【正文】 _ 指 導(dǎo) 教 師 _______________ __ 日 期 ________ 論文題目：單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 在工業(yè)生產(chǎn) 過程 中，人們需 要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制。 溫度控制無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用。那么無論是哪種控制，都希望水溫控制系統(tǒng)能夠有較高的精確度（起碼在滿足要求的范圍內(nèi)），從而實(shí)現(xiàn)了高精度的控制，解決身邊的問題。但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別； （ 3） 智能溫度傳感器 (亦稱數(shù)字溫度傳感器 )。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。同時數(shù)字溫度傳感器還可直接與微處理器進(jìn)行接口，大大方便了傳感器輸出信號的處理 .數(shù)字單總線溫度 傳感器是目前最新的測溫器件，它集溫度測量， A/D 轉(zhuǎn)換于一體，具有單總線結(jié)構(gòu)，數(shù)字量輸出，直接與微機(jī)接口等優(yōu)點(diǎn)。測量 結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。傳感器的頻率響應(yīng)高 ，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。 DS18B20 概述 DS18B20 是 Dallas 公司繼 DS1820 后推出的一種改進(jìn)型智能數(shù)字溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，只需一根線就能直接讀出被測溫度值，并可根據(jù)實(shí)際需求來編程 實(shí)現(xiàn) 9~12 位數(shù)字值的讀數(shù)方式。它是一個大于 281*1012的十進(jìn)制編碼，作為該芯片的唯一標(biāo)示代碼；最后 8位為前56位的 CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，由于每個芯片的 64位 ROM代碼不同，因此在單總線上能夠并接多個 DS18B20進(jìn)行多點(diǎn)溫度實(shí)習(xí)檢驗(yàn)。非易失 性可點(diǎn)擦除 EEPROM用來存放高溫觸發(fā)器 TH、低溫觸發(fā)器 TL和配置寄存器中的信息。成功執(zhí)行完一條 ROM 操作序列后，即可進(jìn)行存儲器和控制操作，控制器可以提供 6 條存儲器和控制操作指令中的任一條。外部電源供電模式是將 DS18B20的 GND直接接地， DQ與但單總線相連作為信號線， VDD與外部電源正極相連。然后計(jì)數(shù)器又開始計(jì)數(shù)直到 0，如果門周期仍未結(jié)束，將重復(fù)這一過程。 溫度 /數(shù)據(jù)關(guān)系（表 1） 表？ ？ DS18B20遵循單總線協(xié)議，每次測溫時都必須有 4個過程： ? 初始化； ? 傳送 ROM 操作命令； ? 傳送 ROM操作命令； ? 數(shù)據(jù)交換； DS18B20 的 ROM 命令 （ 1） read ROM（讀 ROM） .命令代碼為 33H，允許主設(shè)備讀 出 DS18B20的 64位二進(jìn)制 ROM代碼。命令代碼為 ECH，該命令用于鑒別和定位系統(tǒng)中超出程序設(shè)定的報(bào)警溫度值。 （ 8） Copy scratchpad(復(fù)制暫存器 )。該操作是在 DS18B20上電時自動執(zhí)行，若執(zhí)行該命令后又發(fā)出讀操作， DS18B20會輸出溫度轉(zhuǎn)換忙標(biāo)識： 0為忙，1完成。 T2 距 T0 為 15us，也就是說， T2 時刻前主機(jī)必須完成讀位，并在T0后的 60us~120us 內(nèi)釋放總線。水箱的水大約為 1 升，電熱爐功率為 400W；按鍵設(shè)定分為設(shè)置按鍵（ SET）， +1（ UP）， 1（ DOWN）功能，其特點(diǎn)是：按下 SET 鍵可進(jìn)行水箱溫度預(yù)設(shè)，預(yù)設(shè)值為所期望水箱水溫值，按下 SET 鍵后，可通過 UP和 DOWN 鍵進(jìn)行溫度閃爍加減設(shè)定；光耦采用 MOC3021，可控硅采用 BTA16；還有超溫報(bào)警功能，鑒于使用蜂鳴器聲音太小等原因，本功能采用市場上常用的音樂芯片 進(jìn)行設(shè)計(jì)，超溫將會發(fā)出聲光警聲報(bào)警。單片機(jī)應(yīng)用在檢測、控制領(lǐng)域中 ,具有如下特點(diǎn)。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 GND：接地。 P1 口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。 另外，該引腳被略微拉高 。注意加密方式 1 時， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。 數(shù)據(jù)存儲器： AT89S52 有 256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。當(dāng) WDT激活后，晶振工作， WDT在每個機(jī)器周期都會增加。