水温控制系统的设计

水温控制系统的设计

摘要：本设计介绍一种基于AT89C51单片机作为控制器、使用数字温度传感器DS18B20作为温度采集器的数字温度计。重点阐述了DS18B20的性能结构、工作原理和控制方法，以及单片机AT89C51和数字温度传感器DS18B20之间的接口、数据传递。该数字温度计能够测出0—100℃之间的温度，适合日常生活、工业生产和科学研究等领域对温度测量的需要。

本设计以单片机AT89C51为核心,由四个模块构成：按键设置模块、温度采集模块、数据处理模块和控制加热模块。按键用于设置期望控制的温度，温度采集用于及时掌握当前加热状态，数据处理为控制加热提供控制条件，控制加热则及时调整当前温度与期望温度之差。

关键词：AT89C51；DS18B20；水温控制

Water temperature control system

Abstract：This design introduces a design based on AT89C51 single chip microcomputer as controller, use digital temperature sensor DS18B20 as the temperature of the terminal digital thermometerthe 。performance of the structure, working principle and control methods of DS1B20，and the interface, data transmission between SCM AT89C51 and digital temperature sensor DS18B20 is introduced。This digital thermometer can detect the temperature from0℃to100℃ It is suitable for daily life，industrial production and scientific research in areas such as the temperature measurement needs。

The system uses AT89C51 as the control unitIt consists of for function blocks：keyboard set-up block，temperature collecting block，data processing block and heating control block.Keyboard set-up uses for setting the expected temperature，in order to control the temperature of the water must collect the current temperature first，data processing is providing information for the heating control block and the heating block reduce the gap of the current temperature and the expected one。

Key words：AT89C51；DS18B20；Temperature control

目录

1 前言 (3)

2 水温控制系统的目的及设计任务与要求 (3)

3 方案论证与比较 (3)

3.1 总体方案及论证 (3)

3.2 模块方案论证 (4)

4 DS18B20温度传感器的简介 (5)

4.1 DS18B20的简介 (5)

4.2 DS18B20的测温流程 (6)

5 硬件设计与实现 (7)

5.1 系统硬件模块关系 (7)

5.2 主要单元电路的设计 (8)

5.2.1 加热控制部分 (8)

5.2.2 键盘、显示、控制器部分 (8)

6 软件设计 (9)

6.1 系统总体流程图 (9)

6.2 显示子程序流程图 (10)

7 系统测试 (10)

8 总结 (11)

参考文献 (12)

致谢 (13)

1 前言

在我们的日常生活及工业上生产中对温度控制、检测实现自动恒温控制有着非常重要的实际意义和广泛的应用。因此测量控制系统的精度将成为衡量一个系统成败的重要指标。水温控制系统作为一种比较常见的温控系统，在我们的生活中的应用更加广泛。

随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，在当今的社会有着巨大的发展前景。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。

2 水温控制系统的目的及设计任务与要求

该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。

设计制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，水温可以在一定范围内人工设定,并能在环境温度降低时自动调节，以保持水温基本不变。

基本的要求如下所示：

1. 温度设定范围40度—90度,最小区分度1度,标定误差小于1度。

2. 用十进制数码显示水的实际温度。

3. 环境温度降低时,温度控制的表态误差小于1度。

3 方案论证与比较

3.1 总体方案及论证

方案1：此方案是采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，将测得的温度值和与规定的温度值比较后，决定是否加热。该方案的特点是电路简单易懂，可操作性强，但是此方案误差较大，不适合精度要求高的场合，并且系统不稳定，不能完成对系统的实时控制。

方案2：以单片机作为控制器。AT89C51单片机是最常用的单片机，是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器。AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令

系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉。综合以上的分析，方案2比方案1更稳定，更有效率，更易于控制。

3.2 模块方案论证

此设计以单片机作为控制器,由温度测量模块、显示电路模块、加热模块。现将各部分主要元件及电路做以下的论证。

3.2.1 温度控制方案论证

方案1：采用模拟温度传感器。采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，温度检测与转换比较麻烦.对于检测小于1摄氏度的信号是不适用的。

