数字恒温式加热器的研制学士学位论文.doc

分类号：tm924.13 u d c：10621-408-(2010)2717-0密 级：公 开 编 号：2006031159成都信息工程学院学位论文数字恒温式加热器的研制论文作者姓名：申请学位专业：申请学位类别：指导教师姓名（职称）：论文提交日期：毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日数字恒温式加热器的研制摘 要随着越来越多高新科技的推广与普及,温度测控已成为工业生产中的关键技术之一。本文设计了一种以stc89c52单片机、ds18b20温度传感器和op07运算放大器为核心的数字式恒温加热器。整个系统设计分为控制器模块、温度测量模块、温度调节模块和按键显示模块四个部分。该恒温加热器通过对ds18b20实时测量所得温度值和按键设定值的比较，并由单片机控制温度调节模块进行加热或者降温。在本系统中，温度调节模块利用电子负载的恒流特性大大缩短了加热时间；通过加热与降温的相互调节，实现了温度的精确控制。相对众多温控系统而言，数字恒温加热器以其对温度的精确测量、快速控制等优点，必将在未来的生产生活中得到更加美好的发展前景。关键词：恒温加热；温度传感器；单片机；电子负载the design of digital constant temperature heater abstractas more and more technological innovations have been promoting and popularizing, the temperature control has become one of the core technologies of industrial production. this paper introduces a digital temperature heating device whose cores are stc89c52 microcontroller and temperature sensor ds18b20 and op07 amplifier. it is divided into four parts. they are controller module, temperature measurement modules, temperature adjustment module and display module separately. through comparing the real-time measuring temperature and key setting temperature of ds18b20, the single-chip microcomputer can adjust when to heat or cool. in this system, the temperature control module using constant-current characteristic of electronic load greatly shortened the heating time, then by means of the heating and cooling mutual adjustment, realize accurate temperature control. by comparison with many other temperature control systems, this constant heating device have its distinct advantages which are accurate temperature measurement and quick control and it will have a brighter prospect during the development of industrial production, even in our everyday life.key words: constant temperature of the heater; the temperature sensor;single chip microcomputer; electronic load目 录论文总页数：32页1 引言12 系统设计基本方案12.1 控制器模块设计方案32.1.1 stc89c52单片机简介32.1.2 复位电路42.1.3 时钟(晶振)电路52.2 温度调节装置模块设计方案52.2.1 控制加热和降温电路62.2.2 电子负载加热电路72.3 温度采集模块设计方案112.3.1 ds18b20结构及引脚功能说明112.3.2 ds18b20 初始化和读/写时序122.3.3 温度转换算法及分析132.3.4 dsl8b20工作过程中的协议132.3.5 ds18b20 温度采集电路图142.4 系统总体电路设计143 应用的相关软件153.1 keil c51编辑软件153.2 protel 99se 电路板设计软件153.3 proteus软件164 系统程序的设计164.1 程序结构框图164.2 主程序流程图174.3 ds18b20模版程序185 样机制作185.1 pcb板制作185.2 测试样机195.2.1 测试环境195.2.2 测试方法205.2.3 测试结果205.2.4 测试分析205.2.5 测试结论20结 论21致 谢23声 明24附录a. 