溫度控制設計555

目錄TOC\o"1-3"\h\z\u17144第1章總體設計方案 5101291.1DS18B20歷史簡介 5199811.2DS18B20性能簡介 5275061.2.1DS18B20的性能特點如下： 5306321.2.2DS18B20封裝 584541.2.3DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 523951.3DS18B20的工作原理 830660 8307851.3.2ROM操作命令 935351.3.3DS18B20測溫原理 9229181.4DS18B20測溫流程 1115332 1219606 125726 1214367 12157442.2.2顯示電路 12301112.2.3低溫加熱電路 1271472.2.4高溫降熱電路 1317312.2.5溫度采集電路 142.2.6復位電路4086 1411864第3章系統(tǒng)整體設計 1581103.1系統(tǒng)硬件電路 15274343.2系統(tǒng)軟件設計 15183283.2.1軟件的選擇 15138853.2.2具體程序流程 1549383.2.3具體程序 17結(jié)束語228288參考文獻 23引言隨著社會的發(fā)展，科技的進步，以及測溫儀器在各個領域的應用，智能化已是現(xiàn)代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來，溫度控制系統(tǒng)已應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)的領域，卻又是與人們息息相關的一個實際問題。針對這種實際情況，設計一個溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應用前景與實際意義。工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造、糧食存儲、酒類生產(chǎn)等領域內(nèi)，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一。比如，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)；許多化學反應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。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設備就不能正常工作，糧倉的儲糧就會變質(zhì)霉爛，酒類的品質(zhì)就沒有保障。因此，各行各業(yè)對溫度控制的要求都越來越高?？梢?，溫度的測量和控制是非常重要的。單片機在電子產(chǎn)品中的應用已經(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。隨著溫度控制器應用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場合的智能溫度控制器應運而生。本設計的內(nèi)容是溫度測試控制系統(tǒng)，控制對象是溫度。溫度控制在日常生活及工業(yè)領域應用相當廣泛，比如溫室、水池、發(fā)酵缸、電源等場所的溫度控制。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。本設計是對溫度進行實時監(jiān)測與控制，設計的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的溫度控制功于設定上限溫度時，系統(tǒng)自動啟動風扇降溫，使溫度下降。當溫度下降到上限溫度以下時，度為正負0.5攝氏度。第1章總體設計方案本設計采用了DS18B20數(shù)字是溫度傳感器，將采集的溫度信號直接通過傳感器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳給單片機處理。電路結(jié)構(gòu)得到了很大的簡化，否則使用模擬式溫度傳感器，采集信號后還需A/D轉(zhuǎn)換器變模擬信號為數(shù)字信號才能供單片機處理。本設計處理流程為：DS18B20將采集的溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號保存在DS18B20的內(nèi)部暫存器中，然后將暫存器中完整的數(shù)字信號通過單一數(shù)據(jù)傳遞線傳給單片機處理。單片機將接收的信號與給定的正常溫度范圍進行比較，若低于正常范圍則輸出一個信號讓加熱繼電器動作，若高于正常范圍則輸出一個信號給直流電機進行降溫處理。1.1DS18B20歷史簡介溫度的測量是從金屬(物質(zhì))在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中為了配合遠傳儀表指PN結(jié)型等，原理都是基于溫度的變化而引起其它物理量的變化。隨著大規(guī)模集成電路工藝的提高，出現(xiàn)了多種集成的數(shù)字化溫度傳感器，例如DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。1.2DS18B20性能簡介1.2.1DS18B20的性能特點如下：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3.0～5.5V；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。1.2.2DS18B20封裝本設計采用的是DS18B20的3腳PR－35封裝，其中中間一個引腳是進行數(shù)據(jù)傳遞的。另外兩個引腳分別是地線引腳和電源引腳。1.2.3DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：（1）DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖1-1所示圖1-1DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（2）64位光刻ROM。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488位是前56位的CRCDS18B20可以采用一線進行通信的原因。其排序如下表1.1.3。8b檢驗CRC48b序列號8b工廠代碼（10H）MSBLSBMSBLSBMSBLSB表1-1（3）非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限值。（4）高速暫存存儲，可以設置DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的精度。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為9字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如表1-2所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。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。