水箱恒溫控制系統(tǒng)的設計

1、 水箱恒溫控制系統(tǒng)的設計摘要 恒溫控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中舉足輕重，溫度的控制直接影響著工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量。本設計是基于STC89C521單片機的恒溫箱控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，其中硬件包括：溫度傳感器、顯示、控制和報警的設計；軟件包括：鍵盤管理程序設計、顯示程序設計、控制程序設計和溫度報警程序設計。編寫程序結合硬件進行調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)設置和調(diào)節(jié)初始溫度值，進行數(shù)碼管顯示，當加熱到設定值后立刻報警。另外，本系統(tǒng)通過軟件實現(xiàn)對按鍵誤差、加熱過沖的調(diào)整，以提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。本設計從實際應用出發(fā)選取了體積小、精度相對高的數(shù)字式溫度傳感元件DS18B20作為溫度采集器，單片機ST

2、C89C52作為主控芯片，數(shù)碼管作為顯示輸出，實現(xiàn)了對溫度的實時測量與恒定控制。The Design of Refrigerator Door Shell Shaping Control System Abstract: The system makes use of the single chip STC89C52 as the temperature controlling center, uses numeral thermometer DS18B20 which transmits as 1-wire way as the temperature sensor, through the

3、 pressed key, the numerical code demonstrated composite of the man-machine interactive connection ,to realize set and adjust the initial temperature value. After the system works, the digital tube will demonstrate the temperature value, when temperature arriving to the setting value, the buzzer will

4、 be work immediately. In addition, the system through the software adjusting to the pressed key error, and the excessively hutting. All of these are in order to enhance the systems security, reliability and stability.第一章緒論 1.1 課題研究的背景溫度是工業(yè)上常見的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品加工、機械制造等領域，恒溫控制系統(tǒng)被廣泛應用于加熱爐、熱處理爐、反應爐

5、等。在一些溫控系統(tǒng)電路中，廣泛采用的是通過熱電偶、熱電阻或PN結測溫電路經(jīng)過相應的信號調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成AD轉(zhuǎn)換器能接收的模擬量，再經(jīng)過采樣保持電路進行AD轉(zhuǎn)換，最終送入單片機及其相應的外圍電路，完成監(jiān)控。但是由于傳統(tǒng)的信號調(diào)理電路實現(xiàn)復雜、易受干擾、不易控制且精度不高。本文介紹單片機通過數(shù)字溫度傳感器檢測外部溫度對水箱進行恒溫控制的設計，通過控制繼電器的通斷，進而控制電爐的加熱來實現(xiàn)恒溫控制。因此，本系統(tǒng)采用一種新型的可編程溫度傳感器（DS18B20），不需復雜的信號處理電路和AD轉(zhuǎn)換電路就能直接與單片機完成數(shù)據(jù)采集和處理，實現(xiàn)方便、精度高，可根據(jù)不同需要用于各種場合。在日常生活中，也經(jīng)常用到

6、電烤箱、微波爐、電熱水器、烘干箱等需要進行溫度檢測與控制的家用電器。采用單片機實現(xiàn)溫度控制不僅具有控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點，而且可以大幅度地提高被控溫度的技術指標，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，現(xiàn)以恒溫水箱控制系統(tǒng)的設計進行介紹。 1.2 國內(nèi)外恒溫控制技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 1、國外恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國外恒溫控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化，自適應參數(shù)的自整定等方面取得了很大的科技成果。在這方面以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器

7、及儀器儀表。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。雖然溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器及技術來講，其總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。2、國內(nèi)恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢我國目前在恒溫控制技術這方面總體技術水平處于20世紀80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變的溫度系統(tǒng)控制。在適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表領域內(nèi)，國內(nèi)技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。因此，我國在恒

8、溫控制等控制儀表行業(yè)與國外還有著一定的差距。從過程量的檢測角度出發(fā)，溫度是最常見的過程變量之一，它是一個非常重要的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結晶以及空氣流動等物理和化學過程。而恒溫控制技術在工業(yè)領域應用非常廣泛，由于其具有工況復雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點,它對控制調(diào)節(jié)器要求較高。其溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。盡管恒溫控制很重要，但是要控制好溫度常常會遇到意想不到的困難。隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術的快速發(fā)展及其在各個領域的廣泛應用，人們對電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術之一的單片機以

