(整理)智能温度检测控制系统的设计.

1、精品文档精品文档智能温度检测控制系统的设计作者： xxx 指导老师： xxx摘要: 在日常生活及工农业生产中，人们经常要用到温度的检测及控制，而目前推广应用的许 多温度控制系统多采用电阻式温度传感器，测量精度低，需要A/D 转换和比较多的外部硬件支持，电路复杂，离散性大，温度反应缓慢。而新型数字式智能温度传感器DS18B2C可以直接读出被测温度值，反应速度快，也可以设定温度上下限，还可以根据实际温度控制外部电 路，进行温度补偿等。本文介绍了采用数字式温度传感器作为温度采集单元和用单片机来对 它们进行控制，并用DS18B20和AT89C51单片机为核心开发研制了一种自动温度测控系统， 该系统具有

2、控制方便、简单、灵活、实用性强、测量精度高、可靠性高等特点。关键词： 数字温度传感器 智能温度控制 单片机1 引言温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中 需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置关 键是温度传感器。在众多应用于温室环境监测的元件中，温敏电阻虽然成本低，但后续电路 复杂，且需进行温度标定；电流型集成温度传感器 AD590也因其输出为模拟信号，且输出信 号较弱故需后续放大及 A/ D 转换电路， 若采用普通运放则精度难以保证， 而测量放大器价格 偏高，这就使系统的成本升高；目前，国际上新型温度传感器正从模拟

3、式向数字式，从集成 化向智能化、网络化的方向飞速发展。自美国 DALLAS 公司生产单总线、数字式温度传感器 系列（如DS1620、DS1820、DS18B20）以来，相继被广泛应用于计算机与自动化测控领域。 改变了传统温度测试方法，能在现场采集温度数据，并直接将温度物理量变换为数字信号并 以总线方式传送到计算机进行数据处理，测温度范围为 -55+ 125C。本系统采用美国 DALLAS 公司的产品可编程单总线数字式温度传感器 DS18B20 实现温室内温度信号的采 集，进而实现温室内的温度监测及进行温度补偿。智能温度传感器DS18B20将温度传感器、A/D 传感器、寄存器、接口电路集成在一个

4、芯片中，代替模拟温度传感器和信号处理电路， 直接与单片机沟通，完成温度采集和数据处理，具有直接数字化输出、测试及控制功能强、 传输距离远、抗干扰能力强、微型化微功耗、便于多点测量且易于扩展的特点。它可应用于 各种领域、各种环境的自动化测试和控制系统，使用方便灵活，测试精度高，优于任何传统 的温度数字化、自动化测控设备，还可以让我们可以构建适合自己的经济的温控系统精品文档精品文档2 系统设计分析通过预先对DS18B2可编程温度传感器的编程，完成转换位数，精度，高、低温报警触发 器TH TL的温度设置。进入测温模式后，DS18B2可编程温度传感器将所测的温度值直接转 换成数字量，通过其独有的单总线

5、协议，实现与单片机的数据传输，完成数据采集。再结合 软件及相应外围电路进行实时温度监控。2.1 设计任务与要求本文将DS18B20与其它温度传感器如温敏电阻、 AD590进行比较,介绍了 DS18B20的基 本特性。由于DS18B20具有直接输出数字信号、单总线接口、成本低等优点，将其应用在由 AT89C5及各种环境因子检测传感器构成的温室环境监测中作为测温探头,给出了相应的硬件接口电路、软件流程及主要程序代码。系统实现的功能如下：(1) 测温检测范围在-55125 C,误差在0.5 C以内(2)在测温模式下，实时测出当前温度并用 4位数码管显示当前温度。(3) 用户可以通过按键设置允许最高温

6、度 125C、允许最低温度-55 C。(4)在测温模式下， 实时比较当前温度与设定温度， 当高于设定温度 1度时，系统绿灯亮， 并接通继电器 1进行制冷。当低于设定温度 1度时，系统红灯亮，并接通继电器 2进行加热。当 温度超过允许温度时，声音警报响。由于实际条件有限，制冷和加热设备作为外围电路在本设计中不予制作。2.2 系统总体方案介绍硬件电路由如下部分组成， 即键盘输入电路、 单片机最小系统、 时钟电路、 复位电路、 LED 显示驱动电路、 4位 LED 显示器、温度检测电路及温度控制电路。硬件电路框图见如图精品文档精品文档图1硬件电路框图3系统硬件介绍3.1 DS18B20单线数字温度传