材料清单25附录b. 源程序261 引言随着新技术的不断开发与应用，温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。单片机可用于空气温度控制系统的数据处理，这包括控制执行器的输出、将被测温度送到显示模块显示、接收从人机通道输入的信号等。 ds18b20是美国dallas半导体公司继ds1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，使用ds18b20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较ds1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。本文设计了一种基于stc89c52单片机的控制和ds18b20测试装置，能对环境温度进行测量，并能根据温度给定值给出调节量，控制执行机构，实现调节环境温度的目的。空气温度在我们的环境影响很大的，因而空气温度不论是对于我们的生活还是工业生产都有着重要的意义。在早期对温度温控制的要求主要是在化工、冶炼生产上，比如在大棚蔬菜空气温度控制就对大棚农业生产有不可替代的作用，现在随着新技术的不断开发与应用，用单片机和相关的电子器件构成的空气温控制系统在控制精度以及各项参数上有空前的提高，控制的领域也有很大的扩展，目前以单片机为核心的空气温控制系统得到了广泛应用。正因如此，对空气温度的控制到处可见，比如说特定温度实验室，空调，减少温室效应影响以及工业化农业的要求等都需要空气温度控制。在生产中，一些现代化生产车间里，尤其是在化工厂里，某些产品加工需要在一定的温度下才能进行。随着电子技术的不断发展，温控制系统设计的方法越来越多也越来越完善。2 系统设计基本方案 该数字恒温加热器主要由单片机控制系统、温度采集电路、后向通道（温度控制电路）、键盘显示电路等四部分组成，其总体设计框图如图2-1所示。单片机控制系统原理如图2-1所示，其工作原理是单片机依次查询各传感器的输出信号（ds18b20传感器采集温度信号）；然后对输入信号进行相应处理后通过显示模块输出。单片机控制系统是以单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，输出控制电路组成，软件选用c语言编程。单片机可将温度传感器检测到的空气温度模拟量转换成数字量，显示于显示器上。功能由硬件和软件两大部分协调完成，硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换，各种信息的显示；软件主要完成信号的处理及控制功能等。stc89c52 cpu电子负载加热器继电器2、3、4输入电源ds18b20 温度芯片数据传输键盘电路继电器1 n风扇降温图2-1 单片机控制系统原理框图数码管显示前向通道是系统的温度采样转换电路，它主要元件是温度传感器ds18b20和4.7k电阻构成的，这款温度传感器的其内部电路能够实现将温度变化值转化成脉冲信号发送给单片机，从而避免了模拟信号转化为数字信号的复杂过程。后向通道是系统的温度控制电路，在单片机控制系统中，单片机总是要对被控制对象进行实时控制操作，因此，在这样的系统中，需要有后向通道。后向通道是单片机实现控制运算处理后，对被控对象的输出通道接口输出高、低电平。系统的后向通道是一个输出通道，其特点是弱电控制强电，即小信号输出实现大功率控制。键盘显示电路既是用键盘输入的方式来控制单片机，以满足人们的要求。键盘功能主要有按键识别、去抖、重键处理、发送扫描码、自动重发、接收键盘命令、处理命令等。确定单片机控制系统总体方案是进行系统设计最关键的一步，总体方案的好坏直接影响整个控制系统的性能及实施细则，其设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定。根据题目要求系统模块可以划分为：控制器模块，温度调节装置模块，温度采集模块，键盘与显示模块四个部分，下面我们主要讲解前三个模块。2.1 控制器模块设计方案根据题目要求，控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理，控制加热元件和制冷装置使控制对象满足设计要求，控制显示电路对温度值实时显示以及通过控制键盘实现对温度值的设定等。2.1.1 stc89c52单片机简介本设计采用stc89c52芯片为cpu。stc89c52是美国atmel公司生产的低电压，高性能的cmos 8位单片机，片内含8k的可反复擦写的只读程序存储器（perom）和256bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准的mcs-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（cpu）和flash存储单元，功能强大。stc89c52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。由此可见，stc89c52单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低，适用本设计需求。