基于DS18b20温度传感器的实现了温度控制风扇Word文档下载推荐.docx
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1.1概述
如今，在日常生活及工农业生产中，大多场合都需要对温度进行采集，便根据环境温度的高低来实现某种智能化的控制，从而满足人们日常生活及工农业生产的要求。
温控风扇系统就是为需要根据环境温度实现智能散热的场合而设计的。
本系统设计共由四个部分组成，即温度采集模块、温度状态显示模块、风扇控制模块和温度报警模块。
系统首先采集环境温度，在通过液晶显示器显示，对环境温度实行时时监测，然后再根据所采集到的温度，根据需要对风扇的转速进行调节，如果环境温度超出一定值，则可能有异常情况发生，此时报警电路报警。
1.2温度测控系统的发展与研究现状
近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。
温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。
在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：
简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；
但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。
另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：
不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。
但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。
因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。
1.2.1温度测控技术的应用
温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：
动态温度跟踪与恒值温度控制。
动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。
在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等；
恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某允许值。
在通信系统中，常利用非电信号来传递控制信号和数据，以实现遥控或遥测的功能红外通信，具有控制简单、实施方便，传输可靠性高的特点，是一种较为常用的通信方式。
红外通信利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，发送端采用脉时调制方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送，接收端将收到的光脉冲转换成电信号。
再经过放大、滤波处理后送给解调电路，还原为二进制数字信号后输出。
1.微控制器MCU（单片机）简介
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。
从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
它最早是被用在工业控制领域。
由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。
2.系统控制芯片AT89C51
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
其外形及引脚排列如图所示：
图1-1AT89C51外形及引脚排列
1.2.2温度测控的困难
温度测控要面临的问题是环境，所处环境的不同以及所处环境的变化，例如季节变化、昼夜变化、所处环境温度过高、所处环境温度过低等，都会对温度的测控带来一定的困难。
如果环境温度过高，这要求所采用的温度传感器具有一定的耐高温性能，如果温度过低，则要求所采用的温度传感器具有一定的耐低温能力，如果环境是变化，则要求温度传感器能适应环境的变化。
要满足这些要求，就需要有高性能的温度传感器。
1.3本文研究的意义
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
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。
很多行业都有用电加热设备，采用单片机对他们进行温度控制不仅具有控制方便，简单，灵活性大等特点，而且还可以大幅提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量。
第2章温度采集及自动调速风扇系统的基本理论
2.1自动控制技术
自动控制技术是20世纪发展最快、影响最大的技术之一，也是21世纪最重要的高技术之一。
今天，技术、生产、军事、管理、生活等各个领域，都离不开自动控制技术。
就定义而言，自动控制技术是控制论的技术实现应用，是通过具有一定控制功能的自动控制系统，来完成某种控制任务，保证某个过程按照预想进行，或者实现某个预设的目标。
从控制的方式看，自动控制系统有闭环和开环两种。
闭环控制也就是（负）反馈控制，原理与人和动物的目的性行为相似，系统组成包括传感器（相当于感官），控制装置（相当于脑和神经），执行机构（相当于手腿和肌肉）。
传感器检测被控对象的状态信息（输出量）,并将！
鱿转变成物理（电）信号传给控制装置。
控制装置比较被控对象当前状态（输出量）对希望状态（给定量）的偏差，产生一个控制信号，通过执行机构驱动被控对象运动，使其运动状态接近希望状态。
在实际中，闭环（反馈）控制的方法多种多样，应用于不同领域和各个方面，当前广泛应用并快速发展的有：
最优控制，自适应控制，专家控制（即以专家知识库为基础建立控制规则和程序），模糊控制，容错控制，智能控制等。
开环控制也叫程序控制，这是按照事先确定好的程序，依次发出信号去控制对象。
按信号产生的条件，开环控制有时限控制，次序控制，条件控制。
20世纪80年代以来，用微电子技术生产的可编程序控制器在工业控制（电梯，多工步机床，自来水厂）中得到广泛应用。
当然，一些复杂系统或过程常常综合运用多种控制类型和多类控制程序。
2.2温控风扇系统概述
2.2.1系统总体设计思路
DSP（DigitalSignalProcessor）作为独特的微处理器，是以数字信号来处理大量的信息的器件。
其工作原理是接收模拟信号[3]。
本系统的设计是以单片机控制芯片AT89C51为核心，通过温度传感器（DS18B20）采集环境温度，便用液晶屏（LCD1602）显示，以便于对环境温度实行时时监测，同时根据所采集的温度和应用需要，再由单片机控制驱动芯片（L298N），从而控制直流减速电机，实现转速控制。
其原理框图如下图所示：
图2-1典型的DSP系统框图
2.280C51单片机的介绍
2.2.1单片机P0引脚的介绍
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。
此时，P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；
而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
2.2.2单片机P1引脚的介绍
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。
P1口作入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。
2.2.3单片机P2引脚介绍
