摘 要

温度的变化与生活息息相关，为了加强日常生活的便利性，越来越多的智能化家用电器进入人们的生活中。本文以热水器为应用对象，利用单片机在自动控制系统中的便利性和功能性，设计了一种基于单片机的水温控制系统，以AT89S51为控制核心，搭配多种功能电路来实现对水温的控制。

设计中采用DS18B20温度传感器测量温度，测得数据与单片机中预设值比较，通过继电器对温度进行控制。除了控制部分外，还有按键设置和数码管显示部分，方便用户读取温度和调节期望温度。为了保证热水器的安全性，系统还设计了自动上水功能，防止空水箱加热造成危险。软件方面采用结构化编程，方便功能修改和维护。从系统的仿真结果中，可以看到系统检测显示温度十分准确，能够在水温过低时及时加热，当水位过低时也能及时增加储水量，验证了系统控制水温的可行性。

关键字：AT89S51；温度传感器；温度控制

Abstract

The temperature changing is closely related to life, in order to enhance the convenience of daily life, more and more intelligent household appliances appear in people's lives. Taking the water heater as the application object, this paper designs a water temperature control system based on single-chip computer by using the convenience and function of single-chip computer in the automatic control system.. The system which take AT89S51 as the control core achieved water temperature control with a variety of functional circuits.

In the design, the system uses DS18B20 temperature sensor to measure temperature, then the measured data are compared with the preset values in the single chip computer, at the last, the system controls temperature by relay. In addition to the control part, there are button settings and digital tube display part to facilitate users to read the temperature and adjust the desired temperature. In order to ensure the safety of the water heater, the system also designed an automatic water supply function to prevent the danger caused by the heating of the empty water tank. The software uses structured programming to facilitate functional modification and maintenance. From the simulation results of the system, it can be seen that the system can accurately measure and display temperature, the water can be heated in time when the water temperature is too low, and system can also increase the water storage in time when the water level is too low, so the results verify the feasibility of the system to control the water temperature.

Key Words: AT89S51; Temperature sensor; Temperature control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 温度控制系统研究的背景及目的 1

1.2 温度控制系统的发展现状 1

1.3 单片机的发展与应用 1

1.4 本文工作和章节安排 2

第2章 水温控制系统总体设计 3

2.1 控制系统的任务及目标 3

2.2 控制系统的方案选择 3

第3章 水温控制系统硬件设计 5

3.1 单片机控制电路设计 5

3.1.1 AT89S51单片机的介绍 5

3.1.2 单片机各引脚的功能 5

3.1.3 单片机接口电路配置 7

3.2 温度测量电路 7

3.2.1 DS18B20芯片介绍 7

3.2.2 DS18B20芯片测温原理 9

3.2.3 DS18B20测温电路设计 10

3.3 数码管显示电路 10

3.3.1 驱动芯片MAX7219 10

3.3.2 显示模块电路图 11

3.4 水位检测电路 12

3.5 按键控制与报警电路 12

3.6 加热驱动电路 13

第4章 水温控制系统软件设计 15

4.1 控制主程序设计 15

4.2 测温程序设计 16

4.2.1 DS18B20的操作时序 16

4.2.2 温度采集子程序 17

4.3 显示模块程序设计 17

4.3.1 MAX7219初始化设置 17

4.3.2 温度值显示子程序 19

4.4 按键设置功能实现及中断子程序 19

第5章 系统仿真 21

5.1 温度检测和实时显示 21

5.2 按键控制温度范围仿真 22

5.3 加热电路仿真 23

5.4 水位检测及控制仿真 25

第6章 结论 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 温度控制系统研究的背景及目的

温度是表征物体冷热程度的物理量，在我们的生产和生活之中涉及非常广泛^[1]。温度的测量与工业和农业生产的各个领域相关，如机械生产、钢铁冶炼、工业化培养、空调系统等，对温度的测量和控制技术是非常重要的。

在绝大多数生产过程中，温度作为常见的控制对象，对于确保工业生产的有效性和安全性至关重要，温度的检测和控制与保障生产安全和质量、提高生产效率、节约能源等关键因素息息相关，因此能够实时检测温度并选择最优控制策略的算法在各行各业都极为重视。常见的温控系统有很多，但随着目前智能技术的发展，运用微型处理器的温度控制系统在多种生产过程和产品中应用越来越普遍^[2]。本设计中以日常家用热水器为应用目标，以51单片机为核心，搭建了精简电路，并编写了与之对应的控制程序，实现了对水温的智能控制。

