基于DS18B20的自动温控系统.docx
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基于DS18B20的自动温控系统
基于DS18B20的自动温控系统
本设计是以一个保温箱为控制对象，以AT89C51为控制系统核心，通过单片机系统设计实现对保温箱温度的显示和控制功能。
本温度控制系统是一个闭环反馈调节系统，由温度传感器AD590对保温箱温度进行检测，经过调理电路得到合适的电压信号。
经A/D转换芯片得到相应的温度值，将所得的温度值与设定温度值相比较得到偏差。
通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节加热器的通断，从而实现对保温箱温度的显示和控制。
本文主要介绍了保温箱温度控制系统的工作原理和设计方法，论文主要由三部分构成。
①系统整体方案设计。
②硬件设计，主要包括温度检测电路、A/D转换电路、显示电路、键盘设计和控制电路。
③系统软件设计，软件的设计采用模块化设计，主要包括A/D转换模块、显示模块、键盘模块和控制模块等。
关键词：
单片机；传感器；温度检测
1绪论 1
1.1课题设计背景和目的 1
1.2国内外研究状况和发展趋势 1
1.3温度检测的主要方法 2
1.4课题设计的主要内容 3
2系统总体方案设计 4
2.1系统硬件设计方案 4
2.1.1芯片选择 5
2.1.2温度检测 5
2.1.3A/D转换电路 5
2.1.4键盘输入 6
2.1.5LED显示 6
2.1.6控制电路 6
2.2系统软件设计方案 6
3系统硬件设计 7
3.1中央处理器 7
3.1.1AT89C51简介 7
3.1.2管脚说明 8
3.1.3特殊功能存储器 10
3.1.4芯片擦除 "title="下一页">>>>>>|; 10
3.1.5复位电路的设计 11
3.1.6时钟电路设计 11
3.2温度传感器AD590 11
3.3信号调理电路 13
3.4温度标定 14
3.5A/D转换 16
3.6LED显示 19
3.7键盘接口 22
3.8控制电路 23
4系统软件设计 25
4.1程序初始化 26
4.2主程序 27
4.3A/D转换子程序 27
4.4标度转换子程序 28
4.5显示子程序 29
4.6控制子程序 30
4.7键盘子程序 32
5结论 35
参考文献 36
致谢 37
附录 38
附录A系统硬件原理图 38
附录B PCB板图 39
1单片机最小系统PCB板图 39
2调理电路、控制电路PCB板图 39
附件
附件1、开题报告
附件2、原文：
TEMPERATURECONTROL
附件3、译文：
温度控制
1绪论
1.1课题设计背景和目的
在现代化的工业生产中电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
温度作为一个基本物理量，它是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关的重要物理量。
在现代化的工业生产过程中温度作为一种常用的主要被控参数，在很多生产过程中我们需要对温度参数进行检测。
例如：
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。
采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
因此单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题[1]。
本次设计采用MCS-51系列单片机与各种外围电路构成单片机温度自动检测和控制系统，实现对温度的实时检测和控制。
通过本次设计掌握温度检测控制系统的硬件设计方法和软件编写方法。
熟悉Protel软件的使用方法。
通过课题的研究进一步巩固所学的知识，同时学习课程以外的相关知识，培养综合应用知识的能力。
锻炼动手能力与实际工作能力，将所学的理论与实践结合起来。
1.2国内外研究状况和发展趋势
随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步。
温度测量系统主要由两部分组成，一部分是传感器，它将温度信号转换为电信号。
另一部分是电子装置，它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。
对应于不同的温度段及测量精度要求，测温装置也不尽相同，从传感器方面看，己出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器，也有红外传感器。
仪器本身也趋向小型化，多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。
对于测点较多，并具有报警、巡测、控制等多功能测温装置，一般采用单片机电路。
目前的温度检测技术原理很多，大致包括以下几种:
（1）物体热胀冷缩原理
（2）热电效应（3）热阻效应（4）利热辐射原理。
传统的温度传感器（如,热电偶、铂电阻、双金属开关等）虽然有着各自不可替代的优点,但由于自身因自热效应影响了测量精度,从而制约了它们在微型化高端电子产品中的应用。
与之相比较,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流还是频率输出,在相当大的温度范围内（-55～150℃）都与温度成线性关系,适合在集成电路系统中应用。
目前,半导体温度|<<<<<12345678910>>>>>|传感器工作的温度范围还限于-50～150℃。
未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围,以及智能化、网络化等方面[2]。
近年来，在温度检测技术领域中，多种新的检测原理与技术的开发应用己取得了具有实用性的重大进展。
新一代温度检测元件正在不断出现和完善化，主要包括以下几种。
（1）晶体管温度检测元件
（2）集成电路温度检测元件（3）核磁共振温度检测器（4）热噪声温度检测器（5）石英晶体温度检测器（6）光纤温度检测器（7）激光温度检测器。
目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。
测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。
温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。
温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有:
膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。
随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种:
热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪[3]。
1.3温度检测的主要方法
温度的测量方法多采用集成的半导体模拟温度传感器，传感器输出的电压或电流与温度在一定范围呈线性关系。
通过放大，采样得到被测量。
另一种温度测量方法是使用热电偶，其测量精度较高，但测试过程复杂，测量时间长，而且采用电桥测量的系统抗干扰能力较差，误差较大。
随着集成电路技术的迅速发展
，新型的数字化温度传感器其精度、稳定性、可靠性及抗干扰能力都优于模拟的温度传感器。
数字温度传感器也越来越的到广泛的应用[4]。
