基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计

华北科技学院毕业设计I基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计总说明温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制。随着电子技术和计算机技术的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用，温度控制的手段也越来越优越，单片机因具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点，尤其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，得到了广泛应用。该系统设计了以AVR单片机为控制核心的炉温监测监控系统。选择DS18B20作为温度传感器，实时监测低温电阻炉温度；基于交流触发器和晶闸管触发电路的混合控制，达到快速准确调节温度。设计了硬件原理图，并详细论述了各个硬件组成部分的工作原理，以及各部分所使用的元器件。将其应用于电加热炉温度控制系统的智能控制系统，满足了温度控制稳定性的要求，减少了操作人员的劳动量和带来的人为误差，提高了产品的热处理质量。本基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计的总体方案包括一、温度监测系统的硬件电路设计；二、系统软件的设计；三、PID控制器的设计。首先是温度传感器的选择。目前常用的测温传感器分模拟和数字两种方式模拟方式如热敏元件或热电阻等；数字方式多采用智能芯片DS18B20。模拟方式有很多小足。相比之下数字式比模拟式有更大的优势。新代数字温度传感器DS18B20其优点是电压适用范围宽；单线接口数据传输方式；支持组网实现多点测温；测温范围宽、精度高、体积小、外围电路简单等。本系统选择的温度传感器就是DS18B20，系统开始工作时，DS18B20采集温度信号并将信号送到单片机中，再将对应的温度送显示并保存数据信息，同时单片机会根据初始化所设置的温度进行比较，将其差值送PID控制器，处理后输出一定数值的控制量，根据控制量，控制晶闸管主回路的导通时间来调节输入功率，从而控制电阻丝的发热量，达到控制温度的目的。其次，是外围硬件电路的设计，外围硬件电路包括温度检测、晶闸管触发电路、键盘及LCD显示电路、晶振电路，复位电路、报警电路等。本次设计选择AVR单片机型号为ATMEGA8，ATMEGA8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVRRISC结构的8位单基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计II片机。根据单片机的I/O口设计硬件电路，合理分配I/O接口，电路设计简洁、直观，成本低廉，温度测量准确。第三，系统软件设计。系统的软件是根据系统功能要求来设计的。软件按功能可分为两类，一类是执行软件，它能完成各种实际性的功能，如温度测量、计算、显示、输出控制等；另一类是监控软件，它是专门、用来协调各种执行模块和操作者的关系，充当组织调度角色。第四，PID控制器的设计。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制是由P,I,D三个环节的不同组合而成。其基本组成原理比较简单，参数的物理意义也比较明确。本次设计的是以温度为被控制量的闭环控制系统，检测模块作为闭环的反馈实时检测温度，经过放大处理后将信号传送给单片机，经过处理后，一方面送与系统温度设定值相比较，通过PID算法控制温度达到所需值，以达到更准确的温度控制。关键词AVR单片机；DS18B20；PID控制；温度检测与控华北科技学院毕业设计IIITHEFURNACETEMPERATUREMONITORINGSYSTEMOFAVRSCMGENERALINTRODUCTIONTEMPERATUREISONEOFTHEMAINCONTROLLEDPARAMETERSININDUSTRIALOBJECTSALLKINDSOFHEATINGFURNACE,HEATTREATMENTFURNACEANDRADIATORSAREWIDELYUSEDINTHEINDUSTRYLIKESMETALLURGY,MACHINERY,FOODANDCHEMICALINDUSTRY,ETCITSSTRICTLYCONTROLLEDINTHEREQUIREMENTSOFPROCESSINGTEMPERATUREASTHEDEVELOPMENTOFELECTRONICTECHNOLOGYANDCOMPUTERTECHNOLOGY,COMPUTERMEASUREMENTASWELLASTHECONTROLTECHNOLOGYOBTAINSARAPIDDEVELOPMENTANDWIDESPREADAPPLICATIONMOREVER,THEMEANSOFTEMPERATURECONTROLGETSMOREANDMORESUPERIORSCMGETSAWIDERANGEOFAPPLICATIONSFORTHEADVANTAGESOFSTRONGHANDLINGABILITY,FASTRUNNINGSPEED,LOWPOWERCONSUMPTIONAPARTFROMTHIS,THESIMPLEANDCONVENIENTCONTROLLING,RANGEMEASURINGANDHIGHACCURACYINTEMPERATUREMEASUREMENTANDCONTROLMAKESITMOREANDMOREPOPULARUSINGAVRSCMASTHECORE,THEARTICLEDESIGNSAFURNACETEMPERATUREMONITORINGSYSTEMITCHOOSESDS18B20ASTHETEMPERATURESENSORTOMONITORTHELOWTEMPERATURERESISTANCEFURNACETEMPERATUREBASEDONTHEMIXCONTROLOFCOMMUNICATIONTRIGGERANDGRAINBRAKECANALTRIGGERCIRCUIT,ITACHIEVESTHEPURPOSEOFFASTANDACCURATETEMPERATUREADJUSTMENTTHEARTICLEDESIGNSAHARDWAREPRINCIPLEDIAGRAMTOILLUSTRATETHEWORKINGPRINCIPLEOFALLPARTSOFTHEHARDWAREANDEACHBRANCHOFTHECOMPONENTSAPPLYINGINTOTHEINTELLIGENTELECTRICHEATINGTEMPERATURECONTROLSYSTEM,ITMEETSTHEREQUIREMENTSOFTHETEMPERATURECONTROLSTABILITY,REDUCESTHEAMOUNTSOFOPERATORSANDHUMANERROR,IMPROVESTHEPRODUCTQUALITYOFHEATTREATMENT,EICTHEOVERALLDESIGNOFAVRSCMFURNACETEMPERATUREMONITORINGSYSTEMINCLUDESTHEFOLLOWINGTHREEPARTSTHEHARDWARECIRCUITDESIGNOFTHETEMPERATUREMONITORINGSYSTEM,THEDESIGNOFTHESYSTEMSOFTWAREASWELLASTHEDESIGNOFPIDCONTROLLERFIRST,THECHOICEOFTEMPERATURESENSORINNOWADAYS,THECOMMONTEMPERATURESENSORHASTWOWAYS,ONEISANALOGANDTHEOTHERISDIGITALFOREXAMPLE,THEEMPERATURESENSINGELEMENTSANDHEATRESISTANCEBELONGTOTHEANALOGWAY,ANDTHEDIGITALONEISMAINLYUSINGINTELLIGENTCHIPDS18B20COMPAREDTOTHEANALOGWAY,DIGITALWAYHASMUCHMOREADVANTAGES,LIKESTHEWIDEAPPLICATIONSCOPEOFVOLTAGE,ONEINTERFACEDATATRANSMISSION,MULTIPOINT,WIDERAGE,HIGHPRECISION,SMALLVOLUMEANDSIMPLEPERIPHERALCIRCUIT基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计IVTEMPERATUREMEASUREMENT,ETCTHETEMPERATURESENSORCHOSENBYTHESYSTEMISDS18B20AFTERTHEOPERATINGOFTHESYSTEM,DSI8B20COLLECTESTHETEMPERATURESIGNALANDSENDSITTOTHECHIP,AFTERTHAT,ITDISPLAYSTHECORRESPONDINGTEMPERATUREANDSTORESTHEDATAATTHESAMETIME,SCMWILLCOMPARETHEREALTEMPERATUREWITHTHEINITIALSETONEANDSENDTHEDIFFERENCETOTHEPIDCONTROLLERTOGETAOUTPUTOFACERTAINAMOUNTOFCONTROLVOLUMEANDACCORDINGTOTHECONTROLVOLUME,ITCONTROLSTHETHYRISTORCIRCUITCONDUCTIONTIMETOADJUSTTHEINPUTPOWERANDCONTROLSTHECALORIFICVALUEOFTHERESISTANCEWIRE,AIMSTOCONTROLTHETEMPERATURESECOND,THEDESIGNOFPERIPHERALHARDWARECIRCUITPERIPHERALHARDWARECIRCUITINCLUDESTEMPERATUREDETECTION,THYRISTORTRIGGERCIRCUIT,KEYBOARDANDLCDDISPLAYCIRCUIT,CRYSTALSCIRCUIT,RESETCIRCUIT,ALARMCIRCUIT,ETCTHETYPEOFAVRSCMWECHOOSEISATMEGA8ATMEGA8ISANEIGHTSCMBASEDONAVRRISCSTRUCTURE,PRODUCEDBYALOWPOWERCONSUMPTIONCMOSACCORDINGTOTHEI/OMOUTHSCM,WEDESIGNTHEHARDWARECIRCUITANDDISTRIBUTEI/OINTERFACERESONABLYTHEDESIGNISSIMPLE,INTUITIVE,LOWCOSTANDACCURACYTEMPERATUREMEASUREMENTTHIRD,THEDESIGNOFSYSTEMSOFTWARETHEDESIGNSOFSYSTEMSOFTWAREMEETSTHEREQUIREMENTSOFSYSTEMFUNCTIONTHESOFTWARECANBEDIVIDEDINTOTWOCATEGORIESBASEDONTHESYSTEMFUNCTIONONEISIMPLEMENTSOFTWAREWHICHCANPERFORMAVARIETYOFPRACTICALFUNCTION,SUCHASTEMPERATUREMEASUREMENT,CALCULATION,DISPLAY,OUTPUTCONTROL,ETCTHEOTHERONEISMONITORINGSOFTWAREWHICHISDEDICATEDTOCOORDINATETHEVARIOUSEXECUTIVEMODULEANDTHEOPERATOR,PLAYINGAROLEASACOORDINATERFOUR,THEDESIGNOFPIDCONTROLLERACONTROLSYSTEMINCLUDESTHECONTROLLER,SENSORS,TRANSMITTER,ACTUATORSANDINPUT/OUTPUTINTERFACETHEOUTPUTOFTHECONTROLLERGOESTHROUGHTHEOUTPUTINTERFACEANDACTUATORSANDADDEDTOTHECONTROLLEDSYSTEMTHEQUANTITYACCUSEDOFTHECONTROLSYSTEMGOESBYTHESENSOR,TRANSMITTERANDSENTTOTHECONTROLLERTHROUGHTHEINPUTINTERFACEINTHEENGINEERINGPRACTICE,THEMOSTWIDELYUSEDREGULATORCONTROLLAWSARESCALE,INTEGRALANDDIFFERENTIALCONTROL,PIDCONTROLFORSHORTWITHTHEHISTORYOFNEARLYSEVENTYYEARS,PIDCONTROLLERBECOMESONEOFTHEMAINTECHNOLOGSININDUSTRIALCONTROLFORTHESIMPLESTRUCTURE,GOODSTABILITY,CONVENIENTADJUSTMENTANDRELIABLEWORKINGPIDCONTROLISACOMBINATIONOFP,I,DTHEBASICPRINCIPLEOFPIDCONTROLISRATHERSIMPLEANDITSPARAMETERSOFTHEPHYSICAL华北科技学院毕业设计VMEANINGISRATHERCLEARTHISDESIGNISACLOSEDLOOPCONTROLSYSTEMTODETECTTHEFEEDBACKREALTIMETEMPERATUREOFTHEMODULEAFTERTHEAMPLIFICATIONPROCESSING,ITSENDSTHESIGNALTOSCMCOMPARINGWITHTHEINITIALSETTEMPERATUREANDCACULATINGTHENECESSARYVALUESOFBYPIDALGORITHMTOREACHTHEAIMOFABETTERACCURACYTEMPRATURECONTROLKEYWORDSAVRSINGLECHIPMICROCOMPUTERDS18B20PIDCONTROLTEMPERATUREDETECTIONANDCONTROL基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计目录设计总说明IGENERALINTRODUCTIONIII1绪论111国内外温度控制系统的发展概况1111国外温度控制系统的发展情况1112国内温度控制系统的发展概况212温度控制的研究意义213本论文的内容和主要工作32系统总体设计421电阻炉的数学模型及炉温控制曲线422系统控制的工艺要求423系统的组成和基本原理5231系统的组成5232系统基本原理53硬件设计731主机电路7311ATMEGA8简单概述7312ATMEGA8主要特性8313ATMEGA8管脚说明10314ATMEGA8单片机接口的分配1132温度检测电路12321传感器DS18B20的介绍12322DS18B20的供电方式14323DS18B20的读写时序15324DS18B20的测温原理17325DS18B20与单片机接线1833电源电路1934显示电路的设计20华北科技学院毕业设计341SMC1602A总线方式驱动接口及读/写时序21342SMC1602A的操作指令22343SMC1602A和单片机接口电路2435键盘设置电路2536控制执行电路25361交流接触器工作原理26362可控硅触发电路调功控温2737时钟电路2938复位电路3039过限报警电路314软件设计3241主程序的设计32411按键程序流程图3342PID控制算法34421PID控制原理34422PID控制及其算法36423PID参数的整定37424PID软件设计流程图405结论41参考文献42致谢43附录A程序清单44附录BDS18B20驱动53附录CSMC1602A驱动56华北科技学院毕业设计第1页共63页1绪论在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，电阻炉被广泛应用于其中。而电阻炉是一个模型随炉温变化而变化的对象，这导致了温度成为这些行业极为普遍又极为重要的热工参数之一。从工业炉温、环境气温到人体温度；从空间、海洋到家用电器，各个技术领域都离不开测温和控温。因此，测温、控温技术是发展最快、范围最广的技术之一。温度控制系统具有非线性、时滞以及不确定性。单纯依靠传统的控制方式或现代控制方式都很难达到高质量的控制效果。采用单片机进行温度控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标。11国内外温度控制系统的发展概况111国外温度控制系统的发展情况由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点（1）适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。（2）能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。（3）能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。（4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。（5）普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。（6）温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计第2页共63页控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。