【正文】 ............................................................................................... 37 致 謝 ............................................................................................................................. 38 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 39 附錄 1 ............................................................................................................................ 40 附錄 2 ............................................................................................................................ 41 附錄 3 ............................................................................................................................ 42 第一章 前言 課題背景 溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一， 如 冶金、機(jī)械、食品、化工各類工業(yè) 生產(chǎn) 中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對(duì)工件的溫度處理要求嚴(yán)格控制， 單片機(jī) 溫度控制系統(tǒng)使溫度控制指標(biāo)得到了大幅度提高。在水溫控制系統(tǒng)中， 過低的溫度或過高的溫度都會(huì)使水資源失去應(yīng)有的作用，從而造成水資源的巨大浪費(fèi)。 基于 AT89S52單片機(jī) 溫度控制器的設(shè)計(jì)是實(shí)踐教學(xué)的重要部分，國內(nèi)外部分公司已研制出了少量的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，但都存在共同的缺點(diǎn)：針對(duì)電類設(shè)計(jì)，模塊化和程序的可移植性、可擴(kuò)展性較差。本系統(tǒng)采用模塊化思想，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從零件到整機(jī)的設(shè)計(jì)思路，將實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中電氣控制 部分、各種傳感器和現(xiàn)代化生產(chǎn)中的溫度控制、單片機(jī)技術(shù)充分展示于該系統(tǒng)中。 以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)，可以同時(shí)采集多個(gè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行相應(yīng)的控制。 溫度對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)如此重要，由此推進(jìn)了溫度傳感器的發(fā)展。該傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝制成 ，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。它是目前在國內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有 AD590、 AD59 TMP1 LM135等； （ 2） 模擬集成溫度控制器。某些增強(qiáng)型集成溫度控制器 (例如 TC652/653)中還包含了 A/D 轉(zhuǎn)換 器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。智能溫度傳感器是在 20 世紀(jì)90 年代中期問世的，其內(nèi)部都包含溫度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器 (或寄存器 )和接口電路。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器 (MCU)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能 的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。從工業(yè)爐溫、環(huán)境氣溫到人體溫度；從空間、海洋到家用電器，各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都離不開測(cè)溫和控溫。 研究現(xiàn)狀 現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集（即傳感器技術(shù)）、信息傳輸（通信技術(shù)）和信息處理（計(jì)算機(jī)技術(shù)）。 數(shù)字溫度傳感器可以直接將被檢測(cè)的溫度信息以數(shù)字化形式輸出，與傳統(tǒng)的模擬式溫度傳感器相比，具有測(cè)量精度高、功耗低、穩(wěn)定性好、外圍接口電路簡(jiǎn)單特點(diǎn)。 智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、 A/D轉(zhuǎn)化器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器（或寄存器）和接口電路。