数字式温度控制器设计.docx

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数字式温度控制器设计

引言

温度是一种最基本的环境参数，人民的生活环境与温度息息相关，因此研究温度的测量方法和装置具有重要意义。

温度测量在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用，而且随着科学技术的发展对温度测量的应用范围愈来愈广。

利用单片机技术的温度测控系统以其体积小，可靠性高而被广泛采用。

由于AT89C2051单片机可以直接应用在对温度测量的各种测温器件。

本文就介绍了一种基于单片机的温度测量的方法。

用此方法所设计的数字温度计，结构简单，体积较小，可靠性高，操作方便，测量精度高，只需接通电源便可进行及时有效的温度测量，在各行各业均具有较广泛的用途，发展前景良好。

1.方案论证

1.1系统功能定义

根据设计要求，可以先大致勾勒出要完成设计，需要几个模块具有如下图所示的的功能，

图1.1功能模块框图

1.2总体方案

通过对系统功能的定义，可以将基于单片机的数字温度计采用温度传感器DS18B20作为测温元件用来满足温度测量,并将温度信号经由其本身所具有的A/D转换功能,转换成数字信号经单片机处理显示于数码管显示器，从而完成温度的测量和显示。

整个系统控制将由AT89C2051单片机芯片为核心构成。

选用DS18B20作为测温元件，数码管作为显示器件,各个检测信号、显示信号可由单片机的I/O口进行。

设计任务：

用单片机设计一个测温范围在—55～125℃的数字温度计。

设计要求：

完成该系统的软硬件设计，学习掌握单片机采集温度的设计方法提高学习新知识、新技能的能力，培养独立设计的能力。

2.系统硬件电路设计

2.1系统硬件框图

根据系统功能要求，可以先大致勾勒出完成任务所需的系统硬件框图如下：

图2.1硬件结构框图

主控模块采用性价比较高的单片机芯片，在其内部将预设好的程序储存，可通过程序的运行控制测温模块进行测温，测温模块主要是由DS18B20构成，将其与所测对象进行接触即可获取被测对象的温度数据，报警模块只有当温度超出预定值时才会工作，而所测得的温度将通过显示模块的液晶显示器以数字形式显示。

2.2测温模块

本设计的测温元件采用的是DS18B20测温元件,DS18B20是由DALLAS（达拉斯）公司生产的一种温度传感器。

超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20很受欢迎。

这是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

DS18B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度。

信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从单片机到DS18B20仅需一条线连接即可。

它可在1秒钟（典型值）内把温度变换成数字。

2.2.1DS18B20的主要特征有以下几点

●全数字温度转换及输出；

●先进的单总线数据通信；

●最高12位分辨率，精度可达土0.5℃；

●12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒；

●可选择寄生工作方式；

●检测温度范围为–55℃——+125℃；

●内置EEPROM，限温报警功能；

●64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接；

●多样封装形式，适应不同硬件系统。

图2.2DS18B20管脚排列及封装结构图

图2.3DS18B20实物图

由其引脚可看出,其3个引脚:

GND为电压地直接接地；DQ为单数据总线用来与单片机相连接,本系统中DQ与单片机P3.5接口连接,仅此一个连接就能保证DS18B20与单片机之间的数据交换；VDD引脚接电源电压[12]。

图2.4DS18B20寄生电源工作方式

图2.5DS18B20外接电源工作方式

2.2.2DS18B20的工作原理

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

18B20共有三种形态的存储器资源,分别是：

ROM只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。

数据在出产时设置不由用户更改。

DS18B20共64位ROM，RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。

第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。

在上电复位时其值将被刷新。

第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。

第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。

第9个字节为前8个字节的CRC码。

EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。

我们在每一次读温度之前都必须进行复杂的且精准时序的处理，因为DS18B20的硬件简单结果就会导致软件的巨大开消。

图2.6DS18B20的内部结构框图

低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，为计数器提供一频率稳定的计数脉冲。

高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，很敏感的振荡器，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。

图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。

计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器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。

斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。

图2.7DS18B20的内部测温电路框图

2.3主控模块

2.3.1主控模块功能分析

在本系统中，主控模块居于非常重要的地位。

它是整个系统的中枢，系统运行所需的每个操作指令都要由其发出。

它一方面控制着测温模块进行温度信息的采集，另一方面也控制着显示模块的工作。

最重要的是，由测温模块所采集到的温度信息必须经由主控模块的处理才能在显示模块上显示，从而使整个系统进行正常的运转和工作。

针对以上分析本系统主控模块中的单片机芯片采用了AT89C2051芯片，此芯片功能强大，能够完全满足系统运行的需求。

2.3.2AT89C2051芯片的功能特性

AT89C2051是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机[6-7],片内含有2KB的反复擦写的只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM）。

美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能传感器。

数字温度计是以DS18B20为检测元件,由AT89C2051作为主控制器的温度计,具有功耗低、结构简单、读数方便、测温范围广、测温准确的特点。

AT89C2051是MCS-51产品的兼容型，它具有2k的FLASHROM、128字ROM，15根I/O引线、两个16位定时/计数器、一个五向量两级中断结构、一个全双工串行口、一个精密模拟比较器以及片内振荡电路和时钟电路。

它的P1口和P3口是双向I/O口，其中P1.2～P1.7、P3.0～P3.5和P3.7带有内部上拉电阻。

在AT89C2051用作输入端时，将首先向引脚写“1”而使内部MOS管截止以便引脚处于悬浮状态，从而可获得高阻抗输入。

其主要性能如下：

●与MCS-51单片机产品兼容

●2K字节在系统可编程Flash存储器

●1000次擦写周期

●全静态操作：

0Hz～24Hz

●两级加密程序存储器

●15个可编程I/O口线

●两个16位定时器/计数器

●六个中断源

●可编串行UART通道

●128×8位内部RAM

●直接LED驱动输出

●低功耗空载和掉电方式

●片内模拟比较器

●2.7V～6V的操作范围

图2.8AT89C2051的引脚结构

2.4显示模块

本系统最突出的特点就是能方便直观地对所测温度进行读取，因此显示模块的选取极为重要，由三位共阳数码管（温度值显示）作为显示模块。

采用动态扫描的方法,其中P3.0，P3.1，P3.2，P3.3控制位选,P1控制段选。

由P3.0，P3.1，P3.2，P3.3向各位轮流输出扫描信号,使每一瞬间只有一个数码管被选通,然后由P1送入该位所要显示的字形码,点亮该位字形段显示的字形。

在P1送出的码段和P3.0，P3.1，P3.2，P3.3送出的位段的配合控制下,使各个数码管轮流点亮显示各自的字形。

注：

下为三位共阳数码管图，显示摄氏度符号的一位共阳数码管倒置焊接即可。

图2.9三位共阳数码管图

图2.10七段数码管引脚图

2.5报警模块

本系统采用3mm的发光二极管作为报警装置，发光二极管简称为LED。

由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。

在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

图2.11发光二极管的构造图

选用发光二极管的好处：

1.效能：

消耗能量较同光效的白炽灯减少80%

2.适用性：

体积很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境

3.稳定性：

10万小时，光衰为初始的50%

4.响应时间：

其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级对环境污染无有害金属汞

2.6电路原理图的绘制和电路的焊接

在硬件的设计前期，根据框图对电路中可能出现的电路，进行了模拟实验，并根据实验结果对后期的硬件设计进行了合理化的修改完善。

在第一章中已分析了系统并绘制了框图，并根据框图分别设计了各部分电路。

由于温度传感器DS18B20集成度较高,所以在硬件电路设计时不需要太多其他元件即可实现预期功能。

因此在PROTEL上对原理图进行了绘制，从而得出了最终的完整电路原理图[附录一]。

2.6.1PROTEL简介

PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。

Protel99SE采用数据库的管理方式。

该软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。

新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。

新增的3D功能在加工印制版之前可以看到板的三维效果。

其具有的打印功能，可以轻松修改打印设置控制打印结果。

Protel99SE容易使用的特性还体现在其帮助功能，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用帮助顾问。

