1、本科畢業論文(設計)題 目： 溫度自動控制系統的設計 學 院：XXX專 業：XXX班 級：XXX姓 名：XXX指導教師：XXX2011年 6 月 6 日溫度自動控制系統的設計The Design of Automatic Control System of Temperature摘要在現代社會的快速發展中，為了保障生活生產的快節奏、便利化和安全性，常常要實現溫度的自動控制。若采用單片機來實現，不僅具有簡捷靈活，便于控制等優點，而且可以在很大程度上提高溫度的被控參數，保證產品的質量。本文以AT89C51單片機為基礎，結合DS18B20串行數字溫度傳感器以及LCD1602顯示器，設計了一種溫度自動

2、控制系統。在本系統中，單片機是核心器件，溫度傳感器負責溫度的采集，并通過單片機對溫度進行控制然后再在LCD上顯示。在程序中可設定溫度預設值，若溫度低于下限值，則單片機通過繼電器控制加熱器進行加熱；若溫度高于下限值，則在某個溫度范圍內不需要加熱。該系統具有結構簡單，價格低廉，控制精度高等優點，系統測試以及運行結果表明基于該方法具有較好的優越性。關鍵詞 AT89C51單片機溫度傳感器 溫度采集 溫度控制 溫度顯示AbstractIn the fast development of modern society, in order to guarantee the fast rhythm of li

3、fe production safety and facilitation, its often needed to realize temperature automatic control.If the one-chip computer is to realize in this system, not only has the advantages of concise flexible, and to control can greatly increase the controlled parameters of temperature, but alsocan guarantee

4、 the quality of its products.This paper is based on AT89C51, combining DS18B20 serial digital temperature sensors and LCD1602 display, designing a kind of automatic temperature control system.In this system, the microcontroller is the core device; the temperature sensor is responsible for the collec

5、tion of temperature, and through the single-chip microcomputer control of temperature which is displayed on LCD again. The temperature in the program can be set the default, if temperature is below the lower limit value,MCU will control the heater to heat through the relay; If the temperature is hig

6、her than the lower limit in a range, itdoesnt need to heat.The system has a simple structure, low prices, and the advantages of high control accuracy, in addition, thesystem test and operation results show that based on the method has a good superiority. Key wordsAT89C51 microcontrollerTemperature s

7、ensorTemperature gatheringTemperature controlTemperature display目錄第一章緒論11.1 論文研究背景11.2 論文研究內容21.3 論文研究意義31.4 論文的組織結構3第二章系統的總體設計和主要器件的選型42.1 系統的總體設計思路42.2 系統的主要優點52.3 主要器件的選擇62.3.1 微處理器的選擇62.3.2 溫度傳感器的選擇7液晶顯示器的選擇92.4 MCU溫度控制模塊112.4.1 繼電器的作用及選型112.4.2 加熱器的工作原理及分類122.5 KEIL C51與Proteus的簡介132.5.1 KEIL C

8、51開發環境132.5.2 Proteus電子仿真軟件13第三章溫度自動控制系統的硬件設計153.1溫度采集系統的硬件設計153.1.1 DS18B20串行數字傳感器的介紹153.1.2 溫度采集電路173.2 溫度控制系統的硬件設計193.2.1 AT89C51單片機的簡介193.2.2 繼電器及加熱器的功能作用簡介243.2.3 溫度控制電路253.3 溫度數據顯示系統的硬件設計263.3.1 LCD1602液晶顯示器的簡介263.3.2 溫度數據顯示電路273.4 Proteus仿真原理圖27第四章溫度自動控制系統的軟件設計284.1 溫度采集系統的軟件設計284.1.1 溫度采集模塊的

9、軟件設計流程圖284.1.2 溫度采集模塊的軟件設計C程序代碼294.2 溫度控制系統的軟件設計324.2.1 溫度控制模塊的軟件設計流程圖324.2.2 溫度控制模塊的軟件設計C程序代碼334.3 溫度顯示系統的軟件設計344.3.1 LCD1602液晶顯示模塊的軟件設計流程344.3.2 LCD1602液晶顯示模塊的軟件設計C語言代碼344.4 KEIL C 環境中整個軟件程序設計36第五章總結展望385.1 論文工作總結385.2 論文中設計存在的問題和進一步工作展望38謝辭40參考文獻41附錄一42附錄二44第一章 緒論1.1 論文研究背景在人類社會的發展歷程中，溫度始終扮演著極其重要

