基于单片机的智能温度控制系统
摘要
温度是生产生活中常见的指标，同时也是生产生活中重要的影响因素，直接关系着生产效率，生产安全，生活质量。因此我们常常通过来控制温度来达到各种目的。让温度在期望值范围波动，对于不同的超温或者差温做出适合的动作。智能控制系统是某些具有仿人智能的工程控制和信息处理系统。智能可定义为:能有效的获取、传递、处理、再生和利用信息，从而在任意给定的环境下成功的达到目的。智能温度控制系统就是在无人的情况下根据设定情况对外界温度信息做出及时的合理的决策并且显示当前温度与设定温度。
本设计介绍了以高性能cmos8位机AT89S51单片机为核心的温度控制系统。温度信号由温度传感器DS18B20采集，并反馈给单片机，然后通过单片机发出信号控制之流电机转向转速。文中介绍了该控制系统的硬件部分包括：温度检测电路、PWM控制电路、LCD显示电路和一些接口电路。单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度控制的目的。文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：LCD显示程序、键盘扫描及按键处理程序、驱动控制电机程序。
关键词：AT89C51 温度传感器智能控制直流电机
Abstract
The temperature is a common index in production and living, meanwhile it also has a important influence on production and living, directly impacts the production efficiency, production safety and quality of life. To achieve different aims, we often do it by controlling the temperature to achieve. Let the temperature fluctuate around expectations, appropriate action will be taken when it is beyond or below the set value. Intelligent control system is a certain engineering of human-simulated intelligent control and information processing systems. Intelligence can be defined as: effective acquisition, transmission, processing, regeneration, and the use of information, so as to succeed in any given environment achieving goals. Intelligent temperature control system will make timely and reasonable decision and display the current temperature and setting temperature according to the outside and set temperature, in the absence of person
This design introduces a kind of temperature control system based on high performance cmos8 SCM AT89S51. Temperature signal will be acquisited by temperature sensor DS18B20, and feedback to the SCM, then the SCM will send a signal to control the motor speed and direction. This paper introduces the hardware part of the control system,including: temperature detection circuit, PWM control circuit, LCD display circuit and etc.SCM the is going to achieve the purpose of temperature control through processing signal. The paper also introduces the software design part, here using the modular structure, main modules include: LCD display program, keyboard scanning and processing program, drive motor control.