112国内温度控制系统的发展概况温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。目前，我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面（1）行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。（2）商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。（3）仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例如在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。12温度控制的研究意义在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制，可以说几乎80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度对于工业如此重要，由此设计一个具有高可靠性，灵活姓方便性和有高的测量精度和分辨率，测量范围大；抗干扰能力强，稳定性好；信号易于处理、传送和自动控制；便于动态及多路测量，读数直观；安装方便，维护简单的温控是很有必要的。所以采用华北科技学院毕业设计第3页共63页AVR单片机和DS1820传感器构成测温系统来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等以上优点，而且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和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。针对目前市场的现状，本课题提出了一种可满足要求、可扩展的并且性价比高的单片机测温系统。13本论文的内容和主要工作设计内容结合电力电子技术，达到高效率控制电阻炉，降低调节温差，缩短调节时间，提高产品质量，降低燃耗,节约能源。参数设定便利、直观，温度测量准确，控制温度范围3080，过限报警，并最终由大屏幕液晶显示参数系统设计的主要工作（1）开发一个能进行数据处理，能完成控制功能的智能控制系统。该系统包含由AVR单片机及其复位电路，晶振电路，温度传感器与系数接口，显示电路，存储器及接口电路组成的控制器，以温度为被控制量的闭环控制系统。（2）根据系统功能要求对系统软件进行设计。（3）使用PID控制算法对温度进行控制。基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计第4页共63页2系统总体设计21电阻炉的数学模型及炉温控制曲线被控对象是一个电阻炉，它的传递函数可以表示为PWS1STKEPS其中，表示对象惯性时间，K表示对象放大系数。PT一个电炉的炉温控制要求按下图21所示曲线规律变化。从加温开始到A点（对应温度为TA）为自由升温段，当温度达到TA后收入模糊PID控制，使炉温在超调满足给定指标的条件下进入保温段BC，CD段为自然降温段，无需控制。T/MINDCBA2TST0BTAT/图21炉温控制曲线22系统控制的工艺要求在工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一，为了保证生产过程正常安全的运行，提高产品的质量，减轻工人的劳动强度，同时节约能源,须要求加热用的各种电炉在一定的条件下保持恒温，不能随电压的波动而变化或者有的电炉根据华北科技学院毕业设计第5页共63页工艺要求按照某个指定的升温或保温律而变化，且超调量小或者无超调量，稳定性好，不振荡。根据工艺的要求不同，大体上可以归纳为以下几个过程（1）自由升温段，这一工艺过程要求执行元件向电阻炉输送最大能量，使加热炉全速升温到某一值，升温的时间和速度没有具体要求，这时单片机不需要进行控制工作，只需检测炉温。（2）恒温段，这一工艺过程是温度控制的主要工艺过程，它要求控制系统保证炉温在各种干扰下能稳定在允许范围内。（3）自由降温段，这一工艺过程中执行元件不再向炉子输送能量，让其自然冷却到某一温度，此时单片机只需监测炉温即可，有时甚至无须做任何工作。23系统的组成和基本原理231系统的组成系统由单片机、接口电路、外部设备等组成，如图22所示。控制对象的被测参数经传感器、变换器，转换成统一的标准信号，再经多路开关送到送入单片机。除此之外，有些被测参数为数字量、开关量或脉冲量，它们可过接口直接加至单片机。单片机对数据进行处理和计算，然后经模拟量或开关量输出通道输出，对被测参数进行控制。控制对象传感器多路开关单片机串口通信口键盘显示器执行机构开关量输出开关量输入图22系统的基本组成框图232系统基本原理温度控制系统硬件电路由温度检测，单片机PID运算，输出控制和过限报警四个模块组成。如图23所示，检测模块作为闭环的反馈实时检测温度，经过放大处理后基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计第6页共63页将信号传送给单片机，经过处理后，一方面送往液晶显示器，另一方面，与系统温度设定值相比较，通过PID算法控制温度达到所需值。其中输出控制模块部分由两块组成由晶闸管触发电路和交流接触器协调控制通断。由于初始的全功率加热电流大，晶闸管允许通过的电流小，故采用交流接触器进行控制；在后期的温度调整时期，需要来回通断以调整温度达到预期值，对交流接触器的触点寿命有很大的影响，故采用晶闸管触发电路。电阻炉传感器MEGA8显示器/键盘设温晶闸管交流接触器过限报警隔离功放交流电晶闸管图23系统工作原理图华北科技学院毕业设计第7页共63页3硬件设计硬件电路主要有主机电路、温度检测电路、电源部分的电路、键盘设置电路、显示电路、控制执行电路、系统时钟复位电路、过限报警电路。下面将具体介绍各部分电路。31主机电路根据设计的要求，本系统选择的是AVR系列的ATMEGA8单片机。