[信息与通信]温度自动控制的设计.doc

5本科毕业论文(设计)题 目： 温度自动控制系统的设计 学 院： XXX 专 业： XXX 班 级： XXX 姓 名： XXX 指导教师： XXX 2011年 6 月 6 日温度自动控制系统的设计The Design of Automatic Control System of Temperature摘 要在现代社会的快速发展中，为了保障生活生产的快节奏、便利化和安全性，常常要实现温度的自动控制。若采用单片机来实现，不仅具有简捷灵活，便于控制等优点，而且可以在很大程度上提高温度的被控参数，保证产品的质量。本文以AT89C51单片机为基础，结合DS18B20串行数字温度传感器以及LCD1602显示器，设计了一种温度自动控制系统。在本系统中，单片机是核心器件，温度传感器负责温度的采集，并通过单片机对温度进行控制然后再在LCD上显示。在程序中可设定温度预设值，若温度低于下限值，则单片机通过继电器控制加热器进行加热；若温度高于下限值，则在某个温度范围内不需要加热。该系统具有结构简单，价格低廉，控制精度高等优点，系统测试以及运行结果表明基于该方法具有较好的优越性。关键词 AT89C51单片机 温度传感器 温度采集 温度控制 温度显示AbstractIn the fast development of modern society, in order to guarantee the fast rhythm of life 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 also can guarantee 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 collection 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 higher than the lower limit in a range, it doesnt need to heat. The system has a simple structure, low prices, and the advantages of high control accuracy, in addition, the system test and operation results show that based on the method has a good superiority. Key words AT89C51 microcontroller Temperature sensor Temperature gathering Temperature control Temperature display青岛大学本科生毕业论文（设计）目 录第一章 绪论11.1 论文研究背景11.2 论文研究内容21.3 论文研究意义31.4 论文的组织结构3第二章 系统的总体设计和主要器件的选型42.1 系统的总体设计思路42.2 系统的主要优点52.3 主要器件的选择62.3.1 微处理器的选择62.3.2 温度传感器的选择72.3.3液晶显示器的选择92.4 MCU温度控制模块112.4.1 继电器的作用及选型112.4.2 加热器的工作原理及分类122.5 KEIL C51与Proteus的简介132.5.1 KEIL C51开发环境132.5.2 Proteus电子仿真软件13第三章 温度自动控制系统的硬件设计153.1温度采集系统的硬件设计153.1.1 DS18B20串行数字传感器的介绍153.1.2 温度采集电路173.2 温度控制系统的硬件设计193.2.1 AT89C51单片机的简介193.2.2 继电器及加热器的功能作用简介243.2.3 温度控制电路253.3 温度数据显示系统的硬件设计263.3.1 LCD1602液晶显示器的简介263.3.2 温度数据显示电路273.4 Proteus仿真原理图27第四章 温度自动控制系统的软件设计284.1 温度采集系统的软件设计284.1.1 温度采集模块的软件设计流程图284.1.2 温度采集模块的软件设计C程序代码294.2 温度控制系统的软件设计324.2.1 温度控制模块的软件设计流程图324.2.2 温度控制模块的软件设计C程序代码334.3 温度显示系统的软件设计344.3.1 LCD1602液晶显示模块的软件设计流程344.3.2 LCD1602液晶显示模块的软件设计C语言代码344.4 KEIL C 环境中整个软件程序设计36第五章 总结展望385.1 论文工作总结385.2 论文中设计存在的问题和进一步工作展望38谢辞40参考文献41附录一42附录二44第一章 绪论1.1 论文研究背景在人类社会的发展历程中，温度始终扮演着极其重要的角色，它存在着生活以及生产的各个方面。不论人们是在哪里生活，从事哪种工作，无时无刻不与温度打着交道。