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1、基于单片机的水温控制系统设计摘 要随着科学技术的不断发展，和人们对生活品质要求的不断提高，现代电子产品在大众的生活中有着举足轻重的作用，产品的功能、性能也随着人们的要求不选完善、不断提高。在此要求下，设计了一个基于单片机的自能水温控制系统，以单片机为核心，完成测量水温、加热温度、恒温控制、水温现实和报警等功能。系统采用PWM脉宽调制控制加热，试水温加热至操作者所需温度，用DS18B20采集温度，分析需要加热或者使之降温到设定温度，用键盘设定所需温度，设定温度与现实温度都通过数码显示显示出来，水温加热到设定温度自动报警。温度通过基于单片机的水温自动控制系统设计的实验，表明以单片机为核心可以实现对
2、水温度的控制，也可以根据用户需求进行设置。该系统应用广泛，在该系统的基础之上再进行改善便可达到综合的更想用途。在工业生产中温度、压力、流量和液位是四种常用的物理量，其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有影响因素多、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。在日常生活中水温也是经常要用的参量，如饮水机、热水器、浴池、游泳池等都需要对水温进行控制，使人们的生活更加便利。针对这个系
3、统而言，是以STC89S51单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，输出控制电路等组成，软件选用C语言编程。单片机可将温度传感器检测到的水温，显示于LED数码管显示器上，可根据用户设定温度对水进行加热以及当低于设定温度时自动保温，挡在加热结束时还可以声音报警以作提示。系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。关键词：单片机，温度，控制 The Design of Temperature ControlSystem Based on MCSAbstract With the continuous development of science and technolo
4、gy, and peoples quality of life requires the continuous improvement of modern electronic products in the public plays an important role in life, product features, performance requirements as people do not choose the sound, and continuously improve . In this request, the design of a microcontroller-b
5、ased self-energy temperature control system, a microcontroller core, complete measurement of temperature, heating temperature, temperature control, temperature and alarm functions reality. PWM pulse width modulation control system is heated, test the water temperature were heated to the required ope
6、rating temperature, the temperature with DS18B20 collection, analysis need to be heated or cooled so as to set the temperature, using the keyboard to set the desired temperature, set temperature and actual temperature displayed through the digital display, temperature heated to set temperature alarm
7、. Temperature microcontroller-based automatic control system for temperature experiments show that the microcontroller core can be achieved on the water temperature control, can also be set according to user needs. The system is widely used in the system on the basis of further improvement can be ac
8、hieved even want to use integrated. In the industrial production of temperature, pressure, flow and level are four commonly used physical, where the temperature is a very important process variable because it directly affects the combustion, chemical reactions, fermentation, roasting, calcining, dis
9、tillation, concentration, extrusion pressure forming, mold and air flow and other physical and chemical processes. Temperature control is widely used in industry, because of its many factors have an impact, parameter changing, inertia operation, control, delay and other characteristics, in that it r
10、equires a higher regulator. Poor temperature control may lead to production safety, product quality and yield and other issues. Water temperature is also in daily life often use the parameters, such as drinking fountains, water heaters, baths, swimming pools and so the need for temperature control,
11、make peoples lives more convenient. For this system, is STC89S51 microcontroller core, with the temperature sensor, signal processing circuit, display circuit, the output control circuit and other components, the software used C programming language. Single chip temperature sensor can detect the tem
12、perature, shown in the LED digital display, it can be set according to the user, and the heating temperature on the water below the set temperature automatically when the insulation, the heating end of the block, can have an audible alarm for tips. System flexibility, easy operation, high reliabilit