為了復(fù)位 WDT，用戶必須向 WDTRST 寫入 01EH 和 0E1H（ WDTRST 是 只讀寄存器）。通過中斷退出掉電模式的情形有很大的不同。為了式下復(fù)位AT89S52，用戶應(yīng)該建立一個 定時器，定時離開待機(jī)模式，喂狗，再重新進(jìn)入待機(jī)模式。 表 T2CON：定時器 /計(jì)數(shù)器 2控制寄存器 TF2 EXF2 RCLK TCLK EXEN2 TR2 C/T2 CP/RL2 7 6 5 4 3 2 1 0 符號 功能 TF2 定時器 2溢出標(biāo)志位，必須軟件清 0， RCLK=1或 TCLK=1， TF2不用置位 EXF2 定時器 2外部標(biāo)志位， EXEN2=1時， T2EX上的負(fù)跳變出現(xiàn)或者重載時， EXEF2會被硬件置位。（下降沿觸發(fā)） CP/RL2 捕捉重載標(biāo)志位，當(dāng) EXEN2=1 時，如果定時器 2沒有作為串行時鐘， T2EX的負(fù)跳變引起定時器 2捕捉和重載，若 EXEN2=0，定時器 2將視 T2EX為無效。 4. 中斷 AT89S52 有 6 個中斷源：兩個外部中斷（ INT0 和 INT1），三個定時中斷（定時器 0、 2）和一個串行中斷。實(shí)際上，中斷服務(wù)程序必須判定是否是 TF2 或 EXF2 激活中斷，標(biāo)志位也必須由軟件清 0。實(shí)踐證明，當(dāng)每位顯示時間偏離 1ms 較多時，將會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。由于設(shè)計(jì)中精度沒有過高要求，故不需要顯示小數(shù)部分，所以 DP 端不需要連接，數(shù)碼管上顯示溫度的整數(shù)部分。 可控硅的優(yōu)點(diǎn)很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍；反應(yīng)極快，在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點(diǎn)運(yùn)行，無火花、無噪音；效率高，成本低等等。 圖 422 可控硅內(nèi)部等效圖 當(dāng)陽極 A 加上正向電壓時， BG1和 BG2 管均處于放大狀態(tài)。此時只能流過很小的反向飽和電流，當(dāng)電壓進(jìn)一步提高到 J1 結(jié)的雪崩擊穿電壓后，接差 J3 結(jié)也擊穿，電流迅速增加，圖 423 的特性開始彎曲，如特性 OR 段所示， 彎曲處的電壓 URO 叫 “ 反向轉(zhuǎn)折電壓 ” 。 由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表 42?？煽毓杞Y(jié)構(gòu)示意圖和符號圖 如圖 421所示。它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。 其中 采用三個 PNP 三極管（ 9012）進(jìn)行驅(qū)動，只有當(dāng) 、 或者 輸出低電平時，才能使 9012 導(dǎo)通，從而選通 LED。因此只能利用人眼對視覺的殘留效應(yīng)，采用動態(tài)掃描的顯示方法，逐個地循環(huán)點(diǎn)亮三個數(shù)碼管，每位顯示 1ms 左右，使人看起來就好像在同時顯示不同的字符一樣。它們?yōu)?AT89系列新產(chǎn)品預(yù)留定時器 2可以被寄存器 T2CON 中的 TF2 和 EXF2 的或邏輯觸發(fā)。因?yàn)樽R別 1－ 0 的跳變需要 2個機(jī)器周期 （ 24個晶振周期），所以，最大的計(jì)數(shù)頻率不高于晶振頻率的 1/24。 EXEN2 定時器 2外部允許標(biāo)志位，當(dāng) EXEN2=1時，如果定時器 2沒有用作 T2EX的負(fù)跳變引起定時器 2捕捉和重載，若 EXEN2=0，定時器 2將視 T2EX為無效。在定時工作方式中，每個機(jī)器周期， TL2 寄存器 都會加 1。在進(jìn)入待機(jī)模式前，特殊寄存器 AUXR 的 WDIDLE 位用來決定 WDT 是否繼續(xù)計(jì)數(shù)。有兩種方式可以離開掉電模式：硬件復(fù)位或通過一個激活的外部中斷。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到 8191(1FFFH)時， 13 位計(jì)數(shù)器將會溢出，這將會復(fù)位器件。 WDT 由 13位計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器中的看門狗定時器復(fù)位存儲器（ WDTRST）構(gòu)成。 AT89S52 存儲器配置 程序存儲器： 如果 EA引腳接地，程序讀取只從外部存儲器開始。 如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。 RST：復(fù)位輸入。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù) 據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2口輸出地址的高八位。 VCC：供電電壓。