溫度測(cè)量與控制-課程設(shè)計(jì)

1、贛南師院物理與電子信息學(xué)院感測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)題目：度測(cè)量與控制姓名：_班級(jí)：二Z指導(dǎo)老師：zr時(shí)間：1、系統(tǒng)功能本溫度控制器可以實(shí)現(xiàn)以下的功能:（1）釆集溫度，并通過(guò)LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度。LED數(shù)碼管顯示溫度格式為四位，精確度可達(dá)0.1C。例如:25C顯示為025.0。（2）通過(guò)按鍵可自由設(shè)定溫度的上下限，并能在LED數(shù)碼管顯示設(shè)定的溫度上下限值。（3）通過(guò)控制三極管的導(dǎo)通與否來(lái)控制繼電器的關(guān)斷，繼而控制外部加熱（電烙鐵升溫）和制冷（小型電風(fēng)扇降溫）裝置，使環(huán)境溫度保持設(shè)定溫度范圍內(nèi)。（4）具有溫度報(bào)警裝置。當(dāng)溫度高于上限值，紅燈亮起；或者低于下限值，黃燈亮起，并發(fā)出報(bào)警聲。二、系統(tǒng)原

2、理框圖2.1系統(tǒng)總體方案該溫度控制器的系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要包含DS18B20溫度釆集電路、輸入控制電路、晶振復(fù)位電路、數(shù)碼管顯示電路、繼電器控制電路,等外圍電路組成。圖1系統(tǒng)總體方框圖2.2系統(tǒng)原理圖7A,79FXJJADFX.MXtZM2PSZJftXI*2.1/AKRUH13：P2DPWrj.YTTpxanrarajfRTIraan2ZJ7VrjnW丐U4A圖2系統(tǒng)原理圖三、傳感器的選用和介紹綜合各方面考慮，本設(shè)計(jì)我們選擇的溫度傳感器是DS18B20o3.1DS18B20的主要特性DS18B20的主要特性如下。1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V,在寄生電源方式下

3、可由數(shù)據(jù)線供電。2）在使用時(shí)不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。3）獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。4）測(cè)溫范圍:-55C十125C,在-10十85C時(shí)精度為0.5Co5）DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上,實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。6）可編程的分辨率為912位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5C、0.25C、0.125C和0.0625C,可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。7）在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度

4、值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。8）用戶可以自行設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限。9）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。3.2DS18B20的外部結(jié)構(gòu)DS18B20可采用3腳TO-92小體積封裝和8腳SOIC封裝。其外形及引腳NCHl8UncNCHA亠M7NCVocdJ思A6NCoo(z|45PGND8-Pin150milSO(DS18B20Z)DALLAS18B20(BOFIOMVTEU)TO-92(DS18B20)和實(shí)物圖如圖35所示。DQC=NC=8-PinpSOP(DS1SB20U)NCC=GND(=圖3DS18B20的外形及引腳圖和實(shí)物圖3.3DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換過(guò)

5、程DS18B20工作原理:DS18B20的讀寫時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同,只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750msoDS18B20測(cè)溫原理如圖4所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器lo高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在一55C所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1,計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)

6、數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖4中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。圖4DS18B20測(cè)溫原理框圖根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。DS18B20的ROM指令和RAM指令如表1和表2所示。表1ROM指令表指令約定代碼功能讀ROM33H讀DS1820溫度傳感器ROM中的編碼（即64位地址）符合RO

7、M55H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問(wèn)單總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的DS1820使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該DS1820的讀寫作準(zhǔn)備。搜索ROMOFOH用于確定掛接在同一總線上DS1820的個(gè)數(shù)和識(shí)別64位ROM地址。為操作各器件作好準(zhǔn)備。跳過(guò)ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820發(fā)溫度變換命令。適用于單片工作。告警搜索命令0ECH執(zhí)行后只有溫度超過(guò)設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)。表2RAM指令表指令約定代碼功能溫度44H啟動(dòng)DS1820進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，12位轉(zhuǎn)換時(shí)最長(zhǎng)為750ms變換（9位為93.75ms）o結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM中。讀暫存器0BEH讀內(nèi)部RAM中9

8、字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的3、4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。復(fù)制暫存器48H將RAM中第3、4字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到EEPROM中。重調(diào)EEPROM0B8H將EEPROM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3、4字節(jié)。讀供電方式0B4H讀DS1820的供電模式。寄生供電時(shí)DS1820發(fā)送“0”，外接電源供電DS1820發(fā)送“1”。時(shí)序可分為初始化時(shí)序、讀時(shí)序和寫時(shí)序。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500us,然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待1660us左右，后發(fā)出60240us的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。讀時(shí)序分為讀“0”時(shí)序和讀“1”時(shí)

