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1、-毕业设计（论文）-基于热敏传感器的恒温控制器设计-第 9 页密 级 公 开 学 号201340513167 衡水学院毕业论文（设计）基于热敏传感器的恒温控制器设计论文作者：指导教师：系别：专业年级：提交日期：答辩日期：毕业论文（设计）学术承诺本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不存在抄袭情况，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。作者签名： 日 期： 毕业论文（设计）使用授权的说明本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定。即
2、：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文（设计）的原件或复印件，允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公开论文（设计）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文（设计）及相关资料。作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 论文题目：基于热敏传感器的恒温控制器设计摘 要：现如今的高科技快速发展，温度测控技术在工、农业生产有重要的地位。恒温控制是实现对温度的控制，它给工、农业生产提供所需环境，因此恒温控制技术在很多地方都得到了应用。恒温控制器的核心技术为保持环境的稳定，此设计采用AT89S52微处理器作为主要控制核心，LED数码管显示温度，DS18B20数字温度传感器检测温度，
3、参照与设置温度的对比结果，控制加热、降温电路进行工作，达到对温度恒定控制的目的。关键词：恒温控制器；AT89S52单片机；DS18B20；LED数码管TITLE：CONSTANT TEMPERATURE CONTROLLER DESIGN BASED ON THERMAL SENSORSAbstract: Nowadays rapid development of high-tech, temperature measurement and control technology has important position in industrial and agricultural prod
4、uction. Temperature control is to realize the control of the temperature, it to industrial and agricultural production to provide the required environment, so the temperature control technology has been applied in many places. Constant temperature controller is the core technology is to keep the sta
5、bility of the environment, this design USES the AT89S52 single chip microcomputer as main control core, LED digital tube display temperature, temperature DS18B20 digital temperature sensor detection, reference and comparison result of set temperature, control the heating, cooling circuit to carry on
6、 the work, achieve the goal of the constant temperature control.Key words：Temperature Controller；AT89S52 Microcontroller；DS18B20；LED Digital Tube目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1背景11.2恒温控制器的发展趋势11.3解决的主要问题21.4控制要求22 系统的基本构成及硬件设计32.1系统的基本构成32.2系统的硬件设计32.2.1最小系统电路32.2.2温度采集电路32.2.3数码管显示电路52.2.4键盘接口电路52.2.5加热电
