單片機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于單片機(jī)的恒溫控制器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于單片機(jī)的恒溫控制器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　xx大學(xué)機(jī)電工程系</b></p><p>　　2012年 11 月</p><p>　專業(yè)名稱：電氣自動(dòng)化</p><p>　學(xué)生姓名：</p><p>　導(dǎo)師姓名：</p><p><

2、b>　　摘要</b></p><p>　　隨著越來(lái)越多高新科技的推廣與普及,溫度測(cè)控已成為工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。恒溫控制主要是用來(lái)控制溫度，它為農(nóng)業(yè)研究、生物技術(shù)測(cè)試提供所需要的各種環(huán)境模擬條件，因此恒溫控制技術(shù)有著很廣泛的用途。恒溫控制系統(tǒng)其關(guān)鍵技術(shù)為保持環(huán)境溫度的恒定，本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)編程控制LED八段數(shù)碼管完成對(duì)溫度的顯示，采用DALLA

3、S公司的DS18B20數(shù)字溫度傳感器來(lái)完成溫度的采集，并和設(shè)定溫度進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果來(lái)控制加熱電阻和風(fēng)機(jī)的動(dòng)作與否，從而完成從25℃到99℃范圍內(nèi)的恒溫控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：恒溫控制； AT89C52； DS18B20；LED數(shù)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(tǒng)的基本構(gòu)成及方案論證………………………………………………………… ( 2 )2．1 系

7、統(tǒng)的基本構(gòu)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(shè)計(jì)…………………………………………………………………………( 7 )3．1  系統(tǒng)主要元器件簡(jiǎn)介…………………………………………………………………… ( 7 )3．1．1 AT89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介……………………………………………………………</p

9、><p><b>　　第1章 引 言</b></p><p>　　隨著新技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在溫度測(cè)量與控制方面，控制簡(jiǎn)單方便

10、，測(cè)量范圍廣，精度較高。單片機(jī)可用于空氣溫度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，這包括控制執(zhí)行器的輸出、將被測(cè)溫度送到顯示模塊顯示、接收從人機(jī)通道輸入的信號(hào)等。 </p><p>　　DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給

11、用戶帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿意的效果。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)了一種基于AT89C52單片機(jī)的控制和DS18B20測(cè)試裝置，能對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量，并能根據(jù)溫度給定值給出調(diào)節(jié)量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)調(diào)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(duì)于我們的生活還是工業(yè)生產(chǎn)都有著重要的意義。在早期對(duì)溫度溫控制的要求主要是在化工、冶煉生產(chǎn)上，比如在大棚蔬菜空氣溫度控制就對(duì)大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有不可

12、替代的作用，現(xiàn)在隨著新技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，用單片機(jī)和相關(guān)的電子器件構(gòu)成的空氣溫控制系統(tǒng)在控制精度以及各項(xiàng)參數(shù)上有空前的提高，控制的領(lǐng)域也有很大的擴(kuò)展，目前以單片機(jī)為核心的空氣溫控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。正因如此，對(duì)空氣溫度的控制到處可見(jiàn)，比如說(shuō)特定溫度實(shí)驗(yàn)室，空調(diào)，減少溫室效應(yīng)影響以及工業(yè)化農(nóng)業(yè)的要求等都需要空氣溫度控制。在生產(chǎn)中，一些現(xiàn)代化生產(chǎn)車間里，尤其是在化工廠里，某些產(chǎn)品加工需要在一定的溫度下才能進(jìn)行。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，溫

13、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法越來(lái)越多也越來(lái)越完善。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)的基本構(gòu)成及方案論證</p><p>　　2.1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成</p><p>　　本設(shè)計(jì)的整體思路是：利用DS18B20溫度傳感器直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)給單片機(jī)AT89C52進(jìn)行處理,在六位LED數(shù)碼管上顯示當(dāng)前環(huán)境溫度值以及預(yù)設(shè)溫度值。溫度低于預(yù)設(shè)值啟動(dòng)加熱電阻進(jìn)行加熱，若溫度過(guò)高則啟

14、動(dòng)風(fēng)扇降溫直到預(yù)設(shè)溫度值停止。結(jié)構(gòu)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(duì)于溫度控制的方法也有很多：如單片機(jī)控制、PLC控制、模擬PID調(diào)節(jié)器和數(shù)字PID調(diào)節(jié)器等等。而PID調(diào)節(jié)器的算法復(fù)雜，其成本也相對(duì)較高。</p><p>

15、　　方案一：利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制</p><p>　　利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度恒定的控制，系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)溫度采集、實(shí)時(shí)溫度顯示、加熱控制參數(shù)設(shè)置、加熱電路控制輸出、報(bào)警裝置和系統(tǒng)核心STC89C52單片機(jī)作為微處理器。溫度采集電路以數(shù)字形式將現(xiàn)場(chǎng)溫度傳至單片機(jī)，單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度與用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度，按照已經(jīng)編程固化的算法計(jì)算出實(shí)時(shí)控制量。以此控制量控制場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)通和關(guān)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(shè)定的目標(biāo)值。在溫度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度后，由于冷卻溫度降低，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)到的溫度與設(shè)置的目標(biāo)溫度比較，作出相應(yīng)的控制開(kāi)啟加熱片。</p><p>　　方案二：利用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制</p><p>　　這用恒溫控制，采用PLC控制實(shí)現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自控式方式，來(lái)達(dá)到溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測(cè)對(duì)象中，熱電偶的傳感器信號(hào)與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較，生成溫