掌握stc89c52单片机，应首先了解stc89c52的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能。stc89c52有40条引脚。这40条引脚可分为i/o端口线（32条）、控制线（4条）、电源线（2条）、外接晶体线（2条）四部分， stc89c52脚排列如图2-2所示。stc89c52共有40个引脚，大致可分为4类：(1) 电源引脚vcc:电源端（+5v）； vss: 接地端(gnd)。(2) 时钟电路引脚xtal1:外接晶振输入端； xtal2:外接晶振输出端。(3) i/o引脚p0.pp0.7/ad0ad7: 一组8位漏极开路型双向i/o口，也是地址/总线复用口。作入/输出口时，必须外接上拉电阻，它可驱动8个ttl门电路。当访问片外存储器时，用作地址/总线分时复用口线。p1.0p1.7: 一组内部带上拉电阻的8位准双向i/o口，可驱动4个ttl门电路。p2.0p2.7/a8a15: 一组内部带上拉电阻的8位准双向i/o口，可驱动4个ttl门电路。当访问片外存储器时，用作高8位地址总线。p3.0p3.7: 一组内部带上拉电阻的8位准双向i/o口。出于芯片引脚数的限制，p3端口每个引脚具有第二功能。(4) 控制线引脚rst: 复位端。当reset端出现持续两个机器周期以上的高电平时，可实现复位操作。图2-2 stc89c52 管脚示意图ea/vpp: 片外程序存储器选择端。若要访问外部程序存储器则ea/vpp端必须保持低电平。 2.1.2 复位电路rst引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效。高电平有效的持续时间应为24个振荡周期以上。若时钟频率为6mhz，则复位信号至少应持续4微秒以上，才可以使单片机复位。本次设计中采用按键复位的方法进行复位操作。电路图2-3 按键复位电路如下图2-3所示。按键复位是利用开关按钮来实现的，即通电后，按下开关，使得瞬间rst端的电位与vcc相同，随着电容上储能增加，电容电压也增大，充电电流减少，rst端的电位逐渐下降。这样在rst端就会建立一个脉冲电压，调节电容与电阻的大小可对脉冲持续的时间进行调节。2.1.3 时钟(晶振)电路时钟电路对单片机系统而言是必需的。由于单片机内部是由各种各样的数字逻辑器件(如触发器寄存器存储器等)构成，这些数字器件的工作必须按时间顺序完成，这种时间顺序就称为时序。时钟电路就是提供单片机内部各种操作的时间基准的电路，没有时钟电路单片机就无法工作。此次设计中，我们采用由内部方式产生时钟的方法形成时钟电路，具体如图2-4所示。图2-4 时钟电路内部方式：在xtal1和xtal2端外接石英晶体作定时元件，内部反相放大器自激振荡，产生时钟。时钟发生器对振荡脉冲二分频，即若石英频率fosc12mhz，则时钟频率6mhz，因此时钟是一个双相信号，由p1相和p2相构成。fosc可在2mhz12mhz选择。小电容可以取30pf左右。2.2 温度调节装置模块设计方案经过多次思考关于加热的方式时，我们借鉴了精确加热设计理念，但又不同于传统的采用da转换，我们采用了几个电阻分压的方式来给加热电路提供不同电压，本设计使用电子负载电路进行加热，控制电子输入端的电压即可以控制加热的速度。当设置温度大于实际温度5度时，换取1v电压加热，当设置温度小于实际温度5度时，换取0.5v电压加热，当设置温度等于空气温度，关闭加热，换取0v电压加热。当温度高于1度时进行降温处理，在设计制作过程中，我们使用了一个5v驱动的散热风扇，当实际温度高于设置温度1度时用于散热，当温度低于设定温度1度时，开启加热设备，关闭风扇。因此对加热装置模块可以选择以下方案。采用继电器控制，使用继电器可以通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。通过单片机控制继电器开关来确定输入电子负载端的电压和风扇的开关，虽然在第一次加热的余温很高但是在多次风扇与功率电阻加热与降温的协调下达到恒温的要求，在程序上选用适当的控制算法，可以达到设计指标的效果。图2-5 加热和降温控制电路2.2.1 控制加热和降温电路由图2-5可以知道本设计是由四个继电器来控制恒温的，而且都采用的是型号是hrs1h型号的5v继电器，加热是由左边3个继电器来控制的，降温是由最右边的一个继电器来控制的，而各个继电器的导通与否是由单片机控制，而由于单片机的输出电流小的原因，需要一个驱动电路来实现控制继电器的导通，由于采用npn电路需要加上拉电阻切存在上位5v的原因容易造成三极管烧坏，我采用pnp8085的三极管作为继电器的驱动电路。2.2.2 电子负载加热电路电子负载具有广泛用途，它可模拟纯阻负载的全部功能，其端口符合欧姆定律，可用于电子稳定电源的稳定性，瞬态特性及输出参数的测试：也可用于电容器，蓄电池充放电过程的参数测试及功率元器件的参数测试等，具有完善的保护功能，其性能和功能是传统的滑线电阻器所不能比拟的，该产品可广泛用于电子、化工、科研生产、计量、教学等各个领域。根据集成运算放大电路分析可知图2-9电路是由恒流电子负载，一个电压跟随器，和同比例放大电路构成，下面我们分别对各个模块进行分析。(一) 恒流电子负载电路图2-6 恒流电子负载电路 图2-6电路是一个最常用的恒流电路，这样的电路更容易获得稳定及精确的电流值，r3 为取样电阻，vref 是给定信号，电路工作原理是：当给定一个信号时vref，如果r3 上的电压小于vref，也就是op07 的-in 小于+in，op07 加输出大，使mos 加大导通使r3 的电流加大。