摘 要

随着现代社会的不断进步和发展，科学技术的不断创新，使得一些新兴产业不断崛起，电子行业的地位也变得越来越重，电子产品也几乎在社会的各个领域都可以见到。这些技术的创新和发展有效地带动了社会生产力的发展和信息化程度的提高，其中水温自动控制系统在工业生产和日常的生活中的应用比较广泛，并且在其中发挥了很重要的作用。水温控制的方法有很多种，比如PLC控制、单片机控制等，而在这些控制方法中使用单片机对水温进行控制，具有价格低廉、电路简单容易实现、系统稳定性高等多种优点。

本系统采用的控制方法是使用单片机控制，使用STC89C51单片机作为系统的主控芯片，温度检测报警器则选用温度传感器DS18B20来制作，这是一种十分适合本系统的数字型温度传感器，而后采用共阳极数码管来显示温度值。在测量和控制系统之外连接一个按键电路，设立几个按键，通过按键进行对温度上限值、下限值的设置，并将其保存到单片机的EEPROM中，从而实现掉电存储的功能。当温度传感器所采集到的温度超出初始设定值范围的时候，系统就会通过控制蜂鸣器和对应LED，使其发出声光报警，同时控制继电器的运作，以达到控制水温的目的。这个系统整体设计简单，具有成本低、体积小等特点，具有较强的实用性。

关键词：温度传感器；单片机；水温控制

Abstract

With the continuous progress and development of modern society and the continuous innovation of science and technology, some emerging industries have continued to rise, and the status of the electronics industry has become more and more important. Electronic products can also be seen in almost every area of society. The innovation and development of these technologies have effectively brought about the development of social productivity and the improvement of informatization. The automatic control system of water temperature has been widely used in industrial production and daily life, and has played an important role in it. There are many methods for controlling the temperature of water, such as PLC control and single-chip microcomputer control. In these control methods, the use of a single-chip microcomputer to control the water temperature has various advantages such as low cost, simple and easy to implement the circuit, and high system stability.

The control method used in this system is to use a single-chip microcomputer control, using the STC89C51 micro-controller as the main control chip of the system, and the temperature detection alarm is made using the temperature sensor DS18B20. This is a digital temperature sensor that is very suitable for the system, and then uses a total of common anode digital tube to display the temperature value. Connect a button circuit outside the measurement and control system, set up several buttons, set the upper temperature limit value and lower limit value by pressing the button, and save it to the EEPROM of the single-chip microcomputer so as to realize the function of power-off storage. When the temperature detected by the temperature sensor exceeds the initial set value range, the system will control the buzzer and the corresponding LED to make it sound and light alarm and control the operation of the relay to achieve the purpose of controlling the water temperature. The overall design of this system is simple, low cost, small size, etc., and has strong practicality.

Key Words：temperature sensor;micro-controller；water temperature control

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状 2

1.3 论文内容及结构安排 2

第二章 系统硬件方案的选择 4

2.1 系统各部分硬件方案的选择 4

2.1.1 控制核心单片机的选择 4

2.1.2 显示模块显示器的选择 5

2.1.3 传感器模块温度传感器的选择 5

2.1.4 报警器模块蜂鸣器的选择 6

2.2 系统总体方案的设计 6

2.3 本章小结 7

第三章 系统硬件电路的设计 8

3.1 STC89C51单片机系统的设计 8

3.1.1 STC89C51单片机简介 8

3.1.2 STC89C51单片机最小系统 8

3.2 数码管显示电路的设计 9

3.2.1 共阳极数码管 9

3.2.2 共阳极数码管的驱动方式 10

3.3 DS18B20温度传感器电路的设计 11

3.3.1 DS18B20温度传感器 11

3.3.2 DS18B20温度传感器的工作原理 11

3.4 蜂鸣器报警电路的设计 13

3.5 继电器驱动电路的设计 13

3.6 独立按键电路的设计 14

3.7 系统硬件电路测试 14

3.8 本章小结 15

第四章 系统软件部分的设计 16

4.1 软件的开发环境 16

4.2 系统各部分主要函数的设计 16

4.2.1 系统主函数的设计 16

4.2.2 数码管显示函数的设计 17

4.2.3 DS18B20温度采集函数的设计 18

4.3 本章小结 19

第五章 仿真图、实物图 20

5.1 系统仿真图 20

5.2 实物图 22

第六章 总结 23

致谢 24

参考文献 25

附录A 系统原理图 26

附录B 源程序 26

绪论

课题研究背景及意义

当今社会，随着计算机技术、自动控制技术等新兴产业技术的高速发展, 在现代工业生产的过程中，越来越多地应用到了先进的测量控制技术、设备和方法。水温控制在工业生产和日常生活中都起着至关重要的作用，但是很多时候由于环境温度的改变或是一些反应的过程导致一些因素的变化，都会对原材料以及水资源形成浪费^[1]。因此对水温的控制显得尤为重要，实现水温的自动控制就可以极大程度地避免生产资源的浪费。特别是现如今这种全球资源匮乏的时代，就更加需要掌握一些新的技术，避免资源的浪费，合理利用地球能源，使资源利用最大化、合理化。

