课程设计论文-基于ds18b20的温度控制系统设计

课程设计论文-基于ds18b20的温度控制系统设计内容摘要：

48H B8H B4H 启动 DS18B20 进行温度转换 读暂存器 9 个字节内容 将数据写入暂存器的 TH、 TL 字节 把暂存器的 TH、 TL 字节写到 E2RAM 中 把 E2RAM 中的 TH、 TL字节写到暂存器 TH、TL 字节 启动 DS18B20 发送电源供电方式的信号给主 CPU CPU 对 DS18B20 的访问流程是：先对 DS18B20 初始化，再进行 ROM 操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。 DS18B20 每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。 如主机控制 DS18B20 完成温度转换这一过程，根据DS18B20 的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20进行预定的操作。 复位电路模块 复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种方式。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，只要电源 VCC 的上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位10 初始化。 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。 其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与 VCC 电源接通而实现的，而按键脉冲复位则是利用 RC 微分电路产生的正脉冲来实现的。 本系统的复位电路采用上电复位方式。 电路图如图所示： 图 47 复位电路 显示电路模块 本电路主要使用八段数码管和移位寄存器芯片 74HC164。 单片机通过数据总线将要显示的数据信号传送到移位寄存器芯片 74HC164，再由移位寄存器控制数码管的显示，从而实现移位寄存点亮数码管显示。 由于单片机的时钟频率达到 12M，移位寄存器的移位速度相当快，所以我们根本看不到数据是一位一位传输的。 从人类视觉的角度上看，就仿佛是全部数码管同时显示的一样。 移位寄存器 74HC164 74HC16 74HCT164 是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。 74HC16 74HCT164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。 数据通过两个输入端（ DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。 两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。 11 图 38 74HC164 引脚图 数码管显示电路 显示部分采用 LED 静态显示方式，共阳极的数码管的公共端 COM 连接在一起接地，每位的段选线与 74HC164 的 8 位并口相连，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符，考虑到节约单片机的 I/O资源，因而采用串行接口方式，外接 8 位移位寄存器 74HC164 构成显示电路，显示电路如图所示。 图 39 显示电路 12 报警电路模块 报警电路用于在温度超出设定值范围时提供声音报警，它由单片机的 引脚控制。 并且通过发光二极管实现对系统运行状态的显示。 报警电路如图所示。 图 310 报警电路 按键电路模块 利用单片机的 IO 口实现按键的中断输入。 另外需要一个与门实现与中断端口的连接。 按键电路如图所示。 图 311 按键电路 13 软件设计 系统软件设计主要包括系统程序和控制流程图，根据整个系统要求的温度测量与控制写出系统的控制流程图，然后进行编程。 具体程序见附录。 控制流程图 图 41 系统流程图 DS18B20 工作过程及时序 DS18B20 工作过程中的协议如下： （ 1）初始化 —— （ 2） ROM 操作命令 —— （ 3）存储器操作命令 —— （ 4）处理数据 初始化时序 时序如图 42 所示。 主机总线发送 483μS 复位脉冲，接着再释放总线（置总线为高电平）并进入接收状态。 DS18B20 在检测到总线的上升沿后等待 60μS 发出器件存在脉冲（低电平持续 60— 240μS）。 初始化程序如下所示： INIT_1820: MOV R1,2H。 两次查询复位 18b20 存在 TSR0: CLR MOV R0,161。 主机发出延时 483 微秒的复位低脉冲 14 TSR1: NOP DJNZ R0,TSR1 SETB。 然后拉高数据线 MOV R0,20。 延时 60us TSR2: NOP DJNZ R0,TSR2 MOV R0,20H TSR3: JNB ,TSR4。 等待 DS18B20 回应 DJNZ R0,TSR3 LJMP TSR5。 延时 TSR4: SETB FLAG1。 置标志位 ,表示 DS1820 存在 SETB。 清除 DS1820 不存在显示信号 SETB SETB LJMP TSR6 TSR5: DJNZ R1,TSR0 CLR FLAG1。 清标志位 ,表示 DS1820 不存在 CLR。 DS1820 不存在警告信号 CLR CLR。 如果 18b20 不存在处理跳转 LJMP TSR8 TSR6: MOV R0,117 TSR7: DJNZ R0,TSR7。 时序要求延时一段时间 TSR8: SETB RET 图 42 初始化时序图 此初始化程序功能为：检测 DS18B20 是否存在，如存在，将位地址 38H 置1；如不存在，将位地址 38H 清零。 写时序 单片机写 DS18B20 的时序如图 43 所示，当主机总线从高拉至低电平时就产生写时间隙， DS18B20 在检测到下降沿后 15μS 时开始采样总线上的电平，所以 15μS 之内应将所需写的位送到总线上， DS18B20 在 60μS 以内对总线采样，每写一位总时间必须在 60— 120μS 之间完成。 若低电平写入的位是 0，高电平写入的位是 1，连续写时位间的间隙应大于 1μS。 程序如下所示： WRITER_1820: 单片机主动释 放 60240μ S 60μ S 483μ S 15 T60μ S 单片机采样第二位 启动脉冲 T60μ S 单片机采样第一位 启动脉冲 MOV R2,8。 一共 8 位数据 CLR C WR1:CLR MOV R3,5。 要求 15us 内写数 DJNZ R3,$ RRC A MOV ,C MOV R3,21。 时序要求，所有写时序至少维持 60us DJNZ R3,$。 执行该条指令用时间 2us SETB NOP DJNZ R2,WR1 SETB RET 图 43 单片机写 DS18B20 时序图 读时序 单片机读 DS18B20 的时序如图 54 所示，单片机主动产生一个下降沿的启动信号，并维持低电平大于 1μS 后释放总线， 15μS 后 DS18B20 占主动权，DS18B20 会将数据按位放在总线上（低位在先，当读取两个字节的温度值时，低字节在先），这时单片机可读取信号，读取一位的时间应在 60μS 内完成。 当需要读取下一位时再产生下降沿启动信号。 图 44 单片机读 DS18B20 的时序图 READ_1820: MOV R4,2。 将温度高位和低位从 DS18B20中读出 MOV R1,TEMPER_L。 低位存入 29H(TEMPER_L),高位存入28H(TEMPER_H) RE00: MOV R2,8。 数据一共有 8位 写 0 60120μ S 写 1， DS18B20 在检测到下降沿 15μ S 后采样，采样时间为 60μ S 15 60120μ S DS18B20 检测到下降沿 15μ S 后采样 15μ S 16 RE01: CLR C SETB NOP NOP CLR NOP NOP NOP SETB MOV R3,4 RE10: DJNZ R3,RE10 MOV C, RRC A MOV R3,20 RE20: DJNZ R3,RE20 DJNZ R2,RE01 MOV @R1,A DEC R1 DJNZ R4,RE00 RET 此程序功能为：读取 DS18B20 A/D 转换后的温度值，转换后的二进制存入 29H、28H 单元。 17 闭环控制 PID 调节器在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。 它的结构简单，参数易于调整，而且人们在长期的应用中积累了丰富的经验，再加上计算机控制技术的结合，使得 PID 具有很大的灵活性和适用性。 考虑各种因素，本设计中采用了 PID 调节器进行控制。 此温度闭环控制系统设定四个温度值，分别为 50、 60、 70、 80。 用户可以根据需要进行温度的设定，在与 18b20 实际测得温度进行比较，得到的偏差（此时的偏差是实际温度，即输出值，与给定温度的差值）作为数字控制器的输入，数字控制器的输出经过数模转换后作用于被控对象（加热杯）进行偏差 调整。 其闭环控制系统框图如下所示： 图 51 闭环控制系统的结构框图 被控对象的传递函数测定 采用阶跃响应曲线法对其进行传递函数 GP(s)的测定。 控制算法 适用 PID 控制器。 计算机控制系统是一种采样控制系统，其只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。 因此，利用外接矩形法进行数值积分，一阶后向差分进行数值微分，当选定的采样周期为 T 时，有 如果采样周期足够小，这种离散逼近相当准确。 但周期小对于硬件的要求也将提高很多，故需要对以上算式进行改进。 由上式可导出下面的式子： 此式称为增量型 PID 控制式。 增量型控制算式具有如下优点： ，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响较小 i时刻的输出 ，只需要用到此刻的偏差以及前一时刻、前两时刻的偏差 和前一次的输出值，这大大节约了内存和计算时间。 自动切换时，控制量冲击小，能平滑地过渡。   )1(1 e ie iTTij eTTe iK Pu t DjI   e ie ie iTTe iTTe ie iK pu iu iu i DI 21211uiei ei118 增量型 PID 算。