基于atc89c51单片机的温度控制系统设计（lcd显示）大学毕设论文

基于ATC89C51单片机的温度控制系统设计(LCD显示)

摘 要

温度的控制是个恒久的课题。从古至今，人类生活的许多方面都和温度控制有关，其中尤其是对水温的控制最多。现代社会，随着科技的发展，对水温控制也越来越精细。有鉴于此，结合本课题，我选取的控制对象是浴室用水的温度控制。电热水锅炉是将电能转化为热能的能量转换装置，具有结构简单、无污染和自动化程度高等优点，近年来已成为供热采暖的主要设备。电热水锅炉，用数学方法建立它的精确的数学模型显然十分困难，因而用传统的控制理论和方法对本系统实施控制有其局限性，而智能控制正是吸收了人们的生活经验、逻辑推理规则和记忆学习的优点，在工程实际中已经取得了很多价值性的成果。本文最终选择了简单易行的位式控制算法。在研究电锅炉控制算法的同时，本文还选用了ATC89C51单片机,设计了锅炉温度的硬件电路，包括传感器电路、继电器控制电路、温度显示电路、键盘输入电路,其中传感器分别选用了DS18B20温度传感器和电接点液位传感器，控制电路就是通过继电器来控制加热器，进而控制温度。显示部分采用了LCD显示屏。基于硬件电路，又编写了C语言程序，并通过C51和Protues软件联调，进行了仿真调试，获得较为理想的效果。

关键词：温度控制；AT89C51单片机；DS18B20; LCD

Abstract

Temperature control is a permanent topic.Historically, many aspects of human life and temperature control is concerned, most especially to the water temperature control.Modern society, with the development of science and technology, the water temperature control is becoming more and more delicate.Because of this, collection of thistopic,Iselect the control object is the bathroomwateremperaturecontrol.Electric boiler is the device that convert electricity into heat, it has the advantages of simple structure, no pollution and has high automatically degree, which has become the main equipment for heating. For the electric boiler, because it is a nonlinear, time-varying, long time-delayed, large inertia and unidirectional rising system, it is very difficult to use mathematical method to establish mathematical model and to control this system by using the classical control theory and method. Intelligent control has produced something valuable in engineering practice, because it brings in the good things such as the experience, logical reasoning and memory from people.This paper finally chose a simple type control algorithm.At the same time, we choose the ATC89C51 SCM, and design the hardware circuit of temperature and water level control of electric boiler, which includes the sensor circuit, the relay control circuit, temperature and water level display circuit, keyboard circuit, water level alarm circuit. We choose DS18B20 temperature sensor and the electric contact water level sensor, control circuit can control water level and temperature through the relay controlling solenoid valve and heater.The displaypartadoptsLCD. Based on hardware circuit, we write C language program, and get more ideal control effect through C51 and debugging.

Keyword: Temperature control ;AT89C51 SCM; DS18B20 ;LCD

目录

第一章 绪论…………………………………………………………………………错

误

！未定义书签。

1.1课程的背景及意义…………………………………………………………………1 1.2国内外的研究状况……………………………………………………………………1 1.3.单片机技术的发展及应用……………………………………………………………2 1.4 电热锅炉的简单介绍……………………………………………………………………3

1.5本文的主要工作………………………………………………………………………3

第二章 系统总体设计方案的论证…………………………………………………………4

2.12.22.32.42.53.13.23.3误3.43.5误

4.14.24.34.44.54.6

设计的内容及要求………………………………………………………………4 显示部分的方案………………………………………………………………………4 测量部分方案………………………………………………………………………4 主控部分方案…………………………………………………………………………5 系统总体方案…………………………………………………………………………5 单片机的最小系统……………………………………………………………………6 温度采集电路设计…………………………………………………………………8 显示电路设计…………………………………………………………………………错

！未定义书签。

温度控制电路和报警电路的设计……………………………………………………10 键盘电路的设计……………………………………………………………………11 ！未定义书签。 设计思路、流程图……………………………………………………………………13 温度采集子程序………………………………………………………………………14 数据处理子程序……………………………………………………………………17 人机交互子程序………………………………………………………………………18 执行子程序……………………………………………………………………………20 仿真图…………………………………………………………………………………22

第三章 温度控制系统的硬件电路设计……………………………………………………6

第四章 温度控制系统的软件设计与仿真………………………………………………错

结论………………………………………………………………………………………………25 致谢………………………………………………………………………………………………25

