摘要：在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大的提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是工业生产中经常会遇到的控制问题。
本设计采用了STC89C52单片机组成温度控制系统，可以实现对蔬菜大棚的温度控制在设定值允许的误差范围内。温度传感器采用了数字式温度传感器DS18B20, 对温度进行实时采样。设置的键盘各显示模块可以预设加热的最终保持水温并进行实时显示预设温度和当前温度。 关键字：单片机；恒温控制；A/D 转换；传感器
Abstract: In industrial production, current, voltage, temperature, pressure, flow, flow rate and switching capacity are commonly used parameters of the main accused.Among them, the temperature controlling is more and more important. In many fields of the industrial production, people need the temperature detection and controlling of all kinds of heating furnace, heat treatment furnace, reactor and boiler. Using chip microcomputer to control temperature is not only convenient, simple and flexibility advantages of large, but also substantially increase the temperature was charged with the technical indicators,thus greatly improve the quality and quantity of products.Therefore, the single-chip temperature control of industrial production is often encountered in the control problem.
This design uses STC89C52 single-chip microcomputer temperature control system,it can be achieved on the greenhouse temperature control in the setting values of allowable error range.The temperature sensor adopts a digital temperature sensor DS18B20 to do the temperature real time sampling.Set keyboard display module can be preset heating finally keep water temperature and real-time display preset temperature and current temperature.
Key words: chip microcomputer; therm statical control ; AD conversion; sensor
目录
基于单片机的恒温控制系统 . ................................................................................ 错误！未定义书签。
摘要 .......................................................................................................................................................... 1
Abstract .................................................................................................................................................. 1
1. 绪论...................................................................................................................................................... 3
1.1 引言 . ........................................................................................................................................... 3
1.2.1 温度控制方法发展现状 . ................................................................................................ 3
1.2.2 温度测量方法发展现状 . ................................................................................................ 4
1.3 单片机实现温控系统的现状 . ................................................................................................... 6
2. 系统模块............................................................................................................................................... 7
2.1系统的硬件设计 . ........................................................................................................................ 7