温度在科学科研技术中也是非常重要的参数之一，像气象、环保、国防、科研、航空航天和工农业生产中，温度发挥着其不可忽视的作用，因此，温度自动控制系统已与人们的生活息息相关，它不仅应用在工厂生产方面，家庭生活以及厂房酒店都可以见到温度控制的踪迹，可见温度控制系统将更好的服务于社会，而设计一个简单实用，价格低廉的温度控制系统具有广泛的应用前景和实际意义。最初，由于技术条件所限，传统的温度测控系统主要是由“测控电路”组成，所具备的功能比较少而且也比较弱，而且测量精度不高，成本花费较大，测量系统严重滞后的现象屡有发生。目前，国内大多数都采用仪表控温，由于所采用的控制设备精度低，使产品质量受到很大影响。而且很多企业由于种种原因，尚无能力购买先进的温度自动控制系统1。国外先进国家设计的各种温度控制自动化水平较高，基本上都装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。这就让我们清楚的认识到，无论是小到家庭环境还是大到工业生产，实现节能实用的温度控制已经变得极其重要和刻不容缓。现在，市场上的温度自动控制系统基本上可分为三类，它们分别是：1）基于单片机温度控制系统；2）基于嵌入式温度控制系统；3）基于SOPC的温度控制系统。其中，在单片机温度自动控制系统中，材料温度由温度传感器负责测量，信号通过放大器放大，毫伏信号经放大后由A/D转换成相应的数字量，但若使用数字温度传感器则不需要A/D转换，直接将数字温度值输出，再通过软件编程完成对温度值的处理，之后进入主机电路，由主机进行数据处理及判断分析，然后输出数字控制量去控制继电器及加热器，从而实现对温度的控制，并由显示器自动显示温度值。其各个部分的器件均采取市场上的主流产品，软件部分采用c语言在keil的环境下编写，程序可读性高，方便调试员调试程序，同时学习起来也方便上手。此外，在软件仿真方面，可以选择Proteus软件进行原理图的设计，它是一款很好用很好上手的仿真软件，为学习单片机降低了门槛。在嵌入式温度控制系统中，主要以应用为中心，以计算机为基础，其软硬件可裁剪，适用于系统对可靠性、功能、成本、功耗等严格要求的专用计算机系统。它的主控电路由ARM及其外围电路组成，是温度自动控制的核心部分，负责完成整个系统的控制，信号处理和数据传输与存储等工作。经测试，此控制系统工作稳定可靠，满足了系统温度控制精度要求，具有较高的实用价值。在基于SOPC的温度控制系统中，主要利用SOPC 技术，将信号采集模块和微处理模块巧妙的集成到一片FPGA内部，并利用可编程逻辑的灵活性和Nios II 的强大处理功能，方便地实现了温度自动控制的功能。由于FPGA 内部还有大量的逻辑资源可以利用，因此可以实现更为复杂的功能2。由于FPGA 的可编程特性，可以在不改变任何外围电路的情况下对系统进行软硬件升级，很大程度的延长了系统的寿命周期，这也是相对于其它控制系统的优势。基于SOPC的温度自动控制系统运行稳定、数据传输可靠、操作管理方便。综上，一般来说，单片机系统的开发应用给现代工业测量及控制领域带来了一次新的技术革命，.将单片机控制方法运用到温度自动控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很好的提高控制效果和控制精度。尤其对于一些小型的系统来说，配置一个大型的高速处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的高速性，所以用成本低廉的单片机控制一些小型的，而又不是很复杂，且又不需要大量复杂运算的系统是非常适合的。而今，随着新兴电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，其在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面有了很大的进展。伴随着科学技术的飞速发展，电子技术有了更高的飞跃，我们现在完全可以运用单片机以及电子温度传感器对某处进行温度检测、控制，而且我们可以很容易进一步地做到多点的温度检测，如果对此程序以及原理图进行稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。1.2 论文研究内容本课题主要研究温度自动控制系统在生产生活中的应用，主要是侧重于应用在水温的控制上。在充分的市场调研的基础上，本论文确定了利用AT89C51单片机、DS18B20串行数字温度传感器以及LCD1602显示器、继电器、加热器等器件来实现温度的自动采集、控制和显示的问题，实现了温度数据控制的自动化，智能化。本文的主要研究工作包括以下几个方面：1分析温度自动控制的基本原理，确定了使用AT89C51单片机为核心器件的方案。2对温度自动控制的工作原理作深入研究分析，并确定以单片机最小系统和DS18B20模块以及LCD1602模块为基础的系统硬件设计，包括一些含晶振电路、电源电路和利用继电器、加热器控制加热电路等的设计，方便我们调试论证。3针对系统硬件电路的设计，结合原理图的硬件接口方式，给出了温度自动控制系统的软件设计流程及部分的C程序代码。4. 利用keil c软件与Proteus仿真软件的联合调试，对温度数据采集、显示及控制软件系统各功能模块进行硬件原理图仿真。