10、的角色，它存在著生活以及生產的各個方面。不論人們是在哪里生活，從事哪種工作，無時無刻不與溫度打著交道。溫度在科學科研技術中也是非常重要的參數之一，像氣象、環保、國防、科研、航空航天和工農業生產中，溫度發揮著其不可忽視的作用，因此，溫度自動控制系統已與人們的生活息息相關，它不僅應用在工廠生產方面，家庭生活以及廠房酒店都可以見到溫度控制的蹤跡，可見溫度控制系統將更好的服務于社會，而設計一個簡單實用，價格低廉的溫度控制系統具有廣泛的應用前景和實際意義。最初，由于技術條件所限，傳統的溫度測控系統主要是由“測控電路”組成，所具備的功能比較少而且也比較弱，而且測量精度不高，成本花費較大，測量系統嚴重滯后的

11、現象屢有發生。目前，國內大多數都采用儀表控溫，由于所采用的控制設備精度低，使產品質量受到很大影響。而且很多企業由于種種原因，尚無能力購買先進的溫度自動控制系統1。國外先進國家設計的各種溫度控制自動化水平較高，基本上都裝備有完善的檢測儀表和計算機控制系統。其計算機控制系統大部分配有先進的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標。這就讓我們清楚的認識到，無論是小到家庭環境還是大到工業生產，實現節能實用的溫度控制已經變得極其重要和刻不容緩?，F在，市場上的溫度自動控制系統基本上可分為三類，它們分別是：1）基于單片機溫度控制系統；2）基于嵌入式溫度控制系統；3）基于SOPC的溫度控制系統。其中，在單片機溫度

12、自動控制系統中，材料溫度由溫度傳感器負責測量，信號通過放大器放大，毫伏信號經放大后由A/D轉換成相應的數字量，但若使用數字溫度傳感器則不需要A/D轉換，直接將數字溫度值輸出，再通過軟件編程完成對溫度值的處理，之后進入主機電路，由主機進行數據處理及判斷分析，然后輸出數字控制量去控制繼電器及加熱器，從而實現對溫度的控制，并由顯示器自動顯示溫度值。其各個部分的器件均采取市場上的主流產品，軟件部分采用c語言在keil的環境下編寫，程序可讀性高，方便調試員調試程序，同時學習起來也方便上手。此外，在軟件仿真方面，可以選擇Proteus軟件進行原理圖的設計，它是一款很好用很好上手的仿真軟件，為學習單片機降低

13、了門檻。在嵌入式溫度控制系統中，主要以應用為中心，以計算機為基礎，其軟硬件可裁剪，適用于系統對可靠性、功能、成本、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。它的主控電路由ARM及其外圍電路組成，是溫度自動控制的核心部分，負責完成整個系統的控制，信號處理和數據傳輸與存儲等工作。經測試，此控制系統工作穩定可靠，滿足了系統溫度控制精度要求，具有較高的實用價值。在基于SOPC的溫度控制系統中，主要利用SOPC 技術，將信號采集模塊和微處理模塊巧妙的集成到一片FPGA內部，并利用可編程邏輯的靈活性和Nios II 的強大處理功能，方便地實現了溫度自動控制的功能。由于FPGA 內部還有大量的邏輯資源可以利用，因此可

14、以實現更為復雜的功能2。由于FPGA 的可編程特性，可以在不改變任何外圍電路的情況下對系統進行軟硬件升級，很大程度的延長了系統的壽命周期，這也是相對于其它控制系統的優勢。基于SOPC的溫度自動控制系統運行穩定、數據傳輸可靠、操作管理方便。綜上，一般來說，單片機系統的開發應用給現代工業測量及控制領域帶來了一次新的技術革命，.將單片機控制方法運用到溫度自動控制系統中，可以克服溫度控制系統中存在的嚴重滯后現象，同時在提高采樣頻率的基礎上可以很好的提高控制效果和控制精度。尤其對于一些小型的系統來說，配置一個大型的高速處理機沒有任何必要，因為這些小系統追求經濟效益，而不是最在乎系統的高速性，所以用成本低

15、廉的單片機控制一些小型的，而又不是很復雜，且又不需要大量復雜運算的系統是非常適合的。而今，隨著新興電子技術以及應用需求的發展，單片機技術得到了迅速的發展，其在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面有了很大的進展。伴隨著科學技術的飛速發展，電子技術有了更高的飛躍，我們現在完全可以運用單片機以及電子溫度傳感器對某處進行溫度檢測、控制，而且我們可以很容易進一步地做到多點的溫度檢測，如果對此程序以及原理圖進行稍加改進，我們還可以進行不同地點的實時溫度檢測和控制。1.2 論文研究內容本課題主要研究溫度自動控制系統在生產生活中的應用，主要是側重于應用在水溫的控制上。在充分的市場調研的基礎上，本論文確定了利