方案2：由数字温度传感器DS18B20来对温度进行采样，由于DS18B20出来的是一个16位的数字量因而不需要进行A/D转换，但是由于采样时所占用的机器时间较长，在采样过程中单片机被DS18B20独占，不能对温度进行控制和调，因而采用DS18B20时只能针对小功率设备，对于大功率电器就不能使用。

3.2.2 显示电路论证

方案1: 采用LED显示。它是由多个发光二极管组成的,发光二极管被导通,那么一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通,可以组成相应的字符。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器,阴极连在一起的称为共阴极显示器。

方案2：采用LCD显示。它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。

由于本系统对显示要不是很高，数码管具有低能耗，低损耗，寿命长，耐老化，对外界环境要求低，加之用LCD价格相对来说比LED要贵很多,所以用LED 可以满足本系统的要求,也降低了成本。所以采用方案1。

3.2.3 加热模块的设计及论证

方案1：采用可控硅来控制导通的周波数来实现。该方案是用单片机通过一定的算法来产生门极控制信号使可控硅导通，门极的脉冲的个数就是可控硅的导通的正弦波的个数。但用这个方法就必须保证门极的脉冲信号与正弦波信号同时,这给系统设计与系统调试带来很大的难度。

方案2：采用继电器来控制加热时间。该方案只要求单片机能产生和控制继

电器的导通时间,也即控制继电器的信号的电平要持续一定的时间,在这段时间内加热器是加热的。

由于继电器控制能够带动大容量的负载，市场上比较多见，而且电路简单。所以用方案2较好。

4 DS18B20温度传感器的简介

4.1 DS18B20的简介

DS18B20是达拉斯公司制造的数字温度传感器。通过把地址线、数据线和控制线并作一根全双工串行传输信号线，可以在上面接上多个DS18B20；所以，单片机可以通过一根输入输出线就能和多个DS18B20进行数据传输。其中芯片内外有一个64位的ROM程序存储器,当中具有许多元件本身的序列号，作为器件独有的ID号码。DS18B20简化了测量器件与计算机的接口电路，使得电路简单，使用更加方便。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度。这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作，由DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.0口，单片机接受温度并存储。

DS18B20的温度值是以补码的形式表示的，在处理数据的时候要特别注意。下面列出了用12位精度测出的数字量，用十六位补码的形式表示。如表1

表1 DS18B20温度值的十六位补码形式

温度传感器DS18B20的管脚图如图2所示

图2 DS18B20的管脚图

DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。GND为接地线，DQ为I/O接口，使用一个低值的电阻和单片机连接, 开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。Vcc作为电源接口，不但可以由数据线提供电源，还可以由外部的电源供给，范围3.0～5.5 V。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

主要的特点如下所示：

1.用户自己可以设定报警温度值的大小范围。

2.无需外部器件，能测量－55～+125℃区间内的温度。

3．－10℃～ +85℃区间内的测量温度的确切度为±0．5℃。

4.使用编程语言能完成9～l2位的数字型读数方式，可在至多750 ms以内

使温度值转换成12 位的数字，测量温度的分辨率可达0.0625℃。

5．特有的单总线接口方式，与单片机接通时仅仅要一跟线就能实现与单片机的双向通讯。

根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：

1.每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位；

2.复位成功后发送一条ROM指令；

3.最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

4.2 DS18B20的测温流程

DS18B20的测温流程如图3所示

图3 DS18B20的测温流程

5 硬件设计与实现

5.1 系统硬件模块关系

图4 系统硬件模块关系

温度设定：可通过对控制温度的设定。

温度检测：用于对现在温度采样检测，已转换成单片机能处理的数字量。

温度显示：可分为两个部分，一：设定温度的显示；二：检测温度的显示。

加热：用于当前温度低时，能使被控对象温度升高，当前温度高时，不加热。

单片机控制和数据处理:对设定的温度和检测的温度进行比较，并产生控制信号，从而控制加热器件对系统进行控制。