参考文献…………………………………………………………………………………………26

1 基于单片机的温度控制系统设计（LCD显示）

第一章 绪论

1.1课题的背景及意义

当今社会温度的测量和控制系统在生产与生活的各个领域中扮着越来越重要的角色。而且，温控还涉及到能源利用和环保的问题。比较典型的代表就是浴室用的电热水锅炉对水温的控制。近年来由于我国对节能环保的要求越来越高，电热水锅炉的优势就越凸显出来。电热水锅炉采取智能控制，对能源利用率更高，也更加环保，正在逐步取代传统的烧煤锅炉。又正好此课题是有关温度控制系统的设计，结合当前国内的电热水锅炉的发展趋势，我选取了电热水锅炉为研究对象，运用单片机对其中的水温进行控制。

单片微型计算机是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），简称单片机。它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。单片机作为自动控制中的一个核心器件，在自动控制系统及信号采集方面已经被广泛应用，技术也相对较成熟，它有很高的性价比，应用前景广。本论文设计的温度控制中采用的就是以单片机作为控制中心，采用电力作为燃料，不仅能够使控制系统具有精度高、功能强、经济性好的特点，还节约能源，利于环保，在改善劳动条件等方面都显示了无比的优越性。另外该设计的控制系统还具有超温报警、显示及报警等功能，保证锅炉正常安全的工作，实现自动化控制。

1.2国内外研究状况

工业控制在理论上大概分为三个阶段，第一阶段为以经典控制理论为主要控制方案的初级阶段，可以用PID控制实现稳定系统和定值控制；第二阶段为以现代控制理论为主要控制方案的发展阶段，以微型计算机为工具，对复杂现象进行控制，克服干扰和模型变化，以满足复杂的工艺要求，提高控制质量。第三阶段为高级阶段，控制方法主要朝着综合化和智能化的方向发展。智能控制理论中，专家系统、神经网络、模糊控制系统为最有潜力的三种方法，其中模糊控制不仅有行之有效的模糊控制理论为基础，而且能够表达出确定性和不确定性的两类经验，并提炼成为知识进而改善已有控制。

随着我国电力行业的迅速发展，电力供应紧张的局面已经趋于缓和，为实现可持续发展，国家推广使用燃气锅炉和电锅炉。然而，由于燃气锅炉投资过大，管道铺设受到城市发展的制约，这就为电热锅炉提供了良好的发展空间。

电热锅炉同其他燃料锅炉相比，具有无污染、热效率高、体积小等优点，并且可以实现无人监控的全自动化控制，控制系统可采用PLC控制，也可以采用电脑控制，同时均可转为手动；控制方式灵活，加热方式便利，可采用瞬时、蓄水和蓄热等多种方式；安全性能好。电热锅炉在我国起步较晚，其应用和发展是我国电力工业发展和环境保护要求相互作用的必然结果。尽管处于发展初期，产品的设计和使用过程中还存在很多问题，但随着人们对电热锅炉认识的深入以及生产厂家的技术进步，电热锅炉一定会得到长足发展，成为新世纪广泛使用的新型绿色环保锅炉。

1

2 基于单片机的温度控制系统设计（LCD显示）

1.3单片机技术的发展及应用

单片机技术的发展

所谓单片机是指在一个集成芯片中，集成微处理器(CPU)、存储器、基本的I/O接口以及定时/计数、通信部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。1970年微型计算机研制成功之后，随着就出现了单片机（即单片微型计算机）。其发展速度之快、应用范围之广，已达到了惊人的地步，它已渗透到生产和生活的各个领域。

尽管目前单片机的品种很多，但其中最具典型性的当数Intel公司的MCS-51系列单片机。MCS-51是在MCS-48的基础上于80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能有很大的增强。由于PHILIPS、ATMEL、WELBORD、LG等近百家IC制造商都主产51系列兼容产品，具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此，MCS-51应用非常广泛，成为继MCS-48之后最重要的单片机品种。直到现在MCS-51仍不失为单片机中的主流机型。国内尤以Intel的MCS-51系列单片机应用最广。由于8位单片机的高性能价格比，估计近十年内，8位单片机仍将是单片机中的主流机型。

单片机技术的应用

随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。它和一般的集成电路相比有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工业条件下稳定工作。且单片机广泛地应用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，提高它们的测量速度和测量精度，加强控制功能。将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥其数据处理功能和实时控制功能，使系统工作处于最佳状态，提高系统的生产效率和产品质量。从航空航天、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织等行业的分布系统与智能控制以及机电一体化设备和产品，到邮电通信、日用设备和器械，单片机都发挥了巨大作用。其应用大致可分为以下几方面： （1）机电一体化设备的控制核心

机电一体化是机械设备发展的方向。单片机的出现促进了机电一体化技术的发展，它作为机电产品的控制器，充分发挥其优点，大大强化了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。最典型的机电产品机器人，每个关节或动作部位都是一个单片机控制系统。 （2）数据采集系统的现场采集单元