Key words：AT89C51 Temperatue sensor Intelligent control DC-motor
目录
摘要 .................................................................................................................................. I Abstract .............................................................................................................................. II 目录 ................................................................................................................................ I II 第1章绪论 (1)
1.1 系统背景 (1)
1.2 系统来源及现状 (1)
1.2.1 系统来源 (1)
1.2.2 温度控制的国内外现状 (2)
1.3 温度控制技术发展的趋势 (3)
1.4 本章小结 (4)
第2章系统方案设计论证 (5)
2.1 系统设计的主要要求及技术指标 (5)
2.2 系统的总体方案设计和工作原理简述 (5)
2.2.1 系统总体方案设计 (5)
2.2.2 系统工作原理简述 (6)
第3章系统硬件设计 (7)
3.1系统模块电路组成 (7)
3.2温度采集电路设计 (7)
3.2.1温度传感器方案论证 (7)
3.2.2 DS18B20的内部机构 (8)
3.2. 3 DS18B20的电路连接 (11)
3.3 设定按键电路设计 (12)
3.3.1 设定按键原理及技术特点 (12)
3.3.3设定按键的电路连接 (13)
3.4单片机选型 (14)
3.5单片机最小系统设计 (16)
3.5.1 时钟电路 (17)
3.5.2 复位电路 (17)
3.6控制电路设计 (19)
3.6.1 直流驱动器选型 (19)
3.6.2 直流电动机调节方案论证 (21)
3.7 温度显示电路 (22)
3.7.1液晶显示器 (22)
3.7.2液晶显示电路的连接 (23)
3.8电源电路设计 (24)
3.8.1 5V开关电源稳压器电路 (24)
3.8.2 其他电源稳压器电路 (24)
3.9 本章小结 (25)
第4章系统软件设计 (26)
4.1 主程序设计 (26)
4.2 各部分子程序 (28)
4.2.1 温度采集模块 (28)
4.2.2 设定控制温度模块 (29)
4.2.3电机转向设计 (30)
4.2.4 电机转速设计 (30)
4.3 LCD显示模块 (31)
4.4 本章小结 (32)
第5章系统调试 (33)
5.1 单片机调试工具 (33)
5.2软件调试 (34)
5.3本章小结 (35)
第6章结论 (36)
致谢 (37)
参考文献 (38)
附录 A (39)
附录 B (40)
附录 C (48)
附录 D (49)
第1章绪论
第1章绪论
1.1 系统背景
温度是控制系统中的重要参数，在很多工作环境下要求温度能控制在一定范围，以保障器械的稳定运行，人员的舒适程度，生产的温度要求。不同的场合对温度控制的要求亦各不相同，例如在一些大众场合，对温度控制的精度要求并非很高，只要维持在一定范围即可，而在一些特殊场合，例如锅炉的反应，农业保温箱，发酵过程控制。对温度的控制精度要求比较高，温度稍有偏差，及要求做出相应的动作。诸如此类，生活中几乎处处充满着温度控制的例子，我们的家庭中使用空调来到达冬暖夏凉的效果，我们的农场里通过温度控制达到恒温保产的效果。
所谓智能控制系统即在某些场合能够具智能的工程控制和信息处理系统，它与各类精密的传感器的发展紧密联系。智能控制是一门新兴的交叉前沿学科，它具有非常宽广的应用领域。我们可以这么认为智能:能够有效的获取信息、解决和分析决策并且能够自主的处理问题，从而在任意给定的环境下成功的达到目的的能力。它的应用范围远比控制理论广泛，如包括判断、理解、推理、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解等。智能控制系统在温度控制系统中的应用提高了人力的投入，能及时的对环境温度的变化做出相应的决策。智能温度控制系统就是在无人的情况下根据设定情况对外界温度信息做出及时的合理的决策并且显示当前温度与设定温度。