311ATMEGA8简单概述ATMEGA8是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA8的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATMEGA8内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元ALU相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATMEGA8有如下特点8K字节的系统内可编程FLASH具有同时读写的能力，即RWW，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器T/C,片内/外中断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，10位6路8路为TQFP与MLF封装ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及五种可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计第8页共63页I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；STANDBY模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。本芯片是以ATMEL高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISPFLASH允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用FLASH存储区APPLICATIONFLASHMEMORY。在更新应用FLASH存储区时引导FLASH区BOOTFLASHMEMORY的程序继续运行，实现了RWW操作。通过将8位RISCCPU与系统内可编程的FLASH集成在一个芯片内，ATMEGA8成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATMEGA8具有一整套的编程与系统开发工具，包括C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。具体的引脚图如图31所示。图31ATMEGA8引脚图312ATMEGA8主要特性高性能、低功耗的8位AVR微处理器，先进的RISC结构130条功能强大的指令大多数指令执行时间为单个时钟周期32个8位通用工作寄存器华北科技学院毕业设计第9页共63页全静态工作工作于16MHZ时性能高达16MIPS片内集成硬件乘法器（执行速度为2个时钟周期）片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器8K字节的FLASH程序存储器，擦写次数10000次支持可在线编程（ISP）、可在应用自编程（IAP）带有独立加密位的可选BOOT区，可通过BOOT区内的引导程序区（用户自己写入）来实现IAP编程。512个字节的E2PROM，擦写次数100000次1K字节的片内SRAM可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密外设特点2个具有比较模式的带预分频器（SEPARATEPRESCALE）的8位定时/计数器,其中之一有比较功能一个具有预分频器（SEPARATPRESCALE）、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器1个具有独立振荡器的异步实时时钟（RTC）3个PWM通道，可实现任意16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出8通道A/D转换（TQFP、MLF封装），6路10位A/D2路8位A/D6通道A/D转换（PDIP封装），4路10位A/D2路8位A/D1个I2C的串行接口，支持主/从、收/发四种工作方式，支持自动总线仲裁1个可编程的串行USART接口，支持同步、异步以及多机通信自动地址识别个支持主/从（MASTER/SLAVE）、收/发的SPI同步串行接口带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器片内模拟比较器特殊的处理器特点上电复位以及可编程的掉电检测片内经过标定的RC振荡器片内/片外中断源五种睡眠模式空闲模式（IDLE）、ADC噪声抑制模式（ADCNOISEREDUCTION）。省电模式基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计第10页共63页（POWERSAVE）、掉电模式（POWERDOWN）、待命模式（STANDBY）I/O和封装最多23个可编程I/O口，可任意定义I/O的输入/输出方向；输出时为推挽输出，驱动能力强，可直接驱动LED等大电流负载输入口可定义为三态输入，可以设定带内部上拉电阻，省去外接上拉电阻28脚PDIP封装，32脚TQFP封装和32脚MLF封装工作电压2755VATMEGA8L4555VATMEGA8速度等级08MHZATMEGA8L016MHZATMEGA84MHZ时功耗,3V,25C正常模式（ACTIVE）36MA空闲模式（IDLEMODE）10MA掉电模式（POWERDOWNMODE）05UA313ATMEGA8管脚说明VCC数字电路的电源。GND地。端口BPB7PB0端口B是一个8位双向I/O口，每一个引脚都带有独立可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。当端口B作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B仍处于高阻状态。通过时钟选择熔丝位的设置，PB6可作为反向振荡放大器或时钟操作电路的输入端，PB7可作为反向振荡放大器的输出端。