基于单片机的温度控制电路设计

内 容 摘 要 日常的生产与生活中 温度是一个永恒的话题和人们生活环境有着密切关系的物理量 也是一种在生产 科研 生活中需要测量和控制的重要物理量 温度的变化会给我们的生 活 工作 生产等带来重大影响 因此对温度的测量至关重要 所以人们需要用到良好的 温度检测及控制装置系统来解决这些问题 本文介绍了采用 555 定时器 AT89C2051 芯片 以及 DS1620 温度传感器等组成的温度控制系统的设计方法和工作原理 能够通过传感器 对温度的感应自动调节加热功率的大小 并且在解决温度检测的基础上 通过 555 定时器 完成对温度的特殊控制 即能实现对温度恒温控制 其温控效果好 电路简单可靠 使用 效果非常好 索引关键字索引关键字 555 定时器 传感器 自动控制系统 AT89C2051 目 录 第一章 绪 论 1 1 1 温度控制系统的应用 1 1 2 传感器在温度控制系统的应用 1 第二章 555 定时器概述 1 2 1 555 定时器介绍 1 2 2 555 定时器的工作原理 2 2 3 555 定时器的电路结构与功能 2 2 4 555 定时器电路组成及其引脚 2 2 5 555 定时器的应用 2 2 6 555 定时器的温度控制电路 2 第三章 基于 DS1620 和 AT89C2051 的数字温度控制 3 3 1 DS1620 的介绍 3 3 2 引脚功能说明 3 3 3 温度值数据格式 3 3 4 操作和控制 3 3 5 DS1620 的两种操作模式 4 3 6 程序设计 5 3 7 AT89C2051 概述 5 3 8 AT89C51 引脚图 5 3 9 AT89C2051 的数字温度控制 6 3 10 硬件电路连接 7 第四章 温度控制电路总结 7 4 1 温度控制系统设计要点 7 4 2 温度控制系统设计内容 7 后记 8 参考文献 9 1 第一章 绪 论 1 1 温度控制系统的应用 以温度作为被控制量的反馈控制系统 在化工 石油 冶金等生产过程的物理过程和 化学反应中 温度往往是一个很重要的量 需要准确地加以控制 除了这些部门之外 温 度控制系统还广泛应用于其他领域 是用途很广的一类工业控制系统 温度控制系统常用 来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化 1 2 传感器在温度控制系统的应用 随着 信息时代 的到来 作为获取信息的手段 传感器技术得到了显著的进步 其应用领域越来越广泛 对其要求越来越高 需求越来越迫切 传感器技术已成为衡量一 个国家科学技术发展水平的重要标志之一 因此 了解并掌握各类传感器的基本结构 工 作原理及特性是非常重要的 由于传感器能将各种物理量 化学量和生物量等信号转变为电信号 使得人们可以利 用计算机实现自动测量 信息处理和自动控制 但是它们都不同程度地存在温漂和非线性 等影响因素 传感器主要用于测量和控制系统 它的性能好坏直接影响系统的性能 因此 不仅必须掌握各类传感器的结构 原理及其性能指标 还必须懂得传感器经过适当的接口 电路调整才能满足信号的处理 显示和控制的要求 而且只有通过对传感器应用实例的原 理和智能传感器实例的分析了解 才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来 适应传 感器的生产 研制 开发和应用 另一方面 传感器的被测信号来自于各个应用领域 每 个领域都为了改革生产力 提高工效和时效 各自都在开发研制适合应用的传感器 于是 种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现 温度传感器是其中重要的一类传感器 其 发展速度之快 以及其应用之广 并且还有很大潜力 为了提高对传感器的认识和了解 尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途 基于实用 广泛和典型的原则而设计了本系统 本文利用单片机结合传感器技术而开发设 计了这一温度监控系统 文中传感器理论单片机实际应用有机结合 详细地讲述了利用热 敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程 以及实现热电转换的原理过程 第二章 555 定时器概述 2 1 555 定时器介绍 555 定时器又称时基电路 是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件 555 定 时器按照内部元件分为双极型和单极型 一般用双极性工艺制作的称为 555 用 CMOS 工 艺制作的称为 7555 除单定时器外 还有对应的双定时器 556 7556 555 定时器的电源 电压范围宽 可在 4 5V 16V 工作 7555 可在 3 18V 工作 输出驱动电流约为 200mA 因而其输出可与 TTL CMOS 或者模拟电路电平兼容 2 2 555 定时器的工作原理 它含有两个电压比较器 一个基本 RS 触发器 一个放电开关 T 比较器的参考电压 由三只 5K 的电阻器构成分压 它们分别使高电平比较器 C1 同相比较端和低电平比较器 2 C2 的反相输入端的参考电平为 2 3Vcc 和 1 3Vcc C1 和 C2 的输出端控制 RS 触发器状态 和放电管开关状态 当输入信号输入并超过 2 3Vcc 时 触发器复位 555 的输出端 3 脚 输出低电平 同时放电 开关管导通 当输入信号自 2 脚输入并低于 1 3Vcc 时 触发器 置位 555 的 3 脚输出高电平 同时放电 开关管截止 2 3 555 定时器的电路结构与功能 555 定时器成本低 性能可靠 只需要外接几个电阻 电容 就可以实现多谐振荡器 单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路 它也常作为定时器广泛应用于仪器 仪表 家用电器 电子测量及自动控制等方面 一般 555 定时器由分压器 比较器 触发 器和开关及输出等四部分组成 2 4 555 定时器电路组成及其引脚 如图 2 1 所示 2 5 555 定时器的应用 一 构成施密特触发器 用于 TTL 系统的接口 整形电路或脉冲鉴幅 二 构成多谐振荡器 组成信号产生电路 三 构成单稳态触发器 用于定时延时整形及一些定时开关中 2 6 555 定时器的温度控制电路 温度测量主要利用温度传感器实现 温度传感器 采用 NTC 负温度系数 热敏电阻 其电阻值坼随温度 r 的升高而迅速减少 阻值 温度关系为 RT Ae 加 1 式中 A B 是由 半导体材料和加工工艺所决定的两个常数 日是热敏指数 热敏电阻的阻值与温度之间存在非线性关系 对非线性问题可以用数学方法进行处理 但算法比较繁琐 而且要占用大量的硬件资源 本设计中采用 ROM 预先存储周期一温度的 数据 然后通过查表法进行标度变换 测温范围在 0 99 之间 分辨率为 4 I 所以 ROM 中只需存储 100 个数据 而且 ROM 中存储的不是如 l 2 3 等整数点的值 而 图 2 1 3 是 1 5 2 5 3 5 等的值 这样既可以保证精度的要求又可以起到四舍五入的作用 采用 ROM 进行标度变换 还使设计灵活通用 在此电路中只需更改 ROM 中存储的数据就可 以适用于多种类型的温度传感器 第三章 基于 DS1620 和 AT89C2051 的数字温度控制 3 1 DS1620 的介绍 DS1620 是一片 8 引脚的片内建有温度测量并转换为数字值的集成电路 他集温度传 感 温度数据转换与传输 温度控制等功能于一体 测温范围 55 125 精度为 0 5 该芯片非常容易与单片机连接 实现温度的测控应用 单独做温度控制器使用时 可不用外加其他辅助元件 3 2 引脚功能说明 表 3 1 引脚名称功能 1DQ 三限制的数据输入 输出 2CLK CONY 三限制的时钟和标准转换输入 3RET 三限制的复位输入 4GND 接地 5TCOM 温度高 低限触发输出 6TLOW 温度低限触发输出 7THIGH 温度高低限触发输出 8VDD 3 5V 电源 3 3 温度值数据格式 DS1620 的温度值为 9 位数字量 数据用补码表示 最低位表示 0 5 几个典型温度 的数字量如表 2 所列 通过三线传送数据时 低位在前 高位在后 DS1620 读出或写入 