P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。
P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
2.2.4单片机P3引脚介绍
P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。
2.2.5对单片机复位电路和振荡电路介绍
复位电平持续时间最好大于10个机器周期,机器周期是晶振频率12分频的倒数只要能满足RC>
10T的要求。
故复位电路采用4.7K电阻和100μF的电解电容足够了。
2.3显示模块
2.3.1LCD1602与单片机的接口如图所示
图3-3-1LCD1602与单片机的接口
2.3.21602液晶屏引脚介绍。
第1脚：
VSS为电源地 第2脚：
VCC接5V电源正极 第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
2.3.31602液晶屏的特性
+3.3V电压，对比度可调， 内含复位电路提供各种控制命令,如：
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，有80字节显示数据存储器DDRAM，内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM，8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM
2.3.41602液晶屏的优点
微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
2.3.51602液晶屏的操作控制
注：
关于E=H脉冲——开始时初始化E为0，然后置E为1。
字符集 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'
A’。
以下是1602的16进制ASCII码表地址：
读的时候，先读左边那列，再读上面那行，如：
感叹号！
的ASCII为0x21，字母B的ASCII为0x42（前面加0x表示十六进制）
2.3.61602液晶屏的指令集
1602通过D0~D7的8位数据端传输数据和指令。
显示模式设置：
（初始化）00111000[0x38]设置16×
2显示，5×
7点阵，8位数据接口；
显示开关及光标设置：
（初始化）00001DCBD显示（1有效）、C光标显示（1有效）、B光标闪烁（1有效）000001NSN=1（读或写一个字符后地址指针加1&
光标加1），N=0（读或写一个字符后地址指针减1&
光标减1），S=1且N=1（当写一个字符后，整屏显示左移）s=0当写一个字符后，整屏显示不移动数据指针设置：
数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码（0-27H，40-67H）其他设置：
01H（显示清屏，数据指针=0，所有显示=0）；
02H（显示回车，数据指针=0）。
2.4温度检测模块
2.4.1DS18B20的主要特性
1.1、适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电 1.2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯 1.3、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温 1.4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 1.5、温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±
0.5℃ 1.6、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℃，可实现高精度测温 1.7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快 1.8、测量结果直接输出数字温度信号，以"
一线总线"
串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 1.9、负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
2、DS18B20的外形和内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
2.4.2DS18B20的管脚
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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，其输出用于修正计数器1的预置值。
DS18B20引脚的功能：
（1）DQ为数字信号输入/输出端；
（2）GND为电源地；
（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接地方式时接地）。
2.4.3DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
2.4.4DS18B20的应用电路
DS18B20的应用电路DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。
下面就是DS18B20几个不同应用方式下的测温电路图：
5.1、DS18B20寄生电源供电方式电路图，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：
在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。
独特的寄生电源方式有三个好处：
1）进行远距离测温时，无需本地电源2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。
因此，图4电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。
并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。
第3章系统的软件设计
3.1软件设计思路分为两层：
3.1.1第一层是该系统各个模块独立运作：
1.DS18B20收集体表温度传到单片机后经处理现实在数码管上，显示室温或者体表温度。
如图3.1所示
图3.1数据采集部分软件
2.直流电机通过驱动电路转动，正常运作，可以手动调节滑动变阻器来人为改变风速。
3.通过按钮可以调节温度的上限t1和下限t2，并且显示在数码管上，单片机最小系统作为处理核心。
如图4所示
图3.2按钮设置上下限
3．1.2第二层是系统构成一个整体后，形成智能温度控制调速：
用按钮设定温度的上下限t1和t2，也就相应的规定了风扇的工作范围，通过转换按钮调节显示在数码管上的数字，此时作为处理系统的单片机最小系统，记录下温度上下限，传感器模块接收温度信息，比较记录下的温度上下限后进行风速分级控制，驱动电路驱动直流电机。
整个系统协同合作，形成智能温度控制调速。
程序流程图如图5所示
图3.3软件系统程序流程图
第4章仿真实验
4.1仿真过程
电路用protues仿真软件进行硬件电路和软件结合的仿真，系统软件利用KeilC51进行编辑编译，生成单片机系统的可执行HEX文件。
仿真通过了。
4.2Protues仿真图
图4-2Protues仿真图
结论
在本次课程设计选题后，我首先查阅了大量的关于温度控制内类书籍、学术论文等相关资料。
从而制定出本此课程设计的研究步骤。
本次课程设计首先从直流电
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