基于单片机的数字温控计—-毕业论文设计

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1、摘 要随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实。其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。PLD温度控制器作为一种重要的控制设备，在化工、食品等诸多工业生产过程中，得到广泛的应用。本文主要讨论在过程控制中得到广泛应用的数字PLD控制在单片机温度控制系统中的应用。本文详细阐述了基于单片机的温度控制系统的硬件组成、接口电路及程序编译。并且充分考虑到系统的可靠性，采取相应的保护措施。通过设计表明本文所论述的基于单片机的温度控制系统的设计的合理性及有效性。关键字：单片机；PLD温度控制器；温度控制系统 Abstract

2、Along with control theory and electronics technical development, the orientation ability of the industrial controller the to build up and high intelligence turn to just and gradually become reality. Among them with list slice machine for the core carry out of the number controller get an extensive a

3、pplication because its physical volume is small, low cost and strong function and simple to easily go. The PLD temperature controller is a kind of important control equipments, at chemical engineering, and food.etc. many industrial production line in, get an extensive application. This text mainly d

4、iscusses in the process to control in the number PLD control of getting the extensive application the application within the machine temperature control system is at the list slice.This text elaborated in detail the hardware controlling system according to the temperature of the list slice machine c

5、onstitute, connects a peoples electric circuit and procedure to edit and translate. And full in consideration of the credibility of the system adopt homologous protection measure. Pass a design enunciation originally what text discusses according to list the temperature of the slice machine control

6、system of the rationality and usefulness of design.Key words: The list slice machine, PLD temperature controller , temperature controls system目 录1 绪论11.1概述11.2温度测控技术的发展11.3系统方案设计思路21.4论文主旨及章节安排22 单片机技术简介42.1单片机介绍42.2 MCS-51单片机组成及结构42.3 MCS-51单片机的指令系统52.4单片机温度控制系统的组成及工作原理62.5 AT89C52概述63 温控原理及温控传感器选择

7、113.1 PID控制温度控制器原理113.2温度传感器简介123.3设计内容及性能指标123.4温度传感器的选择133.5 温控传感器介绍133.5.1 DS18B20 简单介绍133.5.2 DS18B20 使用中的注意事项143.5.3 DS18B20 内部结构153.5.4 DS18B20测温原理173.5.5提高DS1820测温精度的途径184 硬件实现214.1系统硬件结构214.2主控模块设计214.3输入通道设计224.4电路设计224.5硬件抗干扰措施244.6硬件调试255 论文总结266鸣谢27参考文献28附录1：程序29III基于单片机的数字温度控制系统设计1 绪论1.

8、1概述温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标(F)、摄氏温标（C）、热力学温标(K)和国际实用温标。从分子运动论观点看，温度是物体分子平均平动动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。自然界中任何物理过程、化学过程都和温度有着密不可分的联系；在日常生活中，温度也是关乎人们生活的方方面面。因此，温度的测量和控制在国民经济

9、各个领域中都受到了相当大程度的重视。然而在实际生产实践环境中，由于系统内外热交换难以控制，以及其他方面干扰，因此对温度的测量起到不可预测的干扰。为了能准确的测量与控制温度，因此就需要采用某些手段来达到热平衡效果。由于在大部分情况下，增温比降温来的容易，因此，对温度的控制精度在一般情况下是不允许出现实际温度超过控制的目标的温度，这对控制温度的影响是很大的。因为种种原因，想要达到高精度控制温度是很困难的，而且不同环境下又需要不同策略，因而就要从最初入手进行分析。下面先介绍下温度测控技术的发展。1.2温度测控技术的发展近年来温度测量理论已发展的相当成熟，但在实际上如何能保证快速实时的对温度进行采样、

10、确保数据的正确传输、并对所测温度场进行较精确的控制，仍然在不停的研究中。温度测控技术包括了温度测量与温度控制这两个方面。在温度测量技术中，主要有接触式测量与非接触式测量两种：（1）接触式测量：也就是通过接触对物体进行温度测量。它的优点是简单、可靠、廉价、测量精度高。但又由于检测元件热惯性的影响，响应时间长，对某些热容量小的物体则难以精确的测量。又由于某些材质关系，并不能对所有的物体进行接触式测量。（2）非接触式测量：这类测量通常是通过对热辐射的检测来实现温度测量。其优点是不破坏被测量场，可以测量热容量小的物体，也适合对运动物体进行温度测量，不惧腐蚀，还可以测量区域温度分布，响应时间较快。但它的

