目录
第一章 前言......................................................................................................... ２
1.1课题的背景及其意义 .............................................................................. ２
1.2课题研究的内容及要求 . .......................................................................... ２
1.3课题的研究方案 . ..................................................................................... ３
第2章 设计理论基础 . ......................................................................................... ６
2.1 AT89C51系列单片机介绍 . ...................................................................... ６
2.2光电耦合器MOC3041 ............................................................................... ７
2.3双向可控硅 ............................................................................................. ７
2.4移位寄存器74LS164 ............................................................................... ８
2.5数码显示管LED . ...................................................................................... ９
2.6数字温度计DS18S20 ............................................................................ １０
2.6.1 DS18S20的主要特性 ................................................................. １０
2.6.2 DS18B20测温原理 . .................................................................... １１
第3章 硬件电路设计 . ...................................................................................... １３
3.1 单片机控制单元 . ................................................................................. １４
3.2 温度采样电路 . ..................................................................................... １４
3.3 显示电路 ............................................................................................. １５
3.3 调节执行单元 . ..................................................................................... １５
第4章 软件设计 .............................................................................................. １７
4.1主程序流程图 ...................................................................................... １７
4.2中断子程序流程图 ............................................................................... １８
4.3按键流程图 .......................................................................................... １９
4.4显示流程图 .......................................................................................... １９
4.5 PID控制算法子程序 ........................................................................... ２０
第5章 系统调试及结论分析 ........................................................................... ２１
5.1硬件调试 .............................................................................................. ２１
5.2软件调试 .............................................................................................. ２１
5.3结论分析 .............................................................................................. ２２
第6章 结束语 . ................................................................................................. ２３ 参考文献 ........................................................................................................... ２４ 致谢 . .................................................................................................................. ２５
