【導讀】幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量。本次設計以恒溫浴缸設計為中心，詮釋了恒溫水箱控制的思路。設計中采用經(jīng)典的8031單片機，配以DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該溫度傳感器可通過鍵盤接口設置溫度的高低值。的溫度信號與輸入的溫度進行比較，由此作出判斷是否啟動加熱裝置。另外，還加入了常用的共陽。極數(shù)碼管顯示電路，使得整個設計更加完整，更加靈活。

　　

【正文】 PU 的中斷請求輸入線。 CPU 響 應中斷后，應在中斷服務程序中使 OE線變?yōu)楦唠娖?，以提?A/D轉換后的數(shù)字量。 溫度檢測電路 的 設計 溫度傳感器的選擇 目前市場上溫度傳感器較多，有以下幾種： 方案一：選用鉑電阻溫度傳感器，此類溫度傳感器線性度、穩(wěn)定性等方面性能都很好，但其成本較高。 方案二：采用熱敏電阻，選用此類元器件有價格便宜的優(yōu)點，但由于熱敏電阻的非線性特性會影響系統(tǒng)的精度。 方案三： 選用美國 Analog Devices 公司生產的二端集成電流傳感器 AD590。其測量范圍在 50℃+150℃，滿刻度范圍誤差為177。 ℃，當電源電壓在 5— 10V 之間，穩(wěn)定度為 1﹪時，誤差只有177?！?。此器件具有體積小、質量輕、線形 方案四： 選 用 美國 Dallas半導體公司 的 DS18B20溫度芯片對恒溫浴缸 內的水溫進行溫度數(shù)據(jù) 采集 。成都大學學士學位論文（設計） 第 16 頁 數(shù)字溫度傳感器 （ DS18B20） 具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng) 、 抗干擾能力強 等優(yōu)點，在實際應用中取得了良好的測溫效果 和廣泛的應用 。 現(xiàn)場溫度直接以 “ 一線總線 ” 的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。 比較以上 四 種方案，方案三 和方案四 具有 比較 明顯的優(yōu) 點， 但是， 在選擇傳感器上要著重考慮其精度和測試范圍。 AD590和 DS18B20都包含一個可以精確測量環(huán)境溫度的片內溫度傳感器，但 AD590是模擬傳感器，需對溫度模擬信號進行數(shù)字化處理，在調理和放大信號時，又會帶來新的誤差，影響精度，而 DS18B20包含一個 10位 AD轉換器，是一個以 傳感器，并且其測溫理論范圍為 55 度到 125 度，因其精確度高，范圍可選這兩大特點 。 故本設計采用方案四，選用的傳感器 為 DS18B20。 DS18B20的特點 （ 1） 獨特的 單線接口方式：與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)雙向通訊 。 （ 2） 在使用中不需要任何外圍元件 。 （ 3） 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍： +～ + V。 （ 4） 測溫范圍： 55 ～ +125℃ 。固有測溫分辨率為 ℃ 。 （ 5） 通過編程可實現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字讀數(shù)方式 。 （ 6） 用戶可自設定非易失性的報警上下限值 。 （ 7） 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫 。 （ 8） 負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作 。 DS18B20內部結構 主要由 4部分組成 :64位光刻 R0M、溫度傳感器、非易失性的溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL、配置寄存器 ， DS18B20的 內部結構圖 如圖 44所示。 圖 44 DS18B20 內部結構圖 DS18B20的內存結構 DSI8B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存 RAM和一個非易失性的可電擦除的 EEPROM，后者存放高溫和低溫觸發(fā)器 TH， TL和結構寄存器。 高速暫 存 RAM包含了 9個連續(xù)字節(jié)（ 0～ 8），前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，字節(jié) 0的內容是溫度的低 8位，字節(jié) 1是溫度的高 8位，字節(jié) 2是 TH（溫度上限報警），字節(jié) 3是 TL（溫度下限報警），字節(jié) 4是配置寄存器，用于確定輸出分辨率 9到 12位。第 7個字節(jié)是預留寄存器，用于內部計算。字節(jié) 8是冗余檢驗字節(jié)，校驗前面所有8 個字節(jié)的 CRC碼，可用來保證通信正確。 DS18B20中的溫度傳感器對溫度的測量結果用 16 位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供 。 DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量 ， 以 12位轉化為例 ：用 16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達，其中 S 為符號位 （見圖45） 。 