基于51单片机的智能恒温箱设计与制作

湖南商务职业技术学院毕业设计

目录

1设计背景及内容.....................................................1

1.1设计背景.....................................................1

1.2产品功能分析.................................................1

2设计方案遴选.......................................................2

2.1单片机的选择.................................................2

2.2温度传感器的选择.............................................2

2.3产品框图设计.................................................3

3产品设计技术标准...................................................3

4产品硬件设计.......................................................4

4.1AT89C51单片机................................................4

4.2DS18B20温度传感器............................................5

4.2.1DS18B20温度传感器......................................5

4.2.2温度采集电路与单片机的连接.............................6

4.3按键设置.....................................................7

4.4LCD1602液晶显示器............................................8

4.4.11602介绍...............................................8

4.5DC电源插座..................................................10

5产品软件设计......................................................11

5.1主程序流程图................................................11

5.2产品程序清单................................................12

6产品使用说明书....................................................12

6.1产品装配图..................................................12

6.2产品组装....................................................13

6.3产品调试....................................................14

6.4产品使用说明................................................14

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7参考资料..........................................................15

附录1元器件清单......................................16

附录2电路原理图......................................17

附录3PCB设计图......................................18

附录4产品实物图......................................19

附录5主程序代码......................................20

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基于51单片机的智能恒温箱设计与制作

1设计背景及内容

1.1设计背景

单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，随着科技的不

断进步，生活中的一些常用电器都可以使用单片机进行控制，比如电暖器，空

调等。随着人类对生存环境的不断改善和现代工业和农业的不断进步，对温度

的监测和调控技术提出了更高的需求。在这篇文章中，我们将会对一种以单片

机控制为基础的数字温度器进行描述，这种温度表是一种多功能温度表，它能

够对温度进行设定，如果温度超出了设定的范围，就会自动报警。本设计中使

用单片机控制温度传感器将温度变化转换成数字信号，再通过PID控制算法将

温度变化进行反馈到单片机处理后输出控制指令。

造成高温火灾有哪些原因？主要是电气线路。电源线路，还有其它电气设

备。例如：空调系统，电子元器件，精密仪器，设备的运行等。在我们工作、

生活的环境里，不可避免温度会升高。那么高温引起的火灾也是最多的。主要

原因如下：

1.电器元件发热：如电炉发热器、电热器等

2.环境温度过高：空调外机；电脑、空调等用电设备；变压器等电力设

备，电冰箱冷藏室等环境湿度大的地方。

3.静电入侵：包括人体上静电与静电侵入。

如果在高温状态下使用空调就有可能导致机房着火事故发生，这种情况下

将会很危险，温度报警系统无法发挥作用。其实温度报警系统对热设备进行保

护是一种最简单最实用的保护方法之一。当室内的气温超过了设备的正常气

温，引起了系统的停机或发生了火灾，此时，室内的气温报警器才能起作用。

1.2产品功能分析

工业生产技术的发展以及对于恒温的重视程度越来越高，恒温箱也随之出

现。恒温实验环境要求格外严格，所以针对实验室来说，恒温箱的作用显得相

当重要。在工业生产过程中我们对于恒温箱的使用频率十分频繁，主要用于工

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业过程中。比如机械加工。在机械加工过程中，对于温度要求比较高。所以针

对工业生产中所涉及的温度控制具有一定针对性。比如：热处理、烘干、冷却

等，直接影响着产品的质量。所以针对恒温有专门的恒温箱产品出现。在工业

过程中使用恒温箱会更加方便，对于一些产品的生产也会有较大的帮助。

在农作物的生活环境中，温度是至关重要的，所以我们会发现很多农作物

都在大棚里培育，因为大棚能控制温度。本文介绍了以蜂鸣器为电声源的测温

报警系统，并详细阐述了测温报警系统的设计和制造步骤和方法。这个测温装

置，设计简单，使用方便，在温室中也有不少。当前环境温度若超过设定的高

温临界温度，则单片机将会发出报警信号，提醒人们，从而避免造成损失。

2设计方案遴选

2.1单片机的选择

方案一:

