基于51單片機(jī)的智能恒溫箱設(shè)計與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

目錄

1設(shè)計背景及內(nèi)容.....................................................1

1.1設(shè)計背景.....................................................1

1.2產(chǎn)品功能分析.................................................1

2設(shè)計方案遴選.......................................................2

2.1單片機(jī)的選擇.................................................2

2.2溫度傳感器的選擇.............................................2

2.3產(chǎn)品框圖設(shè)計.................................................3

3產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)...................................................3

4產(chǎn)品硬件設(shè)計.......................................................4

4.1AT89C51單片機(jī)................................................4

4.2DS18B20溫度傳感器............................................5

4.2.1DS18B20溫度傳感器......................................5

4.2.2溫度采集電路與單片機(jī)的連接.............................6

4.3按鍵設(shè)置.....................................................7

4.4LCD1602液晶顯示器............................................8

4.4.11602介紹...............................................8

4.5DC電源插座..................................................10

5產(chǎn)品軟件設(shè)計......................................................11

5.1主程序流程圖................................................11

5.2產(chǎn)品程序清單................................................12

6產(chǎn)品使用說明書....................................................12

6.1產(chǎn)品裝配圖..................................................12

6.2產(chǎn)品組裝....................................................13

6.3產(chǎn)品調(diào)試....................................................14

6.4產(chǎn)品使用說明................................................14

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7參考資料..........................................................15

附錄1元器件清單......................................16

附錄2電路原理圖......................................17

附錄3PCB設(shè)計圖......................................18

附錄4產(chǎn)品實物圖......................................19

附錄5主程序代碼......................................20

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基于51單片機(jī)的智能恒溫箱設(shè)計與制作

1設(shè)計背景及內(nèi)容

1.1設(shè)計背景

單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活，工作，科研，各個領(lǐng)域，隨著科技的不

斷進(jìn)步，生活中的一些常用電器都可以使用單片機(jī)進(jìn)行控制，比如電暖器，空

調(diào)等。隨著人類對生存環(huán)境的不斷改善和現(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)的不斷進(jìn)步，對溫度

的監(jiān)測和調(diào)控技術(shù)提出了更高的需求。在這篇文章中，我們將會對一種以單片

機(jī)控制為基礎(chǔ)的數(shù)字溫度器進(jìn)行描述，這種溫度表是一種多功能溫度表，它能

夠?qū)囟冗M(jìn)行設(shè)定，如果溫度超出了設(shè)定的范圍，就會自動報警。本設(shè)計中使

用單片機(jī)控制溫度傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過PID控制算法將

溫度變化進(jìn)行反饋到單片機(jī)處理后輸出控制指令。

造成高溫火災(zāi)有哪些原因？主要是電氣線路。電源線路，還有其它電氣設(shè)

備。例如：空調(diào)系統(tǒng)，電子元器件，精密儀器，設(shè)備的運(yùn)行等。在我們工作、

生活的環(huán)境里，不可避免溫度會升高。那么高溫引起的火災(zāi)也是最多的。主要

原因如下：

1.電器元件發(fā)熱：如電爐發(fā)熱器、電熱器等

2.環(huán)境溫度過高：空調(diào)外機(jī)；電腦、空調(diào)等用電設(shè)備；變壓器等電力設(shè)

備，電冰箱冷藏室等環(huán)境濕度大的地方。

3.靜電入侵：包括人體上靜電與靜電侵入。

如果在高溫狀態(tài)下使用空調(diào)就有可能導(dǎo)致機(jī)房著火事故發(fā)生，這種情況下

將會很危險，溫度報警系統(tǒng)無法發(fā)揮作用。其實溫度報警系統(tǒng)對熱設(shè)備進(jìn)行保

護(hù)是一種最簡單最實用的保護(hù)方法之一。當(dāng)室內(nèi)的氣溫超過了設(shè)備的正常氣

溫，引起了系統(tǒng)的停機(jī)或發(fā)生了火災(zāi)，此時，室內(nèi)的氣溫報警器才能起作用。

1.2產(chǎn)品功能分析

工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展以及對于恒溫的重視程度越來越高，恒溫箱也隨之出

現(xiàn)。恒溫實驗環(huán)境要求格外嚴(yán)格，所以針對實驗室來說，恒溫箱的作用顯得相

當(dāng)重要。在工業(yè)生產(chǎn)過程中我們對于恒溫箱的使用頻率十分頻繁，主要用于工

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業(yè)過程中。比如機(jī)械加工。在機(jī)械加工過程中，對于溫度要求比較高。所以針

