基于51单片机的温度控制器的设计

前言本课题所设计的温控装置是利用单片机对DS18B20所测得的温度进行读取，然后将其与键盘上的最高、最低温度进行比对，从而在数字管上显示出温度。该方法具有易于操作、原理简单、准确度高等特点。以下是设计需求：（1）可以在0摄氏度到99.99摄氏度之间进行连续调节。（2）测得的温度要达到小数点后二位。（3）简便易用。一、概述（一）温度控制系统完成的功能在现代科技飞速发展的今天，各种智能监测与控制系统如雨后春笋般涌现，为人们的生活和工作带来了极大的便利。其中，一套高效且精准的温度实时监测系统在众多领域发挥着举足轻重的作用。​这套先进的温度实时监测系统，其核心功能在于对周围环境温度进行全天候、不间断的实时监测。它借助高精度的温度传感器，能够敏锐地捕捉到温度的细微变化，并将这些数据以极快的速度传输至中央处理单元。无论是在酷热难耐的夏日，还是在寒风凛冽的冬季，该系统都能稳定运行，确保温度数据的准确性和及时性REF_Ref32565\w\h[1]。​当需要对最高温度进行自动调节时，用户只需轻松按动系统操作面板上醒目的“最大”按钮。一旦按钮被按下，系统便会迅速启动其内部精密的算法程序。该程序会根据预先设定的规则和当前的温度状况，自动对相关的调节设备下达指令。例如，在一个大型的温室大棚中，若温度过高可能会对农作物的生长产生不利影响。此时，按动“最大”按钮后，系统会自动控制通风设备加大通风量，或者启动遮阳设施，阻挡过多的阳光照射，从而实现对最高温度的有效调节，为农作物营造一个适宜的生长环境REF_Ref32581\w\h[2]。​而设置最低温度的操作也同样简便。用户仅需按住操作面板上的“最小”按钮，系统便会进入最低温度设置模式。在这个模式下，用户可以通过旋转调节旋钮或者在数字键盘上输入具体数值的方式，精确设定所需的最低温度。设置完成后，系统会将这个数值牢牢记住，并以此作为后续温度调控的重要依据REF_Ref32604\w\h[3]。​在实际运行过程中，当温度低于设定的下限值时，该装置会展现出其强大的自动调控功能。首先，系统会立即激活加热继电器。加热继电器犹如一个高效的能量转换开关，它能够迅速将电能转化为热能，为周围环境提供热量，从而使温度逐步回升。与此同时，为了及时告知用户当前温度异常的情况，系统还会触发蜂鸣器警报。蜂鸣器会发出尖锐而响亮的声音，在安静的环境中能够清晰地吸引人们的注意力。不仅如此，与之配套的发光二极管也会瞬间亮起，发出醒目的红光。这一光与声的双重警示，能够确保用户在第一时间得知温度异常的信息，以便及时采取相应的措施。​随着加热继电器的持续工作，温度逐渐上升。当气温升至低于用户所设定的最低温度时，系统会再次发挥其智能调控作用，自动停止加热。这一精准的温度控制过程，不仅能够有效避免能源的浪费，还能确保被监测环境的温度始终维持在一个相对稳定的范围内REF_Ref32621\w\h[4]。​该温度实时监测系统的应用场景极为广泛。在工业生产领域，许多生产工艺对温度有着严格的要求。例如，在电子芯片制造过程中，温度的微小波动都可能影响芯片的质量和性能。此时，这套系统便能大显身手，通过精确的温度监测和调控，为生产过程提供稳定的环境保障。在医疗领域，药品的储存和一些医疗设备的运行也对温度有着特定的要求。该系统可以确保药品在适宜的温度下储存，防止药品变质，同时保障医疗设备的正常运行，为医疗工作的顺利开展提供有力支持。在家庭生活中，人们也可以利用这套系统来调节室内温度，营造一个舒适的居住环境。无论是老人、孩子还是成年人，都能在这个智能系统的呵护下，享受到宜人的温度REF_Ref32643\w\h[5]。​综上所述，这套温度实时监测系统以其卓越的功能、便捷的操作和广泛的应用场景，为人们的生活和工作带来了诸多便利，成为现代科技领域中不可或缺的一部分。相信在未来，随着科技的不断进步，它还将不断完善和发展，为人们创造更加美好的生活REF_Ref32660\w\h[6]。​（二）方案选择第一种方法是以铂阻值为传感器，将测量到的温度信号通过A/D转换为数字量，送入MCU。方案二：利用DS18B20作为一条总线的数字式温度传感器，将温度信息直接发送到单片机中。在方案一中，采用铂丝作为测温元件。尽管铂基温度传感器具有较高的准确度、较大的量程，但其温度响应速度较慢、抗冲击能力较弱、价格昂贵，不适用于高温区域的测温。而A/D变换器的出现，势必会使系统的软硬件程序变得更加复杂。二次加热采用单片机进行控温，不仅造价低廉，而且可靠性高。该系统以DS18B20为测温元件，实现了对模拟信号的直接转换，在软硬件上都比较简单。并且具有较高的准确度和较低的误差，是目前广泛使用的一种温度测量芯片REF_Ref32676\w\h[7]。经过全面对比，我决定使用第二个方案二、总体设计（一）系统总体设计1、系统总框图本设计以AT89C51为核心设计的温度控制系统，检测到高于最高温度时，接通风扇；低于最低温度时，接通加热设备。如图2-1所示。