Design of the Temperature Control System Based on AT89S51
ABSTRACT :The principle and functions of the temperature control system based on microcontroller AT89S51 are studied, and the temperature measurement unit consists of the 1-Wire bus digital temperature sensor DS18B20. The system can be expected to detect the preset temperature, display time and save monitoring data. An alarm will be given by system if the temperature exceeds the upper and lower limit value of the temperature which can be set discretionarily and then automatic control is achieved, thus the temperature is achieved monitoring intelligently within a certain range. Basing on principle of the system, it is easy to make a variety of other non-linear control systems so long as the software design is reasonably changed. The system has been proved to be accurate, reliable and satisfied through field practice.
KEYWORDS: AT89S51; microcontroller; DS18B20; temperature
I. INTRODUCTION
Temperature is a very important parameter in human life. In the modern society, temperature control (TC) is not only used in industrial production, but also widely used in other fields. With the improvement of the life quality, we can find the TC appliance in hotels, factories and home as well. And the trend that TC will better serve the whole society, so it is of great significance to measure and control the temperature.
Based on the AT89S51 and temperature sensor DS18B20, this system controls the condition temperature intelligently. The temperature can be set discretionarily within a certain range. The system can show the time on LCD, and save monitoring data; and automatically control the temperature when the condition temperature exceeds the upper and lower limit value. By doing so it is to keep the temperature unchanged. The system is of high anti-jamming, high control precision and flexible design; it also fits the rugged environment. It is mainly used in peoples life to improve the quality of the work and life. It is also versatile, so that it can be convenient to extend the use of the system. So the design is of profound importance. The general design, hardware design and software design of the system are covered.
II. SYSTEM GENERAL DESIGN
The hardware block diagram of the TC is shown in Fig. 1. The system hardware includes the microcontroller, temperature detection circuit, keyboard control circuit, clock circuit, Display, alarm, drive circuit and external RAM. Based on the AT89S51, the DS18B20 will transfer the temperature signal detected to digital signal. And the signal is sent to the microcontroller for processing. At last the temperature value is showed on the LCD 12232F. These steps are used to achieve the temperature detection. Using the keyboard interface chip HD7279 to set the temperature value, using the microcontroller to keep a certain temperature, and using the LCD to show the preset value for controlling the temperature. In addition, the clock chip DS1302 is used to show time and the external RAM 6264 is used to save the monitoring data. An alarm will be given by buzzer in time if the temperature exceeds the upper and lower limit value of the temperature.
III. HARDWARE DESIGN
A. Microcontroller
The AT89S51 is a low-power, high-performance CMOS 8-bit microcontroller with 4K bytes of in-system programmable Flash memory. The device is manufactured using Atmelrsquo;s high-density nonvolatile memory technology and is compatible with the industry-standard 80C51 instruction set and pinout. The on-chip Flash allows the program memory to be reprogrammed in-system or by a conventional nonvolatile memory programmer. By combining a versatile 8-bit CPU with in-system programmable Flash on a monolithic chip, the Atmel AT89S51 is a powerful microcontroller which provides a highly-flexible and cost-effective solution to many embedded control applications. Minimum system of the microcontroller is shown in Fig. 2. In order to save monitoring data, the 6264 is used as an external RAM. It is a static RAM chip, low-power with 8K bytes memory.
B. Temperature Detection Circuit
The temperature sensor is the key part in the system. The Dallas DS18B20 is used, which supports the 1-Wire bus interface, and the ON-BOARD Patented is used internally. All the sensor parts and the converting circuit are integrated in integrated circuit like a transistor [1]. Its measure range is -55℃ ~125 ℃, and the precision between -10℃ ~85 ℃ is plusmn;0.5℃ [2 ,3]. The temperature collected by the DS18B20 is transmitted in the 1-Wire bus way, and this highly raises the system anti-jamming and makes it fit in situ temperature measurement of the rugged environment [4].
There are two power supply ways for the DS18B20. The first is external power supply: the first pin of the DS18B20 is connected to the ground; the second pin serves as signal wire and the third is connected to the power. The second way is parasite power supply [5]. As the parasite power supply will lead to the complexity of the hardware circuit, the difficulty of the software control and the performance degradation of the chip, etc. But the DS18B20(s) can be connected to the I/O port of the microcontroller in the external power supply way and it is more popular. Therefore the external power supply is used and the second pin is connected to the pin P1.3 of the AT89S51. Actually, if there are multipoint to be detected, the DS18B20(s) can be connected to the 1-Wire bus. But when the number is over 8, there is a concern to the driving and the more complex software design as well as the length of the 1-Wire bus. Normally it is no more than 50m. To achieve distant control, the system can be designed in to a wireless one to break the length limit of the 1-Wire bus [6].