17、差，自適應(yīng)恒溫控制電路根據(jù)差值大小控制電路的斷開(kāi)。</p><p>　　對(duì)于方案二，采用的PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制，由于其PLC成本高，且PLC外圍系統(tǒng)配置復(fù)雜，不利于我們的設(shè)計(jì)。由于數(shù)字調(diào)節(jié)和運(yùn)算量大，相反對(duì)于STC89C52單片機(jī)只要選擇合適的參數(shù)對(duì)于溫度的控制精度往往能達(dá)到比較好的效果。</p><p>　　對(duì)于方案一，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制，該方案成本低，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)

18、態(tài)性能與穩(wěn)定性要求不是很高的場(chǎng)合時(shí)非常合適的。采用高精度的溫度傳感器：數(shù)字溫度傳感器DS18B20。這種數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線。相比之下，單片機(jī)控溫電路就比較簡(jiǎn)單。</p><p>　　綜合各方面的意見(jiàn)，本設(shè)計(jì)采用AT89C52單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(cè)溫度的核心元件，通過(guò)運(yùn)算放大器放大由于溫度變化引起熱敏電阻的變化、進(jìn)而導(dǎo)致的輸出電壓變化的微弱電壓變化信號(hào)，再用AD轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)處理。</p><p>　　方案二：采用數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20作為感測(cè)溫度的核心元件，直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)給單片機(jī)處理。</p>

20、<p>　　對(duì)于方案一，采用熱敏電阻有價(jià)格便宜，元件易購(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但熱敏電阻對(duì)溫度的細(xì)微變化不敏感，在信號(hào)采集、放大、轉(zhuǎn)換過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生失真和誤差，并且由于熱敏電阻的R-T關(guān)系的非線性，其本身電阻對(duì)溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過(guò)一定電路予以糾正，但不僅將使電路復(fù)雜程度降低，而且在人體所處環(huán)境溫度變化過(guò)程中難以檢測(cè)到小的溫度變化。不能達(dá)到恒溫箱對(duì)溫度的控制要求，故該方案不適合本系統(tǒng)。</p><p>

21、;　　對(duì)于方案二，由于數(shù)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(zhuǎn)化等電路的誤差因數(shù)，溫度誤差很小，并且由于其感測(cè)溫度的原理與上述方案的原理有著本質(zhì)的不同，使得其溫度分辨力極高。溫度值在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)化成數(shù)字量直接輸出，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，又由于改傳感器采用先進(jìn)的單總線技術(shù)，與單片機(jī)的接口變得非常簡(jiǎn)潔，抗干擾能力高。所以本系統(tǒng)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(yáng)數(shù)碼管顯示溫度，動(dòng)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(duì)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(jiàn)，功耗極低，顯示驅(qū)動(dòng)程序的編寫也相對(duì)簡(jiǎn)單，這種顯示方式得到廣泛應(yīng)用。不足的地方是掃描顯示方式是使六個(gè)LED逐個(gè)點(diǎn)亮，因此會(huì)有閃爍，但是人眼的視覺(jué)暫留時(shí)間為20

23、MS，當(dāng)數(shù)碼管掃描周期小于這個(gè)時(shí)間時(shí)人眼會(huì)感覺(jué)不到閃爍，因此可以通過(guò)增大掃描頻率來(lái)消除閃爍感。</p><p>　　對(duì)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(shù)字還能顯示字符甚至圖形的優(yōu)點(diǎn)，這是LED數(shù)碼管無(wú)法比擬的。但是液晶顯示模板塊價(jià)格昂貴，驅(qū)動(dòng)程序復(fù)雜，從簡(jiǎn)單實(shí)用的原則考慮，本系統(tǒng)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(gè)電阻分壓的方式來(lái)給加熱電路提供不同電壓，使用電子負(fù)載電路進(jìn)行加熱，控制電子輸入端的電壓控制加熱的速度。當(dāng)設(shè)置溫度大于實(shí)際溫度5度時(shí)，換取1v電壓加熱，當(dāng)設(shè)置溫度小于實(shí)際溫度5度時(shí)，換取0.5v電壓加熱，當(dāng)設(shè)置溫度等于空氣溫度，關(guān)閉加熱，換取0v電壓加熱。當(dāng)溫度高于1度時(shí)進(jìn)行降溫處理，在設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，我們使用了一個(gè)5v驅(qū)動(dòng)的散熱風(fēng)扇，當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)置溫度1度時(shí)用于散熱，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度1度時(shí)

25、，開(kāi)啟加熱設(shè)備，關(guān)閉風(fēng)扇。如圖2-2 所示</p><p>　　方案二：采用脈沖寬度調(diào)制的方法，利用光耦合器來(lái)控制電阻絲和直流電機(jī)的電流通斷。單片機(jī)系統(tǒng)輸出控溫信號(hào)，輸出高電平時(shí)，經(jīng)反相器變?yōu)?信號(hào)，使雙向可控硅導(dǎo)通，信號(hào)燈亮，電阻絲通電加熱；輸出低電平時(shí)，雙向可控硅斷開(kāi)，信號(hào)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(tǒng)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(jiàn)圖