的温度数据值可以是 9 位的字 在第 9 位后将置为低电平 也可以作为两个 8 位字节的 16 位字 这时高 7 位为无关位 这种方式在 8 位单片机中处理是比较方便的 3 4 操作和控制 控制 状态寄存器用于决定 DS1620 在不同场合的操作方式 也指示温度转换时的状态 控制 状态寄存器的定义如下 DONE THF TLF NVB 10CPU 1SHOT DONE 温度转换完标志 1 转换完成 0 转换进行中 THF 温度过高标志 温度高于或等于 TH 寄存器中的设定值时变为 1 当 THF 为 1 后 即使温度降到 TH 以下 THF 值也仍为 1 可以通过写入 0 或断开电源来 清除这个标志 4 TLF 温度过低标志 温度低于或等于 TL 寄存器中的设定值时变为 1 当 TLF 为 1 后 即使温度升高到 TL 以上 TLF 值也仍为 1 可以通过写入 0 或断开电源 来清除这个标志 NVB 非易失性存储器忙标志 1 表示正在向存储器中写入数据 0 表示存储器 不忙 写入存储器要 10ms 时间 CPU CPU 使用标志 1 表示使用 CPU DS1620 和 CPU 通过三线制进行数据传输 0 表示不使用 CPU 当不使用 CPU 时 接低电平 CLK 作为转换控制使用 这一位存 放在非易失存储器中 允许至少 50 000 次写操作 1SHOT 一次突发模式 1 时按转换协议进行一次转换 0 时连续转换 这一位 存放在非易失性存储器中 允许至少 50 000 次写操作 3 5 DS1620 的两种操作模式 一 单独工作模式 在这种工作模式下 DS1620 作为热继电器使用 常用连续转换方式 可在没有 CPU 参与下工作 预先必须写入控制寄存器操作模式和 TH TL 寄存器的温度设定值 CLK 用 作转换开始控制端 要注意 这种工作模式下 控制 状态寄存器的 CPU 标志位必须设为 0 为了使 CLK 作转换控制 必须为低电平 如果 CLK 被拉低 且在 10ms 以内置高 则产生一次转换 如果 CLK 保持低 则 DS1620 连续进行转换 当 CPU 为 0 时 转换 由 CLK 控制 而不受 SHOT 控制位的限制 DS1620 有三个温度触发控制端 当 DS1620 的温度高于或等于 TH 寄存器设定值时 THIGH 输出为高电平 当温度低于或等于 TL 寄存器设定值时 TLOW 输出高电平 当温度 高于 TH 寄存器设定值时 TCOM 输出为高电平 直到温度下降到 TL 寄存器设定值以下时 才会变为低电平 二 三线串行通信模式 三线制由三个信号线组成 复位 CLK 时钟 和 DQ 数据 数据传输在由低电 平变为高电平后开始 在数据传输过程中 使变为低电平会终止数据传输 时钟由一序列 上升沿和下降沿组成 DS1620 输入 输出数据时 都必须是上升沿数据有效 读写数据 时低位在前 高位在后 DS1620 的三线制操作时序如图 3 1 所示 从时序图可知 三线制的操作大部分是命令字在前 数据在后 部分命令后不需要数 图 3 1 5 据 下面是 DS1620 的几个主要命令字 开始转换 EEh 开始转换温度 后面不需要有其它数据 读温度 AAh 读出最后一次温度转换的结果 后面的 9 个脉冲输出 9 位温度值 读配置寄存器 0Ch 命令后的连续 8 个脉冲读出配置寄存器的内容 写配置寄存器 ACh 命令后的连续 8 个脉冲写入配置寄存器新的内容 写 TH 寄存器 01h 命令后的连续 9 个脉冲写入 TH 寄存器 9 位温度高限设定值 写 TL 寄存器 02h 命令后的连续 9 个脉冲写入 TL 寄存器 9 位温度低限设定值 读 TH 寄存器 A1h 命令后的连续 9 个脉冲读出 TH 寄存器 9 位温度高限设定值 读 TL 寄存器 A2h 命令后的连续 9 个脉冲读出 TL 寄存器 9 位温度低限设定值 3 6 程序设计 程序采用 C51 编制 在 KEILCV6 20 下调试通过 DS1620SetConf 用于配置控制 状态 寄存器的内容 用 DS1620startConv 开始进行温度转换 用 DS1620ReadConf 返回控制 状 态寄存器内容 可查寻 DONE 