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摘 要：本文介绍了以AT89S51单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。文中介绍了该控制系统的硬件部分，，还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构。
关键词：AT89S51；温度控制；传感器
引 言
当前人们对食品温度的控制要求也越来越高，对于低温冷藏车的温度控制也就相应的不断提高，而我设计的低温冷藏车就是为了达到这样的温度控制要求而进行设计的。我所采用的控制芯片为AT89S51，此芯片功能强大，能够满足设计要求。通过对电路的设计，对芯片的外围扩展，来达到对冷藏车温度的控制和调节功能。
总体上看，本设计采用单片机原理及微机控制原理来设计整个控制系统，用PID算法对系统进行控制。单片机的整个控制过程都是设计的重点，它包括从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现温度控制的全过程。我在整个设计过程中尽量做到浅显易懂，力求使读者看起来条理清晰、结构明朗。
1 控制原理
1.1 原理概括
本电路采用AT89S51单片机作为控制核心，电路用检测元件对检测温度信号进行采样，经过A/D转换为数字信号，送给单片机进行运算控制，通过发光二极管显示。因此整个电路包括AT89S51单片机、A/D转换电路ADC0804、电压比例放大电路等。
系统中的电路部分主要采用单片机控制，可是单片机系统本身只能处理电信号，而不能直接处理温度信号，所以只有把温度信号转换成电信号，才能够进行处理。因此设计的第一步就必需采用温度传感器将采样的温度模拟信号通过A/D转换成为电信号。本设计以实现设计基本任务要求为重点，力求在满足主要性能指标的基础上实现系统的最佳性能/价格比。根据设计任务基本要求，本设计应具有以下几种基本功能：
①可以进行温度设定，并自动调节温度到给定温度值。
②可以调整PID控制参数，满足不同控制对象与控制品质要求。
③可以实时显示给定温度与实测值。
④可以打印给定温度及实测值。
系统主要性能指标如下：
①温度设定范围：40～90摄氏度，最小区分度1摄氏度；
②控制精度：温度控制的静态误差小于等于1摄氏度；
③双3位LED数码管显示，显示温度范围0.0～99.9摄氏度；
④采用微型打印机打印温度给定值及时间间隔的水温实值。
1.2主控制部分
此方案采用AT89S51 八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。但是，AT89S51单片机需要用仿真器来实现软硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且AT89S51的地位已经渐渐的被AT89S51所取代。逐渐成为历史。事实也证明了AT89S51在工业控制上有着广泛的应用。
此温度开关控制，用于控制超过设定点温度时，开关及指示灯会动作；若小于设定点，则会关掉开关及熄灭指示灯。
2 硬件设计部分
2.1 传感器
温度传感器的种类较多。热电偶由于热电势较小，因而灵敏度较低；热敏电阻由于非线性而影响其精度；铂电阻温度传感器由于成本高，在一般小系统中很少使用。AD590是美国Analog Devices公司生产的二端式集成温度—电流传感器，具有体积小﹑重量轻﹑线性度好﹑性能稳定等一系列优点。它的测温范围为-570～+150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5～10V之间，稳定度为1℅时，误差只有±0.01℃，完全适用于本设计对水温测量的要求。某些结型半导体器件，例如二极管和三极管对温度呈现出敏感性，因而可用作温度敏感元件，因此可以利用这个特性，从它的输出电量的大小直接换算，而得到绝对温度值。
2.2 信号转换与放大电路
在硬件电路图中，三端温压器AD581提供10V标准电压，它与运算放大器OP-07和电阻R1，VR1，R2，VR2组成信号转换与放大电路，将35～95℃温度转换为0～5V的电压信号。由于水温变化相对缓慢，因此信号转换与放大电路对运算放大器的带宽没有要求。另一方面，AD590在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA和368.2uA，而运算放大器的输入失调电压﹑输入失调电流及其零点飘移相对较小，可忽略不计。因此，可采用通用型的运算放大器，比如OP-07。
OP-07的输入失调电压为10μV（A级），输入失调电流为0.3nA（A级），输入便置电流为±0.7nA（级），共模输入阻抗为200GΩ，频带宽度为0.6MHz，输出阻抗为60Ω，功耗为75mW。可应用于精密仪用放大器、传感放大器、桥式放大器、热耦放大器、精密测量系统、医疗器械设备、自动控制系统、波形发生与变换电路等领域。