9、序兩個(gè)過(guò)程。對(duì)于DS18B20的讀時(shí)序是從主機(jī)把單總線拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20完成一個(gè)讀時(shí)序過(guò)程至少需要60uso對(duì)于DS18B20的寫時(shí)序仍然分為寫“0”時(shí)序和寫“1”時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。DS18B20寫“0”時(shí)序和寫“1”時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫“0”時(shí)，單總線要被拉低至少60iis,以保證DS18B20能夠在15usda到45i】s之間正確地采樣I/O總線上的“0”電平；當(dāng)要寫“1”時(shí)，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。3.4DS18B20與單片機(jī)的接口圖5為單片外部電源供電方式圖。在外部電源供電方式下，DS18

10、B20的工作電源由VDD引腳接入，此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問(wèn)題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85CO圖5外部供電方式單點(diǎn)測(cè)溫電路外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡(jiǎn)單，可以開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)使用外部電源供電方式，畢竟比寄生電源方式只多接一根VCC引線，而且在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮DS18B20寬電源電壓范圍的優(yōu)點(diǎn)，即使電源電壓VCC降到

11、3V時(shí)，依然能夠保證溫度量精度。!1!、系統(tǒng)詳細(xì)測(cè)量電路原理圖、仿真電路圖和程序清單a詳細(xì)測(cè)量電路原理圖由上述系統(tǒng)方框圖可知此電路圖的硬件電路有6部分，分別是單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、按鍵控制電路、溫度釆集電路、繼電器控制電路、報(bào)警電路、數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路等。4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)最小系統(tǒng)保證單片機(jī)能夠正常工作最基本的硬件電路。主要包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。如圖6、7所示。C130pFC2口X130pF圖6晶振電路4.2按鍵控制電路基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：一，可以切換顯示實(shí)時(shí)溫度和溫度上下限的值。二，可以調(diào)節(jié)溫度的上下限。本設(shè)計(jì)通過(guò)按鍵輸入電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。如圖8所示。4.3

12、溫度采集電路溫度釆集電路主要是用DS1820溫度傳感器來(lái)設(shè)計(jì)的。之前己對(duì)這個(gè)傳感器做了詳細(xì)的介紹。見(jiàn)圖9所示。圖8按鍵控制電路U3VCC25.0DQGNDDS18B20圖9溫度采集電路4.4繼電器控制電路繼電器是是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大的電流的一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)，安全保護(hù)，轉(zhuǎn)換電路等作用。本設(shè)計(jì)通過(guò)控制三極管（9013）的通斷來(lái)控制繼電器的開(kāi)通，繼而來(lái)控制加熱和降溫裝置。如圖10所示。4.5報(bào)警電路按照設(shè)計(jì)要求，當(dāng)溫度低于下限或者高于上限的時(shí)候，應(yīng)具有報(bào)警功能，我們釆用LED燈來(lái)顯示。當(dāng)紅燈亮起來(lái)

13、的時(shí)候，表示超出了這個(gè)溫度范圍；當(dāng)黃燈亮起且蜂鳴器響起時(shí)，表示溫度低于設(shè)定值。如圖10、11所示。圖10超溫報(bào)警電路圖11低溫報(bào)警電路4.6LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路LED顯示電路由斷驅(qū)動(dòng)電路和位電路組成。由于單片機(jī)并行口不能顯示驅(qū)動(dòng)LED顯示器，必須采用專門的驅(qū)動(dòng)芯片，使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作，我們用芯片74LS244來(lái)驅(qū)動(dòng)。此電路釆用的還是動(dòng)態(tài)顯示，需要由段和位選信號(hào)共同配合完成的，因此，要同時(shí)考慮斷和位的驅(qū)動(dòng)能力，所以本系統(tǒng)采用并行驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)顯示。具體電路如圖12所示。圖12數(shù)碼顯示電路132系統(tǒng)仿真電路如圖所示，這顯示的分別是測(cè)量的上、下限，用戶可以根據(jù)不同的用途通過(guò)兩個(gè)按

14、鍵來(lái)改變它的上下限值（本系統(tǒng)設(shè)定高低溫度分別是35C和20C）oU314A13OQ4:魅IDATCWR121ID1HPl1Pl.IPl?Rll10)P2T；AJS.D4IRRS)MlI2VR2ICk”VTOT4LW4KJ.VX6TOA6WJ48ABCDeFGDPA32pi.wwn.VTYt)%03ZD4/35/S40533cr/.如i、tfdaU5:AU5:A:皿14Q0A1Y1UV2A)書(shū)匕閩8、ncHDqaU2Apisr=C22$3OIFx圖19-1超溫報(bào)警、降溫電路圖gIDSiaKDC1口瓷jTTU2B2R1204LEORCD2NdVALUE-URN1RN1nmrs；_CISXTAL1P