摘要：近年来随着计算机技术在社会领域的渗透, 单片机的应用也在不断地的快速发展，同时推动传统控制检测日新月益的更新。在自动控制和实时检测的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部分，仅单片机方面技术是不够的，还应根据具体硬件结构与应用对象特点的软件结合，以作完善。
本论文从主要研究水温的恒温自动控制过程，主要应用AT89C51、DS18B20、LED 数码管、MOC3041、可控硅。通过 DS18B20数字温度传感器采集温度，以单片机为中央控制器进行数据的处理和控制的分析，并通过四位LED 数码管显示实时温度和各种状态值，然后单片机调制出PWM 脉冲，通过PWM 驱动可控硅的通断，实现温度的实时控制。
关键词：单片机系统；传感器；数据采集；模数转换器；温度
ABSTRACT : With the computer technology in recent years, the penetration in the social sphere, SCM applications are constantly rapid development, while promoting traditional control detects the rapidly growing updated. In automatic control and real-time detection of microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core part only of SCM technology is not enough, but also according to the specific characteristics of the hardware structure and application software objects combine to make perfect.
The major research paper from the automatic thermostat temperature control process, the main application AT89C51, DS18B20, LED digital tube, MOC3041, triac. By collecting temperature DS18B20 digital temperature sensor, a microcontroller as the central controller for data processing and control analysis, and through the four LED digital display real-time temperature and various status values, then a single-chip PWM pulse modulated by PWM drive can be silicon-off control, to achieve real-time temperature control.
KEY WORDS : MCU system; sensor; data acquisition; analog-to-digital converter; temperature
第一章 前言
1.1课题的背景及其意义
21世纪是科学技术高速发展的信息时代，电子技术、单片机技术的应用已经是非常广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，在生产生活中需要对各种参数进行温度测量。因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用技术，同时它们在各行各业中也发挥着非常重要的作用。如在日趋发达的工业领域之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。在农业生产中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。
温度值是表征物体冷热程度的一个物理量，温度的测量则是工农和业生产过程中一个很重要也普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品的质量、提高生产的效率、节约能源、安全生产、促进经济的发展起到非常重要的作用。因为温度测量的普遍性，使得温度传感器的数量在各种传感器中居首。并且随着科学技术与生产的不断发展，温度传感器的种类仍然在不断增加和丰富以来满足生产生活中的各种需要。
在单片机温度控制系统中的关键是温度的测量、温度的控制和温度的保持，温度是工业控制对象中主要的被控参数之一。因此，单片机要对温度的测量则是对温度进行有效及准确的测量，并且能够在工业生产中得广泛的应用，尤其在机械制造、电力工程化工生产、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常工作和生活中，也被广泛应用于空调器、电加热器等各种室温测量及工业设备的温度测量。但温度是一个模拟量，需要采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量，才生使用计算机或单片机进行相应的处理。
1.2课题研究的内容及要求
本次毕业设计的题目是基于单片机的恒温控制系统设计。它是多种技术的结合，不仅涉及到软件的技术，而且还将应用电子技术和单片机的应用技术有机结合，其中还涉及自动控制理论；其具有较精度高、测量误差较小、稳定性好等特点。
1．课题的主要研究的内容。
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：
G (s ) =K
T s +1e -τs （1-1）
方案一（见图1-1）
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）
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。
方案三（见图1-3）
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。
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。
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。
ANODE MAIN TERM
CATHOED NC*
NC MAIN 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
电压但控制极不加控制电压时, 可控硅都是不导通, 而阳极与控制极同时被接正上向电压时, 可控硅就会变成导通状态. 可控硅一旦导通, 控制极的电压便失去了对可控硅的控制作用, 这时不论控制极有没有控制电压, 也不论控制极的控制电压的极性是如何, 将会一直保持在导通的状态。要想关断此可控硅, 只有把可控硅阳极电压降到某一临界值或者反向。
双向的可控硅的引脚多数是按T1、T2、G 的顺序从左至右排列(电极引脚向下, 面对有字符的一面时). 加在控制极G 上的触发脉冲的大小或时间改变时, 就能改变其导通电流的大小。
与单向可控硅的区别是, 当双向可控硅G 极上触发脉冲的极性改变时, 其导通方向就随着极性的变化而改变, 从 而能够控制交流电负载. 而单向可控硅经触发后只能从阳极向阴极单方向导通, 所以可控硅有单双向之分。
本设计所使用的可控硅为BTA08，其参数如下：