26、 3-10 ，單片機(jī)I/O口P0.6輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器，通過(guò)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(dá)到精確加熱的目的。降溫模塊采用采用直流電機(jī)作為降溫裝置，通過(guò)控制繼電器的吸合與斷開(kāi)，來(lái)控制直流電機(jī)的通斷，從而達(dá)到散熱降溫的目的。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)預(yù)設(shè)溫度開(kāi)啟降溫風(fēng)扇，當(dāng)環(huán)境溫度低于預(yù)設(shè)溫度5度以上通過(guò)脈寬調(diào)制采用大功率加熱（即設(shè)定P值為95%），當(dāng)環(huán)境溫度低于預(yù)設(shè)溫度1度時(shí)，采用小功率加熱（即設(shè)定P值為5%）。&

27、lt;/p><p>　　對(duì)于方案一，采用繼電器控制，使用繼電器可以通過(guò)較高的電壓和電流，在正常條件下，工作十分可靠。繼電器無(wú)需外加光耦，自身即可實(shí)現(xiàn)電氣隔離。通過(guò)單片機(jī)控制繼電器開(kāi)關(guān)來(lái)確定輸入電子負(fù)載端的電壓和風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)，雖然在第一次加熱的余溫很高但是在多次風(fēng)扇與功率電阻加熱與降溫的協(xié)調(diào)下達(dá)到恒溫的要求，在程序上選用適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的效果。但是由于電路設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，且通訊端口占用較多、成本較高。<

28、;/p><p>　　對(duì)于方案二，采用PWM脈寬調(diào)制的方法，通過(guò)控制光耦合器的通斷時(shí)間的不同來(lái)進(jìn)行加熱，從而達(dá)到精確控溫的效果，加熱和降溫電路只占用2個(gè)I/O口，這樣不僅簡(jiǎn)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(tǒng)采用方案二作為溫度控制方案。</p><p>　　第3章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)主要部件包括AT89C52單片機(jī)、

29、DS18B20溫度傳感器、四位LED數(shù)碼管、直流電機(jī)、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(kāi)關(guān)等。</p><p>　　3.1 系統(tǒng)主要元器件簡(jiǎn)介</p><p>　　3.1.1 AT89C52單片機(jī)簡(jiǎn)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(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程 序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。</p>

31、<p>　　P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作 輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 </p><p>　　P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)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(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫

32、“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻 拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。</p><p>　　P3

33、口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)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(shí)器0外部輸入）</p><p>　　P3.5 T1（記時(shí)器1

35、外部輸入）</p><p>　　P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）</p><p>　　P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）</p><p>　　P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)間。</p><p&

36、gt;　　ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， 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(wú)效。</p><p>　　PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。</p><p>　　EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加

38、密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(shù)字溫度傳感器簡(jiǎn)介</p><p>　　DS18B20 溫度傳感是由DALLAS（達(dá)拉斯）公司生產(chǎn)，見(jiàn)圖3—2 。它的體積超小，硬件開(kāi)消低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高。DS18B20 的主要特征

39、： 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出， 先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信， 最高 12 位分辨率，精度可達(dá)土 0.5攝氏度， 2 位分辨率時(shí)的最大工作周期為 750 毫秒， 可選擇寄生工作方式， 檢測(cè)溫度范圍為–55°C ~+125°C (–67°F ~+257°F) 內(nèi)置 EEPROM，限溫報(bào)警功能， 64 位光刻 ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號(hào)，方便多機(jī)掛接。 多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。</p><

40、p>　　DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。其管腳有三個(gè)端，其中DQ為數(shù)字信號(hào)端，GND為電源地，VDD為電源輸入端。</p><p>　　3.1.3 八段LED數(shù)碼管</p><p>　　本系統(tǒng)選用六位LED數(shù)碼管作為溫度顯示。LED又稱為數(shù)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(shù)字和字

41、符顯示段，dp段為小數(shù)點(diǎn)顯示，通過(guò)a～g為7個(gè)發(fā)光段的不同組合，可以顯示0～9和A～F共16個(gè)數(shù)字和字母。LED可以分為共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)，如圖3-3 (a)和圖3-3(b) 所示。共陰極結(jié)構(gòu)即把8個(gè)發(fā)光二極管陰極連在一起。這種裝入數(shù)碼管中顯示字形的數(shù)據(jù)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(gè)共陰極數(shù)碼管經(jīng)反相器后接至單片

42、機(jī)的電路，要想顯示數(shù)字“7”須a、b、c這3個(gè)顯示段發(fā)光 （即這3個(gè)字段為底電平）只要在P1接口輸入11111000（07）即可。里07即為數(shù)字7的段選碼。字形與段選碼的關(guān)系見(jiàn)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(jìn)制加權(quán)地址輸入（A0, A1和A2），并當(dāng)使能時(shí)，提供8個(gè)互斥的低有效輸出（Y0至Y7）。74HC138特有3個(gè)使能輸入端：兩個(gè)低有效（E1和E2）和一個(gè)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(fù)合使能特性，僅需4片74HC138芯片和1個(gè)反相器，即可輕松實(shí)現(xiàn)并行擴(kuò)展，組合成為一個(gè)1-32（5線到32線）譯碼器。任選一個(gè)低有效使能輸入端作為數(shù)據(jù)輸入，而把其

