51单片机基于自动水温控制系统的应用

江西现代职业技术学院毕业设计（论文）题目：基于 51 单片机的水温自动控制系统应用姓 名： xxxxxxxx 学 院： 信息工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级：11 电子信息工程技术班 指导老师： xxxxxx 提交时间： 2013 年 10 月 29 日 论文题目：基于 51 单片机的水温自动控制系统应用姓 名：xxxxxx班 级：11 电子信息工程指导教师：xxxxx摘要：为了实现高精度的水温控制，本文介绍了一种以 AT89c51 单片机为控制核心、以一种新型的可编程温度传感器（DS18B20）为温度采集器件来实现的水温控制系统。文章着重介绍核心器件的选择、各部分电路及软件的设计。AT89c51 单片机完善的内部结构、优良的性能和强大的中断处理能力，决定了该控制系统的特点：电路结构简单、程序简短、系统可靠性高等。同时，采用新型的可编程温度传感器（DS18B20） ，不需要复杂的信号调理电路和 A/D 转换电路，能直接的与单片机完成数据的采集和处理，实现方便、精度高，根据不同需要用于各种场合。 关键词：AT89c51 单片机 DS18B20 控制目录一、概述 .1（一）单片机的基本知识 .11.单片机的产生与发展 .12.单片机的应用与展望 .2（二）水温自动控制系统相关的发展历程 .41.传统水温控制系统及其特点 .42.基于单片机控制的水温控制系统及其特点 .43.国内国外单片机温度控制系统发展历程 .4（三）温度控制系统的目的与功能 .61.温度控制系统的目的 .62.温度控制系统完成的功能 .6二、系统方案 .6（一）水温控制系统的设计任务和要求 .6（二）系统总体方案的选择 .7三、元器件选 型及硬件电路设计 .9（一）元器件选型 .91.温度传感器 .92.键盘 .123.数码管 .124.继电器 .135.AT89C51 单片机 .13（二）硬件电路设计 .171.温度采集电路 .172.键盘电路 .173.LED 显示器工作 原理 .184.数码管显示原理图电路 .195.输出驱动电路 .206.蜂鸣报警电路 .207.无水检测电路 .218.溢流控制电路 .219.掉电保护功能电路 .22四、系统软件设计 .23（一）使用软件简介 .231.Keil 软件 .232.Proteus 软件 .23（二）程序结构说明 .24（三）程序流程图 .241.温度采集处理程序 .242.操作指引 .253.主程序 .254. 键盘程序 .25五、实验测试 .27（一）数码管显示“1234” .27（二）键盘及数字显示结合 .27（三）整机调试 .27六、结论与体会 .29参 考 文 献 .301基于 51 单片机的水温自动控制系统应用一、概述温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。特 别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要加热炉炉温进行测、显示、控制，使之达到工艺标准，以单片机为核心设计的炉温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度（起码是在满足我们要求的范围内） ，帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的。而当今，随着电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是以达到的而且是容易实现的。用高新技术来解决工业生产问题， 排除生活用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务，以此来加强工业化建设，提高人民的生活水平。（一）单片机的基本知识1.单片机的产生与发展单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛，它的产生与发展和微处理器的2产生与发展大体同步。自 1971 年美国 Intel 公司首先推出 4 位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为 5 个阶段：第 1 阶段（19711976）：单片机发展的初级阶段。1971 年 11 月 Intel 公司首先设计出的 4 位微处理器 Intel 4004，并配有 RAM、ROM 和移位寄存器，构成了一台 MCS-4 微处理器，而后有推出 8 位微处理器 Intel 8008,以及其它各公司相继推出的 8 位微处理器。它们虽说还不是单片机，但从此拉开研制单片机的序幕。第 2 阶段（19761980）：低性能单片机阶段。这阶段的单片机采用将 CPU与计算机外围电路集成到一块芯片上的技术，标志着单片机与通用 CPU 的分道扬镳，在构成新型工业微控制器方面取得了成功，为进一步发展单片机开辟了成功之路。第 3 阶段（19701983）：高性能单片机阶段。这一阶段推出的高性能 8 位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个 16 位定时器/计数器。片内RAM、ROM 的容量加大，且寻址范围可达 64 KB，个别片内还带有 A/D 转换接口。这类单片机拓宽了单片机的应用范围，使之能用于智能终端、局部网络的接口等。第 4 阶段（198380 年代末）：16 位单片机阶段。1983 年 Intel 公司又推出了 16 位单片机 MCS-96 系列，由于其采用了最新的制造工艺，使芯片集成度高达 12 万只晶体管/片。CPU 为 16 位，支持 16 位算术逻辑运算，并具有 32 位除16 位的除法功能；片内 RAM、ROM 的容量更进一步增大；具有 8 个中断源；除两个 16 位定时/计数器外，还可设定 4 个软件定时器；运算速度和控制功能也大幅度提高，具有很强的实时处理能力。