Tstg ——贮存温度40~125℃
Tj ——结温40~125℃
PGM ——峰值门极功耗 5W
VDRM ——重复峰值断态电压 600V
IT （RMS ）——RMS 通态电流（Ta=89℃） 8A
VGM ——峰值门极电压 10V
IGM ——峰值门极电流 2.0A
ITSM ——浪涌通态电流(一个周期50/60HZ,峰值, 不重复) 80/88A
VISO ——绝缘击穿电压（RMS ，交流1分钟1500V ）
2.4移位寄存器74LS164
因为数码管需要段码和位码，这样就大量的占用了单片机的I/O口，为了使I/O口得到充分的使用，本设计采用74LS164作为段码的选择输出电路，即节省了I/O引脚也省去了LED 的驱动电路，简化了电路的设计和程序的编写，提高个系统的设计效率。
移位寄存器74LS164的引脚如图2-6所示：
图2.2移位寄存器74LS164引脚图
其引脚功能如下：
A 、B —— 串行输入端；
Q0～Q7 —— 并行输出端；
—— 清除端，低电平有效；
CLK —— 时钟脉冲输入端，上升沿有效。
多片74LS164串联，能实现多位LED 静态显示。每扩展一片164就可增加一位显示。MR 接+5V，不清除。但是本设计为了使电路的设计更加简单易于实现，采用了4位一体的共阳极数码管，因此只能实现动态的显示数据。
2.5数码显示管LED
LED 显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也是被广泛运用的。如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED 数码管是一种较好的选择。LED 数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。
LED 数码管作为显示字段的数码型显示器件，它包含若干个发光二极管。当其中某个发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画就会发亮；控制二极管导通在不同的组合，就能显示出各种不同的字符，常用的LED 数码管有7段和“米”字段两种。这种数码管有共阳极与共阴极两种类型。共阴极LED 数码管的发光二极管的阴极端连在一起，一般此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，电流导通，发光二极管被点亮，相应的段被点亮显示。与之类似，共阳极LED 数码管的发光二极管的阳极连接在一起，通常此共阳极接正极的电压，当某
个发光二极管的阴极被接到低电平时，电流导通，发光二极管被点亮，相应的段被点亮显示。本次设计所用的LED 数码管为共阳极的7段数码管。
LED 数码管的使用方式与发光二极管的使用方式相同，根据材料的不同正向压降一般为15～2V ，额定电流为10mA ，最大电流为40mA 。静态显示时取10mA 为宜，动态扫描时显示可加大脉冲电流，但一般不都超过40mA 。
本设计采用的是4位一体的共阳极数码管，数码管的原理图和引脚表示如下图：
图2.3数码显示管LED 引脚图
2.6数字温度计DS18S20
在传统的模拟信号远距离的温度测量系统中，模拟信号很容易受到干扰，而产生测量误差，影响测量的精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效的方案。
DS18B20数字温度传感器，与传统热敏电阻所不同的是，集成在单个芯片，采用单了总线技术，这样能够有效的减小外界的干扰，提高温度测量的精度。同时，它可以直接将被测温度的模拟信号转化成串行数字信号输出供单片机处理，接口简单， 使数据的传输和处理简得到单化。模块功能电路的集成化，使总体硬件电路的设计更加简洁，有的效地降低了成本，使得搭建电路和焊接电路时更容易，调试也更加容易，使得开发的周期大大缩短。
2.6.1 DS18S20的主要特性
1．DS18S20的适应电压范围更宽，其范围为：30-55V ，而且它能够直接由数据线获取电源(寄生电源) ，无需外部工作电源。
2．DS18S20提供了9位摄氏温度测量，具有非易失性、上下触发门限用户可编程的报警功能。
3．DS18S20通过1-Wire总线与中央微处理器通信，仅需要单根数据线(或地线) 。同时，在使用过程中，它不需要任何的外围的元件，全部的传感元件和转换电路都被封装在形状如一只三极管的集成电路内。
4．DS18S20具有-55°C至+125°C的工作温度范围，在-10°C至+85°C温度范围内精度为±05°C。
5．每片DS18S20具有唯一的64位序列码，这些码允许多片DS18S20在同一条1-Wire 总线上工作，因而，可方便地使用单个微处理器控制分布在大范围内的多片DS18S20器件。
6．DS18S20的测量结果直接输出的是数字温度信号，通过“单总线”串行传送给CPU ，同时还可以自动生成及发送CRC 数据校验码，它具有极强的抗干扰和纠错的能力。
7．DS18S20具有负载的特性，当电源因故障或失误极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但是也不会正常的工作。
2.6.2 DS18B20测温原理
图2.4 DS18B20 的内部测温电路框图
低温度系数的晶振的振荡频率在温度变化时受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号，为减法计数器1提供频率稳定的计数脉冲。而高温度系数晶振在温度变化时随温度变化其震荡频率改变明显，是一个对温度很敏感的振荡
器，所产生的脉冲信号作为减法计数器2的脉冲输入信号，为计数器2提供一个频率随温度变化而变化的计数脉冲。图中隐含了计数门，当计数被门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计。计数门的开启的时间是由高温度系数振荡器决定的，在每次测量前，首先将-55℃ 所对应的基数值分别置入减法计数器1和温度寄存器中。减法计数器1对低温度系数晶振产生的固定脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的值从预置值减到0时温度寄存器的值加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的固定脉冲信号进行减法计数，如此循环直到减法计数器2减到0时，此时温度寄存器中的数值即为所测温度值。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。
第3章 硬件电路设计 后控制加热设备实现温度的恒温控制。整体原理图如下。 潍坊学院本科毕业设计（论文） 本设计采用按键作为输入，通过DS18B20数字温度传感器采集温度值，送到主机AT89C51，由主机进行处理并将实际温度的值显示在LED 数码管上，然图3.1基于单片机的恒温控制系统设计的整体原理图
3.1 单片机控制单元
单片机控制电路包含4个按键实现温度和系统设定与控制。包括：“设置”、“加1”，“右移”，“确定”四个按键。其原理图如下。
图3.2单片机控制单元原理图
3.2 温度采样电路
本设计采用DS18B20作为温度传感器，进行温度的检测，测量的到的数字数据可以直接送到单片机进行处理因此省去了信号放大和滤波电路。温度采样电路原理图如下：
图3.3温度采样电路
3.3 显示电路
本设计使用串行的方式显示数据，可节省大量的I/O占用。通过74LS164将串行的数据转成并行的数据并锁存到输出端，其原理图如下图所示：
图3.4显示电路原理图
