课题背景及研究意义

随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率[1]。

本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。

1.2国内外现状

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。

1.3设计目的

1. 巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。

2. 培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。

3. 通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。

4.通过设计实现一定的智能功能，培养学术能力和科研能力。

1.4课题的主要工作

本设计主要研究单片机控制的数字温度计，本温度计属于多功能温度计，可以设置上下报警温度，当温度不在设置范围内时，可以报警。

主要要求如下：

1.设置温度范围为： -50℃-110℃；

2.精度误差小于0.5℃，LED数码直读显示；

3. LED数码直读显示；

4.可以任意设定温度的上下限报警功能。

1.5本文研究内容

本文是基于AT89C51单片机，采用数字温度传感器DS18B20，利用DS18B20不需要A/D转换，可直接进行温度采集显示，报警的数字温度计设计。包括传感器数据采集电路，温度显示电路，上下限报警调整电路，单片机主板电路等组成。

第二章  系统概述

2.1方案选择

该系统主要由主控部分、温度传感部分、显示部分、报警部分等电路组成，每部分实现的方法都有很多种，现把常见的实现方案列出并进行比较。

2.1.1主控制部分

方案一：采用PC机实现

此方案采用PC机实现。它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。且人机交互友好。但是PC机输出信号不能直接与DS18B20通信。需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且在一些环境比较恶劣的场合，PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦。

方案二：采用AT89C51八位单片机实现

此方案采用AT89C51八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信。运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

最终方案：采用AT89C51八位单片机实现

2.1.2 温度传感器部分

温度检测系统有共同的特点：环境复杂、布线分散、测量点多、现场离监控室远等，这都会使检测系统的稳定性和可靠性下降 。因此需要针对这些特点选择合适的测温方案，常见的有以下三种方案。

方案一：采用热敏电阻

采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中，采用单片温度传感器，比如AD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过A/D转换后才能送给计算机，这样就使得测温装置的结构较复杂。另外，这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器，不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度[2]。

方案二：采用热电偶温差电路

采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线所组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过将参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分则使用带有A/D 通道的单片机，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，且体积小，但是它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺点，并且这种设计需要用到A/D 转换电路，感温电路比较麻烦[2]。

方案三：采用数字温度芯片DS18B20测量温度

采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样，测温系统的结构就比较简单，体积也不大，且由于AT89C51可以带多个DSB1820，因此可以非常容易实现多点测量。轻松的组建传感器网络[3]。

采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。

最终方案：采用数字温度芯片DS18B20测量温度

2.1.3显示电路部分

方案一：LED数码管显示：

成本低、电路设计简单、亮度高、夜间及光照差的情况无需额外光源；

方案二：LCD1602显示

显示信息丰富、电路设计简单，但是价格相对较高，而且夜间没有背光。

最终方案：LED数码管显示

2.1.4报警电路部分

方案一：单片机控制继电器控制220V闹铃及闪光灯；

方案二：通过单片机控制蜂鸣器报警，控制发光二极管交替点亮形成闪光效果；

最终方案：通过单片机控制蜂鸣器报警，控制发光二极管交替点亮形成闪光效果。

2.2系统总体方案

经过各部分方案选择与汇总，得到系统总体方案。系统主控电路采用AT89C51单片机，温度传感器部分采用DS18B20，显示部分4位LED共阴极数码管，报警部分采用蜂鸣器与发光二极管实现报警，系统如图2-1所示。

图2-1 系统总体图

第三章  系统硬件设计

3.1 80C51单片机的介绍

80C51有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。80C51的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM)，和128B的数据存储器(RAM)组成[4]。单片机引脚如图3-1所示。

3.1.1引脚功能说明

图3-1  AT89C51单片机管脚图

1.时钟电路引脚XTAL1 和XTAL2：

（1）XTAL2(18 脚)：接外部晶体和微调电容的一端；在8051 片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。

要检查8051/8031 的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2 端是否有脉冲信号输出。

（2）XTAL1(19 脚)：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。

2.控制信号引脚RST,ALE,PSEN 和EA：

（1）RST/VPD(9 脚)：RST 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源的输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将＋5V 电源自动两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。RST 引脚的第二功能是VPD,即接入RST 端，为RAM 提供备用电源，以保证存储在RAM 中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。

（2）ALE/PROG(30 脚)：地址锁存允许信号端。当8051 上电正常工作后，ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fOSC 的1/6。CPU 访问片外存储器时，ALE 输出信号作为锁存低8 位地址的控制信号。