基于DS18B20的测温控制系统.docx
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基于DS18B20的测温控制系统
单片机原理与应用课程设计说明书
题目：
温度控制系统设计
系部：
信息与控制工程学院
专业：
电子信息工程
班级：
学生姓名:
学号:
指导教师:
年月日
目录
1设计任务与要求1
1.1课题背景1
1.2设计任务1
1．3设计要求1
1.3.1功能要求1
1.3.2技术要求1
2设计方案2
2．1方案选择2
2.1.1控制电路和温度设定电路方案与选择2
2.1.2测温电路方案选择2
2.1.3加热制冷电路方案选择2
2．2主要芯片介绍3
2.2.1DS18B20的简介3
2.2.2数码显示管LED4
3硬件电路设计5
3．1串行编程电路5
3．2温度采集电路5
3．3温度显示电路6
3．4控制电路7
3．5报警电路7
3．6复位和震荡电路8
4软件设计8
4．1软件设计总流程图8
4．2DSl8B20数据采集及转换流程图9
5调试过程9
6结论10
7附录12
7．1总设计图12
参考文献13
1设计任务与要求
1.1课题背景
温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制,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，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
1.2设计任务
设计并制作一个单片机温度自动控制系统。
图1.1单片机温度自动控制系统
1．3设计要求
1.3.1功能要求
（1）实时监测和显示某一物体（如：
灯泡，以下以灯泡为例）的当前温度；
（2）灯泡温度高于设定最高值时系统采用蜂鸣器报警，并关闭灯泡，维持风扇运行。
（3）灯泡温度降至设定最低值时，关闭风扇。
1.3.2技术要求
（1）温度设定范围为40℃～90℃，最小区分度为1℃
（2）用十进制数码显示实际温度。
（3）被控对象温度采用发光二极管以光柱形式和数码形式显示。
（4）温度控制的误差≤1℃。
2设计方案
2．1方案选择
对题目进行深入的分析和思考，可将整个系统分区为以下几部分：
控制电路、温度设定电路测温电路、显示电路。
2.1.1控制电路和温度设定电路方案与选择
控制电路可以用硬件的方式实现，也可以用软件的方式实现，具体方案有三：
方案一、可可以用运放等模拟电路搭接一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对纯粹的水温控制这是足够的。
但是附加的显示，温度的设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。
同样也可以用逻辑电路实现，但总体的电路设计和制作繁琐。
方案二、可以使用FPGA实现控制功能，使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易实现控制、显示、键盘等功能。
是一种可选的方案。
但与单片机相比较，价格较高，显得大材小用。
方案三、可以使用单片机作为核心，同时可以实现控制、显示、键盘等功能。
电路设计和制作比较简单，是一种非常好的方案。
2.1.2测温电路方案选择
方案一、可以使用热敏电阻作为测温元件，热敏电阻精度高，需要配合电桥电路，电路设计比较麻烦。
方案二、可以使用热点偶作为测温元件，热电偶在工业上应用比较广泛，测温精度比较高，性能可靠，并有专用的热电偶测温电路。
方案三、采用半导体集成温度传感器作为测温元件，半导体温度传感器应用也比较广泛，精度、可靠性都不错，价格适中，使用比价简单，是一种较好的方案。
2.1.3加热制冷电路方案选择
当灯泡温过高时，一般只能关掉加热器，让其自动冷却，但为了达到更好的控制效果，可以用风扇进行制冷，当灯泡温超高时，关掉电炉开启风扇进行制冷。
加热制冷电源选用220V交流电
方案一、采用电力电子技术的PWM技术，控制其功率实现较好的精度，但电路设计比较麻烦，制作难度比较大。
方案二、可以使用固体继电器控制加热制冷器工作。
固态继电器使用比较简单，而且没有触电，可以频繁工作。
是一个比较好的方案。
经过对三种方案的比较，本次课程设计最后选择以下方案：
（1）测温电路选用DS18B20集成数字测温电路。
（2）功率控制电路选用继电器控制
（3）控制芯片选用常见的AT89S52
（4）显示方式选用数码管显示
2．2主要芯片介绍
2.2.1DS18B20的简介
DS18B20是单线数字温度传感器芯片，与传统的热敏电阻不同，可直接将被测温度转换为串行数字信号,供单片机处理。
通过对DSl8B20编程可以实现9~12位的温度读数，并可分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量。
其测温范围－55℃~＋125℃，最大分辨率为0.0625℃，在－10℃~＋85℃范围内其测温准确度为±0.5℃。
DS18B20具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、易与微处理器连结等特点，而且它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量，与单片机交换信息仅需要一根I/O口线，其读写及温度转换的功率也可来源于数据总线，而无需额外电源。
另外，每片DSl8B20都设有唯一的产品序列号，存放在它的内部ROM中，单片机通过简单的协议就能识别这个序列号。
因此，多个DSl8B20可以挂接于同一条单线总线上，特别适合构成多点温度测控系统。
DS18B20性能特点
（1）独特的单线接口，仅需1个I/O口引脚即可通信，无需变换其它电路，直接输出被测温度值的数字信号；
（2）多点（multidrop）能力使分布式温度检测应用得以简化；
（3）不需要外部元件；
