基于单片机的水温控制系统的研究与设计毕业答辩

1、 指导老师： 张老师 学生姓名： 学号：论文题目： 基于单片机的水温控制系统的研究与设计 论文提纲v现状v框架v实现v创新v总结v致谢v参考文献返回现状v现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，温度控制不

2、仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化使

3、人们能及时看设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。 课题的背景及其意义 返回现状v目前国内温度监控系统的研究正在飞速的发展，被广泛用于工农业生产、目前国内温度监控系统的研究正在飞速的发展，被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域等方面，但对温度要求比较严格的场合，我国的科学研究和生活等领域等方面，但对温度要求比较严格的场合，

4、我国的设备根本无法胜任设备根本无法胜任, ,更提供不了具有建设性的、有价值决策的数据。而更提供不了具有建设性的、有价值决策的数据。而国际上新型温度监控器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络国际上新型温度监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。另一方面智能温度监控器正朝着低功耗、智能化、高精化的方向发展。另一方面智能温度监控器正朝着低功耗、智能化、高精度、安全性及研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。度、安全性及研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。课题的背景及其意义 返回课题研究现状 v温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温温度控制技术按

5、照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在定好的曲线进行变化。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。2020世纪世纪8080年代开始，国外在单回路年代开始，国外在单回路PIDPID控制器中引入了参数整定和自适控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，应控制理论，PIDPID控制理论

6、从此进入了高速发展阶段。控制理论从此进入了高速发展阶段。v目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等精度不稳定等。 现状返回框架v

7、AT89C51系列单片机工作原理的研究v硬件设计v软件设计软件设计实现 返回实现AT89C51系列单片机工作原理的研究AT89C51及及80C51系列基本组成及特性系列基本组成及特性AT89C51AT89C51是一种带是一种带4k4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only MemoryFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，）的低电压，高性能高性能CMOS8CMOS8位微处理器，俗称单片机。而在众

8、多的位微处理器，俗称单片机。而在众多的5151系列单片机中，系列单片机中，要算要算 ATMEL ATMEL 公司的公司的AT89C51AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和它不但和80518051指令、管脚完全兼容，而且其片内的指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K4K程序存储器是程序存储器是FLASHFLASH工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。缩短。

9、返回实现AT89C51系列单片机工作原理的研究AT89C51基本功能描述基本功能描述AT89C51AT89C51是一种低损耗、高性能、是一种低损耗、高性能、CMOSCMOS八位微处理器，而且在其片种还有八位微处理器，而且在其片种还有4k4k字节字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/ /擦除擦除10001000次，数据保存时次，数据保存时间为十年。间为十年。AT89C51AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积, , 增加系增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于统

10、的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k, 4k, 四个四个I/OI/O口全部提供给用口全部提供给用户。可用户。可用5V5V电压编程，而且写入时间仅电压编程，而且写入时间仅1010毫秒毫秒, , 仅为仅为8751/87C51 8751/87C51 的擦除时间的的擦除时间的百分之一，与百分之一，与8751/87C518751/87C51的的12V12V电压擦写相比电压擦写相比, , 不易损坏器件不易损坏器件, , 没有两种电源的没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89C51 AT89C51 芯片提供三级芯片提供三

11、级程序存储器锁定加密，程序存储器锁定加密， 提供了方便灵活而可靠的硬加密手段提供了方便灵活而可靠的硬加密手段, , 能完全保证程序能完全保证程序或系统不被仿制。或系统不被仿制。 返回实现AT89C51系列单片机工作原理的研究AT89C51AT89C51及及80C5180C51系列引脚功能系列引脚功能单片机的单片机的4040个引脚大致可分为个引脚大致可分为4 4类：电源、时钟、控制和类：电源、时钟、控制和I/OI/O引脚引脚66。 电源电源 VCC - VCC - 芯片电源，接芯片电源，接+5V+5V； VSS - VSS - 接地端；接地端； 时钟时钟XTAL1XTAL1、XTAL2 - XT