若通过系统时钟选择熔丝位的设置，则使用片内标定RC振荡器时钟，通过置位ASSR寄存器的AS2位，可将PB6、PB7作为异步实时时钟/计数器2的输入口TOSC1、TOSC2使用。端口CPC5PC0端口C为7位双向I/O口，每一个引脚都带有独立可编程的内部上拉华北科技学院毕业设计第11页共63页电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。当端口C作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C仍处于高阻状态。PC6/RESET若RSTDISBL熔丝位编程，PC6作为I/O引脚使用。注意PC6的电气特性与端口C的其他引脚不同。若RSTDISBL熔丝位未编程，PC6作为复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。端口DPD7PD0为8位双向I/O口，每一个引脚都带有独立可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。当端口D作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。AVCC是A/D转换器、端口C30及ADC76的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。AREFA/D的模拟基准输入引脚。ADC76TQFP与MLF封装作为A/D转换器的模拟输入。为模拟电源；作为10位ADC通道。基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计第12页共63页314ATMEGA8单片机接口的分配图31单片机接口的分配ATMEGA8单片机的接口如上图所示，其中14脚接温度传感器DS18B20，13,15脚分别为两个控制端，12脚为过限报警端，1脚接复位电路，9、10脚接晶振电路，25脚为键盘输入端。2328脚接LCD液晶显示屏。32温度检测电路321传感器DS18B20的介绍本次设计选用的是新代数字温度传感器DS18B20，DS18B20具有精度高，测量范围大，不需要辅助电源等特点，且通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。并且用户可以自定义非易失性温度报警设置，所以DS18B20在温度控制，工业系统，消费品等许多热感测系统中有广泛应用。工作过程及操作指令华北科技学院毕业设计第13页共63页根据DS18B20的通讯协议完成温度转换必须经过三个步骤（1）每次读写之前都要对DS18B20进行复位操作（2）复位成功后发送条RON指令（3）址后发送RAN指令。这样才能对DS18B20进行预定的操作。CPU对DS18B20器件操作常用指令表如表1所示。表1DS18B20主要命令及其功能说明命令码功能说明命令码功能说明33H读DS18B20温度传感器ROM中的64位地址序列码BEH读9字节暂存寄存器55H发出此命令之后接着发出64位ROM编码，访问单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。4EH写入温度上/下限，紧随其后是2字节数据，对应上限和下限值0FOH锁定总线上DS18B20的个数和识别其ROM中的64位地址序列码48H将9字节暂存寄存器的第3和4字节复制到EEPROM中ECH只有温度超过上限或下限的DS18B20才做出响应B8H将EEPROM的内容恢复到暂存寄存器的第3和4字节0CCH忽略64位ROM地址直接向DS18B20发温度变换命令。适用手单片工作。B4H读供电模式，寄生供电时DS18B20发送0，外接电源时DS18B20发送144H启动DS18B20进行温度转换，结果存入9字节的暂存寄存器DS18B20有三个主要数字部件（1）64位激光ROM；（2）温度传感器；（3）非易失性温度报警触发器TH和TL。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS18B20也可用外部5V电源供电。基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计第14页共63页64位ROM和单线端口存储器和控制逻辑暂存器下限触发TL上限触发TH温度传感器8位CRC产生器电源探测内部VDD图32DS18B20方框图DS18B20依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面5种ROM操作命令之一（1）读ROM；（2）匹配ROM；（3）搜索ROM；（4）跳过ROM；（5）报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功执行完一条ROM操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6条存储器和控制操作指令中的任一条。一条控制操作命令指示DS18B20完成一次温度测量。测量结果放在DS18B20的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器TH和TL各由一个EEPROM字节构成。如果没有对DS18B20使用报警搜索命令，这些寄存器可以作为一般用途的用户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对TH和TL进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。华北科技学院毕业设计第15页共63页322DS18B20的供电方式DS18B20的寄生电源会在I/O或VDD引脚处于高电平时“偷”能量。当有特定的时间和电压需求时，I/O要提供足够的能量。寄生电源有两个好处（1）进行远距离测温时，无需本地电源；（2）可以在没有常规电源的条件下读ROM。要想使DS18B20能够进行精确的温度转换，I/O线必须在转换期间保证供电。