對工業(yè)生產(chǎn)中所涉及的溫度控制具有一定針對性。比如：熱處理、烘干、冷卻

等，直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。所以針對恒溫有專門的恒溫箱產(chǎn)品出現(xiàn)。在工業(yè)

過程中使用恒溫箱會更加方便，對于一些產(chǎn)品的生產(chǎn)也會有較大的幫助。

在農(nóng)作物的生活環(huán)境中，溫度是至關(guān)重要的，所以我們會發(fā)現(xiàn)很多農(nóng)作物

都在大棚里培育，因為大棚能控制溫度。本文介紹了以蜂鳴器為電聲源的測溫

報警系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了測溫報警系統(tǒng)的設(shè)計和制造步驟和方法。這個測溫裝

置，設(shè)計簡單，使用方便，在溫室中也有不少。當(dāng)前環(huán)境溫度若超過設(shè)定的高

溫臨界溫度，則單片機(jī)將會發(fā)出報警信號，提醒人們，從而避免造成損失。

2設(shè)計方案遴選

2.1單片機(jī)的選擇

方案一:

STC89C51RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系統(tǒng)可編

程芯片，最高工作時鐘頻率為80MHz，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51

引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，具有在

系統(tǒng)可編程（ISP）特性。

方案二:

采用AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能

CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速

存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C051

是它的一種精簡版本。

兩種單片機(jī)均可達(dá)到設(shè)計要求，但AT89C51的優(yōu)點最突出的就是其認(rèn)知普

及率高，由于是N多年來教科書推薦的案例入門型單片機(jī)，提到51基本上就

是指的這種單片機(jī)，由于普及率高其累積的各種資料也是在眾多單片機(jī)中名列

前茅且最易獲得的，因此選用AT89C51單片機(jī)。

2.2溫度傳感器的選擇

方案一:

TMP75AIDR型號元器件屬于數(shù)字溫度傳感器，是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)和正溫

度系數(shù)(PTC)熱敏電阻的理想替代產(chǎn)品。該器件無需校準(zhǔn)或外部組件信號調(diào)

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節(jié)即可提供典型值為±1°C的精度。器件溫度傳感器為高度線性化產(chǎn)品，無需

復(fù)雜計算或查表即可得知溫度。

方案二:

DS18B20數(shù)字溫度傳感器提供9-Bit到12-Bit的攝氏溫度測量精度和一個

用戶可編程的非易失性且具有過溫和低溫觸發(fā)報警的報警功能。DS18B20采用

的1-Wire通信即僅采用一個數(shù)據(jù)線(以及地)與微控制器進(jìn)行通信。該傳感器

的溫度檢測范圍為-55℃至+125℃，并且在溫度范圍超過-10℃至85℃之外時還

具有+-0.5℃的精度。此外，DS18B20可以直接由數(shù)據(jù)線供電而不需要外部電源

供電。

由于成本原因，DS18B20價格低廉且實用，因此選用DS18B20溫度傳感

器。

2.3產(chǎn)品框圖設(shè)計

根據(jù)設(shè)計功能要求，本產(chǎn)品包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。本設(shè)計由

AT89C51單片機(jī)，LCD1602液晶顯示屏和報警電路，LED指示燈電路，溫度傳感

器電路，鍵盤、定時器、顯示模塊，電源供應(yīng)器，其他外圍器件與元器件等部

分組成。采用DS18B20溫度傳感器測溫。通電后DS18B20溫度傳感器測量出當(dāng)

前環(huán)境的溫度并通過溫度轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，得到當(dāng)前環(huán)境氣溫的數(shù)值。

通過液晶顯示模塊對當(dāng)前環(huán)境溫度的數(shù)值進(jìn)行顯示。溫度測量范圍是從0到

99.9攝氏度，測量精度為0.1攝氏度。系統(tǒng)框圖如圖所示。

液晶顯示報警模塊

按鍵模塊51單片機(jī)繼電器輸出

溫度傳感器最小系統(tǒng)