如果r3 上的电压大于vref时，-in 大于+in，op07 减小输出，也就降了r3 上的电流，这样电路最终维持在恒定的给值上，也就实现了恒流工作。如给定vref 为10mv，r3 为0.01 欧时电路恒流为1a，改变vref 可改变恒流值，vref 可用电位器调节输入或用dac芯片由mcu 控制输入，采用电位器可手动调节输出电流。如采用dac 输入可实现数控恒流电子负载。通过由上图的理解我们不难理解图2-7中间那个运算放大器和场效应管以及反馈电路构成了一个恒流负载电路，通过输入电路的电压1v、0.5v、0v之间的切换来控制加热器件场效应管和功率电阻发热快慢程度，从而使温度达到恒温的效果。现在越来越多的电子电路都在使用场效应管，特别是在音响领域更是如此，场效应管与晶体管不同，它是一种电压控制器件(晶体管是电流控制器件)，其特性更象电子管，它具有很高的输入阻抗，较大的功率增益，由于是电压控制器件所以噪声小， 场效应管是一种单极型晶体管，它只有一个p-n结，在零偏压的状态下，它是导通的，如果在其栅极(g)和源极(s)之间加上一个反向偏压(称栅极偏压)在反向电场作用下p-n变厚(称耗尽区)沟道变窄，其漏极电流将变小，(反向偏压达到一定时，耗尽区将完全沟道夹断，此时，场效应管进入截止状态，此时的反向偏压我们称之为夹断电压，用vpo表示，它与栅极电压vgs和漏极电压vds之间可近以表示为vpo=vps+|vgs|，这里|vgs|是vgs的绝对值. 在制造场效应管时，如果在栅极材料加入之前，在沟道上先加上一层很薄的绝缘层的话，则将会大大地减小栅极电流，也大大地增加其输入阻抗，由于这一绝缘层的存在，场效应管可工作在正的偏置状态，我们称这种场效应管为绝缘栅型场效应管，又称mos场效应管，所以场效应管有两种类型，一种是绝缘栅型场效应管，它可工作在反向偏置，零偏置和正向偏置状态，一种是结型栅型效应管，它只能工作在反向偏置状态.绝缘栅型场效应管又分为增强型和耗尽型两种，我们称在正常情况下导通的为耗尽型场效应管。在本次设计我们运用了型号为irf540，在此电路中起电压控制的作用，通过irf540的栅极的控制来通过压降来使其产生热量，但是由于压降太大容易遭成在同一电源下不能正常工作，从而要在外界加以格外的直流电源为其提供12v电源和1a的电流。(二) op07的简介在整个电路中都设计运算放大器op07的运用，下面我们先介绍下op07的特点和功能，op07的管脚示意图如2-7。图2-7 op07的管脚示意图op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于op07具有非常低的输入失调电压（对于op07a最大为25v），所以op07在很多应用场合不需要额外的调零措施。op07同时具有输入偏置电流低（op07a为2na）和开环增益高（对于op07a为300v/mv）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得op07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。特点：1) 超低偏移： 150v最大 。2) 低输入偏置电流： 1.8na 。3) 低失调电压漂移： 0.5v/ 。4) 超稳定，时间： 2v/month最大5) 高电源电压范围： 3v至22vop07功能介绍：1) 低的输入噪声电压幅度0.35vp-p (0.1hz 10hz)；2) 极低的输入失调电压10v；3) 极低的输入失调电压温漂-0.2v/ ；4) 具有长期的稳定性0.2v/mo；5) 低的输入偏置电流1na；6) 高的共模抑制比126db；7) 宽的共模输入电压范围14v；8) 宽的电源电压范围 3v 22v；9) 可替代725、108a、741、ad510 等放大器。(三) 电压跟随器简介电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压大小是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数小于且接近1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。 在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。 电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在hi-fi音响电路中，关于负反馈的争议已经很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。但是由于引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。造成音质模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。(四) 同比例放大电路简单分析同比例放大电路如图2-8。图2-8 同比例放大电路我们在这里设的r5=20k，r3=20k，r4=20k，r2=20k，由同比例放大电路的公式，可知=20k，=r5=20k， =r5=20k，=2，所以闭环电压增益系数 =2。