3.3 调节执行单元
本设计采用实时控制的方法，在主机AT89C51的P2.1口给出PWM 温度控制信号，有光电耦合器MOC3041和可控硅组成驱动电路，MOC3041用于将单片机系统和可控硅电路隔开，避免高电压和强电流对单片机的干扰, 是单片机可以正常的运行，可控硅SCR 的作用就是一个固态触电，使之可以开断加热设别，以实现温度的实时控制。其原理图如下
潍坊学院本科毕业设计（论文） 图3.5调节执行电路原理图
潍坊学院本科毕业设计（论文）
第4章 软件设计
4.1主程序流程图
系统的软件部分由主程序、中断子程序、按键子程序、显示子程序和PID 控制算法子程序图组成。系统的主程序流程图如图4.1，当有系统启动后，主程序启动，根据设定的条件逐步运行，达到设计目的。
图4.1主程序流程图
4.2中断子程序流程图
图4.2为中断子程序的流程图。
图4.2 中断子程序
4.3按键流程图
图4.3为系统的按键流程图。主要是通过按键的输入控制来调节系统的温度，从而实现系统对温度的手动和自动控制。
图4.3 按键流程图
4.4显示流程图
图4.4为系统的显示流程图。主要是通过对测量的温度进行显示，给操作者提供提示。
图4.4 显示流程图
4.5 PID控制算法子程序
采用传统PID 位置式和增量式算法，其特点是结构比较简单，而且实现相对容易，但是其缺点是有超调以及温度上升不够快。
分段式PID 在传统PID 算法的基础上有效的克服积分饱和的问题 解决了系统运行一段时间后可能会会突然急剧升温的问题，同时也能按每部分加热的不同要求而灵活的调整达到较好的调温效果。因此在本设计中采用了PID 控制算法其流程图如下：
图4.5 PID 控制算法子程序流程图
第5章 系统调试及结论分析
单片机应用系统实验板组装好以后，便可进入系统调试，其主要任务是排除存在硬件故障，并完善其硬件的结构，运行所设计的程序，排除程序存在错误，并优化程序结构，使系统达到期望的性能。
5.1硬件调试
单片机系统的硬件和软件调试应是相互进行的，但通常是先排除明显的硬件故障。
1. 开路、短路：由于焊接技术导致的开路、短路等故障。
解决方法：对照原理图用万用表检测, 补焊即可。
2. 元器的件损坏：由于对所使用的元器件不熟悉及制焊接过程中操作不当致使器件损坏。
解决方法：仔细阅读元器件的应用环境, 仔细焊接。
3. 电源故障：上电后造成元器件损坏、无法正常的供电，电路不能正的常工作。电源故障包括：电压值不符合设计要求，电源引出线与插座不对应，各档电源之间短路等。
解决方法：电源必须单独的调试好以后才能加到系统各个部件中。
5.2软件调试
设计软件部分出问题的现象：
1. 以断点或连续方式运行时，目标没有按规定的功能进行操作或什么结果也没有，是由于程序转移到某处死循环所造成的。
解决方法：这类错误的原因是程序中跳转的地址计算错误、堆栈的溢出、工作寄存器的冲突等, 检查各处逻辑, 更改之。
2. 对中断不相应。CPU 不响应中断的现象是连续运行时不执行中断任务程序的规定操作，当断点设在中断入口或中断服务程序中时碰不到断点。
解决方法：更改中断控制寄存器（IE ，IP ）的设置。
3. 结果不准确确。系统基本上可以正常操作，但控制会有误动作或者输出结果不正确。这种错误大多是由于算法错误引起的。错误原因没有查明，没有解决。
5.3结论分析
通过对软件系统和硬件系统的调试，进一步理解了自动控制理论在单片机系统中的应用，特别是自动控制原理在恒温控制中算法分析和应用；同时也发现了些问题，原电路缺乏对温度的实时控制，温度的控制不是很及时快速，不能达到高精度的温度控制；此后加入调节执行的单元，采用实时控制方法，使用PID 算法；在AT89C51的P21口输出PWM 温度的控制信号，由光电耦合器MOC3041和可控硅SCR 组成。光电耦合器MOC3041的作用是将单片机系统与可控硅SCR 的电路隔开，避免在高压过程中干扰信号影响到单片机的运行；可控硅SCR 的作用是相当于一个触点，使之有可以开启或关断电炉，从而控制电炉的通断，从而实现对温度的实时控制。
第6章 结束语
经过三个月的努力，毕业设计以基本完成，这意味着大学生活也要结束了，但我们的学习没有因此而结束；在本次的设计，所学的理论知识接受了实践的检验，增强了运用所学知识的能力及动手的能力，为以后的学习和工作打下了很好的基础。本文以AT89C51单片机为核心，做为控制器件，温度信号通过数字式温度传感器DS18B20采集后直接转换为数字信号，单片机可以直接串行读取；温度的设定采用按键移位式设定方法；温度控制采用ＰＷＭ控制光耦和可控硅实现控制控制加热器效果。软件算法采用分段式PID 的算法，调高可系统的可靠性。在单片机应用的基础上，实现了AT89C51单片机控制传感器的自动化温度监控系统。
目前，测温控温系统快速发展，国外的测量控制系统已经相当成熟，产品也较多。近两年，国内也出现了高精度的温度控制系统产品，但对于用户来说，价格还是偏高。由于竞争的越来越激烈，现在企业发展的趋势是如何提高生产效率，降低生产成本。寻求性能可靠、价格低廉，应用广泛的元器件是生产过程的首先要考虑的问题，因此像本设计这种控制简单、精度较高、价格比较低廉的控制系统将会有很好的发展前景，因此学好单片机技术以及自动自动控制理论是相当重要的。
通过本次的设计，我深深的体会到毕业设计是一个从学习到工作的一个台阶。毕业设计的完成标志着大学生活的结束，在今后的生活中迎接我们的是更多的挑战，但是通过这事毕业设计的学习和磨练，我相信我可以更好的面对这些挑战。在大学里我得到了很好的锻炼，在以后的工作学习中要将学到的知识转换成力量，为自己的梦想而努力。
参考文献
[1] 张毅刚. 单片机原理与应用[M]高等教育出版社2005年1月，第2版：137-156
[2] 曹巧媛主编. 单片机原理与应用 [M] 北京:电子工业出版社,2003
[3] 何民编. 单片机教程[M]北京:北京大学出版社,2000
[4] 金发庆编 传感器技术与应用[M]北京机械工业出版社,2002
[5] 胡寿松. 自动控制原理[M]．北京：国防工业出版社，2000；103—124
[6] 刘伯春. 智能PID 调节器的设计与应用[M]．自动化，1995；(3)：20～25
[7] 周润景，张丽娜. 基于PROTEUS 的电路与单片机系统设计及仿真[M]．北京:航空航天大学出版社 ,2006P321～P326
[8] Microchip 24C01B/02B 8 位PIC单片机产品手册[ED/OL]，http://wwwchuandongcom/publish/data/2007/2/data_14_27926html
[9] 赵娜，赵刚，于珍珠等基于51 单片机的温度测量系统[J] 微计算机信息，2007，1-2：146-148。[10] 周润景，张丽娜．基于PROTEUS 的电路及单片机系统设计与仿真[M]．北京:航空航天大学出版社 ,2006.P321～P326
[11] 王忠飞，胥芳．MCS-51 单片机原理及嵌入式系统应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2007．P268-273
[12] 刘国钧，陈绍业，王凤翥. 图书馆目录. 第1版. 北京：高等教育出版社，1957
[13] 傅承义，陈运泰，祁贵中. 地球物理学基础. 北京：科学出版社，1985，447
[14] Microchip 24C01B/02B 8 位PIC单片机产品手册[ED/OL]，http://www.chuandong.com/publish/data/2007/2/data_14_27926.html.
