【正文】 ............................. 13 設(shè)計(jì)原則 ................................................. 13 引腳連接 ................................................. 13 晶振電路 ............................................ 13 串口引腳 ............................................ 13 4 其它引腳 ............................................ 14 五、 系統(tǒng)整 體設(shè)計(jì) ................................................ 15 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ......................................... 15 主板電路設(shè)計(jì) ........................................ 15 各部分電路 .......................................... 15 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ............................................. 17 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體思路 ................................ 17 系統(tǒng)程序流圖 ........................................ 18 調(diào)試 .................................................. 23 六、結(jié)束語 ...................................................... 25 附錄 ............................................................ 26 參考文獻(xiàn) ........................................................ 34 致謝 ............................................................ 35 1 一、引言 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景、發(fā)展歷史及意義 隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)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(shí)際情況，設(shè)計(jì)一個溫 度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實(shí)際意義。在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機(jī)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?fàn)€，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(yùn)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(jì)的目的是實(shí)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(qiáng)大，小巧美觀，便于攜帶，是一款既實(shí)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(jī)構(gòu)不執(zhí)行。 二、總體設(shè)計(jì)方案 方案一 測溫電路的設(shè)計(jì)，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(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)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(jì)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(jì)容易實(shí)現(xiàn)，故實(shí)際設(shè)計(jì)中擬采用方案二 。 3 圖 2－ 1 溫度計(jì)電路總體設(shè)計(jì)方案 （ 1）控制部分 單片機(jī) AT89S51具有低電壓供電和體積小 等特點(diǎn)，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)的 口，單片機(jī)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 ； DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 引腳說明：地?cái)?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]： 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(yàn) 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(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL，可通過軟件寫入用戶報(bào)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 5 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 ，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(jī)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(jī)根據(jù) ROM 的前 56位來計(jì) 算 CRC值，并和存入 DS18B20中的 CRC值做比較，以判斷主機(jī)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(jìn)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。可是它的缺點(diǎn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)知道，總線上有從機(jī)設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。接著主機(jī)釋放總線， ，延時 15～ 60us，并進(jìn)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(dú)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(jī)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(dú)立的讀時序之間至少需要 1us的恢復(fù)時間。主機(jī)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(jìn)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(jì)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(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器中，減法計(jì)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(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)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(dá)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)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(jì)數(shù)器 斜坡累加器 減 到 0 減法計(jì)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(jì)數(shù)比較器 預(yù) 置 溫度寄存器 減到 0 13 四、單片機(jī)接口設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)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(jì) 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(jī)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(jī) 18B20 VCC GND 14 圖 4－ 1 DS18B20 與單片機(jī)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(jì) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 主板電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)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(jī)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