溫度測量與控制-課程設(shè)計

1、贛南師院物理與電子信息學院感測技術(shù)課程設(shè)計報告書題目：度測量與控制姓名：_班級：二Z指導老師：zr時間：1、系統(tǒng)功能本溫度控制器可以實現(xiàn)以下的功能:（1）釆集溫度，并通過LED數(shù)碼管顯示當前溫度。LED數(shù)碼管顯示溫度格式為四位，精確度可達0.1C。例如:25C顯示為025.0。（2）通過按鍵可自由設(shè)定溫度的上下限，并能在LED數(shù)碼管顯示設(shè)定的溫度上下限值。（3）通過控制三極管的導通與否來控制繼電器的關(guān)斷，繼而控制外部加熱（電烙鐵升溫）和制冷（小型電風扇降溫）裝置，使環(huán)境溫度保持設(shè)定溫度范圍內(nèi)。（4）具有溫度報警裝置。當溫度高于上限值，紅燈亮起；或者低于下限值，黃燈亮起，并發(fā)出報警聲。二、系統(tǒng)原

2、理框圖2.1系統(tǒng)總體方案該溫度控制器的系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要包含DS18B20溫度釆集電路、輸入控制電路、晶振復位電路、數(shù)碼管顯示電路、繼電器控制電路,等外圍電路組成。圖1系統(tǒng)總體方框圖2.2系統(tǒng)原理圖7A,79FXJJADFX.MXtZM2PSZJftXI*2.1/AKRUH13：P2DPWrj.YTTpxanrarajfRTIraan2ZJ7VrjnW丐U4A圖2系統(tǒng)原理圖三、傳感器的選用和介紹綜合各方面考慮，本設(shè)計我們選擇的溫度傳感器是DS18B20o3.1DS18B20的主要特性DS18B20的主要特性如下。1）適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V,在寄生電源方式下

3、可由數(shù)據(jù)線供電。2）在使用時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)。3）獨特的單線接口方式：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DS18B20的雙向通信。4）測溫范圍:-55C十125C,在-10十85C時精度為0.5Co5）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。6）可編程的分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為0.5C、0.25C、0.125C和0.0625C,可實現(xiàn)高精度測溫。7）在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度

4、值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。8）用戶可以自行設(shè)定非易失性的報警上下限。9）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。3.2DS18B20的外部結(jié)構(gòu)DS18B20可采用3腳TO-92小體積封裝和8腳SOIC封裝。其外形及引腳NCHl8UncNCHA亠M7NCVocdJ思A6NCoo(z|45PGND8-Pin150milSO(DS18B20Z)DALLAS18B20(BOFIOMVTEU)TO-92(DS18B20)和實物圖如圖35所示。DQC=NC=8-PinpSOP(DS1SB20U)NCC=GND(=圖3DS18B20的外形及引腳圖和實物圖3.3DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換過

5、程DS18B20工作原理:DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同,只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750msoDS18B20測溫原理如圖4所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器lo高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在一55C所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1,計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計

6、數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖4中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。圖4DS18B20測溫原理框圖根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。DS18B20的ROM指令和RAM指令如表1和表2所示。表1ROM指令表指令約定代碼功能讀ROM33H讀DS1820溫度傳感器ROM中的編碼（即64位地址）符合RO

7、M55H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對應的DS1820使之作出響應，為下一步對該DS1820的讀寫作準備。搜索ROMOFOH用于確定掛接在同一總線上DS1820的個數(shù)和識別64位ROM地址。為操作各器件作好準備。跳過ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820發(fā)溫度變換命令。適用于單片工作。告警搜索命令0ECH執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應。表2RAM指令表指令約定代碼功能溫度44H啟動DS1820進行溫度轉(zhuǎn)換，12位轉(zhuǎn)換時最長為750ms變換（9位為93.75ms）o結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM中。讀暫存器0BEH讀內(nèi)部RAM中9

8、字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的3、4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。復制暫存器48H將RAM中第3、4字節(jié)的內(nèi)容復制到EEPROM中。重調(diào)EEPROM0B8H將EEPROM中內(nèi)容恢復到RAM中的第3、4字節(jié)。讀供電方式0B4H讀DS1820的供電模式。寄生供電時DS1820發(fā)送“0”，外接電源供電DS1820發(fā)送“1”。時序可分為初始化時序、讀時序和寫時序。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1660us左右，后發(fā)出60240us的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。讀時序分為讀“0”時序和讀“1”時