AT89C51AT89C51单片机键盘输入接通风扇接通加热设备ZLG7289的LED显示DS18B20温度检测图2-1系统总框图2、接口设计(1)ZLG7289B的CS，CLK，DIO接单片机的P0.5，P0.6，P0.7，INT接P3.7(2)DS18B20通过P3.6和一个锁存器与单片机连接(3)键盘和LED灯都通过电阻和ZLG7289B相连。电阻有限流电阻，上拉电阻等。（二）温度采集部分与单片机接口如图2-2。图2-2DS18B20与单片机接口（三)控制部分温度信息传送给AT89C51，经内部源程序的处理，判断是否符合所需温度。如果高于设定最高温度，将接通风扇，用LED灯模拟风扇；如果低于设定最低温度，就接通加热设备，用LED灯模拟加热设备REF_Ref32702\w\h[8]。（四)键盘和显示部分1、LED显示LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮。此次设计采用的是共阴极数码管，数码管与ZLG7289的连接如图2-3。图2-3LED与ZLG7289的连接2、键盘的连接如图2-4，键盘是4*4，共16个按键。前10个键代表0到9数字键，第13个键代表最高温度设定，第14个键代表最低温度设定REF_Ref32722\w\h[9]。图2-4键盘的连接三、硬件部分（一）DS18B20元件1、DS18B20基本组成如图3-1为DS18B20的管脚排列。图3-1DS18B20管脚排列及封装图DQ：数字信号输入/输出端GND：电源地VDD：外接供电电源输入端。电源供电3.0V~5.5V（在寄生电源接线方式时接地）。2、DS18B20特性(1)使用单总线的接口模式，当单片机与DS18B20进行双向通信时，只需一根端口线就可以完成。(2)具有较大的测温范围和较高的准确度。温度测量范围-55℃至+125℃；结果表明，该方法具有较高的准确度和准确度，-10~85℃.(3)在实际应用中，无需外部元件就能完成温度测量。(4)具有灵活性的电源供应模式。通过内寄生回路从数据线获得电力3、DS18B20测温操作DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时序概念，如果出现序列混乱，1-WIRE器件将不响应主机，因此读写时序很重要。(1)每次读写前对DS18B20进行复位初始化。(2)发送存储器指令，如表3-6所示。(3)进行数据通信。表3-6发送存储器命令指令名称指令代码指令功能温度变换44H启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500ms,结果存入内部9字节RAM中。读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出内部RAM的3和4字节，写上下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据复制暂存器48H将RAM中3和4字节的内容复制到EEPROM读供电方式0B4H读DS18B20的供电模式，寄生供电时发送0，外接电源供电发送14、时序图(1)初始化时序图DS18B20的初始化至关重要，如果时序不对，整个程序可能就不会成功。初始化时序图如图3-2。图3-2初始化时序图(2)写时序图：图3-3写时序图(3)读时序图图3-4读时序图（二）单片机AT89C51介绍1、基本介绍AT89C51是一款美国ATMEL公司出品的一款低压、高性能的CMOS8位微控制器，它包含了一个4K字节的可重复删除的只读程序内存，以及128个字节的RAM，它使用了ATMEL公司的高密度、非易失存储器技术，它与标准的MCS-51指令系统相兼容，片内有一个通用的8位中央处理器和FLASH存储单元，具有很强的功能的AT89C51可以在多种控制领域中得到广泛的使用REF_Ref0\w\h[10]。AT89C51引脚如图3-5所示。图3-5AT89C51引脚图2、引脚功能VCC:电源电压GND：地3、时钟振荡器用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图3-7所示。这种情况下，外部时钟接到XTAL1端，及内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。图3-6采用内部时钟振荡图3-7采用外部时钟振荡4、省电模式表3-8空闲和掉电模式外部引脚状态模式程序存储器ALEP0P1P2P3空闲模式内部11数据数据数据数据空闲模式外部11浮空数据地址数据掉电模式内部00数据数据数据数据掉电模式外部00浮空数据数据数据（三）ZLG7289芯片1、芯片概述图3-8ZLG7289引脚图2、电气特性和引脚说明ZLG7289引脚说明见表3-9。