由于此电路在整个电路中起到负反馈的作用，而根据集成放大电路的作用反推回去可以知道=1v时，=0.5v，从而算出通过场效应管的电流大小，从而确定电路加热的快慢程度，也可通过改变电阻r5来改变电路大小来让电路达到理想的加热效果，当然由于场管发热太快而且被用来作为加热器件为了让空气温度更快速的热起来，我们在场效应管上加了一个散热片。整个电子负载加热的原理图如下图2-9所示：如图2-9 加热模块电路2.3 温度采集模块设计方案本设计温度信号为模拟信号，要对温度进行控制和显示，所以要把模拟量转换为数字量。该温度采集模块可以选择以下方案：采用ds18b20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。ds18b20与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式，并且直接从ds18b20读出的信息或写入。ds18b20的信息仅需要一根接口线（单线接口）读写，因而使用ds18b20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。ds18b20具有3引脚to92小体积封装形式；温度测量范围为55125，可编程为9位12位a/d转换精度，对应的可辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，支持3v5.5v的电压范围，使系统设计更灵活、方便，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。同时多个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，占用处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使ds18b20非常适用于远距离多点温度检测系统。2.3.1 ds18b20结构及引脚功能说明ds18b20的引脚图2-10 温度传感器ds18b20引脚图序号名称引脚功能描述1gnd地信号2dq数据输入/输出引脚，当被用在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3vdd外接供电电源输入端，当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。表2-1 ds18b20引脚功能表其测温电路的实现是依靠单片机软件的编程上。 当dsi8b20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的0、1字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.25lsb形式表示。温度值格式如表2-1所示，其中“s”为标志位，对应的温度计算：当符号位s=0时，直接将二进制位转换为十进制；当s=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。dsi8b20完成温度转换后，就把测得的温度值与th做比较，若tth或ttl，则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令做出响应。2.3.2 ds18b20 初始化和读/写时序由于ds18b20采用的是1wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对at89c51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对ds18b20芯片的访问。从而，对读写的数据位有着严格的时序要求。ds18b20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。（1）读流程时序对于ds18b20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于ds18b20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让ds18b20把数据传输到单总线上。ds18b20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。（2）写流程时序对于ds18b20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于ds18b20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证ds18b20能够在15us到45us之间能够正确地采样io总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。2.3.3 温度转换算法及分析表2-2 ds18b20温度值格式表ls bytems bytesssss算法核心：首先程序判断温度是否是零下，如果是，则ds18b20保存的是温度的补码值，需要对其低8位（ls byte）取反加一变成原码。处理过后把ds18b20的温度复制到单片机的ram中，里面已经是温度值的hex码了，然后转换hex码到bcd码，分别把小数位，个位，十位，百位的bcd码存入ram中。由于小数位没有用，默认情况是置为0，在显示屏上没有任何显示。