温度检测的方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分为接触式与非接触式两大类。
接触式检测的方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表；基于热电效应的热电偶温度检测仪表。
非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系，对物体的温度进行检测，主要有亮度法、全辐射法和比色法等。
接触式测温是使测温敏感元件与被测介质接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，感温元件与被测介质的温度相等。
这类传感器结构简单、性能可靠、精度高、稳定性好、价格低、应用十分广泛，因此，本方案采用接触式测温法，选用相关类型的传感器。
由单片机组成的温度测控系统,通过在单片机外部添加各种接口电路，可构成单片机最小系统，用以实现对温度控制对象的温度的显示和控制。
同时也能根据实际情况实现多路巡回检测、数据处理、报警及记录,对各个参数以一定的周期进行检查和测量,检测的结果经计算机处理后再进行显示、打印和报警,以提醒操作人员注意或直接用于生产控制[5]。
1.4课题设计的主要内容
本温度控制系统是一个闭环反馈控制系统，它用温度传感器将检测到的温度信号经放大，A／D转换后送入单片机中进行数据处理并显示当前温度值，用当前温度值与设定温度值进行比较[6]。
根据比较的结果得到控制信号用以控制继电器的通断，实现对加热器的控制。
通过这种控制方式实现对保温箱的温度控制。
本课题设计的内容主要包括硬件设计和软件设计两部分。
系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行等电路的设计。
软件程序编写主要用来实现对温度的检测、标度转换、LED显示、继电器控制等数据处理功能。
2系统总体方案设计
本次设计采用MCS-51单片机作为控制芯片，采用半导体集成温度传感器AD590采集温度信号。
通过温度传感器将采集的温度信号转换成与之相对应的电信号，经过放大处理送入A/D转换器进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号送入到控制芯片进行数据处理。
通|<<<<<12345678910>>>>>|过在芯片外围添加显示、控制等外围电路来实现对保温箱温度的实时检测和控制功能。
本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成传感器信号的采集处理,信息的显示等;软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控制等功能。
系统结构框图如图2.1所示：
图2.1系统结构框图
2.1系统硬件设计方案
单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D转换器、设计合适的接口电路等。
系统设计应本着以下原则：
（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。
本设计采用了典型的显示电路、A/D转化电路，为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。
（2）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。
软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。
由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。
由于本设计的响应时间要求不高，所以有一些功能可以用软件编程实现，如键盘的去抖动问题。
（3）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。
系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。
本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分，从功能模块上来分有主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。
系统硬件包括：
温度传感器、信号调理电路、A／D转换器件、MCS-51单片机、键盘输入、LED温度显示器、温度控制电路。
2.1.1芯片选择
单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微型计算机，简称单片机。
单片机以其较高的性能价格比受到了人们的重视和关注。
它的优点就是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。
单片机根据其基本操作处理的位数可分为4、8、16、32位单片机，应用最为广泛的是八位单片机。
根据本次设计的实际情况和要求，在本次设计中采用AT89C51作为系统的控制芯片。
AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K的系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
2.1.2温度检测
本课题设计的温度控制范围为25-80摄氏度，温度传感器采用采用AD590半导体集成温度传感器。
A/D590具有较高的精度和重复性，不需辅助电源，线性好，使用方便，便于微机系统测控。
被测温度信号为一路由AD590测得的代表温度的电压信号，经温度调理电路放大后使其在0-5V范围内，使其适合于A/D转换器的输入电压范围。
2.1.3A/D转换电路
A/D转换电路的种类很多，例如，计数比较型、逐次逼近型、双积分型等等。
选择A/D转换器件主要从转换速度、精度和价格上考虑。
逐次逼近型A/D转换器，在精度、速度和价格上都比较适中，是最常用的A/D转换器。
双积分A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，但转换速度慢。
近年来在微机应用领域中也得到了广泛的应用。
本次设计采用八路模拟输入通道的逐次逼近型的八位A/D转换器ADC0809。
采用ADC0809作为与单片机的接口电路，它的结构比较简单，转换速度较高。
采用ADC0809作为A/D转换器具有与单片机连接简单的优点，它是八位的转换器可以与八位的单片机直接连接，这样就简化了系统的连接电路也有利于系统软件的编写。
2.1.4键盘输入
键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘，键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现，并产生键编号和键值的称为编码式键盘；靠软件识别的为非编码式键盘。
在单片机组成的测控系统中，用得最多的是非编码键盘。
在这里采用的就是非编码式键盘。
键盘的连接方式采用独立连接式，这种连接方式能够简化程序的|<<<<<12345678910>>>>>|编写。
2.1.5LED显示
在单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）。
采用LED作为系统的数据显示器具有价格低、性能稳定和响应速度快等特点。
LED显示方式有静态显示、动态显示和串口显示。