9、其體積小、價格低、可靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢，在各個領域、各個行業(yè)都得到了廣泛應用。 1.3 課題目的及意義隨著社會的發(fā)展，科技的進步，以及測溫儀器在各個領域的運用，智能化已經(jīng)成為現(xiàn)在溫度測量的主流發(fā)展方向。溫度是科學技術中最近本的物理量之一，物理、化學、生物等學科都離不開溫度的測量。在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，溫度常常是表征對象和過程的重要參數(shù)之一。例如，某些化學反應要在適當?shù)臏囟认逻M行一定的時間才能出現(xiàn)反應現(xiàn)象；分餾的操作也是要有苛刻的溫度環(huán)境才能正常進行以免產(chǎn)生雜質(zhì)；生物工程中的培養(yǎng)基的培養(yǎng)等。此課題的恒溫水箱主要是用于實驗室的化學反應，對溫度的環(huán)境要求比較苛刻，對溫度

10、控制的先決條件是必須能夠精確地掌握實時溫度。通過對恒溫水箱的設計，不僅能夠滿足實驗室的實驗需求，同時也是讓自己對protel等專業(yè)軟件在電路設計及仿真、51單片機的開發(fā)編程又一個深入的學習。同時也讓自己對開發(fā)一個完整的系統(tǒng)有了一個更加深入的認識。 1.4 技術要求 1.4.1 本設計的主要功能（1）可以對溫度進行自由設定，但必須在0100內(nèi)，設定時可以實時顯示出設定的溫度值。（2）根據(jù)設定的溫度值與實際檢測的溫度值之差來采取不同的加熱制冷方式。 （3）能夠保持實時顯示水溫，顯示位數(shù)4位，分別為百位、十位、個位和小數(shù)位（但由于規(guī)定不超過70度，所以百位也就沒有實現(xiàn)，默認的百位是不顯示的）。 1.

11、4.2 本設計的技術指標（1）可以對溫度進行自由設定，并能用液晶顯示，顯示最小區(qū)分度為0.1C。（2）可以測量并顯示水的溫度測量誤差在0.5C內(nèi)。（3）水溫控制系統(tǒng)應具有全量程（10C-70C）內(nèi)的升溫、降溫功能。 第2章 系統(tǒng)方案選擇和工作原理 2.1 系統(tǒng)綜述 本文所要研究的課題是基于單片機控制的水箱恒溫控制系統(tǒng)主要是介紹了對水箱溫度的測控，實現(xiàn)了溫度的實時顯示及控制。用DS18B20、STC89C52單片機及LCD的硬件電路完成對水溫的實時檢測及顯示，由DS18B20檢測爐內(nèi)溫度并在LCD1602中顯示?？刂破魇怯肧TC89C52單片機，根據(jù)設定的算法計算出控制量，根據(jù)控制量通過控制固態(tài)

12、繼電器的導通和關閉從而控制電阻絲的導通時間，以實現(xiàn)對水溫的控制。DS18B20可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機處理。而且每片DS18B20都有唯一的產(chǎn)品號，可以一并存入其ROM中，以便在構成大型溫度測控系統(tǒng)時在單線上掛接任意多個DS18S20芯片。從DS18S20讀出或?qū)懭隓S18S20信息僅需要一根口線其讀寫及其溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，該總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，故不需要額外電源。同時DS18B20能提供九位溫度讀數(shù)，它無需任何外圍硬件即可方便地構成溫度檢測系統(tǒng)。本設計主要實現(xiàn)溫度測控，溫度顯示，溫度門限設定，超過設定的門限值時自動啟動相應的功能。 2.2各模塊電路