2.3.4 dsl8b20工作过程中的协议初始化 rom操作命令 存储器操作命令 处理数据（1）初始化 单总线上的所有处理均从初始化开始（2）rom操作命令 总线主机检测到dsl8b20的存在，便可以发出rom操作命令，这些命令如表2-3所示。表2-3 rom操作命令表指令代码read rom (读rom)33hmatch rom (匹配rom)55hskip rom (跳过rom)cchsearch rom (搜索rom)f0halarm search (告警搜索)ech （3）ram操作命令 （如表2-4）表2-4 ram操作命令表指令约定代码温度变换44h读存储器0beh写存储器4eh复制存储器48h重调eeprom0b8h读供电方式0b4h 2.3.5 ds18b20 温度采集电路图在本设计中，由ds18b20组建温度采集系统。其中，1脚gnd，2脚为数据输入端，3脚vcc，2脚与3脚间接上一个4.7k的电阻，形成上拉电阻。详细的采集电路如图2-11所示。图2-11 ds18b20温度采集电路 2.4 系统总体电路设计图2-12 系统总的原理图3 应用的相关软件3.1 keil c51编辑软件keil c51是美国keil software公司出品的51系列兼容单片机c语言软件开发系统，与汇编相比，c语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用c来开发，体会更加深刻。 keil c51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到keil c51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。本次设计中，主要使用keil软件对高精度温度计的源程序（c语言）进行编辑和检验。3.2 protel 99se 电路板设计软件protel 99se是prokl technology公司开发的基于windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。protel 99se 由两大部分组成：电路原理图设计（advanced schematic）和多层印刷电路板设 计（advanced pcb）。其中advanced schematic由两部分组成：电路图编辑器（schematic）和 元件库编辑器（schematic library）。由于高精度温度是一个具体的实物，因此在设计中要进行实物制作，为了方便制作，我们要用到protel 99se进行原理图设计。3.3 proteus软件 proteus(海神)的isis是一款labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和ic，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。 该软件的特点： 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。 具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、rs-232动态仿真、c调试器、spi调试器、键盘和lcd系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、avr系列、pic12系列、pic16系列、pic18系列、z80系列、hc11系列以及各种外围芯片。proteus主要由isis和ares两部分组成，isis的主要功能是原理图设计及与电路原理图的交互仿真，ares主要用于印制电路板的设计。 4 系统程序的设计4.1 程序结构框图主程序调用了5个子程序，分别是数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程序。键盘扫描电路及按键处理程序：实现键盘的输入按键的识别及进入相应的程序。温度信号处理程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。数码管显示程序：向数码的显示送数，控制系统的显示部分。继电器控制程序：控制继电器动作。程序结构图如图4-1所示。图4-1主程序结构图4.2 主程序流程图程序开始的时候先设置初始化，然后就控制数码管显示当前温度。接着就判断sw2、sw3按键是否被按下。按下sw2进入温度控制点递增的程序、按下sw3进入温度控制点递减的程序。程序控制设置温度的两个数码管闪烁的，此时键盘输入有效。有按键按下的时候进入按键处理程序。按下sw1“确定”按键后，程序进入判断程序和继电器控制程序。继电器动作后，程序回到显示当前程序，并开始循环，功能如图4-2。 图4-2 主要程序流程图4.3 ds18b20模版程序启动温度转换读取温度温度处理跳过rom匹配ds18b20复位跳过rom匹配ds18b20复位首先ds18b20初始化，复位ds18b20，然后单片机等待ds18b20的应答脉冲。一旦单片机检测到应答脉冲，便发起跳过rom匹配操作命令。成功执行了rom操作命令后，就可以使用内存操作命令，启动温度转换，延时一段时间后，等待温度转换完成。再发起跳过rom匹配操作命令，然后读暂存器，将转换结果读出，并转为显示码，送到数码管显示。ds18b20模块程序流程图如图4-3所示。图4-3 ds18b20模块流程图5 样机制作5.1 pcb板制作前文中在介绍了加热方式和单片机控制原理的基础上，现绘制pcb板。