溫度控制設(shè)計555

1、目錄第1章 總體設(shè)計方案51.1 DS18B20 歷史簡介51.2 DS18B20性能簡介51.2.1 DS18B20的性能特點如下：51.2.2 DS18B20封裝51.2.3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：51.3 DS18B20的工作原理81.3.1 DS18B20工作時序81.3.2 ROM操作命令91.3.3 DS18B20測溫原理91.4 DS18B20 測溫流程11第2章 單片機接口設(shè)計122.1 設(shè)計原則122.2 引腳連接122.2.1晶振電路122.2.2 顯示電路122.2.3 低溫加熱電路122.2.4 高溫降熱電路132.2.5 溫度采集電路142.2.6

2、復(fù)位電路14第3章 系統(tǒng)整體設(shè)計153.1 系統(tǒng)硬件電路153.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計153.2.1 軟件的選擇153.2.2 具體程序流程15 3.2.3具體程序17結(jié)束語.22參考文獻2322 引言 隨著社會的發(fā)展，科技的進步，以及測溫儀器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，智能化已是現(xiàn)代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來，溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到人們生活的各個方面，但溫度控制一直是一個未開發(fā)的領(lǐng)域，卻又是與人們息息相關(guān)的一個實際問題。針對這種實際情況，設(shè)計一個溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實際意義。 溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都離不開溫度。在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，像電力、化

3、工、石油、冶金、航空航天、機械制造、糧食存儲、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一。比如，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)；許多化學(xué)反應(yīng)的工藝過程必須在適當(dāng)?shù)臏囟认虏拍苷＿M行；煉油過程中，原油必須在不同的溫度和壓力條件下進行分餾才能得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設(shè)備就不能正常工作，糧倉的儲糧就會變質(zhì)霉?fàn)€，酒類的品質(zhì)就沒有保障。因此，各行各業(yè)對溫度控制的要求都越來越高?？梢?，溫度的測量和控制是非常重要的。 單片機在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣，各

4、種適用于不同場合的智能溫度控制器應(yīng)運而生。 本設(shè)計的內(nèi)容是溫度測試控制系統(tǒng)，控制對象是溫度。溫度控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如溫室、水池、發(fā)酵缸、電源等場所的溫度控制。而以往溫度控制是由人工完成的而且不夠重視，其實在很多場所溫度都需要監(jiān)控以防止發(fā)生意外。 本設(shè)計是對溫度進行實時監(jiān)測與控制，設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當(dāng)溫度低于設(shè)定下限溫度時，系統(tǒng)自動啟動加熱繼電器加溫，使溫度上升。當(dāng)溫度高于設(shè)定上限溫度時，系統(tǒng)自動啟動風(fēng)扇降溫，使溫度下降。當(dāng)溫度下降到上限溫度以下時，停止降溫。溫度在上下限溫度之間時，執(zhí)行機構(gòu)不執(zhí)行。數(shù)碼管顯示即時溫度，精度為正負0.5攝氏度。第1章

5、 總體設(shè)計方案 本設(shè)計采用了DS18B20數(shù)字是溫度傳感器，將采集的溫度信號直接通過傳感器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳給單片機處理。電路結(jié)構(gòu)得到了很大的簡化，否則使用模擬式溫度傳感器，采集信號后還需A/D轉(zhuǎn)換器變模擬信號為數(shù)字信號才能供單片機處理。 本設(shè)計處理流程為：DS18B20將采集的溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號保存在DS18B20的內(nèi)部暫存器中，然后將暫存器中完整的數(shù)字信號通過單一數(shù)據(jù)傳遞線傳給單片機處理。單片機將接收的信號與給定的正常溫度范圍進行比較，若低于正常范圍則輸出一個信號讓加熱繼電器動作，若高于正常范圍則輸出一個信號給直流電機進行降溫處理。1.1 DS18B20 歷史簡介溫度的測量是從金屬(物質(zhì)