1.2 系统来源及现状
1.2.1 系统来源
温度控制系统广泛应用于工业生产和社会生活的各个领域,如家电中的温度控制,大学中我第一次做的课程设计是脉冲调频调宽，后来的科研实践中初次尝试PWM调速，这次在阅读了一些文献与参考资料之后，准备在以往的基础上继续加深加入更多的东西，通过简单的模拟达到日后更加深入的学习。
温度控制的过程包括1测量温度，2将测量值与设定温度进行比较，3通过变化值做出相应的动作。对于获取温度的传感器，我们简称其温度传感器即能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。其种类也比较多，主要有接触式温度传感器和非接触式传感器，热电阻和热电偶等等。但这次选用DS18B20, 因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。我采用5V直流电机来进行模拟，众所周知，直流电机即可正转有可反转，并且可以通过PWM调速。对于此次的设计具有较强的直观性的模拟。我们用正转来代表空气压缩，即代表制冷，对于不同的正温差，电机的转速将不同。我们用反转来代表制热，对于不同的负温差，电机的转速也将不同。这样我们就在主观形式上进行了比较贴近的模
拟，在客观实际中也是合理可行的。
1.2.2 温度控制的国内外现状
温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：1定值开关法，2 PID线性温度控制法，3智能温度控制法。
生活中我们与温度控制可以说紧密相连，其中空调便是我们常见的东西，空调也称作空气调节器，是通过设定温度与工作模式，采集周围的温度，然后判断是否应该全速或者半速压缩空气制冷或者吹热风。可以说这是此次本设计的灵感来源之一。
智能温度控制系统的发展历史：
1971年，著名的美籍华裔科学家傅京孙教授最早公开指出了一个崭新的研究领域，并提出了相应的概念，这就是智能控制系统（Intelligent Control Systems）。
1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会，智能控制原理和智能控制系统结构这一提法成为这次会议的主要议题。
在过去的20多年里，智能控制理论发展迅猛，出现了大量新颖的控制理论。
国内外实例：
甘肃大学的赵紫静研究了一种基于PID温度控制技术的X射线发生器。这种发生器需要将其精度控制在±0.5℃左右，才能保证器件输出的X射线波长不发生超出要求的飘移，否则，X射线波长的超范围飘移将使整个设备难以正常使。
武汉科技大学信息科学与工程学院的贾静云等将模糊PID温度控制技术运用在烟气加热炉炉温控制系统中，使得烟气加热炉的运行状况和维护条件得到了明显的改善，提高了喷煤比和设备开机率，降低了能耗和设备故障次数，很大程度地提高了生产效率。
在智能温度控的分支下，目前，国内在温室自动控制方面的研究已经实现了在一定面积内对各种环境因子的综合控制。1996 年，江苏理工大学研制成功了一套温室环境控制设备，通过对温室内部温度、湿度、光照及CO2浓度的监控，在150m2 温室内实现了温度、湿度、光照、CO2 浓度的综合控制
英国的Hamid等将PID控制器应用到冰箱的温度控制中，通过使用MATLAB/Simulink软件仿真和误差分析图的方式与传统的ON-OFF控制做了细致的比较。结果表明，PID控制无论是在精度和控制性能方面都优于ON-OFF控制。日本Komatsu Electronics公司的Kazuhiro Mimura对基于PID控制与现代控制理论相结合的离子化热水器温度控制开展了研究，结果证明这样的温度控制方法能够使用比传统控制系统更少的温度传感器，进而降低成本，提高了公司效益。
第1章绪论
1.3 温度控制技术发展的趋势
目前，我国在恒温控制技术这方面总体处于发达国家20世纪80年代中后期的水平，但是我们也有成熟的产品，主要在“点位”控制及常规的PID控制其上，不过它只能适应一般的温度控制系统，难于控制滞后、复杂、时变的温控系统。在较高端的智能控制方面还比较欠缺。因此，我国总体在智能温度控制方面或者器械上仍与国外有较大差别。
除此之外，温度控制系统在各种场合出现频率越来越高。在室内，最具典型代表的便是空调，变频——变频空调自身省电、舒适的特性，令其日益受到华南消费者的喜爱在空调能效升级导致定速空调节能补贴大幅减少的背景下，变频空调销量出现成倍增长，品牌结构也发生了巨大变化。一线品牌纷纷领军变频空调领域，美的、格力、海信、志高、奥克斯等表现突出。
在室外，温度控制广泛用于农业和工业。其他任何行业相比，温度对于农业更加重对粮食生产、粮食安全、生计来源有着重要作用，正是由于温度控制系统在农业中的发展让我们能够在冬天依然能够平常到美味的西瓜。更多的产品在不可能的季节将出现，反季食品将不再稀奇。在养殖上，控制恒温，让生产效率得到提高，农产品的生产周期大大缩短，农产品的种类更加丰富。