STC89C51RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编

程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51

引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在

系统可编程（ISP）特性。

方案二:

采用AT89C51。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能

CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与

工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速

存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C051

是它的一种精简版本。

两种单片机均可达到设计要求，但AT89C51的优点最突出的就是其认知普

及率高，由于是N多年来教科书推荐的案例入门型单片机，提到51基本上就

是指的这种单片机，由于普及率高其累积的各种资料也是在众多单片机中名列

前茅且最易获得的，因此选用AT89C51单片机。

2.2温度传感器的选择

方案一:

TMP75AIDR型号元器件属于数字温度传感器，是负温度系数(NTC)和正温

度系数(PTC)热敏电阻的理想替代产品。该器件无需校准或外部组件信号调

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节即可提供典型值为±1°C的精度。器件温度传感器为高度线性化产品，无需

复杂计算或查表即可得知温度。

方案二:

DS18B20数字温度传感器提供9-Bit到12-Bit的摄氏温度测量精度和一个

用户可编程的非易失性且具有过温和低温触发报警的报警功能。DS18B20采用

的1-Wire通信即仅采用一个数据线(以及地)与微控制器进行通信。该传感器

的温度检测范围为-55℃至+125℃，并且在温度范围超过-10℃至85℃之外时还

具有+-0.5℃的精度。此外，DS18B20可以直接由数据线供电而不需要外部电源

供电。

由于成本原因，DS18B20价格低廉且实用，因此选用DS18B20温度传感

器。

2.3产品框图设计

根据设计功能要求，本产品包括硬件系统和软件系统两部分。本设计由

AT89C51单片机，LCD1602液晶显示屏和报警电路，LED指示灯电路，温度传感

器电路，键盘、定时器、显示模块，电源供应器，其他外围器件与元器件等部

分组成。采用DS18B20温度传感器测温。通电后DS18B20温度传感器测量出当

前环境的温度并通过温度转换单元进行温度转换，得到当前环境气温的数值。

通过液晶显示模块对当前环境温度的数值进行显示。温度测量范围是从0到

99.9摄氏度，测量精度为0.1摄氏度。系统框图如图所示。

液晶显示报警模块

按键模块51单片机继电器输出

温度传感器最小系统

图2.3.1系统框图

3产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

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[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语；

