溫度控制系統廣泛應用于社會生活的各個領域，如家電、汽車、材料、電力電子等，常用的控制電路根據應用場合和所要求的性能指標有所不同，在工業企業中，如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現場技術人員努力解決的問題。這類控制對象慣性大，滯后現象嚴重，存在很多不確定的因素，難以建立精確的數學模型，從而導致控制系統性能不佳，甚至出現控制不穩定、失控現象。傳統的繼電器調溫電路簡單實用，但由于繼電器動作頻繁，可能會因觸點不良而影響正常工作�？刂祁I域還大量采用傳統的PID控制方式，但PID控制對象的模型難以建立，并且當擾動因素不明確時，參數調整不便仍是普遍存在的問題。而采用數字溫度傳感器DS18B20，因其內部集成了A/D轉換器，使得電路結構更加簡單，而且減少了溫度測量轉換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。數字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳即可與單片機進行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通過單跳數據線就可以和主電路連接，故可以把數字溫度傳感器DS18B20做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性。更能串接多個數字溫度傳感器DS18B20進行范圍的溫度檢測

本設計主要是介紹了單片機控制下的溫度檢測系統，詳細介紹了其硬件和軟件設計，并對其各功能模塊做了詳細介紹，其主要功能和指標如下:

.利用溫度傳感器(DS18B20)測量某一點環境溫度

.測量范圍為一55℃一+99'C 1精度為士0.5C

.用液晶進行實際溫度值顯示

.能夠根據需要方便設定上下限報警溫度

溫度傳感器DS18B20從設備環境的不同位置采集溫度，單片機AT89S51獲取采集的溫度值，經處理后得到當前環境中一個比較穩定的溫度值，再根據當前設定的溫度上下限值，通過加熱和降溫對當前溫度進行調整。當采集的溫度經處理后超過設定溫度的上限時，單片機通過三極管驅動繼電器開啟降溫設各(壓縮制冷器)，當采集的溫度經處理后低于設定溫度的下時，單片機通過三極管驅動繼電器開啟升溫設備(加熱器)。

當山于環境溫度變化太劇烈或山于加熱或降溫設備出現故障，或者溫度傳感頭出現故障導致在一段時間內不能將環境溫度調整到規定的溫度限內的時候，單片機通過三極管驅動揚聲器發出警笛聲。

系統中將通過串口通訊連接PC機存儲溫度變化時的歷史數據，以便觀察整個溫度的控制過程及監控溫度的變化全過程。

采用數字溫度芯片DS 18B20測量溫度，輸出信號全數字化。便于單片機處理及控制，省去傳統的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學性很穩定，它能用做工業測溫元件，此元件線形較好。在0-100攝氏度時，最大線形偏差小于1攝氏度.DS 18B20的最大特點之一采用了單總線的數據傳輸，山數字溫度計DS 18B20和微控制器AT89S51構成的溫度測量裝置，它直接輸出溫度的數字信號，可直接與計算機連接。這樣，測溫系統的結構就比較簡單，體積也不大。采用51單片機控制，軟件編程的自由度大，可通過編程實現各種各樣的算術算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實現簡單，安裝方便。既可以單獨對多DS 18B20控制工作，還可以與PC機通信上傳數據，另外AT89S51在工業控制上也有著廣泛的應用，編程技術及外圍功能電路的配合使用都很成熟。

該系統利用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進行實時溫度檢測并顯示，能夠實現快速測量環境溫度，并可以根據需要設定上下限報警溫度。該系統擴展性非常強，它可以在設計中加入時鐘芯片DS 1302以獲取時間數據，在數據處理同時顯示時間，并可以利用AT24C16芯片作為存儲器件，以此來對某些時間點的溫度數據進行存儲，利用鍵盤來進行調時和溫度查詢，獲得的數據可以通過MAX232芯片與計算機的RS232接口進行串口通信，方便的采集和整理時間溫度數據。

系統框圖如圖所示：

5單元電路的設計和元器件的選擇

AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k Bytes

ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點:40個引腳，4k Bytes Flash片內程序存儲器，128 bytes的隨機存取數據存儲器(RAN), 32個外部雙向輸入/輸出(工5個中斷優先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內時鐘振蕩器。此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為OHz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RA”的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP, TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。

