【正文】 0作為本電路的溫度傳感器。本設(shè)計采用DS18B20作為智能溫度傳感器，采集的數(shù)據(jù)以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸直接送到單片機(jī)中，同時可傳送CRC校驗碼，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。美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS1820,可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機(jī)處理，是最新的“一線器件”[4]。本系統(tǒng)的電路設(shè)計方框圖如圖21所示，它由七部分組成：①控制部分主芯片采用單片機(jī)AT89C51；②顯示部分采用3位LED數(shù)碼管以動態(tài)掃描方式實現(xiàn)溫度顯示；③溫度采集部分采用DS18B20溫度傳感器；④加熱控制部分采用繼電器電路；⑤時鐘電路；⑥復(fù)位電路；⑦單列3按鍵鍵盤輸入設(shè)定溫度值。 將兩個方案比較便可以得出一個結(jié)論，方案二明顯的改善了方案一得不足及缺點，并具有控制簡單，控制溫度精度高的特點。方案二：此方案采用了AT89C51單片機(jī)為核心，采用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度采集，用繼電器控制加熱，使其達(dá)到電路簡單、可靠的目的。方案一：采用傳統(tǒng)的二位模擬控制方法，選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，采用上下限比較電路將反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或者不加熱。 本設(shè)計水溫設(shè)定由人工設(shè)定，溫度設(shè)定范圍為4090℃，最小區(qū)分度為1℃,標(biāo)定溫差≤1℃；環(huán)境溫度降低時，溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃；用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實際溫度；采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變（由40℃提高到90℃）時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量?；谝陨蠁栴}，本論文設(shè)計出一個溫度傳感器，配合單片機(jī)計算機(jī)系統(tǒng)，從軟件的編制上實現(xiàn)對各外圍硬件的控制，最終實現(xiàn)對水溫的自動控制。XX學(xué)院 物理系 201X 屆 電子信息工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計2 系統(tǒng)方案設(shè)計現(xiàn)在的電子產(chǎn)品朝著密集型發(fā)展，而電子產(chǎn)品的溫度特性普遍比較差，這就對溫度的自動控制提出了新的要求。如果采用國外進(jìn)口的溫度檢測與自控系統(tǒng)，雖然性能較好，但是結(jié)合國情，其價格相當(dāng)昂貴，又全是英文，推廣起來比較困難[2]。在硬件的設(shè)計上，所有的元器件都采用了通用型產(chǎn)品，使得設(shè)計出來的產(chǎn)品及維修都相當(dāng)方便，可以有效地降低成本，同時另外一點就是能用軟件實現(xiàn)的功能盡量選用軟件進(jìn)行操作，更加突出了產(chǎn)品的簡單性和高可靠性。根據(jù)任務(wù)和測量控制現(xiàn)象以及現(xiàn)有的條件，現(xiàn)提出了以下兩個方案。由于采用模擬控制方式，系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼顯示和鍵盤設(shè)定[3]。使用單片機(jī)具有編程靈活，控制簡單的優(yōu)點，使系統(tǒng)能簡單的實現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過軟件編程能實現(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)還具有控制精度高的特點。因此本設(shè)計電路采用方案二。 圖21 系統(tǒng)設(shè)計方框圖 溫度傳感器DS18B20簡介溫度傳感器是整個控制系統(tǒng)獲取被控對象特征的重要部件，它的特性直接影響系統(tǒng)的精度。它具有體積小、適用電壓寬、經(jīng)濟(jì)、實用、線性度很好，精度較高且其本身已經(jīng)進(jìn)行了校正，使用時不需再進(jìn)行調(diào)整等特點。DS18B20的特性有：溫度測量范圍為－55℃～＋125℃，可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，℃，用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路；電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作等。其外部結(jié)構(gòu)如圖22所示[6]。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：64位光刻ROM。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，實現(xiàn)一線進(jìn)行通信的目的。圖23 64位閃速ROM結(jié)構(gòu)圖非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限值；高速緩存存儲，可以設(shè)置DS18B20溫度轉(zhuǎn)換精度。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器。第五個字節(jié)為配置寄存器,它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。 控制芯片 AT89C51單片機(jī)簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位處理器，俗稱單片機(jī)。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。圖24 AT89C51結(jié)構(gòu)圖管腳說明：VCC：供電電壓。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。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：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)因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。當(dāng)P2口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。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。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。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)51芯片通電，時鐘電路開始工作，在RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。各特殊功能寄存器初始狀態(tài)如表21所示。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如果想禁止ALE的輸出，可在SFR8EH地址上置0。另外，該引腳被略微拉高。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。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)。注意加密方式為“1”時，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時，只允許內(nèi)部程序存儲器。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。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。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在閑置模式下，CPU停止工作。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。通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字。同時數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易、資源占用少。通常將這7個獨(dú)立的二極管做成a、b、c、d、e、f、g這7個筆劃，數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字。掃描電路，節(jié)約了單片機(jī)的輸出端口，便于程序的編寫[8]。表22 顯示數(shù)字對應(yīng)的二進(jìn)制電平信號顯示數(shù)字abcdefg01111110101100002110110131111001401100115101101160011111711100008111111190001101數(shù)碼管使用條件：① 段及小數(shù)點上加限流電阻；② 使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定； 小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定；③ 使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動態(tài)：平均電流 45mA當(dāng)水溫過高時，關(guān)掉電熱絲進(jìn)行降溫處理，讓其自然冷卻。由于加熱的功率較大，考慮到簡化電路的設(shè)計，本設(shè)計直接采用220V的電源，采用繼電器控制。繼電器無需外加光耦，自身即可實現(xiàn)電氣隔離，這種電路無法精確實現(xiàn)電熱絲功率控制，電熱絲只能工作在最大功率或零功率，但可以由多路加熱絲組成功率控制，由單片機(jī)對溫差的處理實現(xiàn)分級功率控制提高系統(tǒng)動態(tài)性能[9]。 復(fù)位電路簡介單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。為此本系統(tǒng)設(shè)置了既可以通電后自動復(fù)位，也可以手動強(qiáng)制復(fù)位的復(fù)位電路。CPU就是通過復(fù)雜的時序電路完成不同的指令功能的?！?2MHz。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度穩(wěn)定性。本控制器采用的是內(nèi)部振蕩方式，振蕩頻率為12MHz，因為這種方式得到的時鐘信號比較穩(wěn)定。各電路的關(guān)系圖如圖31所示。DS18B20應(yīng)用廣泛，性能可以滿足題目的設(shè)計要求。圖32 DS18B20測溫電路（1） DS18B20的測溫功能的實現(xiàn)：內(nèi)部計數(shù)器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖計數(shù)，低溫時振蕩器的脈沖可以通過門電路，而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一設(shè)置高溫時振蕩器的脈沖無法通過門電路。同時，計數(shù)器復(fù)位在當(dāng)前溫度值上，電路對振蕩器的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，計數(shù)器重新開始計數(shù)直到回零。其具體的實現(xiàn)主要依靠單片機(jī)軟件的編程上。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存器的0、1字節(jié)上。其中“S”為標(biāo)志位，對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位S=0時，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計算十進(jìn)制值。表31 DS18B20溫度值格式表LS Byte22222222MS ByteSSSSS222(2)DS1820單線通信功能是分時完成的，它有嚴(yán)格的時隙概念。DS18B20工作過程中的協(xié)議[13]： 初始化DS18B20→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理