基于单片机的温度控制系统设计

摘要

当今社会不断发展，工业以及生活领域对温度控制系统的要求日益增加。以往的设计系统已经不能满足如今的社会需求，因此设计更加符合要求的温度控制系统是大势所趋。采用单片机进行温度控制系统的设计可以使温度的调节更简单、灵活，节约操作成本。本文将利用STC89C51单片机设计一个温控系统，利用温度传感器进行数据采集，LCD显示屏显示当下的温度。当设备的温度超过或低于预设的温度区间时，报警器发出警告且继电器开始控制相应的器件进行温度控制操作，从而将温度控制在预设的区间内。最终通过仿真对设计进行调试以及改善。本系统可作为热水器温度控制系统、温室温度控制系统等。系统灵活性大，便于调节。

关键词：单片机；继电器；温度传感器；数码管

Design of temperature control system Based on SCM

Abstract

In today’s developing society, the industry and life are increasing. The previous design system has been unable to meet the needs of today’s society, so the design of the more required temperature control system is the inevitable trend. The design of the temperature control system can make the temperature adjustment more simple and flexible, and save the operation cost. This paper will use the STC89C51 single-chip microcomputer to design a temperature control system, using the temperature sensor for data collection, the LCD display shows the current temperature. When the temperature of the device exceeds or below the preset temperature interval, the alarm issues a warning and the relay begins to control the corresponding device for temperature control operation to control the temperature within the preset interval. Finally, the design is adjusted and improved through simulation. This system can be used as a water heater temperature control system, a greenhouse temperature control system, etc. The system has great flexibility and is easy to adjust.

Key words: single chip microcomputer; relay; temperature sensor; digital tube

目录

1 引言

1.1 设计研究背景

1.2 设计研究目的及意义

1.2.1 研究目的

1.2.2 研究意义

1.3 研究现状及设计思路

1.3.1 研究现状

1.3.2 设计思路

2 总体设计

2.1 系统设计工作原理及原理框图

2.1.1 基本工作原理

2.1.2 设计框图及介绍

2.2 系统设计要求

3 器件选择及介绍

3.1 单片机选型

3.1.1 单片机选型要求

3.1.2 STC89C51单片机功能介绍

3.2 传感器选型

3.2.1 传感器选型要求

3.2.2 DS18B20温度传感器介绍

3.3 显示器的选型

3.3.1 显示器选型要求

3.3.2 LCD1602液晶显示器介绍(与普通数码管对比)

3.4 继电器控制升降温器件选型

3.4.1 继电器控制部分的选型要求

3.4.2 器件介绍以及选择的原因

3.5 单片机、传感器、显示器管脚功能介绍

3.5.1 单片机管脚功能介绍

3.5.2 传感器管脚功能介绍

3.5.3 LCD1602的管脚介绍

4 硬件设计

4.1 单片机控制部分

4.2 温度传感器部分

4.2.1 DS18B20温度传感器内部结构

4.2.2 DS18B20温度传感器内部构成

4.2.3 DS18B20温度传感器的工作时序

4.2.4 DS18B20温度传感器的仿真原理图连接情况

4.3 温度控制部分

4.3.1 加热片工作原理

4.3.2 小风扇工作原理

4.3.3 继电器控制温度部分仿真电路图

4.4 温度显示部分

4.4.1 单片机控制LCD1602液晶显示器原理

4.4.2 温度显示部分的仿真连接图

4.5 报警器以及控制按键部分

4.5.1 报警器工作原理

4.5.2 报警器部分仿真连接图

4.5.3 控制按键部分工作原理

4.5.4 控制按键电路图

4.6 系统设计Proteus仿真电路图

4.7 所需元器件类型

5 软件设计

5.1 软件的设计流程图

5.2 软件程序原理

5.3 传感器、报警器部分代码

5.3.1 DS18B20温度传感器程序设计基本过程

5.3.2 报警器部分程序设计基本过程

5.4 继电器、显示器部分代码

5.4.1 继电器控制温度部分程序设计基本过程

5.4.2 LCD1602液晶显示器程序设计基本过程

5.5 控制按键部分的程序设计

5.6 系统主体部分程序设计

6 最终调试

6.1 LCD1602液晶显示器仿真显示

6.2 报警器部分仿真运行

6.3 继电器控制温度部分仿真

6.4 实物焊接

结 论

参考文献

致 谢

1 引言

1.1 设计研究背景

如今几年随着社会生产力的不断发展，工业、农业等领域生产设备趋于完善，各个领域对于温度控制方面的要求越来越多，不同的方面所需的温度控制系统虽不完全相同，但是对于要求的温度控制能力是一样的。因此，在当前对于温度控制的极大要求下，设计一个较为简单、灵活、控制方便的温度控制系统十分重要。采用STC89C51单片机进行设计能够很好的满足要求的实用性、灵活性并且可以将设计系统的技术指标进行提升，进而提升工业、农业等领域产品的生产率以及产品的质量。由此可得，在温度控制系统中利用单片机进行设计是一种很有代表性的方式。

1.2 设计研究目的及意义

1.2.1 研究目的

为了使工业、农业等生产领域能够顺利进行，调节其中的各类参数如温度、压强、速度等是十分有必要的，其中对温度进行控制是非常重要的。如今社会不断发展，我们对于温度的要求越来越高，不同领域在操作的时候都或多或少的需要对温度进行一定的控制，所以对温度的测量以及控制变得十分重要。工业、农业等生产领域离不开温度这种要素，准确的测量并控制温度不仅可以提高工业、农业等生产效率，还可以对产品的质量进行提升，减少人工资源的浪费。

研究发现，我们现在的社会中比较流行的温度控制系统大多数的控制性能、可靠性不高，一些先进的、操作性好的温度控制系统价格比较昂贵而且操作比较繁琐。针对于此现状，我们现在需要的就是性价比较高而且操作简单的温度控制系统，并且在研究中我们可以了解到单片机的价格相对低廉，而且也可以实现范围性的温度控制，因此采用单片机作为主控部分来进行温度控制系统的设计可以为社会提供一些基本的范围性温度控制系统。

1.2.2 研究意义

为了节约劳动成本，减少资源浪费，提高温度控制效率，设计一款合适的温度控制系统十分重要，它可以通过改善相应的因素来提高经济效益，有利于工业、农业等不同领域社会的进一步发展，为需要温度控制的项目工程提供一个合理的操作系统、以此来提高工程的操作效率。

本次研究的设计主要采用的是STC89C51单片机作为主要控制来设计一款温度控制系统。利用单片机进行设计，一方面是比较容易进行温度的控制，另一方面是其操作更具有灵活性。作为一项利用单片机、传感器、继电器以及显示器等部件的系统设计，可以很好地考验我们的综合实验能力以及动手操作能力，将所学的书面知识得到一个更深层次的理解，对书本知识有进一步的加深。

1.3 研究现状及设计思路

1.3.1 研究现状

国外研究现状：早在二十世纪七十年代国外便进行了温度控制方面的研究。最开始的时候进行研究是利用模拟的字和仪表对温度进行相应的操控。到了二十世纪八十年代的末期开始了分布式控制。如今，国外对于温度控制的研究日益深入，控制技术也逐渐成熟。

国内研究现状：我国对于温度控制的研究晚于国外十年左右，最开始基于国外先进经验逐渐掌握了通过微机系统进行温控的技术。目前为止，我国对于温度控制的研究相对落后，很多方面不能得到相应的利用，系统软件和硬件基础比较薄弱。但温度对我们非常重要。因此我国应该更加深层次的研究温度控制系统。经济社会日益发展，我们对温度的要求逐渐增大，设计更加简单，精确度更高的系统非常重要。

1.3.2 设计思路

本设计研究主要是基于单片机做温度控制系统，所要进行温度控制的设备通过DS18B20温度传感器把目前的被控设备温度转化为单片机能够识别的数字温度信号传输到单片机中，与此同时可以在系统中设定一个被控设备的初始温度范围。设定的被控设备适应的温度范围以及设备当前的温度会显示在LCD1602液晶显示器上。当设备温度高于或低于预设温度范围时，通过报警器报警并且继电器控制系统会据此控制不同器件进行设备的升降温，以控制设备温度在设定的范围内。

2 总体设计

总体设计是：在经过前期资料查阅、对各类器件进行对比、采用仿真软件对设计进行预操作等过程之后，对本次所要求设计的温度控制系统进行了一个整体的设计操作，对于本次设计系统所需要完成的各项条件进行预设，将符合预设条件的器件以及仿真软件进行挑选，制定相应的设计方案，进行一定的方案对比，选择合适的方案进行设计操作，对所要实现的具体功能以及具体的操作原理进行设计。

2.1 系统设计工作原理及原理框图

2.1.1 基本工作原理

将本系统接入需要进行温度控制的设备并接通电源后，DS18B20传感器将从被控设备的当前的温度中提取的温度信号转换为设计系统可以识别的信号输入到单片机中，经过单片机的识别最终将设备当前温度显示在系统设计选取的液晶屏之上(仿真图中用LCD1)并传输到继电器部分，方便继电器识别当前的温度，在进行设备温度测量之前可以通过控制按钮来调节被控设备的预设温度范围(在仿真设计中默认调节的温度范围是可以自行调节的)，控制按键有三个，分别可以进行：最低温度和最高温度以及位数的选择、调高温度数字、降低温度数字。

当需要控制温度的设备当前的温度高于之前预设的温度范围时，继电器1会随之闭合处于工作状态，控制小风扇对被控设备进行降温处理并且系统中的红色LED灯亮起，同时报警器发出声响，以此来提醒操作人员当前设备温度过高；当设备温度低于预设的温度范围时，继电器2会随之闭合，控制加热片对被控设备进行升温处理并且黄色的LED灯会亮起，同时报警器发出声响，以此来提醒操作人员当前设备温度过低；当设备温度到达预设的温度范围后，继电器识别到传来的温度符合预设的温度要求，因此两个继电器都处于不工作的状态，小风扇与加热片也不工作。

2.1.2 设计框图及介绍

通过对单片机温度控制系统的相关资料的查找、阅读吸取其中适合于本次系统设计的部分并且利用仿真软件Proteus以及keil对系统的设计进行具体操作，我对本次的温度控制系统设计基本分为了六部分。

这六部分分别是：DS18B20温度传感器传输设备温度的部分、STC89C51单片机主控部分(由于仿真软件Proteus8.6中没有所需的STC系列芯片，而且经过查阅资料可以了解到AT89C51单片机与STC89C51单片机的引脚功能基本相同，所设计的温度控制系统采用的STC89C51单片机引脚在AT89C51中都有，所以仿真图的连接以及后续的代码设计采用AT89C51单片机进行代替)、继电器控制温度升降温部分(在Proteus软件中没有相应的加热片进行升温处理，所以在仿真中采用的是光电耦合器以及LED灯来代替基本的工作原理，如果LED灯发出光亮则证明本系统设计正常运行或采用步进电机模拟小风扇，OVEN加热炉模拟加热片来进行设计)、控制按钮部分、LCD1602液晶屏显示部分