C. LCD Circuit
The LCD 12232F is used, which can be used to show characters, temperature value and time, a
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温度控制系统的设计
摘要：研究了基于AT89S 51单片机温度控制系统的原理和功能，温度测量单元由单总线数字温度传感器DS18B 20构成。该系统可进行温度设定，时间显示和保存监测数据。如果温度超过任意设置的上限和下限值，系统将报警并可以和自动控制的实现，从而达到温度监测智能一定范围内。基于系统的原理，很容易使其他各种非线性控制系统，只要软件设计合理的改变。该系统已被证明是准确的，可靠和满意通过现场实践。
关键词：单片机；温度；温度
I. 导言
温度是在人类生活中非常重要的参数。在现代社会中，温度控制（TC）不仅用于工业生产，还广泛应用于其它领域。随着生活质量的提高，我们可以发现在酒店，工厂和家庭，以及比赛设备。而比赛的趋势将更好地服务于整个社会，因此它具有十分重要的意义测量和控制温度。
在AT89S51单片机和温度传感器DS18B20的基础上，系统环境温度智能控制。温度可设定在一定范围内动任意。该系统可以显示在液晶显示屏的时间，并保存监测数据，并自动地控制温度，当环境温度超过上限和下限的值。这样做是为了保持温度不变。该系统具有很高的抗干扰能力，控制精度高，灵活的设计，它也非常适合这个恶劣的环境。它主要应用于人们的生活，改善工作和生活质量。这也是通用的，因此它可以方便地扩大使用该系统。因此，设计具有深刻的重要性。一般的设计，硬件设计和软件系统的设计都包括在内。
II. 系统总体设计
该系统硬件包括微控制器，温度检测电路，键盘控制电路，时钟电路，显示，报警，驱动电路和外部RAM。基于AT89S51单片机，DS18B20的将温度信号传送到数字信号的检测。和信号发送到微控制器进行处理。最后，温度值显示在液晶12232F。这些步骤是用来实现温度检测。使用键盘接口芯片HD7279在设定温度值，使用微控制器保持一定的温度，并使用液晶显示的温度控制设定值。此外，时钟芯片DS1302用于显示时间和外部RAM6264是用来保存监测数据。报警将给予及时蜂鸣器如果温度超过了上限和下限温度值。
III. 硬件设计
A. 微控制器
在AT89S51单片机是一种低功耗，高性能CMOS 8位4K的系统内可编程闪存字节微控制器。该设备是采用Atmel的高密度非易失性内存技术，并与业界标准的80C51指令集和引脚兼容。片上闪存程序存储器可以编程就可以在系统或由传统的非易失性存储器编程。通过结合在系统灵活的8位CPU集成在一个芯片可编程闪存，Atmel的单片机AT89S51是一个功能强大的微控制器提供了一个高度灵活的和具有成本效益的解决方案很多嵌入式控制应用。为了节省监测数据，6264是用来作为外部RAM。它是一个静态RAM芯片，低功耗具有8K字节的内存。
B. 温度检测电路
温度传感器是该系统的关键部分。达拉斯DS18B20的使用，它支持1 - Wire总线接口，板上专利是在内部使用。所有的传感器部分和转换电路集成在一个晶体管集成电路像[1]。其测量范围为-55℃〜125℃，在-10℃〜85℃精度为plusmn;0.5℃[2，3]。由DS18B20的温度采集传输在1 - Wire总线的方式，这种高度提高了系统的抗干扰，使之适合在恶劣的环境现场温度测量[4]。有两个电源DS18B20的供应方式。首先是外部电源供给：DS18B20的第一脚连接到地面，第二引脚用作信号线，三是连接到电源。第二种方式是寄生电源[5]。由于寄生电源会导致硬件电路，软件控制的难度和芯片的性能下降等，但DS18B20的（s）的复杂性，可以连接到I/ O端口的单片机在外部电源供电方式，它更受欢迎。因此，外部电源供应使用，而第二个接脚连接到引脚P1.3可单片机AT89S51。其实，如果多有被检测，DS18B20的（S）可以连接到1 - Wire总线。但是，当数超过8，有一个向驾驶和更复杂的软件设计，以及1 - Wire总线长度的关注。一般而言，这是不超过50米。为了实现远程控制，该系统可在一个无线之一，旨在打破了1 - Wire总线长度的限制[6]。
C. LCD显示器电路