大型数据采集系统，要求数据采集的同步性和实时性要好。使用单片机作为系统的前端采集单元，由主控计算机发出采集命令，再将采集到的数据逐一送到主计算机中进行处理。如有些气象部门、电厂等均可采用这样的系统。 （3）分布控制系统的前端控制器

在直接控制级的计算机分布控制系统(DCS)中，单片机作为过程控制中每一分部操作或控制的控制器，进行数据采集、反馈计算、控制输出，并在上位机命令的指挥下进行相应协调工作。

（4）智能化仪表的机芯

自动化仪表的智能化程度越来越高。采用单片机的智能化仪表可具有自整定、自校正、自动补偿和自适应功能，还可进行数字PID调节，软件消除电流热噪声等等，解决传统仪表所不能解决的难题。单片机的应用使这种性能如虎添翼，如自动计费电度表、燃气表中已有这方面的应用。许多工业仪表中的智能流量计，气体分析仪、成分分析仪等也采用了

2

3 基于单片机的温度控制系统设计（LCD显示）

这项技术。甚至有的保健治疗仪中也采用了单片机控制。 （5）消费类电子产品控制

该应用主要反映在家电领域，如洗衣机、空调器、保安系统、VCD视盘机、电子秤、IC卡、手机、BP机等。这些设备中使用了单片机机芯后，大大提高了其控制功能和性能，并实现了智能化、最优化控制。 （6）终端及外围设备控制

计算机网络终端设备，如银行终端、商业POS（自动收款机）以及计算机外围设备如打印机、通信终端和智能化UPS等。在这些设备中使用单片机，使其具有计算、存储、显示、输入等功能，具有和计算机连接的接口，使计算机的能力及应用范围大大提高。

1.4电热锅炉的简单介绍

电锅炉也称电加热锅炉、电热锅炉，顾名思义，它是以电力为能源并将其转化成为热能，从而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体的锅炉设备。电锅炉本体主要由电锅炉钢制壳体、电脑控制系统、低压电气系统、电加热管、进出水管及检测仪表等组成。电热水锅炉是采用最新电热技术及控制系统设计完成的生产热水，满足采暖或供应生活、洗浴用热水的全自动环保锅炉。此类锅炉广范适用于宾馆、别墅、厂房、办公楼、政府机关、高等院校、医院、部队等外观要求较高场所的生活热水和采暖。用户可在30℃-90℃之间任意设置水温，锅炉按照用户要求定时、定温全自动向供暖循环系统供热或为用户提供洗浴、生活用热水。最适合人群的洗浴水温度是35℃-40℃，所以本设计的温度控制段设定为次范围。

此类锅炉又分为直热式电锅炉和蓄热式电锅炉两种，直热式电锅炉顾名思义在这里就不再多解释了，蓄热式电锅炉是根据电力部门鼓励在低谷时段用电加热，并享受优惠电价的政策，推出的一种新型、高效节能电加热产品。蓄热式电锅炉配以蓄热水箱及附属设备即构成蓄热式电锅炉系统，利用蓄热水箱中的热水采暖，从成达到全部使用低谷电力或部分低谷电力的目地。

参数说明：

水温范围：25℃-85℃

工作压力：常压（承压电热水锅炉压力0.7MPa/3.0MPa) 供热量自动调节范围（无级自动调温）：10-100% 使用电源：220V 50HZ，380∨50Hz 允许出口温度：85℃(规范要求<90℃)

锅炉水质应附合GB1576-2001《工业锅炉水质》要求。

1.5本文的主要工作

本文所研究的课题是基于单片机控制的温度控制系统的设计，主要是介绍了对水温度的显示、控制及报警，实现了温度的实时显示及控制。水温控制部分提出了用DS18B20、AT89C51单片机及LCD的硬件电路完成对水温的实时检测及显示，利用DS18B20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热器的实时控制及超出设定的上下限温度的报警系统。由DS18B20检测炉内的水温，用中值滤波法取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号，并在LCD中显示。控制器是用AT89C51单片机，对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节电阻炉的开关，从而控制炉内温度。DS18S20能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。利用

3

4 基于单片机的温度控制系统设计（LCD显示）

本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度门限设定，超过设定的门限值时自动关闭加热装置等功能。而且还要以单片机为主机，使温度传感器通过一根口线与单片机相连接，再加上温度控制部分来实现温度的监测与控制。用单片机实现其具体控制功能如下： （1）水温控制：要求系统能实现对水温的预设，当水温超出设定温度时，能够及时报警 （2）按键功能：能够对水温进行预设，使其与实际温度进行比较。从而通过加热器控制水温。 设计要求