圖2.3.1系統(tǒng)框圖

3產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

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[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術(shù)軟件工程術(shù)語；

[5]GB/T8566-2007信息技術(shù)軟件生存周期過程標(biāo)準(zhǔn)；

[6]GB/T8567-2006計算機(jī)軟件文檔編制規(guī)范。

4產(chǎn)品硬件設(shè)計

4.1AT89C51單片機(jī)

AT89C51是一個非常通用的單片機(jī)，可以用于各種需要控制的應(yīng)用領(lǐng)域。

如無線遙控、智能卡、工業(yè)自動化等。使用范圍廣，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、

儀器儀表等領(lǐng)域，支持多種擴(kuò)展功能：A/D轉(zhuǎn)換，內(nèi)部鎖存，數(shù)據(jù)保護(hù)，時

鐘，定時器/計數(shù)器，中斷處理等；支持16位數(shù)據(jù)輸入/輸出；支持8位地址

線與32位數(shù)據(jù)線；支持內(nèi)部和外部時鐘源以及多個外設(shè)接口；內(nèi)嵌16個通用

定時器可編程門陣列；使用8-位地址線和8-位定時器可編程門陣列；內(nèi)嵌通

用串行口I/O芯片與USB接口；集成的Flash內(nèi)存單元可用于存儲程序、指

令和代碼。AT89C51單片機(jī)實物圖如圖，原理圖如圖。

圖4.1.1AT89C51單片機(jī)實物圖

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圖4.1.2AT89C51單片機(jī)原理圖

4.2DS18B20溫度傳感器

4.2.1DS18B20溫度傳感器

該溫度傳感器由DS18B20和液晶LCD1602組成。它是由兩部分組成。一部

分是一個電阻。其中光電開關(guān)的值通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，然后送到單片

機(jī)進(jìn)行處理并存儲測量結(jié)果數(shù)據(jù)，最后通過液晶顯示的結(jié)果來顯示當(dāng)前溫度。

DS18B20工作原理，系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)、DS18B20溫度傳感器，

數(shù)據(jù)采集電路，液晶顯示部分，鍵盤控制部分等構(gòu)成。單片機(jī)與溫度傳感器之

間通過DS18B20的串口進(jìn)行通訊。液晶顯示部分可以實現(xiàn)對當(dāng)前溫度和濕度的

調(diào)節(jié)。輸入引腳說明（最大值、平均值、最小值、均值、中值和高位數(shù)）在數(shù)

字溫度傳感器芯片中，一個是外部元件，一個是內(nèi)部元件。從外部元件測量時

會產(chǎn)生一系列與溫度有關(guān)的模擬信號，通常這些信號不能被直接輸入到芯片

中。DS18B20數(shù)字溫度傳感器的內(nèi)部邏輯運(yùn)算單元由32個數(shù)字和模擬運(yùn)算單元

組成。這些器件都具有低功耗特性，可以在數(shù)據(jù)總線上工作。

當(dāng)DS18B20溫度傳感器在工作時，期間通過該元器件的電流很小，僅

1mA，但是電路一般是用5V電源，所以為了防止元器件被燒壞或者信號不穩(wěn)

定，我們需要選擇與元器件串聯(lián)一個小額電阻，一次保證DS18B20溫度傳感器

的正常工作。當(dāng)通電工作時，DS18B20溫度傳感器將測量出來的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化

為串行數(shù)字信號，通過引腳傳輸給單片機(jī)。具體引腳展示與封裝如圖。

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圖4.2.1.1DS18B20具體引腳展示與封裝圖

4.2.2溫度采集電路與單片機(jī)的連接

產(chǎn)品使用DS18B20溫度傳感器測量溫度，其與單片機(jī)的原理圖如圖。

圖4.2.2.1DS18B20原理圖

當(dāng)通電工作時，DS18B20溫度傳感器將測量出來的溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信

號然后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的輸入端口，當(dāng)單片機(jī)接收到該數(shù)字信號后，其通過內(nèi)部

時鐘源進(jìn)行串行輸入，然后再以一定的速率發(fā)送給DS18B20。從而使DS18B20

產(chǎn)生串行數(shù)字信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的I/O口。這樣當(dāng)我們對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定時，在