13、的方案選擇及論證根據(jù)題目的基本要求，設計任務主要設計一個水溫測控系統(tǒng)，控制水箱中水的溫度，選擇合適的控制規(guī)律，使水箱中水的溫度按預定規(guī)律變化，并且能夠進行越限報警。可通過鍵盤，顯示電路設定目標溫度、控制參數(shù)、運行等。2.2.1 系統(tǒng)硬件、軟件總框圖圖2-2-1 溫度控制系統(tǒng)硬件設計方框圖圖2-2-2 溫度控制系統(tǒng)軟件設計方框圖2.3 方案論證2.3.1 溫度傳感器的選擇方案一：采用熱敏電阻，可滿足4090的測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性都比較差，其測量溫度范圍相對較小，穩(wěn)定性較差，不能滿足本系統(tǒng)溫度控制的范圍要求。方案二：采用溫度傳感器鉑電阻 Pt1000。鉑熱電阻的物理化學性能在高

14、溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測溫元件，且此元件線性較好。在 0100 攝氏度時，最大非線性偏差小于 0.5 攝氏度。鉑熱電阻與溫度關系是，Rt = R0(1+At+Bt*t) ;其中 Rt 是溫度為 t 攝氏度時的電阻；R0 是溫度為 0 攝氏度時的電阻；t 為任意溫度值，A,B 為溫度系數(shù)。方案三：采用模擬溫度傳感器AD590K，AD590K具有較高精度和重復性（重復性優(yōu)于0.1），其良好的非線性可以保證優(yōu)于0.1的測量精度。但其測量的值需要經(jīng)過運算放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換再傳給單片機，硬件電路較復雜，調(diào)試也會相對困難，所以本系統(tǒng)不宜采用此法。方案四：采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18

15、B20提供九位溫度讀數(shù)，測量范圍-55125，采用獨特1-WIRE 總線協(xié)議，只需一根口線即實現(xiàn)與MCU 的雙向通訊，具有連接簡單，高精度，高可靠性等特點。并且,DS18B20支持一主多從,若想實現(xiàn)多點測溫,可方便擴展。綜合以上四種方案，本設計采用第四種方案，利用數(shù)字溫度計DS18B20作為溫度傳感器。 2.3.2 顯示器件的選擇 方案一采用三個LED八段數(shù)碼管分別顯示溫度的十位、個位和小數(shù)位。數(shù)碼管具有亮度高、壽命長、耐老化、對外界環(huán)境要求低。但LED八度數(shù)碼管引腳排列不規(guī)則，顯示時要加驅(qū)動電路，硬件電路復雜。 方案二采用帶有字庫的12864液晶顯示屏。12864液晶顯示屏（LCD）具有功耗

16、低、輕薄短小無輻射危險，平面顯示及影像穩(wěn)定，不閃爍，可視面積大，畫面效果好，能顯示文字和圖像，抗干擾能力強。但是12864價格昂貴。 方案三1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個57或者511等點陣字符位組成每個點陣字符位都可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以他不能顯示圖形但是價格便宜編程簡單。 比較以上方案方案三是首選，采用方案三作為顯示模塊。2.3.3 單片機的選擇所設計控制系統(tǒng)主要用于控制電熱絲和制冷片的工作與否、對溫度測量信號的接收和處理、控制顯示電路對設定溫度

17、值、系統(tǒng)實際溫度值和溫度曲線的實時顯示以及控制鍵盤實現(xiàn)對溫度值的設定等。由于單片機運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其具有功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點。因此采用STC89C52作為系統(tǒng)控制器。2.3.4 加熱降溫裝置的選擇要實現(xiàn)任意設定點溫度的控制，就必須能控制電加熱器/制冷片的工作與否，因此要利用所選定的單片機控制加熱器/制冷片電源的通斷。因為加熱器/制冷片的工作電壓是220V和12V對單片機來說都是 “強電”因此要用弱電實現(xiàn)對強電的控制。由于可控硅在電路中能夠?qū)崿F(xiàn)交流電的無觸點控制，適合在高電壓、大電流下工作。以小電流控制大電流，并且不像