6、)的熱脹冷縮開始。水銀溫度計至今仍是各種溫度測量的計量標(biāo)準(zhǔn)?？墒撬娜秉c是只能近距離觀測，而且水銀有毒，玻璃管易碎。代替水銀的有酒精溫度計和金屬簧片溫度計，他們雖然沒有毒性但精度很低。不能滿足工業(yè)要求，在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中為了配合遠傳儀表指示，出現(xiàn)了許多不同的溫度檢測方法，常用的有電阻式、熱電偶式、PN結(jié)型等，原理都是基于溫度的變化而引起其它物理量的變化。隨著大規(guī)模集成電路工藝的提高，出現(xiàn)了多種集成的數(shù)字化溫度傳感器，例如DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。1.2 DS18B20性能簡介1.2.1 DS18B20的性能特點如下： 1)獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； 2)多個DS18B

7、20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； 3)無須外部器件； 4)可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5V； 5)零待機功耗； 6)溫度以3位數(shù)字顯示； 7)用戶可定義報警設(shè)置； 8)報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； 9)負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。1.2.2 DS18B20封裝 本設(shè)計采用的是DS18B20的3腳PR35封裝，其中中間一個引腳是進行數(shù)據(jù)傳遞的。另外兩個引腳分別是地線引腳和電源引腳。 1.2.3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： （1）DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖1-1所示 圖1-1 DS18

8、B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （2）64位光刻ROM。開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因。其排序如下表1.1.3。 8b檢驗CRC 48b序列號 8b工廠代碼（10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB 表1-1 （3）非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限值。 （4）高速暫存存儲，可以設(shè)置DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的精度。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為9字節(jié)的存儲器

9、，結(jié)構(gòu)如表1 - 2所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。它的內(nèi)部存儲器結(jié)構(gòu)和字節(jié)定義如圖1.3所示。低5位一直為，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。 表1-2 RAM的內(nèi)部存儲器 （5）告訴暫存存儲，可以設(shè)置DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的精度。DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶可以去改動，其中R1和R0用來設(shè)置轉(zhuǎn)換精度，用于設(shè)置分辨率。其字節(jié)定義如下表1-3所示。 表1-3

10、 DS18B20字節(jié)定義 （6）其分辨率與溫度轉(zhuǎn)換的時間如表1-4所示，由此可見分辨率越高轉(zhuǎn)換時間越長。 表1-4 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表 （7）部分溫度數(shù)值與二進制之間的對應(yīng)關(guān)系如下表1-5所示。表1-5 部分溫度對應(yīng)表 （8）CRC的產(chǎn)生在64 b ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼（CRC）。主機根據(jù)ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比較，以判斷主機收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)

11、復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作令處理數(shù)據(jù)。1.3 DS18B20的工作原理1.3.1 DS18B20工作時序 根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：1.每一次讀寫前都必須要對DS18B20進行復(fù)位；2.復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令；3.最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待1560微秒左右后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序，具體工作方法如圖1-2，1-3，1-4所示。(1)

12、.初始化程序 , 圖1-2 DS18B20初始化時序 總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機響應(yīng)應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖使主機知道，總線上有從機設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。主機輸出低電平，保持低電平時間至少480us，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著主機釋放總線，4.7K上拉電阻將總線拉高，延時1560us并進入接收模式，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時480us。（2） .寫時序 圖1-3 DS18B20寫時序 寫時序包括寫0時序和寫1時序。所有寫時序至少需要60us，且在2次獨立的寫時序之間至少需要1us的恢復(fù)時間，都是以總線拉低開始。寫1時序，主機輸出低電平，延時2us，然后釋放總線，延時60us。寫

13、0時序，主機輸出低電平，延時60us，然后釋放總線，延時2us。（3） 讀時序 圖1-4 DS18B20讀時序 總線器件僅在主機發(fā)出讀時序是，才向主機傳輸數(shù)據(jù)，所以，在主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便從機能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時序至少需要60us，且在2次獨立的讀時序之間至少需要1us的恢復(fù)時間。每個讀時序都由主機發(fā)起，至少拉低總線1us。主機在讀時序期間必須釋放總線，并且在時序起始的15us之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。主機輸出低電平延時2us，然后主機轉(zhuǎn)入輸入模式延時12us，然后讀取總線當(dāng)前電平，然后延時50us。1.3.2 ROM操作命令 當(dāng)主機收到DSl8B20的響應(yīng)信號后，便可以發(fā)

