基于单片机的温度监控器设计-毕业设计论文.docx

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1、 基于单片机的温度监控器设计摘 要在现代化的工业生产和人们的日常生活中，常常需要对温度进行控制。例如：在工业领域中，人们都对各类加热炉、反应炉等温度进行检测和控制1 ；在生活中对热水器、太阳能电加热器等的温度控制。工控领域内的一种重要控制方法就是PID控制，将PID算法应用到以51单片机为核心的控制系统中，能产生良好的控制效果。本系统是基于PID算法的温度监控控制系统。温度传感器采用数字温度传感器DS18B20，单片机收到温度数据后，在液晶显示器实时显示温度值，然后对温度偏差进行PID运算后，输出PWM波控制有过零检测的可控硅电路驱动加热器件。键盘可以设置加热温度和超限温度超限值，蜂鸣器可以实

2、现温度越限报警。本设计采用了过零点触发可控硅控制电路，温升小，电流冲击小，电磁干扰低，提高了控制的可靠性。经实验测试，该系统无震荡现象，响应时间短，稳态误差小，基本实现稳、准、快的指标。 关键词：单片机；DS18B20；PID；过零检测；可控硅ABSTRACTIn modern industrial production and peoples daily life, it is often necessary to control the temperature. For example: In the industrial field, people are all kinds of fu

3、rnaces, reactors and other temperature measurement and control 1; the temperature control on the water heater, solar electric heater in life. An important method of controlling industrial field is PID control, the PID algorithm is applied to 51 microcontroller as the core control system, can produce

4、 good control effect.This system is based on PID algorithm temperature monitoring control system. After the temperature sensor digital temperature sensor DS18B20, after MCU receives temperature data is displayed in real time on the LCD monitor temperature and temperature deviation PID operation, the

5、 output PWM wave control had thyristor zero-crossing detection circuit driving the heater. Keyboard can set the heating temperature and the temperature limit value is exceeded, the buzzer can realize temperature limit alarm.The design uses a zero crossing triac trigger control circuit, the temperatu

6、re rise is small, a small current impact, low electromagnetic interference, improve the reliability of control. The experimental test, the system is no shock phenomenon, short response time, steady-state error is small, basically stable, accurate and fast indicators.Key words: SCM; DS18B20; PID; zer

7、o-detection; SCR目 录摘 要IABSTRACTII第1章 引 言11.1课题意义11.2 温控技术现状与发展趋势11.3 本设计研究的内容21.4本章小结2第2章 总体方案设计42.1系统方案论证42.2.1.主控方案选择42.2.2.温度检测传感器选择42.2.3.加热模块驱动电路选择42.2系统方案构架52.3本章小结6第3章 系统硬件电路设计73.1 单片机最小系统73.2.1.复位电路83.2.2时钟电路83.2.4.电源电路83.2温度检测电路93.3加热控制电路113.6液晶显示电路123.7 报警电路133.8 键盘电路143.9总电路图143.6本章小结15第4

8、章 系统软件设计164.1软件总体方案164.2关键模块的程序184.2.1温度检测程序184.2.2 PID程序204.2.3按键电路程序224.3本章总结24第5章设计成果及总结1第6章 结 束 语4致 谢5参考文献6 第1章 引 言1.1课题意义温度对物品安全储存起着至关重要的因素，人们通常把温度、水分和物品体内的气体称为物品安全存储的三大重要要素。目前诸多存储技术措施都是根据这三大重要要素的变化对物品的影响来决定的。每个物品都有其最适存放的温度。如果储存仓库内的温度长期超过某个范围或者低于某个范围，就会引起或加速物品的质量变化，进而降低商品的使用价值。不同的温度也会对不同植物的生长也有

9、着不同的影响等等。研究温度控制系统有着非常重要的现实意义。花房内的温度也需要定期监控，对温度的控制要求也很高。这是因为温度值的高低直接影响到植物是否能不能正常生长发育。合适的温度和湿度不仅可以节约植物生长必须的养分和化肥，而且使植物开出花朵会更美更大。科学实验的实验室对温度的要求则更高，实验室内温度值控制的与否合理，直接影响科学家能否得到正确的实验结果。以人为基础，通过人工轮流值班，人工巡回查看等方式来测量和记录环境温度信息的这种工作模式，不仅效率低，而且人才资源浪费大，还缺乏科学性，许多重大事故很多因素都是人为的，而且人工维护也缺乏一套完整的系统。而智能控制系统就可以大大减少甚至避免这一系列

