余剑：基于单片机水浴温度控制系统设计
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武昌理工学院2013届毕业设计(论文)
前言
水温控制无论是在工业生产中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对水温进监测、显示、控制，使之达到工艺标准，满足需要。由于电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。其发展必将带来新一轮的工业化的革命和社会发展的飞跃。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。单片机具有体积小、功耗低、编程灵活，控制简单、扩展功能强、微型化和使用方便等优点，结合不同类型的传感器，可实现诸多功能。用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。通过单片机使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。目前国内外各大电气公司，大的半导体厂商正在不断的开发、使用单片机，使其无论在控制能力，减小体积，降低成本，还是开发环境的改善等方面，都得到空前迅速的发展。
本设计以AT89S52单片机系统进行温度采集与控制。温度信号由模拟温度传感器DS18B20采集输入AT89S52，利用温度传感器采集到当前的温度，通过AT89S52单片机进行控制，最后通过LED数码管以串行口传送数据实现温度显示。可以通过按键任意设定一个恒定的温度。将水环境数据与所设置的数据进行比较，当水温低于设定值时，开启加热设备，进行加热；当水温高于设定温度时，停止加热，从而实现对水温的自动控制。当系统出现故障，超出控制温度范围时，自动蜂鸣报警。用单片机控制水温可以在一定范围内设定，并能在环境温度变化时保持温度不变。
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余剑：基于单片机水浴温度控制系统设计
第1章 方案设定与总体设计
§1.1 系统方案的设定
1、单片机及水温控制方案
建立单片机水温控制系统可以采用8031作为控制核心，以使用最为普遍的器件ADC0804作模数转换，控制上使用对电阻丝加电使其升温。此方案简易可行，器件的价格便宜。但8031内部没有程序存储器，需要扩展，增加了电路的复杂性。但此方案在硬件、软件上的成本都比较高，而且易受外部环境的影响和限制，系统工作相对不稳定。
单片机种类繁多，经过比较。此次设计方案采用AT89S52单片机实现，该单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。进行数据转换，控制电路部分采用继电器控制，此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的数据。
2、水温传感器方案
水温传感器可以采用极为普遍的晶体管3DG6作为温度传感器，廉价的电压/频率转换器（V/F）LM331与AT89S52单片机组成的温度测量仪。但抗干扰性差，数据处理复杂，数据存放空间大，受市场限制。
设计中广泛采用热电阻传感器，铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、稳定性好等特点，被广泛用于中温（-200℃～+650℃）范围的温度测量中。但铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性较正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。
采用数字可编程温度传感器DS18B20作为温度检测元件。数字可编程温度传感器可以直接读出被测温度值。不需要将温度传感器的输出信号接到A/D转换器上，减少了系统的硬件电路的成本和整个系统的体积进行数据转换，控制电路部分采用继电器控制，此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的数据。由于采用具有一总线特点的温度传感器，所以电路连接简单；而且该传感器拥有强大的通信协议，同过几个简单的操作就可以实现传感器与单片机的交互，包括复位传感器、对传感器读写数据、对传感器写命令。软件、硬件易于调试，制作成本较低。也使得系统所测结果精度大大提高。
综合多方考虑，经过对各种温度传单器的比较，本设计决定采用DS18B20建立温度检测电路。
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3、 电源设计方案
采用单一电源供电，各个部分很可能造成干扰，系统无法正确工作，还可能因为负载过大，电源无法提供足够的工作电流。特别是压机启动瞬间电流很大，而且逆变电路负载电流波动较大会造成电压不稳，有毛刺等干扰，严重时可能造成弱电部分电路掉电。
所以采用双电源，即电源负载驱动电路等强电部分用一个电源，数字电路等弱电部分用一个电源。但是电路间还是可能会产生干扰，造成系统不正常，而且还可能会对单片机的工作产生干扰，影响单片机的正常工作。
最终我们采用多电源供电方式，即对数字电路、驱动电路分别供电，这种方案即降低了系统各个模块间的干扰，还保证了电源能为各部分提供足够的工作电流，提高系统的可靠性。
§1.2 控制系统总体设计
本次设计采用采样值和键盘设定值进行比较运算的方法来简单精确地控制温度。先通过键盘输入设定温度，保存在AT89S52单片机的指定单元中，再利用温度传感器DS18B20进行信号的采集，送入单片机中，保存在采样值单元。然后把采样值与设定值进行比较运算，得出控制量，从而调节继电器触发端的通断，来实现将水温控制在一定的范围内。当水温超出单片机预存温度时，蜂鸣器进行报警。单片机控制系统是一个完整的智能化的集数据采集、显示、处理、控制于一体的系统。由传感器、LED显示单片机及执行机构控制部分等组成。系统结构框图如图1所示：
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图1 系统结构框图
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第2章 硬件设计
§2.1单片机电路
1、简要描述
本设计采用的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上8K字节Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52单片机主要功能特点有：与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；256字节RAM；1000次擦写周期；全静态操作：三级加密程序存储器；32位可编程I/O口线；双数据指针；三个16位定时器/计数器；八个中断源（一个6向量2级中断结构）；全双工UART串行通道；片内晶振及时钟电路；看门狗定时器；掉电标识符；0Hz~33Hz，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，掉电后中断可唤醒。
2、引脚结构
⑴示意图
图2 AT89S52单片机引脚结构示意
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