湖南商務職業技術學院畢業設計

目錄

1設計背景及內容.....................................................1

1.1設計背景.....................................................1

1.2產品功能分析.................................................1

2設計方案遴選.......................................................2

2.1單片機的選擇.................................................2

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

2.3產品框圖設計.................................................3

3產品設計技術標準...................................................3

4產品硬件設計.......................................................4

4.1AT89C51單片機................................................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的連接.............................6

4.3按鍵設置.....................................................7

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

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

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

5產品軟件設計......................................................11

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

5.2產品程序清單................................................12

6產品使用說明書....................................................12

6.1產品裝配圖..................................................12

6.2產品組裝....................................................13

6.3產品調試....................................................14

6.4產品使用說明................................................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設計圖......................................18

附錄4產品實物圖......................................19

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

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基于51單片機的智能恒溫箱設計與制作

1設計背景及內容

1.1設計背景

單片機技術已經普及到我們生活，工作，科研，各個領域，隨著科技的不

斷進步，生活中的一些常用電器都可以使用單片機進行控制，比如電暖器，空

調等。隨著人類對生存環境的不斷改善和現代工業和農業的不斷進步，對溫度

的監測和調控技術提出了更高的需求。在這篇文章中，我們將會對一種以單片

機控制為基礎的數字溫度器進行描述，這種溫度表是一種多功能溫度表，它能

夠對溫度進行設定，如果溫度超出了設定的范圍，就會自動報警。本設計中使

用單片機控制溫度傳感器將溫度變化轉換成數字信號，再通過PID控制算法將

溫度變化進行反饋到單片機處理后輸出控制指令。

造成高溫火災有哪些原因？主要是電氣線路。電源線路，還有其它電氣設

備。例如：空調系統，電子元器件，精密儀器，設備的運行等。在我們工作、

生活的環境里，不可避免溫度會升高。那么高溫引起的火災也是最多的。主要

原因如下：

1.電器元件發熱：如電爐發熱器、電熱器等

2.環境溫度過高：空調外機；電腦、空調等用電設備；變壓器等電力設

備，電冰箱冷藏室等環境濕度大的地方。

3.靜電入侵：包括人體上靜電與靜電侵入。

如果在高溫狀態下使用空調就有可能導致機房著火事故發生，這種情況下

將會很危險，溫度報警系統無法發揮作用。其實溫度報警系統對熱設備進行保

護是一種最簡單最實用的保護方法之一。當室內的氣溫超過了設備的正常氣

溫，引起了系統的停機或發生了火災，此時，室內的氣溫報警器才能起作用。

1.2產品功能分析

工業生產技術的發展以及對于恒溫的重視程度越來越高，恒溫箱也隨之出

現。恒溫實驗環境要求格外嚴格，所以針對實驗室來說，恒溫箱的作用顯得相

當重要。在工業生產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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業過程中。比如機械加工。在機械加工過程中，對于溫度要求比較高。所以針

對工業生產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，直接影響著產品的質量。所以針對恒溫有專門的恒溫箱產品出現。在工業

過程中使用恒溫箱會更加方便，對于一些產品的生產也會有較大的幫助。

在農作物的生活環境中，溫度是至關重要的，所以我們會發現很多農作物

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，并詳細闡述了測溫報警系統的設計和制造步驟和方法。這個測溫裝

置，設計簡單，使用方便，在溫室中也有不少。當前環境溫度若超過設定的高

溫臨界溫度，則單片機將會發出報警信號，提醒人們，從而避免造成損失。

2設計方案遴選

2.1單片機的選擇

方案一:

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

程芯片，最高工作時鐘頻率為80MHz，器件兼容標準MCS-51指令系統及80C51

引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，具有在

系統可編程（ISP）特性。

方案二:

采用AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節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制造，與

工業標準的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。

兩種單片機均可達到設計要求，但AT89C51的優點最突出的就是其認知普

及率高，由于是N多年來教科書推薦的案例入門型單片機，提到51基本上就

是指的這種單片機，由于普及率高其累積的各種資料也是在眾多單片機中名列

前茅且最易獲得的，因此選用AT89C51單片機。

2.2溫度傳感器的選擇

方案一:

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

度系數(PTC)熱敏電阻的理想替代產品。該器件無需校準或外部組件信號調

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節即可提供典型值為±1°C的精度。器件溫度傳感器為高度線性化產品，無需

復雜計算或查表即可得知溫度。

方案二:

DS18B20數字溫度傳感器提供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報警的報警功能。DS18B20采用

的1-Wire通信即僅采用一個數據線(以及地)與微控制器進行通信。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可以直接由數據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產品框圖設計

根據設計功能要求，本產品包括硬件系統和軟件系統兩部分。本設計由

AT89C51單片機，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

前環境的溫度并通過溫度轉換單元進行溫度轉換，得到當前環境氣溫的數值。

通過液晶顯示模塊對當前環境溫度的數值進行顯示。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。系統框圖如圖所示。

液晶顯示報警模塊

按鍵模塊51單片機繼電器輸出

溫度傳感器最小系統

圖2.3.1系統框圖

3產品設計技術標準

[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信息技術軟件工程術語；

[5]GB/T8566-2007信息技術軟件生存周期過程標準；

[6]GB/T8567-2006計算機軟件文檔編制規范。

4產品硬件設計

4.1AT89C51單片機

AT89C51是一個非常通用的單片機，可以用于各種需要控制的應用領域。

如無線遙控、智能卡、工業自動化等。使用范圍廣，可廣泛應用于工業控制、

儀器儀表等領域，支持多種擴展功能：A/D轉換，內部鎖存，數據保護，時

鐘，定時器/計數器，中斷處理等；支持16位數據輸入/輸出；支持8位地址

線與32位數據線；支持內部和外部時鐘源以及多個外設接口；內嵌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；內嵌通

用串行口I/O芯片與USB接口；集成的Flash內存單元可用于存儲程序、指

令和代碼。AT89C51單片機實物圖如圖，原理圖如圖。

圖4.1.1AT89C51單片機實物圖

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圖4.1.2AT89C51單片機原理圖

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。其中光電開關的值通過串口與單片機進行通訊，然后送到單片

機進行處理并存儲測量結果數據，最后通過液晶顯示的結果來顯示當前溫度。

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

數據采集電路，液晶顯示部分，鍵盤控制部分等構成。單片機與溫度傳感器之

間通過DS18B20的串口進行通訊。液晶顯示部分可以實現對當前溫度和濕度的

調節。輸入引腳說明（最大值、平均值、最小值、均值、中值和高位數）在數

字溫度傳感器芯片中，一個是外部元件，一個是內部元件。從外部元件測量時

會產生一系列與溫度有關的模擬信號，通常這些信號不能被直接輸入到芯片

中。DS18B20數字溫度傳感器的內部邏輯運算單元由32個數字和模擬運算單元

組成。這些器件都具有低功耗特性，可以在數據總線上工作。

當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

定，我們需要選擇與元器件串聯一個小額電阻，一次保證DS18B20溫度傳感器

的正常工作。當通電工作時，DS18B20溫度傳感器將測量出來的溫度數據轉化

為串行數字信號，通過引腳傳輸給單片機。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的連接

產品使用DS18B20溫度傳感器測量溫度，其與單片機的原理圖如圖。

圖4.2.2.1DS18B20原理圖

當通電工作時，DS18B20溫度傳感器將測量出來的溫度轉化成串行數字信

號然后傳輸到單片機的輸入端口，當單片機接收到該數字信號后，其通過內部

時鐘源進行串行輸入，然后再以一定的速率發送給DS18B20。從而使DS18B20

產生串行數字信號傳輸到單片機的I/O口。這樣當我們對系統進行設定時，在

系統開機的情況下首先顯示當前的溫度為多少度。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前溫度在一點