16、用AT89C51單片機、DS18B20串行數字溫度傳感器以及LCD1602顯示器、繼電器、加熱器等器件來實現溫度的自動采集、控制和顯示的問題，實現了溫度數據控制的自動化，智能化。本文的主要研究工作包括以下幾個方面：1分析溫度自動控制的基本原理，確定了使用AT89C51單片機為核心器件的方案。2對溫度自動控制的工作原理作深入研究分析，并確定以單片機最小系統和DS18B20模塊以及LCD1602模塊為基礎的系統硬件設計，包括一些含晶振電路、電源電路和利用繼電器、加熱器控制加熱電路等的設計，方便我們調試論證。3針對系統硬件電路的設計，結合原理圖的硬件接口方式，給出了溫度自動控制系統的軟件設計流程及部

17、分的C程序代碼。4. 利用keil c軟件與Proteus仿真軟件的聯合調試，對溫度數據采集、顯示及控制軟件系統各功能模塊進行硬件原理圖仿真。5對系統進行軟硬件調試。1.3 論文研究意義1在現代社會中，不論人們是在哪里生活，從事哪種工作，無時無刻不與溫度打著交道。隨著人們生活水平的不斷提高，隨時隨刻的了解溫度，控制溫度變化已成為日常生活中不可或缺的一部分，像空調，家用飲水機等家用電器已經非常普及，為了滿足人們對日常生活的快節奏和便利化的迫切需求，以及響應如今環保人士大力倡導節約能源等要求，常常需要實現溫度的自動控制。2溫度還是科學實驗、氣象、環保、國防、科研、航空航天和工農業生產中的重要參數。

18、因此，溫度控制是現代控制技術的重要組成部分，是控制系統中最為常見的控制類型之一，在保證產品質量、節約能源和安全生產等方面起著關鍵的作用。如果對本設計的程序以及AT89C51單片機、DS18B20溫度傳感器以及LCD1602顯示器的電路原理圖結構接口進行稍加改進，我們還可以進行不同地點的實時溫度檢測和控制，進而廣泛的運用于工業數據采集，及家庭自動化等領域。1.4 論文的組織結構本文共分為五章，內容安排如下：第一章為緒論，主要介紹了傳統的以及目前市場上溫度自動控制系統的發展現狀及論文的研究背景，在此基礎上提出了利用以單片機最小系統和DS18B20模塊以及LCD1602模塊為基礎的系統硬件方案設計，

19、并闡述了選擇本課題的意義以及論文的主要內容和結構安排。第二章為系統的總體方案設計及主要器件的選型。針對目前市場上對溫度自動控制的主要需求，確定系統要實現的目標，歸納總結了溫度自動控制系統的工作流程，并完成系統主要器件的選型：AT89C51單片機，DS18B20串行數字溫度傳感器以及LCD1602液晶顯示器。最后，本章還簡要介紹了系統的軟件開發環境keilc 以及電子仿真軟件Proteus。第三章為系統的硬件設計，根據系統的功能將本系統劃分為溫度的采集、溫度的控制和溫度的顯示三大部分，其中溫度控制部分包括AT89C51單片機通過繼電器對加熱器進行控制部分電路的硬件設計。第四章為系統的軟件設計，本

20、章在上一章硬件分析的基礎上，介紹了整個系統的軟件設計思路，并根據溫度自動控制的具體功能要求，劃分模塊進行詳細分析，主要包括溫度采集系統DS18B20串行數字溫度傳感器的軟件設計，溫度控制系統的軟件設計和溫度顯示系統LCD1602液晶顯示器的軟件設計。第五章為總結和展望?？偨Y了本文所論述的系統的實現過程及其主要工作，并就當前系統指出存在的不足與下一步改進的方向。第二章系統的總體設計和主要器件的選型本章首先介紹溫度在日常生產生活中不可替代的作用以及目前市場上對溫度自動控制各個方面的需求，進一步確定了本論文設計的目標和任務，分析已有溫度自動控制設備的工作特點，確定本論文的設計方案。在此基礎上，對所采

21、取的方案中要用到的器件進行了合理的選型。2.1 系統的總體設計思路近些年來，隨著經濟的飛速發展，人們對生活生產的便利性和高效性有了更高的要求，溫度自動控制系統作為控制系統的重要組成部分，近年來也得到了快速的發展。不僅在現代化工業生產中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐以及鍋爐中的溫度進行檢測和控制甚至精確的顯示；另一方面，不論人們是在哪里生活，從事哪種工作，無時無刻不與溫度打著交道，隨著人們生活水平的不斷提高，隨時隨刻的了解溫度，控制溫度變化已成為日常生活中不可或缺的一部分。此外，在工業企業中，如何提高溫度控制對象的運行性能這類控制問題由于對象慣性大，滯后現象嚴重，存在很多不確定的因素