成都大學學士學位論文（設計） 第 17 頁 LSB LSB 23 22 22 20 21? 22? 23? 24? LSB LSB S S S S S 26 25 24 圖 45 溫度傳感器 12 位數(shù)據(jù)在 RAM 中的存儲 這是 12位轉化后得到的 16位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中 。 二進制中的前面 5位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這 5位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1再乘于 。 溫度傳感器 DS18B20的測溫原理 DS18B20的測溫原理用于 產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其 振 蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數(shù)器 2 的脈沖輸入，當計數(shù)門打開時， DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量 。 計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定 ,每次測量前 ,首先將 55℃ 所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器中 ,減法計數(shù)器 1和溫度寄存器被預置在 55℃ 所對應的一個基數(shù)值 。 減法計數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行減法計數(shù) ,當減法計數(shù)器 1 的預置值減到 0 時溫度寄存器的值將加 1,減法計數(shù) 器 1 的預置將重新被裝入 ,減法計數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行計數(shù) ,如此循環(huán)直到減法計數(shù)器 2 計數(shù)到 0時 ,停止溫度寄存器值的累加 ,此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度 ,由于它內部 的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值 ,只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程 ,直至溫度寄存器值達到被測溫度值 [11]，其 內部測溫電路圖 46所示。 DS18B20的指令集 操作 ROM的指令共有 5條，均為單字節(jié)指令，表 41是其 16 進制指令表： 斜率累加器 預置 減法計數(shù)器 1 計數(shù)比較器 預置 減到零 溫度寄存器 減到零 減法計數(shù)器 2 高溫度系數(shù)振蕩器 低溫度系數(shù)振蕩器 設置 /清除 最低有效位 增加 停止 圖 46 內部測溫電路框圖 成都大學學士學位論文（設計） 第 18 頁 表 41 ROM 操作 16 進制指令 指令代碼 指令說明 55 指定匹配芯片指令 CC 跳過 ROM匹配指令 F0 搜索芯片指令 EC 報警芯片搜索 33 讀 ROM指令，器件收到這個指令后就把 64位 ID碼傳送給主機 操作芯片的 RAM、 E2PROM指令共有 6條，均為單字節(jié)指令，表 42是其 16進制指令表： 表 RAM、 E2PROM 操作 16 進制指令 指令代碼 指令說明 44 溫度轉換指令，并把轉換后的數(shù)據(jù)存放在 RAM的 B B2的兩個字節(jié)里 BE 讀取溫度指令，器件收到 這個指令后把 B B2兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送給主機 4E 改寫 RAM的 B B B5的數(shù)據(jù)，主機發(fā)這個指令后再分別發(fā)送相應的數(shù)據(jù) 48 器件收到這個指令后就將 B B B5的數(shù)據(jù)寫到 E2PROM B8 器件收到這個指令后就把 EEPROM的高 H、低 L溫度報警值寫到進 B B4 B4 器件收到這個指令后就返回 0或者 1給主機， 0為寄生電源， 1為外部電源 DS18B20與 8031連接 DS18B20 內部結構主要由四部分組成： 64位光刻 ROM,溫度傳感器 ,非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL,高速暫存器。 DS18B20的管腳排列如圖 47所示。 圖 47 DS18B20 管腳圖 在硬件上， DS18B20與單片機的連接有兩種方法，一種是 VCC接外部電源， GND接地， I/O與單片機的 I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時 UDD、 GND 接地， I/O接單片機 I/O。無論是內部寄生電源還是外部供電， I/O口線要接 的上拉電阻 .此處 我采用的是第一種連接方法 ,如圖48所示 :把 DS18B20的數(shù)據(jù)線與單片機的 13 管腳連接 ,再加上上拉電阻。 