【導讀】單片機在檢測和控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用，溫度則是系統(tǒng)需要測量、控制和保持。因此，對溫度系統(tǒng)的設計與研究一直備受廣大科研工作者的重視。機為控制核心，設計具有溫度設定靈活、數(shù)字顯示及語音報警等功能的糧庫溫度控制器，經(jīng)改造可用于其它量的控制。和程序圖作了簡潔的描述。顯示器等模塊組成。溫度檢測部分采用DS18B20溫度傳感器，用LED數(shù)碼管做顯示器。度數(shù)據(jù)送LED顯示，從而實現(xiàn)對溫度控制的目的。

　　

【正文】 位，其余 8 位以二進制補碼形式表示溫度值。測溫結(jié)束時，這 9 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存存儲器的前兩個字節(jié)中，符號位占用第一字節(jié)， 8 位溫度數(shù)據(jù)占據(jù)第二字節(jié) 。 DS18B20 測量溫度時使用特有的溫度測量技術。 DS18B20 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。當計數(shù)門打開時， DS18B20 進行計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應該為 9 位，但因符號位 擴展成高 8 位，所以最后以 16 位補碼形式讀出。 DS18B20 工作過程一般遵循以下協(xié)議：初始化 ——ROM 操作命令 ——存儲器操作命令 ——處理數(shù)據(jù) ① 初始化 ② 單總線上的所有處理均從初始化序列開始。初始化序列包括總線主機發(fā)出一復位脈沖，接著由從屬器件送出存在脈沖。存在脈沖讓總線控制器知道 DS1820 在總線上且已準備好操作。 ③ ② ROM 操作命令 ④ 一旦總線主機檢測到從屬器件的存在，它便可以發(fā)出器件 ROM 操作命令之一。所有 ROM 操作命令均為 8 位長。這些命令列表如下： Read ROM(讀 ROM)[33H] ⑤ 此 命令允許總線主機讀 DS18B20 的 8 位產(chǎn)品系列編碼，唯一的 48位序列號，以及 8 位的 CRC。此命令只能在總線上僅有一個 DS18B20的情況下可以使用。如果總線上存在多于一個的從屬器件，那么當所有從片企圖同時發(fā)送時將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象（漏極開路會產(chǎn)生線與的結(jié)果）。 ⑥ Match ROM( 符合 ROM)[55H] ⑦ 此命令后繼以 64 位的 ROM 數(shù)據(jù)序列，允許總線主機對多點總線上特定的 DS18B20 尋址。只有與 64 位 ROM 序列嚴格相符的 DS18B20 28 才能對后繼的存貯器操作命令作出響應。所有與 64 位 ROM 序列不符的從片 將等待復位脈沖。此命令在總線上有單個或多個器件的情況下均可使用。 ⑧ Skip ROM( 跳過 ROM )[CCH] ⑨ 在單點總線系統(tǒng)中，此命令通過允許總線主機不提供 64 位 ROM 編碼而訪問存儲器操作來節(jié)省時間。如果在總線上存在多于一個的從屬器件而且在 Skip ROM 命令之后發(fā)出讀命令，那么由于多個從片同時發(fā)送數(shù)據(jù)，會在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開路下拉會產(chǎn)生線與的效果）。 ⑩ Search ROM( 搜索 ROM)[F0H] ? 當系統(tǒng)開始工作時，總線主機可能不知道單線總線上的器件個數(shù)或者不知道其 64 位 ROM 編碼。搜 索 ROM 命令允許總線控制器用排除法識別總線上的所有從機的 64 位編碼。 ? Alarm Search(告警搜索 )[ECH] ? 此命令的流程與搜索 ROM 命令相同。但是，僅在最近一次溫度測量出現(xiàn)告警的情況下， DS18B20 才對此命令作出響應。告警的條件定義為溫度高于 TH 或低于 TL。只要 DS18B20 一上電，告警條件就保持在設置狀態(tài)，直到另一次溫度測量顯示出非告警值或者改變TH 或 TL 的設置，使得測量值再一次位于允許的范圍之內(nèi)。貯存在EEPROM 內(nèi)的觸發(fā)器值用于告警。 ③ 存儲器操作命令 ? Write Scratchpad（寫暫存存儲器） [4EH] ? 這個命令向 DS18B20 的暫存器中寫入數(shù)據(jù)，開始位置在地址 2。接下來寫入的兩個字節(jié)將被存到暫存器中的地址位置 2 和 3。可以在任何時刻發(fā)出復位命令來中止寫入。 ? Read Scratchpad（讀暫存存儲器） [BEH] ? 這個命令讀取暫存器的內(nèi)容。讀取將從字節(jié) 0 開始，一直進行下去，直到第 9（字節(jié) 8， CRC）字節(jié)讀完。如果不想讀完所有字節(jié)，控制器可以在任何時間發(fā)出復位命令來中止讀取。 ? Copy Scratchpad（復制暫存存儲器） [48H] ? 這條命令把暫存器的內(nèi)容拷貝到 DS18B20 的 E2 存儲器里，即把溫 29 度報警觸發(fā)字節(jié)存入非易失性存儲器里。