7、感器3.1.1 DS18B20引脚分布数字温度传感器DS18B20的测温范围为-55+ 125 C,精度为0.5 C,测量的温度值用912位数字表示，最大转换时间为750 ms温度超标报警的上、下限值，DS18B20的转换分辨率均可由用户设定，并能长期保存。利用Dallas的单总线控制协议，和单线控制信号在总线上来实现数据的读写。DS18B20可编程温度传感器有3个管脚，ground为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。DS18B20的另一特点是在没有外部电源下操作的能力，电源由总线为高电平时DQ脚上的上拉电阻提供（寄生供电模式），此时VD0B接地。也可用传统方

8、式供电，即将外部电源接在VDD脚上即可，范围3.10 5.5 V。本设计使用的封装形式如图2所示，采用寄生电源接线方式。精品文档精品文档(BOTTOM VEW)TO-92(DS18B20)图2DS18B20的管脚图引脚含义如下：DQ:数字信号输入 输出端。GND电源地。VDD:外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）3.1.2 DS18B20的测温原理DS18B20测温原理如图3所示。当DS18B20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第 1 ，2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，

9、数据格式以 0.062 5 C/ LSB形式表示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用来向计数 器1提供固定频率的脉冲信号。高温度系数晶振的振荡频率受温度影响较大，随温度的变化 而明显改变，其产生的信号作为计数器 2的脉冲输入，用于控制闸门的关闭时间。初态时， 计数器1和温度寄存器被预置在与-55 C相对应的一个基值上。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，在计数器2控制的闸门时间到达之前，如果计数器1的预 置值减到0，则温度寄存器的值将作加1运算，与此同时，用于补偿和修正测温过程中非线 性的斜率累加器将输出一个与温度变化相对应的计数值，作为计数器1的新预置值，计数

10、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控制的闸门时间到达亦即计数到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。在默认的配置中，DS18B20的测温分辨率为0.0625 C,以12位有效数据表示，其中， 高位的S表示符号位，其数据格式如表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，再计精品文档算十进制值。表2是对应的一部分温度值。DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL做比较，若T TH或T 1 000 次)FLASH ROM精品

11、文档精品文档 全静态操作024 MHz精品文档精品文档PLOPl. 1PL 2PL3PL4Pl. 5PLtPL 7 ftST(RXDP3. 0 (TXDIP3.1 TVHba 2 (UinjPJ. 3 仃0)P3, 4 ffDPI 5 (W)Pt 6XTAL2XTAL1C3| Pl 0/ (ADO) I PEL 1/(AD1) |P12/(AD21 IPD. 3/ (AD3) |P0./WD4) 11*0, 5/(.OS) |P0. o/(ADbl 0.7/(Al7) )|8I/VPP:1LE/?ROl mN iP2.7/(A15)P2.6/(A14) j PL 5/M3) :?2.41A12

12、)I PL 3/(AID |P2.2/(AiO)PL1/M9) ?2, t)/(AS)128 X 8 b内部RAMAT89C51图6AT89C51引脚图该款芯片的超低功耗和良好的性能价格比使其非常适合嵌入式产品应用。3.3 驱动电路74LS244741LS244是TTL八同相三态缓冲器/线驱动器，其coms器件对应为74HC244，常用在单片 机MCU系统中，作为单片机的输入输出数据缓冲器，在选通时输入数据送到总线上，在非选 通时对总线呈高阻态。3.4各个模块电路的设计3.4.1 LED显示电路单片机的并行口不能直接驱动 LED显示器，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生 足够大的电流，否则显

13、示器亮度低并且驱动电路长期在超负荷下运行容易坏。应根据所选择 的显示方式来确定选择何种驱动器，在本系统中采用的是动态显示故我们选取的是 74LS244,在输入端输入要显示字形的 BCD码输出端就可以得到有一定驱动能力的七段显示字形码。显 示电路采用4位共阳LED数码管，从P0 口输出段码，列扫描用P3. 0P3. 3来实现，列驱 动用9012三极管。AT&9C51精品文档精品文档U3LED1Y 11Y 21Y 31Y 419P0.016P0.11夕0.21F0.31.32 2 3 3 4 4 p pefef gdgd=3.03.133.2P3.3V CC图6 LED显示及驱动电路3.4.2键盘