温度控制在未来，形式将更加多变，将与更多的东西结合。例如1PID控制；2神经网络控制（人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术,是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法）；3模糊控制（模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法,主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。）4模糊控制与PID结合5模糊控制与神经网络结合6模糊控制、神经网络、遗传算法三者结合
1.4 本章小结
本课题在研究分析了什么事温度控制，为什么要进行温度控制，简介了温度控制的实例，研究意义、以及国内温度控制系统的现状。在此基础上，对器件的选择、单片机控制，驱动电机正反转及原理进行设计；通过分析对比，设计出了一种简单易行的控制系统。使我们所要看到的东西，所想达到的功能得到显而易见却又不太失真的效果。
本课题研究的温度控制系统，采用温度传感器、LCD显示器、温度设定按键键盘、PWM调速等技术对模拟控制器直流电机的正反转以及转速进行了调节，对于时时温度能够清楚的体现，对于设定温度应灵活可变，这样才能达到调节控制的目的。使得此设计进一步的完善，更加合理。为日后的进一步研究做良好的铺垫。
第2章系统方案设计论证
第2章系统方案设计论证
2.1 系统设计的主要要求及技术指标
本设计要求用大学所学知识，计一种基于单片机的温度控制系统与之前个人的课程设计经历，将更多的要求指标，实现较完整较温度控制系统。这个系统中包含温度显示模块，直流电机驱动模块，温度传感器模块以及设定键盘模块。本课题设利用温度传感器DS18B20将数据返回显示当前温度和设定温度，将采集到的温度的值与初始值比较，这个初始值有软件设定，但是设定的值可加可减，其中加减有“加”键和“减”键控制。对于不同的温差，充当模拟装置的电机做出不同的反应。直流电机在比较值的正负1度不转，高于比较值2度时缓慢正转，高于比较值4度时半速正转，高于比较值6度时全速正转，低于比较值2度时缓慢反转，低于比较值4度时半速反转，低于比较值六度时，全速反转。
随着自动化控制以及计算机管理系统的日益广泛以及单片机技术的发展，采用小型化，精确化，价格更加低廉的产品作出的产品无疑将更加适应市场。这次的课程设计的技术特点主要如下，采用高性能的单片机AT89C51，它有4个8位并行I/O接口（P0—P3），两个16位的定时器/计数器，五个中断源、两个优先级的中断控制系统，可寻址片外64KB的RAM；温度传感器是内部集成数模转换的DS18B20可到达最高12 位分辨率，精度可达土0.5摄氏度，检测温度范围为–55℃～+125℃，本设计通过AT89C51 单片机驱动数字温度传感器DS18B20，进行温度数据采集、读取、处理，并通过LCD显示出来。整个系统具有灵活操控性，可以有不同的温度比较值，仪器界面友好、开放、灵活、直观、模拟性强、操作简单；仪器界面根据需要自由定义和制造；充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理能力；控制迅速、准确、精度高、范围广，且硬件电路设计简单；研制周期短，具有良好的性价比
2.2 系统的总体方案设计和工作原理简述
2.2.1 系统总体方案设计
本课题分为温度采集电路，显示电路，设定键盘，以及控制电路。这些部分相互依存，牵一发动全身，正是各个部分的联合运作使得整个系统在设定完之后能够在无人的情况下运行，体现智能控制的所在。可以在工作环境恶劣的情况下，减少一线工作人员的工作压力，保障工人的人身安全以及对时时情况作出正确的反应。系统总体方案设计，如下图2.2.1所示。
图2.2.1系统总体方案设计框架图
2.2.2 系统工作原理简述
该系统采用以高性能的CMOS8位机AT89C51为核心，通过常见的温度传感器DS18B20进行温度传感采集，将采集的温度信息反馈给单片机。通过比较由程序设定的初始值但是可由加减键盘控制的设定温度产生不同的信号（PWM脉冲宽度调制信号），送到直流电机的驱动器中，让直流驱动器去驱动直流电机的具体动作例如起停，转向，转速。具体的转向及转速与实际温度与设定温度的温差决定，具体的比较范围可以有程序改变灵活多变，适应性强。
在此为具体说明采用一些特定值以作说明。这个初始值有软件设定，假设可以设为35度，但是该设定的值可加可减，其中加减有“加”键和“减”键控制。对于不同的温差，充当模拟装置的电机做出不同的反应。直流电机在比较值的正负1度不转，高于比较值2度时缓慢正转，高于比较值4度时半速正转，高于比较值6度时全速正转，低于比较值2度时缓慢反转，低于比较值4度时半速反转，低于比较值六度时，全速反转