10、的问题，所以研究一款温度监控器有着极其重要的意义。1.2 温控技术现状与发展趋势国外对温度控制方面的技术研究比较早，最初在20世纪70年代，使用模拟式的组合仪表，采集现场实时信息进行指示和控制。分布式控制系统在80年代有了。计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统目前国外大多正在开发和研制。如今世界各国的温度测控技术发展都很快，向着全自动化、无人化的发展。在20世纪80年代。我国的工程人员借鉴发达国家测控技术，逐步掌握了温度控制等方面的技术，并且该技术仅对温度的控制。我国温度测控设施计算机应用，在硬件技术上，我国目前还没有真正意义上的多参数多回路的综合型控制系统，大多以单片机控制的单回路单参

11、数的系统为主，与发达国家相比，存在的差距还很大。我国目前温度测量控制系统技术现状离自动化的程度还很远。 1.3 本设计研究的内容本设计利用单片机作为控制核心，结合传感器技术和电力电子相关知识，开发温度监控的自动控制系统。控制核心采用TC89C52单片机，通过数字温度传感器DS18B20检测被测物体温度，结合键盘电路、1206显示电路完成数据处理、显示；通过PID运算后输出PWM波利用光耦控制晶闸管实现加热部件的开通关断，实现温度的自动控制；设计完成一台温度监控器。本文具体研究了如下几方面：（1）系统硬件选型及设计主要包括单片机系统、温度传感器模块、加热控制模块，显示模块，报警模块、，键盘模块。

12、（2）控制系统软件的设计借助Keil C51开发工具，以C语言为开发语言，实现单片机对腐蚀液温度的自动控制，并通过LED1206显示模块显示实时温度。（3）软硬件的联合调试确定所有元器件的型号、规格，给出主要元器件参数，制作电路板，将程序下载，完成软硬件的联合调试，实现任务要求。本系统实现具体控制功能如下：（1）能够连续测量物体的温度值，可用1206液晶来显示液体的实际温度。（2）用单片机STC89C52控制，保持温度恒定不变。（3）有可以调整预设的温度值。（4）实现加热过程的PID控制。（5）越限报警功能。1.4本章小结本章主要对本毕业设计的研究意义、课题背景和研究目的进行了阐述，为本论文设

13、计明确了方向。5四川理工学院本科毕业设计 第2章 总体方案设计2.1系统方案论证2.2.1.主控方案选择方案一：采用可编程逻辑器件（PLD）实现。PLD工作速度较快且稳定，并可以在系统编程，能够很方便地实现控制的随时修改。但价格较贵，实现较为复杂，不适于本设计。方案二：采用 STC89S52单片机来实现。单片机体积小、价格便宜、功能齐全。而软件编程灵活、还可通过软件编程实现其它附加功能。故在本设计中控制电路模块选用此方案。2.2.2.温度检测传感器选择方案一：用热电偶采集温度。热电偶利用热电势原理进行温度测量的。其测量精度高、测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可正常测量，某些特殊热电

14、偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。但热电偶测量需要温度补偿。而且输出量为电压，需要经过测量放大器、AD转换后才能送入微处理器处理3。方案二：采用数字式温度传感器DS18B20，DS18B20采用独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。在使用中不需要任何外围元件，测温范围 55125，最小分辨率达0.0625。DS18B20是单总线结构，直接数字量输出，接口只需三根导线，电路简单。热敏电阻线性度不理想，而且需要恒流源伺服电路，模拟量数据处理复杂；加上补偿电路，还需要AD转换器。考虑到传感器的防水功能，此次设计

15、采用了带金属壳的DS18B20传感器。2.2.3.加热模块驱动电路选择驱动加热模块也有多种方案：方案一：采用继电器输出，单片机驱动三极管而后驱动继电器电路，特点是控制方便，电路设计简单，但是不适合高频开关，触点寿命有限。方案二：采用有过零检测功能的双向可控硅电路驱动。单片机输出经过PID运算的脉宽变化的PWM波，从而改变可控硅的开关总时间，从而控制功率的大小。考虑本系统的开关频率较高，所以采用方案二。2.2系统方案构架本设计包含单片机复位电路，显示电路，温度传感电路，键盘电路，报警电路，加热控制电路，电源电路。系统由温度传感器DS18B20实时检测被测物体温度，单片机进行处理并实时在1206液

