單片機畢業(yè)設計---基于單片機的恒溫控制器的設計

1、<p>　　基于單片機的恒溫控制器的設計</p><p><b>　　xx大學機電工程系</b></p><p>　　2012年 11 月</p><p>　專業(yè)名稱：電氣自動化</p><p>　學生姓名：</p><p>　導師姓名：</p><p><

2、b>　　摘要</b></p><p>　　隨著越來越多高新科技的推廣與普及,溫度測控已成為工業(yè)生產中的關鍵技術之一。恒溫控制主要是用來控制溫度，它為農業(yè)研究、生物技術測試提供所需要的各種環(huán)境模擬條件，因此恒溫控制技術有著很廣泛的用途。恒溫控制系統其關鍵技術為保持環(huán)境溫度的恒定，本設計采用ATMEL公司的AT89C52單片機作為控制核心，通過編程控制LED八段數碼管完成對溫度的顯示，采用DALLA

3、S公司的DS18B20數字溫度傳感器來完成溫度的采集，并和設定溫度進行比較，根據比較的結果來控制加熱電阻和風機的動作與否，從而完成從25℃到99℃范圍內的恒溫控制。</p><p>　　關鍵詞：恒溫控制； AT89C52； DS18B20；LED數碼管</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As more a

4、nd more promotion and popularization of high technology, temperature measurement and control in industrial production has become one of the key. Temperature control is mainly used to control the temperature, it is for ag

5、ricultural research, biotechnology testing to provide the required environmental simulation conditions, so temperature control technology has a very wide range of uses. Temperature control system to maintain its key tech

6、nologies of constant ambient temperature, the desig</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 引言 …………………………………………………………………………………（ 1 ）第2章 系統的基本構成及方案論證………………………………………………………… ( 2 )2．1 系

7、統的基本構成…………………………………………………………………………( 2 )2．2 方案的論證……………………………………………………………………………… ( 2 )2．2．1 控制核心的選擇………………………………………………………………………( 2 )2．2．2 溫度采集裝置的選擇…………………………………………………………………( 3 )2．2．3 顯示模塊的選擇………………………

8、………………………………………………( 4 )2．2．4 加熱模塊及降溫模塊的選擇…………………………………………………………( 4 )第3章  硬件電路設計…………………………………………………………………………( 7 )3．1  系統主要元器件簡介…………………………………………………………………… ( 7 )3．1．1 AT89C52單片機簡介……………………………………………………………</p

9、><p><b>　　第1章 引 言</b></p><p>　　隨著新技術的不斷開發(fā)與應用，溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。單片機具有處理能力強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便

10、，測量范圍廣，精度較高。單片機可用于空氣溫度控制系統的數據處理，這包括控制執(zhí)行器的輸出、將被測溫度送到顯示模塊顯示、接收從人機通道輸入的信號等。 </p><p>　　DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，使用DS18B20可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，給

11、用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。</p><p>　　本文設計了一種基于AT89C52單片機的控制和DS18B20測試裝置，能對環(huán)境溫度進行測量，并能根據溫度給定值給出調節(jié)量，控制執(zhí)行機構，實現調節(jié)環(huán)境溫度的目的?？諝鉁囟仍谖覀兊沫h(huán)境影響很大的，因而空氣溫度不論是對于我們的生活還是工業(yè)生產都有著重要的意義。在早期對溫度溫控制的要求主要是在化工、冶煉生產上，比如在大棚蔬菜空氣溫度控制就對大棚農業(yè)生產有不可

12、替代的作用，現在隨著新技術的不斷開發(fā)與應用，用單片機和相關的電子器件構成的空氣溫控制系統在控制精度以及各項參數上有空前的提高，控制的領域也有很大的擴展，目前以單片機為核心的空氣溫控制系統得到了廣泛應用。正因如此，對空氣溫度的控制到處可見，比如說特定溫度實驗室，空調，減少溫室效應影響以及工業(yè)化農業(yè)的要求等都需要空氣溫度控制。在生產中，一些現代化生產車間里，尤其是在化工廠里，某些產品加工需要在一定的溫度下才能進行。隨著電子技術的不斷發(fā)展，溫

13、控制系統設計的方法越來越多也越來越完善。</p><p>　　第2章 系統的基本構成及方案論證</p><p>　　2.1 系統的基本構成</p><p>　　本設計的整體思路是：利用DS18B20溫度傳感器直接輸出數字溫度信號給單片機AT89C52進行處理,在六位LED數碼管上顯示當前環(huán)境溫度值以及預設溫度值。溫度低于預設值啟動加熱電阻進行加熱，若溫度過高則啟

14、動風扇降溫直到預設溫度值停止。結構框圖如下:</p><p><b>　　2.2方案論證</b></p><p>　　2.2.1 控制方案的選擇</p><p>　　對于溫度控制的方法也有很多：如單片機控制、PLC控制、模擬PID調節(jié)器和數字PID調節(jié)器等等。而PID調節(jié)器的算法復雜，其成本也相對較高。</p><p>

15、　　方案一：利用單片機實現恒溫控制</p><p>　　利用單片機實現溫度恒定的控制，系統主要包括現場溫度采集、實時溫度顯示、加熱控制參數設置、加熱電路控制輸出、報警裝置和系統核心STC89C52單片機作為微處理器。溫度采集電路以數字形式將現場溫度傳至單片機，單片機結合現場溫度與用戶設定的目標溫度，按照已經編程固化的算法計算出實時控制量。以此控制量控制場效應管開通和關斷，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使溫度逐步穩(wěn)定于用

