论文总字数：25245字

目 录

摘要： 4

Abstract 5

1 引言 6

2 国内外现状 6

2.1 国内现状 6

2.2 国外现状 7

2.3 所存在的问题 7

3 系统总体设计 8

3.1 目标及实施思路 8

3.2 系统设计原则 8

3.2.1 可靠性 8

3.2.2 操作维护方便 8

3.2.3 性价比 8

3.3 系统组成及工作原理 9

3.3.1 系统组成 9

3.3.2 系统工作原理 9

4 系统硬件部分设计 9

4.1 硬件电路图 9

4.2 STC89C51单片机系统设计 9

4.2.1 STC89C51单片机概述 10

4.2.2 复位电路 10

4.3 温度检测模块 10

4.3.1 传感器的基本特性 11

4.3.2 温度传感器DS18B20概述 11

4.4 温度显示模块 12

4.4.1 共阳极数码管概述 12

4.4.2 温度显示电路 13

4.5 温度值设置模块 13

4.6 报警及控制模块 14

4.6.1 蜂鸣器电路设计 14

4.6.2 加热电路的设计 14

4.7 系统硬件测试 15

5 系统软件部分设计 15

5.1 软件开发环境 15

5.2 系统函数模块 15

5.2.1 主函数 16

5.2.2 温度采集函数 16

5.2.3 显示函数 16

5.3 系统软件测试 17

6 调试 17

6.1 硬件电路 18

6.2 功能实现 18

7 结论 20

参考文献： 21

致谢 22

附录 23

源程序 23

基于STC89C51单片机的水温检测控制系统

朱瑶

，China

Abstract:This design is to improve the traditional water temperature measurement system structure, so that water temperature measurement system is more simple, reduce costs and reduce measurement errors. STC89C51 microcontroller control technology, combined with DS18B20 temperature sensor, modular design, the traditional water temperature measurement system for certain structural optimization. This paper from the temperature control system based on the analysis of target function, the system is divided into temperature detection module, temperature display module, limit setting module, alarm and control module, modular design, principle chart drawing module, C program. Real time measurement and display of the current water temperature, the temperature range is set manually, when the current water temperature exceeds the range of temperature value, the single-chip microcomputer control alarm, and make corresponding treatment. In this study, the single chip microcomputer is used to optimize the structure of the traditional water temperature detection system, and achieve the initial goal.

Key words: Water temperature detection; control; modularization; STC89C51 single chip microcomputer

1 引言

在人类的生产生活中，温度扮演着非常重要的角色。自十八世纪工业革命以来，工业发展的速度与是否能掌握温度控制有着密切的关联。在冶金、钢铁、石化、玻璃、水泥、医药等产业领域，可以说差不多80%的产业部门都得衡量温度的因素[1]。水温控制在生产生活中都发挥着重要的作用，如一些现代化车间里，有特殊要求的产品的生产需要在特定的温度下才能进行，水产养殖中，水温也需进行严格控制，才能达到最好的效果。我们在生活中同样离不开水温控制，如饮水机、热水器等。

目前的水温控制系统大多由模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机构成[2]。这种系统通过大量的测温电缆把现场传感器的信号输送到采集卡上，安装拆卸复杂，成本高。线路上传送的模拟信号易受干扰，有损耗，误差较大，不利于工作人员依据温度变化作出实时决定。在此形势下，一种及时性好、精度高、能综合处理多点温度信息的系统的开发就很有必要。

近年来，单片机凭功能强、体积小、使用便利、性价比高等优点，在实时测控、智能仪表、遥测通信等方面得到了普遍地应用[3]。

用单片机实时监控温度来解决生产生活中对温度的实时自动控制问题，是当代温控系统发展的趋向[4]。

实现水温控制的方式有许多种，比如单片机控制、PLC控制、模糊控制等，用单片机控制的水温控制系统具有可靠性高、性价比高、结构简单等优点[5]。该课题的研究顺应了水温控制系统的发展趋向，将单片机运用到水温控制系统中，丰富了水温控制技术，该系统可用作工厂、家庭等水温检测设备，人工设置温度范围，实用性高，控制系统不仅可以用于控制水温，还可应用到对温度有要求的其他方面[6]。为之后水温控制技术的发展提供了广阔的发展空间。

2 国内外现状

2.1 国内现状

在国内，温度控制系统已经渗透到生产生活的方方面面并且取得了重要突破和进展，但温度控制器这一块的总体发展水平仍然欠缺，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前，我国在温度控制器这一块的技术水平还处在九十年代中后期，与传统电子强国有很大差距，成熟产品主要以“点位”控制和常规的PID控制器为主。此类型的控制器适合大部分温度控制系统，但在延时、复杂、时变的系统控制方面效果不好。随着温湿度检测元件种类增多、应用领域也更普及加之单片机和大规模集成电路技术的不断提高，出现了性能好、可靠性高的单片数据采集系统[7]。 基于单片机的温度监控系统，采用性能好的控制芯片，精度高的数字温度传感器。向模块化、智能化、高速化的单片机数据采集系统发展。将此系统运用到生产生活中为人们的生活提供更加舒适的环境,契合当代人对生活品质的追求，具备良好的发展前景[8]。