11、缺点也同样明显，那就是测量的精确度不高、误差大。因此，在实际测量过程中，要通过判断测量对象的特性从而来选择测量的方式。通常在工业生产中，温度控制器可以分为以下几种：1、定值开关控温法：即通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定值之间的关系，从而对系统加热装置进行通断控制。由于这种方法无法克服温度变化过程中的滞后性，被控对象温度波动太大，控制精度低，故而不适合用于高精度温度测量。2、PLD线形控温法：这种方法是基于PLD调节控制原理。PLD控制是最早发展起来的控制方法之一，因其算法简单、可靠性高等优点，从而被广泛采用于工业控制过程中。尤其适合用于建立精确的数学模型的确定性控制系统。但PLD控温

12、法主要的精确度主要取决于三个PLD参数（比例值、积分值、微分值），当对象特性发生改变时，三个控制参数也将进行相应的改变，不然就将难以保证其控制品质。3、智能温度控制法：此种方法是基于PLD线形控温法上建立的方法，通过一系列自动调整PLD参数的方法，从而实现智能控制。从理论上说，此种方法可以完全的消除稳态误差。而第三代温控仪表就是基于智能控稳技术而研制的自适应PLD算法的温度控制仪表。目前我国国内温控仪表的发展相对其他国家而言，在性能上还有不小的差距，主要的差别就在于控制算法上面。我国的温控仪表在自适应性上比较差，温度控制精度比较低，当然这与许多方面的原因而造成的。1.3系统方案设计思路本篇论文

13、是基于单片机的数字温度控制系统设计，通过MCS-51单片机来对温控硬件系统进行设计。通过对硬件电路的设计以及程序控制，从而达到系统温度控制。秉承着设计的合理化，简洁化，可靠化，模块化，高效化，并且能使设计出的系统体积小，成本低，功能强，抗干扰能力强并尽可能达到高精度的要求。1.4论文主旨及章节安排本文主旨即是通过对单片机技术的理解以及单片机程序编辑从而达到温度控制设计的目的，主要针对系统进行硬件设计，电路设计，程序设计以及抗干扰性设计，并对其进行调试。本文主要章节安排：第一章 绪论：主要是对本文一些先行背景知识进行介绍，并就设计思路进行简要概括。同时对本文的主要工作进行简介。第二章 单片机技术

14、简介：主要就单片机技术进行初步的讲解，从而一步步深化，并对硬件设计做出铺垫。第三章 硬件实现：就基于单片机技术对温度控制系统进行设计，主要包括硬件设计，电路设计，程序设计以及抗干扰性设计。并对所设计的系统进行调试。第四章 论文总结：通过对系统的设计对大学四年来的知识做一个概括性的总结，并对所设计系统的设计与展望，同时表达对论文指导老师的敬意。第五章 参考文献：主要罗列出在我做论文期间所翻阅的书籍及各类文章。2 单片机技术简介2.1单片机介绍单片机是将计算机的中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、多中输入输出接口（I/O）、定时器/记数器（TIMER/Counte

15、r）、中断(Interruption)系统等集成在一块芯片上，因此，被称为单片机微型计算机，简称单片机。单片机是针对控制与检测应用而设计的，又称为微控制器(MCU)。另外，由于它可以很容易的嵌入到各种仪器和现场控制设备中，因此也叫嵌入式微控制器。单片机具有以下几个特点:（1）集成度高、功能强。单片机在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、I/O接口等资源，在芯片上还包含了中断系统、串行通信接口、定时器/计数器等功能部件，芯片功能强、体积小、集成度高。（2）具有较高的性价比。单片机尽可能的把应用所需要的各种资源集成在一块芯片内，性能高，但是价格却相对低廉。（3）抗干扰能力强。单片机是面向工业检

16、测控制环境设计的，因此，抗噪声干扰能力较强。程序固化在ROM类型的存储器中不易被破坏；许多资源集成在一个芯片上，可靠性高。自20世纪70年代单片机问世以来，它共经历了5个发展阶段。（1）第一阶段：单片机的萌芽阶段，由Intel公司推出了4位微处理器Intel4004，并且配有随机存储器，只读存储器和移位寄存器芯片，构成了第一台MCS-4微型计算机。随后又研制了8位微处理器Intel8008。（2）第二阶段：初级单片机阶段，1976年Intel公司推出了真正意义上的单片机MCS-48系列，采用了8位VPU、8位并行I/O接口8位定时记数器，RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构。（3）