13、y, will have broader prospects of development.KEY WORDS:SCM, temperature, control目 录摘要ABSTRACT1 系统方案选择和论证11.1 选题背景11.2 题目要求21.2.1 基本要求21.2.2 发挥部分21.2.3 说明21.3 系统基本方案31.3.1 各模块电路的方案选择及论证31.3.2 系统各模块的最终方案101.3.3 总体设计概述112 硬件设计与实现122.1 系统硬件模块关系122.2 主要单元电路的设计132.2.1 温度采集部分设计132.2.2 加热控制部分162.2.3 键盘、显示、
14、报警、控制器部分162.3 总电路设计193 系统软件设计213.1 读取DS18B20温度模块子程序213.2 数据处理子程序223.3 键盘扫描子程序233.4 脉宽调制子程序263.5 喇叭声音报警实现程序273.6 主程序流程图274 系统测试284.1 静态温度测试284.2 动态温度测量294.3 结果分析305 总结与结论316 今后展望及改进意见327 产品使用说明33致谢34参考文献35附录361 系统方案选择和论证1.1 选题背景在能源日益紧张的今天，电热水器，饮水机，电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费。我们
15、所写的系统是根据目前节省能源的发展趋势和国内实际的应用特点和要求，采用了自动化的结构形式，实现对水温的自动检测和控制。本系统是以AT89C51单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，输出控制电路等组成，软件选用汇编语言编程。单片机可将温度传感器检测到的水温，显示于LED数码管显示器上。系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。由于本设计是从保温、控温部分节能为出发点而设计，因而在其加热部分还是存在很大能源浪费，因而在日后的开发应用中因当注意要，对其加热部分的选材的改进。在能源日益紧张的今天，电热水器，饮水机，电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用
16、温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费浪费。我们所写的系统是根据目前节省能源的发展趋势和国内实际的应用特点和要求，采用了自动化的结构形式，实现对水温的自动检测和控制。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化，小型化等方面快速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本，美国，德国等先进国家相比，仍有较大差距。目前，我国在这方面总体技术处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，他只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制。随着微控制器开发技术的快速发展
17、及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小，价格低，适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域，各个行业都得到了广泛应用。随着科学技术的不断发展，和人们对生活品质要求的不断提高，现代电子产品在大众的生活中有着举足轻重的作用，产品的功能、性能也随着人们的要求不选完善、不断提高。在此要求下，设计了一个基于单片机的自能水温控制系统，以单片机为核心，完成测量水温、加热温度、恒温控制、水温现实和报警等功能。系统采用PWM脉宽调制控制加热，试水温加热至操作者所需温度，用DS18B20采集温度，分析需要加热或者使之降温到设定温度，用键盘设
18、定所需温度，设定温度与现实温度都通过数码显示显示出来，水温加热到设定温度自动报警。温度通过基于单片机的水温自动控制系统设计的实验，表明以单片机为核心可以实现对水温度的控制，也可以根据用户需求进行设置。该系统应用广泛，在该系统的基础之上再进行改善便可达到综合的更想用途。在工业生产中温度、压力、流量和液位是四种常用的物理量，其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有影响因素多、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生
19、产安全，产品质量和产量等一系列问题。在日常生活中水温也是经常要用的参量，如饮水机、热水器、浴池、游泳池等都需要对水温进行控制，使人们的生活更加便利。针对这个系统而言，是以STC89S51单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，输出控制电路等组成，软件选用C语言编程。单片机可将温度传感器检测到的水温，显示于LED数码管显示器上，可根据用户设定温度对水进行加热以及当低于设定温度时自动保温，挡在加热结束时还可以声音报警以作提示。系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。1.2 题目要求设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1L净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围
20、内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变，也就是说启动系统，然后设定好温度还是工作，电阻丝就开始给水加热，至设定温度，并且蜂鸣器报警，之后使水温保持在此温度。1.2.1 基本要求（1）温度设定范围为0100，最小区分度为1，标定温度1。（2）环境温度降低时温度控制的静态误差1。（3）用十进制数码管显示水的实际温度。（4）在水温加热到设定温度后蜂鸣器报警。1.2.2 发挥部分（1）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40提高到60）时，减小系统的调节时间和超调量。（2）温度控制的静态误差0.2。（3）在设定温度发生突变（由40提高到60）时，自动打印水温随时间变
21、化的曲线。1.2.3说明（1）加热器用电阻丝。（2）如果采用单片机控制，允许使用已有的单片机最小系统板。（3）数码显示部分可以使用数码显示模块。（4）测量水温时只要求在容器内任意设置一个测量点。（5）声音报警模块使用喇叭实现其加热结束后的报警功能。1.3系统基本方案根据题目要求系统模块分可以划分为：温度测量模块，显示电路模块，加热模块，控制模块，系统的框图如图1-2所示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。Output显示电路加热装置测温部分键盘输入控制部分Input 图1-2 系统基本模块方框图1.3.1各模块电路的方案选择及论证1）控制器模块根据题目要求，控制器主要
22、用于对温度测量信号的接受和处理、控制电热丝和风扇使控制对象满足设计要求、控制显示电路对温度值实时显示以及控制键盘实现对温度值的设定等。对控制器的选择有以下三种方案：方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA功能强大，可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的I/O口方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统控制核心。由温度传感器送来的温度信号，经FPGA程序对其进行处理，控制加热装置动作。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分
