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1、 河北科技师范学院 本科毕业设计基于单片机的饮水机温度控制系统的设计院（系、部）名 称 ： 机电科学与工程系 专 业 名 称： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 崔 杰 学 生 学 号： 9310080208 指 导 教 师： 郭秀梅 2012年 5 月 27 日河北科技师范学院教务处制摘要随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越普遍，也越来越重要。温度是生活与生产过程以及科学实验中常见的物理参数。本文利用单片机并结合传感器技术开发设计了一个温度监控系统。详细地讲述了基于单片机AT89C51和温度传感器DS18B20的温度控制系统的设计方案与软硬件实现方案。该饮水机设有加热与制冷两种模式
2、，然后根据用户对温度的需求，经温度传感器检测，由单片机发出指令使饮水机进入加热或者制冷状态。该饮水机温度控制系统不仅包括温度显示，状态提示，而且当热水槽内水量不足时还能发出报警，以免发生干烧现象。本系统具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，本文着重介绍了该系统的方案选择和硬件设计方法。关键字：单片机，温度控制，温度传感器，饮水机AbstractWith the development of the society,the measurement and control of the temperat ure has become more and more popular and impor
3、tant.The temperature is the basic and common parameter in the manufacture and life,experiments.This paper designs a temperature control system with the SCM and temperature sensor.It describes the temperature control system based on SCM AT89C51 and temperature sensor DS18B20 in details,including soft
4、ware and hardware system design program.The water dispenser has two working models heating and refrigerating.Then according to the needs of the user to the temperature and after the temperature sensor detection, the SCM instruct the water dispense into the heating or refrigerating model. The tempera
5、ture control system not only consists of temperature display,state prompting,but if there is no enough water in the hot water tank ,it will give an alarm in order to aviod the danger.The temperature control system is very convenient and simple and the paper mainly describes the methods of system sel
6、etion and the hardware design.Keywords: SCM, temperature control, temperature sensor, water dispense1 绪论31.1课题研究的目的及意义31.2课题研究现状分析31.3技术指标32总体设计42.1系统设计方案42.2系统结构框图43硬件设计53.1单片机选择53.1.1 AT89C51单片机的主要性能63.1.2 AT89C51引脚功能说明63.1.3 AT89C51最小应用系统的设计83.2温度传感器的选择93.2.1方案一 应用DS18B20传感器93.2.2方案二 应用AD590温度传感器
7、143.3电源电路的选择153.3.1方案一 采用串联式直流稳压电路153.3.2方案二 采用三端集成稳压器163.4加热器电路的选择173.5制冷器电路的选择173.6水位探测器的选择183.7显示电路的选择183.8报警电路的选择194软件设计204.1系统主程序204.2按键处理子程序224.3温度监测子程序25结论26参考文献26致 谢271 绪论1.1课题研究的目的及意义随着社会的发展以及节能的需求，温度的测量及控制变得越来越重要。温度是生产生活过程以及科学实验中普遍而且重要的物理参数。在工业生产过程中对温度、压力、流量、速度等进行有效的检测与控制是实现优质，高产，低耗和安全生产的重
8、要条件，其中对温度的控制需求占有相当大的比例。在工业研发和生产中，为了保证生产过程的稳定运行以及提高控制精度，通常采用微电子技术。它的作用主要是改善劳动条件，节约能源，防止生产和设备事故，以获得好的技术指标和经济效益。本课题采用51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标。作为控制系统中的一个典型实验设计，单片机温度控制系统综合运用了微机原理、自动控制原理、传感器原理、模拟电子技术、数字控制技术、键盘显示技术等诸多方面的知识，是对所学知识的一次综合测试。1.2课题研究现状分析由于现代工艺越来越多的需要对实时温度进行监测和控制，而且
9、需要的精度越来越高。所以温度控制系统得到国内外许多有关人员的重视，同时取得了十分广泛的应用，成果显著。由于单片机微处理器的性能日益提高、价格又不断降低，使其性能价格比的优势非常明显。因此，如何将单片微处理器应用到生产生活温度自动控制领域，为越来越多的人所重视。目前先进国家各种生产生活自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。单片微型计算机是随着超大规模集成电路的技术的发展而诞生的。由于它具有体积小，功能强，性价比高等优点，所以广泛应用于电子仪表，家用电器，节能装置，军事装置，机器
