【基于AT80C51单片机的水温控制系统设计】8900字（论文）

PAGEPAGE0第二章系统方案设计2.1硬件方案设计对于硬件系统设计，主要以单片机AT80C51为核心，通过数码管和键盘电路，利用水温传感器来采集温度，并通过数码管显示出来，提供运行指示灯来显示运行状态，以温度显示为基础，从而实现对温度的检测和控制。注：硬件系统子模块

（1）单片机方案水温传感器方案

（3）键盘电路设计

（4）数码管显示及指示灯显示电路（5）电源设计方案（6）报警电路设计（7）加热管控制电路设计图2.1单片机水温控制系统结构框图2.2软件方案设计为了减少软件设计的工作量、提高软件的通用性、延展性和可读性，该水温控制系统的设计方案和具体步骤如下:

（1）根据用户需求对系统的功能模块逐一划分。

（2）熟悉模块之间的数据流传递流程，减少数据流传递,增强各个模块之间的独立性，方便软件设计和调试。

（3）确定系统程序设定，完成各个系统模块功能开发。（4）对照模块的总体流程，将其各个模块逐一联系起来，这样将形成一个较完善的系统。首先需要做的是接通电源电路开始工作，当系统正式开始运行后，通过键盘电路设定水温的上限值和下限值，然后通过调用键盘扫描子程序将设定的温度值输送到设定的地址空间，温度传感器DS18B20开始实时检测温度，调用显示子程序通过数码管显示检测结果，然后对比当前温度显示值与开始设定的温度显示值，如果当前温度显示值低于设定值就调用子程序通过继电器起动加热管装置，直到达到上限值再停止加热，之后进行保温，如果温度高于上限值则自动报警。

第三章硬件设计3.1单片机设计AT80C51单片机是一种电压低、性能好的CMOS8位单片机，单片机内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，可以与MCS-51产品指令系统完全兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，AT80C51单片机因其独特的结构形式为我们提供了各种性价比较高的一些场合，可以在各行各业的控制领域中被独特应用。图3.1单片机系统3.2水温传感器设计水温传感器使用的是温度传感器DS18B20，它是一种数字式温度传感器，不需要其他外接电路，直接输出温度数值。这种传感器不仅结构简单，它可以直接和单片机进行连接使用，不需要其他数显，可以直接读出测温数据。它有许多优势与传统的热敏电阻相比，它可根据用户实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写，整个系统因使用DS18B20温度传感器使得整个系统可靠性更高，结构形式更加简单。并且整个系统在测温精度、命令转换时间、传输距离、分辨率等这些方面表现的更加让人满意。

图3.2DS18B20测温电路DS18B20温度传感器介绍:其具有独特的单总线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线便可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；测温范围-55°C-+125C，固有测温分辨率0.5°C；支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，但是最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压太低，以至于造成信号传输的不稳定；工作电源：3-5V/DC；在使用中不需要任何外加元件；测量结果以9-12位数字量方式串行传送。内部结构主要由64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器等配件组成。当该装置信号线高的时候，内部电容器储存能量由一线通信线路给片子供电，而且在低电平期间也为片子供电，然后等待下一个高电平的到来再重新充电。DS18B20采用一线通信接口，因为一线通信接口，必须先设定ROM，否则控制和记忆功能无法发挥。以下是设定程序：读取ROMROM匹配搜索ROM跳过ROM，报警检查。这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号上，也可以挂在线上多个器件选定某一个器件，同时总线也可以知道总线上挂有多少,挂有什么样的设备。DS18B20内部结构如图3.3所示图3.3DS18B20的内部结构图3.4DS18B20与单片机连接图DS18B20温度传感器使用注意事项：(1)在一些温度传感器DS18B20硬件上出现的不足，可使用软件编程进行补充,由于DS18B20与微处理器间采用数据串行传送。因此,在软件编程时，我们需严格保证读写程序，保证测温数据的准确输出。

(2)我们在系统设计中并未提及单总线上所挂DS18B20数量的多少,这很容易使人误认为可以任意挂多个DS18B20,在实际应用中并不是这样。(3)为求输送信号的快速性、准确性，连接DS18B20温度传感器的总线电缆有着严格要求的长度限制，当温度传感器DS18B20在远距离以及超远距离进行测温设计时必须要考虑总线分布电容和阻抗匹配以及连接抗干扰问题。

(4)在整个系统设计中，当对温度传感器DS18B20发出温度转换命令后，系统程序需要等待温度传感器的返回信号，当温度传感器其中一旦发生接触不良或信号断开时，那么系统程序得不到返回信号，整个系统将进入死循环。(5)对于测温电路所用缆线使用的是4芯屏蔽双绞线,一对线接地线与信号线,而另一对线则需要接接VCC和地线,屏蔽层在源端单点接地。3.3键盘电路设计整个系统键盘电路作为主要的输入设备，单片机使用的键盘分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘主要采用硬件线路进行设计编码，随着每一个键按下，按键代码自动生成，并伴随着去抖功能，虽然使用起来更加方便，但硬件电路比较复杂。非编码键盘仅是提供按键开关，由键盘程序来识别开关是否闭合，消除抖动，产生相应的按键编码并输送到键盘功能程序当中，以便系统能够顺利进行。非编码键盘按键更少，结构也更加简单，只是程序输送比较复杂而且不易发现。