9、序兩個過程。對于DS18B20的讀時序是從主機把單總線拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20完成一個讀時序過程至少需要60uso對于DS18B20的寫時序仍然分為寫“0”時序和寫“1”時序兩個過程。DS18B20寫“0”時序和寫“1”時序的要求不同，當要寫“0”時，單總線要被拉低至少60iis,以保證DS18B20能夠在15usda到45i】s之間正確地采樣I/O總線上的“0”電平；當要寫“1”時，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。3.4DS18B20與單片機的接口圖5為單片外部電源供電方式圖。在外部電源供電方式下，DS18

10、B20的工作電源由VDD引腳接入，此時I/O線不需要強上拉，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85CO圖5外部供電方式單點測溫電路外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本設(shè)計使用外部電源供電方式，畢竟比寄生電源方式只多接一根VCC引線，而且在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮DS18B20寬電源電壓范圍的優(yōu)點，即使電源電壓VCC降到

11、3V時，依然能夠保證溫度量精度。!1!、系統(tǒng)詳細測量電路原理圖、仿真電路圖和程序清單a詳細測量電路原理圖由上述系統(tǒng)方框圖可知此電路圖的硬件電路有6部分，分別是單片機最小系統(tǒng)電路、按鍵控制電路、溫度釆集電路、繼電器控制電路、報警電路、數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路等。4.1單片機最小系統(tǒng)電路單片機最小系統(tǒng)保證單片機能夠正常工作最基本的硬件電路。主要包括時鐘電路和復位電路。如圖6、7所示。C130pFC2口X130pF圖6晶振電路4.2按鍵控制電路基于單片機的溫度控制系統(tǒng)應具備以下功能：一，可以切換顯示實時溫度和溫度上下限的值。二，可以調(diào)節(jié)溫度的上下限。本設(shè)計通過按鍵輸入電路來實現(xiàn)這些功能。如圖8所示。4.3

12、溫度采集電路溫度釆集電路主要是用DS1820溫度傳感器來設(shè)計的。之前己對這個傳感器做了詳細的介紹。見圖9所示。圖8按鍵控制電路U3VCC25.0DQGNDDS18B20圖9溫度采集電路4.4繼電器控制電路繼電器是是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大的電流的一種自動開關(guān)。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)，安全保護，轉(zhuǎn)換電路等作用。本設(shè)計通過控制三極管（9013）的通斷來控制繼電器的開通，繼而來控制加熱和降溫裝置。如圖10所示。4.5報警電路按照設(shè)計要求，當溫度低于下限或者高于上限的時候，應具有報警功能，我們釆用LED燈來顯示。當紅燈亮起來

13、的時候，表示超出了這個溫度范圍；當黃燈亮起且蜂鳴器響起時，表示溫度低于設(shè)定值。如圖10、11所示。圖10超溫報警電路圖11低溫報警電路4.6LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路LED顯示電路由斷驅(qū)動電路和位電路組成。由于單片機并行口不能顯示驅(qū)動LED顯示器，必須采用專門的驅(qū)動芯片，使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作，我們用芯片74LS244來驅(qū)動。此電路釆用的還是動態(tài)顯示，需要由段和位選信號共同配合完成的，因此，要同時考慮斷和位的驅(qū)動能力，所以本系統(tǒng)采用并行驅(qū)動動態(tài)顯示。具體電路如圖12所示。圖12數(shù)碼顯示電路132系統(tǒng)仿真電路如圖所示，這顯示的分別是測量的上、下限，用戶可以根據(jù)不同的用途通過兩個按

14、鍵來改變它的上下限值（本系統(tǒng)設(shè)定高低溫度分別是35C和20C）oU314A13OQ4:魅IDATCWR121ID1HPl1Pl.IPl?Rll10)P2T；AJS.D4IRRS)MlI2VR2ICk”VTOT4LW4KJ.VX6TOA6WJ48ABCDeFGDPA32pi.wwn.VTYt)%03ZD4/35/S40533cr/.如i、tfdaU5:AU5:A:皿14Q0A1Y1UV2A)書匕閩8、ncHDqaU2Apisr=C22$3OIFx圖19-1超溫報警、降溫電路圖gIDSiaKDC1口瓷jTTU2B2R1204LEORCD2NdVALUE-URN1RN1nmrs；_CISXTAL1P