2.2 国外现状

当前，国外温度控制系统和仪表的发展趋势是高精度、智能化、小型化。目前世界各国的温度测控技术发展迅速，一些国家在实现自动化的基础上向着全自动化、无人化的方向发展。国外温度控制系统发展快速，已在自适应、参数自整定、智能化等方面取得成效。美日德瑞等国家的技术遥遥领先，都生产出了性能好的温度控制器和仪表，而且在各行业应用广泛。它们主要具有如下特点：一是能适应一些滞后大、时限长等复杂的温度控制系统；二是能适应难以建立受控系统数学模型的温度控制系统；三是能适应受控系统参数时变、过程复杂的温度控制系统；四是温度控制系统大都采用自适应控制、自矫正控制、模糊控制、人工智能等理论和计算机技术，结合先进的算法，适用范围广；五是温控器具备对控制对象的参数和特性进行自整定的功能。有的还具备自学习功能，可以依据历史经验和控制对象的变化，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具备精度高、抗干扰力强等特点。

2.3 所存在的问题

当今世界上的温度传感器都在由传统的模拟化向更高级的数字化、集成化和网络化转变。传统的温度传感器有热电偶、铂电阻热敏电阻等，虽然它们自身都有优点，但是因为发热会严重影响测量温度，而且稳定性低，所以不能用来处理后续电路。相比于传统的温度检测元件，DS18B20的体积更小，采用一线总线的最新传输方式，设计更简单，而且可将数字信号直接传输给控制芯片，使数据传输的环节变得更加简洁，极大得提高了系统的容错性和抗干扰性。

3 系统总体设计

3.1 目标及实施思路

系统功能实现目标：（１）实时测量水的温度值，并用十进制数码管显示水的实际温度；

　　　　　　　　　（２）键盘输入设定水的温度值范围；

　　　　　　　　　（３）当实测水温值超出设定范围时报警，通过51单片机实现对水温的自动控制调节，使水温控制在温度设定范围内；

实施思路：按照系统的目标功能，将系统模块化，分为温度检测模块、温度值显示模块、按键设置模块、报警及控制模块，逐一进行原理图设计，编写C程序，实现功能。

3.2 系统设计原则

要求单片机系统具备可靠性高、性价比高、操作维护方便等优点。

3.2.1 可靠性

可靠性高是单片机系统应用的前提，系统设计的每个环节高可靠性都应作为首要的设计准则[9]。提高系统的可靠性一般从以下几个层面考虑：使用可靠性高的元器件；合理设计电路板的布线和接地；供电电源采取抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波；系统自诊判断功能等[10]。

3.2.2 操作维护方便

设计系统的软硬件时，应该从操作者的角度考虑，尽量降低对操作人员专业知识的要求，以利于系统的推广[11]。所以在设计时，要尽量减少人机交互接口，多采取操作内置或简化的方式。同时系统应配备现场故障自动诊断程序，一旦发生故障能保证对故障进行有效的定位，方便进行维修。

3.2.3 性价比

单片机除了体积小、功耗低外，最大的优势在于性价比高。一个单片机应用系统是否能被广泛使用，性价比是一个重要因素[12]。所以，在设计时，要在保证高性能的前提下，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的条件下尽可能使用软件功能替代硬件功能等[13]。

3.3 系统组成及工作原理

3.3.1 系统组成

以单片机为控制核心，采用温度测量、模数转换、控制技术等技术，用温度传感器作为测量元件，组成温度智能检测控制系统。可分为水温测量电路、显示电路、键盘设置电路、报警电路、控制电路，选用的主要器件有：STC89C51单片机、温度传感器、数码管、指示灯、蜂鸣器、继电器等。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

3.3.2 系统工作原理

本系统以STC89C51单片机为核心，分为温度采集、显示、设置、报警、控制模块。温度采集通过温度传感器DS18B20完成；通过单片机把采集的数据显示在数码管上，当采集的数据超出给定范围时，则报警并进行相应的控制处理。单片机采用C语言编程。温度控制系统是以STC89C51单片机作为中央控制装置,负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作。

4 系统硬件部分设计

4.1 硬件电路图

如右图2所示。

图2 系统硬件电路图

4.2 STC89C51单片机系统设计

4.2.1 STC89C51单片机概述

STC89C51是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K的系统可编程Flash存储器。STC89C51使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、非常有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。其引脚图如图3所示。

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