14、输入电路要输入设定的温度，必须依靠键盘。在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用的最多的是非编码键盘。本设计中用了四个按键，故选用了独立式键盘。每个独立式键盘单独 占用一根I/O 口线，每根线上按键的工作状态不会影响其他线上的工作状态，即一个按键对 应一个端口输入，每个按键都有一个按键电路来判断其是否按下。上拉电阻确保按键松开时，I/O 口线有确定的高电平。设计中定义4个有效键的功能如表1所示。具体原理如图7所示（图 中DS18B2C采用外接电源工作方式，VCC端用3V5.5V电源供电）TitleSiz eN umbe rBDate:12-J un-2008She etFile :L:exam

15、ple M yD esign.ddbD raw n74LS2444.7KPN P广R 222Y 12Y 22Y 32Y 4R26ge eQ Q p p21abadp D4.7KR4p p232R4R 4精品文档精品文档k2R18IK丄234U1P10/TPll/TP12P13P14vcc图7按键电路表3 按键功能表代号接口键名功能K1RST复位犍使系统复位K2P1.1功能转换键键按下时显示设定温度 键提升时显示当前温度K3P1.2加键设定温度渐次增加一度K4P1.3减键设定温度渐次减少一度3. 4.3时钟电路选择石英晶振作为时钟组件，接至单片机的XTAL1 XTAL2引脚组成时钟电路精品文档精

16、品文档图9蜂鸣器电路P313CI141.61713III3DFi1=1VI19C20IJL1丸(INT1)P3： (TC)P34 (T1)P3_5(RD)P3.7 XTAL 乂 TALI GND1ATS9C513图8时钟电路3. 4.4蜂鸣器电路在系统温度达到上下限温度限制是有提醒信号产生可选择蜂鸣器来实现这一功能。压电式蜂鸣器工作时需要10mA电流，设计时考虑了相应控制电路3.4.5电源电路本系统采用+5V统一供电。电路图如下:3.4.6温度控制电路夕卜围加热（制冷）电路采用继电器控制，当单片机输出高电平，三极管截止，继电器两 端都为高电平，继电器不吸合。当单片机输出低电平，三极管饱和导通，

17、继电器吸合。图10 电源电路精品文档精品文档ICC图11加热（制冷）控制电路4系统软件设计本系统的运行程序采用C语言编写，采用模块化设计，整体程序由主程序和子程序组成， 如图所示。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、ROM操作指令、存 储器操作指令。单片机系统所用的晶振频率为12 MHz根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写5个子程序：初始化子程序、写（命令或数据）子程序、读数据子程序、 显示子程序、温度控制程序及按键中断处理子程序。4.1主程序由于51系列单片机没有停机指令，所以可以利用主程序设置死循环反复运行各个任务。 把有要求的子程序（显示扫描、

18、按键扫描、温度控制、蜂鸣控制）放在最内层的循环中，计 算其运行一次占用的CPU时间，然后根据温度检测定时的间隔时间，计算出循环次数。本文 中没运行一次有实时要求的子程序约占用 5msCPU时间，运行测温子程序的时间间隔为0.5S， 那么循环次数应为100次。D2EDVCC加热詢出精品文档精品文档图12主程序流程图精品文档精品文档当采用12位分辨率时，转换时间约为4.2测温程序4.2.1初始化与DS18B2的所有通信都必须初始化。初始化时，控制器发出复位脉冲，DS18B20艮在其后发出存在脉冲。4.2.2读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出 RAM中的九字节。在读出时需进行 CRC校验，

19、校验有 错时不能进行温度数据的改写。读出温度子程序流程图如图所示。图13读出温度子程序流程图4.2.3温度转换命令子程序温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令。750ms温度转换命令子程序流程图如图所示精品文档精品文档图14温度转换命令子程序流程图4.2.4计算温度子程序计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算。温度数据的计算处理方法从DS18B20读取的二进制值必须先转换成 BCD码，用BCD码来表示十进制数值，才能 用于字符的显示。DS18B20的转换精度为912位可选，为了提高精度采用12位。在采用12 位转换精度时，温度寄存器里的值是以 0.0625为步进的，即温度值为

