基于单片机温度控制电路的设计

2009 级电子信息工程 基于单片机温度控制电路课程设计报告 设计题目基于单片机温度控制电路的设计 姓名及 学号 学院工程技术学院 专业电子信息工程 班级 指导教师 内江师范学院课程设计报告 ii 目目录录 1 引言. 1 2 设计任务. 2 2.1 设计内容. 2 2.2 技术指标. 2 2.3 各部分的设计. 2 3 方案的分析与选择. 3 3.1 方案的分析. 3 3.2 方案的选择. 3 3.3 设计框图. 4 4 硬件部分理论设计. 5 4.1 AT89C51 单片机的引脚功能说明. 5 4.2 AT89C51 单片机最小系统. 6 4.3 LED 显示器接口原理. 7 4.4 按键部分的设计. 8 4.5 数字温度传感器 DS18B20 的发展. 9 4.6 DS18B20 的主要特性. 9 4.7 DS18B20 工作原理. 10 4.8 DS18B20 主要的数据部件. 11 4.9 高速暂存存储器. 11 4.10 本设计中 DS18B20 使用中注意事项. 12 4.11 固态继电器的分析与选择. 13 4.12 电源. 14 5 软件部分的理论设计. 15 5.1硬件的整合. 15 5.2 软件的设计. 15 参考文献. 17 致谢. 18 内江师范学院课程设计报告 iii 摘 要 本文是一个关于恒温控制器的设计， 本文单片机控制部分采用 AT89C51 单片机为核 心，单片机具有功能强，体积小，成本低等优点，设计采用 DS18B20 数字式温度传感器， 温度精度可以控制在 1以内，采用软件编程，使用 C 语言来编写程序，用控制电炉的 加热来实现对水温温度的控制。适用于环境参数经常变化的小型温度控制电路。恒温温 度控制在日常生活中有很重要的作用，尤其是水温的温度恒定，恒定的水温对水产养殖， 工厂污水的处理，家庭生活用水等有重要的意义。 关键词关键词：恒温控制器；AT89C51 单片机；DS18B20 温度传感器；C 语言编程 内江师范学院课程设计报告 iv Abstract I use the AT89C51SCM design a constant temperature constant water temperature controllerofcontrol,thedesignofsingle-chipmicrocomputercontrolAT89C51 microcontroller as the core, SCM has strong function, small volume, low cost, this design using digital temperature sensor DS18B20, temperature control precision of 1in May, within the software programming, using C language program, with the control of electric heating water temperature to realize the control of the temperature. Apply to environmental parameters often changes of small temperature control circuit. Constant temperature and temperature control in everyday life there is very important role, especially the temperature constant water temperature, constant water temperature of aquaculture, sewage treatment plant, family life such as water has an important significance. Keyword: Constant temperature controller; AT89C51SCM; The temperature sensor DS18B20; The C programming language. 内江师范学院课程设计报告 1 1 引言 温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接 影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流 动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列 问题。温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温 度范围内，以利于进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中， 温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温 度进行控制具有重要的意义。 温度是日常生活中无时不在的物理量，温度的控制在各个领域都有积极的意义。 