7、路52.2.6降温电路63 系统软件设计73.1 系统程序设计73.2温度传感器驱动模块74 系统调试104.1系统性能测试及分析104.1.1温度控制精度测试104.1.2误差分析104.1.3结果分析114.2软件调试114.2.1热敏传感器DS18B20温度采集部分114.2.2键盘及数码管显示部分114.2.3加热模块及降温模块114.3硬件调试124.3.1热敏传感器DS18B20温度采集部分124.3.2键盘及数码管显示部分124.3.3加热模块及降温模块12结语14参考文献15致谢16附录171 绪论1.1背景温度是生产活动和科学试验中重要的物理量。对温度的控制在工业生产和生活中
8、是一个重要环节。在不一样的生产地点和不一样的生产工艺，所需要的温度高低和精度也不一样，所以系统使用的测温元件、测温办法以及对温度的控制办法也会不一样。所以使用微电子技术这一特殊手段，就可以实现稳定生产运行和提高控制精度的目的。它的作用主要是使劳动环境更加完善，节省能量资源，防止生产和设备事故，以得到更好的技术要求和经济利益。现如今，先进国家的各类自动化水平都很高，有完备的检测仪表和计算机控制系统。其中计算机控制系统基本上采用集散系统和分布式系统两种形式，大多数都配备超前的控制算法，可以获取更准确的工艺功能数据。微处理芯片是紧随超大规模集成电路技术发达而形成的。由于它具有高性能、小体积、高性价比
9、等特点，所以在节能产品，家用电器，电子仪器，工业控制，机器人，军事装备等很多地方都得到了应用，使产品更加小型化、智能化，在提高产品的功能和质量的同时，也使使用成本减少和设计过程被简化。此设计根据实际情况选用了小体积、精度较高的数字温度传感器DS18B20作为温度采集元件，微处理器AT89S52作为主要控制芯片，数码管作为显示温度输出，从而达到实时测量温度和恒定控制温度的目的。1.2恒温控制器的发展趋势恒温控制器是一种温度控制装置，它通过环境所需温度与设置温度的差值来控制输出端，以此来达到改变环境所需温度的目的。在理论上达到以上目的有很多种方法，目前主要的控制方法有两个系列：机械温度控制器和智能
10、电子式。恒温控制器大致经历了以下几个阶段的发展：（1） 模拟、集成机械式恒温控制器。 （2）电子式智能恒温控制器。世界的新型恒温控制器基本形成为数字式、电子式、智能化、网络化。 恒温控制器的初期是机械式恒温控制器，此类控制器使用双金属片或者充气膜盒作为测温模块来检测温度。这两类控制器已经被淘汰，缺点比较明显：（1）对温度的控制精度差。（2）外观陈旧呆板。（3）容易打火。（4）容易在很小的温差里多次开关。（5）功能比较单一。在如今的电子信息时期，电气自动化、信息收集控制在任何领域都是潮流，不可逆转。电子式恒温控制器已经全面代替了机械式恒温控制器。设计精湛、考虑完善的智能电子恒温控制器是绝对可靠的
11、。1.3解决的主要问题（1）温度的准确测量和精确转换。 （2）快速有效的温度控制算法。 （3）快速有效的实现温度的控制。1.4控制要求温度的控制范围主要根据恒温控制器所应用的领域来设定，这需要在控制程序设计中实现。温度控制精确度为0.5度。正常情况下，系统进入自动状态。虚拟状态，手动操作，在系统产生异常时，进入手动操作状态，并用LED显示。2 系统的基本构成及硬件设计2.1系统的基本构成本设计的整体思路：利用DS18B20温度传感器直接输出数字温度信号给微处理器AT89S52处理，在LED数码管上显示目前的温度和预设值温度。温度低于预设值时，启动加热元件，温度过高则启动降温元件，直到环境温度达
12、到预设温度值。2.2系统的硬件设计本设计主要的元器件包括AT89S52微处理器、数字温度传感器DS18B20、六位一体数码管、光电耦合器。次要元器件包含电源、电阻、晶振、拨码开关、按键等。2.2.1最小系统电路微处理器必须在时钟的驱动下才能工作，所以时钟电路是实际工作中必不可少的元素，微处理器的工作频率和波特率都取决于时钟电路中晶振的参数，时钟电路如图2-1所示。图2-1时钟电路微处理器常用的晶振类型是石英晶振，常用的晶振频率有12Mhz和11.0592Mhz，在实际工作中11.0592Mhz的晶振更能满足多种工作状态和保证所用功能正常工作。所以本设计选用11.0592Mhz的晶振，晶振的起振