图3.5所示为键盘按键和单片机AT80C51的接线图，电路共设有4个按键，每个按键都由软件设计部分来决定其功能，以下是4个按键的功能:

(1)SW1:按键设计(2)SW2:加法按键(当前位加1)

(3)SW3:减法按键(当前位减1)

(4)SW4:设置退出键图3.5单片机按键和AT80C51接线图3.4数码管及指示灯显示电路(1)数码管显示说明数码管的各个段码都是由单片机的数据口输出，并且输出的各个段码都是相同的，为了让其清楚的展示，整个数码管采用动态显示的方式，我们首先让最低位显示零，等一段时间，再让次低位显示为一，由于视觉停留，只要延时时间够短，这样就可以使数码表看起来更加清楚，编码过程如表3.1所示：表3.1数码管编码表段码位码显示器状态08H01H□□□□□□□0abH02H□□□□□□1□12H04H□□□□□2□□22H08H□□□□3□□□a1H10H□□□4□□□□24H20H□□5□□□□□04H40H□6□□□□□□aaH80H7□□□□□□□在整个系统中总共使用了三个数码管，其中前两个主要负责扫描显示实测温度，在加热温度设置的时候，两个数码管不停闪烁，提示系统在温度设置中，第三个数码管为静态管，用符号“C”显示。(2)运行指示灯说明在本论文中的温度控制系统共使用到三个数码管以及三个LED显示灯，右上角电源指示灯为红色LED显示灯，当电源指示灯亮时，表示整个系统通路正确，并且通电。而加热指示灯和保温指示灯位于右边，加热指示灯为红色LED灯，当温度低于设定温度5°C以下时，加热指示灯会亮，表示目前处于低温加热状态；当温度加热到达设定温度时，红色加热LED灯灭，而右边的绿色保温LED灯亮，表示系统处于保温状态，用户可以使用这个设定温度的水。当温度再次下降到设定温度5°C以下时，绿色保温LED灯灭，红色加热的LED灯亮，不断循环。当温度降到设定温度5°C之下时，绿色保温指示灯灭，红色加热指示灯亮起，表现系统正在加热，不可正常使用。在整个系统运行过程中，电源指示灯只要在通电情况下，一直处于发亮状态，而加热指示灯和保温指示灯不断循环，使得整个系统正常运行。图3.6LED数码管显示电路图3.5电源设计电源设计我们用的是L7805稳压块，输出电压5V。为了系统的稳定运行我们所选择+5V或+12V的电源电压供电，数字IC(IngegratedCircuit:集成电路)所输出的电源电压为+5V，而CMIOSIC所输出的电源电压为+12V，L7805作为系统所用稳压块。首先7805稳压管把高电压转换到低电压，稳压块具有保护单片机电路的作用。L7805输出端并联一个电解电容，有利于过滤掉交流电的干扰作用，保证单片机系统的正确运行。在本文中电源设计采用两种供电方式，一种为DC7到18V直流稳压电源变换成5V的直流电，另外一种通过四节干电池连接总共6V经二极管加压作用后得到电压为5V的直流电源，电源利用指示灯和按键开关，以便使用方便。图3.7系统电源设计图3.6报警电路设计在整个系统功能设计中，首先将温度上限设定值存储到地址空间中，当环境温度大于设定温度上限值时，数码管加热停止，报警模块调用报警子程序触发蜂鸣器进行温度报警处理，系统报警电路设计原理图如图3.8所示。

图中用作三极管8550增加整个系统的驱动能力，但是三极管9012所用驱动电流比8550更高，因此为节省能量我们选用三极管8550。当环境温度高于温度所设上限值时，调用报警子程序，报警模块P2.7置零，蜂鸣器被触发，而当对P2.7取反时，发出的报警声音效果更好。图3.8报警电路图3.7加热管控制电路设计我们所常用的输出控制接口为继电器，它主要用于各种自动电路控制，并且经常被用作输送切换交直流信号，它被分为两种系统，一种是被控制系统(又称输出回路)，另一种是控制系统(又称输入回路)，从本质上说它是一种“自动开关”，利用一种较小的电流去控制较大电流，它在电路中主要起到自动调节、转换以及保护电路等作用，而且我们可以通过继电器用一路控制信号去控制另外一路或者好几路信号。继电器操作控制接点如下：COM：Common为共同点。输出控制接点的共同接点。