17、第三阶段：高性能单片机阶段，这一阶段推出的高性能8位单片机，不仅存储容量和寻址范围大，而且普遍带有串行口、多级中断处理系统、多个16位定时器/记数器，有的单片机的片内还带有A/D转换接口。指令系统普遍增设了乘除法。（4）第四阶段：8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。（5）第五阶段：单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等方面全方位的向更高水平发展。2.2 MCS-51单片机组成及结构MCS-51系列单片机的硬件结构基本相同，主要区别在于芯片上ROM的形式和配置。8031上不含ROM，8051上含有KB ROM，8751上含有4KB EPROM。8051是MCS-51系列单片机的早期

18、产品之一，也是其他8051系列单片机的核心。MCS-51单片机有多种封装形式，用HMOS工艺制造的单片机通常采用双列直插式（DIP）封装形式，共40个引脚，如图2.1。图2.1C51单片机引脚图8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单

19、片机则采用普林斯顿结构。图2.2是MCS-51系列单片机的内部结构示意图。图2.2MCS-51结构框图2.3 MCS-51单片机的指令系统指令是人们给计算机的命令，是芯片制造厂家提供给用户使用的软件资源，一台计算机所有指令的集合称为指令系统。由于计算机只能识别二进制数和二进制编码，而对用户来说，二进制编码可读性差，难以记忆和理解，因此，一条指令有两种表示方式：一种是计算机能够识别的机器码，即机器语言；另一种是采用人们容易理解和记忆的助记符形式，即汇编语言汇编语言便于用户编写、阅读和识别程序，但不能直接被计算机识别和理解，必须汇编成机器语言才能被计算机识别和执行。MCS-51单片机的指令由标号、

20、操作码、操作数和注释4个部分组成：（1）标号：表示该指令代码的第一个字节所在单元地址，由用户自行定义，标号必须以英文字母开头。（2）操作码助记符：规定指令所执行的操作，描述只的功能。它在指令中不可缺少。（3）操作数：参与操作的数据信息。（4）注释：用户对指令的操作说明，便于阅读和理解程序。注释部分可有可无。2.4单片机温度控制系统的组成及工作原理在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。以下简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送放大

21、器，信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送单片机，单片机根据输入的温度控制范围通过继电器控制加热设备完成温度的控制。启动单片机温度控制系统后首先按下第一个按键开始最低温度的设置，这时数码管显示温度数值，每隔一秒温度数值增加一度，当满足用户温度设置最低值时再按一下第一个按键完成最低温度的设置，依次类推通过第二个按键完成最高温度的设置。然后温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一定范围的温度控制。2.5 AT89C52概述AT89C52是51系列单片机的一个型号,它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程

22、序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

23、AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。图2.3AT89C52引脚图主要功能特性:1、 兼容MCS51指令系统， 8k可反复擦写(1000次）Flash ROM 2、32个双向I/O口，256x8bit内部RAM 3、3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHz 4、2个串行中断，可编程UART串行通道 5、2个外部中断源，共6个中断源 6、2个读写中断口线，3级加密位 7、功耗空闲和掉电模式 ， 软件设置睡眠和唤醒功能AT89C52各引脚功能及管脚电压:概述: AT89C52P为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业

24、标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N

25、1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。1、P0 口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激

26、活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。2、P1 口:P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入P1.1/T2EX）3、P2 口:P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I

27、/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器的内容。4、P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3

28、口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能5、RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。6、ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。7、PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存

29、储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。8、EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。9、XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。10、XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。11、特殊功能寄存器：在AT89C52 片内存储器中，8

30、0H-FFH 共128 个单元为特殊功能寄存器（SFE），并非所有的地址都被定义，从80HFFH 共128 个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0 和定时/计数器1 外，还增加了一个定时/计数器2。定时/计数器2 的控制和状态位位于T2CONT2MOD，寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器2 在16位捕获方式或16 位自动重装载

31、方式下的捕获/自动重装载寄存器。13、数据存储器：AT89C52 有256 个字节的内部RAM，80H-FFH 高128 个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128字节RAM 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。14、定时器2：定时器2 是一个16 位定时/计数器。它既可当定时器使用，也可作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON的C/T2 位选择。定时器

