基于DS18B20的温度控制系统设计.docx

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目录

1、前言 1

2、温度控制系统设计 2

2.1方案选择 2

2.2整体电路设计 2

3、电路模块设计 3

3.1电源电路模块 3

3.2STC89C52控制芯片 3

3.3DS18B20温度控制芯片 6

3.3.1DS18B20简介 6

3.3.2DS18B20的性能特点 6

3.3.3DS18B20供电方式 7

3.3.4DS18B20测温原理 7

3.4复位电路模块 8

3.5显示电路模块 9

3.5.1移位寄存器74HC164 9

3.5.2数码管显示电路 10

3.6报警电路模块 11

3.7按键电路模块 11

4、软件设计 12

4.1控制流程图 12

4.2DS18B20工作过程及时序 12

4.2.1初始化时序 12

4.2.2写时序 13

4.2.3读时序 14

5、闭环控制 16

5.1被控对象的传递函数测定 16

5.2控制算法 16

6、系统调试 19

7、结论 20

参考文献 22

附录 23

1、前言

温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。

这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。

传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。

控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。

而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。

数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。

由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。

2、温度控制系统设计

2.1方案选择

实现温度控制的方法主要有以下几种。

方案一：

采用纯硬件的闭环控制系统。

该系统的优点在于速度较快，但可靠性比较差控制精度比较低、灵活性小、线路复杂、调试、安装都不方便。

且要实现题目所有的要求难度较大。

方案二：

FPGA/CPLD或采用带有IP内核的FPGA/CPLD方式。

即用FPGA/CPLD完成采集，存储，显示及A/D等功能，由IP核实现人机交互及信号测量分析等功能。

这种方案的优点在于系统结构紧凑，可以实现复杂的测量与与控制，操作方便；缺点是调试过程复杂，成本较高。

方案三：

单片机与高精度温度传感器结合的方式。

即用单片机完成人机界面，系统控制，信号分析处理，由前端温度传感器完成信号的采集与转换。

这种方案克服了方案一、二的缺点，所以本设计任务是基于STC89C52单片机和温度传感器实现对温度的控制。

系统框图如下：

温度传感器

单片机

键盘控制

复位电路

显示电路

报警电路

电源电路

图2-1系统框图

2.2整体电路设计

温度传感器DS18B20从设备环境的不同位置采集温度，单片机STC89C52获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度值，通过加热和冷却对当前温度进行调整。

采集到的温度数据传输到单片机，由单片机处理后的数据送显示部分显示，当采集的温度经处理后低于设定温度的下限或高于设定温度的上限时，单片机控制报警电路发出报警声，同时相应的发光二极管发光显示。

本次设计的整体电路图见附录。

3、电路模块设计

3.1电源电路模块

控制系统主控制部分电源需要用5V直流电源供电，其电路如图6-1所示，把频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定的5V直流电压。

其主要原理是把单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。

由于输入电压为电网电压，一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。

降压后还是交流电压，所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。

由于经整流电路整流后的电压含有较大的交流分量，会影响到负载电路的正常工作。

需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。

稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得稳定性足够高的直流电压。

本电路使用集成稳压芯片7805解决了电源稳压问题。

电源电路如图所示。

图3-1电源电路

3.2STC89C52控制芯片

STC89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，STC89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

STC89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

STC89C52芯片具有以下主要功能特性：

1、兼容MCS51指令系统；

2、8k可反复擦写（大于1000次）FlashROM；

3、32个双向I/O口；

4、256x8bit内部RAM；

5、3个16位可编程定时/计数器中断；

6、时钟频率0-24MHz；

7、2个串行中断，可编程UART串行通道；

8、2个外部中断源，共8个中断源；

9、2个读写中断口线，3级加密位；

10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；

11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。

STC89C52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。

引脚图如图3-2所示：

图3-2STC89C52引脚图

具体介绍如下：

1.电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）：

接+5V电源正端；

Vss（20脚）：

接+5V电源负端。

2.外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）：

接外部石英晶体的一端。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端。

在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。

当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。

3.控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。

RST/VPD（9脚）：

RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。

当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。

当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。

ALE/PROG（30脚）：

当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的地址信号。

PSEN（29脚）:

片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。

当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。

当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。

EA/Vpp（31脚）：

EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。

当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS—52子系列为8KB）。

若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。

当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。

对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。

4.输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口

P0口（39脚～22脚）：

这8条引脚有两种不同功能，分别适用于两种不同情况。

第一种情况是89S51不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于传送CPU的输入/输出数据。

第二种情况是89S51带片外存储器，P0.0-P0.7在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

P1口（1脚～8脚）：

这8条引脚和P0口的8条引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位。

当P1口作为通用I/O口使用时，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。

P2口（21脚～28脚）：

这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，既它可以作为通用I/O口使用。

它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址。

P3口（10脚～17脚）：

P3.0～P3.7统称为P3口。

它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。

P3口的第2功能见表3-1。

表3-1单片机P3口管脚第2功能

引脚

第2功能

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.6

P3.7

RXD（串行口输入端）

TXD（串行口输出端）

INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）

INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）

T0（时器/计数器0计数脉冲端）

T1（时器/计数器1计数脉冲端）

WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）

RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）

3.3DS18B20温度控制芯片

3.3.1DS18B20简介

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

其封装图如图3-3所示。

图3-3DS18B20引脚图

3.3.2DS18B20的性能特点

a、独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；

b、多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；

c、无须外部器件；

d、可用数据线供电，电压范围：

3.0～5.5V；

e、测温范围：

-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃；可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；

f、12位分辨率时最多在750ms内把温度值转