14、出ROM操作命令之一，這些命令如下表1-6 ROM操作命令。1.3.3 DS18B20測溫原理 每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內(nèi)ROM中。主機在進操作程序前必須用讀ROM(33H)命令將該DSl8B20的序列號讀出。 程序可以先跳過ROM，啟動所有DSl8B20進行溫度變換，之后通過匹配ROM，再逐一地讀回每個DSl8B20的溫度數(shù)據(jù)。DS18B20的測溫原理如圖1-5所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為另外一個減法計數(shù)器的脈沖輸表

15、1-6 ROM操作命令 入，圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首將-55 所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器和溫度寄存器中，減法計數(shù)器和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器的預(yù)置將從新被裝入，減法計數(shù)器重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到另一個減法計數(shù)器計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。

16、圖1-5中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用修正法修正計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。 另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數(shù)據(jù)。圖1-5 測溫原理圖1.4 DS18B20 測溫流程 測溫流程如下圖1-6所示。 圖1-6 DS18B20測溫流程圖第2章 單片機接口設(shè)計2.1 設(shè)計原則 DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此

17、時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖3.1所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。本設(shè)計采用電源供電方式，P2.7口接單線總線。當(dāng)DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉啟時間最大為10s。采用寄生電源供電方式是VDD和GND端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三狀態(tài)的。主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：1.初始化； 2.RO操作指令；l3.存儲器操作指令。2.2 引腳連接2.2.1晶振電路

18、單片機XIAL1和XIAL2分別接22PF的電容，中間并接12MHZ的晶振，為單片機提供工作周期。具體電路圖如下2-1所示。 圖2-1 晶振電路2.2.2 顯示電路 采用AT89C51作CPU，其中P0端口和P2.0，P2.1，P2.2作溫度顯示輸出口。連接圖如下2-2所示。2.2.3 低溫加熱電路 用P1.0作控制加熱器的輸出口，外接一個紅色發(fā)光二極管做加熱顯示，并串接一個220歐的限流電阻。通過控制Q2（三極管）的導(dǎo)通與截止來控制加熱繼電器的導(dǎo)通與關(guān)閉。其連接圖如下2-3所示。圖2-2 顯示電路圖2-3低溫加熱電路2.2.4 高溫降熱電路用P1.1作控制電機工作的輸出端口，其中P1.1外接

19、一個黃色的二極管做降溫顯示，并通過一個電壓跟蹤運算放大器將驅(qū)動電機電路域單片機隔離。具體連接如圖2-4所示。圖2-4 高溫降熱電路2.2.5 溫度采集電路用DS18B20中間一個引腳作數(shù)字式溫度信號的輸入口，將其接在單片機P2.7口上。具體連接如圖2-5所示。圖2-5 溫度采集電路2.2.6 復(fù)位電路本設(shè)計采用上電自動復(fù)位。其具體連接如圖2-6所示。圖2-6 復(fù)位電路 第3章 系統(tǒng)整體設(shè)計3.1 系統(tǒng)硬件電路 硬件電路整體設(shè)計如圖3-1所示。圖3-1 整體連接圖3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.2.1 軟件的選擇程序設(shè)計語言有三種：機器語言，匯編語言，高級語言，其中前兩種語言編程復(fù)雜，而高級語言編寫既簡

20、單又容易理解，故本設(shè)計采用高級語言中的C語言編寫程序。本裝置的軟件包括主程序、讀出溫度子程序、復(fù)位電路子程序、延時電路子程序、以及有關(guān)DS18B20的程序（初始化子程序、寫程序和讀程序）、溫度數(shù)據(jù)處理子程序、溫度顯示子程序。3.2.2 具體程序流程A.主函數(shù)流程如下圖3-2所示。B.溫度處理流程如下圖3-3所示。初始化端口開機顯示0000復(fù)位發(fā) Skip ROM發(fā)轉(zhuǎn)換指令處理溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換溫度值顯示溫度圖3-2 主函數(shù)流程圖3-3 溫度處理流程3.2.3具體程序 如下： /溫度計讀寫程序源代碼/#include "reg51.h"#include "intrins.