32、2 有三种工作方式：捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON 的控制位来选择。定时器2 由两个8 位寄存器TH2 和TL2 组成，在定时器工作方式中，每个机器周期TL2 寄存器的值加1，由于一个机器周期由12 个振荡时钟构成，因此，计数速率为振荡频率的1/12。在计数工作方式时，当T2 引脚上外部输入信号产生由1 至0 的下降沿时，寄存器的值加1，在这种工作方式下，每个机器周期的5SP2 期间，对外部输入进行采样。若在第一个机器周期中采到的值为1，而在下一个机器周期中采到的值为0，则在紧跟着的下一个周期的S3P1 期间寄存器加1。由于识别1 至0 的跳

33、变需要2 个机器周期（24 个振荡周期），因此，最高计数速率为振荡频率的1/24。为确保采样的正确性，要求输入的电平在变化前至少保持一个完整周期的时间，以保证输入信号至少被采样一次。3 温控原理及温控传感器选择3.1 PID控制温度控制器原理 电脑控制温度控制器：采用PID模糊控制技术,用先进的数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。 据了解，很多厂家在使用温度控制器的过程中，往往碰到惯性温度误差的问题，苦于无法解决，依靠手工调压来控制温度。 创新，采用了PID模糊控制技术，较好地解决了惯性温度误差的问题。传统的温度控

34、制器，是利用热电偶线在温度化变化的情况下，产生变化的电流作为控制信号，对电器元件作定点的开关控制器。 传统的温度控制器的电热元件一般以电热棒、发热圈为主，两者里面都用发热丝制成。发热丝通过电流加热时，通常达到1000以上，所以发热棒、发热圈内部温度都很高。一般进行温度控制的电器机械，其控制温度多在0-400之间，所以，传统的温度控制器进行温度控制期间，当被加热器件温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热棒或发热圈的内部温度会高于400，发热棒、发热圈还将会对被加热的器件进行加热，即使温度控制器发出信号停止加热，被加热器件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设

35、定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时候，这就要视乎发热丝与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新加热时，温度继续下降几度。所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。 要解决温度控制器这个问题，采用PID模糊控制技术，是明智的选择。PID模糊控制，是针对以上的情况而制定的、新的温度控制方案，用先进的数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar三方面的结合调整，形成一个模糊控制，来解决惯性温度误差问题。然而，在很多情况下，由于传

36、统的温度控制器温控方式存在较大的惯性温度误差，往往在要求精确的温控时，很多人会放弃自动控制而采用调压器来代替温度控制器。当然，在电压稳定工作的速度不变、外界气温不变和空气流动速度不变的情况下，这样做是完全可以的，但要清楚地知道，以上的环境因素是不断改变的，同时，用调压器来代替温度控制器时，必须在很大程度上靠人力调节，随着工作环境的变化而用人手调好所需温度的度数，然后靠相对稳定的电压来通电加热，勉强运作，但这决不是自动控温。当需要控温的关键很多时，就会手忙脚乱。这样，调压器就派不上用场，因为靠人手不能同时调节那么多需要温控的关键，只有采用PID模糊控制技术，才能解决这个问题，使操作得心应手，运行

37、畅顺。例如烫金机，其温度要求比较稳定，通常在正负2以内才能较好运作。高速烫金机烫制同一种产品图案时，随着速度加快，加热速度也要相应提高。这时，传统的温度控制器方式和采用调压器操作就不能胜任，产品的质量就不能保证，因为烫金之前必须要把烫金机的运转速度调节适当，用速度来迁就温度控制器和调压器的弱点。但是，如果采用PID模糊控制的温度控制器，就能解决以上的问题，因为PID中的P，即Pvar功率变量控制，能随着烫金机工作速度加快而加大功率输出的百分量。3.2温度传感器简介随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代

38、信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：(1)传统的分立式温度传感器(2)模拟集成温度传感器(3)智能集成温度传感器。目前的智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计

39、算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展，本文将介绍智能集成温度传感器DS18B20的结构特征及控制方法，并对以此传感器，89S51单片机为控制器构成的数字温度测量装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍。与传统的温度计相比，其具有读数方便，测温范围广，测温准确，输出温度采用数