18、繼電器那樣控制時有火花產(chǎn)生，而且動作快、壽命長、可靠性好。在調(diào)速、調(diào)光、調(diào)壓、調(diào)溫以及其他各種控制電路中都有它的身影。由于單片制冷片電流在8-10A電流較大，因此本文采用可控硅實現(xiàn)對加熱器/制冷控制模塊設計。 根據(jù)以上分析，結合器件和設備等因素確定如下方案 采用STC89C52單片機作為控制器，分別對溫度采集、LCD顯示、溫度設定、加熱裝置進行控制。 溫度測量模塊采用DS18B20，此器件的使用可以省去A/D，模數(shù)轉(zhuǎn)換部分。 可控硅實現(xiàn)對加熱器/制冷控制模塊可以滿足設計要求。 顯示用LCD1602顯示屏顯示溫度值和時間用數(shù)字鍵和功能設置鍵實現(xiàn)溫度、時間的設置。第3章 系統(tǒng)硬件設計3.1 STC

19、89C52構成的最小系統(tǒng)微型計算機即單片機是因工業(yè)測控系統(tǒng)數(shù)字化，智能化的迫切需求而發(fā)展起來的。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能8k字節(jié)Flash 512字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復位電路三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件

20、可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35Mhz。 3.1.1 STC89C52單片機基本結構STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。 單片機總控制電路

21、如下圖 圖3.1.1 STC89C52單片機控制電路 3.1.2 晶振回路晶振回路主要任務是為STC89C52單片機正常工作需要的時鐘電路提供一個穩(wěn)定的工作頻率。根據(jù)STC89C52單片機時鐘周期的要求，回路需要選用頻率為11.0592MHz的晶振。晶振回路由電容和陶瓷諧振器晶振組成。作為單片機的時鐘源。STC89C52內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入和輸出端分別是引腳XTAL0和XTAL1,在XTAL0和XTAL1端口接上時鐘電源即可構成時鐘電路。本設計中采用內(nèi)部時鐘產(chǎn)生方式。在XTAL0和XTAL1兩端跨接晶振，與內(nèi)部的反相器構成穩(wěn)定的自激振蕩器。其發(fā)出的時鐘脈沖

22、直接送入單片機內(nèi)定時控制部件。電容C1和C2對頻率有微調(diào)作用。電容C1和C2應盡可能的安裝在單片機芯片附近，以減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作。晶振電路如圖所示 圖3.1.2晶振電路3.1.3 復位電路 為確保溫控系統(tǒng)電路穩(wěn)定可靠工作，復位電路是必不可少的一部分。復位電路的第一功能是上電復位。電路正常工作需要供電電源為5V5%即4.755.25V。由于微機電路是時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復位信號才被撤除，微機電路開始正常工作。復位電路第二功能是手動復位。手動復位需要人為在復位輸入端RST上加入高

23、電平，一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。復位電路如圖所示 圖3.1.3復位電路3.2 按鍵電路的設計3.2.1矩陣式鍵盤的結構與工作原理在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口如P1口就可以構成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵9鍵。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣

24、法來做鍵盤是合理的。矩陣式結構的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些。列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸入端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低。這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 3.2.2矩陣鍵盤兩種掃描方式行掃描法 行掃描法又稱為逐行或列掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，介紹過程如下 （1)判斷鍵盤中有無鍵按下。將全部行線置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根

25、行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。 判斷閉合鍵所在的位置。在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。 高低電平翻轉(zhuǎn)法，首先讓P1口高四位為1，低四位為0，若有按鍵按下，則高四位中會有一個1翻轉(zhuǎn)為0，低四位不會變，此時即可確定被按下的鍵的行位置。 然后讓P1口高四位為0，低四位為1。若有按鍵按下，則低四位中會有一個1翻轉(zhuǎn)為0，高四位不會變，此時即可確定被按下的鍵的列

26、位置。最后將上述兩者進行或運算即可確定被按下的鍵的位置。 方法程序更簡潔這里使用第二種方法“高低電平翻轉(zhuǎn)法”。硬件連接圖如圖所示 圖3.2.2 矩陣鍵盤電路3.3 溫度采集模塊的硬件設計3.3.1溫度傳感器DS18B20概述溫度傳感器是將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置型號有很多數(shù)字式溫度傳感器常用的有DS18B20、DS1820等。此設計采用的是DS18B20。 DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器是世界上第一片支持“ 一線總線”接口的溫度傳感器, 在其內(nèi)部使用了在板(ON-BOARD)專利技術。具有3引腳TO92小體積封裝形式溫度測量范圍為55-125,可編程為9位到12位

