智能溫度檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計

智能溫度檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制，而目前推廣應(yīng)用的許支持，電路復(fù)雜，離散性大，溫度反應(yīng)緩慢。而新型數(shù)接讀出被測溫度值，反應(yīng)速度快，也可以設(shè)定溫度上下限，還可以根據(jù)實際溫度控制外部電路，進行溫度補償?shù)?。本文介紹了采用數(shù)字式溫度傳感器作為溫度采集單元和用單片機來對它們進行控制，并用DS18B20和AT89C51單片機為核心開發(fā)研制了一種自動溫度測控系統(tǒng)，關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度傳感器智能溫度控制單片機1引言需要實時測量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置關(guān)鍵是溫度傳感器。在眾多應(yīng)用于溫室環(huán)境監(jiān)測的元件中，溫敏電阻雖然成本低，但溫度測試方法，能在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)，并直接將溫度物理量變換為數(shù)字信號并以傳送到計算機進行數(shù)據(jù)處理，測溫度范圍為-55～+125℃。本系統(tǒng)采用美國產(chǎn)品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)溫室內(nèi)溫度信號的采集，進而實現(xiàn)溫室內(nèi)接口電路集成在一個芯片中，代替模擬溫度傳感器和信號處理電路，直接與單片機溝通，完成溫度采集和數(shù)據(jù)處理，具有直接數(shù)字化輸出、測試及控制功能強、傳輸距離遠、抗干擾能力強、微型化微功耗、便于多點測量且易于擴展的特點。它可應(yīng)用于各種領(lǐng)域、各種環(huán)境的測控設(shè)備，還可以讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟的溫控系統(tǒng)2.1設(shè)計任務(wù)與要求本特性。由于DS18B20具有直接輸出數(shù)字信號、單總線接口、成本低等優(yōu)點，將其應(yīng)用在由系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下：(1)測溫檢測范圍在-55~125℃,誤差在0.5℃以內(nèi)(3)用戶可以通過按鍵設(shè)置允許最高溫度125℃、允許最低溫度-55℃。2.2系統(tǒng)總體方案介紹單動電路4位LED顯示器片溫度檢測電路機圖1硬件電路框圖3系統(tǒng)硬件介紹3.1DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器3.1.1DS18B20引腳分布數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測溫范圍為-55～+125℃,精度為0.5℃,測量的溫度值用9～12位數(shù)字表示，最大轉(zhuǎn)換時間為750ms,溫度超標報警的上、下限值，DS18B20的轉(zhuǎn)換分辨率均可由用戶設(shè)定，并能長期保存。利用Dallas的單總線控制協(xié)議，和單線控制5.5V。本設(shè)計使用的封裝形式如圖2所示，采用寄生電源接線方式。8圖2DS18B20的管腳圖●VDD:外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。DS18B20測溫原理如圖3所示。當DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1,2字節(jié)。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0.0625℃/LSB形式表示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用來向計數(shù)器1提供固定頻率的脈沖信號。高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響較大，隨溫度的變化而明顯改變，其產(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(yù)置在與-55℃相對應(yīng)的一個基值上。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)，在計數(shù)器2控制的閘門時間到達之前，如果計數(shù)器1的預(yù)置值減到0,則溫度寄存器的值將作加1運算，與此同時，用于補償和修正測溫過程中非線性的斜率累加器將輸出一個與溫度變化相對應(yīng)的計數(shù)值，作為計數(shù)器1的新預(yù)置值，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數(shù)，如此循環(huán)，直到計數(shù)器2控制的閘門時間到達亦即計數(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)值即為所測高位的S表示符號位，其數(shù)據(jù)格式如表1所示。其中“S”為標志位，對應(yīng)的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。表比較，若T>TH或T<L,則將該器件內(nèi)的告警標志置位，并對主機發(fā)出的告警搜索命令斜率累加器比較低溫度系數(shù)振蕩器加1溫度寄存器停止圖3DS18B20測溫原理圖表1溫度數(shù)據(jù)關(guān)系低字節(jié)20-122-3高字節(jié)SSSSS2表2DS18B20溫度與表示值對應(yīng)表存儲器與控制邏輯存儲器與控制邏輯溫度十六進制表示溫度十六進制表示00000111101000007D0H0000000000000000000000101010100000550H-0.51111111111111000FFF8H+25.062500000001100100010191H-10.1251111111101011110FFSEH+10.125000000001010001000A2H-25.06251111111001101111FE6FH0000000000001000-55FC90H3.1.3DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部由64位閃速ROM、觸發(fā)器TH和TL、高速暫存存儲器、配置寄存器和8位CRC發(fā)生器等組成。