以下对温度控制领域的现状和单片机的发展做简单的介绍。

1.2 温度控制系统的发展现状

近年来，国内外各种对于温度的监测和控制技术都相当成熟了，在工业生产和日常生活中应用普遍。其中常见的测温方式有膨胀式测温法、热电偶测温法、热电阻测温法、辐射测温法等^[3]；根据应用目的的不同，也有多种温度控制系统，当对于一些控制要求较低的场合，一般运用单一机械的方法，采用纯硬件的方式，系统容易实现，建造成本低，但是没有很好的精密度和稳定性；针对一些高性能要求的工业领域，近年来快速发展了多种先进、智能的温度控制方式，2017年，陕西科技大学的李明辉、宋忠柱等人提出了一种应用于炉温控制系统的模糊粒子群算法，可以将控制器的参数进行实时优化，从而改善系统的控制性能，有效提高了系统的鲁棒性^[4]；在国外，一种最优结晶温度（OAT）控制策略被用于每小时重置冷凝水温度，从而最大限度的提高组合式冷水机组和冷却塔系统的性能。这些采用微型计算机的控制技术在丰富功能的同时，大大提高了系统的控制精度和可操作性。

1.3 单片机的发展与应用

单片机伴随着集成电路和微型计算机技术的发展而产生，单片机具有体积小、成本低、应用方便等特点，而且很容易嵌入到各种应用系统中^[5]。单片机作为一种微型计算机，本身就具有一定的运算能力，只需要增加一些必要的外围功能电路，就可以实现相应的应用系统，非常具有灵活性。

目前，各个领域都对以单片机为核心的嵌入式应用系统有很高的需求。在工业自动化领域，单片机在机电一体化技术中发挥着重要作用；在测量仪表方面，单片机能够有效提高仪器的精度和稳定型，同时还有助于简化仪器结构，推动其数字化、多功能化发展。在比较复杂的分布式多机系统中，一般采用多个单片机完成不同功能，通过串行通信协调工作^[5]。除此以外，单片机在日常电子产品、自动控制甚至国防等重要尖端领域也起着重要作用，可以说单片机的出现，为多种控制领域带来了极大的便利性。

1.4 本文工作和章节安排

本文主要完成的工作为以下四个部分：

（1）对温度控制系统进行简单的介绍，分析温度控制系统的研究背景和发展概况。

（2）根据系统的性能要求，确定水温控制系统的设计方案，完成元件的选型和硬件电路的设计和连接。

（3）确定控制程序方案，绘出主程序和各功能子程序的流程图。

（4）完成控制系统的调试工作，确保能够实现预期功能。

本论文的章节安排如下：

（1）第1章 绪论：本章介绍了温度控制的相关背景知识和发展现状，然后介绍了单片机在智能控制中的应用，以及本文的工作和编写安排。

（2）第2章 水温控制系统总体设计：本章主要介绍了系统设计所要实现的目标，并针对单片机和各模块的功能进行方案的比较选择。

（3）第3章 水温控制系统硬件设计：本章对硬件电路中选用的器件如单片机、显示器等进行介绍，并且完成硬件模块的设计和搭建。

（4）第4章 水温控制系统软件设计：对系统的功能进行分析，分别完成主程序和多个子程序的流程设计。

（5）第5章 系统的仿真调试：介绍了仿真环境和程序编写的软件，对系统进行软、硬件的调试。

（6）第6章 总结：对全文内容进行总结，同时也总结自己毕业设计期间的工作。

第2章 水温控制系统总体设计

2.1 控制系统的任务及目标

本次设计主要是做出一个水温控制系统，能够测量水温，并控制电路使水温保持在某个数值范围内。设计的水温控制系统能达到如下功能目标：

1. 能够测量0~99℃的水温，测量误差不超过0.1℃，并用数码管加以显示。
2. 水温低于预设温度范围时，可输出控制电流，配合加热回路控制温度。
3. 水温不在预设范围内时，蜂鸣器发出报警信号。
4. 提供按钮调节预设温度范围。
5. 显示水位高度，并可以及时补充储水量。

综合以上功能目标，绘出控制系统原理框图如图2.1所示^[6]。

图2.1 控制系统原理框图

2.2 控制系统的方案选择

本次设计的水温控制系统，可以分为几个独立的模块，负责实现不同的功能，并用单片机对功能电路加以控制和利用，以下对各模块所用元器件进行比较和选择。

（1）单片机控制模块：该部分是水温控制系统的核心，进行数据处理和发送控制信号的基本功能。鉴于本次设计的水温控制系统较为简单，不需要很复杂的运算，初步选择的单片机型号包括Inter公司的8031芯片，ATMEL公司的AT89C5x系列以及AT89S51芯片。比较之下，8031芯片结构简单缺少片内程序存储器，需外扩额外的存储器，加大电路复杂度，而AT89S51芯片比C51拥有更快的运算速度，更强的抗干扰能力，更高的工作频率以及更广泛的功率范围等优点，综合考虑下选择使用AT89S51芯片。

（2）温度检测模块：水温是整个控制系统的核心被测量，系统中的动作都依据检测到的水温来判断，所以水温测量的准确性直接影响系统能否正常实现功能。

方案一：运用AD590温度传感器，其线性度较好，精度高，体积小，可配以外接电阻将温度转化为电压数值送入数模转换器中^[7]，这样就要求较多的外部电路支持，导致硬件电路复杂，软件调试麻烦，制作成本较高。