2.3 电源部分
电路中涉及到AT89S51路，根据它的技术参数要求，正常工作时均为5V供电，且电路工作静态电流较小，因此对电源的要求并不高。它的输出电压为+5V，输出电流可达1.5A。电路由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。
由于我把两种电源公用了一组变压器和整流桥，经过整流后的12V不可能直接降压为5V，所以我在电路上串接了一个电阻R，以达到分压的作用。
2.4 显示电路
本课题的温度显示电路采用发光二接管显示，是由单片机芯片AT89S51发光二接管显示。如图所示
3 软件设计
3.1 工作流程图
本文中所设计的报警电路较为简单，由一个自我震荡型的蜂鸣器
主程序主要完成以下几项任务：
（a）初始化。设定可编程芯片的工作方式，对内存中的工作参数区进行初始化显示系统初始状态。
（b）在有键入操作时读取键值，并跳转到相应功能的子程序中去。
（c）子程序执行完毕返回主循环，等待下一次键入。
键盘输入中断服务程序
当有键入操作时通过引发8051的外部中断0的中断服务程序，中断服务程序流程图
3.2 程序
只要在蜂鸣器两端加上超过3V的电压，蜂鸣器就会叫个不停）和一个发光二极管组成（如图所示）。在这次设计中蜂鸣器是通过ULN2003电流放大IC来控制。在我们所要求的温度达到一定的上界或者下界时（在文中我们设置的上界温度是45℃，下界温度是5℃），报警电路开始工作。
结束语
单片机的优点是便于控制，利用单片机可以达到高度自动化。能控制生产过程和设备，实现程序控制、数字控制、最佳状态控制，能检测生产过程中各种参数，实现自动调节和管理自动化，利用单片机还能实现巡回控制、数据分析、显示等功能。本设计中所用的8051是MCS-51系列中使用最廣泛的芯片之一，由于其功能强大、价格适中，深受用户青睐。对于今天的电子技术应用起到了非常巨大的作用，对于今天的电子技术人员来说深入了解单片机，掌握其设计原理是非常重要的。
通过AT89S51定点温度控制的应用设计中，主要围绕着如何使单片机在现实生活中对工业起到更大的帮助，实现对工业温度的控制。不仅在工业方面起着重要的作用，而且在社会生活中同样有着很好的作用和帮助。通过本次的设计对单片机有了进一步的认识，相信以后在单片机应用方面，会更多更好地有利于人类。
参考文献
[1] 张志良主编.单片机原理与控制技术机械工业出版社.2014年.
[2] 唐育正主编.数字电子技术上海交通大学出版社.2013年.
关键词：AT89S51；温度控制；传感器
引 言
当前人们对食品温度的控制要求也越来越高，对于低温冷藏车的温度控制也就相应的不断提高，而我设计的低温冷藏车就是为了达到这样的温度控制要求而进行设计的。我所采用的控制芯片为AT89S51，此芯片功能强大，能够满足设计要求。通过对电路的设计，对芯片的外围扩展，来达到对冷藏车温度的控制和调节功能。
总体上看，本设计采用单片机原理及微机控制原理来设计整个控制系统，用PID算法对系统进行控制。单片机的整个控制过程都是设计的重点，它包括从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现温度控制的全过程。我在整个设计过程中尽量做到浅显易懂，力求使读者看起来条理清晰、结构明朗。
1 控制原理
1.1 原理概括
本电路采用AT89S51单片机作为控制核心，电路用检测元件对检测温度信号进行采样，经过A/D转换为数字信号，送给单片机进行运算控制，通过发光二极管显示。因此整个电路包括AT89S51单片机、A/D转换电路ADC0804、电压比例放大电路等。
系统中的电路部分主要采用单片机控制，可是单片机系统本身只能处理电信号，而不能直接处理温度信号，所以只有把温度信号转换成电信号，才能够进行处理。因此设计的第一步就必需采用温度传感器将采样的温度模拟信号通过A/D转换成为电信号。本设计以实现设计基本任务要求为重点，力求在满足主要性能指标的基础上实现系统的最佳性能/价格比。根据设计任务基本要求，本设计应具有以下几种基本功能：
①可以进行温度设定，并自动调节温度到给定温度值。
②可以调整PID控制参数，满足不同控制对象与控制品质要求。
③可以实时显示给定温度与实测值。
④可以打印给定温度及实测值。
系统主要性能指标如下：
①温度设定范围：40～90摄氏度，最小区分度1摄氏度；
②控制精度：温度控制的静态误差小于等于1摄氏度；
③双3位LED数码管显示，显示温度范围0.0～99.9摄氏度；
④采用微型打印机打印温度给定值及时间间隔的水温实值。
1.2主控制部分