22、，難以建立精確的數學模型，從而導致控制系統性能不佳，甚至出現控制不穩定、失控等現象。加之在日常家庭生活中，像飲水機、空調等家用設備更新換代日益加快，人們的要求也越來越高。這就讓我們清楚的認識到，無論是小到家庭環境還是大到工業生產，實現節能實用的溫度自動控制已經變得極其重要和刻不容緩。為了避免上述問題造成的資源浪費以及損失，本文采用DS18B20串行數字溫度傳感器，該傳感器具有微型化、封裝簡單、低功耗、高性能抗干擾能力、測量范圍廣等優點，可使系統測量更加精確，電路更加簡單。經實驗測試證明，設計的樣機系統測溫控溫精度均為01，測溫控溫的范圍可達-55+125，可廣泛應用于家用電器、汽車和冷庫等領域

23、9。另外在進一步加上AT89C51單片機和LCD1602液晶顯示器、繼電器以及加熱器等，這樣的產品更小型化、智能化，既提高了產品的功能和質量，又降低了成本，簡化了設計。本論文總體設計思路如下：1. 本溫度自動控制系統的軟件系統設計中軟件部分采用模塊化設計，其具有獨立性，便于程序的檢錯及改動。將溫度的采集和顯示作為子程序模塊，而在主程序中主要是對溫度數據的循環控制，時刻檢測并將溫度數據顯示到液晶顯示器上，因此軟件模塊部分由主程序、溫度采集子程序和溫度數據顯示子程序組成。將這些編成獨立的模塊，打包后整合成一個完整的程序。系統的軟件結構框圖如圖2.1所示。2. 硬件是由單片機主體部分、DS18B20

24、數據采集部分、LCD1602顯示部分、溫度控制執行器件部分組成。本系統使用+5V電源，其中單片機AT89C51、數據檢測部分DS18B20和溫度控制部分的繼電器均使用+5V電源進行供電，然后把AT89C51和繼電器共地，否則將會出現在預設范圍內無法控制溫度的情況。系統的硬件結構框圖如圖2.2 所示。圖2.1 軟件結構框圖圖2.2 硬件結構框圖2.2 系統的主要優點（1）該系統溫度測量部分采用DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器DS18B20，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、測量范圍廣、強易配處理器等優點。（2）該系統溫度控制部分采用AT89C51單片機作為主控芯片。該芯片是一款高

25、性能的CMOS 8位微處理器，自帶4 KB閃存，產品性價比較高，滿足系統的設計需求。該系統中主控芯片AT89C51不斷的對采集到的溫度信號與輸入的控制溫度進行比較，若超出設定范圍則啟動升溫裝置，直至溫度到達設定的范圍區間內。另外，軟件Proteus為AT89C51/AT89C52提供了良好的仿真環境。（3）該系統溫度顯示部分采用LCD1602液晶顯示器。它具有體積小，功耗低，顯示內容豐富，超薄輕巧等優點，在袖珍式儀表以及低功耗應用系統中得到了廣泛的應用。目前字符型液晶顯示模塊已經是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件。另外，LCD1602液晶顯示模塊可以顯示兩行,每行16個字符,采用單+5V電

26、源供電,外圍電路配置簡單,價格便宜,具有很高的性價比。（4）該系統運用了軟件KEIL C和Proteus 聯合進行軟件和硬件的設計與仿真調試，為本系統提供了良好的設計平臺。2.3 主要器件的選擇2.3.1 微處理器的選擇作為應用系統的核心部件，微處理器的選擇對整個系統的性能起著至關重要的作用。本系統重點從性價比及簡捷方面考慮如何去選擇器件，所選元器件需要滿足低價格、開發簡單的特點。在市場上像工控領域的單片微處理器，目前廣泛應用的有 51 系列的 8 位單片機、面向大量數字信號處理領域的數字信號處理器（DSP）以及 32 位的 ARM 芯片。 51 單片機作為從八十年代就開始流行的處理器，其價格

27、低廉，開發技術成熟，應用廣泛，其不足在于 ROM和 RAM 的容量比較小，功能過于簡單，計算能力有限，但是目前好多公司已經制造出與 51兼容的單片機，其代表型號是ATMEL 公司的AT89系列，在目前乃至今后很長一段時間內的將占有大量市場。其 FLASH ROM 能達到 64K，并且執行速度更快，可以達到 40MHz，完全可以應用于目前小型測控系統功能和速度的要求8。DSP 器件在工控領域的應用，從長遠的觀點來看是一個必然的趨勢。但從現階段各種 DSP 器件的情況來看，則偏重于高端應用領域，其結構功能設計側重于有大量數字信號處理的場合，如雷達、多媒體等領域，不適合在數據處理量不大的小型系統使用