使用 Armel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 單片機(jī) AT89S52 介紹 單片機(jī)的發(fā)展方向 未來單片機(jī)的發(fā)展趨勢主要有：主流型機(jī)發(fā)展趨勢， 8位單片機(jī)為主流，少量 32 位機(jī)， 16 位可能被淘汰；全盤 CMOS 化趨勢； RISC 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展；大力發(fā)展專用單片機(jī)； OTPROM、 flashROM 成為主流供應(yīng)狀態(tài)； ISP 及基于 ISP 的開發(fā)環(huán)境；單片機(jī)的軟件嵌入；實(shí)現(xiàn)全面功耗管理；推行串行擴(kuò)展總線； ASMIC 技術(shù)的發(fā)展。因此，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)中的首要考慮對象。 圖 351 DS18B20 初始化時序圖 讀時間隙時序圖： 如圖 352 所示，主機(jī)總線 T0 時刻從高拉至低電平時，總線只須保持低電平 10us。命令代碼為 B8H。從第一個字節(jié)開始直到讀完第九個字節(jié) CRC讀完。命令代碼為 F0H,當(dāng)系統(tǒng)初次啟動時，主設(shè)備可能不知縱向上有多少個從設(shè)備或者它們的 ROM代碼，適用該命令可確定系統(tǒng)中的從設(shè)備個數(shù)及其 RON代碼。數(shù)據(jù)通過單線接口以串行方式傳輸。如果計(jì)數(shù)器在門周期結(jié)束前到達(dá) 0，則溫度寄存器（同 樣被預(yù)置到 55℃）的值增加，表明所測溫度大于 55℃。所有數(shù)據(jù)都是以最低有效位在前的方式進(jìn)行讀寫。因此，控制器必須首先提供下面 5個 ROM 操作命令之一： 1）讀 ROM； 2）匹配 ROM； 3）搜索 ROM； 4）跳過 ROM； 5）報(bào)警搜索。 （ 3）高速緩存器。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 DS18B20 的主要內(nèi)部部件，下面對 DS18B20內(nèi)部部分進(jìn)行簡單的描述 : (1)64位 ROM。 如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。當(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方 便。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的串?dāng)_信號。 溫度傳感器的選擇 現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個量的測量時首先要解決的問題。進(jìn)入 21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片機(jī)測溫系統(tǒng)等的方向發(fā)展。 因此 ， 研究溫度的測量和 控制方法 具有重要的意義。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關(guān)、可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品 有 LM5 AD22105 和 MAX6509。提高了系統(tǒng)的可移植性、擴(kuò)展性，利于現(xiàn)代測控、自動化、電氣技術(shù)等專業(yè)實(shí)訓(xùn)要求。 溫度傳感器 DS18B20 概述 .............................................................錯誤 !未定義書簽。 因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有 低功耗、高性能、可靠性好、易于產(chǎn)品化等 特點(diǎn)，因此 采用單片機(jī) 對溫度進(jìn)行控制不僅控制方便、簡單和靈活，而且可以提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。在水溫控制系統(tǒng)中，過低的溫度或過高的溫度都會使水資源失去應(yīng)有的作用，從而造成水資源的巨大浪費(fèi)。 溫度對于工業(yè)生產(chǎn)如此重要，由此推進(jìn)了 溫度傳感器的發(fā)展。智能溫度傳感器是在 20 世紀(jì)90 年代中期問世的，其內(nèi)部都包含溫度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器 (或寄存器 )和接口電路。 數(shù)字溫度傳感器可以直接將被檢測的溫度信息以數(shù)字化形式輸出，與傳統(tǒng)的模擬式溫度傳感器相比，具有測量精度高、功耗低、穩(wěn)定性好、外圍接口電路簡單特點(diǎn)。 研究內(nèi)容 本溫度控制系統(tǒng)以 AT89S52單片機(jī)為控制核心 ,由一數(shù)字溫度傳感器 DS18B20測量被控溫度，電熱爐執(zhí)行水溫上升環(huán)節(jié)，從而構(gòu)成一個 單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。 根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型 要進(jìn)行 — 個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。 線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 DS18B20 封裝形式及引腳功能 圖 DS18B20封裝形式和引腳功能 如圖 所示， DS18B20 的外形如一只三極管，引腳名稱及作用如下： GND:接地端。 （ 2）溫度傳感器。 64 位ROM 和單線接口 存儲和控制邏輯 高速緩存