由于DS18B20的工作电流达到1MA，所以仅靠5K上拉电阻提供电源是不行的，当几只DS18B20挂在同一根I/O线上并同时想进行温度转换时，这个问题变得更加尖锐。有两种方法能够使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应。第一种方法，当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时，给I/O线提供一个强上拉。用MOSFET把I/O线直接拉到电源上就可以实现，见图33。在发出任何涉及拷贝到E2存储器或启动温度转换的协议之后，必须在最多10S之内把I/O线转换到强上拉。使用寄生电源方式时，VDD引脚必须接地。P5V5VGNDDS18B2047KVDDI/O图33温度转换期间的强上拉电阻供电另一种给DS18B20供电的方法是从VDD引脚接入一个外部电源，见图34。这样做的好处是I/O线上不需要加强上拉，而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据往来。另外，在单线总线上可以挂任意多片DS18B20，而且如果它们都使用外部电源的话，就可以先发一个SKIPROM命令，再接一个CONVERTT命令，让它们同时进行温度转换。注意当加上外部电源时，GND引脚不能悬空。基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计第16页共63页P5VGNDDS18B2047K外部5V电源I/O其他单线器件图34用VDD供电温度高于100时，不推荐使用寄生电源，因为DS18B20在这种温度下表现出的漏电流比较大，通讯可能无法进行。在类似这种温度的情况下，强烈推荐使用DS18B20的VDD引脚。对于总线控制器不知道总线上的DS18B20是用寄生电源还是用外部电源的情况，DS18B20预备了一种信号指示电源的使用意图。总线控制器发出一个SKIPROM协议，然后发出读电源命令，这条命令发出后，控制器发出读时间隙，如果是寄生电源，DS18B20在单线总线上发回“0”，如果是从VDD供电，则发回“1”，这样总线控制器就能够决定总线上是否有DS18B20需要强上拉。如果控制器接收到一个“0”，它就知道必须在温度转换期间给I/O线提供强上拉。323DS18B20的读写时序由于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AT89S51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。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，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。华北科技学院毕业设计第17页共63页数据和命令的传输都是低位在先。DS18B20的复位时序图35DS18B20的复位时序图对于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。图36DS18B20的读时序图对于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。基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计第18页共63页图37DS18B20的写时序图324DS18B20的测温原理DS18B20通过一种片上温度测量技术来测量温度。图38示出了温度测量电路的方框图。斜坡累加器计数器低温度系数振荡器比较预置门周期高温度系数振荡器门周期温度寄存器预置计数器LSB置位/清0停止增加图38温度测量电路方框图表2温度与数据的关系温度数据输出（二进制）数据输出（十六进制）125000000001111101000FA25000000000011001000321/200000000000000010001华北科技学院毕业设计第19页共63页0000000000000000000001/211111111111111111FFFF2511111111111001110FFCE5511111111110010010FF92DS18B20是这样测温的用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于55的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到55）的值增加，表明所测温度大于55。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。DS18B20内部对此计算的结果可提供05的分辨力。温度以16BIT带符号位扩展的二进制补码形式读出，表1给出了温度值和输出数据的关系。数据通过单线接口以串行方式传输。DS18B20测温范围55125，以05递增。如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。325DS18B20与单片机接线用DS18B20与单片机组成测温电路，主要完成对温度信号的采集和转换工作，由DS18B20及其与单片机的接口部分组成。其主要与单片机引脚的接口如图39所示基于AVR单片机的炉温监测监控系统设计第20页共63页图39DS18B20与单片机接线图DS18B20是与单片机的PB0端口相接，单片机通过对单总线DQ的操作来发送命令，读取数据等实现单片机对DS18B20模式的控制，温度值读取等操作。33电源电路由于本系统所用到的一系列芯片的电源都是直流电源，而现实中用的都是交流电，故要把交流电整流成直流电，本设计运用的是桥式整流法把交流电整流成直流电，从而满足系统的要求。整流原理图如图310所示华北科技学院毕业设计第21页共63页图310桥式整流电路34显示电路的设计设计要求能显示当前温度值，因此可采用液晶显示或者数码管显示两种方法。考虑到数码管显示过于单调，因此采用采用液晶显示。液晶显示模块具