64位閃速R0M的結(jié)構(gòu)如下：8位CRC檢驗碼48位序列號8位產(chǎn)品型號開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的唯一的序號，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。非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL,可通過軟件寫入用戶報警上下限。高速暫存存儲器DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM一個非易失性的可電擦除的E2PROM。后者用于存儲TH,TL值，數(shù)據(jù)先寫入RAM,經(jīng)校驗后再傳給E2PR0M。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個字節(jié)，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。ROM中的64位序列號是出廠前被光記好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不相同。64位ROM的排列是：前8位是產(chǎn)品家族碼，接著48位是DS18B20的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼(CRC=A8+X5+X4+1)。ROM作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可實現(xiàn)一根總線上掛接多個。DS18B20采用單總線工作方式。和單線接口低溫觸發(fā)器TL配置寄存器8位CRC發(fā)生器溫度傳感器高速緩沖Vdd圖4DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.1.4DS18B20的性能特點(3)測溫范圍為-55℃-+125℃,測量分辨率為0.0625℃,(6)只需一根端口線就能與微處理器通訊；(9)用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。(10)內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM,3.1.5DS18B20的控制方法單片機I/0。DS18B20利用Dallas腳連在總線上，所以無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電3.2單片機單片機的選擇AT89C51單片機AT89C51單片機是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能8位單片機，主要功能特性如下：①兼容MCS-51指令系統(tǒng)；②32個雙向I/0口，兩個16位可編程定時/計數(shù)器；③1個串行中斷，兩個外部中斷源；④低功耗空閑和掉電模式；⑤4kB可反復(fù)擦寫(>1000次)FLASHROM;⑥全靜態(tài)操作0～24MHz;40]40]VCC39]P0.0/(ADO)37]P?.2/(AD2)P0.4/(AD4)321P0.7/(AD7)27]P2.6/(A14)P2.0/(A8)AT89C51(RXD)P3.0[10(TXD)P3.1[(T1)P3.5SXTAL2[XTAL16AT89C51ATECS0147圖6AT89C51引腳圖該款芯片的超低功耗和良好的性能價格比使其非常適合嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用。3.3驅(qū)動電路74LS244741LS244是TTL八同相三態(tài)緩沖器/線驅(qū)動器，其coms器件對應(yīng)為74HC244,常用在單片機MCU系統(tǒng)中，作為單片機的輸入輸出數(shù)據(jù)緩沖器，在選通時輸入數(shù)據(jù)送到總線上，在非選通時對總線呈高阻態(tài)。3.4各個模塊電路的設(shè)計3.4.1LED顯示電路足夠大的電流，否則顯示器亮度低并且驅(qū)動電路長期在超負荷下運行容易壞。應(yīng)根據(jù)所選擇的顯示方式來確定選擇何種驅(qū)動器，在本系統(tǒng)中采用的是動態(tài)顯示故我們選取的是74LS244,示電路采用4位共陽LED數(shù)碼管，從PO口輸出段碼，列掃描用P3.0～P3.3來實現(xiàn)，列驅(qū)動用9012三極管。3.4.2鍵盤輸入電路占用一根I/0口線，每根線上按鍵的工作狀態(tài)不會影響其他線上的工作狀態(tài)，即一個按鍵對I/0口線有確定的高電平。設(shè)計中定義4個有效鍵的功能如表1所示。具體原理如圖7所示(圖X29RESET1RD12P11/T345圖7按鍵電路代號接口鍵名功能復(fù)位犍使系統(tǒng)復(fù)位功能轉(zhuǎn)換鍵鍵按下時顯示設(shè)定溫度鍵提升時顯示當前溫度加鍵設(shè)定溫度漸次增加一度減鍵—設(shè)定溫度漸次減少一度Y13NP圖8時鐘電路3(INTU)F32(INT1)P3=(T0)P3.4(T1)P3.5(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL2XTAL1GND3.4.4蜂鳴器電路在系統(tǒng)溫度達到上下限溫度限制是有提醒信號產(chǎn)生可選擇蜂鳴器來實現(xiàn)這一功能。壓電式蜂鳴器工作時需要10mA電流，設(shè)計時考慮了相應(yīng)控制電路。圖9蜂鳴器電路3.4.5電源電路本系統(tǒng)采用+5V統(tǒng)一供電。電路圖如下：ntgi?)