山于系統控制方案簡單，數據量也不大，考慮到電路的簡單和成本等因

素，因此在本設計中選用A TMEL公司的A T89S51單片機作為主控芯片。主

控模塊采用單片機最小系統是山于A T89S51芯片內含有4 kB的E2PROM，無

需外擴存儲器，電路簡單可靠，其時鐘頻率為0^24 MHz，并且價格低廉，

批量價在10元以內。

主要特性如下 ：

.與MCS-51兼容

.4K字節可編程閃爍存儲器

.壽命:1000寫l擦循環

.數據保留時間:10年

.全靜態工作:OHz-24Hz

.三級程序存儲器鎖定

.0128-8位內部RAM

.032可編程】/O線

.兩個工6位定時器l計數器

.5個中斷源

.可編程串行通道

.低功耗的閑置和掉電模式

.片內振蕩器和時鐘電路

AT89551單升機引腳圖

DS18B2。是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，它具有微型化、低

功耗、高性能抗干擾能力、強易配處理器等優點，特別適合用于構成多點溫度測

控系統，可直接將溫度轉化成串行數字信號(按9位二進制數字)給單片機處理，

且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片，它具有三引腳TO-92小體積封裝形

式，溫度測量范圍-55--+125'C，可編程為9--12位A/D轉換精度，測溫分辨

率可達0. 06250C，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出，其工作電

源既可在遠端引入，業可采用寄生電源方式產生，多個DS18B20可以并聯到三根或者兩根線上，CPU只需一根端口線就能與多個DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。從而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于遠距離多點溫度檢測系統.

綜上，在本系統中我采用溫度芯片DS18B20測量溫度。該芯片的物理化學性

很穩定，它能用做工業測溫元件，且此元件線形較好.在0-100攝氏度時，最

大線形偏差小于1攝氏度。該芯片直接向單片機傳輸數字信號，便于單片機處理

及控制。

DS18B20最大的特點是單總線數據傳輸方式，DS18B20的數據1/0均由同

一條線來完成。DS18B20的電源供電方式有2種:外部供電方式和寄生電源方

式.工作于寄生電源方式時，VDD和GN0)均接地，他在需要遠程溫度探測和空間受限的場合特別有用，原理是當1 W ire總線的信號線DQ為高電平時，竊取信號能量給DS18B20供電，同時一部分能量給內部電容充電，當DQ為低電平時釋放能量為DS18B20供電.但寄生電源方式需要強上拉電路，軟件控制變得復雜(特別是在完成溫度轉換和拷貝數據到E2PROM時)，同時芯片的性能也有所降低。外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發出穩定可靠的多點溫度監控系統。因此木設計采用外部供電方式。如下圖所示:

溫度傳感器DS18B20的測量范圍為一55℃一++1250C，在一10℃一十85℃時精度為士0. 5`C。因為本設計只用于測量環境溫度，所以只顯示0℃一+85C。

本設計采軟件處理報警，利用有源蜂鳴器進行報警輸出，采用直流供電。

當所測溫度超過獲低于所預設的溫度時，數據口相應拉高電平，報瞥輸出。

(也可采用發光二級管報警電路，如過需要報警，則只需將相應位置11當

參數判斷完畢后，再看報警模型單元ALARM的內容是否與預設一樣，如不一

樣，則發光報瞥)報瞥電路硬件連接見圖5一3

圖5一3蜂鳴器電路連接圖

本設計顯示電路采用兩位共陽極LED數碼管來顯示測量得到的溫度值。LED

數碼管能在低電壓下工作，而且體積小、重量輕、使用壽命長，因次本設計選用

此數碼管作為顯示器件。

一個LED數碼管只能顯示一位的字符，如果字符位數不止一位，可以用幾個數碼管組成，但要控制多位的顯示電路需要有字段控制和字位控制，字段控制是指控制所要顯示的字符是什么，控制電路應將字符的七段碼通過輸出口連接到LED的a-g引腳，是某些段點亮，某些段處于熄滅狀態。字位 控制是指控制在多位顯示器中，哪幾位發光或那幾位不發光，字位控制則需要通過字位碼作用于LED數碼管的公共引腳，是某一位或某幾位的數碼管，以發光。

數碼管顯示電路分為動態顯示和靜態顯示。

靜態顯示方式是指每一個數碼管的字段控制是獨立的，每一個數碼管都

需要配置一個8位輸出口來輸出該字位的七段碼。因此需要顯示多位時需要多個輸出口，通常片內并口不夠用，需要在片外擴展。

動態顯示又稱為掃描顯示方式，也就是在某一時刻只能讓一個字位處于選通狀態，其他字位一律斷開，同時在字段線上發出該位要顯示的字段碼，這樣在某一時刻某一位數碼管就會被點亮，并顯示出相應的字符。下一時刻改變所顯示的字位和字段碼，點亮另一個數碼管，顯示另一個字符。繞后一次掃描輪流點亮其他數碼管，只要掃描速度快，利用人眼的視覺殘留效應，會使人感覺到幾位數碼管都在穩定的顯示。