DS18B201 2 3GN D I/O VCC1234 5678I /OG N DNCNC NCNCNCV C CD S 1 8 B 2 0成都大學學士學位論文（設計） 第 19 頁 圖 48 溫度傳感電路圖 單片機接口設計 設計原則 DS18片機端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20時鐘周期內提 B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時 DS18B20的 1腳接地， 2腳作為信號線， 3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖 47所示單 供足夠的電流，可用一個 MOSFET管來完成對總線的上拉。本設計 采用電源供電方式， 口接單線總線為保證在有效的 DS18B20 時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個 MOSFET管和 89S51 的 。當 DS18B20處于寫存儲器操作和溫度 A/D 變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為 10 μs 。采用寄生電源供電方式是 VDD 和GND 端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三 狀態(tài) 的。主機控制 DS18B20 完成溫度轉換必須經(jīng)過 3個步驟： （ 1） 初始化 ； （ 2） ROM操作指令 ； （ 3） 存儲器操作指令。 引腳連接 （ 1） 晶振電路與復位電路的設計 單片機 XIAL1 和 XIAL2 分別接 30PF 的電容，中間再并個 12MHZ 的晶振，形成單片機的晶振電路。 單片機內部帶有時鐘電路，只需要在片外通過 XTAL XTAL2引腳接入定時控制單元（晶體振蕩和電容），即可構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩器的工作頻率一般在 ~12MHz之間，當然在一般情況下頻率越快越好 ， 可以保證程序運行速度即保證了控制的實時性。一般采用石英晶振作定時控制元件 ， 在不需要高精度參考時鐘時，也可以用電感代替晶振，有時也可以引入外部時鐘脈沖信號。接在 晶振 上的電容 雖然沒有嚴格要求，但電容的大小 會 影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性 。因此，通常選擇在 10~30pF左右 ， 在 此次 設計 時鐘 電路時，晶振 頻率選 用（ 12MHz） ，電容 選用（ 20pF），并且它們 應盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性 。 復位電路采用按鍵電平復位，它通過復位端經(jīng)電阻與 +5V 電源實現(xiàn)，只要能保證復位信號高電平持續(xù)時間大于 2個機器周期就可實現(xiàn)復位，其 時鐘電路 和復位電路如圖 49所示。 成都大學學士學位論文（設計） 第 20 頁 圖 49 時鐘電路和復位電路圖 （ 2） 其它引腳 INT0、 INT1 引腳懸空， EA接電源 8031對 DS18B20的控制 CPU 對 DS18B20 的 訪問流程是：先對 DS18B20初始化，再進行 ROM 操作命令，最后才能對存 儲器操作，數(shù)據(jù)操作。 DS18B20每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協(xié)議。如主機控制 DS18B20完成溫度轉換這一過程，根據(jù) DS18B20的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對 DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條 ROM指令，最后發(fā)送 RAM指令，這樣才能對 DS18B20進行預定的操作。 DS18B20的測溫流程 DS18B20的測溫流程圖 如圖 410所示 ： 圖 410 DS18B20 測溫流程 加熱 控制電路的設計 用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制，被控對象為電阻絲，采用對加在電阻絲兩端的電壓進行通斷的方法進行控制，以實現(xiàn)對水是否加熱的調整，從而達到對水溫控制的目的。對電阻絲通斷的控制采用 MOSFET管控制 ，它的使用非常簡單，只要在控制端 TTL 電平，即可實現(xiàn)對 MOS 管的開關，使用時完全可以用 電阻接成電壓跟隨器的形式驅動。當單片機的 為高電平時，電阻驅動 MOS管導通，接通電阻絲工作，當單片機的 為低電平時 MOS 管不導通關斷，電阻絲初始化 DS18B20 跳過 ROM 匹配 溫度變換 延時 1S 跳過 ROM 匹配 讀暫存器 轉換成顯示碼 數(shù)碼管顯示 成都大學學士學位論文（設計） 第 21 頁 停止工作?？刂齐娐穲D如下圖 411： 圖 411 加熱控 制電路 鍵盤接口電路的設計 在按 鍵模塊 電路中有 4 個按鍵， S1 是復位按鈕， S2 是溫度上調按鈕 , S3 是溫度下調按鈕 , S4是輸入數(shù)據(jù)確認按鈕 ,當數(shù)據(jù)輸入完畢后按該按鈕進行確認。其硬件電路圖如圖 412所示。 圖 412 按鍵輸入模