传统的水温控制系统是通过人工使用温度计测量温度后，再用设备加热或降温等方法来控制温度^[2]，这种方法的操作简单，但是速度很慢，无法及时地控制温度的变化，从而导致产品的生产温度不能维持在一个合适的范围内，这样就会造成较大的经济损失。因此，对于水温自动控制技术的研究就会具有十分重要的现实意义。

在现代化的工业生产的过程中，温度是极为重要而且又极其普遍的参数之一。目前水温控制已经被广泛应用于食品生产及加工、机械制造、化工生产等领域。为了保证生产过程安全平稳地进行，提升产品的生产速度、生产质量，同时也为了节约生产时所需要的原材料，因此就必须要及时地、准确地获得水温信息并对其进行实时控制，以便于让产品能在合适的温度下进行生产，避免原材料和水资源的浪费。这一部分在工业生产的诸多环节都是一项重要内容^[3]。而所应用的水温控制系统，其性能的优劣以及系统稳定性直接影响着产品的生产品质。无论采用哪种方法来控制水温，都希望用来控制水温的系统能够具有比较高的精确度，能够把温度控制在一个比较精确的范围内，这样就可以实现所预期达到的控制，解决了那些工业生产中可以尽量避免的一些问题，从而达到对资源的充分、合理运用。

在这些软件技术还没有被开发之前，我们无法做到对温度的精确控制，甚至都没有想过通过一些方法来控制温度，从而生产出更高品质的产品。而现如今，随着科学技术的不断创新和发展，新兴软件技术的不断革新，越来越多的工业上产中都运用到了计算机技术、自动控制技术等，这些应用技术所需要的元件的价格也比较低廉，各种控制系统也在不断地完善，系统稳定性不断加强，可靠性逐步提高，使用现代信息技术来实现对于水温的控制是可以轻易达到的，并且对于控制的精确度也在逐渐地提高^[4]。因此，在当今社会通过对水温的控制来解决工业生产中的各种问题已经极为普遍，这样一来，不仅加强工业化建设，更加有利于科学技术的发展，同时这些技术也被应用到了日常生活中，解决了日常生活中的很多问题，避免了生活中资源的浪费，提高了人民的生活水平^[5]。

国内外发展现状

自20世纪70年代开始，由于工业生产的控制需要，计算机技术、电子技术、自动控制等技术在迅速发展、不断创新，而且应用也越来越广泛，国内外的温度控制系统也在飞速发展。在工业生产中该系统应用极为广泛，例如在冶炼金属的过程中对反应温度的控制，在化肥、农药等工农业用品生产中对化学物质反应温度的控制，在酒精等用品中对于发酵时温度的控制等等，极大地加快了这些生产工艺进程，有力地推动了工农业等诸多行业的发展^[6]。目前，虽然在国内温度控制系统有着广泛的应用，在日常工作生活中也能经常见到一些使用温度控制的设备，但是我国在生产和研究温度控制系统这一方面还不够成熟，温度控制技术的总体发展水平仍然不高，对其的研究也不够深入，与一些先进国家相比，依旧存在着较大的差距。国内大部分使用的温度控制系统大多是使用模拟电路和继电器对系统进行控制，存在着电路系统复杂,系统稳定性差很容易受到外界温度的影响，缺乏可调节性，系统反应速度较慢，不能很好地对温度进行实时控制，有一定噪音等缺点。

温度控制器主要以“点位”控制以及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度变化较小或是对于控制温度变化的精度需求不高的温度系统控制，很难用于对比较复杂时变温度系统的控制，也就是说适用于要求较低的温度控制系统我国的技术已经比较成熟了，而对于那些对系统本身的控制条件要求较高的控制仪表，国内技术还没有十分成熟，被广泛应用和推广的控制仪表较少，只有很少的一部分仪表已经形成了商业化^[7]。而国外，德国、美国等发达国家在智能化、参数整定等方面都有所领先，都已经生产出了一些性能较好的温度控制仪器仪表，并且成为商业化产品被广泛应用与各行各业，这些仪器仪表所应用的温度控制系统普遍具有参数整定功能，具有控制精度高、系统稳定性高、抗干扰能力强等特点。现在，国内外在设计水温自动控制系统的单位中比较突出的单位是西门子公司，该公司采用DS18B20温度传感器的数字式检测及控制，以单片机为控制核心组成的系统^[8]。目前，实现对于水温的高精度控制经常采用的方法是数字控制，可以应用的控制算法包括开关控制、经典PID控制等等。为了达到使控制系统具有最小的稳态误差以及最好的动态过程的效果，也就是说让系统具有最小的超调量和最短的稳定时间，人们一直在不断研究各种控制方法的改进^[9]。

论文内容及结构安排

第一章、绪论：对水温自动控制系统进行一个整体的介绍，阐述选题的目的意义及背景，研究这一技术的重要意义和这项技术在日常生活、工业生产等方面的广泛应用，以及此类系统在国内外的发展现状和日后的发展趋势。

第二章、系统硬件方案的选择：系统的每一个硬件部分都会有很多方案去实现，对比各个方案以及各个硬件的优缺点，然后选择出更加优异更加适合这一系统的选择来实现系统功能，最后整合各部分硬件形成一个比较完整的系统总体方案，描绘出大致的系统框图。