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應精度的溫度數(shù)值。它的內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)和字節(jié)定義如圖1.3所示。低5位一直為１，TM是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。表1-2RAM的內(nèi)部存儲器（5）告訴暫存存儲，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的精度。DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶可以去改動，其中R1和R0用來設置轉(zhuǎn)換精度，用于設置分辨率。其字節(jié)定義如下表1-3所示。表1-3DS18B20字節(jié)定義（6）其分辨率與溫度轉(zhuǎn)換的時間如表1-4所示，由此可見分辨率越高轉(zhuǎn)換時間越長。表1-4DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表（7）部分溫度數(shù)值與二進制之間的對應關系如下表1-5所示。表1-5部分溫度對應表（8）CRC的產(chǎn)生在64bROMCRC）。主機根據(jù)ROM的前56位來計算CRCDS18B20中的CRCROM數(shù)據(jù)是否DS18B20時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20復位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作令→處理數(shù)據(jù)。1.3DS18B20的工作原理根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：1.每一次讀寫前都必須要對DS18B20進行復位；2.復位成功后發(fā)送一條ROM指令；3.最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500DS18B20收到信號后等待15～60微秒左右后發(fā)出60～240CPU收到此信號表示復位成功。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序，具體工作方法如圖1-2，1-3，1-4所示。(1).初始化程序,圖1-2DS18B20初始化時序道，總線上有從機設備，且準備就緒。主機輸出低電平，保持低電平時間至少480us，以4.7KΩ15～60us并進入接收模式，以產(chǎn)生低電平應答脈沖，若為低電平，再延時480us。.寫時序圖1-3DS18B20寫時序?qū)憰r序包括寫0時序和寫1時序。所有寫時序至少需要60us，且在2次獨立的寫時序之間至少需要1us12us，然后釋放總線，延時60us。寫0時序，主機輸出低電平，延時60us，然后釋放總線，延時2us。讀時序圖1-4DS18B20讀時序總線器件僅在主機發(fā)出讀時序是，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)。所有讀時序至少需要60us，且在2次獨立的讀時序之間至少需要1us的恢復時間。每個讀時序都由主機發(fā)起，至少拉低總線1us。主機在讀時序期間必須釋放總線，并且在時序起始的15us之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。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。1.3.2ROM操作命令當主機收到DSl8B20的響應信號后，便可以發(fā)出ROM操作命令之一，這些命令如下表1-6ROM操作命令。1.3.3DS18B20測溫原理每一片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。主機在進操作程序前必須用讀ROM(33H)命令將該DSl8B20的序列號讀出。程序可以先跳過ROM，啟動所有DSl8B20進行溫度變換，之后通過匹配ROM，再逐一地讀回每個DSl8B20的溫度數(shù)據(jù)。DS18B20的測溫原理如圖1-5所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為另外一個減法計數(shù)器表1-6ROM操作命令數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。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，首將-的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器和溫度寄存器中，減法計數(shù)器和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器的預置將從新被裝重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到另一個減法計數(shù)器計數(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1-5中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用修正法修正計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。DS18B20序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。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)。圖1-5測溫原理圖1.4DS18B20測溫流程測溫流程如下圖1-6所示。圖1-6DS18B20測溫流程圖DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖3.1所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。本設計采用電源供電方式，P2.7口接單線總線。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉啟時間最大為10μs。采用寄生電源供電方式是VDD和收口必須是三狀態(tài)的。主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：1.初始化；2.RO操作指令；3.存儲器操作指令。單片機和XIAL2分別接22PF的電容，中間并接12MHZ的晶振，為單片機提供工作周期。具體電路圖如下2-1所示。圖2-1晶振電路2.2.2顯示電路采用AT89C51作CPU，其中P0端口和P2.0，P2.1，P2.2作溫度顯示輸出口。連接圖如下2-2所示。2.2.3低溫加熱電路用P1.0作控制加熱器的輸出口，外接一個紅色發(fā)光二極管做加熱顯示，并串接一個220歐的限流電阻。通過控制Q2（三極管）的導通與截止來控制加熱繼電器的導通與關閉。其連接圖如下2-3所示。圖2-2顯示電路圖2-3低溫加熱電路2.2.4高溫降熱電路用P1.1作控制電機工作的輸出端口，其中P1.1外接一個黃色的二極管做降溫顯示，并通過一個電壓跟蹤運算放大器將驅(qū)動電機電路域單片機隔離。