为了节省系统本身的硬件资源，在这里LED的显示方式采用串行静态显示方式。
利用串口可以工作在移位寄存器方式，驱动LED静态显示。
这样就可以充分的利用并行口，并将并行口用到最需要的地方去，同时主程序不需要扫描显示器，使它有更多的时间处理其他事情。
这种显示方法用于显示位数少、显示亮度大的地方能够达到很好的显示效果。
2.1.6控制电路
控制电路作为单片机系统的后向通道，他是将单片机处理后的数字控制信号用输出口输出，并将该数字信号用于对控制对象的控制。
由于单片机的输出信号电平很低，无法直接驱动外围设备进行工作，因此在单片机的后向通道中需要外围设备的驱动、信号电平的转换以及隔离放大等技术。
本次设计采用继电器作为控制电路的主要器件，通过继电器可以实现直流信号控制交流负载的功能，从而实现单片机系统的控制功能。
2.2系统软件设计方案
系统的软件设计采用模块化设计，采用模块化设计可以简化系统软件的编写，使软件编写思路更加简单明了。
系统软件主要由三大模块组成：
主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。
主程序模块用于实现各个子程序间的跳转。
功能实现模块主要由A/D转换子程序、键盘处理子程序、显示子程序、继电器控制程序等部分组成。
运算控制模块涉及标度转换子程序等。
3系统硬件设计
3.1中央处理器
如图3.2为AT89C51引脚图,各引脚功能说明如下[7]:
●VCC:
电源
●GND:
地
●P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式|<<<<<12345678910>>>>>|下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
图3.2AT89C51引脚图
●P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）
●P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
●P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
P3口亦作为AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如表3-1所示。
表3-1AT89C51引脚号第二功能
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT0（外部中断0）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
●RST:
复位输入，晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
●ALE/PROG：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。
这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则，ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
●PSEN:
外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。
当AT89C51从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
●EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。
在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
●XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
●XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
3.1.3特殊功能存储器
在单片机内高128BRAM中，由有21个特殊功能寄存器（AFR），它们离散的分布在80H-FFH的RAM空间中，访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。
表3-2为AT89C51单片机特殊功能寄存器及其相应地址[7]。
表3-2专用寄存器名称，功能及对应的RAM地址
名称
简单描述
地址
ACC
累加器（专门用于存储算术和逻辑运算的结果）
0E0H
B
B寄存器（专门用于乘/除法运算）
0F0H
PSW
程序状态寄存器
0D0H
SP
推栈指针寄存器
81H
DPTR
16位数据指针寄存器。
CPU访问外部RAM时地址指针，由两个8位寄存器DPH（83H）、DPL（82H）组成且可单独访问。
P0
端口0状态寄存器（初始值为0FFH）
80H
P1
端口1状态寄存器（初始值为0FFH）
90H
P2
端口2状态寄存器（初始值为0FFH）
0A0H
P3
端口3状态寄存器（初始值为0FFH）
0B0H
IP
中断优先级控制寄存器
0B8H
IE
中断允许控制寄存器
0A8H
TMOD
定时器/计数器方式控制寄存器
89H
TCON
定时器/计数器控制寄存器
88H
TH0
定时器/计数器0高字节
8CH
TL0
定时器/计数器0低字节
8AH
TH1
定时器/计数器1高字节
8DH
TLI
定时器/计数器0低字节
8BH
SCON
串行控制寄存器
98H
SBUF
串行数据缓冲器
99H
PCON
电源控制寄存器
87H
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3.1.4芯片擦除
整个EPROM阵列电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
3.1.5复位电路的设计
复位使单片机处于起始状态，并从该起始状态开始运行。
AT89C51的RST引脚为复位端，该引脚连续保持2个机器周期（24个时钟振动周期）以上高电平，则可使单片机复位。
内部复位电路在每一个机器周期的S5P2期间采样斯密特触发器的输出端，该触发器可抑制RST引脚的噪声干扰，并在复位期间不产生ALE信号，内部RAM处于不断电状态。
其中的数据信息不会丢失，也即复位后，只影响SFR中的内容，内部RAM中的数据不受影响。
外部复位有上电复位和按键电平复位。
由于单片机运行过程中，其本身的干扰或外界干扰会导致出错，此时我们可按复位键重新开始运行。
为了便于本设计运行调试，复位电路采用按键复位方式。
按键复位电路如图3.3所示[8]。
图3.3 复位电路
3.1.6时钟电路设计
时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。
MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的，其典型值为12MHZ。
AT89C51内部有一个反相振荡放大器，XTAL1 和XTAL2分别是该反向振荡放大器的输入端和输出端。
该反向放大器可配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
本设计采用的晶振频率为12MHZ。
其时钟电路如图3.4所示。
51系列单片机还可使用外部时钟。
在使用外部时钟时，外部时钟必须从XTAL1输入，而XTAL2悬空。
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