5对系统进行软硬件调试。1.3 论文研究意义1在现代社会中，不论人们是在哪里生活，从事哪种工作，无时无刻不与温度打着交道。随着人们生活水平的不断提高，随时随刻的了解温度，控制温度变化已成为日常生活中不可或缺的一部分，像空调，家用饮水机等家用电器已经非常普及，为了满足人们对日常生活的快节奏和便利化的迫切需求，以及响应如今环保人士大力倡导节约能源等要求，常常需要实现温度的自动控制。2温度还是科学实验、气象、环保、国防、科研、航空航天和工农业生产中的重要参数。因此，温度控制是现代控制技术的重要组成部分，是控制系统中最为常见的控制类型之一，在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。如果对本设计的程序以及AT89C51单片机、DS18B20温度传感器以及LCD1602显示器的电路原理图结构接口进行稍加改进，我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制，进而广泛的运用于工业数据采集，及家庭自动化等领域。1.4 论文的组织结构本文共分为五章，内容安排如下：第一章为绪论，主要介绍了传统的以及目前市场上温度自动控制系统的发展现状及论文的研究背景，在此基础上提出了利用以单片机最小系统和DS18B20模块以及LCD1602模块为基础的系统硬件方案设计，并阐述了选择本课题的意义以及论文的主要内容和结构安排。第二章为系统的总体方案设计及主要器件的选型。针对目前市场上对温度自动控制的主要需求，确定系统要实现的目标，归纳总结了温度自动控制系统的工作流程，并完成系统主要器件的选型：AT89C51单片机，DS18B20串行数字温度传感器以及LCD1602液晶显示器。最后，本章还简要介绍了系统的软件开发环境keilc 以及电子仿真软件Proteus。第三章为系统的硬件设计，根据系统的功能将本系统划分为温度的采集、温度的控制和温度的显示三大部分，其中温度控制部分包括AT89C51单片机通过继电器对加热器进行控制部分电路的硬件设计。第四章为系统的软件设计，本章在上一章硬件分析的基础上，介绍了整个系统的软件设计思路，并根据温度自动控制的具体功能要求，划分模块进行详细分析，主要包括温度采集系统DS18B20串行数字温度传感器的软件设计，温度控制系统的软件设计和温度显示系统LCD1602液晶显示器的软件设计。第五章为总结和展望。总结了本文所论述的系统的实现过程及其主要工作，并就当前系统指出存在的不足与下一步改进的方向。第二章 系统的总体设计和主要器件的选型本章首先介绍温度在日常生产生活中不可替代的作用以及目前市场上对温度自动控制各个方面的需求，进一步确定了本论文设计的目标和任务，分析已有温度自动控制设备的工作特点，确定本论文的设计方案。在此基础上，对所采取的方案中要用到的器件进行了合理的选型。2.1 系统的总体设计思路近些年来，随着经济的飞速发展，人们对生活生产的便利性和高效性有了更高的要求，温度自动控制系统作为控制系统的重要组成部分，近年来也得到了快速的发展。不仅在现代化工业生产中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉以及锅炉中的温度进行检测和控制甚至精确的显示；另一方面，不论人们是在哪里生活，从事哪种工作，无时无刻不与温度打着交道，随着人们生活水平的不断提高，随时随刻的了解温度，控制温度变化已成为日常生活中不可或缺的一部分。此外，在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能这类控制问题由于对象惯性大，滞后现象严重，存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，从而导致控制系统性能不佳，甚至出现控制不稳定、失控等现象。加之在日常家庭生活中，像饮水机、空调等家用设备更新换代日益加快，人们的要求也越来越高。这就让我们清楚的认识到，无论是小到家庭环境还是大到工业生产，实现节能实用的温度自动控制已经变得极其重要和刻不容缓。为了避免上述问题造成的资源浪费以及损失，本文采用DS18B20串行数字温度传感器，该传感器具有微型化、封装简单、低功耗、高性能抗干扰能力、测量范围广等优点，可使系统测量更加精确，电路更加简单。经实验测试证明，设计的样机系统测温控温精度均为01，测温控温的范围可达-55+125，可广泛应用于家用电器、汽车和冷库等领域9。另外在进一步加上AT89C51单片机和LCD1602液晶显示器、继电器以及加热器等，这样的产品更小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本论文总体设计思路如下：1. 本温度自动控制系统的软件系统设计中软件部分采用模块化设计，其具有独立性，便于程序的检错及改动。将温度的采集和显示作为子程序模块，而在主程序中主要是对温度数据的循环控制，时刻检测并将温度数据显示到液晶显示器上，因此软件模块部分由主程序、温度采集子程序和温度数据显示子程序组成。将这些编成独立的模块，打包后整合成一个完整的程序。系统的软件结构框图如图2.1所示。