2.6.2电路的焊接

当通过PROTEL绘制出完整的电路原理图后，就可以按照绘制好的原理图进行电路的焊接，焊接时要注意虚焊和短路情况出现。

焊接是要先焊单片机的主电路，以便于对各部分电路的测试。

当焊完一部分子电路后，要先输入子程序进行检测，看是否有输入或输出。

焊完后，就可以进行电路总体性能测试了。

在测试之前，一定要先对电路检测，看是否有短路情况出现，以免芯片损坏。

电源输入电压也是关键因素，在供电之前先量量。

3.系统软件设计

3.1主控程序设计

通过对系统工作原理的了解，我们可以大致知道系统软件运行工作的流程图如下：

图3.1系统运行流程图

当接通电源开始工作后，单片机中的程序开始运行，将对DS18B20进行初始化，以便单片机芯片和DS18B20达成通信协议。

完成初始化后，由于本系统只有一个测温元件，单片机会向其发出跳过ROM指令，接下来便可向其发送操作指令，设定温度上下限，启动测温程序。

测温过程完成后，发出温度转换指令，从而便可将温度转化成数字模式进行显示读取。

3.2温度信息的采集

通过DS18B20单线总线的所有执行处理都从一个初始化序列开始。

初始化序列包括一个由总线控制器发出的复位脉冲和随后由从机发出的存在脉冲：

1、复位：

首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480uS的低电平信号。

当18B20接到此复位信号后则会在15~60uS后回发一个芯片的存在脉冲。

2、存在脉冲：

在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15~60uS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240uS的低电平信号。

至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。

3、控制器发送ROM指令：

双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。

各自功能如下：

ReadROM（读ROM）[33H]（方括号中的为16进制的命令字）

这个命令允许总线控制器读到DS18B20的64位ROM。

只有当总线上只存在一个DS18B20的时候才可以使用此指令。

MatchROM（指定匹配芯片）[55H]

这个指令后面紧跟着由控制器发出了64位序列号，当总线上有多只DS18B20时，只有与控制发出的序列号相同的芯片才能做出反应，其它芯片将等待下一次复位。

这条指令适合单芯片和多芯片挂接。

SkipROM（跳跃ROM指令）[CCH]

这条指令使芯片不对ROM编码做出反应，在单总线的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。

如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。

SearchROM（搜索芯片）[F0H]

在芯片初始化后，搜索指令允许总线上挂接多芯片时用排除法识别所有器件的64位ROM。

AlarmSearch（报警芯片搜索）[ECH]

在多芯片挂接的情况下，报警芯片搜索指令只对附合温度高于TH或小于TL报警条件的芯片做出反应。

只要芯片不掉电，报警状态将被保持，直到再一次测得温度值达不到报警条件为止。

ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。

其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。

诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：

此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。

4、控制器发送存储器操作指令：

在ROM指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。

操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。

WriteScratchpad（向RAM中写数据）[4EH]：

这是向RAM中写入数据的指令，随后写入的两个字节的数据将会被存到地址2（报警RAM之TH）和地址3（报警RAM之TL）。

写入过程中可以用复位信号中止写入。

ReadScratchpad（从RAM中读数据）[BEH]：

此指令将从RAM中读数据，读地址从地址0开始，一直可以读到地址9，完成整个RAM数据的读出。

芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读取时间。

CopyScratchpad（将RAM数据复制到EEPROM中）[48H]：

此指令将RAM中的数据存入EEPROM中，以使数据掉电不丢失。

此后由于芯片忙于EEPROM储存处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。

在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保10MS，来维持芯片工作。

ConvertT（温度转换）[44H]：

收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入RAM的第1、2地址。

此后由于芯片忙于温度转换处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。

在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持500MS，来维持芯片工作。

RecallEEPROM（将EEPROM中的报警值复制到RAM）[B8H]：

此指令将EEPROM中的报警值复制到RAM中的第3、4个字节里。

由于芯片忙于复制处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。

另外，此指令将在芯片上电复位时将被自动执行。

这样RAM中的两个报警字节位将始终为EEPROM中数据的镜像。

ReadPowerSupply（工作方式切换）[B4H]：

此指令发出后发出读时间隙，芯片会返回它的电源状态字，“0”为寄生电源状态，“1”为外部电源状态。

存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。

5、执行或数据读写：

一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。

DS18B20需要严格的协议以确保数据的完整性。

协议包括几种单线信号类型：

复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。

所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。

和DS18B20间的任何通讯都需要以初始化序列开始。

一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明DS18B20已经准备好发送和接收数据（适当的ROM命令和存储器操作命令）。