10、人，工业控制等诸多领域，使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量又降低了成本，简化了设计。1.3技术指标设计并制作一个基于单片机的温度控制系统，能够根据用户需要对水温进行控制并能在水温变化时实现自动控制。（1）温度设定范围为099，最小区分度为1，温度控制的误差1（2）能够用数码管精确显示当前实际温度值（3）按键控制：设置复位键、加热键、冷却键、温度显示键（4）水量不足时能够发出报警2总体设计2.1系统设计方案本设计以AT89C51单片机为控制芯片，采用典型的数字输出型集成温度传感器DS18B20进行温度采集，然后直接将DS18B20产生的数字信号传给单片机。该饮水机设有加热与制冷两种模
11、式。根据用户对水温的需求，按下控制键，然后由单片机发出命令使饮水机进入加热或者制冷状态。当需要温度显示时，按下温度显示键，数码管便显示热水槽内水的温度。当水温达到设定值时，有指示灯以及声音提示。当热水槽内水量不足时，饮水机发出报警，以免发生干烧。2.2系统结构框图系统主要包括电源电路模块、数据采集模块、单片机控制模块、驱动电路、显示以及报警模块五个部分。系统框图如图1所示。 单片机温度数码显示电路工作状态显示电路电源电路温度采集电路控制电路报警电路显示当前温度值显示以及提示当前状态 控制加热器制冷器水量不足时，发出报警信号按键操作图1 系统结构框图3硬件设计3.1单片机选择单片机的选择在整个系
12、统设计中至关重要，要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求，一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换器等，要设计合适的接口电路。单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存
13、器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。AT89C51是一种低功耗、高性能的 8位单片机。片内带有一个 4 KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。它采用了 CMOS工艺和 ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC一51兼容，其引脚如图2所示。片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此AT89C51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。图2 AT89
14、C51引脚图3.1.1 AT89C51单片机的主要性能AT89C51单片机的主要性能有：（1）4 KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入擦除）；（2）全静态工作：0 Hz24 MHz；（3）3级程序存储器保密；（4）1288字节内部RAM；（5）32条可编程IO线；（6）2个16位定时器计数器；（7）6个中断源；（8）可编程串行通道；（9）片内时钟振荡器。另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0 HZ，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而 RAM、定时器计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内
15、振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。3.1.2 AT89C51引脚功能说明（1）主电源引脚 VCC：电源端。GND：接地端。（2）外接晶体引脚 XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。（3）控制或与其他电源复用引脚RST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器
16、周期的高电平将使单片机复位。ALE：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的16）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中 SEH单元的 DO位置数，可禁止 ALE操作。该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止AL
17、E位无效。：程序存储允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号。当AT89C51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次再完完有效（即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的还完完信号将不出现。/VPP：外部访问允许端。要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H一FFFFH），则端必须保持低电平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存端的状态。当端保持高电平（接VCC端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加 12 V的编程允许电源 Vpp（如果选用 12 V编程）。（
18、4）输入输出引脚P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7和P3.0P3.7P0端口（P0.0 P0. 7）： P0是一个8位漏极开路型双向IO端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入。对端口写l时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（P10.一P1.7）：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO端口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端