2. 硬件是由单片机主体部分、DS18B20数据采集部分、LCD1602显示部分、温度控制执行器件部分组成。本系统使用+5V电源，其中单片机AT89C51、数据检测部分DS18B20和温度控制部分的继电器均使用+5V电源进行供电，然后把AT89C51和继电器共地，否则将会出现在预设范围内无法控制温度的情况。系统的硬件结构框图如图2.2 所示。图2.1 软件结构框图图2.2 硬件结构框图2.2 系统的主要优点（1）该系统温度测量部分采用DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、测量范围广、强易配处理器等优点。（2）该系统温度控制部分采用AT89C51单片机作为主控芯片。该芯片是一款高性能的CMOS 8位微处理器，自带4 KB闪存，产品性价比较高，满足系统的设计需求。该系统中主控芯片AT89C51不断的对采集到的温度信号与输入的控制温度进行比较，若超出设定范围则启动升温装置，直至温度到达设定的范围区间内。另外，软件Proteus为AT89C51/AT89C52提供了良好的仿真环境。（3）该系统温度显示部分采用LCD1602液晶显示器。它具有体积小，功耗低，显示内容丰富，超薄轻巧等优点，在袖珍式仪表以及低功耗应用系统中得到了广泛的应用。目前字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。另外，LCD1602液晶显示模块可以显示两行,每行16个字符,采用单+5V电源供电,外围电路配置简单,价格便宜,具有很高的性价比。（4）该系统运用了软件KEIL C和Proteus 联合进行软件和硬件的设计与仿真调试，为本系统提供了良好的设计平台。2.3 主要器件的选择2.3.1 微处理器的选择作为应用系统的核心部件，微处理器的选择对整个系统的性能起着至关重要的作用。本系统重点从性价比及简捷方面考虑如何去选择器件，所选元器件需要满足低价格、开发简单的特点。在市场上像工控领域的单片微处理器，目前广泛应用的有 51 系列的 8 位单片机、面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器（DSP）以及 32 位的 ARM 芯片。 51 单片机作为从八十年代就开始流行的处理器，其价格低廉，开发技术成熟，应用广泛，其不足在于 ROM和 RAM 的容量比较小，功能过于简单，计算能力有限，但是目前好多公司已经制造出与 51兼容的单片机，其代表型号是ATMEL 公司的AT89系列，在目前乃至今后很长一段时间内的将占有大量市场。其 FLASH ROM 能达到 64K，并且执行速度更快，可以达到 40MHz，完全可以应用于目前小型测控系统功能和速度的要求8。DSP 器件在工控领域的应用，从长远的观点来看是一个必然的趋势。但从现阶段各种 DSP 器件的情况来看，则偏重于高端应用领域，其结构功能设计侧重于有大量数字信号处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在数据处理量不大的小型系统使用。而且目前其价格较高，开发技术难度大。 ARM 芯片具有体积小、功耗低、低成本和高性能的特点，但是与 DSP 器件一样，不适合应用在小型系统的场合。 综合以上考虑，本系统选用 ATMEL公司的AT89C51单片机为控制处理核心。由它完成对采集的温度数据的处理，以及通过控制继电器和加热器完成对温度数据的控制。这里需要特别说明的一点是，虽然目前市场上已有非常先进的单片机，如32位ARM，DSP等，但是由于本次设计采用Proteus电子仿真软件进行电路原理图仿真，它为我们提供了AT89C51/AT89C52单片机的元件仿真，这也是我们选用AT89C51的一个原因，当然微处理器完全可以用别的型号单片机进行替代。Atmel公司的89系列单片机主要性能：AT89C51是一种高性能、低电压的CMOS 8位微处理器，其内部带4KB字节闪烁可编程可擦除只读存储器，也称单片机。由于将闪烁存储器和多功能8位CPU组合在一个芯片中， AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 其主要工作特性特点有6： 1）与 MCS-51 兼容；2）内置4KB字节的可编程FLASH存储器，擦写次数1000次；3）具有32根可编程I/O线；4）数据保留时间10年；5）AT89C51的工作电源电压为5（1+/-0.2）V且典型值为5V；6）AT89C51的最高工作频率为24MHz；7）内含128*8位RAM8）具有1个数据指针DPTR；9）具有2个16位可编程定时器/计数器；10）具有6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构；11）具有1个双全工的可编程串行通行接口；12）两种低功耗的工作模式，即空闲模式和掉电模式；13）具有可编程的3级程序锁定位。 2.3.2 温度传感器的选择温度传感器是整个温度自动控制系统的核心部件，它的选择成功与否将直接关系到温控系统的性能、成本和开发周期。