20、温度寄存器里的二进制 值乘以0.0625,就是实际的十进制温度值。通过观察表4.3可以发现，一个十进制与二进制值间有很明显的关系，就是把二进制的 高字节的低半字节和第字节的高半字节组成一个字节，这个字节的二进制化为十进制后，就 是温度的百、十、个位值，而剩下的低字节的低半字节化为十进制后就是温度的小数部分。 因为小数部分是半字节，所以二进制范围是0F,转换成十进制小数就是0.0625的倍数（015 倍）。这样需要4位的数码管来显示小数部分。实际应用中不需要这么高的精度，采用一位数 码管来显示小数部分，这样误差控制在 0.1度范围内。表5二进制与十进制的近似对应关系表小敖部分二进制值012345

21、6rABCDEF令逬制酋00112334356678394. 3显示扫描子程序显示扫描子程序完成4位共阳极数码管的扫描显示任务。以下是显示扫描子程序流程图精品文档精品文档图15显示扫描子程序流程图4.4按键扫描子程序按键扫描子程序负责逐个扫描功能转换键，加键，减键是否被按下，当按下时，进入温 度设定状态，显示设定温度。此时按下加键或减键并作出相应处理。精品文档精品文档图16按键子程序流程图4.5温度控制程序温度控制程序用户设定的温度和系统当前的状态，决定是加热或是制冷并点亮相应的指示灯。若有超温标志，还应打开蜂鸣器报警。图所示为温度控制程序流程图温度控制程序通过控制继电器的通断来决定加热和制冷

22、。精品文档图17温度控制流程图5调试及性能分析系统的调试主要以程序调试为主。硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，然后可用万用表测试或通电检测。软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检测，然后分别进行主程序、读出温 度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、报警显示及键调程序和显示数据刷新子 程序等的编程及调试。由于DS18B20与单片机采用串行数据传送，因此，对 DS18B20进行读/写编程时必须严 格地保证读/写时序；否则将无法读出测量结果。DS18B20温度计还可以在高低温报警、远距 离多点测温控制等方面进行运用开发，但在实际设计中应注意以下问题：(1) 较小的硬件开销

23、需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行 数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时， 必须严格的保证读写时序， 否则将无 法读取测温结果。(2) 精品文档连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信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，正常通精品文档精品文档精品文档讯距离可达 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

24、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 DS18B20的返回信号， 一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20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。结论数字单总线温度传感器是目前最新的测温器件， 它集温度测量， A/D 转换于一体， 具 有单总线结构， 数字量输出， 直接与微机接口等优点。 既可用它组成单路温度测量装置， 也 可用它组成多路温度测量装置。该智能温度控制器经测试在 -10 C -70 C间测得误差为0。 25C, 80CW TW 105C时误差

25、为0。5C,当T105C误差为增大到 仁C左右。本文创新点：采 用当前最先进的智能数字温度传感器 DS18B20并与单片机89C51 一起构成了智能温控系统， 该温度控制器结构简单、测温准确， 具有相当的实际应用价值， 对同类产品的研制也有一 定的借鉴意义。致谢 经过几个月的查资料、整理材料、写作论文，最终顺利的完成了论文的制作，在此期间，感谢各位老 师的悉心指导，指引我论文的写作方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中不当之处，使 我有了思考的方向，你们的循循善诱的教导和不拘一格的教学品格以及严谨细致、一丝不苟的作风，将是 我未来工作、学习中的榜样。另外，要感谢在大学期间所有传授我

26、知识的老师，是他们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这 也是论文得以完成的基础。通过此次的论文， 我学到了很多知识， 跨越了传统方式下的教与学的体制束缚， 在论文的写作过程中， 通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的 寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多 的书本知识，但是通过毕业论文，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处 理知识和实践相结合的问题。精品文档精品文档总之，此次论文的写作过程，我收获了很多，即为大学四年划上了一个完美的句号，也为将来的人生精品文档

27、精品文档 之路做好了一个很好的铺垫。再次感谢我的大学和所有帮助过我并给我鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们！参考文献 :1 王兆安，杨君，刘进军，等 . 谐波抑制和无功功率补偿 M .2 版. 北京: 机械工业出版社， 2006.2清源计算机工作室.Protel 99SE原理图与PCB及仿真M北京：机械工业出版社，2004.3刘树棠，朱茂林，荣玖 . 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 M . 3 版. 西安: 西 安交通大学出版社， 2004.4 DALLAS 公司. DS18B20 Data Sheet EB/ OL . http ：/ /www. dalsemi. com.5 DALL