DS18B20的复位时序

图3.2DS18B20的复位时序图

DS18B20的读时序：

对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。

对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15us之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。

DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。

图3.3DS18B20的读时序图

DS18B20的写时序：

对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。

对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。

图3.4DS18B20的写时序图[13]

3.3温度的显示操作

①如电路正常，接通电源后，只显示“ºC”符号，无温度值；

②按下AN3，先显示上次存贮下来的设定温度（报警控制）值，然后再显示环境温度值，并随环境温度的变化而变化；

③再按一下AN3，温度数字闪烁，待调节；

④接着按AN1或AN2：

按AN1为报警温度值变大，最大为125ºC；按AN2为报警温度值变小，最小为-55ºC；

⑤调好后再按一下AN3，调好的报警温度值被存贮，数码管又显示环境温度。

当温度达到存贮的报警值时，电路发出报警信号和动作。

4．调试与总结

在硬件电路焊接和软件程序设计分别完成的基础之上，进行软硬件的结合与调试。

通过下载将在电脑上已完成的程序下载到单片机芯片中。

在调试中发现软件中存在的问题，及时解决问题，确保系统能正常工作并达到设计要求。

通过反复的调试与实验，可以证明该系统能够较好地完成设计所需的基本要求。

即能够方便准确的对被测对象进行温度测量。

同时在完成设计要求的前提下，充分考虑到了外观，成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡。

虽然整体性能良好，但尚存在些许不足，系统稳定性不够，需要增强自己的焊接水平以便以后避免出现类似问题。

本温度采集系统实用性强，结构较为简单，成本低，外接元件少。

在实际应用中工作性能稳定，测量温度准确，精度较高。

系统在硬件设计上充分考虑到了可扩展性，经过一定的添加或改造，很容易增加功能。

本系统适用范围广泛，可以单独使用作为监控仪，应用于农业温室大棚监测植物生长的环境变化，工业厂房测量各部分的工作温度等等。

也可以作为智能控制系统的一部分，与其它设备协同工作。

系统移植性强，只需改变前端测量用的传感器类型，可在此基础上修改为其他非电量参数的测量系统。

致谢

通过此次毕业设计,我学到了很多知识。

在实物的设计和论文的写作过程中,通过查资料和搜集有关的文献,培养了自学能力。

通过对硬件电路的设计和焊接，增强了自己的动手能力。

并且由原来的被动接受知识转换为主动的寻求知识，学会了更好地让所学知识与实践相结合，让书本上的知识与实际生活中的具体应用相结合。

让自己切实感觉到了学有所用。

并在此期间巩固复习了在大学4年内学过的知识，尤其是单片机和模电，数电方面的知识。

同时通过这次毕业设计提高了自己的单片机编程的能力，尤其是获得的软件调试经验，同时也让自己知道了自己不足和缺陷，从而为自己能更好的改进提供了帮助。

在此，首先感谢我的老师，感谢各位老师这四年中在学习中、生活上的关心和照顾；其次感谢各位同学，同学们在生活中给予很大的帮助，在学习上也给极大的鼓舞。

指导老师项仕标教授和葛明涛讲师治学严谨，学识渊博，平易近人，在我做设计和论文期间对我的教诲和指导将使我终生受益。

无论是在平时的阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究、设计和撰写的每一个环节，都得到导师的悉心指导和帮助。

借此机会向项仕标教授和葛明涛讲师表示衷心的感谢！

在毕业设计的这段时间里，其他老师们也都言传身教，以他们广博的知识，敏锐的洞察力，多年的教学和实际工作经验，在毕业设计上给予我很大的帮助。

在本次设计中我学到的不仅是科学知识和工作方法，更学到了作为一个研究人员应有的治学态度以及为人处世