2.1.1控制模块： . ..................................................................................................................... 7
2.1.2 DS18B20数字温度传感器 ............................................................................................. 8
2.1.3 ADC转换器ADC0832 ................................................................................................. 12
2.1.4 LED 显示结构 ............................................................................................................ 12
2.1.5 键盘接口原理 . .............................................................................................................. 13
2.2系统功能实现的设计 . .............................................................................................................. 14
2.2.1 温度采集 . ...................................................................................................................... 14
2.2.2 显示模块： . .................................................................................................................. 14
2.3 硬件连接 . ................................................................................................................................. 15
3 . 系统软件设计的相关技术 . .............................................................................................................. 16
3.1 程序的模块化设计 . ................................................................................................................. 17
3.2 系统软件原理设计 . ................................................................................................................. 18
3.2.1 按键功能定义 . .............................................................................................................. 18
3.2.2 温度传感器实时数据采集 . .......................................................................................... 19
3.2.3 调功输出控制 . .............................................................................................................. 19
3.3 程序运行结果 . ......................................................................................................................... 19
4 总结与展望 . ...................................................................................................................................... 21
5. 参考文献.............................................................................................................................................. 23
6. 致 谢.................................................................................................................................................. 24
附录 ........................................................................................................................................................ 25
1. 绪论
1.1 引言
温度是工业生产中常见的工艺参数之一, 任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关, 因此温度控制是生产自动化的重要任务。 对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制, 所采用的加热方式, 控制方式都不同。 随着单片机的飞速发展, 通过单片机对被控对象进行控制日益广泛, 具有体积小、功能强、性价比高等特点, 把单片机应用于温度控制系统中可以起到更好的控温作用, 电热恒温烘箱是使用单片机进行温度控制的典型应用, 采用单片机做主控单元, 无触点控制, 可完成对温度的采集和控制等的要求[1]。