44、余的使能輸入端作為選通端，則74HC138亦可充當(dāng)一個(gè)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(fù)合使能輸入，輕松實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展 兼容JEDEC標(biāo)準(zhǔn)no.7A 存儲(chǔ)器芯片譯碼選擇的理想選擇 低有效互斥輸出 ESD保護(hù) HBMEIA/JESD22-A114-C超過(guò)2000 V MM EIA/JESD22-A115-A超過(guò)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(jiǎn)稱光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)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(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線

46、,受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流,從輸出端流出,從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電” 轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器,由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn),抗干擾能力強(qiáng),輸出和輸入之間絕緣,單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn),在 數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　本系統(tǒng)采用OPTOTRIAC型號(hào)光電耦合器（見(jiàn)圖3-5），該光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào),輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離,抗干擾能力強(qiáng),使用壽

47、命長(zhǎng),傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開(kāi)關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器 (SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。</p><p>　　3.2 各功能模塊的電路設(shè)計(jì) </p><p>　　3.2.1 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位電路，該電路除了具有上電復(fù)位功能以外，若要復(fù)位，只需按圖3-6中

48、RESET鍵，此時(shí)電源VCC經(jīng)電阻R1、R2分壓，在RST端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平，即可完成復(fù)位。時(shí)鐘電路對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)而言是必需的。由于單片機(jī)內(nèi)部是由各種各樣的數(shù)字邏輯器件(如觸發(fā)器寄存器存儲(chǔ)器等)構(gòu)成，這些數(shù)字器件的工作必須按時(shí)間順序完成，這種時(shí)間順序就稱為時(shí)序。時(shí)鐘電路就是提供單片機(jī)內(nèi)部各種操作的時(shí)間基準(zhǔn)的電路，沒(méi)有時(shí)鐘電路單片機(jī)就無(wú)法工作。此次設(shè)計(jì)中，我們采用由內(nèi)部方式產(chǎn)生時(shí)鐘的方法形成時(shí)鐘電路，由 11.0592MHz的晶振，兩個(gè)3

49、3pF的電容構(gòu)成。</p><p>　　3.2.2 鍵盤接口電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　鍵盤采用5個(gè)獨(dú)立按鍵，見(jiàn)圖3-7，K1，K2，K3，OK,SET分別與單片機(jī)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(dāng)任一按鍵按下時(shí)，取低電平有效。系統(tǒng)上電后，按下SET(設(shè)置鍵)使系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，調(diào)用中斷服務(wù)程序，進(jìn)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(shè)定。其中按K1鍵為溫度的十位設(shè)置鍵，每按下一次，系統(tǒng)對(duì)最初設(shè)定值十位加一，直到9后，又會(huì)從0開(kāi)始累加；按鍵K2為溫度的個(gè)位設(shè)置鍵，用法與十位設(shè)定按鍵相同；K3鍵為溫度小數(shù)位設(shè)置鍵，用法與十位設(shè)置鍵相同；OK為確定鍵，當(dāng)預(yù)設(shè)溫度設(shè)定后按OK鍵確認(rèn)，系統(tǒng)進(jìn)入溫度控制狀態(tài)。</p><p>　　3.2.3 溫度采集電路設(shè)計(jì)</p><p>　　DS18B20測(cè)量溫度采用

51、了特有的溫度測(cè)量技術(shù)，其測(cè)量電路如下圖所示。它是通過(guò)計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)由高溫度系數(shù)振蕩產(chǎn)生的門周期而被計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器補(bǔ)預(yù)置在與-55℃相對(duì)應(yīng)的一個(gè)基權(quán)值。如果計(jì)數(shù)器在高溫度系數(shù)振蕩周期結(jié)束前計(jì)數(shù)到零，表示測(cè)量的溫度值高于-55℃，被預(yù)置在-55℃的溫度寄存器的值就增加1℃，然后重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到高溫度系數(shù)振蕩周期結(jié)束為止。這時(shí)溫度寄存器中的值就是被測(cè)溫度值，這個(gè)值以16位形式存放在便箋式存儲(chǔ)器中，此溫度

52、值可由主機(jī)通過(guò)發(fā)存儲(chǔ)器讀命令而讀出，讀取時(shí)低位在前，高位在后。斜率累加器用于補(bǔ)償溫度振蕩器的拋物線特性。</p><p>　　DS18B20在使用時(shí)，一般都采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只須將DS18B20信號(hào)線與單片機(jī)1位I/O線相連，且單片機(jī)的1位I/O線可掛接多個(gè)DS18B20，就可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)溫度檢測(cè)。在本系統(tǒng)中中將DS18B20接在P3.5口實(shí)現(xiàn)溫度的采集。其與單片機(jī)的連接如圖3-8。</p>

53、<p>　　3.2.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　由于本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)25.0℃—99.9℃范圍內(nèi)的溫度的控制，所以選用6位共陽(yáng)極數(shù)碼管作為顯示模塊，1、2、3位數(shù)碼管為環(huán)境溫度，4、5、6位為預(yù)設(shè)溫度，它和單片機(jī)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(shù)碼管的A、B、C、D、E、F、G

