基于单片机的水温控制系统的研究与设计

1、-摘要近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益的更新。本文从硬件和软件两方面来讲述对温度的自动控制过程,在控制过程中主要应用AT89C51、ADC0809、LED显示器、LM324比较器，和通过 DS18B20数字温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过七位数码管显示实时温度的一种数字温度计。软件方面采用汇编语言来进展程序设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化构造，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。最后,对系统功能和性能进展了考核和评估，结果说明系统的准确度和准确度较现有仪器有较大提高。关键词：单片机系统传感器数据采集模数转换器温度目录第一章绪论31.1 课题的背景及其意义31.2 课题研究现状31.3 课题研究的内容及要求31.3.1 课题的主要研究内容31.3.2 课题的主要研究内容3第二章 AT89C51系列单片机工作原理的研究32.1 AT89C51及80C51系列根本组成及特性32.2 AT89C51及80C51系列引脚功能32.3 AT

2、89C51系列单片机的功能单元3第三章温度控制器的硬件设计33.1 硬件设计33.2 温度采样局部33.3 控制温度33.4 模数转换局部33.5 模数转换技术33.6 积分型模数转换器33.7 显示局部3第四章温度控制器的软件设计34.1 主程序流程图34.2 读温度子程序34.3 计算温度子程序34.4 按键流程图34.5 显示流程图3第五章结论3致谢3参考文献3. z.-第一章绪论1.1 课题的背景及其意义现代工业设计，工程建立及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，

3、提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的效劳于社会生产，生活。电子技术的飞速开展，给人类的生活带来了根本的的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机，更是将人类社会带入了一个新的时代。利用微机的强大功能。人们可以完成各种各样的控制。然而，微机造价高，对于大多数的工业控制来说，也并不需要微机那样强大的功能，于是单片机就运用而生了。单片机其实就是一个简化的微机1，将微机的CPU，存储器，I/O接口。定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机了，它主要用来完成各种控制功能2。相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单的控制场合以降低本钱。另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可在工业现场复杂的环境下运行3。单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业控制，数据采集，智能化仪表，家用电器等方面得到极为广泛的应用。温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产平安、促进国民经济的开展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度

4、传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断开展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进展有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。但温度是一个模拟量，如果采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量虽不困难，但电路较复杂，本钱较高。相比传统温度控制器，本次设计将有明显的改变。不仅能实现温度数据的测量与控制，还提高了控制精度的可靠性和稳定性。传统温度控制器的控制精度普遍不高，不能满足对温度要求较为苛刻的生产环节。目前国内温度监控系统的研究正在飞速的开展，被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域等方面，但对温度要求比较严格的场合，我国的设备根本无法胜任,更提供不了具有建立性的、有价值决策的数据。而国际上新型温度监控器正从模拟式向数字式

5、、由集成化向智能化、网络化的方向开展。另一方面智能温度监控器正朝着低功耗、智能化、高精度、平安性及研制单片测温系统等高科技的方向迅速开展。本系统设计一个以AT89C51为核心的水温控制系统，能在一定的范围内采集监控水温，控制精度有所提升，同时具有较好的快速性，报警，七段数码管显示等功能并且价格低廉，具有很高的工程应用价值和现实意义。1.2 课题研究现状温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进展变化。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在*一数值上，且要求其波动幅度即稳态误差不能超过*一给定值。20世纪80年代开场，国外在单回路PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID控制理论从此进入了高速开展阶段。人工智能是应用除了数学式子以外的方法把人们的思维过程模型化，并利用计算机来模仿人的智能的学科。智能控制就是应用人工智能的理论与技术和运筹学的优化方法，并将其同控制理论方法与技术相结将智能控制与PID控制相结合，实现温度的智能控制。智能控温法采用神经元网络和模糊数学为理论根底，并适当加

6、以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的开展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差异主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种缺乏的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的缺乏而导致控制精度不稳定等。1.3 课题研究的内容及要求1.3.1 课题的主要研究内容本文所要研究的课题是基于单片机控制的水温控制系统的设计，主要是介绍了对水箱温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。水箱水温控制局部，提出了用DS18S20、AT89C51单片机及LED的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。而炉内温度控制局部，采用一套PID闭环负反响控制系统，由DS18S20检测炉内温度，用中值滤波的方法取一个值存入程序存取

7、器内部一个单元作为最后检测信号，并在LED中显示。控制器是用89C51单片机，用PID算法对检测信号和设定值的差值进展调节后输出控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制炉内温度。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点的温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS18S20都有唯一的产品号，可以一并存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS18S20供电，而且不需要额外电源。同时DS18S20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。而且利用本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制局部和人机对话局部来共同实现温度的监测与控制。1.3.2 课题的主要研究内容能够连续测量水的温度值，用十进制数

8、码管来显示水的实际温度。能够设定水的温度值，设定范围是3090。能够实现水温的自动控制，如果设定水温为85，则能使水温保持恒定在85的温度下运行。用单片机AT89C51控制，通过按键来控制水温的设定值，数值采用数码管显示。. z.-第二章 AT89C51系列单片机工作原理的研究2.1 AT89C51及80C51系列根本组成及特性AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。而在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式到达瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。AT89C51根本功能描述如下：AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦

9、除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积, 增加系统的可靠性，降低了系统本钱。只要程序长度小于4k, 四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且写入时间仅10毫秒, 仅为8751/87C51 的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89C51 芯片提供三级程序存储器锁定加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段, 能完全保证程序或系统不被仿制。另外,AT89C51 还具有MCS-51系列单片机的所有优点。1288 位内部RAM，32 位双向输入输出线, 两个十六位定时器/计时器, 5个中断源, 两级中断优先级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的, 当外围器件仍然处于工作状态时, CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态, 内部RAM和所有特殊的存放器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限, 当振荡器停顿振动时, CPU 停顿执行指令。该芯片内RAM和特殊功能存放器值保持不变, 一直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。AT89C51与T89S51相比,外型管脚完全一样，AT89C51的HE*程序无须任何转换可直接在AT89S51运行,结果一样。它们之间主要区别在于以下几点：引脚功能：管脚几乎一样,变化的有,在AT89S51中P1.5,P1.6,P1.7具有第二功能,即这3

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