并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的 ，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。 數(shù)字化溫度傳感器可以直接將溫度量以數(shù)字脈沖信號(hào)形式輸出，具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、外圍接口電路簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)。 研究內(nèi)容 本溫度控制系統(tǒng)以 AT89S52單片機(jī)為控制核心 ,由一數(shù)字溫度傳感器 DS18B20測(cè)量被控溫度，電熱爐執(zhí)行水溫上升環(huán)節(jié)，從而構(gòu)成一個(gè) 單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。用戶通過按鍵設(shè)定欲加熱溫度后 , 啟動(dòng) 400W電熱爐進(jìn)行燒水。 第二章 溫度傳感器 溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中經(jīng)常要測(cè)量的一個(gè) 物理量，科學(xué)家根據(jù)不同的測(cè)溫要求研制出多種溫度傳感器，但多數(shù)溫度傳感器的輸出都是一個(gè)變化的模擬電壓量，不能與單片機(jī)采集系統(tǒng)直接接口，需要先進(jìn)行轉(zhuǎn)換，才能送入單片機(jī)。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。 根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型 要進(jìn)行 — 個(gè) 具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。 靈敏度的選擇 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。 頻率響應(yīng)特性 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有 — 定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。 線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。 穩(wěn)定性 傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 精度 精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。這樣就可以在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。 DS18B20 封裝形式及引腳功能 圖 DS18B20封裝形式和引腳功能 如圖 所示， DS18B20 的外形如一只三極管，引腳名稱及作用如下： GND:接地端。 VDD：可接電源，也可接地。采用數(shù)據(jù)總線供電方式時(shí) VDD接地，可以節(jié)省一根傳輸線，但完成數(shù)據(jù)測(cè)量的時(shí)間較長；采用外部供電方式則 VDD接 +5V，多用一根導(dǎo)線，但測(cè)量速度較快。 64位 ROM是由廠家使用激光刻錄的一個(gè) 64位二進(jìn)制 ROM代碼，是該芯片的標(biāo)識(shí)號(hào)，如表 ： 表 64位 ROM標(biāo)識(shí) 第 1個(gè) 8位表示產(chǎn)品分類編號(hào)， DS18B20的分類號(hào)為 10H；接著為 48位序列號(hào)。 （ 2）溫度傳感器。芯片出 64 位ROM 和單線接口 存儲(chǔ)和控制邏輯 高速緩存器 溫度傳感器 高溫觸發(fā)器 TH 低溫觸發(fā)器 TL 匹配寄存器 8 位 CRC 發(fā)生器 電源檢 測(cè) C DQ VDD 內(nèi)部電源 VDD 圖 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8 位循環(huán)冗余檢驗(yàn) 48 位序列號(hào) 8 位分類編號(hào)（ 10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB 廠時(shí)默認(rèn)為 12位的轉(zhuǎn)換精度。如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測(cè)得的數(shù)值乘上 ；如果溫度小于 0，這 5位為 1，測(cè)得的數(shù)值需要取反加 1再乘上 。 DS18B20內(nèi)部的高速緩存器包括一個(gè)高速暫存器 RAM和一個(gè)非易失性可電擦除的 EEPROM。 （ 4）配置寄存器。 DS18B20工作是按此寄存器的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值，它是高速緩存器的第5個(gè)字節(jié)，該字節(jié)定義如表 ： 表 匹配寄存器 TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置 DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式，在 DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動(dòng)； R1和 R0用來設(shè)置分辨率；其余 5位均固定為 1。在單線端口條件下，必須先建立 ROM 操作協(xié)議，才能進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制操作。 這些命令對(duì)每個(gè)器件的激光 ROM 部分進(jìn)行操作，在單線總線上掛有多個(gè)器件時(shí)，可以區(qū)分出單個(gè)器件，同時(shí)可以向總線控制器指明有多少器件或是什么型號(hào)的器件。