【文章內(nèi)容簡介】 但在實(shí)際測量和控制中 ， 如何保證快速實(shí)時地對溫度進(jìn)行采樣 ， 確保數(shù)據(jù)的正確傳輸 ， 并能對所測溫度場進(jìn)行較精確的控制 ，仍然是目前需要解決的問題。溫度測控技術(shù)包括溫度測量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個方面。在溫度的測量技術(shù)中 ， 接觸式測溫發(fā)展較早 ， 這種測量方法的優(yōu)點(diǎn)是 ： 簡單、可靠、低廉、測量精度較高 ， 一般能夠測得真實(shí)溫度 ， 但由于檢測元件熱慣性的影響 ， 響應(yīng)時間較長 ， 對熱容 量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測量 ， 并且該方法不適宜于對腐蝕性介質(zhì)測溫 ， 不能用于超高溫測量 ， 難于測量運(yùn)動物體的溫度 。 另外的非接觸式測溫方法是通過對輻射能量的檢測來實(shí)現(xiàn)溫度測量的方法 ， 其優(yōu)點(diǎn)是 ： 不破壞被測溫場 ， 可以測量熱容量小的物體 ， 適于測量運(yùn)動物體的溫度 ， 還可以測量區(qū)域的溫度分布 ， 響應(yīng)速度較快 。但也存在測量誤差較大 ， 儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度 ， 測溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 價格昂貴等缺點(diǎn) 。 因此 ， 在實(shí)際的溫度測量中 ， 要根據(jù)具體的測量對象選擇合適的測量方法 ， 在滿足測量精度要求的前提下盡量減少投入 。 目前 ， 國內(nèi)已研制出利用計 算機(jī)、單片機(jī)和 PLC 的集群溫室集中控制系統(tǒng)和單棟溫室集中控制系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)的空氣溫濕度、光照、地溫、土壤濕度等參數(shù)進(jìn)行測量和控制。智能化溫室代表著溫室的發(fā)展方向 ， 將智能控制系統(tǒng)運(yùn)用到溫室環(huán)境因子的控制中 ， 正是目前智能溫室發(fā)展的趨勢。在各個方面與歐美等發(fā)達(dá)國家相比 ， 存在較大差距 ， 尚需深入研究。 [2] 本課題研究的主要內(nèi)容 隨著電子技術(shù)和單片機(jī)的迅速發(fā)展 ， 單片機(jī)測量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用 。 利用單片機(jī)對溫度進(jìn)行測控得到日益發(fā)展和完善 ， 且越來越顯示出其優(yōu)越性。 單片機(jī)在工業(yè)控制、尖端武 器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等各測控領(lǐng)域的應(yīng)用中獨(dú)占鰲頭 。 采用單片機(jī)來對溫度進(jìn)行控制 ， 不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn) ， 而且可以大幅度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)量和安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 數(shù)量。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn) ， 成為自動化和各個測控領(lǐng)域中必不可少且廣泛應(yīng)用的器件 ， 尤其在日常生活中也發(fā)揮越來越大的作用。因此 ， 單片機(jī)對溫度的控制問題是一個經(jīng)常會遇到的問題?；诖?， 本課題圍繞基于單片機(jī)的溫度測控系統(tǒng)展開應(yīng)用研究。 [3] 童昊：基于單片機(jī)的溫度采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計 4 第 2 章 本系統(tǒng)的總體設(shè)計 本系統(tǒng)的 構(gòu) 成與設(shè)計目標(biāo) 本溫度控制系統(tǒng) 用于選定區(qū)域內(nèi)的溫度的檢測與控制，系統(tǒng) 功能由 AT89C51 單片機(jī)及其外圍器件協(xié)同完成。由于在系統(tǒng)中所有的電壓均為 +5V， 故單片機(jī)通過 LM7805電源供電 ； 獨(dú)立鍵盤作為人機(jī)接口 ， 通過單片機(jī) 1/0 口輸入 ， 從而實(shí)現(xiàn)手動控制與人工調(diào)節(jié)功能 ； DS18B20 將檢測到的溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸入到單片機(jī)中 ， 通過單片機(jī)處理而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)溫度控制 功能 ； 強(qiáng)電控制與驅(qū)動電路用來控制 加熱器 和通風(fēng)機(jī)的啟停 ； 報警電路在溫室溫度超出設(shè)定范圍時發(fā)出報警聲 ； LED 顯示模塊主要是起到顯示功能 ， 把當(dāng)前溫度信息很醒目 的顯示在屏面上 ， 使人們能比較直觀進(jìn)行溫度設(shè)置 ， 了解受控環(huán)境目前的溫度信息 。 系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu) 框圖如圖 21 所示 ，系統(tǒng)由 AT89C51 單片機(jī)、電源模塊、鍵盤及顯示模塊、報警及指示模塊、控制模塊和傳感器模塊組成。 傳感器模塊由多個DS18B20 傳感器共同連接與單片機(jī) 口構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測；控制模塊由 SSR 固態(tài)繼電器、電機(jī)和電熱器組成；報警指示模塊由蜂鳴器和多個發(fā)光二極管組成；鍵盤及顯示模塊由五個獨(dú)立按鍵和 4 個 LED 數(shù)碼管 構(gòu)成。 本系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計具有以下功能 ： 。本裝置可以通過數(shù) 字 單總線 溫度傳感器對溫室內(nèi)的溫度進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)時 溫度 采集并顯示。 。本系統(tǒng)能夠通過控制溫度調(diào)節(jié) 模塊 ， 將溫室內(nèi)的溫度參數(shù)調(diào)節(jié)到用戶所設(shè)定的數(shù)值附近。 的實(shí)際需要 ， 設(shè)置 相應(yīng) 不同的溫度控制范圍 。系統(tǒng)設(shè)置及控制應(yīng)具備一定的靈活性。 。 當(dāng)溫室內(nèi)的溫度超出所允許的范圍時 ， 本系統(tǒng)裝置能夠發(fā)出 聲光報警 ，并 準(zhǔn)確提示 出 超限報警 區(qū)域所在。 鍵 盤 及 顯示 模 塊電 源A T 8 9 C 5 1 P 3 . 