我国北方冬季寒冷而漫长, 大力推广蔬菜大棚种植蔬菜能够更好地满足人民生活水平日益提高的需要。冬季蔬菜大棚管理最重要的一个因素就是温度的控制。温度管理一般把一天分为午前、午后、前半夜和后半夜4 个时段来进行温度调节。午前以促进光合作用、增加同化量为主, 一般应将棚温保持在25～30℃为宜; 午后光合作用呈下降趋势, 应将温度比午前降低5℃左右, 以20 ～25℃为好, 避免高温下养分消耗过多。日落后4～5h 内, 要将棚内温度从20℃逐渐降到15℃上下, 以促进体内同化物的运转。此后, 再将夜温降到10～12℃, 以抑制呼吸、减少消耗、增加积累。但不可把温度降得过低, 以免发生低温危害。另外, 阴雨天光照不足, 光合作用不能正常进行棚内温度也应比晴天低5℃左右, 以降低呼吸消耗。单片机是一种集CPU 、RAM 、ROM 、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机广泛用于现代工业控制中。控制具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点，因此如果能利用单片机进行温度的测量和控制，将会大大提高温度测量和控制的可靠性和灵活性。
1.2 温度控制系统的发展及现状
温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。常用的控制方法、电路以及所使用的测量方式根据应用场合和所要求的性能指标有所不同。
1.2.1 温度控制方法发展现状
最近十年来，在温度控制方法上有了快速的发展。己从传统的直接控制转变成PID 控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法等控制方法。
1．PID 控制即比例、积分、微分控制。这种控制由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制，所以应用极其广泛。该方法通过温
控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，差值作为PID 功能块的输入。PID 控制算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续。
2．人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法(即BP 算法) 应用最为广泛。
3．模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。
4．模糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。其特点是不须知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对象参数变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于对控制系统设计分析和标准缺乏系统的方法步骤，规则库缺乏完整性，没有明确的控制结构。PID 控制器结构简单，明确，能满足大量工业过程的控制要求，特别是其强鲁棒性能较好适应过程工况的大范围变动。但PID 本质是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非线性领域，因此，将模糊控制与PID 结合将具备两者的优点。即用过程的运行状态(温度偏差及温度变化率) 确定PID 控制器参数，用PID 控制率确定控制作用。主要的问题是合理地获得PID 参数的模糊校正规则。其实质是一种以模糊规则调节PID 参数的自适应控制，即在一般PID 控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节。
5．遗传算法 (Genetic Algoriths.简称GA) 是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。它将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作称为染色体的二进制串1或0。引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。基于遗传算法温控系统的设计就是传感器得到的温度信号放大，数字化送入单片机，单片机将其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化3个PID 参数，然后将控制量输出[2]。
1.2.2 温度测量方法发展现状
温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。在生产和科学研究中，为了便于测量结果准确一致，需要给物体冷热程误差较大，其
测量范围一般在400℃一3200℃。这类仪表有全辐射高温计，单辐射高温计和比色温度计三种。定量的描述。因此，有必要建立适当的标尺来衡量物体的冷热程度，以便科学地描述物体各种性能随温度变化的关系。温标就是温度的数值表示方法，它是借助于随温度变化而变化的物理量来定义温度数值的。各种各样温度计的数值都是由温标来决定的。所以可以说温标就是温度的标尺。温标是表示温度数值的一套规则，它明确了温度的单位[3]。
温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器通常由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号，传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有:膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断出现，目前，国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种:
1. 热膨胀式温度计。该温度计是利用膨胀法来测量温度的一种仪表。所谓膨胀法即是利用物质的热膨胀(体膨胀或线膨胀) 性质与温度的固有关系为基础实现的一种测温方法。基于此法所制成的仪表，习惯上称为膨胀式温度计。膨胀式温度计按选用的物质不同可分为液体膨胀式温度计，气体膨胀式温度计(压力式温度计) 和固体膨胀式温度计三大类。对于液体膨胀式温度计，根据填充的工作液不同又可分为水银温度计和有机液体温度计; 固体膨胀式温度计，按结构又可分为双金属温度计和杆式温度计两种。
2. 电阻温度计。热电阻是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的一种感温元件。使用热电阻作感温元件的温度计常称为电阻温度计。常用的热电阻有:铜电阻铂热电阻和镍热电阻。热电阻必须与二次仪表配合使用才能指示出被测介质的温度。