一條控制操作命令指示DS18B20完成一次溫度測(cè)量。溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL 各由一個(gè) EEPROM字節(jié)構(gòu)成。可以用一條存儲(chǔ)器操作命令對(duì) TH 和 TL 進(jìn)行寫入，對(duì)這些寄存器的讀出需要通過暫存器。 DS18B20 供電方式 DS18B20可以采用 外部電源供電和寄生電源供電兩種模式。如圖 ： 圖中 DS18B20的 DQ端口通過接入一個(gè) VCC，從而實(shí)現(xiàn)外部電源供電方式。 單片機(jī) DS18B20 外部 +5V 電源 VDD DQ VCC 其它單線器件 圖 DS18B20外部供電方式 DS18B20 的測(cè)溫原理 DS18B20的測(cè)溫原理如圖 4所示： 其主要由斜率累加器、溫度系數(shù)振蕩器、減法計(jì)數(shù)器、溫度存儲(chǔ)器等功能部件組成。計(jì)數(shù)器被預(yù)置到對(duì)應(yīng)于 55℃的一個(gè)值。同時(shí)，計(jì)數(shù)器被復(fù)位到一個(gè)值，這個(gè)值由斜坡式累加器電路確定， 斜坡式累加器電路用來補(bǔ)償感溫振蕩器的拋物線特性。 斜坡式累加器用來補(bǔ)償感溫振蕩器的非線性，以期在測(cè)溫時(shí)獲得比較高的分辨率。因此，要想獲得所需的分辨力，必須同時(shí)知道在給定溫度下計(jì)數(shù)器的值和每一度的計(jì)數(shù)值。溫度以 16bit帶符號(hào)位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式讀出，表 1 給出了溫度值和輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系。 DS18B20測(cè)溫范圍 55℃ ~+125℃，以 ℃遞增。該命令只適用于總線上存在單個(gè) DS18B20. （ 2） Match ROM（匹配 ROM）。 （ 3） Skip ROM(跳過 ROM)。 （ 4） Search ROM(搜索 ROM)。 （ 5） Alarm ROM（報(bào)警搜索 ROM）。 （ 6） Write scratchpad(寫暫存器 )?？梢栽谌魏螘r(shí)刻發(fā)出復(fù)位命令終止數(shù)據(jù)的寫入。命令代碼為 BEH，允許主設(shè)備讀取暫存器中的內(nèi)容。也可以在任何時(shí)刻發(fā)出復(fù)位命令中止數(shù)據(jù)的 讀取操作。命令代碼為 48H，將溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL中的字節(jié)復(fù)制到非易失性 EEPROM。 （ 9） Convert T(溫度轉(zhuǎn)換 )。 （ 10） Recall E2(拷回暫存器 )。將溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL中的字節(jié)從 EEPROM中拷回到暫存器中。 （ 11） Read power supply(讀電源使用模式 )。主設(shè)備將該命令發(fā)給 DS18B20后發(fā)出讀操作， DS18B20會(huì)返回它的電源使用模式： 0為寄生電源， 1為外部電源。主機(jī)總線 T0時(shí)刻發(fā)送一復(fù)位脈沖（最短為 480us 的低電平信號(hào)），接著在 T1時(shí)刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)， DS18B20 在檢測(cè)到總線的上升沿之后，等待 15~60us，接著 DS1820 在 T2時(shí)刻發(fā)出存在脈沖（低電平，持續(xù) 60~240us） ,如圖中虛線所示。之后在 T1 時(shí)刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時(shí)間隙，讀時(shí)間隙在 T1時(shí)刻后 T2時(shí)刻前有效。 圖 352 讀時(shí)序 寫時(shí)間隙時(shí)序圖： 當(dāng)主機(jī)總線 T0 時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)，就產(chǎn)生寫時(shí)間隙。若低電平，寫入的位是 0，如圖 353；若高電平，寫入的位是 1，如圖 354。 圖 353 寫 0時(shí)序 圖 354 寫 1時(shí)序 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件是一個(gè)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的主要組成部分，它支撐并構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)骨架，缺少這一骨架，就智只能紙上談兵，虛無縹緲。 溫度控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 對(duì)于溫度控制，采用單片機(jī) AT89S52 組成的自動(dòng)控制系統(tǒng) ，其系統(tǒng)硬件總體方框圖如圖 所示 : 圖 在圖 中，溫度傳感器采用單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20；數(shù)碼顯示采用三位共陽 LED，使用其動(dòng)態(tài)顯示方式，實(shí)時(shí) 顯示 DS18B20 采集到的水溫溫度。 溫度控制系統(tǒng)的基本組成 AT89S52 溫度傳感器 人 機(jī)按鍵設(shè)定 數(shù)碼顯示 水箱 光耦 雙向可控硅 電熱爐 超溫聲光報(bào)警 主要由單片機(jī)、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、升 溫控制模塊、按鍵設(shè)定模塊和超溫聲光報(bào)警模塊組成。系統(tǒng)主要組成部分：主要由單總