基于STC89C52单片机的水温控制系统设计方案

基于STC89C52单片机的水温控制系统设计方案第1章方案论证本设计中的芯片可以采用二种方案。

方案一：采用热电偶温度传感器，放大器，A/D转换器作为测量温度的电路。

热电偶通过电位差的数值与不加热部位测量点的温度来测温，和这两种导体的材质有关。

热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。

由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。

也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

硬件电路复杂，需要设计A/D转换电路，以及与其相关的编程，总体设计起来较困难，软件、硬件调试复杂，硬件成本较高。

而且器传感器有以下缺点：它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响[]。

所以总体来说，在硬件、软件上的成本都比较高，而且易受外部环境的影响，系统工作不稳定。

方案二：采用数字可编程温度传感器作为温度检测元件。

数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。

不需要将温度传感器的输出信号接到A/D转换器上，减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积同时具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

由于采用的是具有一总线特点的温度传感器，所以电路连接简单；而且该传感器拥有强大的通信协议，同过几个简单的操作就可以实现传感器与单片机的交互，包括复位传感器、对传感器读写数据、对传感器写命令[2]。

软件、硬件易于调试，制作成本较低。

也使得系统所测结果精度大大提高。

通过以上二种方案的论证和比较，从设计的实用性、方便性和成本等诸多方面考虑，最终选择了以DS18B20为温度测量和传输元件的设计，这样设计在本次毕业设计中能够在经费有限的情况下，进行最优的实现方法。

具体方案：采用STC89C52作为整个电路的核心控制器件，用DS18B20传感器采集温度信息。

当采集到温度信息时，通过一系列处理后从单片机输出来实现声光报警及温度控制。

总体框图如下图1-1，本设计方案的优点是结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉并且智能化。

图1-1 总体框图第2章主要元器件介绍2.1 STC52单片机的介绍[1]STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位、计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHZ。

其特性有：8K字节程序存储空间；512字节数据存储空间；带2K字节EEPROM存储空间;可直接使用串口下载；STC89C52单片机:8K字节程序存储空间；256字节数据存储空间；STC89C52的引脚图如下：2.2 数字化温度传感器DS18B20DS18B20是DSLLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

2DS18B20的部结构：DS18B20部结构如图3-2所示，主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

图2-2 DS18B20部结构图DS18B20的管脚排列如图2-3所示，DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端图2-2 DS18B20管脚排列图2.3 固态继电器固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。

固态继电器专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。

图2-3 固态继电器第3章硬件电路设计3.1 硬件总体模块温度检测模块：由DS18B20采集温度信息，是实现温度控制的基本条件。

温度显示模块（1602LCD显示）：利用1602液晶显示当前温度。

声光报警模块：来具体展现所采集到的温度的信息，通过蜂鸣器是否响和LED灯是否亮来体现。

按键模块：通过人为操作来控制温度的控制功能。

继电器模块：实现对当前环境温度的控制,控制加温和降温的执行器。

时钟模块：产生时钟信号。

3.2时钟电路设计时钟电路是用来产生STC89C52单片机工作时所必须的时钟信号，STC89C52本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，STC89C52在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性[1]。

通常时钟由于两种形式：部时钟和外部时钟。

系统采用部时钟方式来为系统提供时钟信号，采用的晶振频率为12MHZ。

本次系统的时钟电路设计如图3-1所示。

图3-1 时钟电路图3.2 系统复位电路在图3-2 中复位开关K1 被按下并松开，使MR端获得低电平，RST 端输出复位信号，单片机复位。

或由于( VCC 加入并超过复位门限电压) 引起系统正常复位。

图3-2 复位电路图3.3 报警与控制电路设计在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。

其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数设定值进行比较，如果高于设置值1度（或低于设置数1度）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。

同样水箱的温度超出低高设定的温度围时当P1.4输出低电平“0”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫，出报警声音；单片机的P1.0（P1.1）输出低电平，此时红色指示灯亮，直到低于（高于）于设定的最高（低）温度时，P1.4输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止发声，P1.0(P1.1)输出电平高电平，发光二极管灭.3.4 温度检测电路设计本次设计所采用的温度传感器为Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路。

DS18B20可以程序设定9－12位的分辨率，精度为±0.5℃。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20：图3-3 DS18B20DS18B20与STC89C52单片机接口电路的设计DSl8B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线，当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。

转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。

单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。

当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。

表3-2是一部分温度值对应的二进制温度数据[12]。

表3-2 温度值对应的二进制温度数据图3-4 18B20硬件连接图DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度围为 -55°C--+125°C，在-10--+85°C围,精度为±0.5°C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

1.DS18B20产品的特点（1）只要求一个端口即可实现通信。

（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

（4）测量温度围在-55°C- +125°C之间。

（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

（6）部有温度上、下限设置。

2.DS18B20的引脚介绍TO－92封装的DS18B20引脚功能描述见表1。

表3-3 DS18B20详细引脚功能描述因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。

主要首先DS18B20提供以下功能命令之一：读ROM，ROM匹配，搜索ROM，跳过ROM，报警检查。

若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器。

一个控制功能指挥指示DS18B20的演出测温。

测量结果将被放置在DS18B20存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读容的片上存储器。

温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM 的数据。

如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。

在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。

写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。

所有的数据的读、写都是从最低位开始。

3.5按键电路设计键盘共有三个键，判断K2~K4键是否按下，可采用软件查询和中断的方法，当某个键按下时，低电平有效。