16、戶設定的目標值。在溫度達到設定的目標溫度后，由于冷卻溫度降低，單片機通過檢測到的溫度與設置的目標溫度比較，作出相應的控制開啟加熱片。</p><p>　　方案二：利用PLC實現恒溫控制</p><p>　　這用恒溫控制，采用PLC控制實現電熱絲加熱全通、間斷導通和全斷加熱的自控式方式，來達到溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測對象中，熱電偶的傳感器信號與恒定溫度的給定電壓進行比較，生成溫

17、差，自適應恒溫控制電路根據差值大小控制電路的斷開。</p><p>　　對于方案二，采用的PLC實現恒溫控制，由于其PLC成本高，且PLC外圍系統配置復雜，不利于我們的設計。由于數字調節(jié)和運算量大，相反對于STC89C52單片機只要選擇合適的參數對于溫度的控制精度往往能達到比較好的效果。</p><p>　　對于方案一，采用單片機實現恒溫控制，該方案成本低，可靠性高，抗干擾性強，對于系統動

18、態(tài)性能與穩(wěn)定性要求不是很高的場合時非常合適的。采用高精度的溫度傳感器：數字溫度傳感器DS18B20。這種數字溫度傳感器是DALLAS公司生產的單總線。相比之下，單片機控溫電路就比較簡單。</p><p>　　綜合各方面的意見，本設計采用AT89C52單片機來實現溫度的控制。</p><p>　　2.2.2 溫度采集裝置的選擇</p><p>　　溫度傳感器可由以下兩

19、種方案可供選擇：</p><p>　　方案一：選用熱敏電阻作為感測溫度的核心元件，通過運算放大器放大由于溫度變化引起熱敏電阻的變化、進而導致的輸出電壓變化的微弱電壓變化信號，再用AD轉換芯片ADC0809將模擬信號轉化為數字信號輸入單片機處理。</p><p>　　方案二：采用數字式集成溫度傳感器DS18B20作為感測溫度的核心元件，直接輸出數字溫度信號給單片機處理。</p>

20、<p>　　對于方案一，采用熱敏電阻有價格便宜，元件易購的優(yōu)點，但熱敏電阻對溫度的細微變化不敏感，在信號采集、放大、轉換過程中還會產生失真和誤差，并且由于熱敏電阻的R-T關系的非線性，其本身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路予以糾正，但不僅將使電路復雜程度降低，而且在人體所處環(huán)境溫度變化過程中難以檢測到小的溫度變化。不能達到恒溫箱對溫度的控制要求，故該方案不適合本系統。</p><p>

21、;　　對于方案二，由于數字式集成溫度傳感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大轉化等電路的誤差因數，溫度誤差很小，并且由于其感測溫度的原理與上述方案的原理有著本質的不同，使得其溫度分辨力極高。溫度值在器件內部轉化成數字量直接輸出，簡化了系統程序設計，又由于改傳感器采用先進的單總線技術，與單片機的接口變得非常簡潔，抗干擾能力高。所以本系統采用方案二。</p><p>　　2.2.3 顯示模塊的選擇<

22、/p><p>　　方案一：采用六位共陽數碼管顯示溫度，動態(tài)掃描顯示方式。</p><p>　　方案二：采用液晶顯示屏LCD顯示溫度。</p><p>　　對于方案一，該方案成本低廉，顯示溫度明確醒目，在夜間也能看見，功耗極低，顯示驅動程序的編寫也相對簡單，這種顯示方式得到廣泛應用。不足的地方是掃描顯示方式是使六個LED逐個點亮，因此會有閃爍，但是人眼的視覺暫留時間為20

23、MS，當數碼管掃描周期小于這個時間時人眼會感覺不到閃爍，因此可以通過增大掃描頻率來消除閃爍感。</p><p>　　對于方案二，液晶體顯示屏具有顯示字符優(yōu)美，不但能顯示數字還能顯示字符甚至圖形的優(yōu)點，這是LED數碼管無法比擬的。但是液晶顯示模板塊價格昂貴，驅動程序復雜，從簡單實用的原則考慮，本系統采用方案一。</p><p>　　2.2.4 加熱模塊及降溫模塊的選擇</p>

24、<p>　　方案一：采用了幾個電阻分壓的方式來給加熱電路提供不同電壓，使用電子負載電路進行加熱，控制電子輸入端的電壓控制加熱的速度。當設置溫度大于實際溫度5度時，換取1v電壓加熱，當設置溫度小于實際溫度5度時，換取0.5v電壓加熱，當設置溫度等于空氣溫度，關閉加熱，換取0v電壓加熱。當溫度高于1度時進行降溫處理，在設計制作過程中，我們使用了一個5v驅動的散熱風扇，當實際溫度高于設置溫度1度時用于散熱，當溫度低于設定溫度1度時

25、，開啟加熱設備，關閉風扇。如圖2-2 所示</p><p>　　方案二：采用脈沖寬度調制的方法，利用光耦合器來控制電阻絲和直流電機的電流通斷。單片機系統輸出控溫信號，輸出高電平時，經反相器變?yōu)?信號，使雙向可控硅導通，信號燈亮，電阻絲通電加熱；輸出低電平時，雙向可控硅斷開，信號燈滅，電阻絲斷電。脈沖寬度T1與周期T的比值為P，它反映了系統的輸出空置量P=95%為輸出上限，P=5%為輸出下限。加熱電路原理圖參見圖