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

55、t;　　本設(shè)計(jì)中為了的四位數(shù)碼管，前三位（即第1、2、3位）設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)為所設(shè)定的溫度，即我們所要達(dá)到的溫度顯示。</p><p>　　3.2.5 加熱電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　本設(shè)計(jì)采用交流電源對(duì)電阻進(jìn)行加熱，另外采用光電隔離開(kāi)關(guān)來(lái)控制加熱電阻的加熱與否，能夠有效的進(jìn)行電源的隔離，增大了電路的抗干擾能力?？紤]到加熱系統(tǒng)有

56、較大的熱慣性，本系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制的方法，單片機(jī)系統(tǒng)輸出控溫信號(hào)，輸出高電平時(shí)，經(jīng)反相器變?yōu)?信號(hào)，使雙向可控硅導(dǎo)通，信號(hào)燈亮，電阻絲通電加熱；輸出低電平時(shí)，雙向可控硅斷開(kāi)，信號(hào)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(tǒng)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(jī)I/O口P0.6輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器，通過(guò)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(jiǎn)化了輸出通道電路，提高了電路抗干擾能力。另外在系統(tǒng)比較人性化設(shè)計(jì)的就是電阻加熱過(guò)程中加熱信號(hào)指示燈會(huì)點(diǎn)亮，系統(tǒng)告知是在加熱過(guò)程中。</p><p>　　3.2.6 降溫電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　由圖3-11可以知道本設(shè)計(jì)是由一個(gè)繼電器來(lái)控制降溫風(fēng)扇的，我們采用的是HRS1H型號(hào)的5V繼電器，通過(guò)單片機(jī)I/O口P0.7輸出信號(hào)來(lái)控制導(dǎo)通與否，而由于單片機(jī)的輸出電流小的原因，

58、需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制繼電器的導(dǎo)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(qū)動(dòng)電路。當(dāng)溫度圖中CON2接降溫風(fēng)扇。</p><p>　　3.2.7 掉電保護(hù)電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　單片機(jī)在工作時(shí)，因某種原因造成突然掉電，將會(huì)丟失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）里的數(shù)據(jù)，沖掉前期工作的所有信息。為了在突然掉電時(shí)能

59、夠保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，保證單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作，數(shù)據(jù)信息處理的安全，雖然單片機(jī)主電源里又大容量濾波電容器，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)，單片機(jī)靠貯存在電容里的能量，一般只能維持半個(gè)周期（10ms）左右。為此，要求一旦市電發(fā)生瞬間斷電時(shí)，必須要有一種電源能在小于10ms的時(shí)間內(nèi)重新送電，確保單片機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行。為了保證單片機(jī)在主電壓失去時(shí)仍然能夠保持運(yùn)行，人們就利用干電池對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行供電。</p><p>　　本設(shè)計(jì)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(shí)，需要由主電源對(duì)其進(jìn)行充電；當(dāng)主電源失去時(shí)，又由電池放電以保持單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。圖3-12 為本系統(tǒng)的掉電保護(hù)電路。</p><p>　　當(dāng)主電源正常時(shí)，單片機(jī)由VCC 5V電源供電，此時(shí)，VCC5V 電源通過(guò) D1 和 R1 ，對(duì)保護(hù)用電池進(jìn)行充電，以保證電池電量的充足。當(dāng)主電源失去時(shí)，放電路徑為：電池通過(guò) R1+R2 ，對(duì)單片機(jī)供電端口進(jìn)行供電，供電電流通過(guò)

61、R1+R2 之后，會(huì)有壓降，到達(dá)單片機(jī)的 VCC 端口時(shí)，電壓就會(huì)比 3.6 V低，一般會(huì)在 2V—2.5 V左右，令單片機(jī)仍然工作于正常供電狀態(tài)。</p><p>　　主電源電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　本系統(tǒng)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jīng)過(guò)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(tǒng)的供電電源電路如圖3-13 所示。</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 應(yīng)用的相關(guān)軟件</p><p>　　4.1.1 Protel 99SE</p><p>　　Protel 99SE是Prokl Technolo

63、gy公司開(kāi)發(fā)的基于Windows環(huán)境下的電路板設(shè)計(jì)軟件。該軟件功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，易學(xué)易用，仍然是大中院校電學(xué)專業(yè)必學(xué)課程，同時(shí)也是業(yè)界人士首選的電路板設(shè)計(jì)工具。</p><p>　　Protel 99SE 由兩大部分組成：電路原理圖設(shè)計(jì)（Advanced Schematic）和多層印刷電路板設(shè) 計(jì)（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(kù)編輯器（Schematic Library）。</p><p>　　在設(shè)計(jì)中我們要用到Protel 99SE進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)。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(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功

65、能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。</p><p>　　Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)中使用KEIL

66、軟件進(jìn)行系統(tǒng)程序編輯，軟件使用界面如圖4-2 </p><p>　　4.2 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì) </p><p>　　4.2.1 程序結(jié)構(gòu)</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)是由主程序和各個(gè)子程序構(gòu)成，主程序調(diào)用了6個(gè)子程序，分別是數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描及按鍵處理程序、溫度信號(hào)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(shí)現(xiàn)鍵盤的輸入按鍵的識(shí)別及進(jìn)入相應(yīng)的程序。</p><p>　　溫度信號(hào)處理程序：對(duì)溫度芯片送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行判斷和顯示。</p><p>　　數(shù)碼管顯示程序：向數(shù)碼的顯示送數(shù)，控制系統(tǒng)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(fēng)扇動(dòng)作。</p><p>　　加熱控制程序