15、0A*DQ29XTAL2uzaR5TPggMMPTJXALP2A*UEXP2A*UP2A*MP2.T.WHPlIiTOpjzvnuP)工CT*P13P14PisPIEPICncCTTP1Jpj.t.EFU1嚴W IcaaaiMg I Irrw i.U4AU5AECr4LS244U4:B4LS2445.0Y1；Qrx”xix；U2A02P15DlR11圖19-2低溫報警、加熱電路圖圖19系統(tǒng)仿真圖C語言程序清單#iiiclude#defineuchaiunsignedchar#defineumtunsignedmtsbitDQ=P3A0;sbiten=PrO;sbitadd=PlAl;sbitj

16、iaii=PlA2;sbitwaim=PlA5;加1減1加熱sbitcool=PlA7;降溫uchaicodesmg_du=0xc0.0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92.0x82,0xfB.0x80.0x90.0xbf;共陽uchaicodesmg_we=0x08,0x04.0x02.0x01;uchaiuflagjnax=35jimi=20.k;umtvalue,b_value;/*小延時函數(shù)*/voiddelay(uinti)while(i-);/*延時函數(shù)*/voiddelay_ms(uintz)uiiitx,y；for(x=z;x0;x)fbr(y=110;y0;y-);

17、/*DS1SB20初始化函數(shù)*/voidinit_ds!8b200uchaipresence;DQ=0;delay(60);DQ=1；delay(5);presence=DQ;delay(20);/*寫入一個字節(jié)*/voidwiite_dsl8b20(ucharvalue)uchaii;fbi(i=O;i8;i+)DQ=0;DQ=-alue&0x01;delay(5);DQ=1；value=l;delay(4);/*讀出一字節(jié)函數(shù)*/uchairead_ds!8b20()uchaij,val;for(j=O;j8;j+)DQ=0;val=l;讀數(shù)先讀出最低位，因此只能右移DQ=1；if(DQ)

18、val|=0x80;delay(4);retuinval;/*讀溫度函數(shù)*/umtread_tempeiatiire()uchaia,aO,flag;umtb;umttemp;init_dsl8b20Q;開始轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)write_dsl8b20(0xcc);write_dsl8b20(0x44);delay(300);uut_dsl8b200；每操作一次都要初始化并且至少有一條ROM指令write_dsl8b20(0xcc);write_ds18b20(0xbe);讀數(shù)據(jù)允許a=read_dsl8b20();低8位aO=read_ds18b20();高8位flag=a0&OxfB;b=aO*25

19、6+a;if(flag=OxfB)uflag=0;temp=(b+1)*0.625;/負數(shù)取反加1elseuflag=l;temp=b*0.625;returntemp;/*顯示當前溫度*/voiddisplay()uchaii;value=iead_temperaniieQ;b_value=ralue/10;實時溫度值(用于與Max、Min比較)if(uflag=l)foi(i=0;i4;i+)P2=smg_wei;delay(lO);switch(i)case0:P0=smg_duvalue/1000;break;case1:P0=smg_duvalue%1000/100;break;ca

20、se2:P0=smg_duvalue%100/10&0x7f;break;case3:P0=smg_duvalue%10;break;default:break;delay(950);elsefoi(i=0;imax)cool=0;降溫elsecool=l;if(b_valueiniii)waim=0;加熱elsewaim=l;/*按鍵處理*/voidkeyscan()en=l;if(en=0)delay_ms(6);51Onisif(en=O)k+;if(k=3)k=0;wlule(?en);/*調(diào)節(jié)時Max與Mm時顯示*/voidcon_displav(uchardat)uchaii;fb

21、i(i=2;i4;i+)P2=smg_wei;delay(lO);switch(i)case2:P0=smg_dudat/10;break;case3:PO=smg_dudat%10;bieak:default:break;delay(950);/*加熱與降溫處理*/控制Maxvoidcontiol()if(k=l)con_display(niax);add=l;/+1if(add=O)delay_ms(6);51Onisif(add=O)max+;while(!add);/-lJian=l;if(jian=O)delay_ms(6);51Onisif(jian=O)max-;while(!j