28、。而且目前其價格較高，開發技術難度大。 ARM 芯片具有體積小、功耗低、低成本和高性能的特點，但是與 DSP 器件一樣，不適合應用在小型系統的場合。 綜合以上考慮，本系統選用 ATMEL公司的AT89C51單片機為控制處理核心。由它完成對采集的溫度數據的處理，以及通過控制繼電器和加熱器完成對溫度數據的控制。這里需要特別說明的一點是，雖然目前市場上已有非常先進的單片機，如32位ARM，DSP等，但是由于本次設計采用Proteus電子仿真軟件進行電路原理圖仿真，它為我們提供了AT89C51/AT89C52單片機的元件仿真，這也是我們選用AT89C51的一個原因，當然微處理器完全可以用別的型號單片機

29、進行替代。Atmel公司的89系列單片機主要性能：AT89C51是一種高性能、低電壓的CMOS8位微處理器，其內部帶4KB字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器，也稱單片機。由于將閃爍存儲器和多功能8位CPU組合在一個芯片中， AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。其主要工作特性特點有6： 1）與MCS-51 兼容；2）內置4KB字節的可編程FLASH存儲器，擦寫次數1000次；3）具有32根可編程I/O線；4）數據保留時間10年；5）AT89C51的工作電源電壓為5（1+/-0.2）V且典型值為5V；6）AT89C51的最高工作頻率為24MHz；7）內

30、含128*8位RAM8）具有1個數據指針DPTR；9）具有2個16位可編程定時器/計數器；10）具有6個中斷源、5個中斷矢量、2級優先權的中斷結構；11）具有1個雙全工的可編程串行通行接口；12）兩種低功耗的工作模式，即空閑模式和掉電模式；13）具有可編程的3級程序鎖定位。2.3.2 溫度傳感器的選擇溫度傳感器是整個溫度自動控制系統的核心部件，它的選擇成功與否將直接關系到溫控系統的性能、成本和開發周期。正確的選擇溫度采集器件可以使研發過程少走彎路，降低成本，更快地將產品推向市場?；诒鞠到y的實際需求，應該選用成本低、體積小、功耗低、集成度高、兼容性強、外圍元件少、抗干擾能力強、接口簡單、開發使

31、用方便的串行數字溫度傳感器。目前，市場上的溫度傳感器大致可分為模擬溫度傳感器和數字溫度傳感器兩大類10。1) 模擬溫度傳感器其輸出的信號通常是電流、電壓等線性信號，要通過信號前端調理電路和A/D轉換電路來實現數字化，才能輸入到PIC控制核心來運算。其優點是常用、采購容易、價格低廉，配合不同類型的ADC，可實現不同檔次的精度需求。但是其缺點是電路復雜、易受外部干擾且通常要進行硬件或者軟件算法的補償措施。2) 數字化溫度傳感器數字化的溫度傳感器是內部集成了傳感器、調理電路和A/D轉換等電路，可直接輸出數字信號，也可直接與PIC單片機相連。其優點是直接輸出數字信號，省去了信號調理電路、軟件算法補償電

32、路和AD電路等。但它的不足之處是分辨率固定，無法通過硬件方法提高精度。通過實際比較，本系統選用串行數字傳感器DS18B20，它是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，其溫度測量范圍為55125,可編程為9位12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出。其工作電源可以有兩種方式輸入，既可以在遠端引入也可以采用寄生電源方式產生。多個DS18B20可以并聯到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離、多點溫度檢測系統。DS18B2

33、0特點4：1獨特的單總線接口方式，在與單片機連接時僅需要一條引腳，可以實現單片機與DS18B20的雙向通信；2. 適應電壓范圍寬，電源電壓范圍為3.3V5V，寄生電源方式下可由數據線供電；3. 支持多點組網功能，多個DS18B20可以通過并聯的方式，實現多點組網測溫；4測溫范圍為：-55+125，在-10+85范圍內，精度為O.5。5可編程的分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125、0.0625，可實現高精度測溫；6數字量的轉換精度及轉換時間可通過簡單的編程來控制：9位精度的轉換時間為93.75 ms；10位精度的轉換時間187.5ms；12位精度的轉換時間750m

34、s。7.不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內；8測量結果直接輸出數字溫度信號，以一條總線串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；DS18B20的工作原理及應用9：DS18B20把溫度檢測與數字數據輸出集成于一個芯片之上，從而抗干擾能力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測部分和數據處理部分。此外，DS18B20共有三種形態的存儲器資源，分別是：（1） ROM只讀存儲器，用于存放DS18B20的ID編碼，其前八位是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H）、后四十八位是芯片唯一的序列號，最后八位是以上五十六位的CRC碼。