（4）既可用数据线供电，也可采用外部电源供电；
（5）零待机功耗，不需备份电源；
（6）测量范围为－55~+125℃，固有测温分辨率为0.5℃；
（7）通过编程可实现9~12位的数字读数方式；
（8）温度数字量转换时间200ms（典型值）；
（9）用户可定义非易失性的温度告警设置；
（10）警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度警告情况）；
（11）应用范围包括恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或任何热敏系统[2]。
预处理
DS18B20采用3脚TO-92封装或8脚SOIC封装，其外部形状及管脚图如图1所示。
图2.1DS18B20多点测温电路图
图中①GND为地，②DQ为数据输入/输出端，该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平，③
可选用的VDD引脚，不用时应接地。
SOIC封装的NC为空引脚。
2.2.2数码显示管LED
图2.2数码显示管LED
LED显示器是单片机应用系统中常见的输出器件，而在单片机的应用上也是被广泛运用的。
如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。
LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。
LED数码管作为显示字段的数码型显示器件，它是由若干个发光二极管组成的。
当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符，常用的LED数码管有7段和“米”字段之分。
这种显示器有共阳极和共阴极两种。
共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连在一起，通常此共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。
同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极接在一起，通常此共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。
本次设计所用的LED数码管显示器为共阳极。
LED数码管的使用与发光二极管相同，根据材料不同正向压降一般为1.5～2V，额定电流为10MA，最大电流为40MA。
静态显示时取10MA为宜，动态扫描显示可加大脉冲电流，但一般不超过40MA。
3硬件电路设计
3．1串行编程电路
该系统采用STC89C52单片机，STC89C52是深圳宏晶科技公司供应的一种单片机芯片。
它具有价格便宜、使用原理和管脚与8051系列单片机一样，可直接替换89C5X和89S5X的单片机芯片等，但其最大的优点是可在系统编程（ISP），而且程序下载完成后，马上自动运行。
可以实现在线编程，方便的进行程序修改。
具体ISP编程电路如入所示。
图3.1串行编程电路
从图中可看出这实际上是一个单片机和上位PC机串口通信的电路。
电路中最主要的元件是MAX232，其内部结构可分2个部分：
第一部分是电源部分，15脚接地、16脚接电源正极（+5v），另外1、2、3、4、5、6脚和4只电容（C5、C6、C7、C8是1uF的钽电容）组成了一个可将+5v转换成+10v和-10v两组电源的电路，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道，利用COM口的2脚将PC机的数据通过MAX232的8脚输入，利用MAX232的转换电路将RS-232数据转换为TTL／CMOS数据，并从MAx232的9脚输出到STC89c52单片机的P3．0口（10脚）；而单片机的P3．1口（11脚）输出的TTL／CMOS数据．，进入MAX232A的10脚，转换为RS-232数据后通过MAX232A的7脚，输入到COM口的3脚进PC机。
3．2温度采集电路
温度采集系统采用的是DALLAS公司生产的单总线器件DS18B20，DS18B20具有线路简单，体积小的特点。
测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，并可以挂很多这样的数字温度计，方便以后扩展温度检测探头。
其电路如图所示。
图3.2DS18B20温度采集电路
该系统的DS18B20采用外部电源供电方式，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。
在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。
3．3温度显示电路
图3.3DS18B20温度采集电路
3．4控制电路
图3.4控制电路
当单片机的P11或者P10引脚输出低电平的时，三极管饱和导通，+5V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，同时状态指示的发光二极管也点亮，继电器的常开触点闭合，相当于开关闭合。
当单片机的P11或者P10引脚输出高电平的时，三极管截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，同时状态指示的发光二极管也熄灭，继电器常开触点释放，相当于开关断开。
注：
在三极管截止的瞬间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管释放，从而保护了三极管面被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管的保护作用。
3．5报警电路
图3.5蜂鸣报警电路
由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O时无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。