很多行业中都有大量的用电加热设备，如用于热处理的加热炉，用于融化金属的坩锅 电阻炉及各种不同用途的温度箱等，采用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便、 简单、灵活性大等特点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大 提高产品的质量。因此，智能化温度控制技术正被广泛地采用。水温控制在工业及日 常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的控制方法也不尽相同,其中以PID控 制法最为常见。单片机控制部分采用 AT89C51 单片机为核心，采用软件编程，实现用 PID 算法来控制 PWM 波的产生， 进而控制电炉的加热来实现温度控制。 然而,单纯的 PID 算法无法适应不同的温度环境,在某个特定场合运行性能非常良好的温度控制器,到了 新环境往往无法很好胜任,甚至使系统变得不稳定,需要重新改变 PID 调节参数值以 取得佳性能。 本文以 MCS-51 单片机为控制核心，采用 DS18B20 数字式温度传感器，以及恒定温 度的键盘设定，温度的及时显示，高于设定温度时报警，系统复位功能，来达到控制 电炉对水加热的目的，讨论了控制水温的恒定对人们的日常生活，以及工业生产的重 要性。 内江师范学院课程设计报告 2 2 设计任务 2.1 设计内容 本论文的内容是基于单片机设计的一个电炉对水加热的控制器。要求显示实际温 度和设定的温度，并且要求设定水温可以由人工通过键盘来设定。电路可以通过对实 际温度和设定温度的差值的处理来控制继电器的通断，进而控制电炉的开关，从而对 水温进行控制，使水温保持在设定的温度上。 2.2 技术指标 （1）基本要求 以单片机为控制核心；水温控制范围：40-100可调；误差：2； 温显示：LED 或 LCD；加热部件：800W220V 电热管。 （2）发挥部分 PWM 控制方式；水温采样记录功能；PID 调节控制；自制稳压电压。 2.3 各部分的设计 电炉接上 220V 交流电，由继电器控制其开关，对水进行加热； DS18B20 温度传感器对水温进行实时检测，输出温度信号给单片机； 单片机基本系统 a.要采集温度传感器传过来的信号，进行相应的处理，送往显示部分； b.接受键盘输入的信号，进行相应的处理，送往显示部分； c.实测温度与设定温度比较由控制信号控制继电器的通断来控制电炉开关； 显示:由 2 个七段数码管以及数码管的驱动电路组成，2 位数码管显示出测量结 果，2 位数码管显示出设定的温度； 按键与报警电路: 键入需要恒定的温度，当水的温度高于设定的温度时，报警 电路报警。 内江师范学院课程设计报告 3 3 方案的分析与选择 3.1 方案的分析 本方案是一个基于单片机的恒温温度控制之水温控制电路，需要完成的功能是温 度的设定、检测与显示以及的温度的控制和报警等。当温度小于设定温度时电炉工作， 当温度大于设定温度时电炉不工作。 本方案在软、硬件功能划分时，电路功能的软、硬件划分往往是由应用电路对控 制速度的要求决定的，在没有速度限制的情况下可以依靠软件换取硬件电路的简化， 以求降低硬件成本。 3.2 方案的选择 分析设计要求，要选择一个 CPU 控制芯片。由于电路控制方案简单，在运行过程 中需要存放的中间变量只有给定温度、实测温度、PI 运算中间结果及输出结果等十几 个变量， 因此选用 AT89C51 微控制器作为电路的核心， 由于 AT89C51 的片内 RAM 已 能满足存放要求，可不必再扩充外部 RAM。 分析设计要求，要选择一个温度敏感元件，它能够很灵敏的根据温度变化输出一 定的信号。这样的器件种类很多，本设计选用的数字式集成温度传感器 DS18B20。这 是由于本设计中单片机除了要完成数据采集、处理、控制和显示任务外，还要完成按 键值得采集、处理。如果用常规的数字加模拟电路实现就会相对困难一些。DS18B20 是 DALLAS 半导体公司（现属 MAXIM 公司）设计生产的单总线数字温度传感器，其 测量温度范围为55128，在-10+85时精度为0.5，这个精度已可以满 足普通型的环境温度控制或测温类消费产品的要求。这个传感器最大的特点就是能够 从一根总线直接输出二进制的温度信号，不需要 A/D 转换和信号放大。这样的选择使 得整个电路的硬件设计更为简化，节省了单片机的资源。 设计显示部分、按键部分和报警。显示部分的设计考虑到在软件设计过程中实际 温度和设定温度之间会有影响，本设计采用实际温度和门限温度单独显示，共用一组 I/O 口。选用的是一组共阴极数码管，采用一块同相器 74LS07 集成块来驱动。动态扫 描显示。按键部分的设计考虑到单片机 I/O 资源不足的缘故，本文采用四个按键分别 用来设定和显示温度。 设定的温度在高于设定温度时或在40至99范围外就要报警。 内江师范学院课程设计报告 4 控制部分的设计，这一部分主要就是继电器的选择。本设计选择的是固态继电器。 固态继电器（Solid state Relay-SSR）是近几年发展起来的一种新型电子继电器，其输入 控制电流小，容易驱动，其输出利用晶体管或可控硅驱动，无触点。