系統(tǒng)開機(jī)的情況下首先顯示當(dāng)前的溫度為多少度。我們也可以手動觸摸

DS18B20芯片，讓它人工加熱，這時我們可以看見顯示屏上的當(dāng)前溫度在一點

點增加，當(dāng)你松手時溫度則會慢慢降回去。

數(shù)據(jù)流程圖如圖所示。

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開始

初始化DS18B20

跳過讀序列號

啟動溫度轉(zhuǎn)換

初始化DS18B20

跳過讀序列號

讀取溫度寄存

器

將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

得到實際溫度值

結(jié)束

圖4.2.2.2DS18B20數(shù)據(jù)流程圖

4.3按鍵設(shè)置

按鍵操作模塊包括：開關(guān)機(jī)、溫度表、定時器中斷等操作。

采用了單片機(jī)的PB11，PB12，PB13三個接口，通過按鍵設(shè)置溫度值，當(dāng)

溫度達(dá)到預(yù)定值時，蜂鳴器發(fā)出報警信號。按鍵原理圖如圖。

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圖4.3.1按鍵原理圖

K1是復(fù)位鍵，按一次將更改的溫度上下限值都變回初始的值。

K2是設(shè)置鍵，按一次溫度上限區(qū)域跳動，進(jìn)入溫度上限值設(shè)置區(qū)域，可以

進(jìn)行對上限溫度的設(shè)置；按兩次溫度下限區(qū)域跳動，進(jìn)入溫度下限值設(shè)置區(qū)

域，可以進(jìn)行對下限溫度的設(shè)置；按第三次退出溫度上下限值的設(shè)置。

K3按鍵是減少鍵，按一下減少一度溫度上限或者溫度下限值。

K4按鍵是增加鍵，按一下增加一度溫度上限或者溫度下限值。

注意：設(shè)置溫度上限值與溫度下限值時，溫度上限值不能低于溫度下限

值，同理溫度下限值也不能超過溫度上限值。當(dāng)需要將溫度下限值調(diào)至當(dāng)前溫

度上限值之上，需要先將溫度上限的值提高再調(diào)整溫度下限的值。

4.4LCD1602液晶顯示器

4.4.11602介紹

LCD1602液晶顯示器基本結(jié)構(gòu)是由顯示單元，驅(qū)動電路，主電路板，電源

線以及信號線，按鍵和接口電路，顯示芯片，液晶模塊（液晶顯示屏），電源

供給（直流/交流），屏幕亮度調(diào)節(jié)及溫度調(diào)節(jié)等接口電路構(gòu)成。使用方法與

注意事項：使用時應(yīng)按照各部分的功能使用，防止發(fā)生故障。

LCD1602液晶顯示器具有高亮度、小尺寸、高分辨率、快速響應(yīng)等特點，

可以廣泛應(yīng)用于顯示裝置中。如汽車儀表、計算機(jī)顯示卡，工業(yè)設(shè)備的控制面

板等場合。

在日常生活中，我們對它并不陌生，它是一種新型的顯示屏，采用了一塊

16×2行點陣LCD屏。在LCD1602顯示屏上可顯示數(shù)字和符號兩種數(shù)據(jù)信息；

其響應(yīng)速度為0.5ms.LCD具有分辨率高、功耗低等特點；且有較寬的響應(yīng)范

圍以及較大面積的顯示范圍。它有很好的性價比，是目前生產(chǎn)和應(yīng)用比較廣泛

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的顯示器產(chǎn)品。原理圖如圖。

圖4.4.1.1LCD1602液晶顯示器原理圖

液晶顯示是通過光線在屏幕上反射來實現(xiàn)的。它由三部分組成。其中一個

是背光燈，可以產(chǎn)生不同顏色的光線；二是反射板，主要用于控制光從液晶屏

向外傳播，從而使屏幕上顯示不同顏色的畫面；三是液晶的透光層，可以起到

透光作用。

顯示的過程中需要一個特殊的光源，稱為顯色器件。顯色器件產(chǎn)生的是

紅、綠、藍(lán)三原色光，通過液晶分子排列組合成圖像。

LCD1602顯示流程如圖所示。

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開始

LCD1602初始化

設(shè)置為寫命令

設(shè)置顯示坐標(biāo)

設(shè)置顯示相應(yīng)字

否

上個字符是

否顯示完畢?