15、0A*DQ29XTAL2uzaR5TPggMMPTJXALP2A*UEXP2A*UP2A*MP2.T.WHPlIiTOpjzvnuP)工CT*P13P14PisPIEPICncCTTP1Jpj.t.EFU1嚴(yán)W IcaaaiMg I Irrw i.U4AU5AECr4LS244U4:B4LS2445.0Y1；Qrx”xix；U2A02P15DlR11圖19-2低溫報(bào)警、加熱電路圖圖19系統(tǒng)仿真圖C語(yǔ)言程序清單#iiiclude#defineuchaiunsignedchar#defineumtunsignedmtsbitDQ=P3A0;sbiten=PrO;sbitadd=PlAl;sbitj

16、iaii=PlA2;sbitwaim=PlA5;加1減1加熱sbitcool=PlA7;降溫uchaicodesmg_du=0xc0.0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92.0x82,0xfB.0x80.0x90.0xbf;共陽(yáng)uchaicodesmg_we=0x08,0x04.0x02.0x01;uchaiuflagjnax=35jimi=20.k;umtvalue,b_value;/*小延時(shí)函數(shù)*/voiddelay(uinti)while(i-);/*延時(shí)函數(shù)*/voiddelay_ms(uintz)uiiitx,y；for(x=z;x0;x)fbr(y=110;y0;y-);

17、/*DS1SB20初始化函數(shù)*/voidinit_ds!8b200uchaipresence;DQ=0;delay(60);DQ=1；delay(5);presence=DQ;delay(20);/*寫入一個(gè)字節(jié)*/voidwiite_dsl8b20(ucharvalue)uchaii;fbi(i=O;i8;i+)DQ=0;DQ=-alue&0x01;delay(5);DQ=1；value=l;delay(4);/*讀出一字節(jié)函數(shù)*/uchairead_ds!8b20()uchaij,val;for(j=O;j8;j+)DQ=0;val=l;讀數(shù)先讀出最低位，因此只能右移DQ=1；if(DQ)

18、val|=0x80;delay(4);retuinval;/*讀溫度函數(shù)*/umtread_tempeiatiire()uchaia,aO,flag;umtb;umttemp;init_dsl8b20Q;開(kāi)始轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)write_dsl8b20(0xcc);write_dsl8b20(0x44);delay(300);uut_dsl8b200；每操作一次都要初始化并且至少有一條ROM指令write_dsl8b20(0xcc);write_ds18b20(0xbe);讀數(shù)據(jù)允許a=read_dsl8b20();低8位aO=read_ds18b20();高8位flag=a0&OxfB;b=aO*25

19、6+a;if(flag=OxfB)uflag=0;temp=(b+1)*0.625;/負(fù)數(shù)取反加1elseuflag=l;temp=b*0.625;returntemp;/*顯示當(dāng)前溫度*/voiddisplay()uchaii;value=iead_temperaniieQ;b_value=ralue/10;實(shí)時(shí)溫度值(用于與Max、Min比較)if(uflag=l)foi(i=0;i4;i+)P2=smg_wei;delay(lO);switch(i)case0:P0=smg_duvalue/1000;break;case1:P0=smg_duvalue%1000/100;break;ca

20、se2:P0=smg_duvalue%100/10&0x7f;break;case3:P0=smg_duvalue%10;break;default:break;delay(950);elsefoi(i=0;imax)cool=0;降溫elsecool=l;if(b_valueiniii)waim=0;加熱elsewaim=l;/*按鍵處理*/voidkeyscan()en=l;if(en=0)delay_ms(6);51Onisif(en=O)k+;if(k=3)k=0;wlule(?en);/*調(diào)節(jié)時(shí)Max與Mm時(shí)顯示*/voidcon_displav(uchardat)uchaii;fb

21、i(i=2;i4;i+)P2=smg_wei;delay(lO);switch(i)case2:P0=smg_dudat/10;break;case3:PO=smg_dudat%10;bieak:default:break;delay(950);/*加熱與降溫處理*/控制Maxvoidcontiol()if(k=l)con_display(niax);add=l;/+1if(add=O)delay_ms(6);51Onisif(add=O)max+;while(!add);/-lJian=l;if(jian=O)delay_ms(6);51Onisif(jian=O)max-;while(!j

