基于单片机温度控制系统设计——主板设计.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流基于单片机温度控制系统设计主板设计.精品文档.摘要随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用,以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。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。本温度设计采用
2、现在流行的AT89S51单片机,配以DS18B20数字温度传感器,该温度传感器可自行设置温度上下限。单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较,由此作出判断是否启动继电器以开启设备。本设计还加入了常用的数码管显示及状态灯显示灯常用电路,使得整个设计更加完整,更加灵活。该设计已应用于花房,可对花房温度进行智能监控。关键词: 单片机、AT89S51、控制、模拟、温度传感器目录1概述21.1 引言22.硬件电路的设计32.1 总体设计方案32.1.1控制部分32.1.2显示部分32.1.3 温度采集部分32.2 DS18B20温度传感器62.2.1 DS18B20的工作原理62.2.2 D
3、S18B20的测温原理82.3 单片机接口设计102.3.1 设计原则102.3.2 引脚连接102.4系统硬件电路设计112.4.1主板电路设计112.4.2各部分电路113.软件电路的设计143.1系统软件设计整体思路143.2系统程序流图153.3调试204.结论21参考文献22附录231概述1.1 引言工业控制是计算机的一个重要应用领域,计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术,它主要研究如何将计算机技术、通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程,并设计出所需要的计算机控制系统。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用,以单片机为核心的温度采集与控制系统的
4、研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。随着社会的发展,科技的进步,以及测温仪器在各个领域的应用,智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来,温度控制系统已应用到人们生活的各个方面,但温度控制一直是一个未开发的领域,却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况,设计一个温度控制系统,具有广泛的应用前景与实际意义。温度是科学技术中最基本的物理量之一,物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中,像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内,温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如,发电厂锅炉的温度必须控制在
5、一定的范围之内;许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行;炼油过程中,原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境,许多电子设备就不能正常工作,粮仓的储粮就会变质霉烂,酒类的品质就没有保障。因此,各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见,温度的测量和控制是非常重要的。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛,在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样,各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。本设计是对温度进行实时监测与控制,设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能:当温度低于设定下限温度时,
6、系统自动启动加热继电器加温,使温度上升,同时绿灯亮。当温度上升到下限温度以上时,停止加温;当温度高于设定上限温度时,系统自动启动风扇降温,使温度下降,同时红灯亮。当温度下降到上限温度以下时,停止降温。温度在上下限温度之间时,执行机构不执行。三个数码管即时显示温度,精确到小数点一位。2.硬件电路的设计2.1 总体设计方案考虑使用温度传感器,结合单片机电路设计,采用一只DS18B20温度传感器,直接读取被测温度值,之后进行转换,依次完成设计要求。在本系统的电路设计方框图如图2.1.1所示,它由三部分组成:控制部分主芯片采用单片机AT89S51;显示部分采用3位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示
7、;温度采集部分采用DS18B20温度传感器。单 片 机DS18B20LED显示指示灯加热继电器电风扇继电器图2.1.1 温度计电路总体设计方案2.1.1控制部分单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点,四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要,很适合便携手持式产品的设计使用,系统应用三节电池供电。2.1.2显示部分显示电路采用3位共阳LED数码管,从P0口送数,P2口扫描。2.1.3 温度采集部分DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温。这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作,由
8、DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.0口,单片机接受温度并存储。此部分只用到DS18B20和单片机,硬件很简单1.DS18B20的性能特点如下:1)独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;2)多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能;3)无须外部器件;4)可通过数据线供电,电压范围为3.05.5V;5)零待机功耗;6)温度以3位数字显示;7)用户可定义报警设置;8)报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件;9)负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但
9、不能正常工作。2.DS18B20的内部结构DS18B20采用3脚PR35封装,如图2.1.2所示:图2.1.2 DS18B20封装3.DS18B20内部结构主要由四部分组成:1)64位光刻ROM。开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共有48位,最后8位是前56位的CRC校验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。64位闪速ROM的结构如下:表2.1.1 ROM结构8b检验CRC48b序列号8b工厂代码(10H) MSB LSB MSB LSB MSB LSB2)非挥发的温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限值。3)高速暂存存储,可以设置DS18
10、B20温度转换的精度。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PRAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器,结构如图2.1.3所示。头2个字节包含测得的温度信息,第3和第4字节TH和TL的拷贝,是易失的,每次上电复位时被刷新。第5个字节,为配置寄存器,它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。它的内部存储器结构和字节定义如图2.1.3所示。低5位一直为,TM是工作模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。图2.1.3 DS18B20内部结构表2.1.2 DS18B20内
11、部存储器结构Byte0温度测量值LSB(50H)Byte1温度测量值MSB(50H)E2PROMByte2TH高温寄存器-TH高温寄存器Byte3TL低温寄存器-TL 低温寄存器Byte4配位寄存器-配位寄存器Byte5预留(FFH)Byte6预留(0CH)Byte7预留(IOH)Byte8循环冗余码校验(CRC)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。单片机可以通过单线接口读出该数据,读数据时低位在先,高位在后,数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S0时,表示测得的温度值为正值,可
12、以直接将二进制位转换为十进制;当符号位S1时,表示测得的温度值为负值,要先将补码变成原码,再计算十进制数值。4)CRC的产生在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC)。主机根据ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20中的CRC值做比较,以判断主机收到的ROM数据是否正确。另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,它有严格的时隙概念,因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为:初使化DS18B20(发复位脉冲)发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。2.2 DS18B20温度传感器2.2.1 DS18B20的工作原理1.