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時間隙，而 DS18B20 又正在忙于把暫存器拷貝到E2 存儲器， DS18B20 就會輸出一個 “ 0” ，如果拷貝結(jié)束的話，DS18B20 則輸出 “ 1” 。如果使用寄生電源，總線控制器必須在這條命令發(fā)出后立即起動強上拉并最少保持 10ms。 ? Convert T（溫度變換） [44H] ? 這條命令啟動一次溫度轉(zhuǎn)換而無需其他數(shù)據(jù)。溫度轉(zhuǎn)換命令被執(zhí)行，而后 DS18B20 保持等待狀態(tài)。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時間隙 ，而 DS18B20 又忙于做時間轉(zhuǎn)換的話， DS18B20將在總線上輸出 “0”，若溫度轉(zhuǎn)換完成，則輸出 “ 1” 。如果使用寄生電源，總線控制器必須在發(fā)出這條命令后立即起動強上拉，并保持500ms。 ? Recall E2（重新調(diào)整 E2） [B8H] 21 這條命令把貯存在 E2 中溫度觸發(fā)器的值重新調(diào)至暫存存儲器。這種重新調(diào)出的操作在對 DS18B20 上電時也自動發(fā)生，因此只要器件一上電，暫存存儲器內(nèi)就有了有效的數(shù)據(jù)。在這條命令發(fā)出之后，對于所發(fā)出的第一個讀數(shù)據(jù)時間片，器件會輸出溫度轉(zhuǎn)換忙的標識： “ 0” =忙， “ 1” =準備就緒。 22 Read Power Supply（讀電源） [B4H] 對于在此命令發(fā)送至 DS18B20 之后所發(fā)出的第一讀數(shù)據(jù)的時間片，器件都會給出其電源方式的信號： “ 0” =寄生電源供電， “ 1” =外部電源供電。 本章小結(jié) 本章詳細的講述了以 80C51 為核心元件的恒溫箱的硬件電路具體設計過程，分析了具體電路的工作原理。在設計過程中，實現(xiàn)溫度控制的是通過編寫程序的方法集成在 80C51 內(nèi)部。接著將程序下載到硬件電路中，配合周邊的溫度采集電路，時鐘電路，溫度控制電路，顯示電路等，制作出符合設計要求的恒溫箱。 30 第 4 章 軟件設計 軟件任務分析 軟件任務分析和硬件電路設計結(jié)合進行，哪些功能由硬件完成，哪些任務由軟件完成，在硬件電路設計基本定型后，也就基本上決定下來了。 軟件任務分析環(huán)節(jié)是為軟件設計做一個總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質(zhì)性的功能，如測量，計算，顯示，打印，輸出控制和通信等；另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系，使在系統(tǒng)軟件中充當組織調(diào)度角色的軟件。這兩類軟件的設計方法各有特色，執(zhí)行軟件的設計偏重算法效率，與硬件關系密切，千變?nèi)f化。 軟件任務分析時，應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在對各執(zhí)行模塊進行定義時，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結(jié)構和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。 各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以設計監(jiān)控程序了。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤設置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結(jié)構。相對來講，執(zhí)行模塊任務明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。這如同當一名操作工人比較容易，而當一個廠長就比較難一樣。 軟件任務分析的另一個內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和執(zhí)行模塊。整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序（背景程序）和前臺程序。后臺程序指 主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)崟r性要求不是太高，延時幾十毫秒甚至幾百毫秒也沒關系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內(nèi)容，如定時系統(tǒng)和外部中斷。也可以將全部程序均安排在前臺，后臺程序為“使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。 程序流程圖 31 在本程序中包括了以下主要的程序，主程序，溫度設定子程序，溫度讀取及轉(zhuǎn)換子程序，顯示溫度子程序，比較溫度子程序，顯示切換子程序主程序流程圖如圖 41 所示： 開 始初 始 化設 定 溫 度溫 度 采 集 計 算溫 度 比 較 處 理顯 示 溫 度溫 度 顯 示 切 換結(jié) 束 圖 41 主程序流程圖 溫度設定子程序流程圖如圖 42 所示： 32 開 始顯 示 溫 度溫 度 加 ？