19、口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P1作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。P2端口（P2.0P2.7）：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式） 4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。只作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVXDPTR指令）时，P2送出高8位
20、地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0P3. 7）：P3是一个带内部上拉电阻的 8位双向 IO端口。 P3的输个缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式） 4个TTL输入。对端口写 1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在AT89C51中，P3端口还用于一些复用功能，见表1。在对Flas
21、h编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。表1 P3各端口引脚与复用功能表引脚第2功能P3.0 RXD（串行口输入端）P3.1 TXD（串行口输出端）P3.2 INT0（中断0请求输入端，低电平有效）P3.3 INT1（中段1请求输入端，低电平有效）P3.4 T0（定时器/计数器0计数脉冲端）P3.5 T1（定时器/计数器1计数脉冲端）P3.6 WR（数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7 RD（数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）3.1.3 AT89C51最小应用系统的设计 80C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用80C51单片机
22、构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可， 80C51单片机的最小系统如图3所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：(1) 有可供用户使用的大量I/O口线。(2) 内部存储器容量有限。(3) 应用系统开发具有特殊性。时钟电路：89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。80C51单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。
23、振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到40pF之间取值。本设计中，振荡晶体选择12MHz,电容选择30pF。复位电路:89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用12MHZ时C取22uF,R取1K。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方
24、式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。时钟频率选用12MHZ时，C取22uF,R2取4.7K，R1取1K。图3 最小工作系统3.2温度传感器的选择3.2.1方案一 应用DS18B20传感器本系统采用DALLAS半导体公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20采集温度数据，DS18B20属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。 DS18B20的管脚排列和封装如图4所示。 图4 DS18B20的管脚排列和封装3.2.1.1 DS18B20的性
25、能特点（1）用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），（2）测温范围为-55-+125，测量分辨率为0.0625（3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定（4）在使用中不需要任何外围元件（5）工作电源: 35V/DC3.2.1.2 DS18B20内部结构DS18B20主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器，如图5所示。ROM和单线接
26、口电源检测存储器和控制器高速缓存存储器CRC生成器温度灵敏元件高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器图5 DS18B20的内部结构图3.2.1.3 DS18B20的存储器DS18B20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是：（1）ROM 只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8 位是单线系列编码（DS18B20 的编码是19H），后面48 位是芯片唯一的序列号，最后8 位是以上56 位的CRC 码（冗余校验）。数据在出厂时设置不由用户更改。DS18B20 共64 位ROM。（2）RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共9 个字节RAM，每个字节
27、为8 位。如图6 所示。第1、2 个字节是温度转换后的数据值信息，第3 和第4 字节是高温触发器TH 和低温触发器TL 的易失性拷贝，第5 个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。以上字节内容每次上电复位时被刷新。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20 出厂时该位被设置为0，用户不要去改动；R1 和R0 用来设置分辨率，决定温度转换的精度位数。如表2 所示。图6 DS18B20字节定义表 2 DS18B20温度转换时间表R1 R0 分辨率/位 温度最大转