28、AS DS18B20数据手册Z .http:/.6沙占有，智能化集成温度传感器原理及应用 （M），北京:机械工业出版社，20027李虹，温秀梅，高振天，基于 MSP430单片机和DS18B20的小型测温系统J微计算机信息J,2006.7- 28何立民 . 单片机应用系统设计 北京：北京航天航空大学出版社9沈德金 . MCS-51 系列单片机接口电路与应用程序实例 北京：北京航空航天大学出版社10王福瑞 . 单片微机测控系统设计大全 北京：北京航空航天大学出版社11陈章龙 . 实用单片机大全 哈尔滨：黑龙江科学技术出版社12鄢定明 . 单片计算机应用技术 北京：人民邮电出版社 .13 Phili

29、ps Semiconductors and Electronics North America Corporation. DATA HANDBOOK 80C51-Based 8-Bit Microcontrollers. USA, 199414 HERRINGTON D R. Ultrasonic range finder uses few cornponentsJ. EDN ， 199915SHIRLEY P A. An introduction to ultrasonic sensingJ.EDN， 1989Based on 89C51+DS18B20 Temperature Contro

30、l SystemAbstract:In this paper, Temperature Control System (TCS) is designed. The Single Bus Temperature Sensor DS18B20 of US Semiconductor Company DALLAS and the AT89C51 of ATMEL Company are used in TCS as kernel and controller respectively. This paper introduces the new single main line structure

31、temperature sensor DSl8B20 structure characteristic, the principle of work and the control method, elaborated take 89C5l as the monolithic integrated circuit and take DSl8B20 as the intelligence temperature controller electric circuit composition, the principle of work, the programming精品文档精品文档which

32、the sensor constitutes, explained summarizes the use matters needing attention in the triturating. Moreover, the assembler of communication between AT89C51 and DS18B20 is presented. Comparing with the traditional temperature control devices, this TCShas the character of more simple structure, strong

33、er anti - jamming ability, higher precision and wider application.This warm controlling may widely apply to people s daily life, the industry and agriculture production and the scientific research domain, has the certain promoted value.Keywords: temperature sensor system of measure and control MCU精品

34、文档D精品文档-:u m-JXLU - ua 密aoo mSJ yp l mx_08N-QO-附录1nsv-oeaBazeLLZS-O7CD NG37auCF3.ELKIHRGuvGuvb c p afg J 1。a b c d e f g pb c P aLg ed2DabcdefgpU1K DbC0 1 2 3 4 5 6 7PPP PpPP P)-A5L)-4 COXSI&K 7V.L6-d5-d4 dir3-d2-d “ rpOder3 330A30APMUPM0;t-);/*显示扫描函数 */scan() char k; 精品文档/精品文档for(k=0;k0; i-) /DQ=1;

35、_nop_();_nop_();DQ = 0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/5usDQ = val&0 x01; / 最低位移出delay(6); /66usval=val/2; / 右移一位DQ = 1;delay(1);/*18B20读 1 个字节函数 */ 从总线上读取一个字节uchar read_byte(void)uchar i;uchar value = 0;for (i=8;i0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_();value=1;DQ = 0;/_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4

36、usDQ = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4us if(DQ)value|=0 x80;精品文档读出温度函数 */read_temp()ow_reset(); / write_byte(0 xCC); /总线复位发 Skip ROM 命令write_byte(0 xBE); /发读命令temp_data0=read_byte(); / 温度低 8 位temp_data1=read_byte(); /温度高 8 位ow_reset();write_byte(0 xCC); / Skip ROM write_byte(0 x44); /发转换命令/温度数

37、据处理函数 */负温度精品文档delay(6); /66us DQ=1;return(value);/work_temp()uchar n=0; /if(temp_data1127)temp_data1=(256-temp_data1);temp_data0=(256-temp_data0);n=1;/ 求补码display4=temp_data0&0 x0f;display0=ditabdisplay4; display4=(temp_data0&0 xf0)4)|(temp_data1&0 x0f)125|ctemp-55)tempov=1;buzz=0;/*-按键扫描处理函数 unsigned char keyscan(void)无参数，返回值：无符号字符型，无键按下为 0，有键按下为其它 影响全局变量： heatpower-*/unsigned char keyscan(void)unsigned char i,ch;if (upkey=0) /buzz=0;/for (i=0;i5;i+) scan(); / buzz=1;/i