液晶显示12232F使用，这可以用来显示字符，温度值和时间，并提供一个友好的显示界面。该12232F是一个具有8192128times;32像素的汉字数据库和128个16 times;8像素的ASCII字符集图形液晶显示。它主要由行驱动器/列驱动器和128times; 32点阵的充分显示图形，以及7.5 times;2个汉字功能的液晶显示器。它是在并行或串行方式连接到外部CPU[7]。为了节约硬件资源，12232F应以串行方式连接到单片机AT89S51，只有4个输出使用的端口。液晶显示屏灰度可以通过调整可变电阻连接的液晶VLCD的PIN码。CLK是用于传输串行通信时钟。SID是用于传输串行数据。CS是用来使能控制，液晶显示。L 是用来控制LCD背光电源。
D. 时钟电路
达拉斯DS1302的使用，这是一种高性能，低功耗和实时时钟芯片与RAM。在DS1302的服务于带有日历时钟系统，用于监测的时间。读取数据的时间由AT89S51单片机，再由液晶显示处理。另外的时间可以调整键盘。在DS1302的晶体振荡器设定为32768Hz的，建议的补偿电容是6pF。振荡器的频率较低，所以有可能不连接的电容器，这不会有很大的不同的时间精度。备用电源可以连接到3.6V的可充电电池。
E. 键盘控制电路
系统中的键盘接口HD7279A的驱动下，它有一个 5 V单电源，这是连接，无需使用任何有源设备的键盘和显示。根据基本要求和系统功能，只有6个按钮是必要的。该系统的功能是由输入的数据接收单片机AT89S51。为了节省外部电阻器，1times; 6使用键盘和键盘代码定义为：07h的，0FH，17H条，1FH，27H款，2Fh的。该命令可以读出通过阅读代码指令。 HD7279A是连接到单片机AT89S51的串行模式，只有4个端口的需要。DIG0〜DIG5和DP分别列线和六个键是实现键盘监控，解码和识别关键代码行线端口。
F. 报警电路
为了简化电路，调试方便，是一个5V的蜂鸣器自动报警电路中的应用[8]。这使得软件编程简化。它是由9012 PNP晶体管的基连接到AT89S51单片机的引脚P2.5。当温度超过上限和下限的值，P2.5输出低电平使晶体管上，然后由一个报警蜂鸣器定。
G. 驱动电路
一个步进电机作为驱动装置来控制温度。四相和八打脉冲分配模式是用来驱动电机和简单的延时程序是用来处理脉冲之间的时间间隔，获得不同的转速。有两个步进电机的输出状态。一：当温度超过上限值时，电机反向旋转（以低的温度），而当低于下限值时，电机旋转正常（提高温度），除了不等于预设值。二：当温度在两者之间的某处结束，等于设定值时，电机停止。这些步骤是用来实现温度控制。此外，电机的转速也可以调整相对按钮。代码数据是通过港口答11〜A8的输入（P2.3〜P2.0的是）的逆变器74LS04由AT89S51单片机和反向输出。最后，它被放大功放2803A权力电机。
IV. 软件设计
按照一般设计要求，该系统的硬件电路原理，以及该程序的可读性，可移植性和改进的调试方便，软件设计模块化。系统流程主要包括以下8个步骤：POST（加电自检），系统启动，温度检测，报警处理，温度控制，时钟芯片DS1302的操作，液晶显示和键盘操作。给一点分析，上述8个任务，很容易地发现，过去五年任务需要实时操作。但对温度的检测，可与TIMER0计时1秒，即出现温度检测达到每秒。系统启动包括全局变量的定义，内存启动，启动特殊功能寄存器和外围设备的启动。全局变量的定义，主要完成对外部接口连接到单片机AT89S51芯片，内存单位和一些特殊的定义的接口定义。开始主要是指RAM的内存处理。例如，当系统通电时间码将在内部单位地址或闪烁标志存储的信息将被清除。特殊功能寄存器包括加载启动定时器初值的开放中断。例如，当系统通电定时器初始化。外围设备的启动，是指设置外围设备的初始值。例如，当系统通电后，LCD应该被初始化，启动显示器应该叫，温度转换命令时，必须先发出的时钟芯片DS1302也要被初始化。报警处理主要是降低和温度的提高使温度保持在预设范围。当温度之间的上限和下限的值，这是不言而喻的温度控制处理，即需要的温度升高或降低根据预设值。这样做的条件温度等于设定值，从而达到温度的目标。
V. 结论
温度控制系统具有友好的人机交互界面，硬件简单，成本低，温度控制精度高（误差在plusmn;1℃范围内误差），便利性和多功能性等，它可广泛的场合使用的优点与-55℃至125℃范围内，且有一定的实用价值。
控制系统介绍
