本文所要研究的课题是基于单片机的恒温控制系统设计，主要是介绍了对温度的控制，实现了温度的实时显示与控制。温度控制部分，提出了用DS18B20、AT89C51单片机和LED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电阻丝的实时控制。而温度控制部分，采用一套PID闭环负反馈控制系统，由DS18B20检测温度，用中值滤波的方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LED中显示。控制器是用AT89C51单片机，用PID进行调节后输出控制信号给执行机构，去调节电阻炉的加热功率，从而控制温度。每片DS18B20都有唯一的产品号，可以一并存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18B20芯片。从DS18B20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线，其读写及其温度变换功率来源于数据线，该总线本身也可以向所挂接的DS18B20提供电源，不需要额外电源。同时DS18S20能提供九位温度精度，它无需任何外围硬件便可方便地构成温度检测系统。而且本次的设计主要实现温度测试，温度显示，温度控制，超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。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和人机交互部分来共同实现温度的监测与控制。
2．利用单片机实现其具体控制功能如下：
（1）能够连续测量水的温度值，用十进制LED数码管来显示水的实际温度。 （2）能够设定水的温度值，设定范围是30℃～90℃。
（3）能够实现水温自动控制，如果设定水温在80℃，则能使水温保持恒定在80℃的温度下运行。
（4）使用单片机AT89C51控制，通过输入按键来控制水温的设定值，数值采用LED数码管显示。
1.3课题的研究方案
温度控制系统是比较典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中很重要的被控参数，计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去采用电子线路进行PID调节的控制效果要好很多，可控性方面也有了很大的提高。
温度是一个非线性的控制对象，有大惯性的特点，尤其在低温段惯性较大，而在高温段惯性较小。对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式：
２
G(s)?
方案一（见图1-1）
数据采集信号放大KTs?1e??s
（1-1）
温度预设比较器信号放大继电器负载
图1.1 方案一的流程图
此方案是传统的模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定值，反馈的温度值和设定值比较后，判定加热或不加热。特点是电路简单，易于实现，但是系统的精度不高并且调节动作频繁，系统的静态差大、不稳定。系统受环境的影响大，不能实现复杂控制算法。并且不能用数码管显示温度值和当前的状态，也不能使用键盘进行设定。
方案二（见图1-2）
信号采集信号放大上限比较温度预设下限比较信号处理继电器负载
图1.2 方案二的流程图
此方案的控制方式是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想和方案一相同，但由于采用了上下限比较电路，使得在控制精度上有所提高。这种方法仍然还是模拟控制方式，因此也很难能实现复杂的控制算法使的控制的精度做得较高，并且不能用数码管显示温度值和当前的状态，也不能使用键盘进行设定。
３
方案三（见图1-3）
键盘设定AT89C51单片机数据采集光电耦合可控硅负载数据显示
图1.3 方案三的流程图
该方案采用AT89C51单片机系统来实现检测和控制的，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程设计实现各种控制算法以及逻辑控制，进而获得比极高的控制精度。该系统可以用数码管来显示温读的实际值和各种状态，可用键盘输入设定值。本方案选用了AT89C51芯片，不需要外扩展存储器，很多硬件设备也都集成到了AT89C51的内部，使系统整体结构更简单，实现更加容易。
结论：前两种方案是比较传统的模拟控制方式，模拟控制系统难以实现复杂的控制规律，无法获取比较高的控制精度，并且控制方案的修改也较为繁琐。方案三是采用以单片机为控制核心的系统，对温度的控制，可达到模拟控制达不到的效果；可以编程实现各种逻辑功能和复杂的控制算法，可也实时的处理各种状况；并且实现了数据显示和键盘设定功能，提高了系统的智能性和人机交互性。所以，经过比较，本次毕业设计采用了方案三。
４
第2章 设计理论基础
本设计系统的组成单元包括：单片机控制单元、温度采样单元、调节执行单元、显示单元。
2.1 AT89C51系列单片机介绍
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间可以达到十年。它与MCS-8051系列单片机在指令和引脚上完全兼容，因此不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且还能使系统具有许多MCS-8051系列产品没有的功能。使用AT89C51单片机便可构成的单片机最小应用系统，缩小了系统的体积, 增加了系统可的靠性易用性，降低了系统的制作成本。程序长度可达4096字节, 四个可编程的用户I/O。在5V的电压下就可以编程，而且程序的写入时间也仅需要10毫秒的时间, 仅为8751/87C51单片机的时间的百分之一，与87C51系列的单片机的12V的擦写电压相比, 即保护了器件, 也没有两种电源的不同要求，在不拿下芯片的情况先即可进行程序的擦写，非常适合嵌入式的控制领域的应用。AT89C51芯片提供了三级程序存储器来锁定加密， 提供了方便灵活并且可靠的硬加密手段, 能保证程序或系统不被仿制。另外,AT89C51 还具有MCS-51系列单片机的所具有优点。128×8 位的内部RAM, 32 位双向输入输出总线, 两个十六位可编程定时器/计时器, 5个中断源, 两级中断优先级控制, 一个全双工的异步串行口以及时钟发生器等。AT89C51具有间歇、掉电两种电源控制工作模式。间歇模式的是设置由软件来执行的, 当外围器件仍处于工作模式时, CPU可根据当前的工作状态在适当的时候地进入睡眠状态, 内部RAM的数据以及所有特殊寄存器值将将保持原值不变。睡眠状态可被任一一个中断所终止或通过外部硬件复位唤醒。掉电模式是指当VCC（电源电压）低于电源电压的下限时, 当振荡器的频率为0时, CPU 将会停止指令的执行。此时该芯片内RAM的数据和特殊功能寄存器中的值保持原莱来值不变, 一直维持到掉电模式被终止。只有当VCC（电源）的电压恢复到正常工作范围（高于电压的下限）而且在振荡器稳定振荡后，通过外部硬件的复位，掉电模式则可被终止退出。
５
2.2光电耦合器MOC3041
MOC3041 是常用双向晶闸管输出的光电耦合器(固态继电器)，带过零触发电路，输入端的控制电流为15mA，输出端的额定电压为400V，输入输出端隔离电压为7500V。
传统的方法都是采用移相触发的晶闸管，通过控制晶闸管的导通角而达到控制功率大小的效果，不仅同步检测的电路非常的复杂，而且会在晶闸管导的通瞬间会产生高次的谐波干扰，引起电网的电压产生波形畸变，影响到其他电子设备和电子通讯系统的正常运行，本设计中采用过的零触发晶闸管导通以及关断时间的比值来调节功率的大小，因为过零触发不会改变电压的波形而是改变的只是电压全波通过的次数，并不会对电网造成干扰，所以，本设计采用过零的触发方式。
MOC3041芯片内部包含过零检测的电路，在输入引脚1输入的电流为15mA的时候，输出引脚6、和输出引脚4之间的电压刚刚过零时，内部的双向晶闸管开始导通，从而触发外部的晶闸管导通，在MOC3041输入引脚的输入电流为0时，内部的双向晶闸管被关断，从而外部的晶闸管也被关断。
ANODE16MAIN TERMCATHOED25NC*过零比较NC34MAIN TERM
图2.1 M0C3041逻辑引脚图
2.3双向可控硅
可控硅分为单向可控硅和双向可控硅两种,他们的符号也是不同的.单向可控硅是由三个PN结构成,由外层的P极与N极引出两个电极,分别称为阳极与阴极,由中间的P极引出一个可控硅的控制极G极。
单向的可控硅有其独特的特性为:当阳极被接反向电压,或者阳极被接正向
６