12、AL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。晶体振荡电路反相输入端和输出端。 控制线：控制线共有控制线：控制线共有4 4根根 ALE/PROG ALE/PROG：地址锁存允许：地址锁存允许/ /片内片内EPROMEPROM编程脉冲编程脉冲ALEALE功能：用来锁存功能：用来锁存P0P0口送出的低口送出的低8 8位地址；位地址； PROG PROG功能：片内有功能：片内有EPROMEPROM的芯片，在的芯片，在EPROMEPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN PSEN：外：外ROMROM读选通信号。读选通信号。 返回实现AT89C51系列单片机工作原理的

13、研究 RST/VPD RST/VPD：复位：复位/ /备用电源。备用电源。 RST RST（ResetReset）功能：复位信号输入端。）功能：复位信号输入端。 VPD VPD功能：在功能：在VccVcc掉电情况下，接备用电源。掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp EA/Vpp：内外：内外ROMROM选择选择/ /片内片内EPROMEPROM编程电源。编程电源。 EA EA功能：内外功能：内外ROMROM选择端。选择端。 Vpp Vpp功能：片内有功能：片内有EPROMEPROM的芯片，在的芯片，在EPROMEPROM编程期间，施加编程电源编程期间，施加编程电源VppVpp。 I/O I/O

14、线线80C5180C51共有共有4 4个个8 8位并行位并行I/OI/O端口：端口：P0P0、P1P1、P2P2、P3P3口，共口，共3232个引脚。个引脚。P3P3口还具有口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。返回实现AT89C51系列单片机工作原理的研究 AT89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。其与80C51引脚结构基本相同，其逻辑引脚图如图2.1所示。返回v本设计采用按键作为输入控制，通过温度多采样单元采集温度信息，本设计采用按键作为输入控制，通过温度多采样单元采集温度信息，经过经过LM324LM3

15、24放大器放大及放大器放大及ADC0809ADC0809数模转换器将其转换，由主机数模转换器将其转换，由主机AT89C51AT89C51进行处理并将实际温度值和设定温度值分别显示在共阳极数进行处理并将实际温度值和设定温度值分别显示在共阳极数码显示管码显示管LEDLED上。上。v电子探温技术已经应用到气象温度监测领域，其测得的温度数据输入电子探温技术已经应用到气象温度监测领域，其测得的温度数据输入微机进行统计处理及保存。如果根据事先设定参数对测得数据进行实微机进行统计处理及保存。如果根据事先设定参数对测得数据进行实时运算处理，根据其结果控制应用设备，就可以实现对应用设备的温时运算处理，根据其结果

16、控制应用设备，就可以实现对应用设备的温度监控。气象探温设备等专业仪器都使用感温探头、转换电路和度监控。气象探温设备等专业仪器都使用感温探头、转换电路和A/DA/D转换器，测量精度高、速度快，但成本较高。本文采用电容充电电路，转换器，测量精度高、速度快，但成本较高。本文采用电容充电电路，仅需要两个外部元件即可测出温度，无须转换电路、放大电路、仅需要两个外部元件即可测出温度，无须转换电路、放大电路、A/DA/D转换器，采用单片机技术完成运算处理，降低了成本，电路简单，稳转换器，采用单片机技术完成运算处理，降低了成本，电路简单，稳定可靠，功耗小，特别适合于电池供电。接入交流接触器，就可以控定可靠，功

17、耗小，特别适合于电池供电。接入交流接触器，就可以控制取暖风机，电加热器、空调等设备，适用于农业、养殖、大型超市、制取暖风机，电加热器、空调等设备，适用于农业、养殖、大型超市、商场、宾馆、办公等一般性低精度要求的温度控制。如对精度要求较商场、宾馆、办公等一般性低精度要求的温度控制。如对精度要求较高，只需将电阻、电容测温电路换成感温探头，并添加转换电路及高，只需将电阻、电容测温电路换成感温探头，并添加转换电路及A/DA/D转换器。转换器。实现硬件设计 返回v温度采样部分温度采样部分 温度采样单元用于采集被控制对象的温度采集参数，它由温度电温度采样单元用于采集被控制对象的温度采集参数，它由温度电压转