(1)按键功能：能够对水温进行预设和设置水温与实际温度的转换。

(2)水温控制：要求系统能对水温的进行实时监控，当水温超出设定温度时，能够及时报警并停止加热，当低于设置下限值时，报警并开始加热。 (3)要求检测分辨率低于于l℃。

第二章 系统总体方案设计的论证

2.1 设计的内容及要求

我的毕业设计题目是基于单片机的温度控制系统设计。它不仅涉及到软件的设计，而且还有精度高、稳定性好等特点。能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础。经过我查阅资料发现许多应用场合原来就有测温控温仪器，只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高，以往的那些测温控温的仪器根本不能满足现在的要求。其中，有部分应用场合对精度提高的幅度要求也不是特别高。因此，为了提高性价比，我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良，以此为出发点，主要阐述的是水温自动控制系统的一种实现方法。

2.2 显示部分的方案

显示部分采用LCD（ Liquid Crystal Display 的简称）液晶显示器。LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。现在LCD已经替代CRT成为主流，价格也已经下降了很多，并已充分的普及。LCD 的优势是体积小、功耗低，因此用 LCD 作为背光源，可以在兼顾轻薄的同时达到较高的亮度。LCD的主要优点有：优点低压微功耗外观小巧精致，厚度只有6.5~8mm被动显示型(无眩光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳)显示信息量大。因此本系统选取LCD液晶显示器作为显示部分。

2.3测量部分方案

方案一：

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。而且使用热敏电阻，需要用到十分复杂的算法，一定程度上增加了软件实现的难度。

4

5 基于单片机的温度控制系统设计（LCD显示）

方案二：

采用温度芯片DSl8B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1℃。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。本作品的最大特点之一就是直接采用温度芯片对温度进行测量，使数据传输和处理简单化。采用温度芯片DSl8B20测量温度，体现了作品芯片化的趋势。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。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。所以芯片的使用将成电路发展的一种趋势。 本文采用方案二。

2.4主控部分方案

方案一：

用PLC做主要的设计技术，通过用其中相关部件的开关控制达到锅炉水温的控制目的。但是由于对PLC相关配套的设备和仿真软件的限制，因此放弃了PLC方案。 方案二：

采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。 方案三：

系统采用AT89C51芯片，用DSl8B20做水温的传感器，数码管显示屏显示该锅炉温度的控制系统。用扬声器来做报警装置，强电弱电之间的控制启用双向晶闸管。此方案容易设计而且硬件电路简单。 本文采用方案三。

2.5系统总体方案

系统总体电路方框图如图2．1所示。

图2．1 总体电路方框图

5

6 基于单片机的温度控制系统设计（LCD显示）

本系统主要由温度采集系统、复位及时钟信号产生电路、报警电路、显示电路、加热控制电路以及AT89C51组成。通过对锅炉水温实时检测与采集，将锅炉的温度信号转换成数字信号输入单片机，由单片机AT89C51在内部与预先设定参数通过软件计算生成各个控制信号，从而对锅炉内部的电加热器进行控制，再配以外部的温度显示和报警装置，进而对锅炉进行优化控制，达到了用户的要求和节能目的。

操作过程如下：用户首先设定水温的范围数值，利用传感器DSl8B20检测统总体方案设计出锅炉中的水温，并且实时显示出来。当水温超过设定上限，系统会发出报警信号，控制加热器停止工作。当水温未达到设定值，立即回馈给系统，根据实际水温与下限值相差的大小，系统自动调整加热器的加热功率，使水温到达设定值，同时发出报警声，满足用户需求。

第三章 温度控制系统的硬件电路设计

3.1单片机的最小系统

AT89C51单片机简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存(FPEROM- -F a l s h Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机，同时带有2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机，可擦除只读存储器可以反复擦100次。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和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。引脚排列如图3．1所示：

图3．1单片机引脚图

6

7 基于单片机的温度控制系统设计（LCD显示）

系统硬件电路设计

主要特性：

·4K字节可编程闪烁存储器 ·寿命：1000写／擦循环 ·全静态工作：0Hz．24MHz ·三级程序存储器锁定 ·128x8位内部RAM ·32可编程I／O线

·两个16位定时器／计数器 ·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路 管脚说明：

VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I／O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据／地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，PO输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I／O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势。当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I／O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。

AT89C51构成的最小系统

这个系统由两部分组成，现介绍如下： 1、时钟脉冲

AT89C51内部已具备振荡电路，只要在接地引脚上面的两个引脚(即19、18脚)连接简单的石英晶体即可。AT89C51的时钟频率为12MHz。 2、复位电路

AT89C51的复位引脚(Reset)为第9脚，当此引脚连接高电平超过2个机器周期时，即可

7

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/iuy3.html