正确的选择温度采集器件可以使研发过程少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。基于本系统的实际需求，应该选用成本低、体积小、功耗低、集成度高、兼容性强、外围元件少、抗干扰能力强、接口简单、开发使用方便的串行数字温度传感器。目前，市场上的温度传感器大致可分为模拟温度传感器和数字温度传感器两大类10。1) 模拟温度传感器其输出的信号通常是电流、电压等线性信号，要通过信号前端调理电路和A/D转换电路来实现数字化，才能输入到PIC控制核心来运算。其优点是常用、采购容易、价格低廉，配合不同类型的ADC，可实现不同档次的精度需求。但是其缺点是电路复杂、易受外部干扰且通常要进行硬件或者软件算法的补偿措施。2) 数字化温度传感器数字化的温度传感器是内部集成了传感器、调理电路和A/D转换等电路，可直接输出数字信号，也可直接与PIC单片机相连。其优点是直接输出数字信号，省去了信号调理电路、软件算法补偿电路和AD电路等。但它的不足之处是分辨率固定，无法通过硬件方法提高精度。通过实际比较，本系统选用串行数字传感器DS18B20，它是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，其温度测量范围为55125,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。其工作电源可以有两种方式输入，既可以在远端引入也可以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。DS18B20特点4：1独特的单总线接口方式，在与单片机连接时仅需要一条引脚，可以实现单片机与DS18B20的双向通信；2. 适应电压范围宽，电源电压范围为3.3V5V，寄生电源方式下可由数据线供电；3. 支持多点组网功能，多个DS18B20可以通过并联的方式，实现多点组网测温；4测温范围为：-55+125，在-10+85范围内，精度为O.5。5可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125、0.0625，可实现高精度测温；6数字量的转换精度及转换时间可通过简单的编程来控制：9位精度的转换时间为93.75 ms；10位精度的转换时间187.5ms；12位精度的转换时间750ms。7.不需要任何外围元件，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内；8测量结果直接输出数字温度信号，以一条总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；DS18B20的工作原理及应用9：DS18B20把温度检测与数字数据输出集成于一个芯片之上，从而抗干扰能力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测部分和数据处理部分。此外，DS18B20共有三种形态的存储器资源，分别是：（1） ROM只读存储器，用于存放DS18B20的ID编码，其前八位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H）、后四十八位是芯片唯一的序列号，最后八位是以上五十六位的CRC码。数据在出厂时已被设置，不由用户更改。DS18B20共64位ROM。（2）RAM数据暂存器，用于内部计算机和数据存取，数据在掉电后消失，DS18B20共9个字节的RAM，每个字节为八位，如图2.3所示。其第一、二个字节是温度转换后的数值信息，第三、四字节是高温触发器TH和低温触发器TL的易失性拷贝，第五个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值，以上字节的内容每次上电复位时均被刷新。配置寄存器字节各位的定义如图2.4所示。低五位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20是在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时此位被设置为0；R1和R0用来设置分辨率，决定温度转换的精度的位数。温度LSB温度MSBTH用户字节1TL用户字节2配置寄存器保留保留保留CRC图2.3 DS18B20的RAMTMR1R011111图2.4 配置寄存器字节定义2.3.3液晶显示器的选择目前市场上显示设备的发展日新月异，在选用时，主要考虑以下几个方面11：（1） 如果只需要显示英文和数字，而且一屏所显示的内容不超过字符型液晶的最大限制(比如404)，就可选择字符型液晶，直接与MPU连接即可。（2）如果需要动态地显示汉字和图形，那么，只能选择图形点阵式液晶。大部分图形点阵式液晶自带控制器，直接连接MPU即可。（3）一般128*64以上点阵以上的液晶，除了逻辑电压（VDD，5V或3.3V）之外，还需要一个驱动LCD的电压，即偏压（VEE，多数为负压，也有正压），才可以使液晶屏正常显示。如今，大部分产品都可以将这个偏压电路内建在模块上，非常方便。