【正文】 方法與要求通過查資料，結(jié)合所學(xué)的知識，在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行溫度控制器的設(shè)計。 主 要 參 考 文 獻(xiàn)[1] 辜小兵．韓光勇．單片機(jī)與基礎(chǔ)應(yīng)用．重慶大學(xué)出版社．2010．[2] 曹龍漢．MCS51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]．重慶大學(xué)出版社．2004．[3] 何立民．單片機(jī)高級教程:應(yīng)用與設(shè)計(第2版)[M]．北京航天航空大 學(xué)出版社．2007．[4] 陳躍東．DS18B20集成溫度傳感器原理與應(yīng)用[J]．2002．[5] 周月霞．DS18B20硬件連接及軟件編程[J]．傳感器世界．．指導(dǎo)教師簽字： 2013年 1 月 5 日教研室主任簽字： 2013年 1 月 6 日備注：此任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫，并于畢業(yè)設(shè)計(論文)開始前下達(dá)給學(xué)生。很多行業(yè)中都有大量的用電加熱設(shè)備，如用于熱處理的加熱爐，用于融化金屬的坩鍋電阻爐及各種不同用途的溫度箱等，采用單片機(jī)對它們進(jìn)行控制，不僅具有方便、簡單、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且還可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。本溫度設(shè)計采用現(xiàn)在流行的AT89S51單片機(jī)，配以DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該溫度傳感器可自行設(shè)置溫度上下限。本設(shè)計還加入了常用的數(shù)碼管顯示及狀態(tài)燈顯示燈常用電路，使得整個設(shè)計更加完整，更加靈活。通過測試表明，本設(shè)計對溫度的控制有方便、簡單的特點(diǎn)，從而大幅提高了被控溫度的技術(shù)指標(biāo)。這類控制對象慣性大,滯后現(xiàn)象嚴(yán)重,存在很多不確定的因素,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳,甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象?？刂祁I(lǐng)域還大量采用傳統(tǒng)的PID控制方式,但PID控制對象的模型難以建立,并且當(dāng)擾動因素不明確時,參數(shù)調(diào)整不便仍是普遍存在的問題。數(shù)字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。更能串接多個數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行范圍的溫度檢測。特別是近年來，溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到人們生活的各個方面，但溫度控制一直是一個未開發(fā)的領(lǐng)域，卻又是與人們息息相關(guān)的一個實(shí)際問題。溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都離不開溫度。比如，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)；許多化學(xué)反應(yīng)的工藝過程必須在適當(dāng)?shù)臏囟认虏拍苷＿M(jìn)行；煉油過程中，原油必須在不同的溫度和壓力條件下進(jìn)行分餾才能得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品。因此，各行各業(yè)對溫度控制的要求都越來越高。單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度控制。第二節(jié) 溫度控制系統(tǒng)的目的本設(shè)計的內(nèi)容是溫度測試控制系統(tǒng)，控制對象是溫度。而以往溫度控制是由人工完成的而且不夠重視，其實(shí)在很多場所溫度都需要監(jiān)控以防止發(fā)生意外。第三節(jié) 溫度控制系統(tǒng)完成的功能本設(shè)計是對溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與控制，設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當(dāng)溫度低于設(shè)定下限溫度時，系統(tǒng)自動啟動加熱繼電器加溫，使溫度上升，同時綠燈亮。當(dāng)溫度下降到上限溫度以下時，停止降溫。三個數(shù)碼管即時顯示溫度，精確到小數(shù)點(diǎn)一位。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的CPU。 ②控制功能強(qiáng) 為了滿足對對象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件:分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。 ④易擴(kuò)展 片內(nèi)具有計算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件。 ⑤優(yōu)異的性能價格比 單片機(jī)的性能極高。單片機(jī)的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達(dá)到1MB和16MB，片內(nèi)的ROM容量可達(dá)62MB，RAM容量則可達(dá)2MB。二、單片機(jī)系統(tǒng)的基本組成將CPU、存儲器、I/O接口電路集成到一塊芯片上，這個芯片稱為單片機(jī)。所以，必須借助開發(fā)機(jī)來完成開發(fā)任務(wù)，即相應(yīng)的軟、硬件設(shè)計和調(diào)試以及將調(diào)試好的程序固化到自身的存儲器中。單片機(jī)的誕生標(biāo)志著計算機(jī)正式形成了通用計算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)兩個分支。因此，單片機(jī)的出現(xiàn)大大促進(jìn)了現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，成為近代計算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上一個重要里程碑[2]。