[15] 赵娜，赵刚，于珍珠等. 基于51 单片机的温度测量系统[J]. 微计算机信息，2007，1-2：146-148。
致谢 转眼间，四年的大学生活即将结束，紧接着人生新的旅途将要马上启程。在这四年的求学生涯中，我敬爱老师、同学给与了我很大支持和帮助。特别的感谢我的老师，或许我不是您们的最优秀的学生，而您们却一直是我最敬重的老师。大学时代的老师学识渊博，思想深邃，视野雄阔，给我营造了非常好的精神氛围；置身在其间，则耳濡而目染，便潜移而默化，这使我不仅接受到了新的思想观念，而且树立了正确而宏伟的学术目标，领会了对与知识和走向社会的正确的思考方式。
在这里尤其要感谢王学军老师，在论文准备和写作过程中给予了大量的指导和帮助, 感谢您对我的悉心点拨，使得我可以及时高质量的完成本次的毕业的设计任务。感谢我的同学在我遇到困境时伸出援助之手；在这论文设计即将完成之际，我的心情非常激动，从开始进入课题到现在论文的顺利完成，有多少可敬的老师、同学、朋友给了我帮助，在这里请接受我最诚挚谢意！
目录
第一章 前言......................................................................................................... ２
1.1课题的背景及其意义 .............................................................................. ２
1.2课题研究的内容及要求 . .......................................................................... ２
1.3课题的研究方案 . ..................................................................................... ３
第2章 设计理论基础 . ......................................................................................... ６
2.1 AT89C51系列单片机介绍 . ...................................................................... ６
2.2光电耦合器MOC3041 ............................................................................... ７
2.3双向可控硅 ............................................................................................. ７
2.4移位寄存器74LS164 ............................................................................... ８
2.5数码显示管LED . ...................................................................................... ９
2.6数字温度计DS18S20 ............................................................................ １０
2.6.1 DS18S20的主要特性 ................................................................. １０
2.6.2 DS18B20测温原理 . .................................................................... １１
第3章 硬件电路设计 . ...................................................................................... １３
3.1 单片机控制单元 . ................................................................................. １４
3.2 温度采样电路 . ..................................................................................... １４
3.3 显示电路 ............................................................................................. １５
3.3 调节执行单元 . ..................................................................................... １５
第4章 软件设计 .............................................................................................. １７
4.1主程序流程图 ...................................................................................... １７
4.2中断子程序流程图 ............................................................................... １８
4.3按键流程图 .......................................................................................... １９
4.4显示流程图 .......................................................................................... １９
4.5 PID控制算法子程序 ........................................................................... ２０
第5章 系统调试及结论分析 ........................................................................... ２１
5.1硬件调试 .............................................................................................. ２１
5.2软件调试 .............................................................................................. ２１
5.3结论分析 .............................................................................................. ２２
第6章 结束语 . ................................................................................................. ２３ 参考文献 ........................................................................................................... ２４ 致谢 . .................................................................................................................. ２５