表3-9引脚说明引脚名称功能描述SG/KR0数码管g段/键盘行信号0SF/KR1数码管f段/键盘行信号1SE/KR2数码管e段/键盘行信号2SD/KR3数码管d段/键盘行信号3SC/KR4数码管c段/键盘行信号4SB/KR5数码管b段/键盘行信号5SA/KR6数码管a段/键盘行信号6DP/KR7数码管dp段/键盘行信号7DIG0/KC0数码管字选信号0/键盘信号0DIG1/KC1数码管字选信号1/键盘信号1DIG2/KC2数码管字选信号2/键盘信号2DIG3/KC3数码管字选信号3/键盘信号3DIG4/KC4数码管字选信号4/键盘信号4DIG5/KC5数码管字选信号5/键盘信号5DIG6/KC6数码管字选信号6/键盘信号6DIG7/KC7数码管字选信号7/键盘信号73、控制指令详解控制指令分为两大类：纯指令和带有数据的指令(1)单字节纯指令所有这些指令的长度都是一个字节，执行这一类指令时，不需要附带任何其他数据。(2)双字节带数据指令所有这些指令都是两个字节，第一字节是命令字，第二字节是输入或输出的数据。4、SPI串行接口(1)SPI串行接口信号ZLG7289B与微控制器的接口采用3线制SPI串行总线。表3-10SPI信号线信号名称描述SPI总线片选输入信号，低电平有效CLKSPI总线时钟输入信号，上升沿有效DIOSPI总线数据信号，双向(2)SPI总线时序图图3-9纯指令时序图（单字节命令）图3-10带数据指令时序图（命令字在前，输入数据在后）图3-11读键盘指令时序图（命令字在前，输入数据在后）(3)时序图中的各项延迟时间表3-11时序图中的延迟时间符号名称最小值典型值单位T1CS的建立时间2550usT2CLK信号高电平的宽度58usT3CLK信号低电平的宽度58usT4命令字与输入数据之间的时间间隔1525usT5命令字与输出数据之间的时间间隔1525usT6按键值建立时间58usT7读取输出数据（按键值）时CLK信号高电平的宽度58usT8DIO信号从输入状态切换到输出状态的时间—5us四、软件设计（一）软件流程图在keil上使用C语言进行了编程，并对其进行了模块化的设计。在这些程序中，诸如温度变换、数字管显示等基本命令在DS18B20.c和ZLG7289.c中包括了表示等，它们可以在主要函数中被直接引用。在完成了C文件的编写之后，用联机程序的方法，将其下载到了开发板上，经过了几次的测试，取得了良好的效果REF_Ref45\w\h[11]。1、主程序流程图由用户设定最高温度（或最低温度），并与DS18B20采集到的温度进行比较。八位数码管显示。前四个显示最高温度（或最低温度），后四个显示当前温度。温度精确到小数点后两位REF_Ref205\w\h[15]。2、DS18B20程序流程图详见图4-2。初始化DS18B20初始化DS18B20跳过ROM匹配命令序延时温度转换命令跳过ROM匹配命令读暂存器内容数据处理开始结束初始化DS18B20图4-2DS18B20程序流程图3、ZLG7289程序流程图ZLG7289程序流程图详见图4-3。键值处理后送入AT89C51与DS18B20键值处理后送入AT89C51与DS18B20采集到的温度比较驱动数码管显示设置P1口为准双向口初始化ZLG7289有键按下？图4-3ZLG7289程序流程图（二）c语言程序设计现只列写出每个模块的部分程序，具体程序见附录。(1)DS18B20延迟子函数voidTempDelay(unsignedcharus){while(us--);}(2)DS18B20初始化函数voidInit_DS18B20(void){dq=1;_nop_();dq=0;TempDelay(70);//delay530微妙dq=1;TempDelay(4);//delay100微妙 if(dq==0)//DS18B20发存在脉冲低电平flag=1;//初始化成功 flag=0;TempDelay(20);dq=1;}(3)DS18B20写一个字节voidw(unsignedcharwr)//单字节写入{unsignedchari;for(i=0;i<8;i++){dq=0;_nop_();dq=wr&0x01;TempDelay(3);_nop_();_nop_();dq=1;wr>>=1;}} }return(dat);}(4)DS18B20读一个字节unsignedcharr(){unsignedchari,u=0;for(i=0;i<8;i++){dq=0;u>>=1;dq=1;if(dq==1)u|=0x80;TempDelay(2);_nop_();}return(u);}(5)读取温度unsignedintreadt(){unsignedchara;unsignedintb;init18b20();w(0xcc);//跳过ROMw(0x44); //温度转换TempDelay(300);init18b20();w(0xcc);w(0xbe);//读暂存器if(flag==1){a=r();//LSBb=r();//MSBb<<=8;b+=a;}else{b=0;}returnb;}(6)显示温度voidwendu(){ unsignedinttt;tt=readt();tt=tt*6.25;ZLG7289_Download(1,4,0,tt/1000) ;TempDelay(100);ZLG7289_Download(1,5,1,tt%1000/100);TempDelay(100);ZLG7289_Download(1,6,0,tt/10%10); TempDelay(100);ZLG7289_Download(1,7,0,tt%10); }}unsignedintreadt(){unsignedchara;unsignedintb;init18b20();w(0xcc);//跳过ROMw(0x44); //温度转换TempDelay(300);init18b20();w(0xcc);w(0xbe);//读暂存器if(flag==1){a=r();//LSBb=r();//MSBb<<=8;b+=a;}else{b=0;}returnb;{unsignedchari,u=0;for(i=0;i<8;i++){dq=0;u>>=1;dq=1;if(dq==1)u|=0x80;TempDelay(2);_nop_();}return(u);}REF_Ref163\w\h[14]五、心得体会单片机是我最喜爱的一门专业课程，利用单片机来进行毕业设计，也是对所学内容的一种总结。这次设计从主题、参考文献到最终定稿都花了不少心血。之所以选择温控装置，是因为在工业上，温度是一个非常普遍的参数，而且，它可以很好地控制相对压力。我们以前练习焊接过DS18B20，有键盘，所以决定用这款开发电路板来进行本次设计。上述DS18B20,ZLG7289B芯片，我还是第一次接触。因此，我花了大量的时间在这两块芯片上。其中的理论和步骤，我都要花费大量的时间和精力。在大二的时候，我们学习的是单片机的汇编语言。而这一次，我选择了C，是因为它易于理解，易于编写。通过这次设计，我对所学的理论知识进行了复习。对我们这一类人来说，学习新的东西，跟上时代的发展趋势，是非常重要的。今后，我将努力不断地学习新的知识，丰富自己。在设计过程中，还存在一定的难点。就拿这两块芯片来说，当初看的时候，有许多东西都是一头雾水。另外，软件中还包括了控制、温度测量、显示等功能，这些都是很难编写的。这使我认识到，把理论和实践联系起来是很困难的。书本上学到的东西，终究是要用实际来验证的。一旦我战胜了这些障碍，我会感觉到我的进步是巨大的。我觉得这一切都很有道理。

结论该设计因其使用效率高，适用范围广，如婴儿房的温度，水温控制等。以单片机为核心，可以让使用者对本设计的使用进行灵活的选择，这就是为什么这种温度控制器具有手机短消息的发送费用低、尺寸小、连接间隔和个人能力有限的原因。在设计过程中，有些地方需要进行简单的修改，同时对测量产生的扰动也有很强的抵抗力，配合着优化后的程序，使本系统非常实用。另外，该产品还可用于建筑、仓库等其它工业生产中。该温控系统具有较高的实际应用价值。这款智能型温控控制器只是DS18B20应用于温控领域的一个简易例子，因其在设计上存在着时间上的不足与优化上的不足。在设计过程中，还存在一定的难点。就拿这两块芯片来说，当初看的时候，有许多东西他都看不懂。另外，软件中还包括了控制、温度测量、显示等功能，这些都是很难编写的。这使我认识到，把理论和实践联系起来是很困难的。书本上学到的东西，终究是要用实际来验证的。例如：1、可以将温度通过微控制器和通信模块相连，发送到使用者手中，从而实现了对温度的实时监测。2.该系统的测试精度及温度测量范围还需进一步改进。为了方便编程，在计算过程中，对测量精度、测量温度范围进行了适当的调整。3.程序中的不合理性。同时，本项目的研究成果也可在建筑、仓库等其它工业生产中得到广泛的应用。该温控系统具有较高的实际应用价值。给人们的生活带来极大的方便。

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附录附录一源程序#include<reg52.h>#include<ZLG7289.h>#include<ds18b20.h>#include<intrins.h>unsignedintarray;unsignedintnum=0;sbitd1=P1^5;sbitd2=P1^7;unsignedintt1;unsignedintt2;unsignedintkk;unsignedintk;voidINT0_SVC()interrupt0{array[num]=ZLG7289_Key();num++;}voidmain(){ ZLG7289_Init(2); while(1){EA=0;IT0=1;EX0=1;EA=1; wendu();case0x0d:ZLG7289_Download(1,0,0,array[1]);