40、字显示，主要用于对测温要求比较准确的场所，或科研实验室使用。该设计控制器使用ATMEL公司的AT89S51单片机，测温传感器使用DALLAS公司DS18B20，用液晶来实现温度显示。3.3设计内容及性能指标本文主要是基于单片机控制下的温度检测系统，详细介绍了其硬件和功能设计，并对其各功能模块做了详细介绍，其主要功能和指标如下：(1) 利用温度传感器（DS18B20）测量某一点环境温度(2) 测量范围为-5599，精度为0.5(3) 用液晶进行实际温度值显示(4) 能够根据需要方便设定上下限报警温度3.4温度传感器的选择由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较

41、多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制作成本相对较高。这里采用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为测温元件。3.5 温控传感器介绍3.5.1 DS18B20 简单介绍DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55+125 摄氏度，可编程为9位12 位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM 中，掉电后依然保存。被测温度用

42、符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3 根或2 根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。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，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。DS18B20 的性能特点如下：(1)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(2)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(3)DS18B20

43、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(4)适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电(5)温范围55125，在-10+85时精度为0.5(6)零待机功耗(7)可编程的分辨率为912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(8)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(9)用户可定义报警设置(10)报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件(11)测量结果直接输出数字温度信号，以一线

44、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(12)负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作以上特点使DS18B20非常适用与多点、远距离温度检测系统。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。DS18B20的管脚排列、各种封装形式如图3.1所示，DQ 为数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源；GND为地信号；VDD为可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。图3.1 DS18B20的管脚排列3.5.2 DS18

45、B20 使用中的注意事项DS18B20 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：(1)DS18B20 从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象，使温度输出总是显示85。(2)在实际使用中发现，应使电源电压保持在5V 左右，若电源电压过低，会使所测得的温度精度降低。(3)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设

46、计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。(4)在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20 数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此，当单总线上所挂DS18B20 超过8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。(5)在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20 发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20 接触不好或断线，当程序读该DS18B20 时，将没有返回信号，程序进入死循环，这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。3

47、.5.3 DS18B20 内部结构图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。DS18B20采用脚PR35 封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如图 3.2所示图3.2 DS18B20内部结构框图64 b闪速ROM的结构如下：8bit检验CRC 48bit序列号8bit工厂代码(10H)MSB LSB MSB LSB MSB LSB开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后

48、8位是前面56 位的CRC 检验码，这也是多个DS18B20 可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器和，可通过软件写入户报警上下限。主机操作ROM的命令有五种，如表所列指 令说 明读ROM（33H）读DS1820的序列号匹配ROM（55H）继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位跳过ROM（CCH）此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820搜ROM（F0H）识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备报警搜索（ECH）仅温度越限的器件对此命令作出响应DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM

49、的结构为8字节的存储器。前2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRCLSB MSB当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.062 5 /LSB形式表示。这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B

50、20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。图中，S表示位。对应的温度计算：当符号位S=0时，表示测得的温度植为正值，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，表示测得的温度植为负值，先将补码变换为原码，再计算十进制值。例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM

51、中的TH、TL字节内容作比较，若TTH或TTL,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前 56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数 据是否正确。3.5.4 DS18B20测温原理DS18B20的测温原理如图2所示，图中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，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还

52、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图2中的斜率累加器用于

53、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，这就是DS18B20的测温原理。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时 序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。图（2） DS18B20测温原理图在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然

54、后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算： Ts=（Tz-0.25）+(CD-Cs)/CD3.5.5提高DS1820测温精度的途径（1）DS1820高精度测温的理论依据DS1820正常使用时的测温分辨率为0.5，这对于水轮发电机组轴瓦温度监测来讲略显不足，在对DS1820测温原理详细分析的基础上，我们采取直接读取DS1820内部暂存寄存器的方法，将DS1820的测温分辨率提高到0.10.01DS1820内

55、部暂存寄存器的分布如表1所示，其中第7字节存放的是当温度寄存器停止增值时计数器1的计数剩余值，第8字节存放的是每度所对应的计数值，这样，我们就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果。首先用DS1820提供的读暂存寄存器指令(BEH)读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位(LSB)，得到所测实际温度整数部分T整数，然后再用BEH指令读取计数器1的计数剩余值M剩余和每度计数值M每度，考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度T实际可用下式计算得到：T实际=(T整数0.25)+(M每度M剩余)/M每度。表1 DS18B20暂存