摘要：近年来随着计算机技术在社会领域的渗透, 单片机的应用也在不断地的快速发展，同时推动传统控制检测日新月益的更新。在自动控制和实时检测的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部分，仅单片机方面技术是不够的，还应根据具体硬件结构与应用对象特点的软件结合，以作完善。
本论文从主要研究水温的恒温自动控制过程，主要应用AT89C51、DS18B20、LED 数码管、MOC3041、可控硅。通过 DS18B20数字温度传感器采集温度，以单片机为中央控制器进行数据的处理和控制的分析，并通过四位LED 数码管显示实时温度和各种状态值，然后单片机调制出PWM 脉冲，通过PWM 驱动可控硅的通断，实现温度的实时控制。
关键词：单片机系统；传感器；数据采集；模数转换器；温度
ABSTRACT : With the computer technology in recent years, the penetration in the social sphere, SCM applications are constantly rapid development, while promoting traditional control detects the rapidly growing updated. In automatic control and real-time detection of microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core part only of SCM technology is not enough, but also according to the specific characteristics of the hardware structure and application software objects combine to make perfect.
The major research paper from the automatic thermostat temperature control process, the main application AT89C51, DS18B20, LED digital tube, MOC3041, triac. By collecting temperature DS18B20 digital temperature sensor, a microcontroller as the central controller for data processing and control analysis, and through the four LED digital display real-time temperature and various status values, then a single-chip PWM pulse modulated by PWM drive can be silicon-off control, to achieve real-time temperature control.
KEY WORDS : MCU system; sensor; data acquisition; analog-to-digital converter; temperature
第一章 前言
1.1课题的背景及其意义
21世纪是科学技术高速发展的信息时代，电子技术、单片机技术的应用已经是非常广泛，伴随着科学技术和生产的不断发展，在生产生活中需要对各种参数进行温度测量。因此温度一词在生产生活之中出现的频率日益增多，与之相对应的，温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用技术，同时它们在各行各业中也发挥着非常重要的作用。如在日趋发达的工业领域之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。在农业生产中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。
温度值是表征物体冷热程度的一个物理量，温度的测量则是工农和业生产过程中一个很重要也普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品的质量、提高生产的效率、节约能源、安全生产、促进经济的发展起到非常重要的作用。因为温度测量的普遍性，使得温度传感器的数量在各种传感器中居首。并且随着科学技术与生产的不断发展，温度传感器的种类仍然在不断增加和丰富以来满足生产生活中的各种需要。
在单片机温度控制系统中的关键是温度的测量、温度的控制和温度的保持，温度是工业控制对象中主要的被控参数之一。因此，单片机要对温度的测量则是对温度进行有效及准确的测量，并且能够在工业生产中得广泛的应用，尤其在机械制造、电力工程化工生产、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常工作和生活中，也被广泛应用于空调器、电加热器等各种室温测量及工业设备的温度测量。但温度是一个模拟量，需要采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量，才生使用计算机或单片机进行相应的处理。
1.2课题研究的内容及要求
本次毕业设计的题目是基于单片机的恒温控制系统设计。它是多种技术的结合，不仅涉及到软件的技术，而且还将应用电子技术和单片机的应用技术有机结合，其中还涉及自动控制理论；其具有较精度高、测量误差较小、稳定性好等特点。
1．课题的主要研究的内容。
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：
G (s ) =K
T s +1e -τs （1-1）
方案一（见图1-1）
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）
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。
方案三（见图1-3）
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。
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。
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。
ANODE MAIN TERM
CATHOED NC*
NC MAIN 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
电压但控制极不加控制电压时, 可控硅都是不导通, 而阳极与控制极同时被接正上向电压时, 可控硅就会变成导通状态. 可控硅一旦导通, 控制极的电压便失去了对可控硅的控制作用, 这时不论控制极有没有控制电压, 也不论控制极的控制电压的极性是如何, 将会一直保持在导通的状态。要想关断此可控硅, 只有把可控硅阳极电压降到某一临界值或者反向。
双向的可控硅的引脚多数是按T1、T2、G 的顺序从左至右排列(电极引脚向下, 面对有字符的一面时). 加在控制极G 上的触发脉冲的大小或时间改变时, 就能改变其导通电流的大小。
与单向可控硅的区别是, 当双向可控硅G 极上触发脉冲的极性改变时, 其导通方向就随着极性的变化而改变, 从 而能够控制交流电负载. 而单向可控硅经触发后只能从阳极向阴极单方向导通, 所以可控硅有单双向之分。
本设计所使用的可控硅为BTA08，其参数如下：
Tstg ——贮存温度40~125℃
Tj ——结温40~125℃
