【正文】 2 摘 要 本設計是基于 DS18B20 的溫度控制系統(tǒng)，以 STC89C51 為控制系統(tǒng)核心，通過單片機系統(tǒng)設計實現(xiàn)對溫度的顯示和控制功能。本溫 度控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋調節(jié)系統(tǒng)，由溫度傳感器對外界溫度進行檢測，經過調理電路得到合適的電壓信號。通過對偏差信號的處理獲得控制信號，去調節(jié)，從而實現(xiàn)對溫度的顯示和控制。 ② 硬件設計，主要包括溫度檢測電路、顯示電路、鍵盤設計和控制電路、報警電路。 關鍵詞： 單片機；溫度傳感器；溫度檢測， DS18B20 3 一、 引言 溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于社會生活的各個領域 ,如家電、汽車、材料、電力電子等 ,常用的控制電路根據(jù)應用場合和所要求的性能指標有所不同 , 在工業(yè)企業(yè)中 ,如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術人員努力解決的問題。傳統(tǒng)的繼電器調溫電路簡單實用 ,但由于繼電器動作頻繁 ,可能會因觸點不良而影響正常工作。而采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，因其內部集成了 A/D 轉換器，使得電路結構更加簡單，而且減少了溫度測量轉換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。由于 DS18B20 芯片的小型 化，更加可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性。 二、 系統(tǒng)設計任務及要求 系統(tǒng)設計任務 設計一個基于 DS18B20 的溫度控制系統(tǒng)，配合硬件實現(xiàn)溫度實時采集和自動調控溫度 ,顯示當前溫度等功能，實現(xiàn)單片機的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)設計的基本要求 1. 實現(xiàn)單片機閉環(huán)控制 系統(tǒng)：系統(tǒng)內部能夠自動的調節(jié)。 4 3. 設置溫度范圍控制功能 :系統(tǒng)在設計過程能實現(xiàn)上下限溫度的按鍵設置。 三、 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)設計方案論證 電源選擇 由于電源的設計比較復雜，且時間有限，所以在電源選擇上我們就直接選擇現(xiàn)成的電源，這樣能節(jié)省下來很多的時間。減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點。 本設計對數(shù)據(jù)的處理速度以及存儲空間的要求不高，一般的內置的閃存都能滿足，而 STC89C51 芯片存儲空間更大能 夠在線擦寫程序的優(yōu)點，在運用和軟件調試時更方便，且自帶的下載版上的數(shù)碼管和按鍵也能對當前的溫度分別進行顯示和控制，因此選用此作為控制模塊。此電路可控制大功率設備，但是在制作和調試的過程中要注意安全。該設計方案雖然安全，但該設計不能在現(xiàn)實生活中實現(xiàn)自動控制。 5 整體設計方案的確定 綜合考慮，本設計采用基于 STC89C51 單片機與 DS18B20 溫度傳感器、加熱制冷部分構成機箱監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計，其整體框架圖如下圖 11?？梢栽谌€上同時并聯(lián)多個溫度傳感器，每臺分機上可以連接多根電纜，每根電纜上可以并聯(lián)幾十個點，構成串行總線工作方式。 1. DS18B20 的性能 特點 : (1) 適用電壓范圍： — ； (2) 2．測溫范圍： 55— +125℃ ,精度為 177。 圖 21 DS18B20 引腳分布圖 7 引腳定義： 1． DQ 為數(shù)字信號輸入 /輸出端； 2． GND 為電源地； 3． VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。用一個高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個門周期，內部計數(shù)器在這個門周期內對一個低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進行計數(shù)來得到溫度值。如果計數(shù)器在門周期結束前到達0，則溫度寄存器的值增加，表 明溫度大于﹣ 55℃ 。然后計數(shù)器又開始計數(shù)直到 0，如果門周期未結束，將重復這一過程。 圖 22 DS18B20 測溫原理圖 應該注意的是：由于 DS18B20 單線通信功能是時分完成的，它嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。操作協(xié)議為：初始化 DS18B20（發(fā)復位脈沖）發(fā) ROM 功能命令 ? 發(fā)存儲器操作命令 ? 處理數(shù)據(jù)。復位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500us，然后釋放， DS18B20 收到信號后等待 16～ 60us 左右，后發(fā)出60～ 240us 的低脈沖，主 CPU 收到此信號表示復位成功。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 ℃ /LSB 形式表示。 