23、体现，并且其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。方案二：采用模拟运算放大器组成PID控制系统。对于水温控制是足够的。但要附加显示、温度设定等功能，要附加许多电路，稍显麻烦。方案三：采用STC89C52作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。单片机：单片机芯片上集成了各种功能部件：中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器、和各种输入/输出（I/O）接口等。它们之间相互连接，构成一个完整的单片机。89C51单片机采用40引脚的双列直插封装（DIP方式）
24、，在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体振荡的引脚，4条控制与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。AT89C51单片机是一种低功耗高性能的COMS8位微控制器，内置4KB的可反复擦写的程序存储器（PEPROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的MCS-51指令集兼容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。AT89C51提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计
25、数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内振荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行OHZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件的工作直到下一个复位。RST: 复位输入信号端，高电平有效。当振荡器运行时，在此引脚输入最少两个机器周期以上的高电平，将使单片机复位，复位后单片机将从程序计数器PC=0000H地址开始执行程序。对HMOS工艺的单片机此引脚还有备用电源VPD功能。该引脚接上备用电源，在VCC掉电
26、期间。可以保持片内RAM的数据不丢失的。ALE：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。 : 外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时， 在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时， 将不被激活。/VPP: 访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令， 必须接GND。为了执行内部程序指令， 应该接V
27、CC。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I
28、/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P3口：P3口管脚是8个内部带上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。在单片机中，这8个引脚還用于专门功能，是复用双功能口，作为第一功能使用时，就是普通的I/O端口，值得强调的是，每一条引脚都可以独立定义第一功能的输入输出或第二个功能。其第二功能如表11所示：表11 P3口
29、的第二功能说明口线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）P3.212INT0（外部中断0）P3.313INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0外部输入）P3.515T1（定时器1外部输入）P3.616WR（外部数据存储器写脉冲）P3.717RD（外部数据存储器读脉冲）单片机芯片封装引脚图如图1-1。图1-1单片机芯片封装引脚基于以上分析拟订方案三，由STC89C52作为控制核心，对温度采集和实时显示以及加热装置进行控制。2）加热装置有效功率控制模块对加热装置控制模块有以下两种方案：方案一：采用可控硅来控制加热器有效功率。可控硅是一种半控器件，应用于
30、交流电的功率控制有两种形式：控制导通的交流周期数达到控制功率的目的；控制导通角的方式控制交流功率。由交流过零检测电路输出方波经适当延时控制双向可控硅的导通角，延时时间即移相偏移量由温度误差计算得到。可以实现对交流电单个周期有效值周期性控制，保证系统的动态性能指标。该方案电路稍复杂，需使用光耦合驱动芯片以及变压器等器件。但该方案可以实现功率的连续调节，因此响应速度快，控制精度也高。可控硅简介：可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。在此设计中用的是双向晶闸管，双向晶闸管与
31、单向晶闸管一样，也具有触发控制特性。不过，它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同，这就是无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲是什么极性的,都可以使双向晶闸管导通。由于双向晶闸管在阳、阴极间接任何极性的工作电压都可以实现触发控制，因此双向晶闸管的主电极也就没有阳极、阴极之分，通常把这两个主电极称为T1电极和T2电极，将接在P型半导体材料上的主电极称为T1电极，将接在N型半导体材料上的电极称为T2电极。由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分，所以它的参数中也就没有正向峰值电压与反同峰值电压之分，而只用一个最大峰值电压，双向晶闸管的其他参数则和单
32、向晶闸管相同。方案二：采用继电器控制。使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。但可以由多路加热丝组成功率控制，由单片机对温差的处理实现分级功率控制提高系统动态性能。基于以上分析以及现有器件限制选择方案二，采用可控硅，可以实现功率连续调节，响应速度快，控制精度高。方案一价格便宜，方便使用，设计简单，所以我们使用方案一，用MOC3041与双向晶闸管连接来完成设计。3）温度采集模块题目要求，温度信号为模拟信号，本设计要对温度进行控制
33、和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块有以下三种方案：方案一：利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值相应的温度值。最常用的的是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温的条件下其物理，化学性质不变。由铂电阻阻值的变化经小信号变送器XTR101将铂电阻随温度变化的转换为420mA线形变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到A/D转换器ADC0809.即将模拟信号转换为数字信号。该方案线性度优于0.01。方案二：采用温度传感器AD590K。AD590K具有较高精度和重复性，良好的非线性保证0.1的测量精度。加上软件非线性
34、补偿可以实现高精度测量。AD590将温度转化为电流信号，因此要加相应的调理电路，将电流信号转化为电压信号。送入8为A/D转换器，可以获得255级的精度，基本满足题目要求。 方案三：采用数字温度传感器DS18B20。DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。如图1-3 所示 。图1-3 DS18B20测温电路基于以上分析和现有器件所限，温度采集模块选用方案三。DS18B20与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20