=iissmPC01mum圖10電源電路3.4.6溫度控制電路外圍加熱(制冷)電路采用繼電器控制，當單片機輸出高電平，三極管截止，繼電器兩端都為高電平，繼電器不吸合。當單片機輸出低電平，三極管飽和導(dǎo)通，繼電器吸合。加熱輸出加熱輸出圖11加熱(制冷)控制電路如圖所示。主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3和讀時序，分別編寫5個子程序：初始化子程序、寫(命令或數(shù)據(jù))子程序、讀數(shù)據(jù)子程序、4.1主程序由于51系列單片機沒有停機指令，所以可以利用主程序設(shè)置死循環(huán)反復(fù)運行各個任務(wù)。把有要求的子程序(顯示掃描、按鍵掃描、溫度控制、蜂鳴控制)放在最內(nèi)層的循環(huán)中，計那么循環(huán)次數(shù)應(yīng)為100次。NY調(diào)用相應(yīng)的鍵值處理程序調(diào)用相應(yīng)的鍵值處理程序調(diào)用相應(yīng)的4.2測溫程序4.2.1初始化與DS18B20的所有通信都必須初始化。初始化時，控制器發(fā)出復(fù)位脈沖，DS18B20跟在其后發(fā)出存在脈4.2.2讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的九字節(jié)。在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不能進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。讀出溫度子程序流程圖如圖所示。發(fā)發(fā)DS18B20復(fù)位命令發(fā)跳過ROM命令N發(fā)讀取溫度命令移入溫度暫存器N9字節(jié)完?YCRC校驗正確4.2.3溫度轉(zhuǎn)換命令子程序溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令。當采用12位分辨率時，轉(zhuǎn)換時間約為溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如圖所示。發(fā)發(fā)DS18B20復(fù)位命令圖14溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖于字符的顯示。DS18B20的轉(zhuǎn)換精度為9~12位可選，為了提高精度采用12位。在采用12位轉(zhuǎn)換精度時，溫度寄存器里的值是以0.0625為步進的，即溫度值為溫度寄存器里的二進制值乘以0.0625,就是實際的十進制溫度值。高字節(jié)的低半字節(jié)和第字節(jié)的高半字節(jié)組成一個字節(jié)，這個字節(jié)的二進制化為十進制后，就是溫度的百、十、個位值，而剩下的低字節(jié)的低半字因為小數(shù)部分是半字節(jié)，所以二進制范圍是0~F,轉(zhuǎn)換成十進制小數(shù)就是0.0625的倍數(shù)(0~15倍)。這樣需要4位的數(shù)碼管來顯示小數(shù)部分。實際應(yīng)用中不需要這么高的精度，采用一位數(shù)碼管來顯示小數(shù)部分，這樣誤差控制在0.1度范圍內(nèi)。表5二進制與十進制的近似對應(yīng)關(guān)系表二進制值0123456789ABCDEF十進制值0011233455667889顯示掃描子程序完成4位共陽極數(shù)碼管的掃描顯示任務(wù)。以下是顯示掃描子程序流程圖清除位選選通并顯示12MS消隱N完成4位掃描?Y圖15顯示掃描子程序流程圖4.4按鍵掃描子程序按鍵掃描子程序負責(zé)逐個掃描功能轉(zhuǎn)換鍵，加鍵，減鍵是否被按下，當按下時YN顯示設(shè)定溫度K4鍵是否按消抖Y溫度加一消抖溫度減一測溫顯示程序N4.5溫度控制程序溫度控制程序用戶設(shè)定的溫度和系統(tǒng)當前的狀態(tài)，決定是加熱或是制冷并點亮相應(yīng)的指示燈。若有超溫標志，還應(yīng)打開蜂鳴器報警。圖所示為溫度控制程序流程圖有超溫標志?YNY接通繼電器1紅燈亮NN接通繼電器2綠燈亮圖17溫度控制流程圖度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、計算溫度子程序、報警顯示及鍵調(diào)程序和顯示數(shù)據(jù)刷新子地保證讀/寫時序；否則將無法讀出測量結(jié)果。DS18B20溫度計還可以在高低溫報警、遠距離(1)較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償，由于DS1820與微處理器間采用串行必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無訊距離可達信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS182結(jié)論可用它組成多路溫度測量裝置。該智能溫度控制器經(jīng)測試在-10℃-70℃間測得誤差為0。25℃,80℃≤T≤105℃時誤差為0。5℃,當T>105℃誤差為增大到1℃左右。本文創(chuàng)新點：采用當前最先進的智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20并與單片機89C經(jīng)過幾個月的查資料、整理材料、寫作論文，最終順利的完成了論文的制作，在此期間，感謝各位老師的悉心指導(dǎo)，指引我論文的寫作方向和架構(gòu)，并對本論文初稿進行逐字批閱，指正出其中不當之處，使也是論文得以完成的基礎(chǔ)。通過查資料和搜集有關(guān)的文獻，培養(yǎng)了自學(xué)能力和動手能力。并且由原先的被動的接受知識轉(zhuǎn)換為主動的尋求知識，這可以說是學(xué)習(xí)方法上的一個很大的突破。在以往的傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式下，我們可能會記住很多的書本知識，但是通過畢業(yè)論文，我們學(xué)會了如何將學(xué)到的知識轉(zhuǎn)化為自己的東西，學(xué)會了怎么更好的處之路做好了一個很好的鋪墊。再次感謝我的大學(xué)和所有幫助過我并給我鼓勵的老師，··和朋友，謝謝你們!1王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.3劉樹棠，朱茂林，榮玖.