例如 +125℃ 的數(shù)字輸出為 07D0H， +℃ 的數(shù)字輸出為 0191H， ℃的數(shù) 字輸出為 FF6FH， 55℃ 的數(shù)字輸出為 FC90H。 圖 24 DS18B20 采用電源供電方式 9 當 DS18B20 處于寫存 儲器操作和溫度 A/D 轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為 10us。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。其電路圖如下： 圖 25 執(zhí)行動作模塊結構框圖 （一） MOC3081 的外形和內部結構 （圖 26，圖 27） 圖 26 MOC3081 外形圖 STC89C51 單片機 1 6 2 MOC3081 5 3 4 1 6 2 MOC3081 5 3 4 風扇 加熱管 ~220V ~220V 5V 10 圖 27 MOC3081 內部結構圖 （二） MOC3081 的性能特點 : 1．適用最大電壓范圍： 800V，耐壓高，安全可靠； 2．工作溫度范圍： 40— +100℃ ； 3． 6 引腳交叉光隔離器 TRIAC 驅動輸出電壓峰 。 6. 過零點觸發(fā) 光耦以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強的特點。 用戶自行控制溫度和顯示溫度模塊介紹 當前溫度顯示部分介紹 下圖是基于 DS18B20 溫度控制系統(tǒng)顯示部分的的設計框圖，該圖能清楚明了了讓我們知道該系統(tǒng)硬件的基本連接方 法。 具體硬件電路原理分析 單片機模塊 STC89C51 數(shù) 碼 管 上限溫度 下限溫度DALLAS 公司生產的數(shù)字溫度傳感器芯片，具有結構簡單、體積小、功耗小、抗干擾能力強、使用方便等優(yōu)點。由于 18B20芯片送出的溫度信號是數(shù)字信號，因此簡化了 A/D轉換的設計，提高了測量效率和精度；并且芯片的ROM 中存有其唯一標識碼，即不存在相同標識碼的DS18B20 ，特別適合與微處理芯片構成多點溫度測控系統(tǒng)。 后級驅動模塊 13 說明：該電路是后級驅動電路，該電路通過單片機的控制來達到 DS18B20 在設定的溫度范圍內工作。 五、 軟件設計 主程序流程圖 DS18B20 是可編程器件，在是使用時必須經過以下三個步驟：初始化、寫操作、讀操作。在編寫相應的應用程序時，必須先掌握 DS18B20 的通信協(xié)議和時序控制要求。 DS18B20 有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。 主程序流程圖如圖 211 所示： 14 主 程 序調 入 按 鍵 掃 描 程 序調 入 設 置 D S 1 8 B 2 0 溫 度 報 警值 程 序調 入 讀 取 溫 度 程 序判 斷 D S 1 8 B 2 0 是 否 正 常調 入 按 鍵 掃 描 程 序調 入 數(shù) 碼 管 溫 度 顯 示 程 序空 操 作否是判 斷 h i _ a l a r m 和 l o _ a l a r m是 否 為 1保 持否報 警 并 驅 動 后 級 電 路 操 作是 圖 211 主程序流程圖 DS18B20 溫度傳感器初始化 主機總線 to 時刻應先向 DS18B20 送出（ TX）發(fā)送一復位脈沖 (最短為 480us 的低電平信號即由主機將數(shù)據(jù)線拉低并保持 480us~960us) ，接著在 tl 時刻釋放總線并進入接收狀態(tài)（ RX）， DSl820 在檢測到總線的上升沿之后等待 15~60us，接著 DS1820 在 t2 時刻發(fā)出存在脈沖 (低電平，持續(xù) 60~240 us) 如圖 212 中虛線所示。由于溫度測量只有一只 DS18B20，因此我們在讀出溫度時并不進行 CRC 校驗。 60~240us 15~60us t1 t0 t2 t3 t4 480~960us 480us 16 復 位 DS18B20寫 OXCC跳 過 ROM命 令寫 OX44啟 動 溫 度 轉 換復 位 DS18B20寫 OXCC跳 過 ROM命 令寫 OXBE讀 取 溫 度 寄 存 器讀 溫 度 高 8位讀 溫 度 低 8位 圖 214 讀溫度子程序 DS18B20 的寫讀時序 圖 215 讀寫時隙時序圖 寫時序：對于 DS18B20 的寫時序仍然分為寫 0 時序和寫 1 時序兩個過程。 DSl820 在 t o 后 15~60us 間對總線采樣。連續(xù)寫 2 位間的間隙應大于 1us。 17 讀時 序： 主機總線 t0 時刻從高 拉至低電平時，總線只需保持低電平 1us，之后在t1 時刻將總線拉高，產生讀時間隙，讀時間隙在 t1 時刻后 t2 時刻前有效。 開 始d s 置 1 ， 至 少 延 時 1 U Sd s 清 零延 時 1 5 U S寫 入 一 位 數(shù) 據(jù)延 時 1 5 到 4 5 U S8 位 是 否 寫 完 ？延 時 1 U S是否開 始d s 置 1 ， 至 少 延 時 1 U Sd s 清 零 ， 延 時 1 U Sd s 置 1 ， 讀 取 一位 數(shù) 據(jù)延 時 1 5 到 4 5 U S8 位 讀 完 ？延 時 1 U S是否 圖 216DS18B20 寫入子程序流程圖 圖 217 DS18B20 讀出子程序流程圖 六、 電路調試及各主要技術指標的測量 測試儀器 萬用表；電源 (+220V)；電腦；紅色，綠色彩燈； 冷水，熱水（ 30— 40℃ ）各一杯；秒表； 測試檢驗 測量方法 首先我們在基本大氣下，測得系統(tǒng)所在的環(huán)境的溫度，并計入下來。當溫度傳感器恢復到室溫時，我們在