27、A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625，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，多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。 DS18B20內(nèi)部結構如圖所示，主要由4部分組成，64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DQ為數(shù)字信號輸入輸出端，GND為電源地，VCC為外接供電電源。 圖3.3.1 DS18B20內(nèi)部結構框圖ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼

28、，每個DS18B20的64位序列號均不相同。64位ROM的排的循環(huán)冗余校驗碼，CRC=X8X5X41。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量，用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達，其中S為符號位。例如，125的數(shù)字輸出為07D0H，25.0625的數(shù)字輸出為0191H，25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH，55的數(shù)字輸出為FC90H。 DS18B20主要特性如下 適應電壓范圍更寬,電壓范圍3.0V-5.5V,在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 獨特的單

29、線接口方式, DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與的雙向通訊。 DS18B20支持多點組網(wǎng)功能,多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上,實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。 DS18B20在使用中不需要任何外圍元件,全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 溫度范圍-55+125,在-10-85 時精度為0.5。 可編程的分辨率為9-12位,對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625,可實現(xiàn)高精度測溫。 在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字。 測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號,以“ 一線總線”串行傳送給CPU, 同時可傳送CRC校

30、驗碼,具有極強的抗干擾糾錯能力。 負壓特性電源極性接反時,芯片不會因發(fā)熱而燒毀,但不能正常工作。3.3.2 溫度采集模塊的硬件設計當DS18B20正在執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換或從高速暫存器EPPROM傳送數(shù)據(jù)時，工作電流可達1.5mA，這個電流可能會引起連接單總線的弱上拉電阻的不可接受的壓降這需要更大的電流，而此時Cpp寄生電源儲能電容無法提供，為了保證DS18B20有充足的供電，當進行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝數(shù)據(jù)到EEPROM操作時，必須給單總線一個上拉電阻，般為4.7K的上拉電阻，根據(jù)距離遠近可以適當調(diào)節(jié)阻值，距離近時減小阻值，但不能低于2.1K，否則DS18B20將無法復位。其數(shù)據(jù)線DQ端接單片機P2.2。硬

31、件電路如圖所示。 圖3.3.2 DS18B20接線圖在外部電源供電方式下, DS18B20工作電源由VCC引腳接人, 不存在電源電流不足的問題, 可以保證轉(zhuǎn)換精度, 同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器, 組成多點測溫系統(tǒng)。注意在外部供電的方式下, DS18B20的GND引腳不能懸空, 否則不能轉(zhuǎn)換溫度, 讀取的溫度總是85C。3.4 報警電路的設計目前智能化的測試儀表設計都自帶有報警電路。設計報警電路也是為了更完善系統(tǒng)的功能。本設計采用由發(fā)光二極管和壓電式蜂鳴器為核心的聲光報警電路。蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器采用直流電壓供電廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電

32、子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成。當接通電源后，1.5-15V直流工作電壓,多諧振蕩器起振,輸出1.52.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。 報警電路的功能是在STC89C52單片機的控制下實現(xiàn)聲光報警或解除報警。當STC89C52單片機檢

33、測實時溫度超過設定報警溫度時，通過報警電路向報警器發(fā)出有效信號(低電平有效)，聲音報警電路接到有效電平后則自動發(fā)出預置的報警聲，同時紅色報警指示燈發(fā)出耀眼的紅色信號。報警電路結構如圖所示 圖3.4 報警電路接線圖3.5 電源電路設計溫度測量系統(tǒng)的電源使用直流電源。電源部分是整個系統(tǒng)的基礎，這部分的穩(wěn)定工作對整個以單片機為核心的系統(tǒng)的內(nèi)穩(wěn)定工作起著至關重要的作用。 STC89C52單片機和DS18B20溫度傳感器芯片正常工作電壓范圍都是DC4.55.5V。為了使系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作，還需要設計系統(tǒng)的電源電路。首先+220V的交流電壓需要經(jīng)過變壓器降到15V左右。然后經(jīng)過橋式整流電路把交流電轉(zhuǎn)變成直

