课程设计题目：单片机恒温箱温度控制系统的设计
本课程设计要求：本温度控制系统为以单片机为核心，实现了对温度实时监测和控制，实现了控制的智能化。设计恒温箱温度控制系统，配有温度传感器，采用DS18B2C数字温度传感器，无需数模拟/数字转换，可直接与单片机进行数字传输，采用了PID控制技术，可以使温度保持在要求的一个恒定范围内，配有键盘，用于输入设定温度；配有数码管LED用来显示温度。
技术参数和设计任务:
1、利用单片机AT89C2051实现对温度的控制，实现保持恒温箱在最高温度为110C。
2、可预置恒温箱温度，烘干过程恒温控制，温度控制误差小于i2C。
3、预置时显示设定温度，恒温时显示实时温度，采用PID控制算法显示精确到0.1 C。
4、温度超出预置温度±C时发出声音报警。
5、对升、降温过程没有线性要求。
6温度检测部分采用DS18B2C数字温度传感器，无需数模拟/数字转换，可直接与单片机进行数字传输
7、人机对话部分由键盘、显示和报警三部分组成，实现对温度的显示、报警。
一、本课程设计系统概述
1、系统原理
选用AT89C2051单片机为中央处理器，通过温度传感器DS18B20寸恒温箱进行温度采集，将采集到的信号传送给单片机，在由单片机对数据进行处理控制显示器，并比较采集温度与设定温度是否一致，然后驱动恒温箱的加热或制冷。
2、系统总结构图
总体设计应该是全面考虑系统的总体目标，进行硬件初步选型，然后确定一个系统的草案，同时考虑软硬件实现的可行性。总体方案经过反复推敲，确定了以美国Atmel公司推出的51系列单片机为温度智能控制系统的核心，并选择低功耗和低成本的存储器、数码显示器等元件，总体方案如下图：
图1系统总体框图
二、硬件各单元设计
1、单片机最小系统电路
单片机选用Atmel公司的单片机芯片AT89C2051,完全可以满足本系统中要求的采集、控制和数据处理的需要。单片机的选择在整个系统设计中至关重要，该单片机与MCS-51系列单片机高度兼容、低功耗、可以在接近零频率下工作等诸多优点，而广泛应用于各类计算机系统、工业控制、消费类产品中。
AT89C2051是AT89系列单片机中的一种精简产品。它是将AT89C51的P0 口、P2 口、EA/Vpp ALE/PROG PSENH线省去后，形成的一种仅20引脚的单片机，相当于早期Intel8031的最小应用系统。这对于一些不太复杂的控制场合，仅有一片AT89C2051就足够了，是真正意义上的“单片机” 。AT89C2051为很多规模
不太大的嵌入式控制系统提供了一种极佳的选择方案，使传统的51系列单片机
的体积、功耗大、可选模式少等诸多弱点不复存在。该型号单片机包括 ：
（1） 一个8位的微处理器（CPU ）。
（2） 片内有2K 字节的程序存储器（ROM 和128/256字节RAM （3） 15条可编程双向I/O 口线。
（4） 两个16位定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计 数，也可设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。 （5） 五个中断源的中断控制系统。
（6） —个全双工UATR 通用异步接收发送器）的串行I/O 口，用于实现单片机之 间或单片机与微机之间的串行通信。 （7） 片内含模拟比较器。 （8） 低功耗的闲置和掉电模式。
图2最小系统电路
AT89C205是一个20脚的双列直插封装（DIP ）芯片。最小系统电路包括晶体振 荡电路和手动复位电路，如图2。
本设计使用一片AT89C205就代替了原来的8031、EPROM2732地址锁存器 74LS373,因为AT89C205内部的2KBEPRO 和 128B 的RAM 对智能化温度传感器测
33pF
R2 10K
* RST Vcc (RXD)P3.0 P1.7 (TXD)P3.1 P1.6 XTAL2 P1.5 XTAL1
P1.4
(INT0)P3.2 P1.3 (INT1)P3.3 P1.2 (T0)P3.4 P1.1(AIN1 (T1)P3.5 P1.0(AIN0
GND
P3.7
+5V
1Ou F
R1 1K
2 3
4 1
1
19 18 17 16 6 15 7
8 9 10
AT89C2051
+5V 20 [
二 丫1
12MHz
5 14
11
试系统已能满足设计要求，而且降低了成本，结构设计也较精巧 2、温度传感器
采用数字温度传感器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
9?12位的数字值读数方式。可