22、ian);if(k=2)con_display(niHi);add=l;if(add=O)delay_ms(6);if(add=O)/+!510ms控制Mmniin+;while(?add);jian=l;/-lif(jian=0)delay_ms(6);51Onisifi(jian=O)niin;while(?jian);/*主程序voidmain()wlule(l)keyscanQ;if(k=O)displayO；顯示當(dāng)前溫度elsecontrol();控制時(shí)顯示五、參考文獻(xiàn)1 謝維成、楊加國(guó)單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì).清華大學(xué)出版社.20092 余發(fā)山、王忠福.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)

23、M.中國(guó)礦大出版社.20083 李艷紅、李海華.傳感器原理及其應(yīng)用.北京理工大學(xué)出版.20104 孫余凱.傳感器技術(shù)基礎(chǔ)與技能實(shí)訓(xùn)教程.電子工業(yè)出版社.20065 陳爾紹傳感器實(shí)用裝置制作集錦.人民郵電出版社.20006 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言-入門，提高，開(kāi)發(fā)，拓展全攻略.電子工業(yè)出版社，20117 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，19918 朱清慧.pioteus教程-電子線路設(shè)計(jì)，制版與仿真.清華大學(xué)出版社，200815六、演示結(jié)果說(shuō)明1.調(diào)試過(guò)程當(dāng)接通電源后，數(shù)碼管顯示室溫的溫度，按鍵一是切換鍵，分別是室溫、高溫、低溫，按鍵二是增大，按鍵三是減小，通過(guò)這兩個(gè)鍵來(lái)設(shè)定高

24、溫和低溫的值，在本次調(diào)試中，高溫報(bào)警是36度，低溫報(bào)警是27度，室溫大概是29度。當(dāng)用烙鐵靠近DS18B20時(shí)，數(shù)碼管的溫度逐漸增大，到36度時(shí)，電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行降溫，拿開(kāi)烙鐵，將冰水靠近DS18B20,數(shù)碼管顯示的溫度逐漸減小，到27度時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。拿開(kāi)冰水，數(shù)碼管上的溫度乂逐漸恢復(fù)室溫?？赏ㄟ^(guò)復(fù)位鍵進(jìn)行清零。2.心得體會(huì)陳斌：課程設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)幾個(gè)禮拜的不懈努力，終于圓滿完成，功勞最大的應(yīng)當(dāng)是本組的兩位女生，鄧勇平和易群同學(xué)，從設(shè)計(jì)到完成作品，每次都能夠嚴(yán)格控制把關(guān)，在購(gòu)買材料方面，出現(xiàn)了不少的問(wèn)題，比如買了許多材料結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有作用，還有些材料根本很難買到就只能用其他的材料來(lái)

25、代替，更無(wú)語(yǔ)的是花高價(jià)買來(lái)的器材卻不是圖片上顯示的那般，真是眼見(jiàn)為實(shí)，才能放心啊。所幸最后還是趕上了設(shè)計(jì)的進(jìn)度，最終完成，真的很開(kāi)心！易群：此次課程設(shè)計(jì)，我們做的是溫度測(cè)量與控制，由于我們?nèi)齻€(gè)都不擅長(zhǎng)單片機(jī)，就選擇了純硬件的方案，選用了LM324、ICL7107這兩塊芯片，當(dāng)初準(zhǔn)備用四連數(shù)碼管，后來(lái)分析原理圖發(fā)現(xiàn)，四連的小數(shù)點(diǎn)位接在一起，無(wú)法進(jìn)行未選,后來(lái)就用三個(gè)數(shù)碼管，用LED燈顯示最高位。在焊完電路后，接通電源，發(fā)現(xiàn)ICL7107過(guò)熱，且數(shù)碼管顯示不全，切斷電源，用萬(wàn)用表測(cè)ICL7107的輸入端，電壓有兒十伏特，而7107的輸入的參考電壓值只有l(wèi)OOmv,雖然芯片燒壞，但可以暫時(shí)先調(diào)前面電路，雖然設(shè)定電壓至正常，但調(diào)節(jié)電阻箱時(shí)測(cè)量電壓值非線性，當(dāng)電阻值小于100時(shí)才輸出正值，可在常溫下鉗熱電阻的值大概110歐姆，輸出不正常，通過(guò)查找資料，知道LM324放大微小信號(hào)不行，會(huì)出現(xiàn)紊亂，結(jié)果很不理想，在電腦仿真時(shí)用ua741來(lái)做前面的電路，結(jié)果比較理想，經(jīng)過(guò)兒天的調(diào)試，我們乂焊了個(gè)ua741的前賣弄的測(cè)溫、比較、報(bào)警電路，結(jié)果并未如仿真的，測(cè)量輸出的值仍然非線性，經(jīng)過(guò)很多天的調(diào)試，仍未成功，由于測(cè)試的時(shí)間，經(jīng)過(guò)商量，決定