56、寄存器分布该字节各位的定义如下：TM R1 R0 1 1 1 1 1低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表1所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。R1R0分辨率温度最大转换时/mm009位93.750110位187.751011位275.001112位750.00表1 R1和R2模式表由表1可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8

57、个字节组成，其分配如下所示。其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第68字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前 都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。（2）测量数据比较表2为采用直接读取测温

58、结果方法和采用计算方法得到的测温数据比较，通过比较可以看出，计算方法在DS1820测温中不仅是可行的，也可以大大的提高DS1820的测温分辨率。表2 DS18B20 直度测温结果与计算测温结果数据比较4 硬件实现4.1系统硬件结构本文所指的硬件结构主要分为以下几个部分：单片机主控模块、输入/输出通道、保护电路等。硬件总体的结构框图大体如图4.1温度传感器A/D转换温控箱加热部件保护电路时钟电路可控硅MCU设定温度值温度显示串行通信图4.1结构框图4.2主控模块设计主控模块电路由AT89C52单片机、外部时钟电路、复位电路、存储器扩展电路组成。由于AT89C52内部存储器容量不满足系统要求，所以

59、需要对其进行相应的扩展。图4.2扩展电路4.3输入通道设计系统输入通道的作用是将温度控制箱的温度通过传感器电路转化为电量输出，本系统是将温度转化为电压的输出。又由于此时的电量是模拟量，单片机对其还无法识别，所以需要进行A/D转换，从而提供给单片机判断和控制。是以输入通道由传感器和A/D转换器组成。4.4电路设计图4.3复位电路和时钟电路单片机的复位是由外部复位电路来实现的，在单片机的复位引脚RST上保持两个机器周期的高电平就能使AT89C52完全复位。复位电路的接法很多，本系统利用上电复位和手动复位相结合的方式。系统时钟电路设计采用内部方式。AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放

60、大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器和电容构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。本系统采用的晶体振荡器频率为11.0592MHz。采用此种频率的晶体谐振器的原因是可以方便的获得标准的波特率。图4.4 AD7705引脚图AD7705引脚功能描述：1、SCLK串行时钟，将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问AD7705的串行数据。该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据；反之，也可以是非连续时钟，将信息发送给AD7705。2、MCLKIN为转换器提供主时钟信号，可以以晶体/

61、谐振器或外部时钟的形式提供。晶体/谐振器可以接到MCLKIN与MCLKOUT引脚之间，时钟频率为500kHz-5MHz。3、MCLKOUT，当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器可以接到MCLKIN与MCLKOUT引脚之间，如果在MCLKIN引脚处接一外部时钟，MCLKOUT将提供一个反向时钟。4、CS片选信号，低电平有效。5、RESET复位输入，低电平有效。6、AIN2(+)差分模拟输入通道2的正输入端。7、AIN1(+)差分模拟输入通道1的正输入端。8、AIN2(-)差分模拟输入通道2的负输入端。9、AIN1(-)差分模拟输入通道1的负输入端。10、REFIN(+)差分基准输入的正输入端，

62、基准输入是差分的，并且规定REFIN(+)必须大于REFIN(-)，REFIN(+)可以取VDD与GND之间的任意值。11、DRDY逻辑输出这个输出端上的逻辑低电平表示可以从AD7705的数据寄存器获取新的输出字。完成对一个完全的输出字的读操作后，该引脚立即回到高电平。当该引脚处于高电平时，无法进行读操作，当数据更新后，该引脚又返回低电平。12、DOUT串行数据输出端，从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端输出。根据通信寄存器的选择位移位寄存器可以容纳来自通信寄存器，时钟积存器或数据寄存器的信息。13、DIN的串行数据输入端，向片内的输入移位寄存器写入的串行数据由此输入。图4.5 A/D转换电路A/D转换电路如上图所示，其中，AD7705的SCLK信号接AT89C52的P1.2引脚复位信号RESET接AT89C52的P1.3引脚，DRDY接P1.1引脚，DOUT串行数据输出端接P1.0引脚；AIN1(+)差分模拟输入通道1的正输入端接到CD4051的AOUTCD4051的输入端分别接Pt100温度传感器，这样就可以实现对不同通道进行采样和A/D转换了。CD4051是8选1电子开关，CD4051的控制端和地址锁存器74HC373相连，从