以分别在93.75ms 和750m 内完成9位和12位的数字量,并且从DS18B2读出的信 息或写入DS18B2的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源 于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B2供电，而无需额外电源。因而 使用DS18B2可使系统结构更趋简单,可靠性更高，成本更低。测量温度范围为? 55C ?+125C 。C,在一 10C ?+85C 。C 范围内，精度为土 0.5 C 。DS182的精度 较差为土 2C 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统 的抗干扰性。其引脚分布如图3所示
图3 DS18B20引脚图
（1）引脚功能如下：
NC （1、2、6、7、8脚）：空引脚，悬空不使用。 VDD （3脚）:可选电源脚，电源电压范围3?5.5V 。 DQ （4脚）：数据输入/输出脚,漏极开路,常态下高电平。
⑵DS18B20测温原理
DS18B2的测温原理如图4所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响 很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器
1。高温度系数晶振随温度变化
其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存 器被预置在-55 C 所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信 号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1,计数器1 的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行 计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度 寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线
□□
mE
c C o'
DS1IB2Q
性，其输出用于修正计数器1的预置值。DS18B2在正常使用时的测温分辨率为
0.5 C,如果要更高的精度，则在对DS18B2测温原理进行详细分析的基础上，采取直接读取DS18B2内部暂存寄存器的方法，将DS18B2的测温分辨率提高到
0.1 ?0.01C。
图4测温原理图
⑶DS18B20与单片机接口电路
P1.3 口和DSI8B20的引脚DQS接，作为单一数据线。U2即为温度传感芯片DS18B20,本设计虽然只使用了一片DSI8B20，但由于不存在远程温度测量的考虑所以为了简单起见，采用外部供电的方式，如图2.6所示。测温电缆采用屏蔽4芯双绞线,其中一对线接地线与信号线,另一对接VC（和地线,屏蔽层在电源源端单点接地。
8
图5 DS18B20与单片机接口电路
3、键盘显示电路
LED^控制器的连接有并行和串行方式。由于串行方式占用较少接口，因此 得到广泛应用。显示电路中选用MAX721作为LEE3区动芯片。MAX721是一个高集 成化的串行输入/输出的共阴极LE 耶动显示器。每片可驱动8位7段加小数点的共 阴极数码管。片内包括BCD?码器、多路扫描控制器、字和位驱动器和 8X 8静态 RAM 外部只需要一个电阻设置所有LEE 显示器字段电流。MAX721和控制器只需 要三根导线连接，每位显示数字有一个地址由控制器写入。 允许使用者选择每位 是BC 译码或不译码。使用者还可以选择停机模式、数字亮度控制、从 1?8位选
择扫描位数和对所有LED 显示器的测试模式。 （1）引脚功能
MAX7219是24引脚芯片，它的引脚排列如图2.7所示。各引脚功能如下： 1） DIN （1脚）:串行数据输入端，当CLI 为上升沿时数据被载入16位内部移位寄
+5V
1 ” RST VCC
2 .(RXD)P3.0 P1.7
3 (TXD)P3.1 P1.6
4 .XTAL2 P1.
5 5
XTAL1 P1.4 6
~^0
(INT0)P3.2 P1.3
(INT1)P3.3
P1.2
8 ■仃
0)P3.4
P1.1(AIN1)
9 仃 1)P3.5 P1.0(AIN0)
10
? GND P3.7
GND
R15 4.7K U2
NC NC NC NC VDD NC DQ GND
U 1
20 19
18 17 16 15 14 13 12 11
1
2
7 3 4
DS18B20
6 5