具體連接如圖2-4所示。圖2-4高溫降熱電路2.2.5溫度采集電路用DS18B20中間一個引腳作數(shù)字式溫度信號的輸入口，將其接在單片機P2.7口上。具體連接如圖2-5所示。圖2-5溫度采集電路2.2.6復位電路本設計采用上電自動復位。其具體連接如圖2-6所示。圖2-6復位電路第3章系統(tǒng)整體設計3.1系統(tǒng)硬件電路硬件電路整體設計如圖3-1所示。圖3-1整體連接圖3.2系統(tǒng)軟件設計3.2.1軟件的選擇程序設計語言有三種：機器語言，匯編語言，高級語言，其中前兩種語言編程復雜，而高級語言編寫既簡單又容易理解，故本設計采用高級語言中的C語言編寫程序。本裝置的軟件包括主程序、讀出溫度子程序、復位電路子程序、延時電路子程序、以及有關DS18B20的程序（初始化子程序、寫程序和讀程序）、溫度數(shù)據(jù)處理子程序、溫度顯示子程序。3.2.2具體程序流程A.主函數(shù)流程如下圖3-2所示。B.溫度處理流程如下圖3-3所示。初始化端口初始化端口開機顯示0000開機顯示0000復位復位發(fā)SkipROM發(fā)SkipROM發(fā)轉(zhuǎn)換指令發(fā)轉(zhuǎn)換指令處理溫度數(shù)據(jù)處理溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換溫度值轉(zhuǎn)換溫度值顯示溫度顯示溫度圖3-2主函數(shù)流程圖3-3溫度處理流程3.2.3具體程序如下： //溫度計讀寫程序源代碼//#include"reg51.h"#include"intrins.h"#definedmP0//以P0口作為LED段碼輸出口#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitDQ=P2^7;//以P2.7口作為溫度傳感器輸入口sbitw0=P2^0;//數(shù)碼管4sbitw1=P2^1;//數(shù)碼管3sbitw2=P2^2;//數(shù)碼管2sbitw3=P2^3;//數(shù)碼管1sbitled0=P1^0;//加熱驅(qū)動端sbitled1=P1^1;//降溫驅(qū)動端inttemp1=0;//顯示當前溫度和設置溫度的標志位為0時顯示當前溫度uinth;uinttemp;ucharr;ucharhigh=35,low=20;ucharsign;ucharq=0;uchartt=0;ucharscale;ucharcodeditab[16]={0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09};ucharcodetable_dm[12]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40};uchartable_dm1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef};uchardatatemp_data[2]={0x00,0x00};uchardatadisplay[5]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};//延時電路程序//voiddelay(uintt){for(;t>0;t--);}voidscan(){intj;for(j=0;j<4;j++){switch(j){case0:dm=table_dm[display[0]];w0=0;delay(50);w0=1;//xiaoshucase1:dm=table_dm1[display[1]];w1=0;delay(50);w1=1;//geweicase2:dm=table_dm[display[2]];w2=0;delay(50);w2=1;//shiweicase3:dm=table_dm[display[3]];w3=0;delay(50);w3=1;//baiwei//else{dm=table_dm[b3];w3=0;delay(50);w3=1;}}}}//復位電路程序/ow_reset(void){charpresence=1;while(presence){while(presence){DQ=1;_nop_();_nop_();DQ=0;delay(50);DQ=1;delay(6);presence=DQ;//presence=0}delay(45);presence=~DQ;}DQ=1;}//DS18B20寫命令函數(shù)//voidwrite_byte(ucharval){uchari;for(i=8;i>0;i--){DQ=1;_nop_();_nop_();DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//5usDQ=val&0x01;delay(6);val=val/2;}DQ=1;delay(1);}//DS18B20讀1字節(jié)函數(shù)//ucharread_byte(void){uchari;ucharvalue=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=1;_nop_();_nop_();value>>=1;DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//4usDQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//4usif(DQ)value|=0x80;delay(6);//66us}DQ=1;return(value);}//讀出溫度函數(shù)//read_temp(){ow_reset();delay(200);write_byte(0xcc);write_byte(0x44);ow_reset();delay(1);write_byte(0xcc);write_byte(0xbe);temp_data[0]=read_byte();temp_data[1]=read_byte();temp=temp_data[1];temp<<=8;temp=temp|temp_data[0];returntemp;}//溫度數(shù)據(jù)處理函數(shù)//work_temp(uinttem){ucharn=0;if(tem>6348)//溫度值正負判斷{tem=65536-tem;n=1;}//負溫度求補碼,標志位置1display[4]=tem&0x0f;//取小數(shù)部分的值display[0]=ditab[display[4]];//存入小數(shù)部分顯示值display[4]=tem>>4;//取中間八位,即整數(shù)部分的值display[3]=display[4]/100;//取百位數(shù)據(jù)暫存display[1]=display[4]%100;//取后兩位數(shù)據(jù)暫存display[2]=display[1]/10;//取十位數(shù)據(jù)暫存display[1]=display[1]%10;//個位數(shù)據(jù)r=display[1]+display[2]*10+display[3]*100;if(r<30)//低溫加熱{led0=1;led1=0; 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