3. 热电偶。热电偶是用两种不同成份的导体焊接在一起，两端温度不同时，在回路中就会有热电势产生，因此热电偶是通过测量热电势从而测量温度的一种感温元件，它是一种变换器，它能将温度信号转变为电信号再由显示仪表显示出来。热电偶测量温度的基本原理是热电效应。它是热电效应理论的具体应用之一。在温度测量中得到了广泛的应用。其特点有测量精度高、结构简单、动态响应快、可作远距离测量(由于热电偶是利用热电势测温的，并且热电偶热电势的大小与其长短无关，所以信号可以远传，便于集中检测和自动控制) 、测温范围广。
4. 辐射式测温仪表。辐射式测温仪表是指依据物体辐射的能量来测量其温度的仪表。它属于非接触式测量仪表，具有测量温度高，反应迅速，热惰性小等优点。该仪表适用于有腐蚀性高纯度的物体以及运动状态物体的温度测量。在热处理行业中常用来测量高温盐炉，油炉和煤气炉的温度，由于它的感温部分不与测温介质直
接接触。因此，其测温精度不如热电偶温度计高，测量误差较大，其测量范围一般在400℃一3200℃。这类仪表有全辐射高温计，单辐射高温计和比色温度计三种。
1.3 单片机实现温控系统的现状
单片机是一种集CPU 、RAM 、ROM 、I/O接口和中断系统等部分于一体的器件，只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。因此，单片机广泛用于现代工业控制中。控制具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点，因此如果能利用单片机进行温度的测量和控制，将会大大提高温度测量和控制的可靠性和灵活性。单片机对温度测量控制过程是借助于传感器、A/D转换器以及扩展接口和执行机构来进行的。在闭环型过程控制中，过程的实时参数由传感器和A/D转换器来实时采集，并由单片机自动记录、处理并控制执行机构动作来进行调节和控制。因此需要对单片机进行扩展和开发，来形成整个单片机温度控制系统。
单片机的应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师[6]。
我国作为一个农业大国, 温室技术的发展比较晚, 与国外的技术相比有很大的差距。这主要是我国的温室技术兴起的比较晚的缘故。为了提高这方面的技术, 在自70年代末起, 我国先后从日本, 美国, 荷兰和保加利亚等过引进了不下40套的现代化温室成套设备, 虽然引进的这些温室设备技术领先, 设备先进, 但是在我国的使用过程中还存在这较为严重问题, 主要由于我国自然气候的特点和引进的设备不能相符合, 导致设备不能发挥作用, 加上设备的可改动性不大, 因而很难达到设备对温室内温度, 湿度等的合理控制。经过多年来的研究和实验, 我国的温室大棚技术发展到现在, 已经形成了比较完整和全面的体系。但在某些方面还有欠缺和需要改进的地方。譬如说对温度因子的控制水平, 控制精度以及控制稳定性方面都有待于进一步的提高。
通过单片机来控制加热的过程促进生产过程自动化。而生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、改善劳动条件、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段。采用温度控制系统来控制温度对企业具有重要的意义:
1. 降低劳动强度，改善劳动条件。采用单片机系统后，不再需要工人不停的对
加热炉进行检查。
2. 提高控制精度。单片机可以对温度进行实时的控制，降低温度加热的滞后性，以此提高加热的精度。
3. 提高工作效率，降低成本，采用单片机系统控制可以更快的达到恒温控制的效果，提高工作效率、节省能源、降低成本。
4. 提高企业对可控制电加热技术的应用水平，锻炼企业技术人员的开发、应用能力。
2. 系统模块
2.1系统的硬件设计
2.1.1控制模块：
根据温室温度控制系统的功能要求，控制模块包含功能：
①对温度信号、键盘手动设定（人机交互）信号的接收与辨认；
② 控制层调用PID 算法，对接收到的信号与设定值比较，进行处理，计算出控制量，通过数字信号来控制执行机构，实现致冷致热；
③报警功能：当温度不为设定值时发出报警信号直至温度达到要求；
④温度信号输出显示；
对控制器的选择有两种方案：
方案一：
采用FPGA （现场可编程门列阵）作为系统的控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA 软件仿真，调试，易于进行功能扩展，对FPGA 的编程在编译后是转化为FPGA 内的连线表，相当于FPGA 内提供了大量的与非门、或非门、触发器（可以用与非门形成吧）等基本数字器件。只要FPGA 规模够大，这些数字器件理论上能形成一切数字系统，包括单片机甚至CPU 。FPGA 在抗干扰，速度上有很大优势。操控层次低, 自由度大。FPGA 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。由检测模块输出的信号并行输入FPGA ，FPGA 通过程序设计控制光电耦合装置执行相应的动作，但由于温度控制是一个非短时间的控制，对数据处理的速度要求不高，FPGA 的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案二：
采用单片机作为系统的主控制器。单片机可以理解为集成在单一芯片上的微型计算机系统，麻雀虽小可是五脏俱全，也有运算器、控制器、存储器、总线及输入输出设备，采用也是存储程序执行的方式，对单片机的编程就是对其中的ROM 写入程序，在加电后ROM 中的程序会像计算机内存中的程序一样得到逐条的执行。单片机计算速度和性能有限，但在一些基本控制上搓绰绰有余。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
在本设计中，通过对FPGA 和单片机功能对比及本设计的要求，我们本学期已开设对单片机的学习课，对它了解更多，决定采用单片机来作为控制器进行中央处理，通过它来对信号进行接收，PID 算法处理，控制对两路光电耦合电路的选择，控制PWM 波的占空比来控制电机转速。
2.1.2 DS18B20数字温度传感器
DS18B20支持" 一线总线" 接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。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。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V ～5.5V 的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小, 适用电压更宽、更经济。DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM
中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的, 性能价格比也非常出色。
DS18B20工作原理:
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms 。 DS18B20测温原理如图所示。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℃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。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
DS18B20的主要特性:
（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V ，在寄生电源方式下可由数据线供电
（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实
现微处理器与DS18B20的双向通讯
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现
组网多点测温
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形
如一只三极管的集成电路内
（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、
0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms 内把温度转换为数字，12位分辨率时最多
在750ms 内把温度值转换为数字，速度更快
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以" 一线总线" 串行传送给CPU ，同时可传
送CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力
（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
DS18B20的外形和内部结构:
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH 和TL 、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图:
图2-3DS18B20外形
图2-4 DS18B20外形及仿真结构图
DS18B20使用注意事项:
主机控制DS18B20完成温度转换时，在每一次读写之前，都要对DS18B20进行复位，而且该复位要求主CPU 要将数据线下拉500μs ，然后释放。DS18B20收到信号后将等待16～60μs 左右，之后再发出60～240μs 的低脉冲。主CPU 收到此信号即表示复位成功。实际上，较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿。由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送方式，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格地保证读写时序，否则，将无法正确读取测温结果。
对于在单总线上所挂DS18B20的数量问题，一般人们会误认为可以挂任意多个DS18B20，而在实际应用中并非如此。若单总线上所挂DS18B20超过8个时，则需要解决微处理器的总线驱动问题，因此，在进行蓄电池单体多点测温系统设计时该问题要加以注意。
连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆且其传输长度超过50 m 时，读取的测温数据将发生错误。而将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150 m ，如采用带屏蔽层且每米绞合次数更多的双绞线电缆，则正常通信距离还可以进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的，因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题[7]。
在DS18B20测温程序设计中，当向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返同信号。这样，一旦某个DS18B20接触不好或断线，在程序读该DS18B20时就没有返回信号，从而使程序进入死循环。因此，在进行DS18B20硬件连
接和软件设计时，应当给予足够的重视。
2.1.3 ADC转换器ADC0832
ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832 可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高[8][9]。
图2-5 ADC转换器ADC0832引脚图
2.1.4 LED显示结构
LED 显示器是单片机应用系统中常用的输出器件。它由若干个发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔划发亮。控制不同组合的发光二极管导通，就能显示各种字符。常用的LED 显示器有7段和“米”字管之分，有共阴极和共阳极两种。共阴极LED 显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。共阳极LED 显示原理类似。
图2-6 LED显示结构图
2.1.5 键盘接口原理
键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它具有最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘上闭合建的识别是由专用硬件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。
图2-7 键盘接口结构图图
2.2系统功能实现的设计
2.2.1 温度采集
本设计采用数字传感器DS18B20，DS18B20是一种可组网的单线数字温度传感器，它采用单线总线结构，集温度测量和A/D转换于一体，直接输出数字量，用一根I/O线就可以传送数据与命令，其温度测量范围为-55℃~+125℃，精度为+/-0.5℃，使用中无需外部器件，可利用数据线或外部电源提供电能，供电电压范围为3.3~5.5V，通过编程实现9~12位分辨率读出温度数据。