26、 3-10 ，單片機I/O口P0.6輸出信號經過光電耦合器，通過這種方式控制雙向可控硅的門極，從而控制電阻絲的平均加熱功率，達到精確加熱的目的。降溫模塊采用采用直流電機作為降溫裝置，通過控制繼電器的吸合與斷開，來控制直流電機的通斷，從而達到散熱降溫的目的。當環(huán)境溫度超過預設溫度開啟降溫風扇，當環(huán)境溫度低于預設溫度5度以上通過脈寬調制采用大功率加熱（即設定P值為95%），當環(huán)境溫度低于預設溫度1度時，采用小功率加熱（即設定P值為5%）。&

27、lt;/p><p>　　對于方案一，采用繼電器控制，使用繼電器可以通過較高的電壓和電流，在正常條件下，工作十分可靠。繼電器無需外加光耦，自身即可實現電氣隔離。通過單片機控制繼電器開關來確定輸入電子負載端的電壓和風扇的開關，雖然在第一次加熱的余溫很高但是在多次風扇與功率電阻加熱與降溫的協調下達到恒溫的要求，在程序上選用適當的控制算法，可以達到設計指標的效果。但是由于電路設計過于復雜，且通訊端口占用較多、成本較高。<

28、;/p><p>　　對于方案二，采用PWM脈寬調制的方法，通過控制光耦合器的通斷時間的不同來進行加熱，從而達到精確控溫的效果，加熱和降溫電路只占用2個I/O口，這樣不僅簡化了輸出通道電路，提高了電路抗干擾能力，而且成本比較低。所以本系統采用方案二作為溫度控制方案。</p><p>　　第3章 硬件電路設計</p><p>　　本系統主要部件包括AT89C52單片機、

29、DS18B20溫度傳感器、四位LED數碼管、直流電機、光電耦合器、發(fā)熱電阻絲。輔助元件包括電阻、晶振、電源、按鍵、撥碼開關等。</p><p>　　3.1 系統主要元器件簡介</p><p>　　3.1.1 AT89C52單片機簡介</p><p>　　VCC：供電電壓。 </p&g

30、t;<p><b>　　GND：接地。</b></p><p>　　P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程 序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。</p>

31、<p>　　P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作 輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 </p><p>　　P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫

32、“1”時，其管腳被內部上拉電阻 拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存 儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。</p><p>　　P3

33、口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。</p><p>　　P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：</p><p><b>　　各口管腳 備選功能</b></p>

34、<p>　　P3.0 RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口）</p><p>　　P3.2 /INT0（外部中斷0）</p><p>　　P3.3 /INT1（外部中斷1）</p><p>　　P3.4 T0（記時器0外部輸入）</p><p>　　P3.5 T1（記時器1

35、外部輸入）</p><p>　　P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通）</p><p>　　P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通）</p><p>　　P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。</p><p>　　RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期以上的高電平時間。</p><p&

36、gt;　　ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器 時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

37、另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。</p><p>　　PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。</p><p>　　EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加

38、密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。</p><p>　　3.1.2 DS18B20單線數字溫度傳感器簡介</p><p>　　DS18B20 溫度傳感是由DALLAS（達拉斯）公司生產，見圖3—2 。它的體積超小，硬件開消低，抗干擾能力強，精度高。DS18B20 的主要特征

39、： 全數字溫度轉換及輸出， 先進的單總線數據通信， 最高 12 位分辨率，精度可達土 0.5攝氏度， 2 位分辨率時的最大工作周期為 750 毫秒， 可選擇寄生工作方式， 檢測溫度范圍為–55°C ~+125°C (–67°F ~+257°F) 內置 EEPROM，限溫報警功能， 64 位光刻 ROM，內置產品序列號，方便多機掛接。 多樣封裝形式，適應不同硬件系統。</p><

40、p>　　DS18B20內部結構主要由4部分：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。其管腳有三個端，其中DQ為數字信號端，GND為電源地，VDD為電源輸入端。</p><p>　　3.1.3 八段LED數碼管</p><p>　　本系統選用六位LED數碼管作為溫度顯示。LED又稱為數碼管，它主要由8段發(fā)光二極管組成的不同組合，可以顯示a～g為數字和字

41、符顯示段，dp段為小數點顯示，通過a～g為7個發(fā)光段的不同組合，可以顯示0～9和A～F共16個數字和字母。LED可以分為共陰極和共陽極兩種結構，如圖3-3 (a)和圖3-3(b) 所示。共陰極結構即把8個發(fā)光二極管陰極連在一起。這種裝入數碼管中顯示字形的數據稱字形碼，又稱段選碼。</p><p>　　表3.1 七段LED的段選碼表</p><p>　　一個共陰極數碼管經反相器后接至單片

42、機的電路，要想顯示數字“7”須a、b、c這3個顯示段發(fā)光 （即這3個字段為底電平）只要在P1接口輸入11111000（07）即可。里07即為數字7的段選碼。字形與段選碼的關系見表3.1所示。</p><p>　　3.1.4 74HC138譯碼器</p><p>　　74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引腳兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。如圖3-4 所示， 74

43、HC138譯碼器可接受3位二進制加權地址輸入（A0, A1和A2），并當使能時，提供8個互斥的低有效輸出（Y0至Y7）。74HC138特有3個使能輸入端：兩個低有效（E1和E2）和一個高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否則74HC138將保持所有輸出為高。利用這種復合使能特性，僅需4片74HC138芯片和1個反相器，即可輕松實現并行擴展，組合成為一個1-32（5線到32線）譯碼器。任選一個低有效使能輸入端作為數據輸入，而把其

44、余的使能輸入端作為選通端，則74HC138亦可充當一個8輸出多路分配器，未使用的使能輸入端必須保持綁定在各自合適的高有效或低有效狀態(tài)。 </p><p>　　74HC138其特性是復合使能輸入，輕松實現擴展 兼容JEDEC標準no.7A 存儲器芯片譯碼選擇的理想選擇 低有效互斥輸出 ESD保護 HBMEIA/JESD22-A114-C超過2000 V MM EIA/JESD22-A115-A超過200 V 溫度范

45、圍 -40～+85 ℃ -40～+125 ℃ 多路分配功能。</p><p>　　3.1.5 光電耦合器 OPTOTRIAC</p><p>　　光耦合器（optical coupler,英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器,簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件,通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與 受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線

46、,受光器接受光線之后就產生光電流,從輸出端流出,從而實現了“電—光—電” 轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器,由于它具有體積小、壽命長、無觸點,抗干擾能力強,輸出和輸入之間絕緣,單向傳輸信號等優(yōu)點,在 數字電路上獲得廣泛的應用。</p><p>　　本系統采用OPTOTRIAC型號光電耦合器（見圖3-5），該光耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號,輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離,抗干擾能力強,使用壽

47、命長,傳輸效率高。它廣泛用于電平轉換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器 (SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。</p><p>　　3.2 各功能模塊的電路設計 </p><p>　　3.2.1 復位電路及時鐘電路的設計</p><p>　　本系統采用按鍵復位電路，該電路除了具有上電復位功能以外，若要復位，只需按圖3-6中

48、RESET鍵，此時電源VCC經電阻R1、R2分壓，在RST端產生一個復位高電平，即可完成復位。時鐘電路對單片機系統而言是必需的。由于單片機內部是由各種各樣的數字邏輯器件(如觸發(fā)器寄存器存儲器等)構成，這些數字器件的工作必須按時間順序完成，這種時間順序就稱為時序。時鐘電路就是提供單片機內部各種操作的時間基準的電路，沒有時鐘電路單片機就無法工作。此次設計中，我們采用由內部方式產生時鐘的方法形成時鐘電路，由 11.0592MHz的晶振，兩個3

49、3pF的電容構成。</p><p>　　3.2.2 鍵盤接口電路的設計</p><p>　　鍵盤采用5個獨立按鍵，見圖3-7，K1，K2，K3，OK,SET分別與單片機的P0.0、 P0.1和P0.2、P0.3、INT0口及10K上拉電阻相連，另一端接地，當任一按鍵按下時，取低電平有效。系統上電后，按下SET(設置鍵)使系統產生中斷，調用中斷服務程序，進入鍵盤掃描子程序，以查詢的方式確定

50、各按鍵，完成溫度初值的設定。其中按K1鍵為溫度的十位設置鍵，每按下一次，系統對最初設定值十位加一，直到9后，又會從0開始累加；按鍵K2為溫度的個位設置鍵，用法與十位設定按鍵相同；K3鍵為溫度小數位設置鍵，用法與十位設置鍵相同；OK為確定鍵，當預設溫度設定后按OK鍵確認，系統進入溫度控制狀態(tài)。</p><p>　　3.2.3 溫度采集電路設計</p><p>　　DS18B20測量溫度采用

51、了特有的溫度測量技術，其測量電路如下圖所示。它是通過計數時鐘周期來實現的。低溫系數振蕩器輸出的時鐘信號通過由高溫度系數振蕩產生的門周期而被計數，計數器補預置在與-55℃相對應的一個基權值。如果計數器在高溫度系數振蕩周期結束前計數到零，表示測量的溫度值高于-55℃，被預置在-55℃的溫度寄存器的值就增加1℃，然后重復這個過程，直到高溫度系數振蕩周期結束為止。這時溫度寄存器中的值就是被測溫度值，這個值以16位形式存放在便箋式存儲器中，此溫度

52、值可由主機通過發(fā)存儲器讀命令而讀出，讀取時低位在前，高位在后。斜率累加器用于補償溫度振蕩器的拋物線特性。</p><p>　　DS18B20在使用時，一般都采用單片機來實現數據采集。只須將DS18B20信號線與單片機1位I/O線相連，且單片機的1位I/O線可掛接多個DS18B20，就可實現單點或多點溫度檢測。在本系統中中將DS18B20接在P3.5口實現溫度的采集。其與單片機的連接如圖3-8。</p>

53、<p>　　3.2.4 數碼管顯示電路設計</p><p>　　由于本系統實現25.0℃—99.9℃范圍內的溫度的控制，所以選用6位共陽極數碼管作為顯示模塊，1、2、3位數碼管為環(huán)境溫度，4、5、6位為預設溫度，它和單片機硬件的接口電如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-9 顯示模塊電路</p><p>　　數碼管的A、B、C、D、E、F、G

54、和DP分別與單片機的P2.0——P2.7相連。而四位數碼管的位則通過74HC138譯碼器來選通。74HC138是一個3-8譯碼器。74HC138的A、B、C與單片機的P1.5、P1.6、P1.7相連通，我們可以通過程序控制P1.5、P1.6、P1.7的輸出進而控制3-8譯碼器的輸出，從而達到選位的目的。其選通情況如表3.2.。</p><p>　　表3.2 數碼管選位情況表</p><p&g

55、t;　　本設計中為了的四位數碼管，前三位（即第1、2、3位）設計為顯示溫度傳感器所采集到的環(huán)境溫度，后三位（第4、5、6位）設計為所設定的溫度，即我們所要達到的溫度顯示。</p><p>　　3.2.5 加熱電路的設計 </p><p>　　本設計采用交流電源對電阻進行加熱，另外采用光電隔離開關來控制加熱電阻的加熱與否，能夠有效的進行電源的隔離，增大了電路的抗干擾能力?？紤]到加熱系統有

56、較大的熱慣性，本系統采用脈沖寬度調制的方法，單片機系統輸出控溫信號，輸出高電平時，經反相器變?yōu)?信號，使雙向可控硅導通，信號燈亮，電阻絲通電加熱；輸出低電平時，雙向可控硅斷開，信號燈滅，電阻絲斷電。脈沖寬度T1與周期T的比值為P，它反映了系統的輸出空置量P=95%為輸出上限，P=5%為輸出下限。加熱電路原理圖如圖3-10所示，單片機I/O口P0.6輸出信號經過光電耦合器，通過這種方式控制雙向可控硅的門極，從而控制電阻絲的平均加熱功率，這

57、樣簡化了輸出通道電路，提高了電路抗干擾能力。另外在系統比較人性化設計的就是電阻加熱過程中加熱信號指示燈會點亮，系統告知是在加熱過程中。</p><p>　　3.2.6 降溫電路的設計 </p><p>　　由圖3-11可以知道本設計是由一個繼電器來控制降溫風扇的，我們采用的是HRS1H型號的5V繼電器，通過單片機I/O口P0.7輸出信號來控制導通與否，而由于單片機的輸出電流小的原因，

58、需要一個驅動電路來實現控制繼電器的導通，由于采用NPN電路需要加上拉電阻且存在上位5V的原因容易燒壞三極管，于是我們采用PNP8085的三極管作為繼電器的驅動電路。當溫度圖中CON2接降溫風扇。</p><p>　　3.2.7 掉電保護電路的設計 </p><p>　　單片機在工作時，因某種原因造成突然掉電，將會丟失數據存儲器（RAM）里的數據，沖掉前期工作的所有信息。為了在突然掉電時能

59、夠保持數據存儲器的數據，保證單片機系統穩(wěn)定、可靠地工作，數據信息處理的安全，雖然單片機主電源里又大容量濾波電容器，當掉電時，單片機靠貯存在電容里的能量，一般只能維持半個周期（10ms）左右。為此，要求一旦市電發(fā)生瞬間斷電時，必須要有一種電源能在小于10ms的時間內重新送電，確保單片機系統正常運行。為了保證單片機在主電壓失去時仍然能夠保持運行，人們就利用干電池對單片機系統繼續(xù)進行供電。</p><p>　　本設計采

60、用能夠充放電的電池作為備用電源，在主電源正常供電時，需要由主電源對其進行充電；當主電源失去時，又由電池放電以保持單片機系統的運行。圖3-12 為本系統的掉電保護電路。</p><p>　　當主電源正常時，單片機由VCC 5V電源供電，此時，VCC5V 電源通過 D1 和 R1 ，對保護用電池進行充電，以保證電池電量的充足。當主電源失去時，放電路徑為：電池通過 R1+R2 ，對單片機供電端口進行供電，供電電流通過

61、R1+R2 之后，會有壓降，到達單片機的 VCC 端口時，電壓就會比 3.6 V低，一般會在 2V—2.5 V左右，令單片機仍然工作于正常供電狀態(tài)。</p><p>　　主電源電路的設計 </p><p>　　本系統的直流穩(wěn)壓電源采用通常的橋式全波整流、電容濾波、三端固定輸出的集成穩(wěn)壓器件進行設計，并且所有的集成穩(wěn)壓芯片均裝有充分裕量的散熱片。220V交流電經過變壓器、橋式全波整流、電容

62、濾波、三端固定輸出的集成穩(wěn)壓器件之后輸出5V直流電壓，系統的供電電源電路如圖3-13 所示。</p><p><b>　　系統軟件設計</b></p><p>　　4.1 應用的相關軟件</p><p>　　4.1.1 Protel 99SE</p><p>　　Protel 99SE是Prokl Technolo

63、gy公司開發(fā)的基于Windows環(huán)境下的電路板設計軟件。該軟件功能強大，人機界面友好，易學易用，仍然是大中院校電學專業(yè)必學課程，同時也是業(yè)界人士首選的電路板設計工具。</p><p>　　Protel 99SE 由兩大部分組成：電路原理圖設計（Advanced Schematic）和多層印刷電路板設 計（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由兩部分組成：電路圖編輯器（Schemat

64、ic）和 元件庫編輯器（Schematic Library）。</p><p>　　在設計中我們要用到Protel 99SE進行原理圖設計。如圖4-1 為軟件使用界面。</p><p>　　4.1.2 KEIL 8051 </p><p>　　Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統，與匯編相比，C語言在功

65、能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。</p><p>　　Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現高級語言的優(yōu)勢。本設計中使用KEIL

66、軟件進行系統程序編輯，軟件使用界面如圖4-2 </p><p>　　4.2 系統程序的設計 </p><p>　　4.2.1 程序結構</p><p>　　整個系統的程序設計是由主程序和各個子程序構成，主程序調用了6個子程序，分別是數碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號處理程序、繼電器控制程序、加熱控制程序。</p><p&g

67、t;　　鍵盤掃描及按鍵處理程序：實現鍵盤的輸入按鍵的識別及進入相應的程序。</p><p>　　溫度信號處理程序：對溫度芯片送過來的數據進行處理，進行判斷和顯示。</p><p>　　數碼管顯示程序：向數碼的顯示送數，控制系統的顯示部分。</p><p>　　降溫控制程序：控制繼電器的通斷，繼而控制風扇動作。</p><p>　　加熱控制程序

68、：控制光耦合器的通斷時間，精確加熱。</p><p>　　4.2.2 系統程序流程圖</p><p>　　4.2.3 溫度傳感器驅動模塊程序</p><p>　　單片機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后再發(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。復位要求單片機將數

69、據線下拉500us，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16～60us左右，再發(fā)出60～240us的存在低脈沖，CPU收到此信號表示復位成功。</p><p>　　本系統對DS18B20的操作分為3個步驟：初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。單片機要與DS18B20通信，首先DS18B20初始化，復位DS18B20，然后單片機等待DS18B20的應答脈沖。一旦單片機檢測到應答脈沖，便發(fā)起跳過ROM匹配操

70、作命令。成功執(zhí)行了ROM操作命令后，就可以使用內存操作命令，啟動溫度轉換，延時一段時間后，等待溫度轉換完成。再發(fā)起跳過ROM匹配操作命令，然后讀暫存器，將轉換結果讀出，并轉為顯示碼，送到數碼管顯示。DS18B20模塊程序流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　ROM命令完成單片機與總線上的某一DS18B20建立聯系，有搜尋ROM、讀ROM、匹配ROM、忽略ROM、報警查找等命令。這里，單片機只連接1個DS18

71、B20，因此只使用讀ROM命令來讀取DS18B20的48位ID號。</p><p>　　DS18B20功能命令在該步驟中完成溫度轉換、寫暫存寄存器、讀暫存寄存器、拷貝暫存寄存器、裝載暫存器寄存器、讀供電模式命令[16]。本系統不用溫度報警功能，因此在本步驟中只需完成溫度轉換，然后通過讀暫存寄存器命令完成溫度轉化的結果。</p><p>　　所以，本系統對DS18B20進行的操作主要包括兩個

72、子過程：（1）讀取DS18B20的序列號。主機首先發(fā)一復位脈沖，等收到返回的存在脈沖后，發(fā)出搜索器件的序列號命令，讀取DS18B20的序列號；（2）啟動DS18B20作溫度轉換并讀取溫度值。主機在收到返回的存在脈沖后，發(fā)出跳過器件的序列號命令，跟著發(fā)出溫度轉換命令，再次復位并收到返回的存在脈沖后，發(fā)送DS18B20的序列號，讀出數據。</p><p><b>　　系統調試</b></p

73、><p>　　5.1 系統性能測試及分析</p><p>　　本設計恒溫控制系統是基于單片機的而設計，它能夠實現顯示當前溫度和預設溫度，并能根據用戶設定的溫度進行自動的控溫。此系統工作穩(wěn)定性好，控制精度高，軟件采用模塊化結構，提高了通用性，利用精確的脈寬調制加熱使超調量大大降低，很大程度上提高了系統的性能。</p><p>　　5.1.1 測試系統的溫度控制精度&l

74、t;/p><p>　　為了驗證溫控系統的控制精度，我們將溫度計和溫控系統溫度傳感器探頭放入相同溫度的水中，選定若干不同的溫度點，記錄下標準溫度計顯示的溫度和溫控系統顯示的溫度并進行比較。通過設定不同的溫度值，使加熱器加熱，待溫度穩(wěn)定時記錄各溫度點的溫度計數據和溫控系統的顯示值。其記錄數據如下表5.1：</p><p>　　根據實驗測得數據可以看出，系統測得溫度與實際溫度存在一定的誤差，誤差范圍

75、在±1℃之內，基本達到預期目標。</p><p>　　5.1.2 誤差分析</p><p>　　本系統的主要誤差來源于以下幾個方面：</p><p>　　（1）由于實驗所用測量工具（如溫度計）本身精度以及所帶來的視覺誤差，加上溫度變化慣性較大，動態(tài)測量時準確控制測量精度略有難度。</p><p>　?。?）由于風扇采用的是繼電器直

76、接控制，沒有進行調速控制，所以在繼電器斷開后風扇由于慣性還會轉動，可能使溫度降低過快，導致溫度差值為負值。</p><p>　　（3）另一方面可能是由于軟件設計上的缺陷，可能是溫度傳感器測得的溫度由于延時時間過長，而沒有及時的將溫度數據發(fā)送到數碼管顯示，從而導致的誤差。</p><p>　　5.1.3 結果分析</p><p>　　根據實驗數據可知，本系統靜態(tài)誤差

77、方面可以達到0.18℃的誤差，總體控制精度方面大約0.45℃，在讀數正確方面與標準溫度計的讀數誤差為1.5%，對一般的工業(yè)生產完全可以采用本設計。該系統具有較小的超調值，超調值大約為0.83%左右。雖然超調為不利結果，但另一方面卻減小了系統的調節(jié)時間。從其數據表可以看出該系統為穩(wěn)定系統。</p><p>　　5.2 軟件調試</p><p>　　5.2.1 傳感器DS18B20溫度采集

78、部分調試</p><p>　　本系統采用數字式集成溫度傳感器DS18B20，由于該溫度傳感器的高度集成化，為軟件的設計和調試帶來了極大的簡便，小體積、低功耗、高精度為控制溫度的精度和系統的穩(wěn)定提供了可能。軟件設計采用P3.5口為數字溫度輸入口，但是需要對輸入的數字信號進行處理后才能顯示，從而多了溫度轉換程序。通過軟件設計，實現了對環(huán)境溫度的連續(xù)檢測，經過試驗程序驗證，溫度傳感器檢測溫度效果良好。 </p&g

79、t;<p>　　5.2.2 鍵盤及數碼管顯示部分調試 </p><p>　　程序的鍵盤接口采用P0口，數碼管顯示采用P2口控制LED的段選碼，P1口的P1.5、P1.6、P1.7三個位由74HC138譯碼，這樣大大節(jié)省了系統I/O口資源。系統中只需要六個LED，所以選擇了譯碼后六位來控制LED的位碼，通過程序的設計，1、2、3位數碼管為環(huán)境溫度，4、5、6位數碼管為預設溫度。<

80、;/p><p>　　通過實驗程序，實現了按鍵的功能，并有較好的去抖動效果，也能根據需要調節(jié)按鍵時間；LED采用動態(tài)顯示，所以實驗程序中不能允許有較長的延時，程序實現了LED顯示很好的顯示效果。</p><p>　　5.2.3 加熱模塊及降溫模塊的調試</p><p>　　系統軟件設置P0.6口、P0.7口分別作為加熱模塊的控制端和降溫模塊的控制端，加熱模塊通過程序設計輸

81、出不同的PWM波形，來控制光電耦合器的通斷時間的不同，從而得到不同的占空比來控制電阻絲的加熱功率，以實現精確加溫。當外界溫度高于設置溫度時，電阻不加熱或停止加熱，系統將調用降溫程序啟動降溫模塊進行降溫；當外界溫度低于設置溫度時，主程序調用加熱子程序進行加熱，且外界溫度與設置溫度的差值越大，輸出的平均加熱功率增大，加熱速度越快，即占空比增加。</p><p><b>　　5.3 硬件調試</b>

82、;</p><p>　　5.3.1 傳感器DS18B20溫度采集部分調試</p><p>　　將DS18B20芯片接在系統板對應的P3.5口，通過插針在對應系統板的右下側三口即為對應的VCC、P3.5和GND，可將芯片直接插在該插針上，因此即為方便。系統調試中為驗證DS18B20是否能在系統板上工作，將手心靠攏或者捏住芯片，即可發(fā)現LED顯示的前兩位溫度也迅速升高，驗證了DS18B20能

83、在系統板上工作。由于DS18B20為3個引腳，因此在調試過程中因注意其各個引腳的對應位置，以免將其接反而是芯片不能工作甚至燒毀芯片。</p><p>　　5.3.2 鍵盤及數碼管顯示部分調試</p><p>　　系統按鍵部分實現了以下功能：按下K1鍵，數碼管的顯示溫度值十位增一；按下K2鍵，數碼管的顯示溫度值個位增一；按下K3鍵，數碼管的小數位溫度增一。每一位溫度值在增到9之后又會回到0

84、重新增加。調試過程中出現了當按鍵時間過長時，設置的溫度值不是增一或者減一，而是增加后減少幾個值，出現這種情況的主要元因可能是按鍵的去抖動延時時間過長造成，改進方法為將對應的按鍵去抖動延時時間適量增加，但也不應過長，否則將出現按鍵無效的情形。</p><p>　　系統顯示部分實現了以下功能：LED顯示的前三實現了環(huán)境溫度部分的連續(xù)顯示，LED的后三能根據按鍵的調整顯示所需要的設計溫度。且LED的顯示效果很好，很穩(wěn)定

85、。</p><p>　　5.3.3 加熱模塊及降溫模塊的調試</p><p>　　在加熱模塊的設計中重在軟件設計，外圍的驅動電路只是將送來的PWM信號放大從而驅動電阻工作。系統軟件設置在P0.6口輸出使光耦合器導通的PWM占空比，當環(huán)境溫度低于設置溫度時，電阻開始加熱，若此時用低于環(huán)境溫度的冰塊靠近測溫芯片DS18B20時，用一數字溫度計靠近加熱電阻測量其溫度，發(fā)現電阻溫度迅速上升，并越

86、來越高，當達到一定值時，發(fā)現電阻溫度不再升高；將冷源離開測溫芯片DS18B20時，發(fā)現溫度開始下降，直到預設溫度時不在下降，若將設置溫度低到環(huán)境溫度以下，發(fā)現電阻溫度又開始升高。調試過程中最初采用繼電器控制加熱電阻曾出現了很多問題，數次發(fā)現繼電器吸合后，電阻開始加熱，但是溫度到達預設溫度之后卻延遲比較長的時間才斷開，猜測可能是受電源干擾的問題，最終只有光電耦合器能夠精確的控制加熱電阻的通電與斷開，從而精確的控制溫度的恒定。</p&

87、gt;<p>　　降溫模塊中，系統設置單片機P0.7口作為降溫控制端口，系統采用的直流電機為12V的額定電壓，而該驅動電路在采用單片機電源時的輸出電壓最高不過5V，因此在調試過程中只采用了原有的5V直流電機來調試，但是由于單片機輸出電流小，當采用NPN型三極管作為驅動電路時，調試過程中總會燒壞三極管，最終我們采用PNP8085型三極管作為繼電器的驅動電路，并進行該模塊的多次調試，發(fā)現電機轉速不高，但是運轉正常。</p

88、><p><b>　　總 結</b></p><p>　　本次設計采用了匯編語言編程方式，實現了溫度的測量與控制，設計方案采用了單總線型數字式的溫度傳感器，不僅提高了溫度的采集精度，且節(jié)約了單片機的口線資源。DS18B20簡單快速的測溫后，經單片機準確的溫度分析后，驅動光耦合器進行電阻加熱或驅動繼電器進行風扇降溫的控制，從而實現精確的恒溫控制。方案還使用光電耦合器作加熱控

89、制器件，使設計簡單化，且可靠性強。在控制精度方面，本設計采用PWM脈寬調制，由加熱控制端輸出不同的PWM脈沖來控制加熱電阻通電時間，精確的控制電阻的加熱功率，來提高溫度的控制精度。通過該溫控系統可以實現0℃~99.9℃范圍內溫度控制，在經過多次系統測試和誤差校正后，系統的溫度控制精度和測試精度達到了1℃的設計指標。在軟件方面采用模塊化編程，思路清晰，使程序簡潔、可移植性強。</p><p>　　但是在設計工作完成

90、后，重新思考整個設計方案，發(fā)現其中有很多值得改進的地方，本設計雖然采用了當前市場最先進的電子器件，使電路設計簡單，但設計方案不是最佳。本系統雖然具有較小的超調量，但加大了調節(jié)時間。特別是控制加熱和降溫兩個模塊，在不改變溫控空間體積的情況下，為減小調節(jié)時間，可以實行在加熱快達到設定溫度時開啟風扇來減小熱慣性對溫度的影響的措施。在控制精度上可采用先進的數字PID控制算法，對加熱時間進行控制，提高控制精度。還可以改進控制系統，使能同PC聯機通

91、信，以利用OC的圖像處理功能打印顯示溫度曲線。89C52串行口為TTL電平，PC串行口為RS232電平，使用一片MAX232作為電平轉換驅動。</p><p>　　隨著日新月異的高新科技的推廣與普及，溫控系統將在各個領域的應用范圍越來越廣泛。相對眾多加熱系統，恒溫控制器以其對溫度的精確測量、快速控制等優(yōu)點，必將在未來的生產生活中得到更加美好的發(fā)展前景。</p><p><b>　

92、　參考文獻</b></p><p>　　[1] 劉守義、 楊宏麗、 王靜霞． 單片機應用技術（第二版）.西安電子科技大學出版社，2007.</p><p>　　[2] 王兆安 、黃俊 ．電力電子學 （第四版） 北京：機械工業(yè)出版社，2001.</p><p>　　[3] 王廷才．電力電子技術.高等教育出版社．2007.</p><p

93、>　　[4] 李群林.基于多路傳感器的溫濕度檢測系統[J]. 中國儀器儀表，2006（11），38—40.</p><p>　　[5] 張永生、林春方.電子設計自動化（第二版）.上海交通大學出版社，2008,25—91.</p><p>　　[6] 耿長清．單片機應用技術[M]．北京：化學工業(yè)出版社．2002（7）.</p><p>　　[7] 催東劍．多點恒

94、溫自動控制系統設計[J]．電工技術． 2003，7；59—60.</p><p>　　[8] 唐程山.電子技術基礎.北京：高等教育出版社，2001（7）.</p><p>　　[9] 祁和義、孫杰.監(jiān)測與傳感器應用技術.北京：高等教育出版社，2009（8）,113—128.</p><p><b>　　附錄</b></p><

95、;p><b>　　附錄Ⅰ：電路總圖</b></p><p>　　附錄Ⅱ：匯編語言程序設計軟件代碼</p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　BEGIN: LJMP INIT</p><p>　　ORG 0003H ; INT0</p><p&g

96、t;　　ORG 000BH ; T0 INT</p><p>　　ORG 0013H ; 1NT1</p><p>　　ORG 001BH ; T1 INT</p><p>　　ORG 0023H ; SPORT INT</p><p>　　ORG 002BH ; T2 I

97、NT</p><p>　　ORG 0030H </p><p>　　;============================================</p><p>　　INIT: MOV SP, #60H </p><p>　　MOV P0, #00FH</p><

98、p>　　MOV P1, #0FFH</p><p>　　MOV P2, #0FFH</p><p>　　MOV P3, #0FFH</p><p>　　MOV 4AH, #25</p><p>　　;============================================</

99、p><p>　　MAIN: NOP </p><p>　　LCALL GET_TEMPER</p><p>　　LCALL DISP</p><p>　　LCALL KEYSCAN </p><p>　　LCALL GO </p><p>　　A

100、JMP MAIN</p><p>　　;============================================</p><p>　　GET_TEMPER: </p><p>　　SETB P3.5</p><p>　　LCALL RST18B20</p><p>　

101、　JB 00H, DSS2</p><p>　　RET </p><p>　　DSS2: MOV A, #0CCH</p><p>　　LCALL WR18B20</p><p>　　MOV A, #44H</p><p>　　LCALL WR1

102、8B20</p><p>　　LCALL RST18B20</p><p>　　MOV A, #0CCH</p><p>　　LCALL WR18B20</p><p>　　MOV A, #0BEH</p><p>　　LCALL WR18B20</p><p&

103、gt;　　LCALL RE18B20</p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　RST18B20:</b></p><p>　　SETB P3.5</p><p><b>　　NOP</b></p><p>　

104、　CLR P3.5</p><p>　　MOV R0, #06BH</p><p>　　MOV R1, #03H</p><p>　　DSR1: DJNZ R0, DSR1</p><p>　　MOV R0, #6BH</p><p>　　DJNZ R1, D

105、SR1</p><p>　　SETB P3.5</p><p><b>　　NOP </b></p><p><b>　　NOP </b></p><p><b>　　NOP</b></p><p>　　MOV R0, #25H<

106、/p><p>　　DSR2: JNB P3.5, DSR3</p><p>　　DJNZ R0, DSR2</p><p>　　LJMP DSR4</p><p>　　DSR3: SETB 00H</p><p>　　LJMP DSR5</p><p&g

107、t;　　DSR4: CLR 00H</p><p>　　LJMP DSR7</p><p>　　DSR5: MOV R0, #06BH</p><p>　　DSR6: DJNZ R0, DSR6</p><p>　　DSR7: SETB P3.5</p><p&g

108、t;<b>　　RET</b></p><p>　　;----------------------------</p><p><b>　　WR18B20:</b></p><p>　　MOV R2, #8</p><p>　　CLR C</p><p>