16、晶上显示，对温度数据的测试值和设定值进行PID运算，而后输出PWM波控制信号给含有光电隔离过零触发MOC3041的双向可控硅的加热控制电路，从而有效实时的控制温度。由于温度控制系统为大惯性系统，存在着大延时和纯滞后的特性，本文中的加热电路采用由双向晶闸管控制电路通断的PID调功电路，用在一定时间内晶闸管开关的时间来控制加热的功率，控制简单、性能可靠，对电网无谐波干扰，优点明显。2.3本章小结本章节简单的介绍本次设计的关键器件选择及电路的总体框架，进一步明确了本次设计的方案。第3章 系统硬件电路设计3.1 单片机最小系统 控制系统的核心部件是单片机，是负责数据处理，控制所述温度控制模块，温度采集

17、模块，显示模块，由于开发的程序数据大于4K，因此选择的存储量为8K的单片机STC89C52RC。STC89C52RC是一种高性能的，低功耗的CMOS微控制器，在系统可编程闪存8K，具有8K字节的闪存，内部RAM256字节， I / O线32个，看门狗定时器，数据指针两个，三个16位的定时器/计数器，一个6向量2中断结构，全双工串行口，片内振荡器和时钟电路2。所以STC89C52RC芯片系统可以提供灵活高效的解决方案。图3-2中所示的电路的STC89C52RC最小系统图。图3-1 STC89C52RC最小系统图系统主要由复位电路、报警电路、通讯电路、等组成。复位电路给单片机提供复位信号，使单片机

18、可以正常工作。时钟电路给微控制器的所有功能部件提供时钟控制信号，单片机的时钟频率直接影响单片机的速度。电源电路采用电源变压器将AC220V转换成大约9V交流电压，采用单向导电二极管将正弦波转换成直流电压，经过电解电容滤波成平滑的直流电源，再经过三端稳压器78L05，稳后的5V电源供给单片机。3.2.1.复位电路微控制器复位电路有多种，系统采用开关复位和上电复位电路，电路如图所示，当电源上电时，电容相当于短路，复位单片机，正常操作时，当在按复位按钮复位单片机，复位端加一个去耦电容，以防止有干扰进入时系统复位而导致错误，复位电路如图3-2所示。图3-2 系统复位电路3.2.2时钟电路微控制器的所有

19、功能部件是基于时钟控制信号的不断运行而进行的。 单片机的时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定运行。石英晶体振荡器的精度高，稳定性好，适用于该单片机系统。在图中所示的电路图中,，电路的两个谐振电容器通常选择大约20-30pF，从而使时钟电路更加稳定可靠。晶体振荡器频率范围通常为6MHz的12MHz之间。该设计采用12MHz的频率，以精确的计算定时器的时间。图3-3时钟电路图3.2.4.电源电路所有系统的稳定工作都离不开一个可靠稳定的工作电源，STC89C52RC需要5V电源供电。我国居民用电电电压为220V，所以需要电源变换电路。第一次电源变换采用电源变压器将A

20、C220V转换成大约9V交流电压，采用单向导电二极管将正弦波转换成直流电压，经过电解电容滤波成平滑的直流电源，再经过三端稳压器78L05，稳后的5V电源供给单片机，指示灯显示电源状态。图3-4中为所述的电路的原理图图3-4电源电路图3.2温度检测电路本设计中温度检测电路选用DS18B20温度传感器。温度传感器的种类众多,在应用与高精度,高可靠性是的场合DALLAS公司生产的DS18B20温度传其具有连线简单、高性能、低功耗、抗干扰能力强、精度高等特点。使用十分方便。目前已被众多行业进行广泛的运用。DS18B20具有如下特点： 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即

21、可实现单片机与DS18B20的双向通讯。 -55+125的测温范围。 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多能并联8个，实现多点测温。 工作电源: 35V/DC 9位到12位的数字温度计分辨率。DS18B20的引脚功能描述见表1，引脚排列见图3-5。图3-5 DS18B20底视图表1. DS18B20引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。3VDD可选择的VDD引脚温度采集模块电路图DS18B20的数据I/O与单片机的IO口连接就可以实现数据传输，为保证在有效的时钟周期内提供足够电流，采用外部电源单独供电，在数据线上加一个1K的上拉电阻

22、。具体接线电路如图3-6所示：图3-6 温度采集模块电路图3.4液晶显示电路本设计是利用1206液晶显示器来实现测量数据的。1206液晶显示器（LCD）具有功耗低，体积小，重量轻，功耗低。液晶可以显示数字，字符，还可以显示各种图形符号和一些自定义的符号，并可以实现上下屏幕左右滚动，闪烁文字等功能。使用操作更灵活，方便，它正日益成为各种仪器仪表等设备的首选。液晶有多种分类，通常有，字符类型，点阵等。除了黑色和白色显示，还有多灰度的彩色LCD显示器。如果按点驱动模式，可分为静态驱动（静止），单纯矩阵驱动（简单矩阵）和有源矩阵驱动（有源矩阵）三种。液晶显示器显示一个字符比较复杂，控制器内部有字符发生