位来判断是否转换完成 转换完成后用 DS1620read 读出转换 的温度值 也可采用软件延时方式 在开始转换后延时 1s 以上 再读转换的温度数据值 3 7 AT89C2051 概述 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机 单片机的可擦 除只读存储器可以反复擦除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组 合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版 本 AT89C51 中的所有特殊功能寄存器与 MCS 51 系列的单片机相同 特殊功能寄存器也 称专用寄存器 专用于控制 管理片内算术逻辑部件 并行 I O 口 串行 I O 口 定时器 计数器 中断系统等功能模块的工作 用户在编程时可以置数设定 却不能自由移动它 用 在 51 系列单片机中 将各专用寄存器与片内 RAM 统一编址 且作为直接寻址字节 可直接寻址 51 系列有 18 个专用寄存器 其中 3 个为双字节寄存器 共占 21 个字节 3 8 AT89C51 引脚图 芯片AT89C51的引脚排列和逻辑符号如图3 2所示 6 3 9 AT89C2051 的数字温度控制 在单片机家族的众多成员中 MCS 51 系列单片机以其优越的性能 成熟的技术及高 可靠性和高性能价格比 迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场 成为国内单 片机应用领域中的主流 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 时钟振荡器 将外部时钟电路跟晶振放在同一个封装里面 一般都有 4 个引脚了 两条电 源线为里面的时钟电路提供电源 又叫做有源晶振 时钟振荡器 或简称钟振 好多钟振一般还 要做一些温度补偿电路在里面 让振荡频率能更加准确 在掉电模式下 振荡器停止工作 进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令 片 内 RAM 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结 退出掉电模式的唯一方法是 硬件复位 复位后将重新定义全部特殊功能寄存器 但不改变 RAM 中的内容 在 Vcc 恢 复到正常工作电平前 复位应无效 且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作 温度控制系统采用 AT89C2051 八位机作为微处理单元进行控制 采用 4X4 键盘把设定 温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器 还可以通过键盘完成温度检测功能的转 换 温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比较来控制温度控制器 系统框图如图 3 3 所示 图 3 2 7 3 10 硬件电路连接 如图 3 4 所示是用 AT89C51 单片机作 CPU 来操作 DS1620 的 单片机的 P1 口连接 DS1620 的三线通信接口 P1 1 接 DQ P1 2 接 CLK CONV P1 3 接 RET 第四章 温度控制电路总结 4 1 温度控制系统设计要点 温变化规律的控制 这主要在控制程序设计中考虑 温度控制范围 这就涉及到测温 元件 功率的选择等 控制精度 超调量等指标 这涉及到 A D 转换精度 控制规律选择 等 4 2 温度控制系统设计内容 本设计应用性比较强 设计系统可以作为温度监控系统 如果稍微改装可以做热水器 温度调节系统 实验室温度监控系统等等 课题主要任务是完成环境温度检测 利用单片 机实现温度调节并通过计算机实施温度监控 设计后的系统具有操作方便 控制灵活等优 点 本设计系统包括温度传感器 A D 转换模块 温度传感器模块 和 555 定时器 AT89C51 芯片等 文中对每个部分功能 实现过程作了详细介绍 整个系统的核心是以 55