3．6复位和震荡电路
图3.6复位和震荡电路
复位电路的RST脚是复位信号输入端，高电平有效。
在89C51出现死机或需要对电路复位时，可以通过按下复位开关对电路进行复位操作。
震荡电路的X1脚和X2脚分别接单片机89C51的XTAL1和XTAL2两引脚，为89C51提供工作所需的震荡时钟。
4软件设计
4．1软件设计总流程图
图4.1软件设计总流程图
4．2DSl8B20数据采集及转换流程图
图4.2DS18B20数据采集及转换
5调试过程
静态测温的精度主要有DS18B20决定。
DS18B20的精度比较高，这里采取了度温度锁存器的办法，测温精度可达到0.2度，远大到1度的要求，在温控指标中，影响系统的性能的因素很多。
最关键的是加热系统本身的物理性质及控制算法。
1.测试环境
环境温度28摄氏度，室内面积20平方米
测试仪器，数字万用表，温度计0---100摄氏度
2.测试方法
使系统运行，采用温度计同时测量室内变化情况，得出系统测量的温度。
3.测试结果
设定温度由0摄氏度到40摄氏度
标定温差<=1摄氏度调节时间15s（具体视现场情况）
静态误差<=0.5摄氏度最大超调量1摄氏度
4.通过测试分析，对于实现室内的温度控制，可以再提出以下2点方法：
I增加传感器个数，对各个温度传感器采集的数据进行求算术平均，可得到较准确的温度值。
II对实际室内的温度控制，可以用功率较大的电炉，并且通过风扇对箱内温度进行充分搅和，降温设备可采用空气压缩机等制冷设备。
5.通过实验测试和分析，发现虽然传感器的温度采集精度最高可得到0.06摄氏度，但测试得到的数据最小间隔为0.03摄氏度。
通过分析，当对浮点数求平均处理时，遇到同一时刻两个传感头采集的温度相差不大，使0.06摄氏度时求出平均温度变为0.03摄氏度。
为了解该数据是否真实，可采用一个高精度的数字温度计测试，发现读出的值与其基本一致，由此推断如果在同一时间增加采集温度的个数，则可以进一步提高温度的精度。
6结论
课程设计主要的步骤是:
1.收集相关资料。
2.熟悉有关元器件。
熟悉有关元器件是采购的前提条件，只有把元器件熟悉透彻了才能在采购的时候避免很多的问题。
3.选取合适的器件型号。
合适的器件是确保电路性能的关键，只有选取合适的元器件才能使电路保持相对的稳定并发挥出电路的最佳性能，达到设计的要求。
4.将程序写到实验板调试并查看其效果。
5.总结分析。
此次课程设计既是对学校所学知识的一次总结和综合应用，又是为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好的开端。
所以在此有必要对这次的课程设计作一个系统的总结。
这次课程设计，这不仅是对我的一种锻炼，也是对我这学期所学知识尤其是单片机的知识的综合检查。
从开始设计到设计的完成，我感觉收获很多，不仅在理论上有了很大的升华,并且还在实践中锻炼了自己。
使自己成长了许多。
本文首先对整个系统的工作原理和实现方法进行了简单的介绍，给出了系统工作的整体框图。
在此基础上，介绍了系统设计用到的各个模块的功能特性，并进性了方案比较，选择出了最优越的方案。
在理论上对整个系统有一定了解的情况下，进行了系统模块的电路的设计，充分利用各方面的资料，发挥我所学的特长。
整个系统的开发过程是曲折的。
首先在硬件设计上，由于以前所学课程有一定的基础，我多方查阅资料，不断的向老师、同学学习请教，以确保设计的电路系统完整，并能实现最完美的系统功能。
经过这学期对单片机的学习，以及这两周的实践操作，我设计出了各个部分的电路图，并实现了电路图的组合。
经过测试与修改，最终完善了硬件电路的设计，并能够比较理想的完成本次课程设计功能——基于DS18B20的温度测试控制系统。
对于软件设计，因为以前的编程经验不够，因此，在这方面花费了很多的精力和时间。
尽管过程很艰难，但是在真正意义上学到了知识，为以后的工作和学习积累了宝贵的经验。
在研制过程中注重先进、适用的原则，注重科技与应用结合，来用产、学、研结合，侧重于科研技术转化为生产力。
本系统经过了设计阶段、开发实现阶段以及最后的应用测试阶段。
经过两个星期的努力，核心问题已经全部解决，所有功能均已基本实现，只是在通用性上还有待提高。
这次课程设计的经历使我对89C51单片机的一些特征、性能，以及应用及原理有了深刻的了解，真正做到了学有所得、学有所用，可以说获益匪浅。
但是，总的说来，由于我在理论和实践方面存在一定的不足，所以在设计思路和实现功能上难免有不足之处，请各位老师多多批评指正。
7附录
7．1总设计图
参考文献
[1]邱关源.电路第五版.高等教育出版社.
[3]李朝青.2005.单片机原理及接口技术（第3版）.北京.北京航天航空大学出版社.
[4]康华光.陈大钦.1999．电子技术基础模拟部分（第4版）．北京.高等教育出版社.
[5]康华光.邹寿彬．2000．电子技术基础数字部分（第4版）．北京.高等教育出版社.
[7]李忠国.陈刚.编著.单片机应用技能实训
[8]刘南平.主编.朱凤芝.欧触灵.副主编.现代电子设计与制作技术
[9]胡宴如.主编.高频电子线路
[10]杨翠南.杨碧石.主编.数字电子技术与逻辑设计教程
[11]王忠飞.胥芳．MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用[M]．西安：
西安电子科技大学出版社，2007．P268-273
[12]刘国钧.陈绍业.王凤翥.图书馆目录.第1版.北京：
高等教育出版社，1957
[13]傅承义.陈运泰.祁贵中.地球物理学基础.北京：
科学出版社，1985，447
[14]赵娜，赵刚，于珍珠等.基于51单片机的温度测量系统[J].微计算机信息，2007，1-2：
146-148。
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