【正文】 ............................ 34 致謝 .......................................................... 35 1 一、引言 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的背景、發(fā)展歷史及意義 隨著社會的發(fā)展，科技的進步，以及測溫儀器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，智能化已是現(xiàn)代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。針對這種實際情況，設(shè)計一個溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實際意義。在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造、糧食存儲、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設(shè)備就不能正常工作，糧倉的儲糧就會變質(zhì)霉爛，酒類的品質(zhì)就沒有保障?？梢?，溫 度的測量和控制是非常重要的。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場合的智能溫度控制器應(yīng)運而生。溫度控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如溫室、水池、發(fā)酵缸、電源等場所的溫度控制。針對此問題，本系統(tǒng)設(shè)計的目的是實現(xiàn)一種可連續(xù)高精度調(diào)溫的溫度控制 系統(tǒng)，它應(yīng)用廣泛，功能強大，小巧美觀，便于攜帶，是一款既實用又廉價的控制系統(tǒng)。當(dāng)溫度上升到下限溫度以上時，停止加溫；當(dāng)溫度高于設(shè)定上限溫度時，系統(tǒng)自動啟動風(fēng)扇降溫，使溫度下降，同時紅燈亮。溫度在上下限溫度之間時，執(zhí)行機構(gòu)不執(zhí)行。 二、總 體設(shè)計方案 方案一 測溫電路的設(shè)計，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行 A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機進行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。 比較以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設(shè)計容易實現(xiàn)，故實際設(shè)計中擬采用方案 二 。 圖 2－ 1 溫度計電路總體設(shè)計方案 （ 1）控制部分 單 片 機 DS18B20 LED 顯示 指示燈 加熱繼電器 電風(fēng)扇繼電器 3 單片機 AT89S51 具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計 使用，系統(tǒng)應(yīng)用三節(jié)電池供電。 （ 3）溫度采集部分 DS18B20 溫度傳感器是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫。數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 把采集到的溫度通過數(shù)據(jù)引腳傳到單片機的 口，單片機接受溫度并存儲。 (2) DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 采用 3腳 PR－ 35封裝，如圖 所示； DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 引腳說明：地數(shù)據(jù)線可選 圖 2－ 2 DS18B20封裝 (3) DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成 [5]： 4 1) 64 位光刻 ROM。 64 位 閃速 ROM 的結(jié)構(gòu)如下 . 表 2－ 1 ROM 結(jié)構(gòu) 8b 檢驗 CRC 48b 序列號 8b 工廠代碼 （ 10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB 內(nèi)部電源探測位和單線端口位產(chǎn)生器暫存器下限觸發(fā)上限觸發(fā)溫度傳感器存儲器和控制邏輯 圖 2－ 3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2) 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。 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 E2PRAM。頭 2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第 3和第 4 字節(jié) TH 和 TL 的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。 DS18B20 工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。低 5位一直為１， TM 是工作模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式。 3) 高速暫存存儲 ， 可以設(shè)置 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的精度。 圖 2－ 3 DS18B20字節(jié)定義 TM R1 R0 1 1 1 1 1 由表 可見，分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。 高速暫存 RAM 的第 8 字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯 1。 當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 ℃／ LSB 形式表示。 表 [6]。主機根據(jù) ROM 的前 56位來計 算 CRC 值，并和存入 DS18B20 中的 CRC 值做比較，以判斷主機收到的 ROM 數(shù)據(jù)是否正確。系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作按協(xié)議進行。 8 三、 DS18B20溫度傳感器簡介 溫度傳感器的歷史及簡介 溫度的測量是從金屬 (物質(zhì) )的熱脹冷縮開始?？墒撬娜秉c是只能近距離觀測，而且水銀有毒，玻璃管易碎。不過在居民住宅中使用已可滿足要求。它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù) (如電阻值，熱電勢等 )的變化的原理。 DS18B20的工作原理 DS18B20工作時序 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟： 1. 每一次讀寫之前都 必須 要對 DS18B20 進行復(fù)位 ； 2. 復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令 ； 3. 