本設計采用數碼管動態顯示，電路如卜圖所示:

顯示部分電路

圖中由單片機P1口串接74HC245驅動兩位共陽極數碼管，上拉電阻排為

lOK。由P2.。和P2. 1通過P\P型三極管Ql, Q2驅動其字位。三極管發射極接高電平，當P2. 0或P2. 1為低電平時使三極管導通選通數碼管的某一位。

復位電路:在單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機

內部就執行復位操作。實際應用中，復位操作有兩種形式:一種是上電復位，另

一種是上電與按鍵均有效的復位。如下圖所示

上電復位電路 上電與按鍵復位

復位電路如圖7所示

上電復位要求接通電源后，單片機自動實現復位操作。上電瞬間RST引腳獲

得高電平，隨著電容的充電，RST引腳的高電平逐漸下降。只要RST引腳保持兩個機器周期的高電平單片機就可以進行復位操作。該電路參數為:晶振為12MHz時，電容為l0uF,電阻為8. 2K f2;晶振為6hFIz時，電容為22 a F,電阻為1 KQ。本設計采用上電復位電路，電路參數為電容l0pF，電阻8. 2K. ,

晶振電路:單片機的時鐘信號通常有兩種方式產生:一是內部時鐘方式，二是外部時鐘方式。

本設計采用內部時鐘方式，在單片機內部有一震蕩電路，只要在單片機的XTALl和XTAL2腳外接石英晶體(簡稱晶振)，就構成了自己震蕩器并在單片機

內部產生時鐘脈沖信號。

晶振電路如圖一X所示

圖中電容器的作用是穩定頻率和快速起振，電容值在5--30pF，典型值為30pF.晶振CYS的震蕩頻率范圍在1.2-12MHz間選擇，.典型值為12Mhz和6MHz本設計采用12MHz晶振，電容值為20 pF。

在電路總體設計中，EA\Vpp腳用于是從外部程序存儲器取指還是從內部程

序存儲器取指的選擇信號。當EA\Vpp接高電平時，先從片內程序存儲器讀取指

令，讀完4KB后，自動改為片外取指。若EA\Vpp接低電平，則所有指令均從片外程序存儲器讀取o ALE腳用于輸出允許地址所存信號。PSEN腳用于外部程序存儲器選通信號，在對外部程序存儲器取指操作時此引腳置低電平有效。在執行片內程序存儲器取指時PESN腳無效。本設計無片外程序存儲器擴展，所以將EAWpo腳接高電平，ALE及PSEN腳懸空。

控制系統主控制部分電源需要用5V直流電源供電，其電路如圖6所示，把頻率為5011z、有效值為220V的單相交流電壓轉換為幅值穩定的5V直流電壓。其主要原理是把單相交流電經過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路轉換成穩定的直流電壓。

由于輸入電壓為電網電壓，一般情況下所需直流電壓的數值和電網電壓的有效值相差較大，因而電源變壓器的作用顯現出來起到降壓作用。降壓后還是交流

電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉換成直流電壓。由于經整流電路整流后的

電壓含有較大的交流分量，會影響到負載電路的正常工作。需通過低通濾波電路

濾波，使輸出電壓平滑。穩壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網電壓波

動和負載電阻變化的影響，從而獲得穩定性足夠高的直流電壓。本電路使用集成

穩壓芯片7805解決了電源穩壓問題.

圖6電源部分連線圖

用匯編語言完成對設計的軟件編程，程序開始首先對溫度傳感器DS18B20進行復位，檢測是否正常工作;接著讀取溫度數據，主機發出CCH指令與在線的DS18B20聯系，接著向DS18820發出溫度A/D轉換44H指令，再發出溫度寄存器的溫度值BEH指令，并反復調用復位，寫入及讀取數據子程序，之后再經過數據轉換，山數碼管顯示出來，不斷循環。

①對DS18B20進行復位，寫入和讀取溫度數據(在溫度傳感器DS18B20內部完成，并實現對溫度信息的采集):讀取溫度流程如下:復位一發CC11命令(跳過ROM)、發44H命令~延時is~復位~發CCH命令(跳過ROM)~發BEH命令(讀內部RAM中9字節內容)一連接從總線上讀出2個字節的數據(溫度數據的低8位和高8位)、結束

部分程序代碼:

(1) DS18B20的復位子程序部分:

RESET 1820:

SETB DQ;

NOT

NOP

CLR DQ

:主機發出復位低脈沖

MOV R1, #3;

ELY: MOV R0, #107;

DJNZ R0,$;

DJNZ R1, ELY;

:拉高數據線

SETB DQ

NOT

NOT

IMP

:等待DS18B20的回應

MOV R0, #2511;