68、：控制光耦合器的通斷時(shí)間，精確加熱。</p><p>　　4.2.2 系統(tǒng)程序流程圖</p><p>　　4.2.3 溫度傳感器驅(qū)動(dòng)模塊程序</p><p>　　單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)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(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求單片機(jī)將數(shù)

69、據(jù)線下拉500us，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)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(hào)表示復(fù)位成功。</p><p>　　本系統(tǒng)對(duì)DS18B20的操作分為3個(gè)步驟：初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。單片機(jī)要與DS18B20通信，首先DS18B20初始化，復(fù)位DS18B20，然后單片機(jī)等待DS18B20的應(yīng)答脈沖。一旦單片機(jī)檢測(cè)到應(yīng)答脈沖，便發(fā)起跳過(guò)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(nèi)存操作命令，啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，延時(shí)一段時(shí)間后，等待溫度轉(zhuǎn)換完成。再發(fā)起跳過(guò)ROM匹配操作命令，然后讀暫存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出，并轉(zhuǎn)為顯示碼，送到數(shù)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(jī)與總線上的某一DS18B20建立聯(lián)系，有搜尋ROM、讀ROM、匹配ROM、忽略ROM、報(bào)警查找等命令。這里，單片機(jī)只連接1個(gè)DS18

71、B20，因此只使用讀ROM命令來(lái)讀取DS18B20的48位ID號(hào)。</p><p>　　DS18B20功能命令在該步驟中完成溫度轉(zhuǎn)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(tǒng)不用溫度報(bào)警功能，因此在本步驟中只需完成溫度轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)讀暫存寄存器命令完成溫度轉(zhuǎn)化的結(jié)果。</p><p>　　所以，本系統(tǒng)對(duì)DS18B20進(jìn)行的操作主要包括兩個(gè)

72、子過(guò)程：（1）讀取DS18B20的序列號(hào)。主機(jī)首先發(fā)一復(fù)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(hào)命令，讀取DS18B20的序列號(hào)；（2）啟動(dòng)DS18B20作溫度轉(zhuǎn)換并讀取溫度值。主機(jī)在收到返回的存在脈沖后，發(fā)出跳過(guò)器件的序列號(hào)命令，跟著發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令，再次復(fù)位并收到返回的存在脈沖后，發(fā)送DS18B20的序列號(hào)，讀出數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　系統(tǒng)調(diào)試</b></p

73、><p>　　5.1 系統(tǒng)性能測(cè)試及分析</p><p>　　本設(shè)計(jì)恒溫控制系統(tǒng)是基于單片機(jī)的而設(shè)計(jì)，它能夠?qū)崿F(xiàn)顯示當(dāng)前溫度和預(yù)設(shè)溫度，并能根據(jù)用戶設(shè)定的溫度進(jìn)行自動(dòng)的控溫。此系統(tǒng)工作穩(wěn)定性好，控制精度高，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高了通用性，利用精確的脈寬調(diào)制加熱使超調(diào)量大大降低，很大程度上提高了系統(tǒng)的性能。</p><p>　　5.1.1 測(cè)試系統(tǒng)的溫度控制精度&l

74、t;/p><p>　　為了驗(yàn)證溫控系統(tǒng)的控制精度，我們將溫度計(jì)和溫控系統(tǒng)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(diǎn)，記錄下標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)顯示的溫度和溫控系統(tǒng)顯示的溫度并進(jìn)行比較。通過(guò)設(shè)定不同的溫度值，使加熱器加熱，待溫度穩(wěn)定時(shí)記錄各溫度點(diǎn)的溫度計(jì)數(shù)據(jù)和溫控系統(tǒng)的顯示值。其記錄數(shù)據(jù)如下表5.1：</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)測(cè)得溫度與實(shí)際溫度存在一定的誤差，誤差范圍

75、在±1℃之內(nèi)，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。</p><p>　　5.1.2 誤差分析</p><p>　　本系統(tǒng)的主要誤差來(lái)源于以下幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）由于實(shí)驗(yàn)所用測(cè)量工具（如溫度計(jì)）本身精度以及所帶來(lái)的視覺(jué)誤差，加上溫度變化慣性較大，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)準(zhǔn)確控制測(cè)量精度略有難度。</p><p>　　（2）由于風(fēng)扇采用的是繼電器直

76、接控制，沒(méi)有進(jìn)行調(diào)速控制，所以在繼電器斷開(kāi)后風(fēng)扇由于慣性還會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，可能使溫度降低過(guò)快，導(dǎo)致溫度差值為負(fù)值。</p><p>　?。?）另一方面可能是由于軟件設(shè)計(jì)上的缺陷，可能是溫度傳感器測(cè)得的溫度由于延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而沒(méi)有及時(shí)的將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)碼管顯示，從而導(dǎo)致的誤差。</p><p>　　5.1.3 結(jié)果分析</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)靜態(tài)誤差

