度减1，更改预设温度，确定等按键。按键模块，不仅要使参数设定得到实现，而且还要让使用者一眼便能清楚明白每个按键的功能，所以我们采用较少的按键，以免使程序复杂，使用较少的按键也

可以使接入电路更为简单。如图3.2.4-1为键盘模块电路。

图3.2.4-1 键盘模块电路

4 软件设计

4.1 主程序流程图

该系统是水温控制系统，属于温度控制中的一种，其软件部分主要采用编写程度使系统自动运行，主要应用C语言的编写来对单片机等硬件系统的控制。主程序大概分为温度初始化设定，采集水温模块收集水温，通过单片机的控制和BCD的转换，在液晶显示的作用下读出温度，通过单片机的判断，对水温是否达到预设温度通过继电器做出相应的加热或散热措施。主程序流程图如下图4.1-1 所示。

图4.1-1 主程序流程

4.2 温度采集程序

水温系统固然温度是至关重要的因素，对于温度采集选择了DS18B20，它具有高灵敏度，高精度的优势。当整个系统连接了DS18B20，则温度采集系统开始运作，通过识别DS18B20是否连接，当确定连接后，ROM操作命令开始运行，从而进行存储操作，最后可以读出当前温度，以此循环。如图4.3-1温度采集流程图所示。

4.2-1 温度采集流程图

4.2.1 温度转换

温度的转换也需要程序运行，在硬件系统中运行传输数据，就要将十进制码转换成机器能识别的代码，现在的的计算机一般都是二进制代码，所以首先要将RAM中存储的值进行BCD码的转换运算，然后来判断温度的正负值。如图4.2.1-1所示。

图4.2.1-1 温度转换流程图

4.3 按键处理

温度初始化通过键盘输入，每按下一次键盘上的按键，通过系统设置的程序扫描该按键下是否会有一系列操作，若有则根据按下的按键进入相应程序，从而进行对应的操作设置，若没有则退出程序，不做出反应。该按键系统主要有如下几个按键功能：预设温度设定，温度增加1，温度减少1，确定保存等按键。流程如图附录2所示。

4.4 显示模块

显示模块采用的液晶显示，也要通过编译相应程序做出一系列操作，该系统显示主要包括当前温度显示，和正在进行的操作提示。譬如预设温度加1或减1等等。如图4.4-1所示。

图4.4-1 液晶显示流程图

温度是可以变幻的，随着时间的变化，经过一系列的加热或散热操作，温度会逐渐增加或者逐渐降低，在设置参数时，温度的显示也会根据按键的操作而改变数据，自然液晶屏上温度的显示是不断更新的，而显示数据的刷新其实就是对显示缓冲器中的数据进行刷新更改操作，且最重要一点就是最高位前的符号表示，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。如图4.4-2所示。

图4.4-2 数据刷新流程图

4.5 继电器加热系统

通过单片机控制，接收到DS18B20传输的二进制代码经过一系列的公式计算将二进制代码转换成十进制数得出实际测量温度，根据事先预设的温度值做出比较，并判断出对温度到底是加热还是降温，继而继电器做出一些列反应，通过控制电流的大小从而控制温度。

5 调试说明

水温控制器对水温的精确度要求较高，现在我们需要将制作的基于单片机的水温控制器对其温度误差，显示误差，水温控制等进行调试，使的该系统更加精确。 该调试过程需用到精密温度计（量程是0℃-100℃，分度值是0.5℃，且防水）；秒表等。该调试过程中，室内温度在13℃。 5.1 温度采集误差

N

度1和减少温度1，固按键系统调整成功，显示预设参数值模块也调试成功。

然而，在本系统中温度采集部分相当重要，该水温控制系统是否可靠就是看温度采集数据的精确度到什么地步。对温度采集模块调试采用精密温度计测试出的温度作为基准温度，测不同的水温，在温度稳定且不在上升或下降时读出当前温度，并与显示值做比较，得出误差。调试结果如表5.1-1所示。

表5.1-1 温度数据采集及误差

由上表数据可知，实际测量温度与系统显示得出温度值误差掌握在1℃以内，误差及其小，可以满足我们的实际所需，固该采集温度模块运行正常，调试成功。

5.2 水温控制测试

水温控制系统是对单片机通过判断，对继电器进行控制，进而进行对水温的加热或是散热的操作。固然控制系统也较为重要，使水温能达到我们预设值，水温控制的调试，我们采用的方法是先预设一个温度，通过向之前的水里添加较之前水温更热的水或比之前水温更低的水来改变之前水的水温，通过继电器控制电流的大小对当前水温进行操作，使其与预设值相当。测试数据如下表5.2-1所示。