第 4 阶段（90 年代）：单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。如：CPU 的位数有 8 位、16 位、32 位，而结构上更进一步采用双 CPU 结构或内部流水线结构，以提高处理能力和运算速度；增加了新的功能部件；半导体工艺的不断改进，使芯片向高集成化、低功耗方向发展等等。以上这些方面的发展，是单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网络等方面得到大量应用。32.单片机的应用与展望由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，因而在许多方面得到广泛应用。单片机的主要应用领域有：（1） 测控系统。用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等，达到测量与控制的目的。如一般温度控制、液面控制、简单生产线顺序控制等。（2） 智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。如：温度、压力等的测量、显示、控制仪表，通过采用单片机软件编程技术，不仅能完成测量，而且还具有运算、误差修正等功能，集测量、处理、控制功能于一体。（3） 机电一体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化。（4） 智能接口。在计算机控制系统，特别是在较大型的工业测、控系统中，用单片机进行接口的控制与管理，加之单片机与主机的并行工作，大大提高了系统的运行速度。（5） 智能民用产品。如在家用电器、玩具、游戏机、办公设备、厨房设备等许多产品中，单片机控制器的引入，不仅使产品的功能大大增强，性能得到提高，而且获得了良好的使用效果。（6） 功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。（7） 并行多机控制系统。并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题，以便构成大型实时工程应用系统。（8） 局部网络系统。单片机网络系统的出现，使单片机应用进入了一个新的领域，单片机主要用于系统中的通信控制，以及构成各种测、控用子级系统。现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从 8 位、16 位到 32 位，数不胜数，应有尽有，有与主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应4用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：低功耗 CMOS 化、微型单片化、主流与多品种共存。（二）水温自动控制系统相关的发展历程1.传统水温控制系统及其特点传统的水温控制模式有很多种,如:恒温法,比例式,积分式及其组合的调节方法等等.其中有的方法达到热平衡需要的时间长,但是其空温精度很高,而有的是达到热平衡的时间短,但其控温精度却不够高.具有成本高,智能化不高等显著特点.2.基于单片机控制的水温控制系统及其特点如果应用设计选用单片机作为控制核心,使水温测控系统中的测量和控制智能化,由于单片机需要用到软件来控制,所以具有成本投入低,精度高,智能控制程度高等优点.用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，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。3.国内国外单片机温度控制系统发展历程自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。 目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的5温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于 20 世纪80 年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量，其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。本文主要介绍单片机温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取、程序的调试和系统参数的整定。在系统构建时选取了 AT89C51 芯片作为该控制系统的核心，温度信号由新型的可编程温度传感器（DS18B20）提供。通过软件实现对水温的控制，使用继电器作执行部件。 系统控制对象为 1 升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变,具有较好的快速性与较小的超调。该系统为一实验系统，要求系统有控制能力，实现对主要可变参数的实时监控。使用软件编程既减少了系统设计的工作量，又提高了系统开发的速度，使用软件还可以提高所设计系统的稳定性，避免了因个人设计经验不足而产生过多的系统缺陷。6（三）温度控制系统的目的与功能1.温度控制系统的目的本设计的内容是温度测试控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题，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2.温度控制系统完成的功能本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的