单片机的水温控制系统

2 硬件系统设计

2.1硬件电路分析和设计报告
本次设计主要思路是通过对单片机编程将由温度传感器DS18B20采集的温 度外加驱动电路显示出来，包括对继电器的控制，进行升温，当温度 达到上下限蜂鸣器进行报警。P1.7开关按钮是用于确认设定温度的， 初始按下表示开始进入温度设定状态，然后通过P1.5和P1.6设置温度 的升降，再次按下P1.7时，表示确认所设定的温度，然后转入升温或 降温。P2.3所接的发光二极管用于表示加热状态，P2.5所接的发光二 极管用于表示保温状态。P2.3接继电器。P3.1是温度信号线。整个电 路都是通过软件控制实现设计要求
Y
N
保温指示灯亮,停止加热
加热指示灯亮,开始加热
设置温度？
Y
N
温度‘+’
Y N
N
温度‘-’
Y
N
设置完成？
Y
预设温度加5
预设温度减5 加热 控制
读18B20 温度转换 显示温度 实测温度>=预设温度 保温指示灯亮,停止加热
N
Hale Waihona Puke Baidu
实测温度<预设温度 加热指示灯亮,开始加热



3.2 各个模块的流程图 3.2.1 读取温度DS18B20模块的流程

（2）运行指示灯说明
本热水器温度控制系统中共使用到3个LED指示灯和3个数码管。 右上角的红色LED是电源指示灯； 数码管右边的红色LED是加热指示灯，当刚开机或温度降到设定温度5℃ 以下时，该灯会亮，表示目前处于加热状态；当温度上升到设定温度时，该 LED灭，同时数码管右边的绿色LED亮，表示目前处于保温状态，用户可以使 用热水器；当温度再次下降到设定温度5℃以下时，绿色LED灭，红色加热的 LED灯亮，不断循环。
1 系统总体设计

1.1 硬件总体设计
设计并制作一个基于单片机的热水器温度控制系统的电路，其结构框图 如图1-1

1.2 软件总体设计
良好的设计方案可以减少软件设计的工作量，提高软件的通用性，扩展性 和可读性。 本系统的设计方案和步骤如下： (1) 根据需求按照系统的功能要求，逐级划分模块。 (2) 明确各模块之间的数据流传递关系，力求数据传递少，以增强各模块的独立 性，便于软件编制和调试。 (3) 确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并分别调试通过。 (4) 按照开发式软件设计结构，将各模块有机的结合起来，即成一个较完善的系 统。

2.1.1单片机最小系统电路

因为80C51单片机内部自带8K的ROM和256字节的RAM，因此不必构建单片机系 统的扩展电路。如图2－1，单片机最小系统有复位电路和振荡器电路。值得 注意的一点是单片机的31脚必须接高电平，否则系统将不能运行。因为该脚 不接时为低电平，单片机将直接读取外部程序存储器，而系统没有外部程序 存储器，所以必须接VCC。在按键两端并联一个电解电容，滤除交流干扰，增 加系统抗干扰能力。
由于DS18B20采用的是一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S52单片机 来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟 单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。 DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对 DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位 脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据DS18B20虽然具有测 温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点， DS18B20必须首先调用启动温度转换函数，根据数据手册上对应转换时间来超 作，如为12位转换，则应该是最大750mS，另外在对DS18B20超作时，时序要 求非常严格，因此最好禁止系统中断。

2.1.4 温度采集电路
（1） DS18B20介绍
Dallas最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积 更小、适用电压更宽、更经济。Dallas半导体公司的数字化温度传感 器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一 线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测 量系统的构建引入全新概念。DS18B20、DS1822“一线总线”数字化 温度传感器同DS18B20一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测 量温度范围为 -55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内,精度为 ±0.5℃。DS1822的精度较差为±2℃。现场温度直接以“一线总线” 的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。其DS18B20的管脚配 置和封装结构如图2-4所示。
绪 论


及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制,在许多工业场合中 都是重要的环节.水温的变化影响各种系统的自动运作，例如冶金、 机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、 反应炉等，对工件的水处理温度要求严格控制。对于不同控制系统， 其适宜的水质温度总是在一个范围。超过这个范围，系统或许会停止 运行或遭受破坏，所以我们必须能实时获取水温变化。对于，超过适 宜范围的温度能够报警。同时，我们也希望在适宜温度范围内可以由 检测人员根据实际情况加以改变。 传统的温度采集电路相当复杂，需要经过温度采集、信号放大、滤波、 AD转换等一系列工作才能得到温度的数字量，并且这种方式不仅电路 复杂，元器件个数多，而且线性度和准确度都不理想，抗干扰能力弱。 现在常用的温度传感器芯片不但功率消耗低、准确率高，而且比传统 的温度传感器有更好的线性表现，最重要的一点是使用起来方便

