555定时器温度控制电路设计要点.docx
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555定时器温度控制电路设计要点
内容摘要
在日常的生产与生活中，温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。
所以人们需要用到良好的温度检测及控制装置系统来解决这些问题。
本文介绍了采用A/D转换、555定时器、AT89C51芯片以及DS1620温度传感器等组成的温度控制系统的设计方法和工作原理。
能够通过传感器对温度的感应自动调节加热功率的大小，并且在解决温度检测的基础上，通过555定时器完成对温度的特殊控制。
本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。
课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。
设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。
本设计系统包括温度传感器，A/D转换模块，温度传感器模块，和555定时器，AT89C51芯片等。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
整个系统的核心是以555定时器进行温度监控，完成了课题所有要求。
索引关键词：
自动控制系统温度传感器MCS-51555定时器
555定时器温度控制电路设计
第一章绪论
1.1研究温度控制系统的意义
温度是工业对象中主要的被控参数之一，像冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，单片机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。
其使用量日益增多，其地位和作用倍显重要，温度控制系统的结构组成，控制原理使用维护等方面的基础内容已成为电气工程技术人员急需了解掌握的必要知识。
1.2温度控制系统中传感器
随着“信息时代”的到来，作为获取信息手段的传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。
传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。
因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。
传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。
因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。
另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。
温度传感器是其中重要的一类传感器。
其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。
为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。
本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控系统。
文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。
1.3温度控制系统设计要点
温变化规律的控制，这主要在控制程序设计中考虑。
温度控制范围：
这就涉及到测温元件、功率的选择等。
控制精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律选择等。
1.4温度控制系统设计内容
本设计应用性比较强，设计系统可以作为温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。
课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。
设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。
本设计系统包括温度传感器，A/D转换模块，温度传感器模块，和555定时器，AT89C51芯片等。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
整个系统的核心是以555定时器进行温度监控，完成了课题所有要求。
第二章硬件系统的构成
2.1AT89C51概况
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（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字节闪烁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100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。
AT89C系列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。
2.2功能特性概述
一、4K字节可编程闪烁存储器
二、寿命：
1000写/擦循环
三、数据保留时间：
10年
四、全静态工作：
0Hz-24MHz
五、三级程序存储器锁定
六、128×8位内部RAM
七、32可编程I/O线
八、两个16位定时器/计数器
九、5个中断源
十、可编程串行通道
十一、低功耗的闲置和掉电模式
十二、片内振荡器和时钟电路
2.3引角功能说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器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）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.4时钟振荡器
振荡器就是可以产生一定频率的交变电流信号的电路.
晶体振荡器,以下我简称晶振,是利用了晶体的压电效应制造的,当在晶片的两面上加交变电压时，晶片会反复的机械变形而产生振动，而这种机械振动又会反过来产生交变电压。
当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其它频率下的振幅大得多，产生共振，这种现象称为压电谐振.晶振产生振荡必须附加外部时钟电路,一般是一个放大反馈电路,只有一片晶振是不能实现震荡的.
于是就有了时钟振荡器,将外部时钟电路跟晶振放在同一个封装里面,一般都有4个引脚了,两条电源线为里面的时钟电路提供电源,又叫做有源晶振,时钟振荡器,或简称钟振.好多钟振一般还要做一些温度补偿电路在里面,让振荡频率能更加准确.
2.5空闲节电模式
在空闲工作模式状态，CPU自身处于睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。
此时，同时将片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容冻结。
空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
由硬件复位终止空闲状态只需两个机器周期有效复位信号，在此状态下，片内硬件禁止访问内部RAM，但可以访问端口引脚，当用复位终止空闲方式时，为避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。
2.6掉电模式
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。
退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器，但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。
2.7传感器概述
传感器是：
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节
第三章数字温度测控芯片DS1620的应用
3.1概述
DS1620是一款数字温度计和温度监控器。
作为温度计，DS1620具有9位温度计分辨率；由于带有3个热报警输出，DS1620也可用作温度监控器。
当DS1620的温度大于等于用户自定义温度TH时，THIGH被驱动为高；当DS1620的温度小于等于用户自定义温度TL时，TLOW被驱动为高；而当DS1620的温度超过TH时，TCOM被驱动为高并持续到温度降至TL以下。
用户自定义温度监控设置保存在非易失性存储器中，故DS1620器件可在插入系统之前预先编程，亦可满足无CPU的独立应用。
DS1620的温度监控设置和温度信息读取都是通过简单的3-wire接口实现。
3.2引脚功能说明
一、如图3-1所示
1DQ三线制的数据输入/输出
2CLK/CONV三线制的时钟输入和标准转换输入
3RST三线制的复位输入
4GND地
5TCOM温度高/低限触发输出
6TLOW温度低限触发输出
7THIGH温度高限触发输出8VDD3～5V电源
二、温度值数据格式
DS1620的温度值为9位数字量，数据用补码表示，最低位表示0.5℃。
几个典型温度的数字量如表1所列。
通过三线传送数据时，低位在前，高位在后。
DS1620读出或写入的温度数据值可以是9位的字（在第9位后将置为低电平），也可以作为两个8位字节的16位字。
这时高7位为无关位。
这种方式在8位单片机中处理是比较方便的。
表3-1
温度/℃
数字输出（二进制）
数字输出（十六进制）
+125
011111010
00FAH
+25
00011
0032H
+0.5
00000000
0001H
0
00000000
0000H
-0.5
111111111
01FFH
-25
111001110
01CEH
-55
11001001
0192H
3.3操作和控制
控制/状态寄存器用于决定DS1620在不同场合的操作方式，也指示温度转换时的状态。
控制/状态寄存器的定义如下。
DONETHFTLFNVB10CPU1SHOTDONE：
温度转换完标志。
“1”转换完成，“0”转换进行中。
THF：
温度过高标志。
温度高于或等于TH寄存器中的设定值时变为“1”。
当THF为“1”后，即使温度降到TH以下，THF值也仍为“1”。
可以通过写入“0”或断开电源来清除这个标志。
TLF：
温度过低标志。
温度低于或等于TL寄存器中的设定值时变为“1”。
当TLF为“1”后，即使温度升高到TL以上，TLF值也仍为“1”。
可以通过写入“0”或断开电源来清除这个标志。
NVB：
非易失性存储器忙标志。
“1”表示正在向存储器中写入数据；“0”表示存储器不忙。
写入存储器要10ms时间。
CPU：
CPU使用标志。
“1”表示使用CPU，DS1620和CPU通过三线制进行数据传输；“0”表示不使用CPU，当不使用CPU时，接低电平，CLK/作为转换控制使用。
这一位存放在非易失存储器中，允许至少50000次写操作。
3.4DS1620有两种操作模式
一、单独工作模式
在这种工作模式下，DS1620作为热继电器使用，常用连续转换方式，可在没有CPU参与下工作。
预先必须写入控制寄存器操作模式和TH、TL寄存器的温度设定值，CLK/用作转换开始控制端。
要注意：
这种工作模式下，控制/状态寄存器的CPU标志位必须设为“0”。
为了使CLK/作转换控制，必须为低电平。
如果CLK/被拉低，且在10ms以内置高，则产生一次转换；如果CLK/保持低，则DS1620连续进行转换。
当CPU为“0”时，转换由CLK/控制，而不受1SHOT控制位的限制。
DS1620有三个温度触发控制端。
当DS1620的温度高于或等于TH寄存器设定值时，THIGH输出为高电平；当温度低于或等于TL寄存器设定值时，TLOW输出高电平；当温度高于TH寄存器设定值时，TCOM输出为高电平，直到温度下降到TL寄存器设定值以下时才会变为低电平。
二、三线串行通信模式
三线制由三个信号线组成：
（复位）、CLK（时钟）和DQ（数据）。
数据传输在由低电平变为高电平后开始。
在数据传输过程中，使变为低电平会终止数据传输。
时钟由一序列上升沿和下降沿组成。
DS1620输入、输出数据时，都必须是上升沿数据有效。
读写数据时低位在前，高位在后。
DS1620的三线制操作时序如图3-2所示。
从图3-2可知，三线制的操作大部分是命令字在前，数据在后（部分命令后不需要数据）。
下面是DS1620的几个主要命令字：
开始转换[EEh]开始转换温度，后面不需要有其它数据；
读温度[AAh]读出最后一次温度转换的结果，后面的9个脉冲输出9位温度值；
读配置寄存器[0Ch]命令后的连续8个脉冲读出配置寄存器的内容；
写配置寄存器[ACh]命令后的连续8个脉冲写入配置寄存器新的内容；
写TH寄存器[01h]命令后的连续9个脉冲写入TH寄存器9位温度高限设定值；
写TL寄存器[02h]命令后的连续9个脉冲写入TL寄存器9位温度低限设定值；
读TH寄存器[A1h]命令后的连续9个脉冲读出TH寄存器9位温度高限设定值；
图3-2
读TL寄存器[A2h]命令后的连续9个脉冲读出TL寄存器9位温度低限设定值。