溫 度 減 ？為 0 39。 C ?溫 度 減 1 39。 C為 9 9 39。 C ?溫 度 加 1 39。 C 跳 到 0 39。 C退 出 ?返 回跳 到 9 9 39。 CYYYNNNYN NY 圖 42 溫度設定子程序流程圖 溫度采集計算子程序如圖 43 所示 ： 33 溫度比較處理子程序流程圖如圖 44 所示 開 始D S 1 8 B 2 0 初 始 化發(fā) 跳 過 R O M 指 令寫 D S 1 8 B 2 0發(fā) 出 溫 度 轉(zhuǎn) 換 開 始 指 令持 續(xù) 1 s ， 等 待 A / D 轉(zhuǎn) 換讀 溫 度 前 D S 1 8 B 2 0 初 始 化發(fā) 跳 過 R O M 指 令發(fā) 讀 取 溫 度 指 令讀 取 溫 度 操 作9 字 節(jié) 完 ？移 入 溫 度 暫 存 器將 溫 度 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 化 攝 氏 溫 度 并 存 儲返 回NY 圖 44 溫度比較處理子程序流程圖 溫度顯示子程序如圖 45 所示： 34 開 始選 通 十 位 地 址 ， 送 顯 示 字 符延 時 約 1 2 m s選 通 十 位 地 址 ， 送 顯 示 字 符延 時 約 1 2 m s返 回 圖 45 溫度顯示子程序 根據(jù)這些流程圖編寫出的最終源程序見附錄 A 本章小結(jié) 本章是 恒溫箱 的軟件設計，實現(xiàn) 恒溫箱 的主要功能 是 通過編寫程序的方法集成在 80C51 內(nèi)部。將程序下載到硬件電路中，實現(xiàn) 溫控 功能。 35 結(jié) 論 三個多月的畢業(yè)設計即將結(jié)束了，我深刻感受到專業(yè)知識的缺乏，同時，在整個設計過程中我也感受到自身知識的進步，特別是在單片機控制系統(tǒng)方面。 設計是以 80C51 單片機為核心進行的，數(shù)據(jù)采樣模塊采用可直接輸出數(shù)字量的數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，使系統(tǒng)的軟、硬件都簡化了很多；采用繼電器驅(qū)動模塊作為為系統(tǒng)的降溫部分，大大地簡化了系統(tǒng)硬件電路。通過對風機的控制可實現(xiàn)糧庫 溫度的自動控制。由于采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20 采集溫度，所以，詳細介紹了 DS18B20 的運用；軟件設計方面采用匯編語言對系統(tǒng)的軟件編程，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設計方法。 鑒于溫度控制的發(fā)展趨勢，在以后的實踐中對系統(tǒng)還要做進一步的改進：硬件方面，采用 DSP, ARM 或者利用第一章提到的片上系統(tǒng) SOC 對系統(tǒng)的硬件進行重新設計，軟件方面，摒棄傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)軟件編程模式，改用基于實時操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件開發(fā)；控制算法方面，嘗試采用現(xiàn)在得到快速發(fā)展的智能控制方法，如模糊控制 、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和模糊 PID 控制等等。 36 謝 辭 本次設計最終得以順利完成，張娟梅老師功不可沒，因為是她帶領我們一路走來的。張老師是一個十分負責的老師，她經(jīng)常督促我們進行我們的畢業(yè)設計，她也很認真的幫助我們解決設計中的難題。通過這次畢業(yè)設計，我在張老師的悉心指導下學到了學會了很多東西。在此，我要向張老師致以由衷的感謝！ 我還要感謝各位評閱老師，經(jīng)過你們的認真評閱和指正，將會使我的設計更加完善，更加實用。在我大學期間每一個教過我的老師，他們悉心的指導才有我今天的成績，洛陽理工學院電氣工 程與自動化系的各位老師，謝謝你們！ 另外，我還要對平時幫助我的同學致以誠摯的謝意，沒有他們在我平時的學習生活中對我的批評指正，我不會進步。謝謝你們！ 鑒于本人所學知識有限，經(jīng)驗不足，又是初次研究這種復雜的設計，在此過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請各位老師給予批評和指正。 作者：楊玉娟 2020 年 4 月 10 日 37 參考文獻 [1] 何立民 . 單片機高級教程應用與設計 [M].北京：北京航空航天大學出版社 ， [2] 胡漢才 .單片機原理及接口技術 [M].北京：清華大學出版社， 1999 [3]歐陽文 .ATMEL89 系列單片機的原理與開發(fā)實踐 [M].北京：中國電力出版社 ， [4]樊尚春 .傳感器技術及應用 [M].北京航空航天大學出版社 ， [5]高鵬等 .Protel99 入門與提高 [M].人民郵電出版社 ， 2020 [6]劉亮 .先進傳感器及應用 [M].化學工業(yè)出版社， 2020 [7]潘永雄 .新編單片機原理與應用 [M].西安 :西安電子科技大學出版社 ，2020 [8]徐鳳