點增加，當你松手時溫度則會慢慢降回去。

數據流程圖如圖所示。

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開始

初始化DS18B20

跳過讀序列號

啟動溫度轉換

初始化DS18B20

跳過讀序列號

讀取溫度寄存

器

將溫度數據轉換

得到實際溫度值

結束

圖4.2.2.2DS18B20數據流程圖

4.3按鍵設置

按鍵操作模塊包括：開關機、溫度表、定時器中斷等操作。

采用了單片機的PB11，PB12，PB13三個接口，通過按鍵設置溫度值，當

溫度達到預定值時，蜂鳴器發出報警信號。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是設置鍵，按一次溫度上限區域跳動，進入溫度上限值設置區域，可以

進行對上限溫度的設置；按兩次溫度下限區域跳動，進入溫度下限值設置區

域，可以進行對下限溫度的設置；按第三次退出溫度上下限值的設置。

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。當需要將溫度下限值調至當前溫

度上限值之上，需要先將溫度上限的值提高再調整溫度下限的值。

4.4LCD1602液晶顯示器

4.4.11602介紹

LCD1602液晶顯示器基本結構是由顯示單元，驅動電路，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），屏幕亮度調節及溫度調節等接口電路構成。使用方法與

注意事項：使用時應按照各部分的功能使用，防止發生故障。

LCD1602液晶顯示器具有高亮度、小尺寸、高分辨率、快速響應等特點，

可以廣泛應用于顯示裝置中。如汽車儀表、計算機顯示卡，工業設備的控制面

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顯示屏上可顯示數字和符號兩種數據信息；

其響應速度為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，是目前生產和應用比較廣泛

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的顯示器產品。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的。它由三部分組成。其中一個

是背光燈，可以產生不同顏色的光線；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。顯色器件產生的是

紅、綠、藍三原色光，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

設置為寫命令

設置顯示坐標

設置顯示相應字

否

上個字符是

否顯示完畢?

是

顯示下個字符

結束

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、指示燈及控制裝置的工作情況等，同時也起到安全保護作用。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產品軟件設計

5.1主程序流程圖

開始

初始化液晶顯示

和定時器系統

進入while循

環

調用顯示函數

調用按鍵函數

調用報警函數

調用讀取溫度

函數

結束

圖5.1.1主程序流程圖

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5.2產品程序清單

圖5.2.1產品程序清單圖

6產品使用說明書

6.1產品裝配圖

圖6.1.1產品裝配圖

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6.2產品組裝

圖6.2.1產品組裝圖

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6.3產品調試

1.先打開Keil4軟件。

2.新建工程選擇AT89C51單片機。

3.新建main.c文件。

4.編寫主程序代碼

5.編譯主代碼程序

6.運行調試。

7.查看調試結果

8.發現產品不能正常工作。產品已損壞，需要更換產品。

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據文件。

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.將代碼燒錄進產品。

6.4產品使用說明

1.將產品擺在桌面上，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按鍵調整溫度上限值，再按下K2鍵一次，

調整溫度下限值，調整完畢后再次按下K2鍵退出調整模式。

5.當前溫度高于設定好的溫度上限值時，紅色指示燈亮，蜂鳴器報警。

6.當前溫度低于設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單片機的指紋密碼鎖系統設計與實現[J].楊朋飛,聶亮,陳靖,蔡長龍.傳感器與微

系統.2020(05)

[2]基于單片機的溫度報警器[J].柳文靜.電子測試.2020(03)

[3]基于無線通信技術的溫度報警器設計與實現[J].梁越勇,季航宇,浦希成.計算機與數字工

程.2018(11)

[4]簡易溫度報警器設計與實現[J].金帥.自動化技術與應用.2018(01)

[5]基于AT89S52單片機的數字溫度報警器實現[J].李華,魏光杏.西安文理學院學報(自然科學

版).2016(06)

[6]基于51單片機的溫度監測報警系統設計研究[J].孫曉倩.赤峰學院學報(自然科學

版).2015(24)

[7]基于AT89S52和DS18B20的數字溫度報警器的設計[J].余紅珍,秦宗鋒.自動化技術與應

用.2012(12)

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

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

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附錄

附錄1元器件清單