单片机DS18B20温度控制系统研制论文

总体电路原理图设计好后，在KEIL3里用C语言编出相应的程序，程序调试在没有问题后，接着就对程序进行仿真，总体思路是：由局部到整体。首先进行键盘设定温度值并用数码管显示的仿真，再进行DS18B20采集温度并用数码管显示的仿真，这两个关键部分完成后，就进行总体程序的仿真。

将4×4键盘的扫描程序编好后，在PROTEUS里进行仿真，发现当我按下某个按键时，数码管的百位，十位，各位显示的都是那个键的值，比如我按下3的时候，这三个位的数码管都是3，思考了许久，我初步判断原因可能是是按键按下后，因为键盘一直处于按下的状态，而按键扫描程序扫描按键的速度非常快，以至于我按下一次，键盘扫描了好些次，如此想后，我就设定一个标志位，按键按下置1，键抬起置0，但效果依旧不佳；最后，我在扫描每行键的最后都加上一个判断按键是否释放的程序，如释放，再读取键值，如此之后，就能正确输入按键的值，比如，我要输入123，就只需要依次按下1、2、3。

如图5-1所示，键盘设定初值32℃并用数码管显示

图5-1 键盘设定温度32℃仿真

根据DS18B20的时序图编好程序并在KEIL3里检查好语法没有错误后，链接到PROTEUS里进行仿真。开始在PROTEUS里设定改变温度的步长为1℃，在软件里也就相应的将采集到的温度设置为整数，上下限与这个整数相差为一度。这样会使误差加大，之后将仿真的步长改为0.1℃，程序也做出相应的的修改，使实际温度保留一位小数。仿真能够获取实际温度，这个实际温度可从DS18B20的仿真模型中设置。如图5-2所示，PROTEUS仿真温度采集，获取当前的环境温度为28.7℃。

图5-2 温度采集仿真

因为实际温度保留一位小数，在仿真的时候，就出现了一个错误，比如，我设定的温度为28摄氏度时，在正确的情况下，蜂鸣器会在实际温度小于27℃和大于29℃报警，但是仿真出来的结果是小于27℃时，蜂鸣器报警，但是当温度大于29℃时蜂鸣器并未报警，直至实际大于30℃时蜂鸣器才会报警。仔细检查程序后，我发现在读温度子程序模块中，我读取的是实际温度的10倍并取整，然后在我将其与实际值比较之前，又让其除以10，所得值赋给一个整形数，这样就出现了这样种情况，比如，我最初测得的实际值是27.8℃，10倍变为278℃，这是为了方便显示，为了判断是否报警，我要将其与设定值比较，又设定值是个整形数，因此，将此数缩小10倍，赋给一个整形数后实际温度就变为27℃。如此实际温度就当于自减了1℃，故要到实际值为30℃时才能报警。实际温度比设定小1℃能报警，又是因为，只有实际值比设定值小1℃才会报警，实际温度等于设定的下限并不会报警，因此，（27.0-27.9）℃赋值给整形数始终是27℃，只有当实际温度小于27℃时，实际值才会小于下限（设定值28-1），蜂鸣器才会警报。找出问题的所在后，我将设定值扩大10倍，再与实际值的10倍比较，这样就很好的解决了这个问题。仿真总体完毕。

由上可知，在仿真调试过程中，我遇到了很大的麻烦。在仿真的过程中，有时会感觉程序和硬件都没有一点问题，但是就是不能实现系统所要实现的功能，因为它不允许软件和硬件有一点问题，哪怕是细小的一点问题都不允许。举一个最简单的例子，就拿数码管显示程序的调试仿真来说，PROTEUS 里单片机的I/O口可以直接驱动动态显示的数码管，但在实际中却是不可以的。

因为在PROTEUS中加热装置和实际出入大，所以在PROTEUS里进行加热仿真就是成功也没有太大的实际意义，所以我只进行了系统中两个重要部分的软件仿真，以及这两部分合起来的一个总体仿真。