13、电容选用的大小与晶振的参数有关，理论上15pF40pF都可以使晶振起振，通常选用30pF，实际试验可以起振。2.2.2温度采集电路DS18B20的温度测量技术是经过计数时钟周期完成测量。测量电路如图2-2所示。高温度系数震荡产生的门周期统计低温系数振荡器输出的时钟信号来计数，计数器有一个与-55相对的基权值。假如计数器在高温度系数振荡周期结束前计数到零，就说明测量的温度比-55高，预置在-55的温度寄存器就会增加1，重复该过程，当高温度系数振荡周期结束时，该过程停止。此时，温度寄存器里的值即是测量的温度值，并且以16位的形式储存在便笺式寄存器里，这个温度值就会被主机读取，读取时前面是低位，后面
14、是高位。在使用DS18B20时，是由微处理器采集数据的。把一个或者多个DS18B20的信号线和微处理器的I/O线连接，就可以实现一个位置或者多个位置的温度检测。此设计把DS18B20信号线与P3.5连接，达到温度采集的目的。图2-2测量电路图2-3显示电路2.2.3数码管显示电路此设计的显示模块选取的是共阳极的六位一体数码管，1、2、3位显示环境温度，4、5、6位显示设置温度，它和微处理器的连接如图2-3所示。数码管的A、B、C、D、E、F、G和DP分别和微处理器的P2.0P2.7连接。38译码器实现数码管的位通，译码器的A、B、C端分别与微处理器的P1.5P1.7连接，用设计的程序控制译码器
15、，实现选位目的。2.2.4键盘接口电路键盘使用5个独立的按键如图2-4所示，是K1，K2，K3，OK，SET分别与微处理器的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3和INT0口及10K上拉电阻连接，另外一个端口和地相连，在随意按下按键的时候，低电平状态有效。系统给电后，按下SET使系统中断。K1键是温度十位的设置键，K2键是温度个位的设置键，K3是温度小数位设置键，OK为确定键。当设置温度完成时，在按下OK键的时候，系统会进入运行状态。图2-4键盘电路2.2.5加热电路本设计使用交流电给加热元件提供电源，使用光电开关控制加热元件是否工作，可以把交流电和系统有效隔离，给系统更好的稳定性。由于加热元
16、件会有较大的惯性，所以采用脉冲宽度调制控制加热元件的工作，微处理器输出高电平时，经过反相器变成0信号，把光耦导通，指示灯亮，加热元件工作；输出低电平时，光耦断开，指示灯灭，加热元件断电。加热电路如图2-5所示，微处理器的P0.6口输出信号，控制光耦，以此达到控制加热元件平均功率的目的。系统中增加了信号指示灯，可以提示加热元件是否通电。图2-5加热电路2.2.6降温电路本设计通过继电器控制降温元件工作，通过微处理器的P0.7口输出信号控制继电器是否导通，因为微处理器的输出电流略微小，所以使用驱动电路驱动继电器开关，因为NPN三极管需要增加上拉电阻，而且容易发生上位5V烧毁三极管的情况，所以使用P
17、NP型的三极管驱动继电器。降温电路如图2-6所示。图2-6降温电路3 系统软件设计3.1 系统程序设计本设计的程序流程如图3-1所示。其程序有主程序和各子程序，主程序调用6个子程序，分别是键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、数码管显示程序、继电器控制程序、光耦控制程序。键盘扫描及按键处理程序：实现键盘的输入按键的识别及进入相应的程序。温度信号处理程序：处理分析温度传感器传输的数据。数码管显示程序：控制系统温度的显示。降温控制程序：控制继电器的通断，从而操控降温设备工作。加热控制程序：控制光电耦合器的通断，从而操控加热设备工作。3.2温度传感器驱动模块微处理器控制DS18B20达成温度的转
18、换需要经过三个阶段：每次完成读写之前都会对其复位，然后再发送一条ROM命令，最终发送RAM命令，才可以对DS18B20进行预先设定的处理。复位需要微处理器把数据线下拉500us，再释放，当DS18B20接收信号1660us后，再发出60240us的存在低脉冲，微处理器收到这个信号就说明复位完成。本系统对DS18B20的操作分3步：初始化、ROM指令和功能命令。微处理器与DS18B20通信，先要其初始化，再复位，最后等待其应答脉冲。微处理器检测到应答脉冲，就会发起跳过ROM匹配的操作命令。ROM的操作指令被成功执行后，便能使用内存的操作指令，开启温度转换，等待些许时间后，温度转换就会完成。再次发