23、器，显示字符相对简单，允许控制器在文本模式下工作，这取决于数的行列的液晶显示器和各行的开始，以确定上列出的号码相应的显示RAM地址，建立一个光标，可以显示字符码，1206引脚表2。表2 1602液晶引脚功能说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地8D1数据2VDD电源正极9D2数据3VL液晶对比度10D3数据4RS数据/命令11D4数据5R/W读/写12D5数据6E使能13D6数据7D0数据14D7数据1602液晶采用标准的14脚接口，各引脚接口说明如表3-2所示:第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为对比度调整端，整对比度可以通过10K的电位器进行。第

24、4脚：RS为寄存器选择，高时为数据、低时为指令。第5脚：R/W为读写信号线，高为读操作，低电平写操作。第6脚：E端为使能端，当E端由高变低时，模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。LCD1602的基本控制方式：首先要进行对这一块显示屏初始化，写进初始代码的时候不用进行检测显示屏的工作状态，所以两个指令的时候都要隔10ms，这样才能保证显示屏芯片工作在不忙时，才能有效接收主控发送的数据。但是经过初始化之后，主控每一次输进指令之前，读一次的显示屏芯片状态。当显示芯片在不忙的时候就可以正常接收到数据，检测显示芯片是的状态，要忙等到主控读回来是不忙的状态的时候。这时候就可以发送控制的指令

25、到显示屏里面。要在显示屏里面显示需要的数据，首先是输入显示屏的地址指令，再输入要显示的数据。LCD同MCU的连接如下图3-9图3-9 1602液晶显示器模块电路3.5 报警电路此部分主要为显示及报警电路，以实现报警的功能。报警电路部分采用蜂鸣音报警接口电路设计，通过MCS-51的1根口线经Q4驱动器驱动5V有源蜂鸣器发声，如图3-10所示。当单片机输出为高电平时，Q4截止，蜂鸣器不发声；当单片机输出为低电平时，Q4导通，蜂鸣器发声。通过控制蜂鸣器的频率，可以实现蜂鸣器的不同响声，以实现不同的报警效果。 图3-10报警电路图3.6 键盘电路键盘是输设定部分，此部分主要由四个按键组成，其主要功能为

26、设置不同的加热温度和报警温度，电路原理如图3-11所示。当系统启动时，默认显示加热温度为30度，并显示当前环境温度；当按下加键时设置温度增加，当按下减键时设置温度减小，设置实时生效。图3-11 键盘输入电路图3.8本章小结本章主要对系统进行了硬件设计，为软件设计奠定了一定基础。证明了该硬件系统设计方案的可行性。第4章 系统软件设计4.1软件总体方案系统主流程图如图4-1所示，系统变量初始化和对DS18B20的初始化，按键扫描程序，报警程序、PID主程序。该装置的软件包括主程序、获取温度主程序、温度处理主程序。系统上电后，开始对变量和液晶初始化，而后读取预设的温度值，然后获取DS18B20获取的

27、实时温度值，处理后在液晶上实时显示，经过PID运算后，输出PWM波，控制晶闸管的开通关断。从而实现温度的自动控制。当超过预设的报警温度值后，蜂鸣器响，提示超过范围。开始初始化温度设定温度采集采集温度报警温度？PID加热温度显示N报警Y图4-1 程序主流程图4.2关键模块的程序4.2.1温度检测程序DS18B20的程序设计 控制器对DS18B20操作流程如图4-2所示。 图4-2 DS18B20操作流程温度测量通过DS18B20数字温度传感器测量温度，将温度值转化为数字量接入STC89C52单片机中。在通过与设定温度比较对双向晶闸管进行控制。温度采集的流程图电路如图4-3所示：图4-3 温度采集

28、子程序流程图4.2.2 PID程序PID是一个闭环控制算法。因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。 比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用：1 比例，系统的基本（当前）偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使会降低系统稳定性，甚至造成震荡； 2 积分，系统的累计偏差，调节可以使系统消除稳态误差，提高无差度。 3 微分，预见偏差趋势进而进行超前控制，在偏差形成之前，已被微分调节消除，因此可以改善系统的动态性能，但必须与比例控制配合。常规的模拟PID控制系统由模拟PID控制器和被控对象组成，原理框图如图44所示。r(t)为给定值，y(t)是实

29、际输出值，给定值和实际值构成控制偏差e(t)： (2-1)图4-4 模拟PID控制系统原理图e(t)作为PID控制的输入，u(t) 作为PID控制器的输出和被控对象的输入, 所以模拟PID控制器的控制规律为 (2-2)其中Kp：比例系数，Ti：积分系数，Td：微分系数 4.2.3按键电路程序本次设计采用四位按键控制，按键程序编写过程中，要特别注意的是防抖动的程序的编写。程序图如4-6所示图4-6按键读取流程图4.3本章总结本章主要对系统进行了软件设计，并绘出了总程序流程图和部分电路的流程图，为程序编写提供了方向。整个程序由主程序和子程序构成，结构清晰，一目了然。 第5章 设计成果及总结在现有条

30、件下制作温度控制器的控制板，控制板实物图如图5-1所示。图5-1温度监控控制系统控制板成品图整个课题的设计过程主要包括了系统工作原理、系统硬件设计、系统软件设计、硬件调试，详细地说明了系统从设计到实现的全过程。经过软硬件测试，控制系统运行稳定，参数正常，很好地实现了设计功能，达到了预定指标。5.1本章小结本章介绍了依据原理图制成的产品的演示，并对设计方案的软硬件进行测试，整个系统在实际的测试中，运行稳定，参数正常，很好地实现了设计功能，完全达到了预定指标，验证了方案的可行性。第6章 结 束 语 本次毕业设计：基于单片机的温度控制系统设计，已经基本完成。通过这次毕业设计，我掌握了一些实践性质的设

31、计的基本步骤：首先，对市场上温度测量系统要有初步了解，并了解其研究现状及存在的不足，本设计方案的可利用程度等等，明确设计的任务及要达到的目标。其次，要确立设计方案，进行原器件的选型与硬件设计，并用软件画出设计电路图。最后，进行系统软件设计时，要弄清楚各个模块实现的功能，对整个系统进行软件编程实现。由于个人的能力有限，系统还存在不完善的地方，还值得改进和优化。在调试过程中，有些部分程序运行的结果总是达不到预期的效果，温度的修正还存在着一些问题，导致检测出来的温度与实际的存在着误差，这些方面的问题会在以后的学习和工作中逐步加强与完善。致 谢通过这此的毕业设计，但我学到了以前在课本上学不到的知识，提

32、高了自己的设计水平和拓展了知识。在本设计中，我最大的收获，那就是能够熟练使用电路板和程序设计软件，熟悉各器件的使用，通过综合调试，设计最终完成。在郑老师的指导下学习很多的知识，提高自身的专业素质，开拓了我的创新思维，提高了自己的设计的基础水平。最后，衷心的感谢在学业上给予我指导和帮助的各位老师，他们对工作的勤恳和对学生的关怀使我们受益匪浅，帮助我顺利完成了学业。 参考文献1 李建民.单片机温度控制系统中的应用J.江汉大学学报,1996.62 陈涛单片机应用及C51程序设计M北京：机械工业出版社，20083 彭伟单片机语言程序设计实训100例：基于8051+Proteus仿真M北京：电子工业出版

33、社，2009.64 李莉娜.单片机数据通信应用技术M.北京：高等教育出版社，20115 李爱传.孟巨 温度传感器ds18b20及在单片机系统的应用J. 黑龙江工程学院学报( 自然科学版),2007,21(3):54-566刘仁昌.吴永礼光电器件应用技术及设计J.控制系统应用, 2007,26(10):30-337 夏路易. 单片机技术基础教程与实践M. 北京：电子工业出版社，20088 刘爱琴,梁为民.单片机原理与接口技术J.计算机应用,2001,27(6):12-139 赵健，吴顺伟. 基于单片机的温湿度测量系统的研究与设计.电子技术10 张军 AVR单片机应用系统开发典型实例.北京航空航天

34、大学出版社 200611 刘文涛. 电子技术基础M . 北京：人民邮电出版社 200512余永权.单片机语言C52典型应用设计的应用, 电子工业出版社 200313 Intel. Microcontroller Handbook,198814Joseph.A method of developing 80C552 microcontroller on MCS-51 deviceJ.East China Institute of Metallurgy,1998 ,14(27):101-125.15Dallas semiconductor inc.ds18b20 programmable resolution 1-wiredigital thermometerZ. Dallas semiconductor inc ,2001.16 AT89C51 DATA SHEEP Philips SemiconductorsP.1999.dec