18、换，小信号放大及压转换，小信号放大及A/DA/D转换三部分组成，其中将温度转化为电量转换三部分组成，其中将温度转化为电量的温度电压转换由温度传感器的温度电压转换由温度传感器热敏电阻实现，热敏电阻实现，A/DA/D转换选择模数转换选择模数转换器转换器ADC0809ADC0809将采集的温度模拟信号转换为将采集的温度模拟信号转换为82558255能处理的二进制数能处理的二进制数字信号。字信号。 ADC0809ADC0809是位是位A/DA/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/DA/D转转换的。换的。ADC0809ADC0809由单由单+5V+5V电源供电；

19、片内带有锁存功能的电源供电；片内带有锁存功能的8 8路模拟多路路模拟多路开关，可对开关，可对8 8路路0 05V5V的输入模拟电压分时进行转换，完成一次转换约的输入模拟电压分时进行转换，完成一次转换约需需100100S S；片内具有多路开关的地址译码器和锁存器、高阻抗斩波器、；片内具有多路开关的地址译码器和锁存器、高阻抗斩波器、稳定的比较器，稳定的比较器，256256电阻电阻T T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。实现硬件设计 返回v温度采样单元温度采样单元。实现硬件设计 返回实现 硬件设计v控制温度控制温度 单片机是集成了中央处理部件，存储器、定时

20、器和各种输入输出设备单片机是集成了中央处理部件，存储器、定时器和各种输入输出设备等接口部件。具有集成度高，功能强、速度快、体积小、功耗小、使等接口部件。具有集成度高，功能强、速度快、体积小、功耗小、使用方便、价格便宜等优点，在工业生产中，电流、电压、温度、压力用方便、价格便宜等优点，在工业生产中，电流、电压、温度、压力流量和开关量都是常用的被控参数。其中，温度控制也越来越重要。流量和开关量都是常用的被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对

21、温度进行控制方便、简应炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制方便、简单、灵活。而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大单、灵活。而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。的提高产品的质量和数量。 返回v高级语言是面向问题和计算过程的语言7，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流，而MCS52指令系统的指令长度较短，它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率，编成的程序占用内存单元少，执行也非

22、常的快捷，与本系统的应用要求很适合。而且MCS52指令系统有丰富的位操作（或称位处理）指令，可以形成一个相当完整的位操作指令子集，这是MCS52指令系统主要的优点之一8。对于要求反应灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化”产品，可以充分体现出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。实现软件设计-温度控制器的软件设计返回实现v高级语言是面向问题和计算过程的语言7，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交

23、流，而MCS52指令系统的指令长度较短，它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率，编成的程序占用内存单元少，执行也非常的快捷，与本系统的应用要求很适合。而且MCS52指令系统有丰富的位操作（或称位处理）指令，可以形成一个相当完整的位操作指令子集，这是MCS52指令系统主要的优点之一8。对于要求反应灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化”产品，可以充分体现出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。软件设计-主程序流程图 返回实现v读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。 DS18B20

24、的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位。v本文选用AD590传感器，读出温度子程序的主要功能包括初始化，判断AD590是否存在。或存在则进行一系列的读操作，若不存在则返回。 软件设计-读温度子程序 返回实现v计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算9，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图 软件设计-计算温度子程序 返回实现v图图4.44.4为系统的按键流程图。主要为系统的按键流程图。主要是通过人为的对外部按键的控制来是通过人为的对外部按键的控制来调节系统