与普通的电磁式继 电器和磁力开关相比，具有无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小质量轻、 寿命长、工作可靠等特点，并且耐冲击、抗潮湿、抗腐蚀，本设计采用固态继电器。另 外在选择继电器时还要注意它的供电电压和带负载能力。本设计中继电器是由单片机控 制的所以它的供电电压选择 5V 直流电。继电器所带的负载为一个额定功率 800W，接 220V 交流电的电炉。所以继电器的要选用交流型（AC-SSR），耐压在 220V 以上，电流 为 1 A 以上。本设计选用的是 5V 供电，2A 250VAC 的固态继电器。 3.3 设计框图 电路框图如下图所示： 传感器 电炉加 热器继电器 单 片 机 基 本 系 统 显示电 路 报警电 路 键盘输 入电路 图图 3-1 水温控制电路总体框图水温控制电路总体框图 内江师范学院课程设计报告 5 4 硬件部分理论设计 理论设计包括硬件部分的设计和软件部分的设计，硬件部分的设计包括 AT89C51 单片机引脚功能说明，AT89C51 单片机最小系统，包括单片机的基本供电、时钟电路和 复位电路，LED 显示器接口原理，按键部分的设计与键盘接口技术，数字温度传感器 DS18B20 的发展，DS18B20 的主要特性，DS18B20 的工作原理，DS18B20 主要的数据 部件，DS18B20 的高速暂存存储器，以及 DS18B20 的供电方式。本次设计中 DS18B20 使用中注意事项，固态继电器的分析与选择，以及本次毕业论文设计的电源。 4.1 AT89C51 单片机的引脚功能说明 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 RD 17 WR 16 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 图图 4-1AT89C51 引脚图引脚图 引脚功能说明，AT89C51 是双列制插封装形式的器件，AT89C51 的引脚 P00P07、 P10P17、P20P27、P30P37 为四个 8 位并行输入/输出口，其中 P3 口、P0 口、P2 口为双功能口，可以作为普通输入/输出口（第一功能），也可以作为特殊输入/输出口。 RST 为复位输入线，ALE、PSEN、为EA系统扩展控制线，XTAL1 和 XTAL2 为时钟电 路输入/输出线， VCC、VSS 为电源输入线，一般接5V 和地。 内江师范学院课程设计报告 6 4.2 AT89C51 单片机最小系统 时钟和时钟电路，时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。AT89C51 单片允许的时钟频率的典型值 12MHZ，也可以是 6MHZ。本设计采用 12MHZ。单片机时钟电 路图如图 4-2 X2 X1 Y2 CRYSTAL C15 30p C14 30p 图图 4-2 晶体振荡电路晶体振荡电路 图 4-2 中晶振频率选择 12MHZ。接到晶振两端的瓷片电容作用是使振荡器起振和对 f 微调补偿，典型值为 30PF，本设计中选用 20PF 瓷片电容。当单片机加电以后延迟约 10ms 的时间振荡器起振产生时钟，不受软件控制（XTAL2 输出幅度为 3V 左右的正弦波）。 复位和复位电路，单片机在启动运行时都需要复位，使中央处理器 CPU 和系统中的 其它部件都处于一个确定的初始状态， 并从这个状态开始工作。 单片机的复位引脚是 RST， 当振荡器起振后，该引脚上出现 2 个周期的高电平，是器件复位，只要 RST 保持高电平， 单片机保持复位状态。单片机复位方式有二种：上电复位（如图 4-3）、人工复位（如图 4-4）。 C1 10u R2 10k +5 RST 图图 4-3 上电自动复位电路上电自动复位电路图图 4-4 上电及按键复位电路上电及按键复位电路 RESET 与 VCC 之间的那个电阻在 NMOS 型单片机种需要接， 但是在 CMOS 型单片机中 不接。其中电容一般为 10UF 的电解电容。 内江师范学院课程设计报告 7 4.3 LED 显示器接口原理 LED（Light Emitting Diode）是发光二极管的缩写。LED 显示器是由发光二极管构 成的。LED 显示器在单片机中的应用非常普遍。常用的 LED 显示器为 8 段（或 7 段，8 段 比 7 段多了一个小数点“dip”段）。每一个段对应一个发光二极管。这种显示器有共阴极 和共阳极两种，共阴极 LED 显示器的发光二极管的阴极连结在一起，通常此公共阴极接 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连结在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个 发光二极管的阳极为低电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。 LED 显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。 LED 动态显示方式， 所谓的动态显 示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描）。