PGM ——峰值门极功耗 5W
VDRM ——重复峰值断态电压 600V
IT （RMS ）——RMS 通态电流（Ta=89℃） 8A
VGM ——峰值门极电压 10V
IGM ——峰值门极电流 2.0A
ITSM ——浪涌通态电流(一个周期50/60HZ,峰值, 不重复) 80/88A
VISO ——绝缘击穿电压（RMS ，交流1分钟1500V ）
2.4移位寄存器74LS164
因为数码管需要段码和位码，这样就大量的占用了单片机的I/O口，为了使I/O口得到充分的使用，本设计采用74LS164作为段码的选择输出电路，即节省了I/O引脚也省去了LED 的驱动电路，简化了电路的设计和程序的编写，提高个系统的设计效率。
移位寄存器74LS164的引脚如图2-6所示：
图2.2移位寄存器74LS164引脚图
其引脚功能如下：
A 、B —— 串行输入端；
Q0～Q7 —— 并行输出端；
—— 清除端，低电平有效；
CLK —— 时钟脉冲输入端，上升沿有效。
多片74LS164串联，能实现多位LED 静态显示。每扩展一片164就可增加一位显示。MR 接+5V，不清除。但是本设计为了使电路的设计更加简单易于实现，采用了4位一体的共阳极数码管，因此只能实现动态的显示数据。
2.5数码显示管LED
LED 显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也是被广泛运用的。如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED 数码管是一种较好的选择。LED 数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。
LED 数码管作为显示字段的数码型显示器件，它包含若干个发光二极管。当其中某个发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画就会发亮；控制二极管导通在不同的组合，就能显示出各种不同的字符，常用的LED 数码管有7段和“米”字段两种。这种数码管有共阳极与共阴极两种类型。共阴极LED 数码管的发光二极管的阴极端连在一起，一般此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，电流导通，发光二极管被点亮，相应的段被点亮显示。与之类似，共阳极LED 数码管的发光二极管的阳极连接在一起，通常此共阳极接正极的电压，当某
个发光二极管的阴极被接到低电平时，电流导通，发光二极管被点亮，相应的段被点亮显示。本次设计所用的LED 数码管为共阳极的7段数码管。
LED 数码管的使用方式与发光二极管的使用方式相同，根据材料的不同正向压降一般为15～2V ，额定电流为10mA ，最大电流为40mA 。静态显示时取10mA 为宜，动态扫描时显示可加大脉冲电流，但一般不都超过40mA 。
本设计采用的是4位一体的共阳极数码管，数码管的原理图和引脚表示如下图：
图2.3数码显示管LED 引脚图
2.6数字温度计DS18S20
在传统的模拟信号远距离的温度测量系统中，模拟信号很容易受到干扰，而产生测量误差，影响测量的精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力较强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效的方案。
DS18B20数字温度传感器，与传统热敏电阻所不同的是，集成在单个芯片，采用单了总线技术，这样能够有效的减小外界的干扰，提高温度测量的精度。同时，它可以直接将被测温度的模拟信号转化成串行数字信号输出供单片机处理，接口简单， 使数据的传输和处理简得到单化。模块功能电路的集成化，使总体硬件电路的设计更加简洁，有的效地降低了成本，使得搭建电路和焊接电路时更容易，调试也更加容易，使得开发的周期大大缩短。
2.6.1 DS18S20的主要特性
1．DS18S20的适应电压范围更宽，其范围为：30-55V ，而且它能够直接由数据线获取电源(寄生电源) ，无需外部工作电源。
2．DS18S20提供了9位摄氏温度测量，具有非易失性、上下触发门限用户可编程的报警功能。
3．DS18S20通过1-Wire总线与中央微处理器通信，仅需要单根数据线(或地线) 。同时，在使用过程中，它不需要任何的外围的元件，全部的传感元件和转换电路都被封装在形状如一只三极管的集成电路内。
4．DS18S20具有-55°C至+125°C的工作温度范围，在-10°C至+85°C温度范围内精度为±05°C。
5．每片DS18S20具有唯一的64位序列码，这些码允许多片DS18S20在同一条1-Wire 总线上工作，因而，可方便地使用单个微处理器控制分布在大范围内的多片DS18S20器件。
6．DS18S20的测量结果直接输出的是数字温度信号，通过“单总线”串行传送给CPU ，同时还可以自动生成及发送CRC 数据校验码，它具有极强的抗干扰和纠错的能力。
7．DS18S20具有负载的特性，当电源因故障或失误极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但是也不会正常的工作。
2.6.2 DS18B20测温原理
图2.4 DS18B20 的内部测温电路框图
低温度系数的晶振的振荡频率在温度变化时受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号，为减法计数器1提供频率稳定的计数脉冲。而高温度系数晶振在温度变化时随温度变化其震荡频率改变明显，是一个对温度很敏感的振荡
器，所产生的脉冲信号作为减法计数器2的脉冲输入信号，为计数器2提供一个频率随温度变化而变化的计数脉冲。图中隐含了计数门，当计数被门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计。计数门的开启的时间是由高温度系数振荡器决定的，在每次测量前，首先将-55℃ 所对应的基数值分别置入减法计数器1和温度寄存器中。减法计数器1对低温度系数晶振产生的固定脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的值从预置值减到0时温度寄存器的值加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的固定脉冲信号进行减法计数，如此循环直到减法计数器2减到0时，此时温度寄存器中的数值即为所测温度值。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。
第3章 硬件电路设计 后控制加热设备实现温度的恒温控制。整体原理图如下。 潍坊学院本科毕业设计（论文） 本设计采用按键作为输入，通过DS18B20数字温度传感器采集温度值，送到主机AT89C51，由主机进行处理并将实际温度的值显示在LED 数码管上，然图3.1基于单片机的恒温控制系统设计的整体原理图
3.1 单片机控制单元
单片机控制电路包含4个按键实现温度和系统设定与控制。包括：“设置”、“加1”，“右移”，“确定”四个按键。其原理图如下。
图3.2单片机控制单元原理图
3.2 温度采样电路
本设计采用DS18B20作为温度传感器，进行温度的检测，测量的到的数字数据可以直接送到单片机进行处理因此省去了信号放大和滤波电路。温度采样电路原理图如下：
图3.3温度采样电路
3.3 显示电路
本设计使用串行的方式显示数据，可节省大量的I/O占用。通过74LS164将串行的数据转成并行的数据并锁存到输出端，其原理图如下图所示：
图3.4显示电路原理图
3.3 调节执行单元
本设计采用实时控制的方法，在主机AT89C51的P2.1口给出PWM 温度控制信号，有光电耦合器MOC3041和可控硅组成驱动电路，MOC3041用于将单片机系统和可控硅电路隔开，避免高电压和强电流对单片机的干扰, 是单片机可以正常的运行，可控硅SCR 的作用就是一个固态触电，使之可以开断加热设别，以实现温度的实时控制。其原理图如下
潍坊学院本科毕业设计（论文） 图3.5调节执行电路原理图