最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行預(yù)定的操作。 其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序，具體工作方法如圖 ， ， 所示。應(yīng)答脈沖使主機知道，總線上有從機設(shè)備，且準備就緒。接著主機釋放總線， ，延時 15～ 60us，并進入接受模式，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時 480us[12]。所有寫時序至少 需要 60us，且在 2 次獨立的寫時序之間至少需要 1us 的恢復(fù)時間，都是以總線拉低開始。寫 0時序，主機輸出低電平，延時 60us，然后釋放總線，延時 2us[8]。所有讀時序至少需要 60us，且在 2次獨立的讀時序之間至少需要 1us的 恢復(fù)時間。主機在讀時序期間必須釋放總線，并且在時序起始后的 15us之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。 DS18B20的測溫原理 DS18B20的測溫原理 : 每一片 DSl8B20在其 ROM中都存有其唯一的 48位序列號，在出廠 前已寫入片內(nèi) ROM 中。 程序可以先跳過 ROM，啟動所有 DSl8B20 進行溫度變換，之后通過匹配 ROM，再逐一地讀回每個 DSl8B20 的溫度數(shù)據(jù)。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(yīng)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(yù)置在 55 ℃所對 應(yīng)的一個基數(shù)值。圖 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(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值 . 表 3－ 1 ROM 操作命令 指令 約定代碼 功 能 讀 ROM 33H 讀 DS18B20 ROM 中的編碼 11 符合 ROM 55H 發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單線總線上與該編碼相對應(yīng)的 DS18B20 使之作出響應(yīng)，為下一步對該 DS18B20 的讀寫作準備 搜索 ROM 0F0H 用于確定掛 接在同一總線上 DS18B20 的個數(shù)和識別 64 位ROM 地址，為操作各器件作好準備 跳過 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 發(fā)溫度變換命令，適用于單片工作。系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作必須按協(xié)議進行。 12 圖 3－ 4 測溫原理內(nèi)部裝置 DS18B20的測溫流程 圖 3－ 5 DS18B20 測溫流程 .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(zhuǎn)換成顯示碼 數(shù)碼管顯示 減法計數(shù)器 斜坡累加器 減到 0 減法計數(shù)器 預(yù) 置 低溫度系數(shù) 振 蕩 器 高溫度系數(shù) 振 蕩 器 計數(shù)比較器 預(yù) 置 溫度寄存器 減到 0 13 四、單片機接口設(shè)計 設(shè)計原則 DS18B20 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。本設(shè)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(nèi)提供足夠的電流，可用一個 MOSFET 管和 89S51 的 來完成對總線的上拉。采用寄生電源供電方式是 VDD和 GND 端均接地。主機控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟： ? 初始化 ； ? ROM 操作指令 ； ? 存儲器操作指令。 串口引腳 P0 口接 9 個 的排阻然后接到顯示電路上。 單 片 機 18B20 VCC GND 14 圖 4－ 1 DS18B20與單片機的接口電路 和 引腳接繼電器電路的 電阻上， P1 口其他引腳懸空 P2 口中 、 、 、 分別接到顯示電路的 電阻上， 接蜂鳴器電路，其他引腳懸空 P3 口中 、 、 接到按鍵電路 其它引腳 ALE 引腳懸空，復(fù)位引腳接到復(fù)位電路、 VCC 接電源、 VSS 接地、 EA 接電源 15 五、 系統(tǒng)整體設(shè)計 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 主板電路設(shè)計 單片機的 接 DS18B20 的 2 號引腳， P0 口送數(shù) P2 口掃描， 、 控制加熱器和電風(fēng)扇的繼電器。 各部分電路 (1) 顯示電路 顯示電路采用了 7段共 陰數(shù)碼管掃描電路，節(jié)約了單片機的輸出端口，便于程序的編寫。給 .，三極管導(dǎo)通，電磁鐵觸頭放下來開始工作 . 圖 54 繼電器電路圖 17 (5) 晶振控制電路 圖 55 晶振控制電路圖 (6) 復(fù)位電路 圖 56復(fù)位電路圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計 整體思路 一個應(yīng)用系統(tǒng)要完成各項功能，首先必須有較完善的硬件作保證。甚至有些必須采用很復(fù)雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時會變得很簡單，如數(shù)字濾波，信號處理等。 程序設(shè)計語言有三種：機器語言、匯編語言和高級語言。 18 高級語言是面向問題和計算過程的語言，它可通過于各種不同的計算機，用戶編程時不必仔細了解所用的計算機的具體性能與指令系統(tǒng)，而且語句的功能強，常常一個語句已相當(dāng)于很多條計算機指令，于是用高級語言編制程序的速度比較快，也便于學(xué)習(xí)和交流，但是本系統(tǒng)卻選用了匯編語言。 同時，本系統(tǒng)對位處理要求很高，需要解決大量的邏輯控制問題。而且 MCS— 51 指令系統(tǒng)有豐富的位操作（或稱位處理）指令，可以形成一個相當(dāng)完整的位操作指令子集，這是 MCS— 51 指令系統(tǒng)主要的優(yōu)點之一。 本裝置的 軟件包括主程序、讀出溫度子程序、復(fù)位應(yīng)答子程序、寫入子程序、以及有關(guān) DS18B20的程序（初始化子程序、寫程序和讀程序） 系統(tǒng)程序流圖 系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，復(fù)位應(yīng)答子程序，寫入子程序等。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程見圖 19 所示。 DS18B20 的各個命令對時序的要求特別嚴格，所以必須按照所要求的時序才能達到預(yù)期的目的，同時，要注意讀進來的是高位在后低位在前，共有 12 位數(shù)，小數(shù) 4位，整數(shù) 7 位，還有一位符號位。當(dāng)測得溫度大于設(shè)定值，則進入降溫階段，則置 為低電平，這期間繼續(xù)對溫度進行監(jiān)測，開 始 初始化 DS18B20 顯示當(dāng)前溫度