（4） 背光选择，若从另一个角度将液晶分类，可分为透射式、反射式和半反半透式液晶三类。因为液晶为被动发光型显示器，所以必须有外界光源，液晶屏才会有显示。（5） 温度范围，如今产品大都是宽温型的，即：工作温度-20-70；储存温度-30-80。如果需要超宽温的产品，则需要量身订做才行。本文采用LCD1602液晶显示模块模拟显示。其工作原理和性能并不是本文的重点，因此不作详细介绍。LCD1602的结构块图如图 2.5所示，引脚功能如表2.2所示。表 2.2 LCD1602的引脚接口定义引脚号符号说明1Vss电源地（GND）2Vdd电源电压（+5V）3V0LCD驱动电压（可调）4RS寄存器选择输入端，输入MPU选择模块内部寄存器类型信号；RS=0，当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器；当MPU进行读模块操作，指向地址计数器；RS=1，无论MPU读操作还是写操作，均指向数据寄存器5R/W读写控制输入端，输入MPU现则读/写模块操作信号：R/W=0 读操作； R/W=1 写操作6E时能信号输入端，输入MP选择读/写模块操作信号：读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效7DB0数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道4位方式通讯时不使用DB0到DB38DB1数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道9DB2数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道10DB3数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道11DB4数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道12DB5数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道13DB6数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道14DB7数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道15A背光的正端+5V16K背光的负端0V图2.5 LCD1602的结构块图2.4 MCU温度控制模块在本温度控制系统中，为了更加方便控制加热设备，我们采用了AT89C51单片机控制加热设备来对温度进行控制，加热设备主要包括两部分：继电器和加热器。由DS18B20温度传感器采集来的温度数据经过单片机处理后，通过继电器进行电压转换，进而为加热器提供额定电压驱动其进行正常的加热工作。2.4.1 继电器的作用及选型继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，也称输入回路和输出回路，通常应用于自动控制电路中，它是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、转换电路、安全保护等作用13。1.继电器的继电特性13：当继电器的输入信号a0从零开始，连续增加达到衔铁开始吸合时的值a1,继电器的输出信号立刻从b=0跳跃到b=bm,即常开触点从断开到导通。一旦触点闭合，输入量a0继续增大，输出信号b将不再起变化。当输入量a0从某一大于a1值下降到a2,继电器开始释放，常开触点断开。继电器的这种特性即为继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。反馈系数释放值a2与动作值a1的比值，即：Kf= a2 /a1。控制系数触点上输出的控制功率PC与线圈吸收的最小功率P0之比，即：Kc=PC/P0。2. 电磁继电器的工作原理和特性:电磁式继电器由铁芯、线圈、磁铁和触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，进而产生电磁效应，衔铁就会在电磁引力的作用下克服弹簧的拉力而被吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点相吸合。当线圈断电后，电磁的吸引力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点释放。经过这样的吸合与释放，达到了在电路中的导通与切断的目的。3. 选用继电器的一般原则：1) 继电器的主要技术性能，如触点负荷,动作时间的参数，机械和电气寿命等,应满足整机系统的要求；2) 继电器的结构型式(包括安装方式)与外形尺寸应能适合使用条件的需要；3) 经济合理。在本温控系统中，我们选用RTE24005F作为本次设计的所选用的继电器。2.4.2 加热器的工作原理及分类1.加热器工作原理13加热器的工作原理是把一个匝数较多的初级线圈与一个匝数较少的次级线圈装在同一个铁芯上。