在多位 LED 显示时,为简化硬件电路, 节省 I/O 口资源,通常将所有位的段码线相应的并联在一起,由一个 8 位 I/O 口控制,而各 位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制， 形成各位的分时选通。 如图4-5用AT89C51 单片机控制 LED 动态显示方式接口。 图图 4-5AT89C51 单片机控制单片机控制 LED 动态显示动态显示电路电路 其中 8550 是同相器集成块，它是用来驱动共阴极数码管的。 内江师范学院课程设计报告 8 R10 1K R11 1K Q1 8550 Q2 8550 图图 4-6 显示的位选电路显示的位选电路 在使用动态显示电路的时候，由于各位的段码线并联，8 位 I/O 口输出的段码对各个 显示位来说都是相同的。因此要在同一时刻，如果各位的位选线都处于选通状态的话那 两位 LED 将显示相同的字符。若要各位 LED 能够同时显示出与本位相应的显示字符， 就必须采用动态显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他 各位的位选线处于关闭状态，同时，段码线上输出相应位要显示的字符的段码。这样在 同一时刻 2 位 LED 中只有选通的那一位显示出字符，而其它的 LED 则是熄灭的。同样 在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态。也就是说在同一时刻只有选通位才能 显示出相应的字符，而其它位是熄灭的。如此循环下去就可以使各位显示出将要显示的 字符。虽然这些字符是不在同一时刻出现的，但由于 LED 显示器的余辉和人眼的“视觉 暂留”作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成“多位同时亮”的假象，达到同时显示 的效果。这是用软件来实现的。 4.4 按键部分的设计 键盘是一组按键组合，它是最常用的单片机输入设备。键盘分编码键盘和非编码键 盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现，并产生键编码或键值的称为编码键 盘。靠软件识别的称为非编码键盘。本设计使用非编码键盘，下面主要介绍非编码键盘 的原理、接口技术和程序设计。 键盘工作原理：键盘中每个按键都是一个常开开关电路，如图 3-8 所示。当按键 K 未被按下时，P1.0 输入高电平；当 K 闭合时，P1.0 输入低电平。通常按键所用的开关为 机械弹性开关，当机械触点端来、闭合时，电压信号波形如图 3-12 所示。由于机械触点 的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定的接通，在断开时也不会一下子断开。 因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，如图 3-12 所示。抖动的时间的长短由 按键的机械特性决定，一般为 510ms。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按 内江师范学院课程设计报告 9 键动作决定的，一般为零点几秒。四个按键分别做为显示设定温度，设定温度加，设定 温度减，显示实际温度。 图图 4-7 按键电路图按键电路图 按键抖动会引起一次按键被误读多次。 为确保 CPU 对按键的一次闭合仅做一次处理， 必须去除键抖动。在键闭合稳定时，读取键的状态，并且必须判别键号；当键释放稳定 后，再做处理。按键的抖动，可用硬件或软件两种方法消除。本设计使用的是软件。如 果按键较多，常用软件方法去抖动，及检测出键闭合后执行一个延时程序，产生 510ms 的延时；让前沿抖动消失后，再一次检测按键的状态，如果仍保持闭合状态电平则确定 真正有键按下。当检测到按键释放后，也要经过 510ms 的延时，待后沿抖动消失后， 才能转入该键的处理程序。 4.5 数字温度传感器 DS18B20 的发展 美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片支持 一线总 线接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转 换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。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 DS18B20 体 积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。目前 DS18B20 批量采 购价格仅 10 元左右。 4.6 DS18B20 的主要特性 适应电压范围更宽，电压范围：3.0V5.5V，在寄生电源的方式下可由数据线供电。 独特的单线接口方式， DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线 内江师范学院课程设计报告 10 上，实现组网多点测温。DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电 路集成在形如一只三极管的集成电路内。温度范围55128，在-10+85时精 度为0.5。可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、 0.125和 0.0625， 可实现高精度测温。 在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换 为数字，12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字，速度更快。测量结果直接 输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强 的抗干扰纠错能力。负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常 工作。 4.7 DS18B20 工作原理 DS18B20 的读写时序和测温原理与 DS1820 相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同 而不同，且温度转换时的延时时间由 2s 减为 750ms。DS18B20 测温原理如图 计数器 1 斜率累加器 预置在55所 对应基数 =0 则停止 计数器 2 低温系数晶振 高温系数晶振 比较LSB置 位/清除 重新预置 对应基数 温度寄存器 =0 则加 1 图图 4-8 DS18B20 测温原理测温原理 图 4-8 中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信 号送给计数器 1。 高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变， 所产生的信号作为计数 器 2 的脉冲输入。 计数器 1 和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。 计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度 内江师范学院课程设计报告 11 寄存器的值将加 1， 计数器 1 的预置将重新被装入， 计数器 1 重新开始对低温度系数晶振 产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累 加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的 非线性，其输出用于修正计数器 1 的预置值。 4.8 DS18B20 主要的数据部件 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的,他可以看作是该 DS18B20 的地址 序列码。64 为光刻 ROM 的排列是：开始八位（28H）是产品类型标号，接着的 48 位是 该 DS18B20 自身的序列号， 最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码。 光刻 ROM 的作用 是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目 的。 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量， 以 12 位转化为例： | | 用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB 形式 表达，其中 S 为符号位。DS18B20 温度传感器的存储器，DS18B20 温度传感器的内部存 储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可电擦除的 EEPRAM,后者存放高温度和 低温度触发器 TH、TL 和结构寄存器。配置寄存器该字节各位的意义所示：低 5 位一直 都是1， TM 是测试模式位， 用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式。 在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不要去改动。R1 和 R0 用来设置分辨率。 4.9 高速暂存存储器 高速暂存存储器由 9 个字节组成，当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以 二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第 0 和第 1 个字节。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，DS18B20 还有两个用于储存温度的 RAM，编号 为 0 和 1,1 号储存器用于存放温度值的符号，当温度为负，则 1 号存储器 8 位全为 1，否 则全为 0,0 号储存器用于存放温度值的补码，LSB 最低位的 1 表示 0.5，将存储器中的 2 进制数求补，再转换成十进制数，并除以 2 就得到被测温度值，数据格式如表 1 所示。 