自动控制在工程学和科学的推进扮演一个重要角色。 除它的在空间领域应用的极端重要性之外，在导弹制导和航空器的驾驶系统等等，自动控制成为了重要和整体的部分、现代制造和工业生产方法。 例如，自动控制在这样工业操作中是必须的，如：在加工业中的控制压力、温度、湿气、黏度和流程加工、装卸和在制造工业生产流水线部分和许多其他方面。
由于自动化控制的进展，为动力系统实现最优性能，在理论和实践上的提供手段。提高质量和降低生产成本，扩大生产速度，减轻许多例行性，重复性的手工操作等，大部分工程师和科学家们现在在这一领域必须有一个良好的了解和合作。
在自动化控制一次具有重要意义的开拓性工作，是詹姆斯瓦特的离心调速器，在十八世纪为一台蒸汽机进行速度控制。在控制理论初期发展阶段的其他重大工程，是出于米诺尔斯基、哈森和奈奎斯特等等。在 1922 年，米诺尔斯基对自动控制器制导船只并呈现出怎样的稳定性，确定由微分方程进行系统描述。早在 1934 年，哈森将术语quot 差补 quot引入了位置控制系统，讨论了设计适应变化的输入的伺服继电器。
在 40 年代这十年间，频率响应法，使工程师有可能为人们设计完全满足设备性能要求的线性反馈控制系统。从 1940 年底至 1950 年初，根轨迹法在控制系统的设计得到充分的发展。
频率响应和根轨迹法，这是核心的经典理论，引出的是一个稳定系统，并满足了或多或少一系列变化了的性能要求。这种系统，是在一般情况，而不是在任何意义上的最优。自 20 世纪 50 年代末期开始，控制设计上的侧重点问题已经从有很多系统设计可以工作的系统，到设计一个一般意义上的最佳系统，使这些系统都可以工作。
一个现代装置有许多输入和输出，变得越来越复杂，描述一个现代控制系统需要大量的方程。经典控制理论，其中仅涉及到单输入单输出系统，完全无能为力，多输入-多输出系统变得更有效能。自约 1960 年，现代控制理论已经成功发展，以应付日益复杂的现代装置，以及精度、重量和工业应用方面的严格规定。
由于电子模拟的广泛应用，数字和混合计算机用于复杂的运算，在控制系统的设计中电脑的使用和在运行控制系统使用在线的电脑，正在成为普遍的做法。在现代控制理论最近期的发展，可以说是在既定方向上的最优控制方面的确定性和随机性系统，以及自适应和学习控制的复杂系统。在生物学、经济学、医学、社会学这些非工程学领域，现代控制理论的这种应用，现在正在进行之中，可以预期在不久的将来有着有趣和显著的效果。
其次，我们应引进必要的术语来描述控制系统。
装置.是设备，或者一套一起起作用机器的零件，目的是进行特殊操作。 在这儿我们将被控制例如热化熔炉、一个化学反应器或者航天器 的所有物体叫做装置。
过程.麦里亚.韦伯斯特字典将过程定义为一种自然的持续的操作或演变进程。其特征是一系列渐进的变化以相对固定的方式相继发生在操作或演变进程中，并产生特定的效果或结果；或者是人为或自发的、持续性的由一系列产生特定结果的被控操作或动作组成的工序。例子是化学、经济和生物学过程。
系统.系统是一起行动并且执行某一目的的组分的组合。 系统指不被限制的，例如在经济遇到的那些动态现象。因此，词“system” 应该解释为暗示物理、生物、经济等等系统。
干扰.干扰是倾向于对系统输出产生不利的影响的信号。 如果干扰在系统之内引起，它称内部干扰；而一个外在干扰在系统之外引起并且是输入。
反馈控制.在干扰面前，倾向于减少和参考输入的操作或一个任意地变化的，期待状态之间系统输出的偏差，并且根据这个偏差进行控制。 这里，变化莫测的干扰即，那些预先未知的参数被同样地选定，因为与可预测或已知的干扰，包括与系统的补偿总是可能的，使得测量是多余的。
反馈控制系统. 反馈控制系统是倾向于通过比较输出和参考输入之间偏差为既定的关系并作为控制的方法的一个系统。 注意反馈控制系统并没有被限制在工程学的领域，而是能在各种各样的非工程学领域例如经济和生物中找到。例如，人体组织，在一个方面，是类似于一个以庞大数量的操作单元组成的复杂化工厂。这个运输和化学制品反应网络中，过程控制介入各种各样的控制回路。 实际上，人体组织是一个极端复杂反馈控制系统。
伺服系统.伺服系统是输出是一些位移、速度或者加速度的反馈控制系统。所以，限位伺服系统和位置或速度或者加速度控制系统是同义的。 伺服系统广泛应用于现代产业。 例如，机床的完全地自动地工作，，也许是与程序指令一起成功的利用伺服系统。
自动调节系统.一个自动调节的系统是参考输入或期望输出是常数或随时间缓慢
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