其特性是输入与输出的电压比等于线圈匝数之比，同时总能量保持不变。因此，次级线圈可以在低电压的条件下产生较大电流。2.加热器技术性能与特点131) 功率大，体积小，升温快。2) 采用智能控制模式，控温精度高，可能与计算机联网。 3) 应用范围广，寿命长，可靠性高。3.加热器的基本分类：1) 陶瓷加热器2) 不锈钢加热器3) 铸件加热器2.5 KEIL C51与Proteus的简介本系统的设计、开发和调试采用单片机 C 语言编程，使用KEIL uVsion2 软件对程序进行编辑、编译和调试，并使用Proteus电子仿真软件对硬件电路原理图进行仿真 。2.5.1 KEIL C51开发环境C 语言是一种通用的计算机程序设计语言，它提供高效的代码，结构化的编程，和丰富的操作符。其语言简洁，使用灵活方便，可移植性好，表达能力强，具有直接访问机器物理地址的能力。C 不是一种大语言，不是为任何特殊应用领域而设计，它一般来说限制较少，可以为各种软件任务提供方便和有效的编程。许多应用程序用 C 编写比其他语言编写更方便和有效8。Keil C51是51系列兼容单片机C语言软件开发系统,是由美国Keil Software公司出品的。与汇编语言相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。另外， Keil C51软件还提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。除此之外， Keil C51生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。KEIL C51 编译器可以直接对 51 系列单片机的内部特殊功能寄存器和 I/O口进行操作，可以直接访问片内或片外存储器，还可以进行各种位操作。优化的 KEIL C51 编译器完整的实现了 ANSI 的 C 语言标准。对 8051 及其兼容的产品来说，KEIL C51不是一个通用的 C 编译器，它首先的目标是生成针对 8051 的最快和最紧凑的代码，KEIL C具有C 编程的弹性，具有高效的代码和汇编速度。C 语言不能执行的操作 （如输入和输出） 需要操作系统的支持。这些操作作为标准库的一部分提供。因为这些函数和语言本身无关，所以 C 特别适合对多平台提供代码。既然 KEIL C51 是一个交叉编译器，C 语言的某些方面和标准库就有了改变或增强，以适应一个嵌套的目标处理器的特性。Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。目前，keil的版本已经出到keil uVision4。keil软件常与proteus电子仿真软件相配合使用。2.5.2 Proteus电子仿真软件Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的一款实用的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及其外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，进而真正实现了从概念到产品的完整设计。它是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、AVR、ARM、8086和MSP430等，并在持续增加其他系列处理器模型。另外，在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器4。1.功能特点Proteus软件具有其它EDA工具软件（如multisim）的功能。这些功能是： （1）原理布图 （2）PCB自动布线或人工布线 （3）SPICE电路仿真 Proteus的特殊的优点 ： （1）互动的电路仿真 （2）仿真处理器及其外围电路 2.功能模块4 （1）智能原理图设计（ISIS）（2）完善的电路仿真功能（Prospice）（3）独特的单片机协同仿真功能（VSM）（4）实用的PCB设计平台3.资源丰富（1）Proteus可提供的仿真元器件资源仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元器件库。 （2）Proteus可提供的仿真仪表资源示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表等。理论上，同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。 （3）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能的减少了仪器对测量结果的影响。 （4）Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。4.电路仿真在Proteus中绘制好电路原理图后，调入已编译好的目标代码文件 *.HEX，可以在PROTEUS的原理图中观察到模拟的实物运行状态和过程。