单片机对对温度的控制是工业生产中经常使用的控制方法.自从1976 年Intel公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术进入快速发 展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、 高性能方向发展。单片机主要用于控制，它的应用领域遍及各行各业， 大到航天飞机，小至日常生活中的冰箱、彩电，单片机都可以大显其 能。单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成 在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。 单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、 可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计 算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、 数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构 设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。同时，单片 机具有较强的管理功能。采用单片机对整个测量电路进行管理和控制， 使得整个系统智能化、功耗低、使用电子元件较少、内部配线少、成 本低，制造、安装、调试及维修方便。
首先接通电源系统开始工作，系统开始工作后，通过按键设定温度值的 上限值和下限值，确定按键将设定的温度值存储到指定的地址空间， 温度传感器开始实时检测，调用显示子程序显示检测结果，调用比较 当前显示温度值与开始设定的温度值比较，如果当前显示值低于设定 值就通过继电器起动加热装置，直到达到设定值停止加热，之后进行 保温，如果温度高于上限进行报警。



引脚定义： ① DQ为数字信号输入/输出端； ② GND为电源地； ③ VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 （2）DS18B20的单线（1－wire bus）系统 单线总线结构是DS18B20的突出特点，也是理解和编程的难点。从两个角度来 理解单线总线：第一，单线总线只定义了一个信号线，而且DS18B20智能程度 较低（这点可以与微控制器和SPI器件间的通信做一个比较），所以DS18B20和 处理器之间的通信必然要通过严格的时序控制来完成。第二，DS18B20的输出 口是漏级开路输出，这里给出一个微控制器和DS18B20连接原理图。这种设计 使总线上的器件在合适的时间驱动它。显然，总线上的器件与（wired AND） 关系。这就决定：（1）微控制器不能单方面控制总线状态。之所以提出这点， 是因为相当多的文献资料上认为，微控制器在读取总线上数据之前的I/O口的置 1操作是为了给DS18B20一个发送数据的信号。这是一个错误的观点。如果当前 DS18b20发送0，即使微控制器I/O口置1，总线状态还是0;置1操作是为了是I/O 口截止（cut off），以确保微控制器正确读取数据。（2）除了DS18B20发送0 的时间段，其他时间其输出口自动截止。自动截止是为确保：1时，在总线操作 的间隙总线处于空闲状态，即高态。2时，确保微控制器在写1的时候DS18B20 可以正确读入。



DS18B20的读时序： （1）对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。 （2）对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释 放单总线,以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过 程，至少需要60us才能完成。 DS18B20的写时序： （1）对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。 （2）对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要 被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线 上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放 单总线。 系统程序设计主要包括三部分：读出温度子程序、温度转换命令子程序、显 示温度子程序。
开始 初始化 DS18B20存在吗？

2.1.3 数码管及指示灯显示电路
（1）数码管显示说明 各个数码管的段码都是单片机的数据口输出，即各个数码管输入的段码都是一 样的，为了使其分别显示不同的数字，可采用动态显示的方式，即先只让最 低位显示0(含点)，经过一段延时，再只让次低位显示1，如此类推。由视觉 暂留，只要我们的延时时间足够短，就能够使得数码的显示看起来非常的稳 定清楚，过程如表3-1。
单片机的水温控制系统
张冰冰
摘要

温度控制系统可以说是无所不在，热水器系统、空调系统、 冰箱、电饭煲、电风扇等家电产品以至手持式高速高效的 计算机和电子设备，均需要提供温度控制功能。本系统的 设计可以用于热水器温度控制系统和饮水机等各种电器电 路中。它以单片机AT80C51为核心，通过3个数码管显示温 度和4个按键实现人机对话，使用单总线温度转换芯片 DS18B20实时采集温度并通过数码管显示，并提供各种运 行指示灯用来指示系统现在所处状态，如：温度设置、加 热、停止加热等，整个系统通过四个按键来设置加热温度 和控制运行模式。
2.1.2
键盘电路
键盘是单片机应用系统中的主要输入设备，单片机 使用的键盘分为编码键盘和非编码键盘。编码键盘采用 硬件线路来实现键盘的编码，每按下一个键，键盘能够 自动生成按键代码，并有去抖功能。因此使用方便，但 硬件较复杂。非编码键盘仅仅提供键开关状态，由程序 来识别闭合键，消除抖动，产生相应的代码，转入执行 该键的功能程序。非编码键盘中键的数量较少，硬件简 单，在单片机中应用非常广泛。 图为按键和AT80C51的接线图，检测仪共设有4个 按键，每个按键由软件来决定其功能，4个按键功能分 别为： (1) SW1：设定按键(设定按键) (2) SW2：加法按键(当前位加5) (3) SW3：减法按键(当前位减5) (4) SW4：退出设置键(系统初始化)



由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的 时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。 该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都 是将主机作为主设备，而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时 序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时 序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。

2.1.5 电源电路

2.1.6报警电路设计
3 系统总设计


本系统采用的是循环查询方式，来显示和 控制温度的。主要包括四段程序的设计： DS18B20读温度程序，数码管的驱动程序， 键盘扫描程序，以及抱经处理程序。 3.1主程序流程图
加热 控制
实测温度>=预设温度
Y Y
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实测温度<预设温度