22、ian);if(k=2)con_display(niHi);add=l;if(add=O)delay_ms(6);if(add=O)/+!510ms控制Mmniin+;while(?add);jian=l;/-lif(jian=0)delay_ms(6);51Onisifi(jian=O)niin;while(?jian);/*主程序voidmain()wlule(l)keyscanQ;if(k=O)displayO；顯示當前溫度elsecontrol();控制時顯示五、參考文獻1 謝維成、楊加國單片機原理與應用及C51程序設(shè)計.清華大學出版社.20092 余發(fā)山、王忠福.單片機原理及應用技術(shù)

23、M.中國礦大出版社.20083 李艷紅、李海華.傳感器原理及其應用.北京理工大學出版.20104 孫余凱.傳感器技術(shù)基礎(chǔ)與技能實訓教程.電子工業(yè)出版社.20065 陳爾紹傳感器實用裝置制作集錦.人民郵電出版社.20006 郭天祥.新概念51單片機C語言-入門，提高，開發(fā)，拓展全攻略.電子工業(yè)出版社，20117 譚浩強.C程序設(shè)計.北京：清華大學出版社，19918 朱清慧.pioteus教程-電子線路設(shè)計，制版與仿真.清華大學出版社，200815六、演示結(jié)果說明1.調(diào)試過程當接通電源后，數(shù)碼管顯示室溫的溫度，按鍵一是切換鍵，分別是室溫、高溫、低溫，按鍵二是增大，按鍵三是減小，通過這兩個鍵來設(shè)定高

24、溫和低溫的值，在本次調(diào)試中，高溫報警是36度，低溫報警是27度，室溫大概是29度。當用烙鐵靠近DS18B20時，數(shù)碼管的溫度逐漸增大，到36度時，電風扇轉(zhuǎn)動，進行降溫，拿開烙鐵，將冰水靠近DS18B20,數(shù)碼管顯示的溫度逐漸減小，到27度時，蜂鳴器報警，發(fā)光二極管點亮。拿開冰水，數(shù)碼管上的溫度乂逐漸恢復室溫?？赏ㄟ^復位鍵進行清零。2.心得體會陳斌：課程設(shè)計經(jīng)過幾個禮拜的不懈努力，終于圓滿完成，功勞最大的應當是本組的兩位女生，鄧勇平和易群同學，從設(shè)計到完成作品，每次都能夠嚴格控制把關(guān)，在購買材料方面，出現(xiàn)了不少的問題，比如買了許多材料結(jié)果對實驗沒有作用，還有些材料根本很難買到就只能用其他的材料來

25、代替，更無語的是花高價買來的器材卻不是圖片上顯示的那般，真是眼見為實，才能放心啊。所幸最后還是趕上了設(shè)計的進度，最終完成，真的很開心！易群：此次課程設(shè)計，我們做的是溫度測量與控制，由于我們?nèi)齻€都不擅長單片機，就選擇了純硬件的方案，選用了LM324、ICL7107這兩塊芯片，當初準備用四連數(shù)碼管，后來分析原理圖發(fā)現(xiàn)，四連的小數(shù)點位接在一起，無法進行未選,后來就用三個數(shù)碼管，用LED燈顯示最高位。在焊完電路后，接通電源，發(fā)現(xiàn)ICL7107過熱，且數(shù)碼管顯示不全，切斷電源，用萬用表測ICL7107的輸入端，電壓有兒十伏特，而7107的輸入的參考電壓值只有l(wèi)OOmv,雖然芯片燒壞，但可以暫時先調(diào)前面電路，雖然設(shè)定電壓至正常，但調(diào)節(jié)電阻箱時測量電壓值非線性，當電阻值小于100時才輸出正值，可在常溫下鉗熱電阻的值大概110歐姆，輸出不正常，通過查找資料，知道LM324放大微小信號不行，會出現(xiàn)紊亂，結(jié)果很不理想，在電腦仿真時用ua741來做前面的電路，結(jié)果比較理想，經(jīng)過兒天的調(diào)試，我們乂焊了個ua741的前賣弄的測溫、比較、報警電路，結(jié)果并未如仿真的，測量輸出的值仍然非線性，經(jīng)過很多天的調(diào)試，仍未成功，由于測試的時間，經(jīng)過商量，決定