21、h" #define dm P0 /以P0口作為LED段碼輸出口#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P27; /以P2.7口作為溫度傳感器輸入口sbit w0=P20; /數(shù)碼管4sbit w1=P21; /數(shù)碼管3sbit w2=P22; /數(shù)碼管2sbit w3=P23; /數(shù)碼管1sbit led0=P10;/加熱驅(qū)動端sbit led1=P11;/降溫驅(qū)動端int temp1=0; /顯示當(dāng)前溫度和設(shè)置溫度的標(biāo)志位為0 時顯示當(dāng)前溫度uint h;uint temp;uchar r;uchar

22、 high=35,low=20;uchar sign;uchar q=0;uchar tt=0;uchar scale;uchar code ditab16=0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09;uchar code table_dm12=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40;uchar table_dm1=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xf

23、f,0xef; uchar data temp_data2=0x00,0x00; uchar data display5=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00; /延時電路程序/void delay(uint t)for (;t>0;t-);void scan()int j;for(j=0;j<4;j+)switch (j)case 0: dm=table_dmdisplay0;w0=0;delay(50);w0=1;/xiaoshucase 1: dm=table_dm1display1;w1=0;delay(50);w1=1;/geweicase 2: dm=tab

24、le_dmdisplay2;w2=0;delay(50);w2=1;/shiweicase 3: dm=table_dmdisplay3;w3=0;delay(50);w3=1;/baiwei/ elsedm=table_dmb3;w3=0;delay(50);w3=1;/復(fù)位電路程序/ow_reset(void)char presence=1;while(presence)while(presence)DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0;delay(50); DQ=1;delay(6); presence=DQ; /presence=0 delay(45); presenc

25、e=DQ;DQ=1; /DS18B20 寫命令函數(shù)/void write_byte(uchar val)uchar i;for(i=8;i>0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_(); DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /5 usDQ=val&0x01; delay(6); val=val/2; DQ=1;delay(1);/DS18B20 讀1 字節(jié)函數(shù)/uchar read_byte(void)uchar i;uchar value=0;for(i=8;i>0;i-)DQ=1;_nop_();_nop_();value&

26、gt;>=1;DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 usDQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /4 usif(DQ)value|=0x80;delay(6); /66 usDQ=1;return(value);/讀出溫度函數(shù)/read_temp()ow_reset();delay(200);write_byte(0xcc); write_byte(0x44); ow_reset();delay(1);write_byte(0xcc); write_byte(0xbe);temp_data0=read_byt

27、e();temp_data1=read_byte();temp=temp_data1;temp<<=8;temp=temp|temp_data0; return temp; /溫度數(shù)據(jù)處理函數(shù)/work_temp(uint tem)uchar n=0;if(tem>6348) / 溫度值正負判斷tem=65536-tem;n=1; / 負溫度求補碼,標(biāo)志位置1display4=tem&0x0f; / 取小數(shù)部分的值display0=ditabdisplay4; / 存入小數(shù)部分顯示值display4=tem>>4; / 取中間八位,即整數(shù)部分的值displ

28、ay3=display4/100; / 取百位數(shù)據(jù)暫存display1=display4%100; / 取后兩位數(shù)據(jù)暫存display2=display1/10; / 取十位數(shù)據(jù)暫存display1=display1%10; /個位數(shù)據(jù)r=display1+display2*10+display3*100;if (r<30) /低溫加熱 led0=1;led1=0; if (r>=30)&(r<40)/在溫度區(qū)間不動作 led0=0;led1=0;if (r>=40) /高溫降溫 led0=0;led1=1;/符號位顯示判斷/if(!display3)display3=0x0a; /最高位為0 時不顯示if(!display2)display2=0x0a; /次高位為0 時不顯示if(n)display3=0x0b; /負溫度時最高位顯示"-"/*設(shè)置溫度顯示轉(zhuǎn)換*/void xianshi(int horl)int n=0;if(horl>128)horl=256-horl;n=1;display3=horl/100;display3=display3&0x0f;display2=horl%100/10;display1=horl%10;display0=0;if(!display3)display