五、应用实例
无CPU参与下的应用：
DS1620有三个温度触发输出，都可作为温控端使用，用于控制加热或制冷装置。
在五、应用实例
无CPU参与下的应用：
设置控制/状态寄存器以及TH和TL寄存器内容后，DS1620可在脱离CPU的情况下单独作温控器使用。
图3-3是用THIGH作控制的应用实例。
当环境温度高于TH寄存器的温度设定值后，THIGH输出为高，2N7000导通，启动风扇散热；当环境温度低于TH寄存器的设定值后，THIGH输出为低电平，2N7000截止，风扇停转。
有CPU参与下的应用：
硬件连线图3-4是用AT89C51单片机作CPU来操作DS1620的。
单片机的P1口连接DS1620的三线通信接口：
P1.1接DQ，P1.2接CLK/，P1.3接。
程序采用C51编制，在KEILCV6.20下调试通。
DS1620SetConf用于配置控制状态寄存器的内容；用DS1620startConv（void）开始进行温度转换；用DS1620返回控制/状态寄存器内容；可查寻DONE位来判断是否转换完成，转换完成后用DS1620读出转换的温度值。
也可采用软件延时方式，在开始转换后延时1s以上，再读转换的温度数据值。
3.5555定时器概述
555定时器又称时基电路，是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
555定时器按照内部元件分为双极型和单极型。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V-16V工作，7555可在3-18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
一、555定时器的原理
定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。
分压电路由三个5K的电阻构成，分别给A1和A2提供参考电平2/3VCC和1/3VCC。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号自6脚输入大于2/3VCC时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止。
4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则V0=0；正常工作时4接为高电平。
5脚为控制端，平时输入2/3Vcc作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。
如果不在5脚外加电压通常接0.01μF电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。
二、555定时器的电路结构与功能
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
一般555定时器由分压器、比较器、触发器和开关及输出等四部分组成。
三、555定时器各引脚功能
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5-16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3-18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
四、555定时器的应用
构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅
构成多谐振荡器，组成信号产生电路；
构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。
五、555定时器的温度控制电路
温度测量主要利用温度传感器实现。
温度传感器。
采用NTC（负温度系数）热敏电阻，其电阻值坼随温度r的升高而迅速减少。
阻值一温度关系为：
RT=Ae式中：
A、B是由半导体材料和加工工艺所决定的两个常数，日是热敏指数。
设计中选用的是100k的1MF58高精度测温热敏电阻，在0℃-99℃测温范围内，其阻值范。
热敏电阻的阻值与温度之间存在非线性关系。
对非线性问题可以用数学方法进行处理，但算法比较繁琐，而且要占用大量的硬件资源。
本设计中采用ROM预先存储周期一温度的数据，然后通过查表法进行标度变换。
测温范围在0℃-99℃之间，分辨率为4-1℃。
所以ROM中只需存储100个数据。
而且ROM中存储的不是如l℃、2℃、3℃等整数点的值，而是1.5℃、2.5℃、3.5℃等的值，这样既可以保证精度的要求又可以起到四舍五入的作用。
采用ROM进行标度变换，还使设计灵活通用，在此电路中只需更改ROM中存储的数据就可以适用于多种类型的温度传感器。
3.6电路图
后记
在我的课题和论文即将完成之际，谨向在我大学三年学习过程中曾经指导过我的老师，关心过我的朋友同学，及所有帮助过我的人致以崇高的敬意和深深的感谢。
首先，我谨坏诚挚的心情向我的指导老师致以崇高的敬意和深深的感谢，教学、科研等工作繁忙，但他总能尽心尽职、耐心帮助，严格要求，对我的课题给予全面的指导、帮助和督促。
由于我以前没有设计整个系统的的经验，所以当我刚开始着手设计时，没有任何头绪，不知该从何下手。
后来查阅了大量的资料以及导师的的精心指导，终于将本次设计顺利完成。
通过这次设计的硬件电路，对以前学习中所遇到的问题有了更为深刻的了解，尤其对单片机应用方面有了更进一步的了解，对常见的硬件问题能做出正确的判断和处理，能够熟练地对单片机接口部分的电路设计。
通过设计硬件电路图，我熟练掌握了电路设计和软件的应用，能够熟练准确的设计出所要求的硬件电路原理图以及电路板文件图。
掌握了硬件电路图的一般调试步骤和调试方法，各个元件应用方式以及其应用范围。
巩固了专业知识，又在设计过程中学到了许多流程和注意事项，增强了产品开发的意识，是我在大学期间一个很好的实践的锻炼的机会。
正式走入社会之前，能够经历这样一个学习过程，对我日后的工作有着特殊的意义，特别单片机控制等基础知识的加深以及各种控制方式及算法的掌握，对我七月份即将投入工作来说，都是非常需要的，这也是此次毕业论文的又一大重要目的。
其次，应当感谢学校给我们这次设计机会，并为我们的设计提供了良好的设计环境以及完备的设备，让我们在几个月的设计中学到了许多宝贵的知识。
最后，在完成这篇论文过程中，我自觉和不自觉的参考了许多文献，对于这些文献作者，虽然在不可能一一提及，但是对他们每一位表示最诚挚的谢意！
参考文献
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