35、數據在出廠時已被設置，不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。（2）RAM數據暫存器，用于內部計算機和數據存取，數據在掉電后消失，DS18B20共9個字節的RAM，每個字節為八位，如圖2.3所示。其第一、二個字節是溫度轉換后的數值信息，第三、四字節是高溫觸發器TH和低溫觸發器TL的易失性拷貝，第五個字節為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率，DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數值，以上字節的內容每次上電復位時均被刷新。配置寄存器字節各位的定義如圖2.4所示。低五位一直為1，TM是工作模式位，用于設置DS18B20是在工作模式還是在測試模式，DS18B20

36、出廠時此位被設置為0；R1和R0用來設置分辨率，決定溫度轉換的精度的位數。溫度LSB溫度MSBTH用戶字節1TL用戶字節2配置寄存器保留保留保留CRC圖2.3 DS18B20的RAMTMR1R011111圖2.4 配置寄存器字節定義液晶顯示器的選擇目前市場上顯示設備的發展日新月異，在選用時，主要考慮以下幾個方面11：（1） 如果只需要顯示英文和數字，而且一屏所顯示的內容不超過字符型液晶的最大限制(比如404)，就可選擇字符型液晶，直接與MPU連接即可。（2）如果需要動態地顯示漢字和圖形，那么，只能選擇圖形點陣式液晶。大部分圖形點陣式液晶自帶控制器，直接連接MPU即可。（3）一般128*64以上

37、點陣以上的液晶，除了邏輯電壓（VDD，5V或3.3V）之外，還需要一個驅動LCD的電壓，即偏壓（VEE，多數為負壓，也有正壓），才可以使液晶屏正常顯示。如今，大部分產品都可以將這個偏壓電路內建在模塊上，非常方便。（4） 背光選擇，若從另一個角度將液晶分類，可分為透射式、反射式和半反半透式液晶三類。因為液晶為被動發光型顯示器，所以必須有外界光源，液晶屏才會有顯示。（5） 溫度范圍，如今產品大都是寬溫型的，即：工作溫度-20-70；儲存溫度-30-80。如果需要超寬溫的產品，則需要量身訂做才行。本文采用LCD1602液晶顯示模塊模擬顯示。其工作原理和性能并不是本文的重點，因此不作詳細介紹。LCD1

38、602的結構塊圖如圖 2.5所示，引腳功能如表2.2所示。表 2.2 LCD1602的引腳接口定義引腳號符號說明1Vss電源地（GND）2Vdd電源電壓（+5V）3V0LCD驅動電壓（可調）4RS寄存器選擇輸入端，輸入MPU選擇模塊內部寄存器類型信號；RS=0，當MPU進行寫模塊操作，指向指令寄存器；當MPU進行讀模塊操作，指向地址計數器；RS=1，無論MPU讀操作還是寫操作，均指向數據寄存器5R/W讀寫控制輸入端，輸入MPU現則讀/寫模塊操作信號：R/W=0 讀操作； R/W=1 寫操作6E時能信號輸入端，輸入MP選擇讀/寫模塊操作信號：讀操作時，高電平有效；寫操作時，下降沿有效7DB0數據

39、輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數據傳送通道4位方式通訊時不使用DB0到DB38DB1數據輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數據傳送通道9DB2數據輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數據傳送通道10DB3數據輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數據傳送通道11DB4數據輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數據傳送通道12DB5數據輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數據傳送通道13DB6數據輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數據傳送通道14DB7數據輸入/輸出口，MPU與模塊之間的數據傳送通道15A背光的正端+5V16K背光的負端0V圖2.5 LCD1602的結構塊圖2.4 MCU溫度控制模塊在本溫度控制系統中

40、，為了更加方便控制加熱設備，我們采用了AT89C51單片機控制加熱設備來對溫度進行控制，加熱設備主要包括兩部分：繼電器和加熱器。由DS18B20溫度傳感器采集來的溫度數據經過單片機處理后，通過繼電器進行電壓轉換，進而為加熱器提供額定電壓驅動其進行正常的加熱工作。2.4.1 繼電器的作用及選型繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統和被控制系統，也稱輸入回路和輸出回路，通常應用于自動控制電路中，它是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、轉換電路、安全保護等作用13。1.繼電器的繼電特性13：當繼電器的輸入信號a0從零開始，連續增加達到銜鐵開始吸合時的值a1,繼電器

41、的輸出信號立刻從b=0跳躍到b=bm,即常開觸點從斷開到導通。一旦觸點閉合，輸入量a0繼續增大，輸出信號b將不再起變化。當輸入量a0從某一大于a1值下降到a2,繼電器開始釋放，常開觸點斷開。繼電器的這種特性即為繼電特性，也叫繼電器的輸入-輸出特性。反饋系數釋放值a2與動作值a1的比值，即：Kf= a2 /a1。控制系數觸點上輸出的控制功率PC與線圈吸收的最小功率P0之比，即：Kc=PC/P0。2.電磁繼電器的工作原理和特性:電磁式繼電器由鐵芯、線圈、磁鐵和觸點簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，進而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁引力的作用下克服彈簧的拉力而被吸向鐵