77、方面可以達(dá)到0.18℃的誤差，總體控制精度方面大約0.45℃，在讀數(shù)正確方面與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的讀數(shù)誤差為1.5%，對(duì)一般的工業(yè)生產(chǎn)完全可以采用本設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有較小的超調(diào)值，超調(diào)值大約為0.83%左右。雖然超調(diào)為不利結(jié)果，但另一方面卻減小了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。從其數(shù)據(jù)表可以看出該系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)。</p><p>　　5.2 軟件調(diào)試</p><p>　　5.2.1 傳感器DS18B20溫度采集

78、部分調(diào)試</p><p>　　本系統(tǒng)采用數(shù)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(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)了極大的簡(jiǎn)便，小體積、低功耗、高精度為控制溫度的精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定提供了可能。軟件設(shè)計(jì)采用P3.5口為數(shù)字溫度輸入口，但是需要對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理后才能顯示，從而多了溫度轉(zhuǎn)換程序。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度的連續(xù)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)程序驗(yàn)證，溫度傳感器檢測(cè)溫度效果良好。 </p&g

79、t;<p>　　5.2.2 鍵盤及數(shù)碼管顯示部分調(diào)試 </p><p>　　程序的鍵盤接口采用P0口，數(shù)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(gè)位由74HC138譯碼，這樣大大節(jié)省了系統(tǒng)I/O口資源。系統(tǒng)中只需要六個(gè)LED，所以選擇了譯碼后六位來(lái)控制LED的位碼，通過(guò)程序的設(shè)計(jì)，1、2、3位數(shù)碼管為環(huán)境溫度，4、5、6位數(shù)碼管為預(yù)設(shè)溫度。<

80、;/p><p>　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)程序，實(shí)現(xiàn)了按鍵的功能，并有較好的去抖動(dòng)效果，也能根據(jù)需要調(diào)節(jié)按鍵時(shí)間；LED采用動(dòng)態(tài)顯示，所以實(shí)驗(yàn)程序中不能允許有較長(zhǎng)的延時(shí)，程序?qū)崿F(xiàn)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(diào)試</p><p>　　系統(tǒng)軟件設(shè)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(guò)程序設(shè)計(jì)輸

81、出不同的PWM波形，來(lái)控制光電耦合器的通斷時(shí)間的不同，從而得到不同的占空比來(lái)控制電阻絲的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)精確加溫。當(dāng)外界溫度高于設(shè)置溫度時(shí)，電阻不加熱或停止加熱，系統(tǒng)將調(diào)用降溫程序啟動(dòng)降溫模塊進(jìn)行降溫；當(dāng)外界溫度低于設(shè)置溫度時(shí)，主程序調(diào)用加熱子程序進(jìn)行加熱，且外界溫度與設(shè)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(diào)試</b>

82、;</p><p>　　5.3.1 傳感器DS18B20溫度采集部分調(diào)試</p><p>　　將DS18B20芯片接在系統(tǒng)板對(duì)應(yīng)的P3.5口，通過(guò)插針在對(duì)應(yīng)系統(tǒng)板的右下側(cè)三口即為對(duì)應(yīng)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(tǒng)調(diào)試中為驗(yàn)證DS18B20是否能在系統(tǒng)板上工作，將手心靠攏或者捏住芯片，即可發(fā)現(xiàn)LED顯示的前兩位溫度也迅速升高，驗(yàn)證了DS18B20能

83、在系統(tǒng)板上工作。由于DS18B20為3個(gè)引腳，因此在調(diào)試過(guò)程中因注意其各個(gè)引腳的對(duì)應(yīng)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(shù)碼管顯示部分調(diào)試</p><p>　　系統(tǒng)按鍵部分實(shí)現(xiàn)了以下功能：按下K1鍵，數(shù)碼管的顯示溫度值十位增一；按下K2鍵，數(shù)碼管的顯示溫度值個(gè)位增一；按下K3鍵，數(shù)碼管的小數(shù)位溫度增一。每一位溫度值在增到9之后又會(huì)回到0

84、重新增加。調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了當(dāng)按鍵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，設(shè)置的溫度值不是增一或者減一，而是增加后減少幾個(gè)值，出現(xiàn)這種情況的主要元因可能是按鍵的去抖動(dòng)延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成，改進(jìn)方法為將對(duì)應(yīng)的按鍵去抖動(dòng)延時(shí)時(shí)間適量增加，但也不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，否則將出現(xiàn)按鍵無(wú)效的情形。</p><p>　　系統(tǒng)顯示部分實(shí)現(xiàn)了以下功能：LED顯示的前三實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度部分的連續(xù)顯示，LED的后三能根據(jù)按鍵的調(diào)整顯示所需要的設(shè)計(jì)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(diào)試</p><p>　　在加熱模塊的設(shè)計(jì)中重在軟件設(shè)計(jì)，外圍的驅(qū)動(dòng)電路只是將送來(lái)的PWM信號(hào)放大從而驅(qū)動(dòng)電阻工作。系統(tǒng)軟件設(shè)置在P0.6口輸出使光耦合器導(dǎo)通的PWM占空比，當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)置溫度時(shí)，電阻開(kāi)始加熱，若此時(shí)用低于環(huán)境溫度的冰塊靠近測(cè)溫芯片DS18B20時(shí)，用一數(shù)字溫度計(jì)靠近加熱電阻測(cè)量其溫度，發(fā)現(xiàn)電阻溫度迅速上升，并越