第三章、系统硬件电路的设计：对系统的各个部分的电路进行设计：首先本次设计的系统是以单片机为核心的水温自动控制系统，单片机选择的是STC89C51，所以需要对单片机最小系统进行电路设计，包括对电源电路、晶振电路以及复位电路的设计；其次是对数码管显示电路的设计，本系统数码管选择的是共阳极数码管，由于功能需求的不同，需要选择数码管的驱动方式并对其驱动电路进行设计；接着是对温度传感器的电路进行设计，根据系统需要，选择DS18B20温度传感器对水温进行测量等操作；然后是对蜂鸣器报警电路、继电器驱动电路以及独立按键电路的设计；最后整合各部分电路，对系统原理电路图进行设计，并对系统的硬件进行测试，确保每一个元器件的正常工作以及电路的焊接正常，不会出现短路、断路等现象。

第四章、系统软件部分的设计：对系统各部分以及整体运行所需要的程序进行编写，对系统主函数、数码管显示函数以及DS18B20温度采集函数的设计，并对系统的软件部分进行测试，对程序进行调试，使其能够正常运行，达到系统要求，对水温进行自动控制。

第五章、仿真、实物图：使用仿真软件对系统进行仿真，确保系统的软硬件部分都没有问题，可以实现控制水温的功能；结合PCB图和系统原理图对各部分元器件进行排版和焊接，作出实物。

第六章、结论：对本次系统的设计进行总结，简单介绍自己在设计的过程中都做了哪些工作，简述研究内容（分析问题、解决方法等），总结经验教训，认识自己在制作过程中的不足之处以及将来需要改进的地方，为日后的工作打下基础。

致谢：感谢指导老师在我本次毕业设计的过程中对我的指导、意见等，感谢老师和同学们对我的帮助。

系统硬件方案的选择

系统各部分硬件方案的选择

在我们确定并搭建硬件电路之前，首先要选择系统整体的设计方案，对系统的硬件的选择提出不同的设计方案，将这些设计方案进行对比，经过比较之后，选择出最适合本系统的硬件方案，完成对各部分硬件的选型，使各部分器件都能发挥出最佳功效，达到预期效果。

控制核心单片机的选择

方案一：

选择STC89C51单片机作为系统的控制核心，通过单片机接收信号并发出指令来对系统整体进行控制，从而达到控制温度的效果。该种单片机是一种低功耗、高性能的八位CMOS微处理器，是一种可编程的芯片，它的功能强大，可以实现多种单片机开发的需求。STC89C51单片机相对开发方便，工作温度范围适合本系统，可以通过串口直接对程序进行下载，不需要专用的编辑器，操作简单。

方案二：

采用MSP430单片机作为系统的控制核心。该系列的单片机是一种16位的单片机，采用了精简指令集结构，处理能力强，其中大量的寄存器都可以参加多种算，具有大量的模拟指令和比较全面的寻址方式，同时由于它可以降低芯片的电源电压，并且拥有着独特的时钟系统，使其具有了超低的功耗，该系列的单片机运算速度快，片内资源丰富。但是该系列单片机大多被应用于便携式仪器仪表中，这些仪表需要电池供电，而且这种单片机的开发难度相对比较大，单片机的价格也比较昂贵，而对于本系统而言，只需要通过单片机进行一些简单的控制，对单片机的功能要求并不是很高，不需要一些比较复杂的控制，因此在能达到系统要求的情况下，对操作简单、价格低廉的单片机作优先考虑。

方案三：

使用PIC16F877A单片机作为系统的控制核心。该单片机是一种8位单片机微机，该系列的单片机大多用在最常用的一些运算指令，它在这一方面的效率较高，其内部具有Flash程序内存功能，可以对程序进行反复地擦写，但这一系列的单片机大多是专门用来处理一些特定的业务的而且开发成本高，难度相对大，不适合应用于本系统。

综合以上对于这几种单片机的描述，综合这些单片机的特点，考虑到资源的充分、合理利用和单片机价格以及开发的难易程度，最终决定选择STC89C51单片机作为本系统的主要控制核心。

显示模块显示器的选择

方案一：

通过LED数码管进行动态显示。数码管动态显示在单片机的诸多显示方式中，是最为广泛的显示方式之一。LED数码管的价格适中，而且对于本系统这种只需要显示数字或者简单字母的系统来说，较为适合。采用动态扫描法的LED数码管与单片机进行连接的时候，需要占用CPU的I/O口比较多，但是因为单片机的I/O口输出电流不够，所以就需要添加一个驱动电路，通过驱动电路将电流放大之后，来控制数码管的工作。

方案二：

采用LCD1602液晶显示屏进行显示。这种液晶显示屏是一种工业字符型液晶，是专门用来显示数字、符号、字母或者自定义字符等的液晶模块，液晶显示功能强大，可以同时显示出32个字符。这种液晶显示器采用并行数据传输，同时也可以采用串行数据传输，显示的内容为两行，每行16个字符，控制简单。

方案三：

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：