[5]GB/T8566-2007信息技术软件生存周期过程标准；

[6]GB/T8567-2006计算机软件文档编制规范。

4产品硬件设计

4.1AT89C51单片机

AT89C51是一个非常通用的单片机，可以用于各种需要控制的应用领域。

如无线遥控、智能卡、工业自动化等。使用范围广，可广泛应用于工业控制、

仪器仪表等领域，支持多种扩展功能：A/D转换，内部锁存，数据保护，时

钟，定时器/计数器，中断处理等；支持16位数据输入/输出；支持8位地址

线与32位数据线；支持内部和外部时钟源以及多个外设接口；内嵌16个通用

定时器可编程门阵列；使用8-位地址线和8-位定时器可编程门阵列；内嵌通

用串行口I/O芯片与USB接口；集成的Flash内存单元可用于存储程序、指

令和代码。AT89C51单片机实物图如图，原理图如图。

图4.1.1AT89C51单片机实物图

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图4.1.2AT89C51单片机原理图

4.2DS18B20温度传感器

4.2.1DS18B20温度传感器

该温度传感器由DS18B20和液晶LCD1602组成。它是由两部分组成。一部

分是一个电阻。其中光电开关的值通过串口与单片机进行通讯，然后送到单片

机进行处理并存储测量结果数据，最后通过液晶显示的结果来显示当前温度。

DS18B20工作原理，系统硬件电路主要由单片机、DS18B20温度传感器，

数据采集电路，液晶显示部分，键盘控制部分等构成。单片机与温度传感器之

间通过DS18B20的串口进行通讯。液晶显示部分可以实现对当前温度和湿度的

调节。输入引脚说明（最大值、平均值、最小值、均值、中值和高位数）在数

字温度传感器芯片中，一个是外部元件，一个是内部元件。从外部元件测量时

会产生一系列与温度有关的模拟信号，通常这些信号不能被直接输入到芯片

中。DS18B20数字温度传感器的内部逻辑运算单元由32个数字和模拟运算单元

组成。这些器件都具有低功耗特性，可以在数据总线上工作。

当DS18B20温度传感器在工作时，期间通过该元器件的电流很小，仅

1mA，但是电路一般是用5V电源，所以为了防止元器件被烧坏或者信号不稳

定，我们需要选择与元器件串联一个小额电阻，一次保证DS18B20温度传感器

的正常工作。当通电工作时，DS18B20温度传感器将测量出来的温度数据转化

为串行数字信号，通过引脚传输给单片机。具体引脚展示与封装如图。

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图4.2.1.1DS18B20具体引脚展示与封装图

4.2.2温度采集电路与单片机的连接

产品使用DS18B20温度传感器测量温度，其与单片机的原理图如图。

图4.2.2.1DS18B20原理图

当通电工作时，DS18B20温度传感器将测量出来的温度转化成串行数字信

号然后传输到单片机的输入端口，当单片机接收到该数字信号后，其通过内部

时钟源进行串行输入，然后再以一定的速率发送给DS18B20。从而使DS18B20

产生串行数字信号传输到单片机的I/O口。这样当我们对系统进行设定时，在

系统开机的情况下首先显示当前的温度为多少度。我们也可以手动触摸

DS18B20芯片，让它人工加热，这时我们可以看见显示屏上的当前温度在一点

点增加，当你松手时温度则会慢慢降回去。

数据流程图如图所示。

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开始

初始化DS18B20

跳过读序列号

启动温度转换

初始化DS18B20

跳过读序列号

读取温度寄存

器

将温度数据转换

得到实际温度值

结束

图4.2.2.2DS18B20数据流程图

4.3按键设置

按键操作模块包括：开关机、温度表、定时器中断等操作。

采用了单片机的PB11，PB12，PB13三个接口，通过按键设置温度值，当

温度达到预定值时，蜂鸣器发出报警信号。按键原理图如图。

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图4.3.1按键原理图

K1是复位键，按一次将更改的温度上下限值都变回初始的值。

K2是设置键，按一次温度上限区域跳动，进入温度上限值设置区域，可以

进行对上限温度的设置；按两次温度下限区域跳动，进入温度下限值设置区

域，可以进行对下限温度的设置；按第三次退出温度上下限值的设置。

K3按键是减少键，按一下减少一度温度上限或者温度下限值。

K4按键是增加键，按一下增加一度温度上限或者温度下限值。

注意：设置温度上限值与温度下限值时，温度上限值不能低于温度下限

值，同理温度下限值也不能超过温度上限值。当需要将温度下限值调至当前温

度上限值之上，需要先将温度上限的值提高再调整温度下限的值。

4.4LCD1602液晶显示器

4.4.11602介绍

LCD1602液晶显示器基本结构是由显示单元，驱动电路，主电路板，电源

线以及信号线，按键和接口电路，显示芯片，液晶模块（液晶显示屏），电源

供给（直流/交流），屏幕亮度调节及温度调节等接口电路构成。使用方法与

注意事项：使用时应按照各部分的功能使用，防止发生故障。

LCD1602液晶显示器具有高亮度、小尺寸、高分辨率、快速响应等特点，