86、來(lái)越高，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，發(fā)現(xiàn)電阻溫度不再升高；將冷源離開(kāi)測(cè)溫芯片DS18B20時(shí)，發(fā)現(xiàn)溫度開(kāi)始下降，直到預(yù)設(shè)溫度時(shí)不在下降，若將設(shè)置溫度低到環(huán)境溫度以下，發(fā)現(xiàn)電阻溫度又開(kāi)始升高。調(diào)試過(guò)程中最初采用繼電器控制加熱電阻曾出現(xiàn)了很多問(wèn)題，數(shù)次發(fā)現(xiàn)繼電器吸合后，電阻開(kāi)始加熱，但是溫度到達(dá)預(yù)設(shè)溫度之后卻延遲比較長(zhǎng)的時(shí)間才斷開(kāi)，猜測(cè)可能是受電源干擾的問(wèn)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(kāi)，從而精確的控制溫度的恒定。</p&

87、gt;<p>　　降溫模塊中，系統(tǒng)設(shè)置單片機(jī)P0.7口作為降溫控制端口，系統(tǒng)采用的直流電機(jī)為12V的額定電壓，而該驅(qū)動(dòng)電路在采用單片機(jī)電源時(shí)的輸出電壓最高不過(guò)5V，因此在調(diào)試過(guò)程中只采用了原有的5V直流電機(jī)來(lái)調(diào)試，但是由于單片機(jī)輸出電流小，當(dāng)采用NPN型三極管作為驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，調(diào)試過(guò)程中總會(huì)燒壞三極管，最終我們采用PNP8085型三極管作為繼電器的驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行該模塊的多次調(diào)試，發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速不高，但是運(yùn)轉(zhuǎn)正常。</p

88、><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用了匯編語(yǔ)言編程方式，實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量與控制，設(shè)計(jì)方案采用了單總線型數(shù)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(jī)的口線資源。DS18B20簡(jiǎn)單快速的測(cè)溫后，經(jīng)單片機(jī)準(zhǔn)確的溫度分析后，驅(qū)動(dòng)光耦合器進(jìn)行電阻加熱或驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)行風(fēng)扇降溫的控制，從而實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，且可靠性強(qiáng)。在控制精度方面，本設(shè)計(jì)采用PWM脈寬調(diào)制，由加熱控制端輸出不同的PWM脈沖來(lái)控制加熱電阻通電時(shí)間，精確的控制電阻的加熱功率，來(lái)提高溫度的控制精度。通過(guò)該溫控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)0℃~99.9℃范圍內(nèi)溫度控制，在經(jīng)過(guò)多次系統(tǒng)測(cè)試和誤差校正后，系統(tǒng)的溫度控制精度和測(cè)試精度達(dá)到了1℃的設(shè)計(jì)指標(biāo)。在軟件方面采用模塊化編程，思路清晰，使程序簡(jiǎn)潔、可移植性強(qiáng)。</p><p>　　但是在設(shè)計(jì)工作完成

90、后，重新思考整個(gè)設(shè)計(jì)方案，發(fā)現(xiàn)其中有很多值得改進(jìn)的地方，本設(shè)計(jì)雖然采用了當(dāng)前市場(chǎng)最先進(jìn)的電子器件，使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)方案不是最佳。本系統(tǒng)雖然具有較小的超調(diào)量，但加大了調(diào)節(jié)時(shí)間。特別是控制加熱和降溫兩個(gè)模塊，在不改變溫控空間體積的情況下，為減小調(diào)節(jié)時(shí)間，可以實(shí)行在加熱快達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)開(kāi)啟風(fēng)扇來(lái)減小熱慣性對(duì)溫度的影響的措施。在控制精度上可采用先進(jìn)的數(shù)字PID控制算法，對(duì)加熱時(shí)間進(jìn)行控制，提高控制精度。還可以改進(jìn)控制系統(tǒng)，使能同PC聯(lián)機(jī)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(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　隨著日新月異的高新科技的推廣與普及，溫控系統(tǒng)將在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。相對(duì)眾多加熱系統(tǒng)，恒溫控制器以其對(duì)溫度的精確測(cè)量、快速控制等優(yōu)點(diǎn)，必將在未來(lái)的生產(chǎn)生活中得到更加美好的發(fā)展前景。</p><p><b>　

92、　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 劉守義、 楊宏麗、 王靜霞． 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)（第二版）.西安電子科技大學(xué)出版社，2007.</p><p>　　[2] 王兆安 、黃俊 ．電力電子學(xué) （第四版） 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.</p><p>　　[3] 王廷才．電力電子技術(shù).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(cè)系統(tǒng)[J]. 中國(guó)儀器儀表，2006（11），38—40.</p><p>　　[5] 張永生、林春方.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（第二版）.上海交通大學(xué)出版社，2008,25—91.</p><p>　　[6] 耿長(zhǎng)清．單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2002（7）.</p><p>　　[7] 催東劍．多點(diǎn)恒

94、溫自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電工技術(shù)． 2003，7；59—60.</p><p>　　[8] 唐程山.電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2001（7）.</p><p>　　[9] 祁和義、孫杰.監(jiān)測(cè)與傳感器應(yīng)用技術(shù).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(yǔ)言程序設(shè)計(jì)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>