使用时，将DS18B20的数据DQ 与单片机的一位具有三态功能的双向口连接就可以实现数据传输，为保证在有效的时钟周期内提供足够电流，采用外部电源单独供电，在数据线上加一个6.8K Ω的上拉电阻[10]。
具体接线如下：
图2-8 温度采集接线图
2.2.2 显示模块：
用来显示所侧得的温度，由单片机输入。
方案一：
采用LCD 液晶显示使用液晶显示屏显示时间和路程。液晶显示屏（LCD ）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势可视面积大，
画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示温度这样的数字，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，需要接上交流电压才能显示.LCD 两极相当于电容的两极, 需要不停的充放电才能. 其成本偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。
方案二：
使用传统的数码管显示。一般采用动态扫描的方式。八段数码管占用1BYTE 的数据线，通过选通线选择各个数码管的显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，称量快，精确可靠，操作简单。数码管是采用BCD 编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
根据以上的论述，采用方案二。在本系统中，我们采用了数码管的动态显示，节省单片机的内部资源，软件实施时难度也降低。
插座的输入端与单片机的I/O相接。上图中采用共阳极数码管，由于AT89C51单片机每个I/O口的拉电流只有1～2 mA ，但在灌电流驱动状态下能达到20mA 左右，如果采用共阴极数码管需要加驱动电路，而采用共阳极数码管则不需要驱动电路，可使电路得到简化。在电源输入端接入滤波电容器。
2.3 硬件连接
在选择好硬件后，必须进行有效的连接才能使各个元件发挥其功能。图给出了单片机系统中几个重要芯片的连接原理图，其他部分电路如单片机最小系统, 温度测量电路, 键盘电路, 数码显示电路, 外部加热炉电路。
图2-9 系统整体硬件连接图
3 . 系统软件设计的相关技术
软件是单片机的关键。设计一个单片机系统，在硬件平台确定之后，就可以通过设计不同的软件，实现不同的单片机功能。
在设计、实现单片机的软件系统时，需要考虑众多因素，如硬件需求、计算机硬件、操作系统等。由于选用专用的开发软件，必须具有一定的单片机以及数据采集设备配合使用[11][12]。
控制系统加电后主控单片机、LED 显示、温度传感器DS18B20复位，然后初始化单片机和温度传感器，初始化完成之后，程序开始扫描键盘等待设定目标温度值，设定完成后，程序则立即开始通过扫描温度传感器DS18B20来实时采集当前温度并显示。控制算法中，当设定值与实际温度值相差大于10℃时，控制电炉的输出功率为全功率，当两者相差小于10℃时采用比例控制，并在相差10~5℃时采用不同参数的比例控制，小于5℃时采用比例积分控制, 直至实际温度与设定温度相同时停止控制，程序进入等待控制状态，如果温度降到设定值以下则又开始控制。
图3-1 程序流程图
3.1 程序的模块化设计
数据采集系统的性能在很大程度上取决于其应用软件的研究与开发，所以在明
确了系统设计目标之后，应该采用好的程序开发方法，如结构化设计方法、模块化思想、多线程以及软件系统的评价标准等等。模块是定义了输入和输出，具有一定特性的程序实体。模块化设计（Modular Design）的核心是模块的划分。模块化结构是所有设计良好的软件系统的基本特点，任何一个大的程序系统，总是由若干功能相对独立的模块组成[13]。
模块化设计一般采用自顶向下的设计方法（Top-down Design ）划分模块。模块化设计要尽量使模块的划分合理。模块划分合理有以下两点要求：
1）各模块之间耦合（Coupling ）尽可能少。模块之间耦合尽可能少，说明各模块独立性（Module Independence ）好，接口少，减少了相互间的访问，也减少了出错的机会。
2）各单一模块内聚性（Cohesion ）高。各模块内聚性高说明该模块有一个专一的任务，划分合理，能提高开发效率[14][15]。
模块划分之后，要用图示的方法表示出个模块之间的关系，本设计的软件系统模块划分如图。系统程序的主要功能为模块划分的标准，其他包括数据采集，数据显示，数据比较等功能。
图3-2 程序模块功能图
3.2 系统软件原理设计
控制系统加电后主控单片机、LCD 显示、温度传感器DS18B20复位，然后初始化单片机和温度传感器，初始化完成之后，程序开始扫描键盘等待设定目标温度值，设定完成后，程序则立即开始通过扫描温度传感器DS18B20来实时采集当前水温并显示。控制算法中，当设定值与实际水温值相差大于10℃时，控制电炉的输出功率为全功率，当两者相差小于10℃时采用比例控制，并在相差10~5℃时采用不同参数的比例控制，小于5℃时采用比例积分控制, 直至实际水温与设定水温相同时停止控制，程序进入等待控制状态，如果水温降到设定值以下则又开始控制。
3.2.1 按键功能定义
本次设计中定义4个按键：设定、加、减、复位键。复位键由主控单片机的复位来实现，其余各键由P1口采集控制，分别为：P1.4、P1.1、P1.2口。设定初始值
时默认从高位到低位依次设定，用加减键实现数字的选择，按下设定键直接确认并跳到下一位，三位设定完成后主程序开始进行实时数据的采集和对输出的控制。
3.2.2 温度传感器实时数据采集
设计中选用数字传感器DS18B20，其内部可自动完成对温度模拟量到数字量的转换和放大，通过一根信号即可将实时温度参数读入主控单片机进行控制处理[16]。本设计中通过P2.2口进行信号传输，控制程序中只要对DS18B20初始化完毕就可以实时读取采集温度信号。
3.2.3 调功输出控制
主控单片机运算输出脉冲宽度可调的PWM 波用于双向可控硅在1s 内的导通和关断数从而调节输出给电炉的功率[17]。控制算法采用比例控制，当设定值与实际水温值相差大于20℃时，控制电炉的输出功率为全功率，当两者相差小于10℃时采用比例控制，当两者相差小于5℃时采用比例积分控制, 直至实际水温与设定水温相同后间歇控制，程序进入等待控制状态，如果水温降到设定值以下则又开始控制[18]。
3.3 程序运行结果
系统开始工作后，有键盘来设定蔬菜大棚所要达到的设定值，温度传感器DS18B20时事测定当前温度，若当前温度小于设定值，则加热炉开始工作，直到当前温度达到设定值；若当前温度大于设定值，则加热炉停止工作，温度开始下降，直到当前温度等于设定值；若设定值等于当前温度，则不采取任何措施。
当实时温度小于设定值时, 此时加热炉工作, 从而提高大棚的温度:
图3-3
当实时温度大于设定值时, 加热炉停止工作
:
图3-4
当实时温度与设定值相等时, 不采取任何措施: