实用温度控制器的设计_毕业设计(论文)(编辑修改稿)

实用温度控制器的设计_毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。 因 此，单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速发展，成为近代计算机技术发展史上一个重要里程碑[2]。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） 6 由于 MCS 系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。 单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。 由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达到最优化，工作也相对稳定。 51 的优点是价钱便宜 ， I/O 口多 ， 程序空间大。 因此，测控系统中，使用 51 单片机是最理想的选择。 单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。 单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和语言也大大简化。 单片机的典型代表是 Intel公司在 20 世纪 80 年代初研制出来的 MCS51系列单片机。 MCS51 单片机很快在我国得到广泛的推广应用，成为电子系统中最普遍的应用手段，并在工业控制、交通运输、家用电器、仪器仪表等领域取得了大量应用成果 [3]。 以 MCS51 技术核心为主导的单片机已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象，并以此为基核，推出许多与 MCS51 有极好 兼容性的 CMOS 单片机，同时增加了一些新的功能。 这其中就包括 AT89S51 单片机。 AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位 单片机 ，片内含 4k Bytes ISP 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读 程序存储器 ， 器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS51 指令系统 及 80C51 引脚 结构，芯片内集成了通用 8 位 中央处理器 和 ISP Flash 存储单元。 AT89S51 已经 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 AT89S51 单片机还具有易于学习、成本低、性能强 大等优势， 能对内部众多 I/O 端口连接外围设备进行精确操控， 具有强大的工控能力。 综上所述，选用 AT89S51 单片机。 二、显示器的选择 显示器选用 LED。 LED 显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也是被广泛运用的。 如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用 LED 数码管是一种较好的选择。 LED 数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。 LED 数码管作为显示字段的数码型 显示器件，它是由若干个发光二极管组成的。 当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符，常用的 LED 数码管有 7 段和 “米 ”字段之分。 这种显示器有共阳极和共阴极两种。 共阴极 LED 显示器的发光二极管的阴极连在一起，通常此共阴极接地。 当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。 同样，共阳极 LED 显示器的发光二极管的阳极接在一起，通常此共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。 本次设计所用的 LED 数码管显示器 为共阳极。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） 7 LED 数码管的使用与发光二极管相同，根据材料不同正向压降一般为 ～ 2V，额定电流为 10MA，最大电流为 40MA。 静态显示时取 10MA 为宜，动态扫描显示可加大脉冲电流，但一般不超过 40MA。 三、温度传感器的选择 智能温度传感器 (亦称数字温度传感器 )是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。 目前，已开发出多种智能温度传感器系列产品。 智能温度传感器内部都包含温度传感器、 A/D 转换器、信号处理器、存储器 (或寄存器 )和接口电路。 有的产品还带多路选择器、中央控制器 (CPU)、随机存取存 储器 (RAM)和只读存储器 (ROM)。 智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器 (MCU)。 智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线 (1WIRE)总线、I2C 总线、 SMBUS 总线和 SPI 总线。 温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。 智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的 [4]。 典型产品有 DS18B20，智能温度控制器适配各种微控制器 ， 构成智能化温控系统。 它们还可以脱离微控制器单独工作 ， 自行构成一个温控仪。 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器 ， 具有 3 引脚 TO－ 92 小体积封装形式。 温度测量范围为－ 55℃～＋ 125℃ ， 可编程为 9 位～ 12位 A/D 转换精度 ， 测温分辨率可达 ℃ ， 被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。 多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上， CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20 通信 ， 占用微处理器的端口较少 ， 可节省大量的引线和逻辑电路。 同 DS1820 一样， DS18B20 也 支持 “ 一线总线 ”接口，测量温度范围为 55℃ ~+125℃，在 10℃ ~+85℃范围内 ， 精度为 ℃。 DS18B20的精度较差为 177。 ℃。 现场温度直接以 “一线总线 ”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。 适合于恶劣环境的现场温度测量。 如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。 与前一代产品不同，新的产品支持 3V~ 的电压范围，使系统设计更灵活、方便。 而且新一代产品更便宜，体积更小。 DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器 DS18B20 是世界上第一片支持 “一线总线 ”接口的温度传感器。 一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建 传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。 现在，新一代的 DS1820 体积更小、更经济、更灵活，使您可以充分发挥 “一线总线 ”的长处。 