水族箱温度控制系统

水族箱温度控制系统

（一）系统的概述

本系统以AT89C51单片机为控制核心的测控仪，主要是为了对水族箱内的温度控制而设计的。该测控仪具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，所以具有一定的应用前景。

（二）系统的要求

本系统通过单片机AT89C51控制,用18B20数字温度计采集温度。通过LCD 显示屏显示当前温度，当温度高于20℃，马达将带动风扇的转动，实现自动控制水族箱里的温度.并且随着温度每升高2℃，马达的转动速率提高一倍。当检测到的温度高于25℃时，发出报警信号。本设计将实现水族箱温度的自动化控制。

用protues软件绘制电路原理图，再根据电路原理图捍接电路板。捍接的电路板实现温度的自动化控制。

（三）系统的主要模块

１．本系统的主要组成部分

本系统为一个全自动温度检测与控制系统，由以下几个部分组成：AT89C51单片机，温度检测，显示电路，马达，及报警装置等组成。组成图如图1-1。

温度检测装置AT89C51

显示设备

马达控制

报警装置

图 1-1 温度自动控制主要组成部分

由图1-1所示，本系统的核心部分是AT89C51，此芯片是该电路的枢纽。由它先控制着温度的检测，用检测到的温度实现马达的自动控制，以及显示。若检测到的温度高于设定的值，则发出报警信号。

２. 各部分的功能

（１）AT89C51单片机：它是系统的中央处理器，担负着系统的控制和运算。

（２）温度检测装置：18B20数字温度计对水族箱内温度进行采集，将温度转换成数字。

（３）显示设备：主要是用于显示检测到的水族箱温度。

（４）马达：主要用于带动风扇的转动。

（５）报警装置：产生报警信号。

二、系统的硬件组成电路设计

系统的硬件组成部分包括：主控制器AT89C51单片机、温度传感器DS18B20、显示电路LED、马达、报警装置等构成。AT89C51连接各模块的主控制端口，初步选定将要运用到的电子元器件，再用Protues绘制原理图，再根据原理图捍接电路板。

（一）系统总硬件设计

首先对硬件系统18B20定义端口为P2.0,P2.1,P2.2和P0口控制LCD的显示，定义端口P1.5为马达控制端口，P1.7为发光二极管控制端口。首先对温度采集，将采集到的温度转换数字，采集到的温度由LCD显示屏显示。再将采集到的温度所属软件设置的哪个范围，而控制P1.5的电平输出。电路原理图如2-1所示：

E

R W RS d7d6d6d5d5d4d4d3d3d2d2d1d1d0d0d7

R S E d 0d 1d 2d 3d 4d 5d 6d 7R W XTAL2

18

XTAL1

19

ALE 30EA

31

PSEN 29RST

9

P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78

P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD

17

P3.6/WR 16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1

AT89C51

C1

22pF

C2

22pF

X1

CRYSTAL

R1

10k

33.0

DQ 2VCC 3GND 1

U2

DS18B20

R2

4.7k

23456789

1RP1

RESPACK-8

D 7

14

D 613D 512D 411D 310D 29D 18D 07

E 6

R W 5R S 4V S S 1V D D 2V E E

3

LCD1

LM016L

R3

4.7k

+88.8

Q1

NPN

C3

1nF

D1

LED-BLUE

2-1 电路原理图

电路原理图用Protues 软件绘制而成。用Protues 软件绘制电路原理图方便，快捷。Protues 软件有丰富的元件库，智能的器件搜索，智能化的连线，可输出高质量的图纸。电路原理图清晰明了。

（二）时钟电路

AT89C51芯片内部有一个高增益反向放大器，用于构成震荡器。反向放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。在TXAL1和XTAL2两端跨接由石英晶体及两个电容构成的自激震荡器，如图2-2所示。电容器C1和C2取22pF ，选用不同的电容量对震荡频率有微调作用。但石英晶体本身的标定频率才是单片机震荡频率的决定因素。

XTAL2

18

XTAL1

19

U1

C1

22pF

C2

22pF

X1

CRYSTAL

图 2-2 时钟电路

时钟电路中，两个电容都选择22pF 的电容，电容各一端接与晶振相连，各一端接地。选择的晶振是频率为12MHZ 。此模块就是产生象时钟一样准确的振荡电路。

（三） AT89C51的复位电路

AT89C51单片机通常采用上电自动复位和开关手动复位两种方式。本系统采用上电复位电路，如图2-3所示，所谓上电复位，是指单片机只要一上电，便自动地进入复位状态。在通电瞬间，电容C 通过电阻R 充电，RST 端出现正脉冲，用以复位。

ALE 30EA

31

PSEN 29

RST

9

22pF

R1

10k

C3

1nF

图 2-3 复位电路

复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。RC 复位电路可以实现上述基本功能，但解决不了电源毛刺和电源缓慢下降等问题，而其调整 RC 常数改变延时会令驱动能力变差。

（四）单总线数字温度传感器DS18B20检测电路

DQ 为数据输入/输出引脚，连接P3.3。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，GND 为地信号；VCC 为电源信号。图2-4为DS18B20检测电路。

P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T01417

P3.6/WR

16P3.5/T115P2.7/A1528P2.3/A11

P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A142720.0

DQ 2VCC 3GND 1

U2

DS18B20

R2

4.7k

图 2-4 DS18B20检测电路

（五）LCD 显示模块

用AT89C51的P0口作为数据线，用P2.0、P2.1、P2.2分别作为LCD 的4、5、6。其中4是下降沿触发的片选信号，连接P2.0，5是读写信号，连接P2.1，6是寄存器选择信号，连接P2.2。图2-5为LCD 的硬件连接。

E

R W RS d7

d6d6d5d5d4d4d3d3d2d2d1d1d0d0d7

R S E d 0d 1d 2d 3d 4d 5d 6d 7R W TAL2

TAL1

SEN

ST

P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A11

24

1

23456789

1RP1

RESPACK-8

D 7

14

D 613D 512D 411D 310D 29D 18D 07

E 6

R W 5R S 4V S S 1V D D 2V E E

3

LCD1

LM016L

R3

4.7k

图2-5 LCD 的硬件连接

（六）驱动电路

系统使用的是直流马达，包含周围磁场、电刷、整流子等元件，电刷和整流子將外部所供应的直流电源，持续地供应给转子的线圈，並适时地改变电流的方向，使转子能以同一方向持续旋转。直流马达的优点有速度调整容易，启动转矩较大等，但是电刷与整流子保养维修不易。图2-6为硬件连接图。

P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78

AT89C51

+88.8

Q1

NPN

图 2-6 驱动电路

图中三极管采用的是2N3903，用于放大电流。基极接P1.5口，用于控制输出信号。集电极按电源正极，发射极接马达正极。三极管 2N3903三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就

是电流放大系数β。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管在此处的作用。用于P1.5口输出的微弱信号经过放大，输出到马达中，这样就可以很好的控制马达了。

（七）报警电路

系统采用的报警器件是二极管，用引脚P1.7控制。如图2-7所示

P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78

AT89C51

D1

LED-BLUE

图 2-7 报警电路

二极管和普通扬声器相比，最重要一个特点是只要按照极性要求加上合适的直

流电压，就可以发出固有频率的声音，因此使用起来比扬声器简单。

三、系统软件的设计

一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件做保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编和有时会变得很简单。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源。

程序设计语言有三种：机器语言、汇编语言、高级语言。本系统运用的是高级语言所编写，也就是C 语言。

从软件的功能不同可分为四大类：一是检测软件，它是用来检测温度。二是显示部分，用来显示所检测到的温度。三是调控部分，用来控制马达的转速。四是当

温度大于25℃，二极管发出报警信号。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义。下图为软件设计流程图（程序见附录）。

四、总结

通过这次对水族箱温度自动控制的设计与制作，让我自主完成了一个完整的设计，虽然这次的设计做的温度显示以及马达的控制都相对比较简单，但是也给将来进入硬件开发有了一个起点的基础。在这次设计的过程，刚开始的时候，真的有点不知所措，因为学习完单片机已有数日，以及微机原理课程，一些知识已忘记。画电路原理图，一开始就觉得有点烦，因为protues 软件安装的版本较低，做起来非常的费时又费力，一些芯片，还不可以仿真。画电路图，自己学习捍接板，开始第一个板，没有捍成功，研究数日，后来才发现是一些线路捍接不良导致电路连接出现错误。后来重新开始动工，才捍成功。常常有解决不了的问题，就上网查询，或者阅览资料书。虽此项工作枯燥无味，但可缎练其意志，耐性，坚韧。因为常会碰到

开 始

18B20温度检测

初始化

马达带动

风扇

LCD 显示温度

发出报警信号

结 束

温度大于20℃

温度大于25℃

很难解决的问题。所以要坚持不懈。这个程序的软件程序都是使用C语言编写的，毕竟使用汇编对于我们来说难度都是比较大啊。这次设计是一个学习新知识、巩固加深所学课本理论知识的过程，它培养了我们综合运用知识的能力，独立思考和解决问题的能力。它不仅加深了我对单片机技术课程的理解，还让我感受到了电子设计的乐趣。对我来说，这次毕业设计是非常有意义的。

本系统使用的温度控制器结构简单、测温准确，具有一定的实际应用价值。该智能温度控制器只是DS18B20在温度控制领域的一个简单实例，还是许多需要完善的地方，例如可以将测得的温度通过单片机与通讯模块相连接，以手机短消息的方式发送给用户，使用户能够随时对温度进行监控。还可以增加对湿度的自主控制。此外，还能广泛地应用于其他一些工业生产领域。

测温控温系统得到快速的发展，国外的测量控制系统已经成熟，产品也较多。近两年，国内也出现了许多高精度的温度控制产品，但相对于用户来说，价格还是偏高。而由于竞争越来越激烈，现在企业发展的趋势是如何最有效的提高生产效率，降低生产成本。寻求性能可靠、价格低廉，应用广泛的元器件是生产过程的首先要考虑的问题。

参考文献

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2001.7.

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息．2008.

[15] 刘华东,张亚华.单片机原理与应用(第二版)[M].北京:电子工业出版社.2006:1-5.

致谢

毕业设计完成了，在这个过程中我学到了很多东西。首先我要感谢我的导师何子轩老师，他在我完成论文的过程中，给予了我很大的帮助。从毕业设计选题到设计完成，何老师给予了我耐心的指导与细心关怀。

此外，此系统能顺利完成，也得到了寝室的朋友的帮忙。有些我不了解的知识，在她们悉心指导下，得已解决。在此，我深表感谢。

最后要感谢的是我的父母，他们让培养了我在遇到困难前，不倒下。让我在漫长的人生旅途是使心灵有虔敬的归依。在未来的日子里，我会更加努力工作和做一名优秀的人。不辜负父母对我的期望。我一定会好好的孝敬和报答他们！

附录A：

*-----------------------------------------------

名称：基本单片机AT89C51的水族箱温度自控系统

------------------------------------------------*/

#include

#include"stdio.h"

#include

#include

#include"lcd1602.h"

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int;

/******************************************************************/

/* 定义端口*/

/******************************************************************/

sbit DQ=P1^3;//ds18b20 端口

sbit Fan=P1^5; //风扇端口

sbit Tru=P1^7;//喇叭的端口

sfr dataled=0x80;//显示数据端口

/******************************************************************/

/* 全局变量*/

/******************************************************************/ uint temp,i,TempH;

uchar flag_get,count,num,minute,second,x;

long str[6];

/******************************************************************/

/* 函数声明*/

/******************************************************************/ void delay1(uchar MS);

unsigned int ReadTemperature(void);

void Init_DS18B20(void);

unsigned char ReadOneChar(void);

void WriteOneChar(unsigned char dat);

void delay(unsigned int i);

/******************************************************************/

/* 延时函数声明*/ /******************************************************************/ void mDelay(unsigned char j)

{

unsigned int i;

for(;j>0;j--)

{

for(i=0;i<125;i++)

{;}

}

}

/******************************************************************/

/* 主函数*/

/******************************************************************/ main()

{

unsigned char TempH,TempL;

TMOD|=0x01;//定时器设置

TH0=0xef;

TL0=0xf0;

IE=0x82;

TR0=1;

P2=0x00;

count=0;

InitLcd();

mDelay(20);

while(1)

{

Fan=1;

mDelay(10);

Tru=1;

mDelay(10);

if((TempH>20)&&(TempH<=25))

{

Fan=0;

mDelay(10);

}

if(TempH>25) //产生报警信号

{

Tru=0;

mDelay(10);

Fan=0;

mDelay(150);

}

for(i=1;i<5;i++)

Tem[i]=str[i];

disp();

str[0]=TempH/100; //十位温度

str[1]=(TempH%100)/10; //十位温度

str[2]=(TempH%100)%10; //个位温度,带小数点str[3]=TempL;

if(flag_get==1) //定时读取当前温度

{

temp=ReadTemperature();

if(temp&0x8000)

{

str[0]=0x40;//负号标志

temp=~temp; // 取反加1

temp +=1;

}

else

str[0]=0;

TempH=temp>>4;

TempL=temp&0x0F;

TempL=TempL*6/10;//小数近似处理

flag_get=0;

}

}

}

/******************************************************************/ /* 定时器中断*/ /******************************************************************/ void tim(void) interrupt 1 using 1//中断，用于温度检测间隔