方案二：采用DS18B20芯片读取温度，它可以直接将测量的温度值转化为数字量，且只需一根总线与单片机连接传输数据，大大简化了硬件电路，测温精度最高能达到0.0625℃，完全能够满足设计的测温精度^[8]。

综合考虑下选择DS18B20芯片来进行温度测量。

（3）水位检测模块：在查看水位检测相关资料时，有以下集中方式可以实现：压力传感器、电容传感器以及电子液位传感器等。在本次设计中对于水位的精度要求不高，仅需要在水量不足时及时注水，考虑到节省成本，降低系统复杂度，选择用电极式液位传感器，为防止电极长时间在水中产生腐蚀，拟采用石墨涂层包裹电极，在不影响检测电路接通的同时，保证电极的使用寿命。

（4）显示及报警模块：显示输出模块需要显示当前温度、水位以及设置温度范围时能够显示上下限。水位显示直接在水位检测时加入四个LED灯表示四级水位高度，运用MAX7219芯片串行驱动8位共阴极LED数码管，动态显示温度值。当测量值不在设置的温度范围内时，单片机输出信号控制蜂鸣器报警。

（5）驱动模块：本次设计中有两个部分需要单片机给与信号进行驱动，分别是上水电磁阀驱动模块和自动加热驱动模块，初步有两个方案选择。

方案一：单片机发出控制信号经由三极管后触发电磁继电器，此时加热回路或者上水电磁阀开始工作，达到控制温度和增加储水量的目的。这样的控制精度不高，但是使用元器件少，控制电路简单，程序实现也不是很复杂，价格更加便宜。

方案二：按照固体继电器的原理，使用双向可控硅等半导体器件的开关特性来替代电磁继电器接触式开关，用单片机的输出信号控制可控硅的通断，开关速度较快，再配以光电耦合器进行电路隔离，是控制电路更加稳定安全。

综合考虑之下，决定选用电磁继电器来进行电路驱动。

第3章 水温控制系统硬件设计

3.1 单片机控制电路设计

3.1.1 AT89S51单片机的介绍

AT89S51是ATMEL公司生产的低功耗、高性能的8位微控制器，它将那些控制应用所必需的功能部件都集中在一块集成电路芯片上^[9]。芯片的内部结构如图3.1所示，包括数据处理、存储、输入输出、时序控制等部分。

图3.1 AT89S51单片机内部结构图

根据图3.1可以观察到，AT89S51中的各功能部件都通过片内单一总线连接，并由CPU通过特殊功能寄存器对各种功能部件进行集中控制。

3.1.2 单片机各引脚的功能

目前AT89S51单片机多采用40个引脚的DIP封装，为双列直插式，如图3.2所示。

按照功能的不同，可以将40个引脚分为三种类别：电源及时钟引脚、功能控制引脚、I/O口引脚，接下来将对本次设计中使用到的引脚进行简单的功能介绍。

（1）时钟引脚：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）分别是单片机片内的振荡器和时钟发生器电路的输入与输出端，本次设计中采用片内振荡器构成时钟电路为单片机提供时序脉冲，需要在这两个引脚之间连接外部石英晶体和微调电容。

（2）控制引脚：本次设计中用到的控制引脚是RST（9脚）和（31脚），其中RST是复位信号输入端，当需要进行复位操作时，可以给此引脚输入一定时间的高电平，一般持续两个机械周期以上。引脚控制单片机访问外部程序存储器，本次设计不需要外扩其他的程序存储器，设计中将该引脚置高电平。

图3.2 AT89S51封装引脚图

（3）并行I/O口：本次设计中把P0、P1、P2口都作为通用的I/O口使用：P0口负责温度、水位控制信号及报警信号的输出；P1口从DS18B20获取温度然后向8位数码管驱动芯片输出控制信号；P2口采集水位高度信号。其中需要注意的是，P0口属于双向口，当它作为数据线时，处于高阻态，在本设计中需要外接上拉电阻才可以作为通用I/O口使用。

因为按键控制部分拟采用中断来实现，需使用P3口提供的第二功能，其引脚第二功能定义如表3.1所示。

表3.1 P3口第二功能

3.1.3 单片机接口电路配置

单片机是整个控制电路的核心，此设计中单片机各接口的配置如图3.3所示。DS18B20测温总线为P1.5；数码管显示驱动电路：P1.0~P1.2；水位检测电路：P2.0~P2.3；P0.0、P0.2、P0.4分别接温度控制、蜂鸣器报警、电磁阀驱动电路；按键设置接P3.1~P3.3引脚。左边部分是单片机的最小工作系统，是指是单片机能够工作的最基本应用系统，包括时钟电路和复位电路，其中时钟电路用来产生时序脉冲，单片机的运算和工作时序都由它控制，复位电路可以在单片机运行出现问题时进行系统复位用于发生不可预测的危险时，恢复系统的正常运行^[10]，除此之外实际应用电路中还需接入 5V电源为单片机提供电源。

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