19、起跳过ROM匹配操作命令，然后读取暂存器里的转换结果，转换成显示码送达数码管。DS18B20模块的程序流程图如图3-2所示。DS18B20的功能命令再该步骤中完成温度转换、写暂存寄存器、读暂存寄存器、拷贝暂存寄存器、装载暂存寄存器、读供电模式命令。本设计对DS18B20的操作包含两个子过程：（1）读取DS18B20的序列号。微处理器发射复位脉冲，当接收到返回脉冲时，发送搜索元件序列号的命令。（2）启动DS18B20作温度的转换然后读取温度。在微处理器收到返回存在脉冲时，传输跳过元件序列号的命令，紧接着发送温度转换的命令，再次复位，然后在收到返回存在脉冲后，传输DS18B20的序列号。加热控制程
20、序测量温度预设温度？测量温度=预设温度？比较温度数码管显示程序读取DS18B20温度子程序设置预设温度按键处理是否有键按下？键盘扫描子程序数码管显示程序读取DS18B20温度子程序终端服务程序程序初始化开始是否否是是图3-1系统程序流程图温度处理读取温度跳过ROM匹配DS18B20复位启动温度转换跳过ROM匹配DS18B20复位图3-2 DS18B20模块的程序流程图4 系统调试4.1系统性能测试及分析本设计恒温控制器是基于热敏传感器设计的，它能够显示预设温度和实时温度，可以根据用户设置的温度进行自动调控。此设计的稳定性比较高，测量和控制的精确度高，软件使用的是模块化的结构，增加了系统的通用性
21、，利用精确的脉宽调制加热降低了超调量，提高了设计的性能。4.1.1温度控制精度测试为了验证温度控制系统的控制精度，我们把温度计和系统的热敏传感器探头放在同样的地方，选择几个不同的温度，分别记录温度计和温度控制系统检测的温度，再进行比较。在此过程中，环境温度由低到高，加热装置会工作，当环境温度稳定时，分别记录温度计和温度控制系统的温度值。记录数据如表4-1所示。表4-1温度数据记录温度计读数和温度控制系统显示温度（摄氏度）设定温度值25.028.035.045.055.0系统显示温度25.527.734.445.154.1差值0.50.3-0.60.1-0.9根据实验数据显示，系统测温与实际温度
22、有一定误差，范围在1，基本达到预期目标。4.1.2误差分析主要误差因素有以下几个：（1）温度计本身的精度和视觉读数误差，温度的变化惯性比较大，动态测量对温度把控比较困难。（2）降温装置采用的是风扇降温，断电后风扇还会由于惯性继续转动，使温度继续降低，导致误差。（3）温度传感器测量传输需要时间，存在延时，从而导致误差产生。4.1.3结果分析根据实验数据可知，本设计的误差值在0.18摄氏度，控制精度在0.45摄氏度，对于温度要求不是很高的工农业生产可使用本设计。该设计的超调值较小，约为0.83。虽然超调的结果不太精准，但是却使系统调节的时间缩小。数据显示设计是比较稳定的。4.2软件调试4.2.1热
23、敏传感器DS18B20温度采集部分本设计采用温度传感器DS18B20作为温度采集的元件，由于它是高度集成化的，所以在软件设计和调试部分会更容易，精度高、小体积和功耗低会使控制精度和系统稳定更加准确稳定。软件设计用P3.5口作为数字温度信号的接收口，通过温度转换程序对数字信号进行处理，最后在数码管上显示出来。经过多次的实验验证，热敏传感器检测温度的效果很好。4.2.2键盘及数码管显示部分程序的键盘接口为P0口，数码管显示使用P2口控制LED选段码，P1.5P1.7由38译码器译码，数码管显示一共使用六个LED，所以用译码的后六位控制LED位码，经程序设计后，1、2、3位显示环境温度，4、5、6位
24、显示设置温度。通过程序，实现了按键的功能，而且有很好的去抖动效果，也可以通过程序调节按键时间；LED是动态显示，所以程序延时不能太长，LED的显示效果会更佳。4.2.3加热模块及降温模块软件设置单片机的P0.6口为加热模块的控制端口，P0.7口为降温模块的控制端口，加热模块通过程序设计输出不同的PWM波形控制光电耦合器的开关，从而控制加热元件加热功率，实现精准加热。当环境温度比设置温度高时，降温模块将进行工作，实施降温；环境温度比设置温度低时，加热模块工作，温差值越大，加热功率越大，加热速率越快。4.3硬件调试4.3.1热敏传感器DS18B20温度采集部分单片机的P3.5口与DS18B20相连