潍坊学院本科毕业设计（论文）
第4章 软件设计
4.1主程序流程图
系统的软件部分由主程序、中断子程序、按键子程序、显示子程序和PID 控制算法子程序图组成。系统的主程序流程图如图4.1，当有系统启动后，主程序启动，根据设定的条件逐步运行，达到设计目的。
图4.1主程序流程图
4.2中断子程序流程图
图4.2为中断子程序的流程图。
图4.2 中断子程序
4.3按键流程图
图4.3为系统的按键流程图。主要是通过按键的输入控制来调节系统的温度，从而实现系统对温度的手动和自动控制。
图4.3 按键流程图
4.4显示流程图
图4.4为系统的显示流程图。主要是通过对测量的温度进行显示，给操作者提供提示。
图4.4 显示流程图
4.5 PID控制算法子程序
采用传统PID 位置式和增量式算法，其特点是结构比较简单，而且实现相对容易，但是其缺点是有超调以及温度上升不够快。
分段式PID 在传统PID 算法的基础上有效的克服积分饱和的问题 解决了系统运行一段时间后可能会会突然急剧升温的问题，同时也能按每部分加热的不同要求而灵活的调整达到较好的调温效果。因此在本设计中采用了PID 控制算法其流程图如下：
图4.5 PID 控制算法子程序流程图
第5章 系统调试及结论分析
单片机应用系统实验板组装好以后，便可进入系统调试，其主要任务是排除存在硬件故障，并完善其硬件的结构，运行所设计的程序，排除程序存在错误，并优化程序结构，使系统达到期望的性能。
5.1硬件调试
单片机系统的硬件和软件调试应是相互进行的，但通常是先排除明显的硬件故障。
1. 开路、短路：由于焊接技术导致的开路、短路等故障。
解决方法：对照原理图用万用表检测, 补焊即可。
2. 元器的件损坏：由于对所使用的元器件不熟悉及制焊接过程中操作不当致使器件损坏。
解决方法：仔细阅读元器件的应用环境, 仔细焊接。
3. 电源故障：上电后造成元器件损坏、无法正常的供电，电路不能正的常工作。电源故障包括：电压值不符合设计要求，电源引出线与插座不对应，各档电源之间短路等。
解决方法：电源必须单独的调试好以后才能加到系统各个部件中。
5.2软件调试
设计软件部分出问题的现象：
1. 以断点或连续方式运行时，目标没有按规定的功能进行操作或什么结果也没有，是由于程序转移到某处死循环所造成的。
解决方法：这类错误的原因是程序中跳转的地址计算错误、堆栈的溢出、工作寄存器的冲突等, 检查各处逻辑, 更改之。
2. 对中断不相应。CPU 不响应中断的现象是连续运行时不执行中断任务程序的规定操作，当断点设在中断入口或中断服务程序中时碰不到断点。
解决方法：更改中断控制寄存器（IE ，IP ）的设置。
3. 结果不准确确。系统基本上可以正常操作，但控制会有误动作或者输出结果不正确。这种错误大多是由于算法错误引起的。错误原因没有查明，没有解决。
5.3结论分析
通过对软件系统和硬件系统的调试，进一步理解了自动控制理论在单片机系统中的应用，特别是自动控制原理在恒温控制中算法分析和应用；同时也发现了些问题，原电路缺乏对温度的实时控制，温度的控制不是很及时快速，不能达到高精度的温度控制；此后加入调节执行的单元，采用实时控制方法，使用PID 算法；在AT89C51的P21口输出PWM 温度的控制信号，由光电耦合器MOC3041和可控硅SCR 组成。光电耦合器MOC3041的作用是将单片机系统与可控硅SCR 的电路隔开，避免在高压过程中干扰信号影响到单片机的运行；可控硅SCR 的作用是相当于一个触点，使之有可以开启或关断电炉，从而控制电炉的通断，从而实现对温度的实时控制。
第6章 结束语
经过三个月的努力，毕业设计以基本完成，这意味着大学生活也要结束了，但我们的学习没有因此而结束；在本次的设计，所学的理论知识接受了实践的检验，增强了运用所学知识的能力及动手的能力，为以后的学习和工作打下了很好的基础。本文以AT89C51单片机为核心，做为控制器件，温度信号通过数字式温度传感器DS18B20采集后直接转换为数字信号，单片机可以直接串行读取；温度的设定采用按键移位式设定方法；温度控制采用ＰＷＭ控制光耦和可控硅实现控制控制加热器效果。软件算法采用分段式PID 的算法，调高可系统的可靠性。在单片机应用的基础上，实现了AT89C51单片机控制传感器的自动化温度监控系统。
目前，测温控温系统快速发展，国外的测量控制系统已经相当成熟，产品也较多。近两年，国内也出现了高精度的温度控制系统产品，但对于用户来说，价格还是偏高。由于竞争的越来越激烈，现在企业发展的趋势是如何提高生产效率，降低生产成本。寻求性能可靠、价格低廉，应用广泛的元器件是生产过程的首先要考虑的问题，因此像本设计这种控制简单、精度较高、价格比较低廉的控制系统将会有很好的发展前景，因此学好单片机技术以及自动自动控制理论是相当重要的。
通过本次的设计，我深深的体会到毕业设计是一个从学习到工作的一个台阶。毕业设计的完成标志着大学生活的结束，在今后的生活中迎接我们的是更多的挑战，但是通过这事毕业设计的学习和磨练，我相信我可以更好的面对这些挑战。在大学里我得到了很好的锻炼，在以后的工作学习中要将学到的知识转换成力量，为自己的梦想而努力。
参考文献
[1] 张毅刚. 单片机原理与应用[M]高等教育出版社2005年1月，第2版：137-156
[2] 曹巧媛主编. 单片机原理与应用 [M] 北京:电子工业出版社,2003
[3] 何民编. 单片机教程[M]北京:北京大学出版社,2000
[4] 金发庆编 传感器技术与应用[M]北京机械工业出版社,2002
[5] 胡寿松. 自动控制原理[M]．北京：国防工业出版社，2000；103—124
[6] 刘伯春. 智能PID 调节器的设计与应用[M]．自动化，1995；(3)：20～25
[7] 周润景，张丽娜. 基于PROTEUS 的电路与单片机系统设计及仿真[M]．北京:航空航天大学出版社 ,2006P321～P326
[8] Microchip 24C01B/02B 8 位PIC单片机产品手册[ED/OL]，http://wwwchuandongcom/publish/data/2007/2/data_14_27926html
[9] 赵娜，赵刚，于珍珠等基于51 单片机的温度测量系统[J] 微计算机信息，2007，1-2：146-148。[10] 周润景，张丽娜．基于PROTEUS 的电路及单片机系统设计与仿真[M]．北京:航空航天大学出版社 ,2006.P321～P326
[11] 王忠飞，胥芳．MCS-51 单片机原理及嵌入式系统应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2007．P268-273
[12] 刘国钧，陈绍业，王凤翥. 图书馆目录. 第1版. 北京：高等教育出版社，1957
[13] 傅承义，陈运泰，祁贵中. 地球物理学基础. 北京：科学出版社，1985，447
[14] Microchip 24C01B/02B 8 位PIC单片机产品手册[ED/OL]，http://www.chuandong.com/publish/data/2007/2/data_14_27926.html.
[15] 赵娜，赵刚，于珍珠等. 基于51 单片机的温度测量系统[J]. 微计算机信息，2007，1-2：146-148。
致谢 转眼间，四年的大学生活即将结束，紧接着人生新的旅途将要马上启程。在这四年的求学生涯中，我敬爱老师、同学给与了我很大支持和帮助。特别的感谢我的老师，或许我不是您们的最优秀的学生，而您们却一直是我最敬重的老师。大学时代的老师学识渊博，思想深邃，视野雄阔，给我营造了非常好的精神氛围；置身在其间，则耳濡而目染，便潜移而默化，这使我不仅接受到了新的思想观念，而且树立了正确而宏伟的学术目标，领会了对与知识和走向社会的正确的思考方式。
在这里尤其要感谢王学军老师，在论文准备和写作过程中给予了大量的指导和帮助, 感谢您对我的悉心点拨，使得我可以及时高质量的完成本次的毕业的设计任务。感谢我的同学在我遇到困境时伸出援助之手；在这论文设计即将完成之际，我的心情非常激动，从开始进入课题到现在论文的顺利完成，有多少可敬的老师、同学、朋友给了我帮助，在这里请接受我最诚挚谢意！