摘 要
在集成电路技术越来越成熟的情况下单片机的发展也有了翻天覆地的变化。单片机制造初期，需要的成本十分高昂，并且制作工序也是相当的繁杂。但是伴随时间的推移，电子技术经过不断革新，才使今天的单片机性价比变得更高，功能更强。如果这个系统还具有定时功能，它可以解决实际应用中出现的一些问题。这在保证温度准确的同时，更让响应的速度变得快速和及时。温度控制在生产过程当中是非常重要的一个环节，对生产出来的产品的质量有着至关重要的影响。
定时温度控制系统具有的特点:操作简洁、实际应用灵活度高、在运行中更加稳定。尽管现在市面上单片机的种类多，每一种都有自己的特色，但是近年来还是AT89C51为核心的单片机应用最为广泛。此次系统主要应用的是AT89C51型单片机。温度传感器DS18B20负责对温度信号的收集。DS18B20温度传感器可以将被控制对象的温度改变为数字量，并将其反馈到AT89C51微控制器。硬件部分被我们分为实时温度测量电路、温度智能控制电路和多个接口电路。单片机对相应的信号进行处理之后，就可以实现控制信号的目的。软件部分为了更具条理性,采取模块化的方法进行实现设计，模块分别为数码管显示模块、主扫描和主处理模块、温度信号处理模块、继电器控制和高温报警等模块。
在日常生活中处处可见单片机的身影，小到风扇、热水器，大到空调、洗衣机。我们的生活在无形之中发生着变化，我们的生活方式也在悄悄地变化着。并且我们对它的依赖也是愈加的严重。单片机的集成度高，性能好，通过在外围拓展一些简单的电路就能实现我们想要的功能。我们应该继续开发，研究出比现有的在性能等其他各方面都更加强大的单片机，我们也只有不停的探索才会有进步。
关键词：AT89C51单片机 DS18B20温度传感器 DS12887时钟芯片
Abstract
As the integrated circuit technology becomes more and more mature, the development of the SCM has also undergone tremendous changes. In the early days of the manufacture of SCMs, the cost required was very high, and the production process was quite complicated. However, with the passage of time, electronic technology through continuous innovation, it makes today's SCM cost-effective and more powerful. If the system also has a timing function, it can solve some problems in practical applications. This ensures that the temperature is accurate, but also makes the response faster and more timely. Temperature control is a very important part of the production process and has a crucial influence on the quality of the products produced.
Timing temperature control system has the characteristics of simple operation, high practical application flexibility, and more stable in operation. Although there are many kinds of MCUs on the market, each one has its own characteristics, but in recent years, AT89C51 is the most widely used MCU. The main application of this system is the AT89C51 type single-chip microcomputer. The temperature sensor DS18B20 is responsible for the collection of temperature signals. The DS18B20 temperature sensor can change the temperature of a controlled object to a digital quantity and feed it back to the AT89C51 microcontroller. The hardware part is divided into real-time temperature measurement circuit, temperature intelligent control circuit and multiple interface circuits. After the MCU processes the corresponding signal, it can achieve the purpose of the control signal. In order to be more organized, the software part adopts a modular approach to implement design. The modules are digital tube display module, main scanning and main processing module, temperature signal processing module, relay control and high temperature alarm.
In everyday life, there are MCUs everywhere, ranging from fans and water heaters to air conditioners and washing machines. Our lives are changing intangibly and our lifestyle is changing quietly. And our dependence on it is even more serious. The integrated level of the single-chip microcomputer is high, the performance is good, can realize our desired function through expanding some simple circuit in the periphery. We should continue to develop and research more powerful MCUs than the existing ones in performance and other aspects. We can only make progress if we continue to explore.