可以广泛应用于显示装置中。如汽车仪表、计算机显示卡，工业设备的控制面

板等场合。

在日常生活中，我们对它并不陌生，它是一种新型的显示屏，采用了一块

16×2行点阵LCD屏。在LCD1602显示屏上可显示数字和符号两种数据信息；

其响应速度为0.5ms.LCD具有分辨率高、功耗低等特点；且有较宽的响应范

围以及较大面积的显示范围。它有很好的性价比，是目前生产和应用比较广泛

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的显示器产品。原理图如图。

图4.4.1.1LCD1602液晶显示器原理图

液晶显示是通过光线在屏幕上反射来实现的。它由三部分组成。其中一个

是背光灯，可以产生不同颜色的光线；二是反射板，主要用于控制光从液晶屏

向外传播，从而使屏幕上显示不同颜色的画面；三是液晶的透光层，可以起到

透光作用。

显示的过程中需要一个特殊的光源，称为显色器件。显色器件产生的是

红、绿、蓝三原色光，通过液晶分子排列组合成图像。

LCD1602显示流程如图所示。

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开始

LCD1602初始化

设置为写命令

设置显示坐标

设置显示相应字

否

上个字符是

否显示完毕?

是

显示下个字符

结束

图4.4.2.1LCD1602液晶显示流程图

4.5DC电源插座

DC电源插座：主要用于笔记本电脑电源线和显示器电源线，并可连接其它

电器设备使用。它主要由DC插头、DC24V线头和接线盒组成。DC电源插电检

查开关、指示灯及控制装置的工作情况等，同时也起到安全保护作用。DC电源

插孔，有单极与双极之分。单声道插头用于插笔记本电脑电源线为单端交流供

电；双端插头用于插笔记本电脑交流电。

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图4.5.1DC电源插座实物图

5产品软件设计

5.1主程序流程图

开始

初始化液晶显示

和定时器系统

进入while循

环

调用显示函数

调用按键函数

调用报警函数

调用读取温度

函数

结束

图5.1.1主程序流程图

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5.2产品程序清单

图5.2.1产品程序清单图

6产品使用说明书

6.1产品装配图

图6.1.1产品装配图

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6.2产品组装

图6.2.1产品组装图

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6.3产品调试

1.先打开Keil4软件。

2.新建工程选择AT89C51单片机。

3.新建main.c文件。

4.编写主程序代码

5.编译主代码程序

6.运行调试。

7.查看调试结果

8.发现产品不能正常工作。产品已损坏，需要更换产品。

9.检查是否还有其他功能存在，重新修改主程序。

10.更新主程序并烧录数据文件。

11.检查是否使用了错误的文件。

12.检查主程序是否出现了错误问题（错误地址、代码等）。

13.找出程序错误并直到无错误为止。

14.将代码烧录进产品。

6.4产品使用说明

1.将产品摆在桌面上，元器件正面朝上。

2.先通电验证LCD1602液晶显示屏是否损坏。

3.LCD1602液晶显示屏显示三个温度值

4.按下K2键1次，选择K3或K4按键调整温度上限值，再按下K2键一次，

调整温度下限值，调整完毕后再次按下K2键退出调整模式。

5.当前温度高于设定好的温度上限值时，红色指示灯亮，蜂鸣器报警。

6.当前温度低于设定好的温度下限值时，黄色指示灯亮，蜂鸣器报警。

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7参考资料

[1]基于STC89C52单片机的指纹密码锁系统设计与实现[J].杨朋飞,聂亮,陈靖,蔡长龙.传感器与微

系统.2020(05)

[2]基于单片机的温度报警器[J].柳文静.电子测试.2020(03)

[3]基于无线通信技术的温度报警器设计与实现[J].梁越勇,季航宇,浦希成.计算机与数字工

程.2018(11)

[4]简易温度报警器设计与实现[J].金帅.自动化技术与应用.2018(01)

[5]基于AT89S52单片机的数字温度报警器实现[J].李华,魏光杏.西安文理学院学报(自然科学

版).2016(06)

[6]基于51单片机的温度监测报警系统设计研究[J].孙晓倩.赤峰学院学报(自然科学

版).2015(24)

[7]基于AT89S52和DS18B20的数字温度报警器的设计[J].余红珍,秦宗锋.自动化技术与应

用.2012(12)

[8]基于AT89S52单片机的红外遥控温度报警器的设计与实现[J].聂茹.电子设计工程.2012(21)

[9]基于单片机的温度报警器的设计与仿真[J].陈峰.电脑知识与技术.2010(27)

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附录

附录1元器件清单