單片機(jī)把微型計算機(jī)的主要部件都集成在一塊芯片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，運(yùn)行速度更快，可靠性更高，抗干擾能力更強(qiáng)。51的優(yōu)點(diǎn)是價錢便宜，I/O口多，程序空間大。單片機(jī)屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。單片機(jī)的典型代表是Intel公司在20世紀(jì)80年代初研制出來的MCS51系列單片機(jī)。以MCS51技術(shù)核心為主導(dǎo)的單片機(jī)已成為許多廠家、電氣公司競相選用的對象，并以此為基核，推出許多與MCS51有極好兼容性的CMOS單片機(jī)，同時增加了一些新的功能。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。AT89S51單片機(jī)還具有易于學(xué)習(xí)、成本低、性能強(qiáng)大等優(yōu)勢，能對內(nèi)部眾多I/O端口連接外圍設(shè)備進(jìn)行精確操控，具有強(qiáng)大的工控能力。二、顯示器的選擇顯示器選用LED。如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它是由若干個發(fā)光二極管組成的。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。本次設(shè)計所用的LED數(shù)碼管顯示器為共陽極。靜態(tài)顯示時取10MA為宜，動態(tài)掃描顯示可加大脈沖電流，但一般不超過40MA。目前，已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。 智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線(1WIRE)總線、I2C總線、SMBUS總線和SPI總線。智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的[4]。它們還可以脫離微控制器單獨(dú)工作，自行構(gòu)成一個溫控儀。溫度測量范圍為－55℃～＋125℃，可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，℃，被測溫度用符號擴(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。同DS1820一樣，DS18B20也 支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 55℃~+125℃，在10℃~+85℃范圍內(nèi)，℃?！?。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V~，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器?，F(xiàn)在，新一代的DS1820體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活，使您可以充分發(fā)揮“一線總線”的長處。第三節(jié) 溫度傳感器DS18B20的簡介一、DS18B20的特點(diǎn)①獨(dú)特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信；②多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；③無須外部器件；④可通過數(shù)據(jù)線供電，～；⑤零待機(jī)功耗；⑥溫度以3位數(shù)字顯示；⑦用戶可定義報警設(shè)置；⑧報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；⑨負(fù)電壓特性，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[5]。開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗(yàn)碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。③高速暫存器，可以設(shè)置DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的精度。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器。第5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。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。224。224。224。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待15～60微秒左右后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功[5]。（1）初始化時序： 初始化時序總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機(jī)響應(yīng)應(yīng)答脈沖。主機(jī)輸出低電平，保持低電平時間至少480us，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。（2）寫時序： 寫時序?qū)憰r序包括寫0時序和寫1時序。寫1時序，主機(jī)輸出低電平，延時2us，然后釋放總線，延時60us。（3）讀時序： 讀時序總線器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時序時，才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，所以，在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便從機(jī)能夠傳輸數(shù)據(jù)。每個讀時序都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線1us。主機(jī)輸出低電平延時2us，然后主機(jī)轉(zhuǎn)入輸入模式延時12us，然后讀取總線當(dāng)前電平，然后延時50us。符合ROM55H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。