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Key words: 89C51 Microcontroller DS18B20 Temperature Sensor DS12887 Clock chip
目录
1 绪论
1.1 目的意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1基于PLC的温度管理系统研究
1.2.2对温度检测以及报警系统的研究
1.3文章的内容和创新
1.3.1 研究内容
1.3.2 创新点
2 硬件系统整体设计
2.1硬件系统的总体设计
2.2.1 系统硬件的选择
2.2.2 DS18B20温度传感器
2.2.3数码管
3 硬件电路操作系统的设计
3.1 DS18B20温度测量电路
3.2 DS12887芯片时钟电路
3.2.1 DS12887引脚描述
3.2.2 DS12887芯片时钟电路图
3.3 电源电路
3.4 独立键盘
4 控制操作系统软件设计
4.1主程序模块设计
4.2温度收集模块程序设计
4.2.1 DS18B20的时序
4.2.2初始化时序
4.2.3写时序
4.2.4读时序
4.3 温度设定模块程序设计
4.3.1键盘扫描子程序
4.3.2温度显示模块设计
4.3.3设定值显示子程序
4.4温度控制模块设计
5 结论
5.1 PROTEUS仿真
5.1.1 键盘设定温度仿真
5.1.2 温度采集仿真
5.1.3 整体仿真
5.2实际运行结果
6 总结与展望
6.1总结
6.2展望
致谢
参考文献
附录程序
1 绪论
1.1 目的意义
自18世纪工业革命以来，世界范围内的生产效率提升速度十分迅猛，尤其是工业方面的进步更是突飞猛进，在工业流程中，温度的控制占有重要的地位。同时，影响锅炉传递能量和影响设备寿命的关键因素之一就是温度。对于这个生活中的实例来说，我们完全可以利用反馈控制理论对锅炉实行改造，实现温度的准确控制，在满足工业生产的需求的同时又使其生产数量增加，提升了生产的速度。并且随着现代科学技术的创新不断发展，温度传感器[3]的类型也如雨后春笋般出现在大众的视野中，我们的生产生活也是变得丰富多彩了[1]。
实现温度控制的过程是先从生产过程当中得到参数，然后经过科学的计算方法，并结合各种先进的技术，这样就能确保每个生产环节基本上都能够实现精确的控制。
时代的巨大变革无形中影响着人们生活的前进方向，我们对单片机功能的要求也越来越高，它的高效、稳定、安全等优势越来越突出，在生活也起着不可替代的作用。
单片机的一个特点就是体积小，集成度高，把它作为一个核心的部件，另外只要在它的外围加一些简单的电路，就能够形成一个完整的小系统。在小的范围内来说，它跟普通电脑一样，具有同样的功能，但是它的优势就是它对于数据的处理能力更强一些。
在这个快速发展的时代里，在理论研究的支持之下，应用技术方面也得到了大幅度的提升。还有许许多多性能的传感器逐渐的涌现出来，人们的选择方式也变得十分繁多。每种传感器都有自己独特的性能，人们根据不同的性能把它们应用在各自适应的领域之中。
该系统的目的是为了把温度控制的更加精确。毕竟，当需要精确的温度控制时，手动控制有时不是很准确。自动、准确地控制温度成为我们的唯一需求，这才是我们最终要实现的目标。在生产生活中，对我们的影响是十分深远的。例如，在北方地区，冬天的温度极低，不能储存蔬菜，但是有了温室大棚后，人们就可以利用大棚来储存蔬菜，即使是寒冷的冬季，也不需要我们担心了；在矿石中将矿物质提炼出来，此时就会需要利用温度来加热矿物质，并且对温度数值的要求也是十分严格的，所以我们对于温度的掌控程度成为了至关重要的一步。例如空调在我们的生活中是十分常见的电器之一，我们认为它的存在是十分普通的，但是它却为我们带来了温暖和清凉。这一切都让我们发觉温度控制对我们生活起着巨大的作用[2]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1基于PLC的温度管理系统研究
自20世纪70年代以来，科学技术在全球范围内迅猛发展,这也时刻在影响着工业发展，集成电路技术的设计与计算机技术结合,并且在自动控制方面也是应用的十分广泛，在此基础上，温度控制系统获得了良好的发展机会，更加适应当下的生活需要，其中智能化应用深受人们的喜爱，参数上也是得到了很大进步。在这方面，西方一些发达国家在技术上更先进，并已生产出许多现在广泛用于各行各业的商用高性能温度控制器和仪表。
目前广泛使用的温度控制系统包括基于单片微型计算机的温度控制系统和基于PLC的温度控制系统[3]。
单片机的成长历史在我们的记忆中不是很长时间，可是它却成长的十分茁壮，首先它以体积微小，制造成本较低的优势很快占据了市场，成为行业中的翘楚。其次，它的功能更加强大，安全或者是可靠性能得到极大的改善，由此在社会的各个行业或者领域中被广泛的使用，并且深受广大使用者的喜爱与欢迎。时间的推移，让单片也得到了更新迭代，由原始的4位机过度到了今天的32位机，它的性能方面也是发生了巨大的变化，变得更加灵活、智能了。以单片机作为基础，设计实现出温度控制系统，这样的体系会十分安全可靠。可是相对其它的温控系统来说，单片机反响速度慢、中断源少，不利于在较为复杂的、高标准的环境中使用。