28、向时间/ms 0 0 9 93.750 1 10 187.510 11 37511 12 7503.2.1.4 DS18B20的温度转换以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个高低两个8位的RAM中，二进制中的前面5位是符号位。如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625才能得到实际温度。表3为温度高低字节的存放形式。表3 温度高低字节存放形式高8位 S S S S S 26 25 24 低8位 23 22 21 20 2-1
29、2-2 2-3 2-4 本设计用到的温度有8,16,80，96。用二进制码分别表示为0000 0000 1000 0000,0000 0001 0000 0000,0000 0101 0000 0000,0000 0110 0000 0000。3.2.1.5 DS18B20的控制指令DS18B20有六条控制命令，如表4所示。表4 DS18B20控制命令指 令约定代码操 作 说 明温度转换读暂存器写暂存器复制暂存器重新调E2RAM读电源供电方式44HBEH4EH48HB8HB4H启动DS18B20进行温度转换读暂存器9个字节内容将数据写入暂存器的TH、TL字节把暂存器的TH、TL字节写到E2RA
30、M中把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPUCPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。（1）DS18B20的读时序DS18B20的读时序分为读O时序和读1时序。DS18B20读时序
31、是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内释放总线后让DS18B20把数据传输到总线上。DS18B20完成一个读时序过程，至少需要60us。（2）DS18B20的写时序DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序。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至lJ45us之间能够正确地采样总线上的低电平，当要写1时序时，总线被拉低之后，在15us之内就需释放总线。在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND
32、接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。DS18B20与单片机相连接的电路图见图7。图7 DS18B20与单片机连接电路图3.2.2方案二 应用AD590温度传感器AD590传感器是美国AD公司研制的一种电流式集成温度传感器。其直流工作电压为+4 V到+30 V，当电源电压由+5V向+10V变化时，其电流变化仅为0.2mA/V；最佳使用温度范围(-55150)，在此测温范围内，测量误差为士0.5，测量分辨率为0.1。温度采样电路采用了AD590电流型温度敏感型器件其稳定度和线性度均较好。在0时AD590的电流为273.2A，温度每增加1 ，
33、电流增加1A。该电流转换为电压信号，通过模数转换ADC0809、AT89C51单片机实现温度的监测和转换，如图8所示。图8 应用AD590的温度采样电路虽然两种温度传感器都能进行温度检测，但是AD590还需要进过A/D转换装置，将模拟量转换成数字量，而且DS18B20单总线能够接好多测温点，温度检测电路简单。同时考虑到成本问题本设计选用DS18B20进行温度检测与转换。3.3电源电路的选择饮水机温度控制系统安全稳定的工作离不开一个性能良好的电源，电源性能的好坏直接影响到系统能否正常运行。在本系统中，我们需要一个能输出5V直流电压，且输出电流较大的直流稳压电源。5V的小功率稳压电源由220V转换
34、而来。由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电源值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而，在整流滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。3.3.1方案一 采用串联式直流稳压电路为克服稳压管稳压电路输出电流较小,输出电压不可调的缺点。引入串联型稳压电路。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础,利用晶体管
35、的电流放大作用增大负载电流,并在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定,通过改变网络参数使输出电压可调。一般可以将串联式稳压电路分成由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。电路图如图9。R10R1RWRES-VART1NPNR30R1R0R1R20R1RL0R1UDIODE-SCT2NPN图9 串联式直流稳压电路图3.3.2方案二 采用三端集成稳压器电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。由于它只有输入、输出和公共引出端，故称之为三端式稳压器。三端式稳压器由启动电路、基准电压、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。图7是7805作为输出电压5V的典型电路图，正常工作时，
36、输入输出电压差是23V。电路中接入电容C1、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激震荡和抑制电路引入的高频干扰，C2是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入端短路时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏。图7 三端集成稳压器电路图3.4加热器电路的选择MOC3041是MOTOROLA公司生产的单片机成光耦合可控硅驱动器，内部集成了双向可控硅、发光二极管、过零触发电路等器件，它由输入和输出两部分组成。MOC3041与饮水机的加热器相连，实现对加热器对的驱动和控制。本系统用单片机的P1.6口与M