13、DS18B20工作时序根据DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:1每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位;2复位成功后发送一条ROM指令;3最后发送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,DS18B20收到信号后等待1560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。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序,具体工作方法如图2.2.1,2.2.2,2.2.3所示。初始化时序图2.2.1初始化时序总线上的所有传输过程都是以初始化开始的,主机响应应答脉冲。应答
14、脉冲使主机知道,总线上有从机设备,且准备就绪。主机输出低电平,保持低电平时间至少480us,以产生复位脉冲。接着主机释放总线,4.7K上拉电阻将总线拉高,延时1560us,并进入接受模式,以产生低电平应答脉冲,若为低电平,再延时480us12。写时序图2.2.2 写时序写时序包括写0时序和写1时序。所有写时序至少需要60us,且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间,都是以总线拉低开始。写1时序,主机输出低电平,延时2us,然后释放总线,延时60us。写0时序,主机输出低电平,延时60us,然后释放总线,延时2us。读时序图2.2.3 读时序总线器件仅在主机发出读时序是,才向主机传输数
15、据,所以,在主机发出读数据命令后,必须马上产生读时序,以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要60us,且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。每个读时序都由主机发起,至少拉低总线1us。主机在读时序期间必须释放总线,并且在时序起始后的15us之内采样总线状态。主机输出低电平延时2us,然后主机转入输入模式延时12us,然后读取总线当前电平,然后延时50us。2.ROM操作命令当主机收到DSl8B20 的响应信号后,便可以发出ROM操作命令之一,这些命令如表2.2.1 ROM操作命令。表2.2.1 ROM操作命令指令约定代码功 能读ROM33H读DS18B20 ROM中的编码符合RO
16、M55H发出此命令之后,接着发出64位ROM编码,访问单线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的读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址,为操作各器件作好准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址,直接向DS18B20发温度变换命令,适用于单片工作。续表2.2.1告警搜索命 令0ECH执行后,只有温度超过设定值上限或者下限的片子才做出响应温度变换44H启动DS18B20进行温度转换,转换时间最长为500MS,结果存入内部9字节RAM中读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部
17、RAM的第3,4字节写上、下限温度数据命令,紧跟读命令之后,是传送两字节的数据复制暂存器48H将E2PRAM中第3,4字节内容复制到E2PRAM中重调E2PRAM0BBH将E2PRAM中内容恢复到RAM中的第3,4字节读 供 电方 式0B4H读DS18B20的供电模式,寄生供电时DS18B20发送“0”,外接电源供电DS18B20发送“1”2.2.2 DS18B20的测温原理1DS18B20的测温原理每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号,在出厂前已写入片内ROM 中。主机在进入操作程序前必须用读ROM(33H)命令将该DSl8B20的序列号读出。程序可以先跳过ROM,启动
18、所有DSl8B20进行温度变换,之后通过匹配ROM,再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。DS18B20的测温原理如图2.4所示,图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减
19、法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器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。图2.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值。另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,他有严格的时隙概念,因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为:初
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