是

顯示下個字符

結(jié)束

圖4.4.2.1LCD1602液晶顯示流程圖

4.5DC電源插座

DC電源插座：主要用于筆記本電腦電源線和顯示器電源線，并可連接其它

電器設(shè)備使用。它主要由DC插頭、DC24V線頭和接線盒組成。DC電源插電檢

查開關(guān)、指示燈及控制裝置的工作情況等，同時也起到安全保護(hù)作用。DC電源

插孔，有單極與雙極之分。單聲道插頭用于插筆記本電腦電源線為單端交流供

電；雙端插頭用于插筆記本電腦交流電。

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圖4.5.1DC電源插座實物圖

5產(chǎn)品軟件設(shè)計

5.1主程序流程圖

開始

初始化液晶顯示

和定時器系統(tǒng)

進(jìn)入while循

環(huán)

調(diào)用顯示函數(shù)

調(diào)用按鍵函數(shù)

調(diào)用報警函數(shù)

調(diào)用讀取溫度

函數(shù)

結(jié)束

圖5.1.1主程序流程圖

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5.2產(chǎn)品程序清單

圖5.2.1產(chǎn)品程序清單圖

6產(chǎn)品使用說明書

6.1產(chǎn)品裝配圖

圖6.1.1產(chǎn)品裝配圖

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6.2產(chǎn)品組裝

圖6.2.1產(chǎn)品組裝圖

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6.3產(chǎn)品調(diào)試

1.先打開Keil4軟件。

2.新建工程選擇AT89C51單片機(jī)。

3.新建main.c文件。

4.編寫主程序代碼

5.編譯主代碼程序

6.運(yùn)行調(diào)試。

7.查看調(diào)試結(jié)果

8.發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品不能正常工作。產(chǎn)品已損壞，需要更換產(chǎn)品。

9.檢查是否還有其他功能存在，重新修改主程序。

10.更新主程序并燒錄數(shù)據(jù)文件。

11.檢查是否使用了錯誤的文件。

12.檢查主程序是否出現(xiàn)了錯誤問題（錯誤地址、代碼等）。

13.找出程序錯誤并直到無錯誤為止。

14.將代碼燒錄進(jìn)產(chǎn)品。

6.4產(chǎn)品使用說明

1.將產(chǎn)品擺在桌面上，元器件正面朝上。

2.先通電驗證LCD1602液晶顯示屏是否損壞。

3.LCD1602液晶顯示屏顯示三個溫度值

4.按下K2鍵1次，選擇K3或K4按鍵調(diào)整溫度上限值，再按下K2鍵一次，

調(diào)整溫度下限值，調(diào)整完畢后再次按下K2鍵退出調(diào)整模式。

5.當(dāng)前溫度高于設(shè)定好的溫度上限值時，紅色指示燈亮，蜂鳴器報警。

6.當(dāng)前溫度低于設(shè)定好的溫度下限值時，黃色指示燈亮，蜂鳴器報警。

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7參考資料

[1]基于STC89C52單片機(jī)的指紋密碼鎖系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].楊朋飛,聶亮,陳靖,蔡長龍.傳感器與微

系統(tǒng).2020(05)

[2]基于單片機(jī)的溫度報警器[J].柳文靜.電子測試.2020(03)

[3]基于無線通信技術(shù)的溫度報警器設(shè)計與實現(xiàn)[J].梁越勇,季航宇,浦希成.計算機(jī)與數(shù)字工

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[4]簡易溫度報警器設(shè)計與實現(xiàn)[J].金帥.自動化技術(shù)與應(yīng)用.2018(01)

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[7]基于AT89S52和DS18B20的數(shù)字溫度報警器的設(shè)計[J].余紅珍,秦宗鋒.自動化技術(shù)與應(yīng)

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[8]基于AT89S52單片機(jī)的紅外遙控溫度報警器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].聶茹.電子設(shè)計工程.2012(21)

[9]基于單片機(jī)的溫度報警器的設(shè)計與仿真[J].陳峰.電腦知識與技術(shù).2010(27)

15

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計

附錄

附錄1元器件清單