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計[M].3版.西安：西2006.7-28何立民.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計北京：北京航天航空大學(xué)出版社9沈德金.MCS-51系列單片機接口電路與應(yīng)用程序?qū)嵗本罕本┖娇蘸教齑髮W(xué)出版社10王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全北京：北京航空航天大學(xué)出版社11陳章龍.實用單片機大全哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社12鄢定明.單片計算機應(yīng)用技術(shù)北京：人民郵電出版社13PhilipsSemiconductorsandElectronicsNorthAmericaCorporation.DATAHANDBOOKTemperatureSensorDS18B20ofUSSemiconductorCompanyDALLASandtheAT89C51ofcontrollerelectriccirinthetriturating.Moreover,theassemblerofcommunicationbetweenAT89C51and附錄1附錄1AAABNunberFileRexamnleMvDesignddh附錄2智能溫度控制器C程序2008.5.28通過調(diào)試/*********************************************************************///#pragmasrc(d:\aa.asm)#include"reg51.h"#include"intrins.h"http://_nop_();延時函數(shù)用#defineDisdataP1//段碼輸出口#definediscanP3//掃描口#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintunsignedchardatactemp;unsignedchardatastemp;unsignedcharkeyscan(void);voidtempctrl(void);unsignedcharkeyscan(void);voidtempctrl(void);sbitswkey=P1^0;//功能鍵sbitupkey=P1^1;sbitdownkey=P1^2;sbitrelay1=P2^2;//繼電器1控制信號輸出端sbitrelay2=P2^3;//繼電器2控制信號輸出端//溫度輸入口//LED小數(shù)點控制bittempov;//超溫標志ucharcode,0x09,0x09};ucharcodeucharcodescan_con[4]={0xfe,0xfd,Oxfb,0xf7};uchardatatempdata[2]={0x00,0x00};//讀出溫度暫放/***********11微秒延時函數(shù)**********/{for(;t>0;t--);/***********顯示掃描函數(shù)**********/DQ=1;chark;for(k=0;k<4;k++)//四位LED掃描控制{if(k==1){DIN=0;}discan=scancon[k];del/***********18B20復(fù)位函數(shù)**********/ow_reset(void)while(presence){while(presence)DQ=0;//DQ=1;//presence=DQ;//presence=0}delay(45);//延時500uspresence=~DQ;繼續(xù)下一步//向1-WIRE總線上寫一個字節(jié)voidwrite_byte(ucharval)DQ=1;_nop_();_nop_();DQ=0;_nop_();_nop_();_nop();_nop_();_nop_();//5usDO=val&0x01://最位//66usval=val/2;DQ=1;/*********18B20讀1個字節(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();//4usdelay(6);//66usDQ=1;return(value);/***********讀出溫度函數(shù)**********/{temp_data[0]=read_byte();//temp_data[1]=read_byte();溫度低8位//溫度高8位ow_reset();write_byte(0x44);//發(fā)轉(zhuǎn)換命令}/***********溫度數(shù)據(jù)處理函數(shù)**********/work_temp(){ucharn=0;//if(temp_data[1]>127){temp_data[1]=(256-temp_data[1]);temp_data[0]=(256-temp_data[0]);n=1;}//負溫度求補碼if(!display[3]){display[3]=0x0A;if(!display[2]){display[2]=0x0A;}}//最高位為0時都不顯示if(n){display[3]=0xOB;}//負溫度時最高位顯示"-"if(ctemp>125|ctemp<-55){tempov=1;buzz=0;}按鍵掃描處理函數(shù)unsignedcharkeyscan(void)無參數(shù)，返回值：無符號字符型，無鍵按下為0,有鍵按下為其它 -*/{unsignedchari,ch;if(upkey==0){buzz=0;for(i=0;i<5;i++)scan();buzz=1;if(stemp<125)stemp++;////“+”鍵//打開蜂鳴器(發(fā)出按鍵音)//延時消抖//關(guān)閉蜂鳴器溫度加一display[1]=stemp%10;//顯示當前檔位return(1);//返回有鍵按下elseif(downkey==0){for(i=0;i<5;i++)scan();buzz=1;if(ste