42、芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點相吸合。當線圈斷電后，電磁的吸引力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點釋放。經過這樣的吸合與釋放，達到了在電路中的導通與切斷的目的。3. 選用繼電器的一般原則：1)繼電器的主要技術性能，如觸點負荷,動作時間的參數，機械和電氣壽命等,應滿足整機系統的要求；2)繼電器的結構型式(包括安裝方式)與外形尺寸應能適合使用條件的需要；3)經濟合理。在本溫控系統中，我們選用RTE24005F作為本次設計的所選用的繼電器。2.4.2 加熱器的工作原理及分類1.加熱器工作原理13加熱器的工作原理是把一個匝數較多的初級線圈與一個匝數較少的次級線

43、圈裝在同一個鐵芯上。其特性是輸入與輸出的電壓比等于線圈匝數之比，同時總能量保持不變。因此，次級線圈可以在低電壓的條件下產生較大電流。2.加熱器技術性能與特點131) 功率大，體積小，升溫快。2) 采用智能控制模式，控溫精度高，可能與計算機聯網。 3) 應用范圍廣，壽命長，可靠性高。3.加熱器的基本分類：1) 陶瓷加熱器2) 不銹鋼加熱器3) 鑄件加熱器2.5 KEIL C51與Proteus的簡介本系統的設計、開發和調試采用單片機 C 語言編程，使用KEIL uVsion2 軟件對程序進行編輯、編譯和調試，并使用Proteus電子仿真軟件對硬件電路原理圖進行仿真 。2.5.1 KEIL C51

44、開發環境C 語言是一種通用的計算機程序設計語言，它提供高效的代碼，結構化的編程，和豐富的操作符。其語言簡潔，使用靈活方便，可移植性好，表達能力強，具有直接訪問機器物理地址的能力。C 不是一種大語言，不是為任何特殊應用領域而設計，它一般來說限制較少，可以為各種軟件任務提供方便和有效的編程。許多應用程序用 C 編寫比其他語言編寫更方便和有效8。Keil C51是51系列兼容單片機C語言軟件開發系統,是由美國Keil Software公司出品的。與匯編語言相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。另外， Keil C51軟件還提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試

45、工具，全Windows界面。除此之外， Keil C51生成的目標代碼效率非常高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解，在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。KEIL C51 編譯器可以直接對 51 系列單片機的內部特殊功能寄存器和 I/O口進行操作，可以直接訪問片內或片外存儲器，還可以進行各種位操作。優化的 KEIL C51 編譯器完整的實現了 ANSI 的 C 語言標準。對 8051 及其兼容的產品來說，KEIL C51不是一個通用的 C 編譯器，它首先的目標是生成針對 8051 的最快和最緊湊的代碼，KEIL C具有C 編程的彈性，具有高效的代碼和匯編速度。C 語言不能執行的操作 （

46、如輸入和輸出） 需要操作系統的支持。這些操作作為標準庫的一部分提供。因為這些函數和語言本身無關，所以 C 特別適合對多平臺提供代碼。既然 KEIL C51 是一個交叉編譯器，C 語言的某些方面和標準庫就有了改變或增強，以適應一個嵌套的目標處理器的特性。Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解，在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。目前，keil的版本已經出到keil uVision4。keil軟件常與proteus電子仿真軟件相配合使用。2.5.2 Proteus電子仿真軟件Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的

47、一款實用的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及其外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。Proteus從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，進而真正實現了從概念到產品的完整設計。它是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、AVR、ARM、8086和MSP430等，并在持續增加其他系列處理器模型。另外，在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器4。1.功能特點Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（如multisim）的功能。這些

48、功能是： （1）原理布圖 （2）PCB自動布線或人工布線 （3）SPICE電路仿真 Proteus的特殊的優點 ： （1）互動的電路仿真 （2）仿真處理器及其外圍電路 2.功能模塊4 （1）智能原理圖設計（ISIS）（2）完善的電路仿真功能（Prospice）（3）獨特的單片機協同仿真功能（VSM）（4）實用的PCB設計平臺3.資源豐富（1）Proteus可提供的仿真元器件資源仿真數字和模擬、交流和直流等數千種元器件，有30多個元器件庫。 （2）Proteus可提供的仿真儀表資源示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調試器、信號發生器、模式發生器、交直流電壓表、交直流電流表等。理論上，同一種儀器

49、可以在一個電路中隨意的調用。 （3）除了現實存在的儀器外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能的減少了儀器對測量結果的影響。 （4）Proteus可提供的調試手段 Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數字信號。4.電路仿真在Proteus中繪制好電路原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件 *.HEX，可以在PROTEUS的原理圖中觀察到模擬的實物運行狀態和過程。Proteus不僅可將

