【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)可以完全運(yùn)用單片機(jī)和電子溫度傳感器對(duì)某處進(jìn)行溫度檢測(cè),并且還可以做到多點(diǎn)的溫度檢測(cè),如果對(duì)此原理圖稍加改進(jìn),甚至可以進(jìn)行遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控,這將會(huì)具有更大的實(shí)用價(jià)值 [5]。 課題在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r目前，國(guó)內(nèi)外的各種溫度采集控制系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)很成熟，在實(shí)際應(yīng)用中也非常普遍?；趹?yīng)用目的的不同，有各種類(lèi)型的溫控系統(tǒng)，如：有基于微機(jī)的溫控系統(tǒng)、有基于 DSP 芯片的溫控系統(tǒng)、有基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng) [6]。雖然這些系統(tǒng)不盡相同，但它們的基本原理和完成的功能都大致一樣。首先，由溫度傳感器負(fù)責(zé)采集溫度，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、濾波等處理后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；數(shù)字信號(hào)最后送入控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理和顯示，系統(tǒng)根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。 加拿大的 CSI 集團(tuán)公司根據(jù)聲學(xué)高溫測(cè)量原理研究開(kāi)發(fā)出了名為 BOILERWATCH 的鍋爐膛溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成測(cè)量 8 條單一路線(xiàn)上的平均溫度或按陣列編排的多達(dá) 24 條路線(xiàn)來(lái)測(cè)量溫度的分布。 BOILERWATCH 測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)值可以直接從輸入廠(chǎng)內(nèi)的分散控制系統(tǒng)（DCS） 、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）或輸入計(jì)算機(jī)供數(shù)據(jù)顯示和提取。可通過(guò) DCS 來(lái)向運(yùn)行人員提供溫度— 時(shí)間曲線(xiàn)，或在一臺(tái)裝有 CSI 公司的 TMS—WIN 軟件的計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)，也可以通過(guò) TMS—WIN 軟件令計(jì)算安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3機(jī)畫(huà)出空間溫度分布形態(tài)或提供其它的數(shù)據(jù)顯示公式 [7]。 溫度測(cè)量技術(shù)：接觸式測(cè)溫、非接觸式測(cè)溫、輻射式測(cè)溫。溫度控制技術(shù)：智能溫度控制法、PID 線(xiàn)性控溫法、定值開(kāi)關(guān)控制法。本論文采用的是接觸式測(cè)溫，定值開(kāi)關(guān)控制溫度法。主要目的是實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，保證水溫在所設(shè)定溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)作，此系統(tǒng)主要由溫度采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、加熱控制單元、輸入設(shè)定等部分組成。通過(guò)以上系統(tǒng)能夠做到設(shè)置水溫范圍以及自動(dòng)調(diào)節(jié)水溫。如果溫度在設(shè)定值范圍內(nèi)，則系統(tǒng)正常工作；如果低于設(shè)定的下限值，系統(tǒng)顯示低溫警報(bào)信號(hào)并保持加熱裝置為水箱加熱；如果超出溫度范圍上限值，系統(tǒng)發(fā)出高溫警報(bào)并控制系統(tǒng)負(fù)載停止工作。 課題研究的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)的內(nèi)容是溫度測(cè)試控制，控制對(duì)象就是溫度。溫度控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如浴室、水池、電源等場(chǎng)所的溫度控制。而以往溫度控制大多數(shù)是由人工完成的,但是對(duì)于溫度的檢測(cè)卻不夠重視，以致于許多的意外發(fā)生都是由于對(duì)溫度的檢測(cè)的誤差所導(dǎo)致的。本文將采用了單片機(jī)對(duì)溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。主要實(shí)現(xiàn)的功能有:對(duì)于被測(cè)控對(duì)象的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采用的方法主要是通過(guò)一傳感器（ DS18B20）將溫度轉(zhuǎn)變模擬電信號(hào),然后再將所得的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量送入單片機(jī)（AT89C51）中，最后單片機(jī)將傳感器所采集到的溫度和預(yù)先設(shè)定好的溫度進(jìn)行數(shù)值上的對(duì)比，當(dāng)對(duì)于小于設(shè)定值時(shí)將發(fā)出信號(hào),并啟動(dòng)加熱裝置；當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)將關(guān)閉加熱裝置，讓其自然冷卻,從而使得被控溫度控制在一定的范圍之內(nèi),達(dá)到實(shí)時(shí)控制的功能。通過(guò)一系列的對(duì)溫度的改變是其達(dá)到可以自動(dòng)控制溫度，滿(mǎn)足該設(shè)計(jì)的要求。田豐：基于單片機(jī)的溫度控制器的設(shè)計(jì)4第 2 章 溫度控制器的設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)整體方案和結(jié)構(gòu)由于本課題主要要求的是，完成一種基于 51 單片機(jī)和 DS18B20 溫度傳感器共同控制的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有溫度檢測(cè)、溫度范圍設(shè)置、溫度顯示、溫控控制信號(hào)輸出等功能。本文對(duì)于溫度控制系統(tǒng)硬件部分的研究，按功能大致可以分為以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、電源電路、聲光報(bào)警電路等。硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示。由結(jié)構(gòu)框圖可見(jiàn)，溫度控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制的主機(jī)，主控模塊由擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器構(gòu)成。被測(cè)對(duì)象的溫度，由 DS18B20 溫度傳感器檢測(cè)溫度。轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號(hào)將傳輸給給單片機(jī)讓其對(duì)其數(shù)值進(jìn)行處理，一方面將測(cè)得的溫度值通過(guò)控制面板上的 LCD 顯示器顯示出來(lái)；另一方面將該溫度值和設(shè)定的溫度值相比較，根據(jù)其偏差值的大小,采用控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過(guò)單片機(jī)的輸出管腳輸出控制信號(hào) [8]。進(jìn)而對(duì)被測(cè)物體溫度進(jìn)行控制。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過(guò)，或低于系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護(hù)電路會(huì)做出反應(yīng)，同時(shí)報(bào)警電路報(bào)警響起，從而保護(hù)被測(cè)對(duì)象。單片機(jī)快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集、然后處理、顯示溫度和控制主要是時(shí)鐘電路，提供的時(shí)鐘頻率，使單片機(jī)能正常的處理許多任務(wù)。其結(jié)構(gòu)方案圖如圖 21。溫 度 控 制 器DS18B20被 測(cè) 對(duì) 象加 熱 制 冷報(bào) 警 裝 置繼 電 器單片機(jī)電 源 電 路溫 度 設(shè) 定顯 示 溫 度圖 21 結(jié)構(gòu)方案圖 系統(tǒng)方案的選擇與說(shuō)明 主機(jī)模塊方案一：安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5ARM 處理器為 RISC 芯片，是 32 位的微處理器。具有體積小、功耗低、高性能，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，支持 16 位 32 位雙指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件，共有 37個(gè)寄存器，是目前應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的主流處理器 [9]。因此，使用 ARM 處理器來(lái)作為本課題的主控制芯片是可行的，但是其成本相對(duì)較高。方案二：51 內(nèi)核單片機(jī)是典型的微控制器，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。目前應(yīng)用廣泛的單片機(jī)類(lèi)型有 51 單片機(jī)、AVR 單片機(jī)、PIC 單片機(jī)等。其中 STC12C5A60S2 單片機(jī)屬于增強(qiáng)型單片機(jī)，具有高速，寬電壓，低功耗，低成本,根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)要求可知，使用 51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)所有功能。根據(jù)以上說(shuō)明可知，方案一功能強(qiáng)大，但是由于成本相對(duì)較高，而方案二也可以實(shí)現(xiàn)課題所有要求，并且成本非常低。因此本課題決定采用方案二，單片機(jī)STC12C5A60S2 單片機(jī)作為主機(jī)主控制芯片，而從機(jī)控制芯片則選擇成本更低的AT89C51 單片機(jī)作為控制芯片。 顯示模塊方案一：1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶，能夠同時(shí)顯示 32 個(gè)字符（16 列 2 行） 。具有微功耗，體質(zhì)小，顯示內(nèi)容豐富，超薄輕巧，成本低等特點(diǎn)?？梢允褂闷渥鳛楸菊n題的顯示模塊。方案二：LCD12864 是一種具有 4 位/8 位并行，2 線(xiàn)或 3 線(xiàn)串行多種接口方式，其中包含了國(guó)際一級(jí)，二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊，其分辨率為 128x64。使用該液晶可以在滿(mǎn)足要求的同時(shí)還可以顯示圖像文字。并且具有操作簡(jiǎn)單，低電壓低功耗，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。根據(jù)以上說(shuō)明可知，由于本課題需要測(cè)量顯示的數(shù)據(jù)較多，并且需要根據(jù)特定要求進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)置操作，因此選擇方案二中的 LCD1602 作為主機(jī)模塊的液晶顯示模塊可以達(dá)到很好的顯示效果，且價(jià)格低廉。 溫度測(cè)量方案一：使用熱敏電阻作為感溫器件。音位熱敏電阻為半導(dǎo)體材料，且為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化則會(huì)造成大的阻值改變，因此本試驗(yàn)中它是最靈敏的溫度傳感器。熱敏電阻具有靈敏度高，工作溫度范圍寬，體質(zhì)小使用方便等特點(diǎn)。但是由于熱敏電阻的線(xiàn)性度極差，不易控制，因此用來(lái)測(cè)量溫度的精度就相應(yīng)的降低了。方案二：使用 DS18B20 數(shù)字測(cè)溫傳感器作為測(cè)溫元件。它只用一條線(xiàn)進(jìn)行輸入輸出，因而與之接口的微處理器也只需要一條口線(xiàn)與之通信。它不需要任何外圍元件即可檢測(cè)溫度，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳給上位機(jī)（微處理器） 。這種單線(xiàn)傳輸方式，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合在惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溫度測(cè)量。并且由于 DS18B20 本身測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單，測(cè)溫精度高，連續(xù)方便，占用口線(xiàn)少,測(cè)溫誤差小，分辨力高，抗干擾能力較強(qiáng)，能遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，而且用戶(hù)可設(shè)定溫度上、下限，使其具有越限自動(dòng)報(bào)警功能，并且田豐：基于單片機(jī)的溫度控制器的設(shè)計(jì)6自帶串行總線(xiàn)接口，適配各種微控制器，因此本次設(shè)計(jì)選用 DS18B20 作為測(cè)溫元件。