由于 DS18B20 将温度传感器、信号放大调理、 A/D 转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便，与 AD590 相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） 8 DS18B20。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） 9 第三节 温度传感器 DS18B20 的简介 一、 DS18B20 的特点 ①独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； ②多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； ③无须外部器件 ； ④可通过数据线供电，电压范围为 ～ ； ⑤零待机功耗； ⑥温度以 3 位数字显示； ⑦用户可定义报警设置； ⑧报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； ⑨负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作 [5]。 二、 DS18B20 的内部结构 DS18B20 采用 3 脚 PR－ 35 封装，如图 所示 ； 引脚说明：地数据线可选 图 DS18B20 封装 DS18B20 的内部结构主要由四部分组成： ① 64 位光刻 ROM。 开始 8 位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有 48 位，最后 8 位是前 56 位的 CRC 校验码，这也是多个 DS18B20 可以采用一线进行通信的原因。 64 位 闪速 ROM 的结构如下 ： 表 ROM 结构 8b 检验 CRC 48b 序列号 8b 工厂代码（ 10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） 10 内部电源探测位和单线端口位产生器暂存器下限触发上限触发温度传感器存储器和控制逻辑 图 DS18B20 内部结构 ② 非挥发的温度报警 触发器 TH 和 TL，可通过软件写入用户报警上下限值。 ③ 高速暂存 器，可以设置 DS18B20 温度转换的精度。 ④温度传感器， DS18B20 的内部存储器还包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可电擦除的 E2PRAM。 高速暂存 RAM 的结构为 8 字节的存储器，结构如表 所示。 头 2个字节包含测得的温度信息，第 3 和第 4 字节 TH 和 TL 的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。 第 5 个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。 DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。 低 5 位一直为 1， TM 是工作模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式。 表 DS18B20 内部存储器结构 Byte0 温度测量值 LSB（ 50H） Byte1 温度测量值 MSB（ 50H） E2PROM Byte2 TH 高温寄存器  TH 高温寄存器 Byte3 TL 低温寄存器  TL 低温寄存器 Byte4 配位寄存器  配位寄存器 Byte5 预留（ FFH） Byte6 预留（ 0CH） Byte7 预留（ IOH） Byte8 循环冗余码校 验（ CRC） 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） 11 三、 DS18B20 的工作原理 （一） DS18B20 的工作时序 根据 DS18B20 的通讯协议，主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤： ① 每一次读写之前都 必须 要对 DS18B20 进行复位 ； ② 复位成功后发送一条 ROM 指令 ； ③ 最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。 复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒，然后释放， DS18B20 收到信号后等待 15～60 微秒左右后发出 60～ 240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功 [5]。 其工作时序包括初始化时序 、写时序和读时序，具体工作方法如图 ， ， 所示。 （ 1）初始化时序 初始化时序的具体工作方法如图 所示： 响应脉冲60~24 0等待15 60主机 最小48 0主机复位脉冲最小480 US 图 初始化时序 总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，主机响应应答脉冲。 应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。 主机输出低电平，保持低电平时间至少 480us，以产生复位脉冲。 接着主机释放总线， 上拉电阻将总线拉高，延时 15～ 60us，并进入接受模式，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时 480us。 （ 2）写时序 写时序的具体工作方法如图 所示： 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） 12 采样15~ 45采样15~ 4511主机写1 时 序主机写0 时 序 图 写时序 写时序包括写 0 时序和写 1 时序。 所有写时序至少需要 60us，且在 2 次独立的写时序之间至少需要 1us 的恢复时间，都是以总线拉低开始。 写 1 时序，主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时 60us。 写 0 时序，主机输出低电平，延时 60us，然后释放总线，延时 2us。 （ 3）读时序 读时序的具体工作方法如图 所示： 主机采样主机采样454511主机写1 时 序主机写0 时 序 图 读时序 总线器件仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。 所有读时序至少需要 60us，且在 2次独立的读时序之间至少需要 1us的恢复时间。 每个读时序都由主机发起，至少拉低总线 1us。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） 13 主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的 15us之内采样总线状态。 主机输出低电平延时 2us，然后主机转入输入模式延时 12us，然后读取总线当前电平，然后延时 50us。 （二） DS18B20 的测温原理 DS18B20 的测 温原理如 表 所示 ： : 表 ROM 操作命令 指令 约定代码 功 能 读 ROM 33H 读 DS18B20 ROM 中的编码。 符合ROM 55H 发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单线总线上与该编码相对应的 DS18B20 使之作出响应，为下一步对该 DS18B20 的读写作准备。 搜索ROM 0F0H 用于确定挂接在同一总线上 DS18B20 的个数和识别 64位 ROM 地址，为操作各器件作好准备。 跳过ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 发温度变。