此方案采用AT89S51 八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。但是，AT89S51单片机需要用仿真器来实现软硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且AT89S51的地位已经渐渐的被AT89S51所取代。逐渐成为历史。事实也证明了AT89S51在工业控制上有着广泛的应用。
此温度开关控制，用于控制超过设定点温度时，开关及指示灯会动作；若小于设定点，则会关掉开关及熄灭指示灯。
2 硬件设计部分
2.1 传感器
温度传感器的种类较多。热电偶由于热电势较小，因而灵敏度较低；热敏电阻由于非线性而影响其精度；铂电阻温度传感器由于成本高，在一般小系统中很少使用。AD590是美国Analog Devices公司生产的二端式集成温度—电流传感器，具有体积小﹑重量轻﹑线性度好﹑性能稳定等一系列优点。它的测温范围为-570～+150℃，满刻度范围误差为±0.3℃，当电源电压在5～10V之间，稳定度为1℅时，误差只有±0.01℃，完全适用于本设计对水温测量的要求。某些结型半导体器件，例如二极管和三极管对温度呈现出敏感性，因而可用作温度敏感元件，因此可以利用这个特性，从它的输出电量的大小直接换算，而得到绝对温度值。
2.2 信号转换与放大电路
在硬件电路图中，三端温压器AD581提供10V标准电压，它与运算放大器OP-07和电阻R1，VR1，R2，VR2组成信号转换与放大电路，将35～95℃温度转换为0～5V的电压信号。由于水温变化相对缓慢，因此信号转换与放大电路对运算放大器的带宽没有要求。另一方面，AD590在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA和368.2uA，而运算放大器的输入失调电压﹑输入失调电流及其零点飘移相对较小，可忽略不计。因此，可采用通用型的运算放大器，比如OP-07。
OP-07的输入失调电压为10μV（A级），输入失调电流为0.3nA（A级），输入便置电流为±0.7nA（级），共模输入阻抗为200GΩ，频带宽度为0.6MHz，输出阻抗为60Ω，功耗为75mW。可应用于精密仪用放大器、传感放大器、桥式放大器、热耦放大器、精密测量系统、医疗器械设备、自动控制系统、波形发生与变换电路等领域。
2.3 电源部分
电路中涉及到AT89S51路，根据它的技术参数要求，正常工作时均为5V供电，且电路工作静态电流较小，因此对电源的要求并不高。它的输出电压为+5V，输出电流可达1.5A。电路由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。
由于我把两种电源公用了一组变压器和整流桥，经过整流后的12V不可能直接降压为5V，所以我在电路上串接了一个电阻R，以达到分压的作用。
2.4 显示电路
本课题的温度显示电路采用发光二接管显示，是由单片机芯片AT89S51发光二接管显示。如图所示
3 软件设计
3.1 工作流程图
本文中所设计的报警电路较为简单，由一个自我震荡型的蜂鸣器
主程序主要完成以下几项任务：
（a）初始化。设定可编程芯片的工作方式，对内存中的工作参数区进行初始化显示系统初始状态。
（b）在有键入操作时读取键值，并跳转到相应功能的子程序中去。
（c）子程序执行完毕返回主循环，等待下一次键入。
键盘输入中断服务程序
当有键入操作时通过引发8051的外部中断0的中断服务程序，中断服务程序流程图
3.2 程序
只要在蜂鸣器两端加上超过3V的电压，蜂鸣器就会叫个不停）和一个发光二极管组成（如图所示）。在这次设计中蜂鸣器是通过ULN2003电流放大IC来控制。在我们所要求的温度达到一定的上界或者下界时（在文中我们设置的上界温度是45℃，下界温度是5℃），报警电路开始工作。
结束语
单片机的优点是便于控制，利用单片机可以达到高度自动化。能控制生产过程和设备，实现程序控制、数字控制、最佳状态控制，能检测生产过程中各种参数，实现自动调节和管理自动化，利用单片机还能实现巡回控制、数据分析、显示等功能。本设计中所用的8051是MCS-51系列中使用最廣泛的芯片之一，由于其功能强大、价格适中，深受用户青睐。对于今天的电子技术应用起到了非常巨大的作用，对于今天的电子技术人员来说深入了解单片机，掌握其设计原理是非常重要的。
通过AT89S51定点温度控制的应用设计中，主要围绕着如何使单片机在现实生活中对工业起到更大的帮助，实现对工业温度的控制。不仅在工业方面起着重要的作用，而且在社会生活中同样有着很好的作用和帮助。通过本次的设计对单片机有了进一步的认识，相信以后在单片机应用方面，会更多更好地有利于人类。
参考文献
[1] 张志良主编.单片机原理与控制技术机械工业出版社.2014年.
[2] 唐育正主编.数字电子技术上海交通大学出版社.2013年.