pcb制作分为三大步：绘原理图、电子元件布线、实物制作。根据原理图2-12和图2-9，选择每个电子元件合适的封装，然后把握尽量不相交以避免跳线的布线原则，不断尝试改变每个电子元件的位置，做出比较科学的布线图，所布pcb板如图5-1所示。pcb走线时考虑以下原则：走线长度很短，因为走线长短影响信号质量；每条走线之间的距离较大，避免串扰；避免90拐角走线，使用45左右的走线，降低了走线的寄生电容。电路板的焊接过程中，要边焊接边对焊点和元件进行监测，以防止出现虚焊、短路、断路等情况。焊接时间也不应该太长，以免烫坏元件，其中最值得注意的是在焊接电容的时候，要特别注意焊接的时间不宜过长，因为相对与电阻等其他元器件，电容最容易被烫坏。图5-1 数字恒温式加热器pcb板5.2 测试样机5.2.1 测试环境环境温度25，室内面积20平方米测试仪器：数字万用表，温度计0-1005.2.2 测试方法系统正常运行后，用温度计测量纸盒内的温度，并分别记录温度计的值、ds18b20的测量值和按键设定值，经过多次取值后，进行误差分析。5.2.3 测试结果设定温度由室温到85标定温差=1 静态误差=0.5 5.2.4 测试分析对于实际盒子内的温度控制，可以再提出以下 2 点方法 ：a) 增加不同电压输入，对各个电压用于不同段的加热，可以得到快速的加热和缓慢加热的效果从而使温度更容易达到恒温的状态。 b) 对实际盒子内的温度控制，可采用功率较大的功率电阻，并且通过风扇对盒内温度进行充分搅和与降温的处理，使温度传感器能准确及时的测出模拟盒子内的温度。 5.2.5 测试结论通过实验测试和分析，温度传感器的温度采集精度最高可达 0.5 ，但测试得到的数据最小间隔为1 。经过对浮点数求平均处理后，同一温度下温度传感器采集的温度和温度计多次采集的温度的均值相差不大，假设 40 时求出平均温度变为 40.5 ，为了解该数据是否真实，我们采用一个高精度的数字温度计测试，发现读出的值与其基本一致，由此可知如果在同一时间段内增加采集温度的次数，则可以进一步提高温度的精度。结 论本文设计的数字恒温加热器通过ds18b20简单快捷的测温后，经单片机准确的温度分析后，驱动继电器进行加热(降温)控制，从而实现精确的恒温加热要求。通过该温控系统可以实现2585范围内温度控制，在经过多次系统测试和误差校正后，系统的温度控制精度和测试精度达到了1的设计指标。在设计工作完成后，重新思考整个设计方案发现其中有很多值得改进的地方，特别是显示和控制加热两个模块，分别可以用液晶显示替代数码管显示，dac代替继电器控制加热模块，从而使加热器更加精确和美观。伴随着越来越多高新科技的推广与普及，加热系统在各个领域的应用范围越来越广泛。相对众多加热系统，恒温加热器以其对温度的精确测量、快速控制等优点，必将在未来的生产生活中得到更加美好的发展前景。参考文献1 曹巧媛主编. 单片机原理及应用(第二版). 北京:电子工业出版社,2002.2 全国大学生电子设计竞赛组委会编.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2001), 北京:北京理工大学出版社,2003.3 何力民编. 单片机高级教程. 北京:北京航空大学出版社,2000.4 金发庆等编. 传感器技术与应用. 北京机械工业出版社,2002.5 王锦标,方崇智.过程计算机控制. 北京:清华大学出版社,1997.6 邵惠鹤.工业过程高级控制.上海:上海交通大学出版社,1997.7 胡寿松.自动控制原理.北京:国防工业出版社,2000.8 刘伯春.智能pid调节器的设计及应用.电子自动化,1995.9 周润景,张丽娜.基于proteus 的电路及单片机系统设计与仿真m.北京航空航天.10 李杰写.数显式温度计的制作.电子世界,2003.11 李广弟.单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社,1994.12 王卫东. 模拟电子电路设计基础m. 西安:西安电子科技大学出版社,2002.13 katsuhiko ogata. moden control engineering.publishing house of electronics industry,2000:1 96202.14 cucchiara r, filicori f. the vector gradient hough transform m. ieee trans on pattern analysis and machine intelligence. 1998. 致 谢本文是在蔡青老师的悉心指导下完成的。蔡老师诲人不倦的受业态度以及平易近人的性格使我终身难忘。在整个毕业设计过程中，感谢蔡老师给予我很多理论和实践的指导，丰富的实践经验帮助我渡过了一个个技术难关。在指导此次毕业设计的同时，蔡老师还教会了我们很多为人的道理和正确处事的态度，这些都是这一个月来的毕业设计学习生活带给我的宝贵收获。在这里，我谨对蔡老师的关怀和帮助致以最衷心的谢意！与此同时，我同样感谢我的同学和朋友，如果没有大家的相互支持，相互鼓励，我也不会完成得如此顺利，没有耐心的室友帮助，我也不会攻克许多技术难题，让我受益匪浅，感悟良多。在这里，我由衷的感谢你们!感谢你们的帮助，感谢你们的亦师亦友教诲，感谢你们的帮助我的一切。作者简介姓 名：唐茂耘 性别：男出生年月：1987-1-21 民族：汉e-mail:声 明本论文的工作是2010年3月至2010年6月在成都信息