对应的温度计算：DS18B20 用 12 个字节存储温度，最高位为符号位 S，S=0 时，直接将 二进制位转换为十进制；当 S=1 时，先将补码变为原码，再计算十进制值。例如：0550H 最高位为 0，按照 DS18B20 读数方式直接转换为十进制温度为 85。 根据 DS18B20 的通讯协议， 单片机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤： 每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位操作，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后 内江师范学院课程设计报告 12 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，当 DS18B20 收到信号后等待 1660 微秒左右，后发出 60240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。 DS18B20 寄生电源强上拉供电方式电路如图 4-9，改进的寄生电源供电方式如下面 图所示，为了使 DS18B20 在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷 贝到 E2 存储器操作时，用 MOSFET 把 I/O 线直接拉到 VCC 就可提供足够的电流，在发 出任何涉及到拷贝到 E2 存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多 10S 内把 I/O 线 转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点 测温应用，缺点就是要多占用一根 I/O 口线进行强上拉切换。在外部供电的方式下， DS18B20 的 GND 引脚不能悬空，否则不能转换温度。 AT89C51 I/O GND DQ VCC DS18B20 VCC VCC 图图 4-9 DS18B20 的外部电源供电方式的外部电源供电方式 4.10 本设计中 DS18B20 使用中注意事项 DS18B20 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但 在实际应用中也应注意一些问题，下面列出本设计中使用 DS18B20 应注意的问题，连接 DS18B20 的总线电缆是由长度限制的。当采用普通型号电缆传输长度超过 50m 时，读取 的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这 种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用 DS18B20 进行长 距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。在 DS18B20 测温程序设 计中，向 DS18B20 发出温度转换命令后，程序总要等待 DS1820 的返回信号，一旦某个 DS1820 接触不好或断线，当程序读该 DS1820 时，将没有返回信号，程序进入死循环。 这一点在进行 DS1820 硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。测温电缆线建议采 内江师范学院课程设计报告 13 用屏蔽 4 芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接 VCC 和地线，屏蔽层在源端 单点接地。由于本设计要求不高，所以只采用了简单的电源线。 4.11 固态继电器的分析与选择 为了实现水温的 PID 控制，电路的输出不能是一个简单的开关量，输入电炉的功率 必须连续可调。一般来说改变输入电炉的电压平均值就可以改变电炉的输出功率，而较 简单的调压方法有相位控制调压和通断控制调压法。本设计采用的脉宽调制输出控制电 炉与电源的接通和断开的比例，以通断控制调压法控制电炉的输入功率。这种方法不仅 十输出通道省去了 D/A 转换器和移向触发电路，大大简化了硬件系统。 在后向通道的控制中，一般采用继电器、可控硅等开关器件。继电器又有电磁继电 器和固态继电器之分。一些常用的小型电磁继电器，由于受电流大小的限制，只能控制 功率较小的负载。在实际的工程项目设计中，由于继电器控制的负载多为感性或容性负 载（比如本设计中的电炉就是感性负载），如果电磁隔离不好，这些负载所产生的高次 谐波信号便会串进单片机控制电路产生各种干扰。这种干扰信号往往会导致系统的可靠 性降低， 具体表现有系统死机、 CPU 反复复位、 控制失灵等， 也就是常说的“程序的跑飞”。 因此对于大功率负载的控制，信号的隔离是电路设计中的一个非常重要的环节。我们可 以采用光耦对电路进行隔离。由于电磁继电器启动瞬间会产生电磁火花干扰，所以在实 际应用中如本设计类似的控制一般都选用固态继电器 SSR。下面我就重点介绍一下固态 继电器。 