37、OC3041连接，当P1.6口输出低电平时，加热指示灯亮，MOC3041输入部分的发光二极管导通，发出足够强的红外光去触发输出部分，控制可控硅导通，从而打开加热器；当P1.6口输出高电平时，MOC3041输入部分的发光二极管截止，可控硅断开，关闭加热器。当温度加热到96度时，P1.6为高电平，加热器停止加热。P2.0口变为低电平，保温指示灯亮。同时P2.1为低电平，发出提示音，提示水已烧好，3秒后P2.1变为高电平停止发声。当水温低于80度时，P1.6变为低电平，加热器继续加热。电路图如图8所示。图8 加热控制电路图3.5制冷器电路的选择由于饮水机的冷水槽容积比较小，而压缩机主要适用于大型制冷
38、设备,所以目前饮水机一般采用电子制冷片制冷。目前半导体制冷主要是根据帕尔贴效应，电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级想低能级运动时，就会释放出多余的热量。反之，就需要从外界吸收热量（即表现为制冷）。所以，半导体电子制冷的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差，即热电势差。纯金属的导电导热性能好，但制冷效率极低（不到1%）。半导体材料具有极高的热电势，可以成功的用来做小型的热电制冷器。电子制冷的原理是：把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接而成一个电偶对。当直流电流从N极流向P极时产生吸热现象，而由P极流向N极时产生放热现象。由于一个
39、电偶所能产生热效应比较小，所以在实际应用中是将几十或上百对电偶联成的热电堆。这样，一块制冷片通电后一边是冷的，而另一边是热的，如果要取得较佳的制冷效果则要在热端加上散热片甚至要加装通风风扇强制散热。若热端散热不好热量越聚越多的话，那制冷片基本上是没有什么制冷效果的，甚至还会有烧毁的危险，所以散热效果一定要好。另外，电子制冷的效率虽然不高，大约只有50-60%左右，但考虑到饮水机的体积，制冷片的价格等因素，我依旧选用了制冷片。电子制冷片供电电压，是要根据型号而定的，本文为了能够通用直流电源选用了工作电压为5V的04903型号。制冷电路图如图9所示。图9 制冷电路图 当按下制冷键，P1.7变为低电
40、平，制冷片开始动作，同时与P2.3连接的制冷指示灯亮，当冷却到8度时，P2.1变为低电平，饮水机发出提示音，提醒冷水已好。同时P1.7变为高电平，饮水机停止制冷。待温度高于16度时，饮水机继续制冷。3.6水位探测器的选择该系统采用一根不锈钢的水位探测棒作为探测器，探测棒的一端与单片机的P3.0口相连，另一端浸入饮水机的加热体中。当加热体水量充足时，探测棒浸入水中，由于水具有导电性，且加热体接地，从而使输入到单片机P3.0口的信号为低电平；当加热体中水量不足时，探测棒悬空，使输入到单片机的输入信号为高电平。单片机根据水位探测器的输入信号执行相应操作，可有效地防止饮水机干烧。3.7显示电路的选择本
41、设计中的显示电路是由74HC4511七段显示译码器驱动两位数码管。74HC4511七段显示译码器部分引脚的功能：（1）灯测试输入LT:当LT=0时，无论其他输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1，显示字形为8。该输入端常用于检查译码器本身及显示器各段的好坏。（2）灭灯输入BL：当BL=0,并且LT=1时，无论其他输入端是什么电平，所有各段输出ag均为0，所以字形熄灭。（3）锁存使能输入LE：在BL=LT=1的条件下，当LE=0时，锁存器不工作，译码器的输出随输入码的变化而变化；当LE由0跳变1时，输入码被锁存，输出值只取决于锁存器的内容，不再随输入的变化而变化。所以必须保证74HC4511的
42、BL和LT为高电平，LE为低电平时，译码器才能正常译码。当系统上电后，温度传感器便开始进行温度采集与传输。当需要温度显示时，按下温度显示键时，数码管便显示当前水的温度。为了简化电路的设计，该数码管采用两位一体的，这样既节省了空间，又节省了成本。由于本设计中水温不会超过100度，所以只需显示十位与个位即可。图 10 显示电路3.8报警电路的选择当饮水机内热水槽内水量不足时，饮水机发出报警。报警电路如图所示。图11 蜂鸣器电路图4软件设计系统软件主要包括主程序、按键处理子程序和温度检测子程序。4.1系统主程序系统上电复位初始化后，启动DS18B20。若水量不足时，饮水机发出报警。若水量充足时，则检
43、测是否有按键按下，有则进行相应的操作。主程序流程图见图12所示。开始系统初始化水位探测器监测水量启动DS18B20是否有足量水是否有按键按下发出报警按键处理读温度与计算温度YYNLED显示、状态提示图12 主程序流程图4.2按键处理子程序当主程序检测到有按键按下时，就转到按键处理子程序进行按键判断，根据判断结果进入加热或者制冷模式。在两种模式中，首先判断当前水温与系统设定值的大小。当饮水机处在加热状态时，当温度大于96度时，加热器停止加热，当温度小于80度时，饮水机继续加热，如此反复。当饮水机处在制冷状态时，当温度小于8度时，饮水机停止制冷，当温度高于16度，饮水机继续制冷。有键按下是否有足量
44、水加热键水温是否高于96度水温是否低于80度返回主程序加热停止加热YNYNY图13 加热子程序流程图有键按下制冷键水温是否低于8度水温是否高于16度返回主程序制冷停止制冷YNYN图14 制冷子程序流程图4.3温度监测子程序主机发出初始脉冲有键按下DS18B20发响应脉冲信号DS18B20是否准备好转换是否完成读DS18B20温度传感器启动温度转化主机发ROM 命令YNYN读出温度值图15 温度监测子程序结论本文详细介绍了基于单片机AT89S51的温度控制系统的设计方案与软硬件实现。系统包括数据采集模块，单片机控制模块，显示模块和温度设置模块，驱动电路五个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详
45、细介绍。完成了课题既定的任务，达到了预期的目标。系统具有如下特点：.采用智能温度传感器DS18B20采集温度数据，简化了硬件电路设计，温度采集数据更加精准；.AT89S51单片机的采用，有利于功能扩展；.电路设计充分考虑了系统可靠性和安全性。本系统没有增加外部存储器，设定温度不能保存，断电复位后必须重新设置温度；采用静态显示方式，从而使用了较多的驱动芯片，增加了硬件电路的复杂性；只使用两位显示，即显示温度的十位、个位，没有充分发挥DS18B20的特性。本课题软件和硬件相结合，有相当大的难度，同时也有很大的实用性。在做毕业设计的过程中，我的理论和实践水平都有了较大的提高。在本课题的设计中，我熟练掌握了单片机硬件设计和接口技术，同时对温度传感器的原理及应用有了一定的了解，掌握了各种控制电路及其相关元器件的使用。通过这次毕业设计，我不仅学会如何将所学专业知识运用到实际生活中，还学会如何克服未知的困难，解决难题的方法。参考文献1康华光. 电子技