NC：NormalClose为常闭触点。以Com为共同点，NC与COM在平时是呈导通状态的。NO：NormalOpen为常开触点。平时NO和COM都处在开路状态下，当继电器开始接通之后，NO与COM接通，NC与COM则处于开路状态。

整个系统中当单片机AT80C51的P2.5输出口输出高电平时，继电器则不导通，而当AT80C51P2.5输出端输出低电平时，继电器导通，这样也就导致整个连接回路被导通。

第四章软件设计在整个温度控制系统设计中所采用循环往复的方式，以至于能够准确快速的控制以及显示温度。整个系统主要包括DS18B20温度读取、数码管驱动、键盘扫描、以及报警处理四段软件程序的设计。4.1程序设计方案图4.1主程序流程图4.2模块子程序设计4.2.1读取温度传感器DS18B20模块流程温度传感器DS18B20通过一根数据线来实现双向传输数据，但是从单片机AT80C51来看，其硬件系统并不支持单总线结构。因此我们从软件设计方面着手，利用程序设计模拟单总线的时序协议，最后完成与DS18B20温度传感芯片的连接通信。温度传感器DS18B20分时完成单线通信，并且其具有明显的的时间间隙概念。对于系统对温度传感器DS18B20控制的主要步骤分为：发送ROM功能、发送存储器操作、数据处理。DS18B20测温系统简单方便、测温准确度高、连接使用方便、占用口线数较少，读取温度传感器DS18B20首先得启动温度转换函数，根据数据手册上转换函数所对应转换时间，同时在操作温度传感器DS18B20时，禁止系统信号中断，以至于对所需时序具有严格的要求。温度传感器DS18B20通过一根I/O线上读写数据，以至于对所需读写数位时序要求十分严格。DS18B20为保证数据传输的准确性以及完整性，它的通信协议要求非常严格，该通信协议主要定义了初始化时序、读时序和写时序三种信号的时序。主机作为所有时序的主设备，每一次数据和命令的输入输出都是从其启动写时序开始，如果初始要求单总线器件需要回传数据，在刚开始进行设定时，主机需立即启动读时序完成数据接收，对于数据和命令的输入输出也都是从低位开始。

读时序协议：（1）对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。（2）对于DS18B20的读时序，单总线首先被拉低，在15us之内先释放出单总线,通过温度传感器DS18B20把数据输送到单总线上。DS18B20至少需要60us才可以完成一个读时序过程。

写时序协议：(1)对于温度传感器DS18B20的写时序仍分为写0时序和写1时序两个过程。(2)对于温度传感器DS18B20的写0时序，当要写0时序时，单总线首先被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样I/O总线上的“0”电平，而当要写1时序时，单总线被拉低，在15us之内就得释放单总线。温度传感器DS18B20读取程序主要包括温度数值读取、温度转换控制、温度数值显示三部分。图4.2读取温度DS18B20模块4.2.2键盘扫描处理当键盘扫描子程序开始运行时，中央处理器CPU通过检测各组电路的闭合状态，掌握系统各个按键的闭合状态。当有按键处于闭合状态时，则需要利用键盘管理程序消除抖动，再根据所处键号切换到相应的键处理程序，按键流程如图4.3所示图4.3读取键盘扫描子程序4.2.3报警处理流程当系统报警程序正式开始运行后，温度传感器DS18B20首先对环境温度进行采集，并利用LED指示灯显示。此时利用温度传感器所采集的环境温度与其之前在地址空间所存储的温度上限值相比较，当超过系统所设上限值，程序将会自动进入报警子程序，触发蜂鸣器进行自动报警。其程序流程图如图4.4所示图4.4读取报警子程序第五章总结与展望本次设计主要利用了现代化技术在水温控制系统中的应用，充分体现出了单片机在我们的日常生活中不可或缺的作用。本次论文设计主要体现在两大部分，硬件设计部分和软件设计部分。硬件设计部分主要以单片机AT80C51为核心，通过数码管和键盘电路，利用温度传感器DS18B20独特的单总线结构实时采集温度并分析需要加热的温度或者降温的温度，再用键盘设定所需温度，设定温度和现实温度都将通过数码管显示，并提供各种运行指示灯来显示系统运行状态，从而实现对温度的测量，并能根据环境温度对设定值进行调节，实现控温的目的，水温加热到设定温度可自动引发蜂鸣器报警。本系统采用多电源供电的方式，从而降低了各个模块间的干扰，进而使整个系统能够顺利进行。对于软件设计部分，主要是通过文字叙述和流程图的方式将各个控制系统模块展示出来。通过这次毕业论文的设计，从而使我们将以前学习的各个知识模块联系到了一起。在设计途中，我们通过查阅资料，了解其他相关学者的论文，学习各方面的知识，也是极大的开拓了我们的视野，也让我们深切的认识到了自己的不足之处，在以后的生活工作途中，再接再厉，