跳過ROM0CCH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。溫度變換44H啟動DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間最長為500MS，結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM中。寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的第3，4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟讀命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。重調(diào)0BBH將E2PRAM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3，4字節(jié)。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。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(dá)到被測溫度值。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。：減法計數(shù)器斜率累加器減到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 測溫原理內(nèi)部裝置重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）（三）DS18B20的測溫流程。系統(tǒng)可以是各種各樣的機(jī)器，也可以是計算機(jī)化的系統(tǒng)和軟件。用戶通過人機(jī)交互界面與系統(tǒng)交流，并進(jìn)行操作。人機(jī)交互界面的設(shè)計要包含用戶對系統(tǒng)的理解（即心智模型），那是為了系統(tǒng)的可用性或者用戶友好性。人機(jī)交互功能主要靠可輸入輸出的外部設(shè)備和相應(yīng)的軟件來完成。與這些設(shè)備相應(yīng)的軟件就是操作系統(tǒng)提供人機(jī)交互功能的部分。早期的人機(jī)交互設(shè)施是鍵盤顯示器。打入的命令可以有不同方式，但每一條命令的解釋是清楚的，唯一的。隨著模式識別，如語音識別、漢字識別等輸入設(shè)備的發(fā)展，操作員和計算機(jī)在類似于自然語言或受限制的自然語言這一級上進(jìn)行交互成為可能。這些人機(jī)交互可稱為智能化的人機(jī)交互。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)距離通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)?。這里所說的通信是指計算機(jī)與外界的信息交換。由于串行通信是在一根傳輸線上一位一位的傳送信息，所用的傳輸線少，并且可以借助現(xiàn)成的電話網(wǎng)進(jìn)行信息傳送，因此，特別適合于遠(yuǎn)距離傳輸。在實(shí)時控制和管理方面，采用多臺微機(jī)處理機(jī)組成分級分布控制系統(tǒng)中，各 CPU 之間的通信一般都是串行方式。（二）工作方式由于 CPU 與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設(shè)之間按串行方式傳輸，因此，在串行接口中，必須要有“接收移位寄存器”（串→并）和“發(fā)送移位寄存器”（并→串）。 CPU 從“數(shù)據(jù)輸入寄存器”中讀取接收到的字符?！敖邮找莆患拇嫫鳌钡囊莆凰俣扔伞敖邮諘r鐘”確定?！鞍l(fā)送移位寄存器”的移位速度由“發(fā)送時鐘”確定?！盃顟B(tài)寄存器”的各位稱為“狀態(tài)位”，每一個狀態(tài)位都可以用來指示數(shù)據(jù)傳輸過程中的狀態(tài)或某種錯誤。能夠完成上述“串 并”轉(zhuǎn)換功能的電路，通常稱為“通用異步收發(fā)器”(UART ：Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)，典型的芯片有：Intel 8250/8251，16550[10]。在異步通信方式下，接口自動生成起止式的幀數(shù)據(jù)格式。②進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換：串行傳送，數(shù)據(jù)是一位一位串行傳送的，而計算機(jī)處理數(shù)據(jù)是并行數(shù)據(jù)。因此串并轉(zhuǎn)換是串行接口電路的重要任務(wù)。④進(jìn)行錯誤檢測：在發(fā)送時接口電路對傳送的字符數(shù)據(jù)自動生成奇偶校驗(yàn)位或其他校驗(yàn)碼。⑤進(jìn)行TTL與EIA電平轉(zhuǎn)換：CPU和終端均采用TTL電平及正邏輯，它們與EIA采用的電平及負(fù)邏輯不兼容，需在接口電路中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這些信號線由接口電路提供，以便與MODEM或終端進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與控制。采用4X4鍵盤把設(shè)定溫度的最高值和最低值存入單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器，還可以通過鍵盤完成溫度檢測功能的轉(zhuǎn)換。：AT89S51溫度控制報警電路顯示電路溫度傳感器鍵盤設(shè)定 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，選擇DS18B20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片機(jī)AT89S51為測控系統(tǒng)的核心來完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報警等功能。該系統(tǒng)的總體設(shè)計思路如下：溫度傳感器DS18B20把所測得的溫度發(fā)送到AT89S51單片機(jī)上，經(jīng)過51單片機(jī)處理，將把溫度在顯示電路上顯示，本系統(tǒng)顯示器為點(diǎn)陣字符LCD，1602液晶模塊。本系統(tǒng)除了顯示溫度以外還可以設(shè)置一個溫度值，對所測溫度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定溫度時，開始報警并啟動相應(yīng)程序（溫度高于設(shè)定溫度時，風(fēng)扇開；當(dāng)溫度低于設(shè)定