50、許多單片機實例的功能形象具體化，也可將許多單片機實例的運行過程形象具體化。后者則是實物演示實驗難以達到的效果。它的元器件、連接線路等也和傳統的單片機實驗硬件高度對應。第三章溫度自動控制系統的硬件設計本章主要介紹整個溫度自動控制系統的硬件配置。將從溫度采集系統的硬件設計、溫度控制系統的硬件設計和溫度數據顯示系統的硬件設計三方面進行闡述。其中還進一步附帶介紹了各個部分所用主要器件的簡單介紹。該硬件部分設計是整個設計的關鍵，是軟件程序設計的基礎。3.1 溫度采集系統的硬件設計3.1.1 DS18B20串行數字傳感器的介紹本系統中溫度檢測模塊主要使用的是DS18B20為傳感器。該芯片性價比很高，可達到

51、精度11位的精度，即最小分辨率可達0.0625攝氏度，測溫范圍為(-55,125)。MCU與其通信只需要一個線，使用很方便，電路連接上也是非常簡單。通過DS18B20直接讀取被測溫度值，進行數據轉換，該器件的物理化學性能穩定，線性度較好，在0100最大線性偏差小于0.01。該器件可直接向單片機傳輸數字信號，便于單片機處理及控制。DS18B20 單線數字溫度傳感器，即“一線器件”，其具有獨特的優點已在本文第二章中有過簡要介紹，這里主要對DS18B20的測溫原理和其主要的兩種工作方式等方面作簡要介紹。 1.DS18B20 的內部測溫電路框圖如圖 3.1所示。圖3.1 DS18B20 的內部測溫電路

52、框圖從圖3.1可以看出，DS18B20主要由斜率累加器、溫度系數振蕩器、減法計數器和溫度寄存器等部分組成。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于減法計數器的預置值。溫度系數振蕩器用于產生減法計數器脈沖信號，其中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器 1 ，為計數器提供頻率穩定的計數脈沖。而高溫度系數晶振隨溫度變化其震蕩頻率會明顯改變，是很敏感的振蕩器，其所產生的信號作為減法計數器 2 的脈沖輸入，為計數器 2 提供一個頻率隨溫度變化的計數脈沖9。2. DS18B20 溫度傳感器的存儲器和設置寄存器9DS18B20 溫度傳感器的內部存儲

53、器包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 E2RAM, 后者存放高溫度和低溫度觸發器 TH 、TL 和結構寄存器。數據先寫入 RAM ，經校驗后再傳給 E2RAM 。 DS18B20的暫存寄存器分布如下表 3.1所示：表 3.1 暫存寄存器的分布寄存器的內容地址溫度的低八位數據0溫度的高八位數據1高溫閥值2低溫閥值3保留4保留5計數剩余值6每度計數值7CRC校驗8 在 64B ROM 的最高有效字節中存儲有循環冗余校驗碼（ CRC ）。主機根據 ROM 的前 56 位來計算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比較，以判斷主機收到的 ROM 數據是否正確。DS

54、18B20的設置寄存器位于高速閃存的低5個字節，這個寄存器中的內容被用來確定溫度的轉換精度。寄存器各位的內容如下表 3.2所示：表 3.2 設置寄存器的分布BIT 7BIT 6BIT 5BIT 4BIT 3BIT 2BIT 1BIT 0TMR1R011111該寄存器的低五位一直都是1，TM是測試模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在 DS18B20 出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動。 R1和R0用來設置分辨率。3. DS18B20 使用中注意事項10DS1820雖然具有測溫系統簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優點，但在實際應用中也應注意以下幾方面：（1）每一次讀

55、寫之前都要對 DS18B20 進行復位，復位成功后發送一條 ROM 指令，最后發送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行預定的操作。（2）在寫數據時，寫 0 時單總線至少被拉低 60us，寫 1 時 ，15us內就得釋放總線。（3）轉化后得到的 12 位數據，存儲在 DS18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于0，這 5 位為 0 ，只要將測到的數值乘于 0.0625 即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為 1 ，測到的數值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到實際溫度。（4）較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，

56、由于 DS18B20 與微處理器間采用串行數據傳送，因此，在對 DS1820 進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。（5）當單總線上所掛 DS1820 超過 8 個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統設計時要加以注意。（6）在 DS1820 測溫程序設計中，向 DS1820 發出溫度轉換命令后，程序總要等待 DS1820 的返回信號，一旦某個 DS1820 接觸不好或斷線，當程序讀該 DS1820 時，將沒有返回信號，程序進入死循環。 溫度采集電路這里對DS18B20的內部結構做一簡要介紹，以便于理解和設計其與AT89C51單片機的接口連接電路。DS18B20內部結構如圖3.2，主要由4