34、流電。整流后的電流經(jīng)過穩(wěn)壓器LM7805輸出穩(wěn)定的+5V電壓。橋式整流電路是有四個型號相同的二極管組成的。VD1和VD3兩個二極管組成一對橋臂，VD2和VD4兩個二極管組成一對橋臂。由于二極管的啟動電壓比較小，所以經(jīng)過變壓器的電壓可以使VD1和VD3二極管組成的橋臂在正半周期導通，VD2和VD4兩個二極管組成的橋臂在負半周期導通。穩(wěn)壓器LM7805是由三個管腳組成的串聯(lián)型降壓式電源芯片。Vin是輸入端，Vout輸出端。兩個端口接去耦電容后接地。經(jīng)穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓后，輸出端輸出穩(wěn)定的+5V直流電壓。電源輸出基本不受外輸入變動的干擾。穩(wěn)壓器LM7805電源電路設計如圖所示 圖3.5 電源電路

35、圖3.6 顯示電路設計3.6.1 LCD1602簡介液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點因此在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件了。本系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示模塊，它可以顯示兩行，每行16個字符，采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。LCD1602實物圖如圖所示 圖3.6 LCD1602實物圖3.6.2 LCD1602管腳功能介紹LCD1602接口引腳及其功能介紹如圖所示 圖3.6.2-1接口引腳及其功能主要管腳介紹， V0液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源

36、時對比度最弱接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。 RS寄存器選擇高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器。 R/W讀寫信號線高電平時進行讀操作低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 E使能端當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 LCD1602控制指令如圖所示 圖3.6.2-2 LCD1602控制指令清屏指令如圖所示 圖3.6.2-3 LCD1602清屏指令 開關控制指令如表圖所示 圖3.6.2-4 LCD1602開關控制指令開關控制指令功能設

37、置顯示、光標及閃爍開、關。其中D表示顯示開關D=1為開D=0為關C表示光標開關C=1為開C=0為關B表示閃爍開關B=1為開B=0為關。 光標、畫面位移指令如圖所示 圖3.6.2-5 光標、畫面位移指令光標、畫面位移指令功能光標、畫面移動不影響DDRAM。其中 S/C=1畫面平移一個字符位S/C=0光標平移一個字符位R/L=1右移R/L=0左移。功能設置指令如圖所示 圖3.6.2-6 功能設置指令功能設置指令功能工作方式設置初始化指令。其中DL=18位數(shù)據(jù)接口DL=0四位數(shù)據(jù)接口N=1兩行顯示N=0一行顯示F=1511點陣字符F=057點陣字符讀寫控制時序如圖所示 圖3.6.2-7 讀寫控制時序

38、3.6.3溫度顯示模塊電路圖LCD1602引腳詳解 第1腳GND為電源地 第2腳VCC接5V電源正極 第3腳V0為液晶對比度調(diào)整端，接正極時對比度弱，接負極時對比度高。 第4腳RS為寄存器選擇，高電平時選數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選指令寄存器。 第5腳RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。 第6腳E或EN端為使能enable端。 第7-14腳D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。此處為P0口輸出，因為P0口的電壓過于微弱，所以添加上拉電阻使其能夠驅(qū)動LCD液晶顯示屏。 溫度顯示模塊的電路圖如圖所示 圖3.6.3溫度顯示模塊電路圖 3.7 加熱與制冷部分驅(qū)動電路的設計本系統(tǒng)加熱制冷采用800W