仿真结果符合预期后，我就着手实物的制作，将所用到的元件焊接在电路板后，就开始测试系统性能。第一次因为焊接技术不过关，数码管显示时好时坏，为了求得个良好的结果，我又重新将元件焊接在另一块板子上，积累了上次焊接的经验后，第二次的焊接效果比之前好了很多，数码管显示正常。由于是动态显示，数码管的亮度不是很高。

加热装置我选择的是PTC加热器，其功率为120W,很小，只能在比较小的空间内才能进行温度控制。在实际的试验中，DS18B20在以此加热器为圆心，以半径20CM为圆，高度不超过15CM圆柱范围内，控制效果良好，误差较小。以下简述实际试验的一些情况。

首先，给单片机上电后，设定温度为29℃，这个值就是我的期望值了，与此同时，软件中相应的把系统能容忍的温度上下限分别定为30℃和28℃，按下温度的切换键，显示当前温度为27.6℃，低于温控系统要求的下限，产生报警。因为实际温度小于设定温度，PTC加热，一小段时间后，警报解除，说明温度已进入温度控制系统的上下限之间，又过了一段时间（时间长短由DS18B20离PTC加热器的距离而变，但当系统稳定后，时间的差异性变小），实际温度达到29℃，PTC关断，其余温使温度继续上升，但没有触发警报，一段时间后，温度又降到29度，比29℃稍低一点，PTC就会加热，因为PTC的加热很快，冷却较慢，实际温度在PTC关断后，下降超过设定值的幅度很小，即使再小，PTC也会进行加热，如此循环，经过多次长时间的试验，实际温度28.8℃<T<29.8℃，误差为1℃左右，又由于DS18B20的误差为±0.5℃，累计的最大误差为2℃，这个误差在本系统中是可以容忍的。故本次毕业设计总体来说是成功的。

图5-3，为本次毕业设计的实物显示设定温度

图5-3 系统运行显示设定温度

图5-4 系统运行显示实际温度

无论仿真还是在实际试验中，本系统都达到了预期的要求。本次毕业设计主要完成的工作有：硬件电路图设计、软件编程与仿真调试、硬件制作等。以下是具体的总结：

(1)以AT89C51单片机为核心进行系统设计，输入通道采用DS18B20芯片，完成温度的采集以及输出数字量；输出通道采用光电耦合器控制双向可控硅作为开关管理PTC加热器的通断。通过双位控制调节可实现对温度的自动控制。由于输入端与输出端有光电隔离，能够有效地抑制干扰；

(2)在温度控制系统中采用双位控制算法，将单片机的某个口线作为双位控制器，通过置“0”或置“1”控制输出通道的通断。

(3)采用C51进行编程，通用性强。在原理图设计过程中使用了PROTEUS仿真，这些都节约了设计的时间，而且便于编写、调试、修改和增删，系统软件的编制采用了模块化的设计方法。

（4）制作硬件的时候采用双面的焊接板，辅于焊锡膏，焊接可靠，在完成时，用万用表对焊接件进行“虚焊”与短路测试。减少硬件调试不成功寻找因素的麻烦。

（5）根据温控空间的大小选择加热装置功率的大小。

（6）使用温度计对18B20所测得的温度进行校正，可使结果更接近真实情况。

本系统使用的AT89C51属于与C51系列兼容的8位单片机，这种单片机共4个I/O口，32根口线，资源较少，运用于较复杂的系统中需要扩展，而且扩展的空间也极为有限。随着工业的发展，对象的复杂程度不断加深，双位控制的缺陷也逐渐暴露出来，而另一方面随着智能控制如模糊控制、神经网络控制等先进控制技术的迅速发展，它们与常规PID控制相结合，扬长避短，发挥各自的优势，形成所谓的智能PID控制。

结合上面的论述，今后还需要做进一步的研究和解决的问题有：

(1)硬件方面，采用性能更优良的单片机对系统的硬件进行重新设计；

(2)控制算法方面，如要用于精确控制，双位控制不是好的选择，尝试采用现在得到快速发展的智能控制方法，如模糊控制、神经网络控制和模糊PID控制等等；

（3）在按键方面，采用4×4键盘，占用了I/O口的十二根口线，对于资源本身就少的89C51单片机来说，不是很经济，在复杂的系统中，按键应尽可能少占用I/O口。