【正文】 實例研究，關(guān)鍵問題研究； 4 月 16 日至 5 月 23 日：提綱研究，論文的撰寫，定稿； 5 月 24 日至 6 月初：準備答辯。 編 號： 審定成績： 重慶郵電大學(xué) 移通學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 設(shè)計（論文）題目： 實用溫度控制器的設(shè)計 單 位（系別） ： 通信工程系 學(xué) 生 姓 名 ： 專 業(yè) ： 通信工程 班 級 ： 學(xué) 號 ： 指 導(dǎo) 教 師 ： 答辯組 負責(zé)人 ： 填表時間： 20xx 年 6 月 重慶郵電大學(xué) 移通學(xué)院 教務(wù)處制重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） I 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 )任務(wù)書 設(shè)計 (論文 )題目 實用溫度控制器的設(shè)計 學(xué)生姓名 系別 通信工程系 專業(yè) 通信工程 班級 指導(dǎo)教師 職稱 副教授 聯(lián)系電話 教師單位 重慶郵電大學(xué) 下任務(wù)日期 _ 20xx _年 _ 1 月 _ 4_ 日 主 要 研 究 內(nèi) 容 、 方 法 和 要 求 一、研究內(nèi)容 掌握溫度控制器的原理，溫度控制系統(tǒng)及發(fā)展等相關(guān)知識； 進行基于溫度控制器的設(shè)計。 二、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)下進行溫度控制器的設(shè)計。 主 要 參 考 文 獻 [1] 辜小兵 ． 韓光勇 ． 單片機與基礎(chǔ)應(yīng)用 ． 重慶大學(xué)出版社 ． 20xx． [2] 曹龍漢． MCS51 單片機 原理及 應(yīng)用 [M]．重慶大學(xué)出版社． 20xx． [3] 何立民 ．單片機高級教程 :應(yīng)用與設(shè)計 (第 2 版 )[M]． 北京航天航空大 學(xué)出版社 ． 20xx． [4] 陳躍東 ． DS18B20 集成溫度傳感器原理與應(yīng)用 [J]． 20xx． [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： 20xx 年 1 月 5 日 教研室主任簽字： 20xx 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，采用單片機對它們進行控制，不僅具有方便、簡單、靈活性強等特點，而且還可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，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，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，從而大幅提高了被控溫度的技術(shù)指標。這類控制對象慣性大 ,滯后現(xiàn)象嚴重 ,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進行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。更能串接多個數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 進行范圍的溫度檢測。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?shù)臏囟认虏拍苷＿M行；煉油過程中，原油必須在不同的溫度和壓力條件下進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 實在很多場所溫度都需要監(jiān)控以防止發(fā)生意外。重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第三節(jié) 溫度控制系統(tǒng)完成的功能 本設(shè)計是對溫度進行實時監(jiān)測與控制，設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當溫度低于設(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 為了滿足對對象的控制要求，單片機 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 易擴展 片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件。 ⑤ 優(yōu)異的性能價格比 單片機的性能極高。單片機的 尋址能力也已突破 64KB的限制，有的已可達到 1MB和 16MB，片內(nèi)的 ROM 容量可達 62MB， RAM 容量則可達 2MB。 二、單片機系統(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。所以，必須借助開發(fā)機來完成開發(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。 單片機的誕生標志著 計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩個分支。因 此，單片機的出現(xiàn)大大促進了現(xiàn)代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，成為近代計算機技術(shù)發(fā)展史上一個重要里程碑[2]。單片機把微型計算機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，運行速度更快，可靠性更高，抗干擾能力更強。 51 的優(yōu)點是價錢便宜 ， I/O 口多 ， 程序空間大。單片機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。單片機的典型代表是 Intel公司在 20 世紀 80 年代初研制出來的 MCS51系列單片機。 以 MCS51 技術(shù)核心為主導(dǎo)的單片機已成為許多廠家、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，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 ，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，兼容標準 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 單片機還具有易于學(xué)習(xí)、成本低、性能強 大等優(yōu)勢， 能對內(nèi)部眾多 I/O 端口連接外圍設(shè)備進行精確操控， 具有強大的工控能力 。 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。當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，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)也實現(xiàn)了標準化、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 ， 測溫分辨率可達 ℃ ， 被測溫度用符號擴展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠端引入，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) ， 精度為 ℃。 ℃ 。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~ 的電壓范圍，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、更靈活，使您可以充分發(fā)揮 “一線總線 ”的長處。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第三節(jié) 溫度傳感器 DS18B20 的簡介 一、 DS18B20 的特點 ①獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； ②多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； ③無須外部器件 ； ④可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 ～ ； ⑤零待機功耗； 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志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； ⑨負電壓特性，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 校驗碼，這也是多個 DS18B20 可以采用一線進行通信的原因 。 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，結(jié)構(gòu)如表 所示。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。 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 初始化時序的具體工作方法如圖 所示： 響應(yīng)脈沖60~24 0等待15 60主機 最小48 0主機復(fù)位脈沖最小480 US 圖 初始化時序 總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機響應(yīng)應(yīng)答脈沖。主機輸出低電平，保持低電平時間至少 480us，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。 （ 2）寫時序 寫時序的具體工作方法如圖 所示： 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 采樣15~ 45采樣15~ 4511主機寫1 時 序主機寫0 時 序 圖 寫時序 寫時序包括寫 0 時序和寫 1 時序。寫 1 時序，主機輸出低電平，延時2us，然后釋放總線，延時 60us。 （ 3）讀時序 讀時序的具體工作方法如圖 所示： 主機采樣主機采樣454511主機寫1 時 序主機寫0 時 序 圖 讀時序 總線器件僅在主機發(fā)出讀時序時，才向主機傳輸數(shù)據(jù)，所以，在主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便從機能夠傳輸數(shù)據(jù)。每個讀時序都由主機發(fā)起，至少拉低總線 1us。主機輸出低電平延時 2us，然后主機轉(zhuǎn)入輸入模式延時 12us，然后讀取總線當前電平，然后延時 50us。 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。 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。 溫度 變換 44H 啟動 DS18B20 進行溫度轉(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)。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 每一片 DSl8B20 在其 ROM 中都存有其