固态继电器（Solid state Relay-SSR）是近几年发展起来的一种新型电子继电器，其 输入控制电流小，用 TTL、HTL、CMOS 等集成电路或加简单的辅助电路就可直接驱动， 因此适宜于单片机测控系统中作为输出通道的控制元件；其输出利用晶体管或可控硅驱 动，无触点。与普通的电磁式继电器和磁力开关相比，具有无机械噪声、无抖动和回跳、 开关速度快、体积小质量轻、寿命长、工作可靠等特点，并且耐冲击、抗潮湿、抗腐蚀， 因此在单片机测控等领域中，已逐渐取代传统的电磁式继电器和磁力开关作为开关量输 出控制元件。 由于固态继电器的输出采用的光电耦合器对信号进行了隔离，本设计无需再接光电 耦合器了。接口驱动本设计使用的是集成块 7407。具体连接如图 4-10 所示。 内江师范学院课程设计报告 14 1 2 + 3 - 4 Q5 SSR R14 加热器 VCC 220v 图图 4-10 继电器继电器输出控制电路输出控制电路 本设计中继电器是由单片机控制的所以它的供电电压选择 5V 直流电。 继电器所带的 负载为一个额定功率 300W，接 220V 交流电的电炉。所以继电器的要选用交流型 （AC-SSR） ， 耐压在 220V 以上， 电流为 1 A 以上。 本设计选用的是 5V 供电， 2A 250VAC 的固态继电器。 4.12 电源 电源电路如图 3-15 所示， +5V 的直流电源由 220V 的交流电经 EMI 滤波器、 变压器、 整流滤波电路、三端集成稳压器获得。EMI 滤波器能滤除从交流电网引入的噪声干扰， 改善系统的电磁兼容性； 整流滤波电路将经变压器降压后的交流电变为带纹波的直流电； 三端稳压器 7805 可以产生稳定的+5V 直流电压，给系统提供电能。 内江师范学院课程设计报告 15 5 软件部分的理论设计 5.1 硬件的整合 水温控制电路的原理图见附录， 根据原理图， 实际水温显示的字型码是由 P0 口送出， 十位、个位分别由 P2.0、P2.1 选通；温度传感器输入到 P1.6 口，单片机的输出控制信号 由 P3.0 输出。 5.2 软件的设计 预置温度非法报警程序流程图如图 5-1 按键预置 温 40？ 调显示子程序 报警 显示 40 报警 显示 99 按键预置 温 99？ N N Y Y 图图 5-1 预置温度非法报警程序流程图预置温度非法报警程序流程图 固态继电器程序流程，当温度低于参考值时，p3.0 端口值低电位，导通。电热管 加热。当所测温度到达参考值时，p3.0 端口值高电平。达到自动控制电热管。 内江师范学院课程设计报告 16 6 6 结束语结束语 本文结合实际应用了单片机 AT89C51 实现了实验室恒温控制设计的工作原理， 以及 软硬件的设计方法及实现过程。本文重点论述了实验室恒温控制系统电路的设计，主要 是硬件电路的设计及软件程序的实现。对于单片机的应用及控制领域，实现工业生产过 程的自动化和管理现代化有一定的意义。在控制精确度方面，采用先进的 PID 控制算法， 对加热时间进行精确控制，提高准确度。 本设计采用了了市场上最先进的电子器件，电路设计简单，成本低，系统具有较小 的超调量，控制精度高。在软件方面使用模块化编程，使程序简洁、可移植性强。 单片机是目前控制系统使用最多的器件和芯片，单片机广泛的应用及其产生的效率 令人瞩目，在将来的各个领域有着广阔的应用前景。 内江师范学院课程设计报告 17 参考文献参考文献 1金发庆等编. 传感器技术与应用.北京机械工业出版社,2002 2杨旭编著. C 语言程序设计案例教程. 人民邮电出版社，2005.1 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 5王锦标，方崇智过程计算机控制.清华大学出版社，1997，3640. 6邵惠鹤工业过程高级控制上海交大出版社，1997；5862，78101 7谢德芳. 数字信号处理, , 版本: 第 1 版, 科学出版社，2005 8王兢,王洪玉,数字电路与系统, 版本: 第 1 版, 电子工业出版社，2007 9顾文郁编译 现代光电测试技术上海科学技术文献出版社, 1994 10何立民主编 单片机应用技术选编 7北京航空航天大学出版社, 1999 11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 12耿德根、 宋建国、 马潮、 叶永建编著 AVR 高速嵌入式单片机原理与应用 （修订版） 北 京航空航天大学出版社，2002.10 内江师范学院课程设计报告 18 致谢致谢 衷心感谢许立志老师在论文的写作过程中对我的悉心指导，他严谨精细的治学态度， 渊博的知识，孜孜不倦的工作热忱和诲人不倦的精神，我们将铭记在心！感谢工程技术 学院的老师对我们成长的关心和帮助。 内江师范学院课程设计报告 19 附录（含原理图及实验软件程序）附录（含原理图及实验软件程序） 原理图： EA/VP 31 XTAL1 19 XATL2 18 RST/VPP 9 P32/INT0 12 P33INT1 13 P34T0 14 P35T1 15 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 P37RD 17 P36WR 16 PSEN 29 ALE/P 30 P31/TXD 11 P30/RXD 10 U1 AT89C51 a bf c g d e