3 V s sD S 1 8 B 2 0V c cD S 1 8 B 2 0D S 1 8 B 2 0N 1 N 2N 3報 警 及 指示 模 塊傳感器模塊控 制 模 塊 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)的工作原理 該溫度測控系統(tǒng)的工作原理就是 用戶通過鍵盤輸入系統(tǒng)設(shè)定溫度的上限值與下限值 ， 溫度信息由集溫度測量和 A/D 轉(zhuǎn)換于一體的 DS18B20 溫度傳感器測量并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入主機(jī) (單片機(jī) AT89C51)， 此信號經(jīng)過標(biāo)度轉(zhuǎn)換后 ， 一方面通過 LED 將溫度顯安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 示出來 ； 當(dāng)測得的溫度越限時 ， 蜂鳴器報警 ； 另一方面 ， 將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較 ， 如果溫度過高則控制 SSR固態(tài)繼電器啟動降溫設(shè)備 ， 如果溫度過低則控制 SSR固態(tài)繼電器啟動加溫設(shè)備 ， 如果溫度在正常范圍之內(nèi)則繼續(xù)進(jìn)行溫度檢測。這樣就可以控制輸出設(shè)備 ， 實(shí)時調(diào)節(jié) 溫度的變化 ， 使其逐漸趨于給定值且達(dá)到控制的目的。 [4] 本 系統(tǒng)的性能設(shè)計指標(biāo) (1)溫度控制范圍 :－ 20℃ ~＋ 100℃ ； (2)溫度測量精度 : 177。 ℃ ； (3)顯示分辨率 : 177。 ℃ ； (4)工作電壓 :AC220V／ 50HZ177。 10%。 童昊：基于單片機(jī)的溫度采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計 6 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng) 單片機(jī) AT89C51 簡介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高 性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000 次。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 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 [5] AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字 節(jié) Flash閃速存儲器 ， 128 字節(jié) 8 位 內(nèi)部 RAM，32 個 I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工 串行通信 口，片內(nèi)振蕩器及 時鐘電路 。同時， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種 軟件 可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信 口及 中斷系統(tǒng) 繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。單片機(jī) AT89C51 的引腳圖如圖 31 所示 ： 圖 31 AT89C51 引腳圖 管腳說明： 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門電流，當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。 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。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。 并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 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。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 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。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口， 如 表 31 所示： 表 31 P3 口的特殊功能 口 表 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） RXD（串行輸入口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn)。 童昊：基于單片機(jī)的溫度采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計 8 EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。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。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 其中 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止 工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 [6] 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)工作的時間基準(zhǔn)是由時鐘電路提供的，在單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2 兩個管腳接一只晶振及兩只電容就構(gòu)成了單片機(jī)的時鐘電路，電路中電容器 C1 和 C2 對振蕩器頻率有微調(diào)作用，通常取（ 30177。10） pF 石英晶體選擇 6MHz或 12MHz都可以。 單片機(jī)的 RST 管腳為主機(jī)提供了一個外部復(fù)位信號輸入口。復(fù)位信號是高電平有效，高電平有效的持 續(xù)時間為 2 個機(jī)器周期以上。單片機(jī)的復(fù)位方式可由手動復(fù)位方式完成。電阻、電容器的參考值 R1=10kΩ、 C1=100μF、 C2=。 最小系統(tǒng) 由時鐘電路、復(fù)位開關(guān)和電源部分組成。如下圖 32： 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng) 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 單總線溫度傳感器 DS18B20 簡介 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有 LTM8877， LTM8874 等等。主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的 DS18B20 可用于 電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機(jī)房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。 技術(shù)性能描述：獨(dú)特的單