PLC是一种数字式电子计算机，它是利用可编程存储器存储各种指令，例如定时，排序，计数等功能，并控制各种机械或工作程序。PLC的优点包括较高的可靠性、巨大的抗干扰能力及易于被大家学习和应用，因此被广泛应用于各类工业领域之中。并且PLC的成本相对较低，这个优势是它最吸引人的地方之一。因此，PLC在市场中的占有比例是很大的，未来发展的前景更是十分乐观的。
温度控制系统，在时代的潮流中稳步前进，进步的速度也是十分喜人的，在国内控制系统行业中，温度控制系统占有绝大部分的份额，拥有良好的前景和市场的需求，
就其生产的整个周期来说，生产技术水平虽然在稳步提升，但与西方的一些发达国家进行比较，控制系统这方面，我国还是有很长的路需要走的，中国现有产品主要采用点控制和常规PID控制器。这种产品更加依赖的是低温的系统控制，而且难控制，延迟性比较强，随时间变化的温度系统控制。为了适应更先进的需求管理情况，国内的开发技术还不成熟，但国外已有很多成熟的产品。造成这种现象的基本原因是，本国开发技术落后于国外，并且西方技术的严格保密致使我们只能进口相关的系统，而且要按照他们的要求使用，所以我们不能得到技术支持也不能开发出属于自己的控制系统。控制参数在绝大部分上是借助日常经验和人员现场调试得到的[4]。
1.2.2对温度检测以及报警系统的研究
温度控制系统以嵌入式系统为技术基础，经过与计算机技术、编程语言开发结合逐渐成长起来的。嵌入式系统起源于微型计算机时代，当今时代，国内经济的发展速度大幅度提升，人们的生活质量日渐提高，微型计算机的稳定性、准确度、不能符合我们的生活需求。因此，嵌入式系统必须找到新的途径。即将其芯片化。将计算机放在芯片上，迎来了嵌入式系统微控制器自主开发的时代。20世纪70年代后期，单片机出现在人们的视野中，并且逐步发展壮大，主要的成长历程所有三个方面，分别是SCM，MCU和SOC。
使用AT89C51微控制器，在控制方面变得更加简单，操作配置也得到了很多的优化，使用的灵活性也大大的加强，这些显著的优势令它在行业中稳步前进。并且大大提高了产品的质量，增加了产品的数量。可以大大提高可控制的控制温度的技术指标。在工业生产中，SCM的温度控制问题是不可避免的。与此同时，温度的存在是生命的特征之一，人们对于它的关注程度也是相当的高，它不但与我们的生存环境息息相关，更重要的是我们想如何控制它，让它为我们服务。它的存在不仅对产品产生具有直接的影响，还会加速损坏机械设备或者各种其他的零部件，对我们的安全产生严重的影响。例如在平时的生活中，温度过高或过低，都会产生或多或少的影响。总的来说，温控器被广泛应用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升。近百年来，温控器的发展大致经历了三个阶段：1.模拟温度控制器；2.集成温度控制器；3.能温度控制器；目前，国际上新型温控器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展[5]。
1.3文章的内容和创新
1.3.1 研究内容
本文所要研究的课题是基于单片机的温度控制系统的设计，该系统要显示时间、设定温度和实际温度，能自动以设定的温度和时间开始或停止加热。所控制的实际温度和所设定的温度误差不会超过1℃。主要目标是实现温度的设定值显示、实际值实时测量及显示。单片机连接的温度调节装置由软件与硬件电路配合来实现温度实时控制，显示可由软件控制并在数码管中显示。比较采集到温度与设定值及上下限的大小，然后做出相应的反应，控制执行机构是否降温或升温。
系统的核心是AT89C51芯片，结合它开发设计了单片机温度控制系统。并且此次设计的最终目的就是实现这个系统的全部功能。对于温度信号的采集，设计中使用了DS18B20型温度传感器收集传输温度，在单片机中集成了数字信号的转换装置，所以单片机可以对传入的数字信号进行对应的处理。利用这样的方式，达到对温度控制的目的是很有利的。开发中采用了C语言作为这个系统的技术支持，借助它进行程序的编程，并利用单片机p3.1引脚为控制端连接到固态继电器[8]，软件方面，利用PID控制算法对恒温部分进行控制设计。
定时测量方面，利用的是时钟芯片，它可以提供准确的时间，我们借助这个时间作为为标准来对温度进行定时测量。单片机会收到所测温度的返回值，单片机一边会及时准确的把数据传输到显示器上，一边将提前设置好的温度与传输过来的实际测量的温度数据相比较，通过判断它们之间的温度差，从而来决定是否需要调整。可以先输入一个自己初始设定的温度，然后把时钟芯片的时间进行相对的更新，这个时候系统就会被启动。使系统具有以下功能：
①对温度的实时检测；
②可以显示设置的温度值还有实际值；
③在设定的温度范围外实现报警功能
1.3.2 创新点
（1）在这个体系中有三个功能，分别是实时检测，自动控制，定时加热。并且系统还提供了对时间参数的设置、定时、启动或停止等多个功能。该系统在酿酒、冰箱、孵化箱等领域的应用也是十分广泛的。
（2）根据题目要求设置可控制的温度范围为0~40℃。时间的显示、温度的测量等，这些都是可以手工进行操作的，并且设置何时加热或者是停止，十分方便。
（3）主要以热水器为应用对象，由此设计的硬件部分还有软件 ,同时在现实生活中一直遵循着简单、环保、实用的原则。