39、加熱器，制冷量為78W的制冷片3片。制冷模塊如圖所示 圖3.7-1制冷模塊加熱模塊如下圖所示 圖3.7-2 加熱模塊 第四章 軟件設計和工作流程 為了實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化功能，硬件設計只是完成了整個系統(tǒng)設計的基礎部分，整個功能的智能化實現(xiàn)還是要靠軟件設計來實現(xiàn)的。在智能測控系統(tǒng)中軟件的重要性與硬件同樣重要。硬件是設計的軀體，軟件是設計的靈魂，當系統(tǒng)的硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能還要靠軟件來實現(xiàn)，而且軟件的設計在很大程度上就決定了產(chǎn)品的性能。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時一般要符合以下基本要求 易理解性、易維護性。要達到易理解和易維護等指標，在軟件的設計方法中結構化設計是最好的一種設計方法，這種

40、設計方法時由整體到局部，然后再由局部到細節(jié)，先考慮整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能。確定整體目標，然后把這個目標分成一個個的任務，任務中可以分成若干個子任務，這樣逐層細分，逐個實現(xiàn)。 實時性。實時性是電子測量系統(tǒng)的普遍要求即要求系統(tǒng)及時響應外部事件的發(fā)生，并及時給出處理結果。近年來，由于硬件的集成度與速度的提高，配合相應的軟件，實時性比較容易滿足設計的要求。 準確性。準確性對整個系統(tǒng)具有重要意義，尤其是測量系統(tǒng)，系統(tǒng)要進行一定量的運算。算法的正確性和準確性對結果有著直接的影響，因此再算法的選擇、計算的精度等方面都要附和設計的要求4.1 系統(tǒng)主程序流程圖 STC89C52單片機上電復位后，即進入歡迎界面顯

41、示程序，顯示“dian zu lu wen kong zhi xi tong”,按切換鍵可以進行溫控1、溫控1時間、溫控2、溫控2時間及報警溫度的設置，按運行鍵啟動溫控。主程序的作用是完成溫度的檢測，并把檢測結果通過LCD1602顯示出來。主程序首先要做初始化，包括DS18B20測量開始命令的初始化，LCD1602顯示初始化，串口通信初始化等等。主程序的流程圖如圖4-1所示 圖4-1 系統(tǒng)主流程圖4.2 液晶顯示模塊液晶顯示模塊主要完成人機交互界面的顯示及系統(tǒng)相關的操作指示。具體能顯示預設溫度值、預設溫控時間、當前的溫度值。液晶工作流程如圖4-2 圖4.2 液晶顯示流程 4.3溫度模塊軟件設計

42、 圖4-3 DS18B20模塊程序流程圖4.3.1 DS18B20測溫數(shù)據(jù)的讀取程序設計對水箱內(nèi)溫度的檢測通過數(shù)字溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)的，在溫度模塊硬件電路的設計中已經(jīng)對的硬件電路做了設計，現(xiàn)在設計DS18B20的軟件部分。 .DS18B20的內(nèi)部數(shù)據(jù)部件 1) 光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的, 它可以看作是DS18B20的地址序列碼。64位光刻的ROM排列是:開始8位(24H)是產(chǎn)品類型標號, 接著的48位是該DS18B20自身的序列號, 最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同, 這樣就可

43、以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 2) 2)DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量, 以12位轉(zhuǎn)化為例用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供, 以0.0625/LSB的形式表達, 其中S為符號。如圖所示 圖4.3.1-1 DS18B20溫度值格式這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù), 存儲在的兩個8比特的RAM中, 二進制中的前面5位是符號位, 如果測得的溫度大于0, 這位為0, 只要將測到的數(shù)值乘以0.0625即可得到實際溫度,如果溫度小于0, 這位為1, 測到的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625即可得到實際溫度。例如+125的數(shù)字輸出為,07D0H,+25.0625 的數(shù)字輸出為,0191H,-25.0625的數(shù)字輸出為,FF6FH -55的數(shù)字輸出為FC90H。 .單總線協(xié)議 單總線協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸, 操作包括數(shù)據(jù)的讀寫和復位功能。下面對各個方面進行具體的介紹。 1) 總線復位,首先必須對DS18B20進行復位，由單片機給DS18B20單總線至少480Us的低電平信號當DS18B20接到此復位信號后延時15-60us，通過大地總線60-240us來產(chǎn)生應答脈沖。主機接收到從機的