35、的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。DS18B20简介：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5；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，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，实现多点测温；工作电源: 35V/DC；在使用中不需要任何外围元件；测量结果以912位数字量方式串行传送。内部结构主要由四
36、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、配置寄存器。该装置信号线高的时候，内部电容器 储存能量通由1线通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。DS18B20采用一线通信接口。因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先提供以下功能命令之一： 1 ）读ROM， 2 ）ROM匹配， 3 ）搜索ROM， 4 ）跳过ROM， 5 ）报警检查。这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号，可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件，同时，总线也可以知道总线上挂有有多少，什么样的设备。DS18
37、B20内部结构如图1-4。图1-4 DS18B20的内部结构4）键盘与显示模块根据题目要求，水温要由人工设定，并能实时显示温度值。对键盘和显示模块有下面两种方案： 方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示三位温度值，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。方案二：采用三位LED七段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。按键采用单列3按键进行温度设定。数码管具有：低能耗
38、、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。数码管：数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起
39、形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示驱动，静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根I/O端口来驱动，实
40、际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。动态显示驱动，数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动
41、。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。根据以上论述，采用方案二。本系统中，采用了数码管的动态显示，节省单片机的内部资源。5）报警模块按照我们设计的要求，当水温加热到设定温度后就要报警，报警设施使用喇叭来实现，之所以选用喇叭，是因为声音报警的方式比较直观，便于提醒操作者，喇叭价格低廉，硬件电路设计简单，并且只需要简单的编程就可以实现其报警功能。蜂鸣器：蜂鸣器是一
42、种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 ；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅
43、压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。电磁式蜂鸣器，电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。1.3.2系统各模块的最终方案根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案： 1） 采用STC89C52单片机作为控制器，分别对温度采集、LED显示、温度设定、加热装置功率控制。2） 温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20。此器件经软件设置可以实现高分辨率测量。 3）电热丝有效功率控制采用可控硅
44、控制，可以实现功率连续调节，同时起到良好的保温效果。4） 显示用LED数码管显示实时温度值，用FUNCTION、UP、DOWN三个单键实现温度值的设定。 5） 使用喇叭，通过编程利用软件实现加热完毕后的声音报警功能系统的基本框图如图1-5 所示。CPU（STC89C52）首先写入命令给DS18B20，然后DS18B20开始转换数据，转换后通过89S52来处理数据。数据处理后的结果就显示到数码管上。另外由键盘设定温度值送到单片机，单片机通过数据处理发出温度控制信息到光电隔离器件。DS18B20可以被编程，所以箭头是双向的。OutputLED数码管可控硅DS18B20键盘输入STC89C52Inp
45、ut 图1-5系统基本框图1.3.3总体设计概述根据题目要求及对相关信息的理解，本系统的实现需要由温度传感器采集所控制的水的实时温度，并将水温传回到单片机，同时由数码管显示出来，通过按键设置预设温度，也由数码管显示，由单片机将实时温度与预设温度进行比较，处理数据后控制加热电路，从而实现水温自动控制。根据题目要求系统模块分可以划分为：温度测量模块，显示电路模块，加热模块，输入控制模块。1）温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20实现。DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。DS18B20与传统的热敏电阻相比，他能够直接读
46、出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。 DSI8B20的测温功能的实现：其测温电路的实现是依靠单片机软件的编程上。 当DSI8B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的0，1字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0062 5LSB形式表示。D
47、SI8B20完成温度转换后，就把测得的温度值与 TH做比较，若TTH或TTL，则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令做出响应。 温度转换算法及分析：由于DS18B20转换后的代码并不是实际的温度值，所以要进行计算转换。温度高字节（MS Byte）高5位是用来保存温度的正负（标志为S的bit11bit15），高字节（MS Byte）低3位和低字节来保存温度值（bit0 bit10）。其中低字节（LS Byte）的低4位来保存温度的小数位（bit0 bit 3）。由于本程序采用的是0.0625的精度，小数部分的值，可以用后四位代表的实际数值乘以0.0625，得到真正的数值，数值可能带几个小数位，所以采取小数舍入，保留一位小数即可。也就说，本系统的温度精确到了0.1度。算法核心：首先程序判断温度是否是零下，如果是，则DS18B20保存的是温度的补码值，需要对其低8位（LS Byte）取反加一变成原码。处理过后把DS18B20的温度Copy到单片机的RAM中，里面已经是温度值的Hex码了，然后转换Hex码到BCD码，分别把小数位，个位，十位的BCD码存入RAM中。2）显示电路模块采用三位LED七段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。按键采用单列3按键进行温度设定。数码管具有：低能耗、