Proteus不仅可将许多单片机实例的功能形象具体化，也可将许多单片机实例的运行过程形象具体化。后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等也和传统的单片机实验硬件高度对应。第三章 温度自动控制系统的硬件设计本章主要介绍整个温度自动控制系统的硬件配置。将从温度采集系统的硬件设计、温度控制系统的硬件设计和温度数据显示系统的硬件设计三方面进行阐述。其中还进一步附带介绍了各个部分所用主要器件的简单介绍。该硬件部分设计是整个设计的关键，是软件程序设计的基础。3.1 温度采集系统的硬件设计3.1.1 DS18B20串行数字传感器的介绍 本系统中温度检测模块主要使用的是DS18B20为传感器。该芯片性价比很高，可达到精度11位的精度，即最小分辨率可达0.0625摄氏度，测温范围为(-55,125)。MCU与其通信只需要一个线，使用很方便，电路连接上也是非常简单。通过DS18B20直接读取被测温度值，进行数据转换，该器件的物理化学性能稳定，线性度较好，在0100最大线性偏差小于0.01。该器件可直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。DS18B20 单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点已在本文第二章中有过简要介绍，这里主要对DS18B20的测温原理和其主要的两种工作方式等方面作简要介绍。 1.DS18B20 的内部测温电路框图如图 3.1所示。图3.1 DS18B20 的内部测温电路框图从图3.1可以看出，DS18B20主要由斜率累加器、温度系数振荡器、减法计数器和温度寄存器等部分组成。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于减法计数器的预置值。温度系数振荡器用于产生减法计数器脉冲信号，其中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1 ，为计数器提供频率稳定的计数脉冲。而高温度系数晶振随温度变化其震荡频率会明显改变，是很敏感的振荡器，其所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入，为计数器 2 提供一个频率随温度变化的计数脉冲9。2. DS18B20 温度传感器的存储器和设置寄存器9DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可电擦除的 E2RAM, 后者存放高温度和低温度触发器 TH 、TL 和结构寄存器。数据先写入 RAM ，经校验后再传给 E2RAM 。 DS18B20的暂存寄存器分布如下表 3.1所示：表 3.1 暂存寄存器的分布寄存器的内容地址温度的低八位数据0温度的高八位数据1高温阀值2低温阀值3保留4保留5计数剩余值6每度计数值7CRC校验8 在 64B ROM 的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（ CRC ）。主机根据 ROM 的前 56 位来计算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比较，以判断主机收到的 ROM 数据是否正确。DS18B20的设置寄存器位于高速闪存的低5个字节，这个寄存器中的内容被用来确定温度的转换精度。寄存器各位的内容如下表 3.2所示： 表 3.2 设置寄存器的分布BIT 7BIT 6BIT 5BIT 4BIT 3BIT 2BIT 1BIT 0TMR1R011111该寄存器的低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。 R1和R0用来设置分辨率。3. DS18B20 使用中注意事项10DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面：（1）每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。（2）在写数据时，写 0 时单总线至少被拉低 60us，写 1 时 ，15us内就得释放总线。（3）转化后得到的 12 位数据，存储在 DS18B20 的两个 8 比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于0，这 5 位为 0 ，只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为 1 ，测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。（4）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS18B20 与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对 DS1820 进行读写编程时，必须严格的保证