25、的温度，从而实现系统对调节系统的温度，从而实现系统对温度的手动和自动控制温度的手动和自动控制。软件设计-按键流程图 返回实现v图图4.54.5为系统的显示流程图。主要为系统的显示流程图。主要是通过对传输过来的信号进行显示是通过对传输过来的信号进行显示后，给操作者提供提示。已达到为后，给操作者提供提示。已达到为本系统提供对温度的显示和监控的本系统提供对温度的显示和监控的目的。目的。软件设计-显示流程图 返回创新本文从硬件和软件两方面来讲述对温度的自动控制过程本文从硬件和软件两方面来讲述对温度的自动控制过程, ,在控制过程中主要应在控制过程中主要应用用AT89C51AT89C51、ADC0809A

26、DC0809、LEDLED显示器、显示器、LM324LM324比较器，和通过比较器，和通过 DS18B20DS18B20数字温度传数字温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过七位数码管显示实时温感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过七位数码管显示实时温度的一种数字温度计。软件方面采用汇编语言来进行程序设计，使指令的执行度的一种数字温度计。软件方面采用汇编语言来进行程序设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制

27、下协调运作。使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。最后最后, ,对系统功能和性能进行了考核和评估，结果表明系统的准确度和精确度较对系统功能和性能进行了考核和评估，结果表明系统的准确度和精确度较现有仪器有较大提高。现有仪器有较大提高。 返回总结本系统能够实现单片机的温度控制系统的设计，在控制过程中主要应用本系统能够实现单片机的温度控制系统的设计，在控制过程中主要应用AT89C51AT89C51、ADC0809ADC0809、LEDLED显示器、显示器、LM324LM324比较器，而主要是通过比较器，而主要是通过 DS18B20DS18B20数字温数字温度传感器采集环境温

28、度，以单片机为核心控制部件，并通过四位数码管显示实度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过四位数码管显示实时温度的一种数字温度计。这些单片机的功能都为我们实现电路提供了非常有时温度的一种数字温度计。这些单片机的功能都为我们实现电路提供了非常有利的条件，同时也为开发环境友好，易用，方便，大大加快本系统设计开发。利的条件，同时也为开发环境友好，易用，方便，大大加快本系统设计开发。键盘的使用，是操作更为简洁，易懂，方便，迅速。本制作的设计中使用了继键盘的使用，是操作更为简洁，易懂，方便，迅速。本制作的设计中使用了继电器控制的只是插座电路，因此，该系统的可扩展性很强，随着插入插座的电电器控

29、制的只是插座电路，因此，该系统的可扩展性很强，随着插入插座的电器不同，可以实现许多其他功能的电路。本设计的单片机温度控制系统结构简器不同，可以实现许多其他功能的电路。本设计的单片机温度控制系统结构简单、测温准确，具有一定的实际使用价值。该智能温度控制器只是单、测温准确，具有一定的实际使用价值。该智能温度控制器只是DS18B20DS18B20数字数字温度传感器在温度控制领域的一个简单实例，还有许多需要完善的地方，例如温度传感器在温度控制领域的一个简单实例，还有许多需要完善的地方，例如可以将测得的温度通过单片机与通讯模块相连接，以手机短息的方式发送给用可以将测得的温度通过单片机与通讯模块相连接，以

30、手机短息的方式发送给用户能够随时对温度进行控制。户能够随时对温度进行控制。以以AT89C51AT89C51为核心的水温控制系统为核心的水温控制系统, ,相比传统温度控制器，有明显的改变相比传统温度控制器，有明显的改变. .不仅不仅能实现温度数据的测量与控制，还能在一定的范围内采集监控水温，提高了控能实现温度数据的测量与控制，还能在一定的范围内采集监控水温，提高了控制精度的可靠性和稳定性。同时具有较好的快速性，报警，七段数码管显示等制精度的可靠性和稳定性。同时具有较好的快速性，报警，七段数码管显示等功能并且价格低廉，具有很高的工程应用价值和现实意义。功能并且价格低廉，具有很高的工程应用价值和现实意义。返回致谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师张老师的热情关怀和悉心指导。在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师张老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，张老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选在我撰写论文的过程中，张老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了路老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学得到了路老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、