{

TH0=0xef;//定时器重装值

TL0=0xf0;

num++;

if (num==50)

{num=0;

flag_get=1;//标志位有效

second++;

if(second>=60)

{second=0;

}

}

}

/******************************************************************/ /* 延时函数*/ /******************************************************************/ void delay(unsigned int i)//延时函数

{

while(i--);

}

/******************************************************************/ /* 初始化*/ /******************************************************************/ void Init_DS18B20(void)

unsigned char x=0;

DQ = 1; //DQ复位

delay(8); //稍做延时

DQ = 0; //单片机将DQ拉低

delay(80); //精确延时大于480us

DQ = 1; //拉高总线

delay(10);

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(5);

}

/******************************************************************/ /* 读一个字节*/ /******************************************************************/ 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(5);

}

return(dat);

}

/******************************************************************/ /* 写一个字节*/ /******************************************************************/ void WriteOneChar(unsigned char dat)

{

unsigned char i=0;

for (i=8; i>0; i--)

{

DQ = 0;

DQ = dat&0x01;

delay(5);

DQ = 1;

dat>>=1;

delay(5);

}

/******************************************************************/

/* 读取温度*/

/******************************************************************/ unsigned int ReadTemperature(void)

{

unsigned char a=0;

unsigned int b=0;

unsigned int t=0;

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC); // 跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0x44); // 启动温度转换

delay(200);

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作

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a=ReadOneChar(); //低位

b=ReadOneChar(); //高位

b<<=8;

t=a+b;

return(t);

}

附录B

#include

#include

#include

sbit RS = P2^0;//Pin4

sbit RW = P2^1; //Pin5

sbit E = P2^2;//Pin6

#define Data P0 //数据端口

unsigned char Tem[5];

unsigned char SecondLine[]=" ";

unsigned char FirstLine[] =" ";

unsigned char time[]=" ";

/******************************************************************/ /* 函数声明*/ /******************************************************************/ void DelayUs(unsigned char us)//delay us

{

unsigned char uscnt;

uscnt=us>>1;/* Crystal frequency in 12MHz*/

while(--uscnt);

}

/******************************************************************/ void DelayMs(unsigned char ms)//delay Ms

{

while(--ms)

{

DelayUs(250);

DelayUs(250);

DelayUs(250);

DelayUs(250);

}

}

void WriteCommand(unsigned char c)

{

DelayMs(5);//short delay before operation

E=0;

RS=0;

RW=0;

_nop_();

E=1;

Data=c;

E=0;

}

/****************************************************************/ void WriteData(unsigned char c)

{

DelayMs(5); //short delay before operation

E=0;

RS=1;

RW=0;

_nop_();

E=1;

Data=c;

E=0;

RS=0;

}

/*********************************************************************/ void ShowChar(unsigned char pos,unsigned char c)

{

unsigned char p;

if (pos>=0x10)

p=pos+0xb0; //是第二行则命令代码高4位为0xc

else

p=pos+0x80; //是第二行则命令代码高4位为0x8

WriteCommand (p);//write command

WriteData (c); //write data

}

/************************************************************************ */

void ShowString (unsigned char line,char *ptr)

{

unsigned char l,i;

l=line<<4;

for (i=0;i<16;i++)

ShowChar (l++,*(ptr+i));//循环显示16个字符

}

/*********************************************************************/ void InitLcd()

{

DelayMs(15);

WriteCommand(0x38); //display mode

WriteCommand(0x38); //display mode

WriteCommand(0x38); //display mode

WriteCommand(0x06); //显示光标移动位置

WriteCommand(0x0c); //显示开及光标设置

WriteCommand(0x01); //显示清屏

}

/******************************************************************/

/* LCD016L显示*/

/******************************************************************/

void disp(void)

{

FirstLine[0]='T'; FirstLine[1]='h';; FirstLine[2]='e'; FirstLine[3]=' ';

FirstLine[4]='t';

FirstLine[5]='e'; FirstLine[6]='m'; FirstLine[7]='p'; FirstLine[8]='e'; FirstLine[9]='r';

FirstLine[10]='a';; FirstLine[11]='t'; FirstLine[12]='u'; FirstLine[13]='r'; FirstLine[14]='e'; FirstLine[15]=' ';

SecondLine[0]='i'; SecondLine[1]='s'; SecondLine[2]=':'; SecondLine[3]='0'+Tem[1]; SecondLine[4]='0'+Tem[2]; SecondLine[5]='.'; SecondLine[6]='0'+Tem[3]; SecondLine[7]='C';

ShowString(0,FirstLine); ShowString(1,SecondLine); }