25、，用3根导线的一端分别与单片机的VCC、P3.5和GND连接，并在导线上并联多个插针，可以把芯片直接插在插针上，从而实现多点测温，使测量温度更加准确。检验DS18B20能否在系统中工作良好，可以用一杯热水放在芯片上，当LED数码管显示温度升高，则说明工作正常。因为DS18B20有3个引脚，因此在调试的过程中需要注意引脚对应的位置，避免插反造成芯片烧毁。4.3.2键盘及数码管显示部分此设计的按键部分有以下功能：按下K1，数码管显示温度值的十位加一；按下K2，显示温度值的个位加一；按下K3，显示温度值的小数位加一。每位温度值在增加到9之后加一会回到0重新增加。在调试过程中，付过按键时间太长，显示温
26、度值会增加多个值，造成这种现象的主要因素是按键的去抖动延时时间太长，可以把按键的去抖动延时时间适当增加来避免这种情况，但是时间也不能太长，否则按键无效的情况也会增加。显示部分实现了以下功能：环境温度的显示在LED的前三位，设置温度的显示在后三位。LED的显示效果很稳定。4.3.3加热模块及降温模块加热模块的设计主要是在软件设计上，驱动电路只是放大PWM信号从而驱动加热元件工作。系统软件设计在P0.6口输出使光带耦合器导通的PWM占空比。当环境温度比设置温度低时，加热元件运行，此时把冷源放在DS18B20附近，温度计靠近加热元件测量温度，发现温度迅速上升，达到一定值时保持稳定；再把冷源拿离DS1
27、8B20，温度降低，直至设置温度。当设置温度低于环境温度时，加热元件又开始工作。设计最开始使用的继电器控制加热装置，但是出现了很多问题，继电器的吸合不是很理想，出现延时的状况，使加热装置不稳定，换用光电耦合器之后，这一情况得到解决，并且也实现了精确控温的目的。降温模块的系统软件设计用P0.7口作为降温装置的控制端口，系统采用额定电压为12V的直流电机，但是驱动微处理器的电源电压低于5V，所以调试过程用了5V的直流电机。由于微处理器的输出电流较小，所以采用NPN型三极管作为驱动电路，但是在调试过程中总是出现三极管被烧坏的情况，所以采用PNP型的三极管作为驱动电路，经过多次调试，降温装置运行良好。
28、结语本设计完整实现了设计预期目标。本设计用微处理器AT89S52搭配DS18B20作为恒温器的控制核心，精确控制恒温器保持温度恒定的控制系统。通过对恒温控制的不断探究，经过细心的斟酌，反复权衡不同设计方案，最终完成了恒温系统总体方案。自己设计了恒温控制器的硬件电路。合理安排了它的结构，使其能完整稳定工作。本设计本着设计简单，研发难度小，研发周期简单，能投入生产的原则，设计了这款恒温箱，这在各个模块的实现方案中都有体现。此外，软件设计采用被广泛使用的开发软件Keil，原理图采用大家所了解的Altium Designer进行绘制，在软件方面减小了开发的难度。同时由于使用的软件都较为通用，为以后的升
29、级再开发打下了基础。一款高性能的恒温控制器可以为实际生产和科研实验提供有力的保障，同时还可以节省试验时间，提高生产效率。本系统的实现，不仅在性能上有所提高，还降低了生产成本，为以后恒温控制器的生产和发展提供了新的思路。未来，随着微处理器架构的不断更新，高性能的微处理器不断涌现，新款微处理器将不断得到改善和发展。参考文献1 王华荣,严其艳.基于AT89C51的水温控制系统硬件设计J.南方农机,2016,12:106-107.2 司荣峰,杨东福.恒温控制器的设计与技巧J.电子世界,2016,10:160+162.3 黎运宇,孔德荣.基于单片机AT89S52的蔬菜塑料大棚恒温控制系统J.广西民族师范
30、学院学报,2016,03:17-19.4 谢靖,张文军.恒温控制器的设计与技巧J.电子制作,2016,13:43-44.5 郭卉.自动恒温控制实训装置的设计与应用J.电子测试,2016,14:8-10.6 宁飞.车载医用恒温控制系统设计D.哈尔滨理工大学,2014.7 陈菁,张小溪.基于单片机的小型恒温箱设计J.现代电子技术,2014,22:101-104.8 陆晶晶.试论单片机的温度控制系统J.电子技术与软件工程,2015,15:256.9 钟昊辰.温度传感器的设计J.电子技术与软件工程,2016,21:125.10 张妍,苏煜飞.温度传感器的研究和应用J.现代制造技术与装备,2016,05
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