T2: J\Ti DQ, T3;

DJ\Z R0, T2;

孫護T4;

;標志位flag=1,表示DS18B20存在

T3:SETB FLAG

JMP T5;

;標志位flag=0,表示DS18B20不存在

T5:MOV R0, #117;

T4:RET

注:根據DS18B20的通信協議，每一次讀寫數據之前都要對DS18B20進行復位，復位要求主機先發出復位低脈沖(大于48us);然后釋放，DS18B20收到信號后等待16--60us，然后發出60-240-的存在低脈沖，主機收到此信號表示復位成功。

D518B20的寫入子程序部分:

WRITE 1820:

MOV R2, #8;一位共8位數據

CLRC ;C=0

WRL:

CLR DQ ;總線低位，開始寫入

MOV R3, #7;

DJNZ R3，$ ；等待

SETB DQ ;重新釋放總線

NOP

DJNZ R2 WP1 ;寫入下一個位

SETB DQ

RET

注:當主機把數據從邏輯高電平拉到邏輯低電平的時候，寫時間隙開始。

有兩種寫時間隙，寫1時間隙和寫0時間隙。所有寫時問隙必須最少持續60

u:，包括兩個寫周期至少1u:的恢復時間。工//0線電平變低后，DS18B20在

一個15 us到60 us的窗口內對工//0線采樣。如果線上事高電平，就是寫1,

如果是低電平，就是寫0。主機要生成一個寫時間隙，必須把數據線拉到低

電平然后釋放，在寫時間隙開始后的15 us內允許數據線拉到高電平。主機

要生成一個寫0時間隙，必須把數據線拉到低電平并保存60us。

每個讀時隙都由主機發起，至少拉低總線lus，在主機發起讀時序之后，單總線器件才開始在總線上發送0或to所有讀時序至少需要60us。

（3）DS18B20的讀取子程序

READ 1820;

注:當從DS18B20讀數據時，主機生成讀時間隙。當主機把數據從高電

平拉到低電平時，讀時間隙開始，數據線必須保持至少1us:從DS18320輸

出的數據在讀時間隙的下降沿出現后15us內有效。

因此，主機在讀時問隙開始后必須把I/0腳驅動拉為的電平保持15us,以讀取I/0腳狀態。在讀時問隙的結尾，I/0引腳將被外部上拉電阻拉到高電平。所有讀時問隙必須最少60us，包括兩個讀周期至少1us的恢復時間。②獲得實際測量溫度(溫度傳感器DS18B20把數據信息傳給單片機，完成數

據信息的傳輸);

數據轉化子程序部分:

注:溫度傳感器DS18B20所測得的溫度數據低位存入29H,高位存入28H，將

28H中的低4位移入29H中的高4位，獲得一個新字節，這個字節就是實際測量的溫度。

③將測量的溫度數據在兩位數碼管上顯示出來(單片機把數據信息傳給LED數碼管顯示器，實現溫度的數字化顯示)。

溫度顯示子程序部分。

實例測試:將寫入程序的單片機插入實驗板插座內，檢查溫度傳感器

DS18320連接正常后接通電源，此時，在兩位7段LED數碼管上將會準確的顯示環境溫度，無需作任何調整。為了觀察溫度傳感器DS18320對穩定變化的靈敏度，可以用手握住DS18B20管，會看到數碼管上顯示的穩定很快上升至人體溫度值，再將手離開DS18B20管，溫度又會很快降至環境溫度值，溫度傳感器DS18320的測量范圍為一55℃一+125`C，在一10℃一+85℃時精度為士0. 5'C。

傳感器是指一些能把光、力、溫度、磁感應強度等非電學量轉化為電學量或轉換為電路的通斷的元器件，它在生活、生產和科技領域有著非常廣泛的應用。日本把傳感器技術列為上世紀八十年代十大技術之首，美國把傳感器技術列為九十年代的關鍵技術，而我國有關傳感器的研究和應用正方興未艾……

溫度傳感器為溫度測量電路中的關鍵部件。溫度傳感器有很多種類，根據測溫的方式可分為接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器兩大類；接觸式溫度傳感器是指被測物體與傳感器直接進行接觸的這類傳感器，非接觸式傳感器則是被測物體與傳感器不直接接觸，被測物體通過輻射熱量到傳感器而進行測溫的傳感器。根據不同用途和制造材料，溫度傳感器還可以分成多種種類，如熱敏電阻（NTC、PTC、CTR）、鉑電阻、熱電偶、半導體溫度傳感器、量子溫度傳感器、集成溫度傳感器等。

傳感器 王震201512150.docx (403.91 KB, 下載次數: 68)

2018-12-29 16:04 上傳

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