第 3 章 溫度控制器的硬件電路設(shè)計(jì) 51 單片機(jī)的介紹與選擇51 單片機(jī)系列是將運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和各種輸入／輸出接口等計(jì)算機(jī)的主要部件集成在一塊芯片上，使其具備其全部功能，這樣就能得到一個(gè)單芯片的微型計(jì)算機(jī)。它雖然只是一個(gè)單個(gè)芯片，但它的組成和功能上已經(jīng)具有了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，因此稱(chēng)之為單片微型計(jì)算機(jī)(SingleChipMicroputer)，簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)。又因?yàn)槠潴w積小、功耗低、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)且可靠性高，特別適合應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、智能儀器儀表和測(cè)控系統(tǒng)的前端裝置。因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所采用的是 AT89C51。以下簡(jiǎn)述本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所用到的與其相關(guān)的知識(shí) [10]。 主要特性： （1）與 MCS51 兼容， （2） 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器，壽命為 1000 次寫(xiě)/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)可保留時(shí)間為10 年 ， （3）全靜態(tài)工作：0Hz24Hz ，（4）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ，（5）128X8 位內(nèi)部 RAM ，（6）4 個(gè) I/O 端口，共 32 根可編程口線(xiàn) ，（7）兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器， （8）5 個(gè)中斷源， （9）可編程串行通道 ，（10）低功耗的閑置和掉電模式，（11）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 ，管腳說(shuō)明： AT89C51 的管腳布置如圖 32 所示VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0：P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在 FIASH 編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1：P1 口是一個(gè)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(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)入后，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(shí)，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(shí)，P1 口作為低八位地址接收。 P2：P2 口為一個(gè)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(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “1”時(shí)，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(shí)，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(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7讀寫(xiě)時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3：P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)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 口也可作為AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示:P3 口管腳備選功能 RXD（串行輸入口） ； TXD（串行輸出口） ； /INT0（外部中斷 0） ； /INT1（外部中斷 1） ； T0（記時(shí)器 0 外部輸入） ； T1（記時(shí)器 1 外部輸入） ； /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） ； /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） ； P3 同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入端，當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)，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。微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指令期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng) EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH） ，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)，EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP） 。見(jiàn)插圖 31 AT89C51 管腳,由此單片機(jī)構(gòu)成的最小單片機(jī)原理圖如圖31，表 31 為 P3 引腳功能表。表 31 P3 引腳功能表端口引腳 第二功能 RXD (串行輸入口) TXD (串行輸出口) INT0 (外部中斷 0) INT1 (外部中斷 1) T0（定時(shí)器 0） T1（定時(shí)器 1） ER（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）田豐：基于單片機(jī)的溫度控制器的設(shè)計(jì)8SV VCCP11P10P12P13P14P15P16P17P30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P36/WRP37/RDXTAL2RSTGNDXTAL1VCCP00P01P02P03P0