毕业设计论文基于单片机的温度测量系统

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 科 毕 业 论 文基于单片机的温度测量系统系（院）名称：电子信息与电气工程学院 专业班级： 09电气自动化技术1班 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名 指导教师职称： 2012 年 5 月目 录摘要 关键词1第一章 绪论11.1 单片机温度测量系统的选题背景11.2 单片机温度测量系统选题的现实意义21.3 国内外研究现状及其发展31.3.1 国外温室环境控制31.3.2 国内温室控制技术31.3.3 温室环境控制技术的三个发展阶段31.3.4 温室控制存在的问题41.4 单片机温度测量系统主要研究的内容5第二章 单片机温度测量系统总体设计62.1 单片机温度测量系统的功能设计62.2 单片机温度测量系统的设计的原则62.3 单片机温度测量系统的组成与工作原理7第三章 系统硬件电路的设计83.1 系统硬件电路构成及测量原理83.1.1 系统硬件电路构成83.1.2 系统工作原理93.1.3 系统主要技术指标103.2 温度传感器的选择103.2.1 DS18B20的介绍113.2.2 DS18B20的性能特点123.2.3 DS18B20的控制方法133.2.4 DS18B20的测温原理133.3 单片机的选择143.3.1 单片机的概述143.3.2 AT89C2051芯片的主要性能153.4 输入通道的设计153.4.1 Pt100温度传感器153.4.2 A/D转换163.5 输出通道设计183.5.1 温控箱的功率调节方式183.5.2可控硅输出电路19第四章 系统调试204.1 TKS仿真器与集成开发环境KEIL204.1.1 TKS仿真器204.1.2 集成开发环境KEIL204.2 系统硬件调试224.3 系统软件调试22结 论24致 谢25参考文献26基于单片机的温度测量系统摘要：随着社会经济的不断发展，现代农业生产离不开环境控制，本文在对国内外温室智能控制进行深入分析的基础上，针对温室智能化控制存在的诸多因子，将智能传感器监测和单片机控制相结合，提出了基于单片机的温度检测系统设计方案。本系统采用层次化、模块化设计，整个系统由数据采集系统、单片机控制系统、计算机监控系统组成。系统以单片机为核心，以多个温度、湿度传感器作为测量元件，通过单片机与智能传感器相连，采集存储智能传感器的测量数据。在单片机系统中，还要实现程序的扩展存储、数据的实时显示、超限语音报警和数据辅助存储功能。单片机作为监控计算机与智能传感器连接的中心。本设计主要做了如下几方面的工作：一是确定系统的总体设计方案，包括其功能设计；设计原则；组成与工作原理；二是进行智能传感器的硬件电路设计；包括硬件电路构成及测量原理；温度传感器的选择；单片机的选择；输入输出通道设计；三是进行了调试和仿真，包括硬件仿真和软件仿真。关键词：AT89C2051 单片机 DS18B20 温度测量 26第一章 绪论1.1 单片机温度测量系统的选题背景我国人多地少，人均占有耕地面积更少。因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。温室大棚技术就是其中一个好的方法。温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。由于温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温度控制便成为一个十分重要的课题。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低。如果过高，就对大棚进行降温处理；如果过低，就对大棚进行升温处理。这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。现在，随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。大型温室大棚的建设对温度检测技术也提出了越来越高的要求。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。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。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。因此，单片机对温度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。基于此，本课题围绕应用于温室大棚的基于单片机的温度测控系统展开应用研究工作。1.2 单片机温度测量系统选题的现实意义随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温度控制措施。但是，目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、A心转换器及单片机等组成的传输系统2。这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。为了克服这些缺点，本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的设计方案，根据实用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案。数字化单总线技术4是利用DALLAS公司生产的新型器件实现的。它将系统的地址线、数据线、控制线合为一根导线，允许在这根导线上挂接数百个控制对象，形成多点单总线测控系统。这些测控对象所用的芯片都由该公司提供。采用单总线协议后，可在检测点将模拟信号数字化。这样，在单总线上传输的便是数字信号。本文介绍的温度测控系统就是基于单总线技术及其器件组建的。该系统能够对大棚内的温度进行采集，利用温度传感器将温室大棚内温度的变化，变换成电流的变化，再转换为电压变化输入模数转换器，其值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器，显示温室大棚内的实际温度，同时通过比较，对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析。如果超过我们预先设定的温度限制，温度报警系统将进行报警，并同时自动对大棚内的温度进行控制。这种设计方案实现了温度实时测量、显示和控制。该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。1.3 国内外研究现状及其发展1.3.1 国外温室环境控制国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。1.3.2 国内温室控制技术我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。我国温室设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温室现状还远远没有达到工厂化农业的境地，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着温室装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。1.3.3 温室环境控制技术的三个发展阶段从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段：1.手动控制。这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要。2.自动控制。利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子如温度、光照、湿度、C02浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。人为创造适宜作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流。此时的温室有比较完整的控制系统，有各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机界面使种植者的操作过程形象而且简便。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。3.智能化控制。智能化的控制技术将农业专家系统与温室自动控制技术有机结合，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动作，实现温室的智能化管理与生产。这种控制方式既能体现作物生长的内在规律，发挥农业专家在农业生产中的指导作用，又可充分利用计算机技术的优势，使系统的调控非常方便和有效，实现温室的完全智能化控制。1.3.4 温室控制存在的问题首先是农业专家系统自身的问题，农业专家系统的技术还不十分成熟。各种专家系统在收集、整理农业专家知识时并没有把专家是如何学习和获得这些知识的过程整理出来，这样开发的专家系统并不具有真正的学习能力。其次是采集数据的束缚，温室控制技术主要停留在对温室环境因子的监控上，并没有考虑温室作物本身的生理过程。还有就是农业专家系统在温室实时控制中的应用的局限性，农业专家系统对温室环境因子进行实时监控，不同于开发单纯的农业专家系统，其中涉及与控制系统的“接口”问题。在开发温室农业专家控制系统时，对农业知识的表达及推理策略等要认真考虑。同时，将更多的农业知识用于温室生产的实时控制中，不仅仅局限于对环境因子的专家指导。总之，随着计算机技术、农业应用电子技术、传感器智能化技术、机械电子一体化技术和计算机网络技术研究的发展，温室技术体系己经成为各个国家为合理利用农业资源、提高农产品产量、降低生产成本、保护生态环境、提高农产品在国际市场竞争力的前沿性研究领域。1.4 单片机温度测量系统主要研究的内容本设计主要做了如下几方面的工作：一是确定系统的总体功能设计方案；二是进行智能传感器的硬件电路和软件系统的设计：三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计；四是对连接单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行了阐述。本文将信息采集技术、信息传输技术、信息存储技术及信息处理技术等相互融合，将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进行远程控制。满足了对作物生长状态实行全面、实时、长期监测的要求。与传统监测系统相比，本系统具有以下优点：1.传感器设计成智能型，可以增加系统数据采集速度，减轻监控计算机的负担。2.增加了辅助存储功能，在监控计算机不工作的时候，采用多媒体存储卡存储采集数据。3.单片机的设计提高了系统的监测速度，系统的可靠性、实时性都有很大提高4.对模拟设备采集到的数据，为防止失真，采用了数据插值算法。5.利用语音芯片，超限报警，实现了人性化管理。第二章 单片机温度测量系统总体设计2.1 单片机温度测量系统的功能设计系统要完成的设计功能如下：1.实现对温室温湿度参数的实时采集，测量空间多点的温度和湿度：根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。2.实现超限数据的及时报警。3.现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力并具有存储、远程通信功能。4.通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。5.长时间测量数据记录功能：可以根据需要设置数据记录时间间隔，数据存入数据存储器。6.监控计算机软件设计管理软件既要具有完成数据采集、处理的功能，其软件编程应具有功能强大、界面友好、便于操作和执行速度快等特点。要求达到的技术指标：测温范围：-20100测温精度：正负0.5测温范围：0100%RH测温精度：正负2.5%RH2.2 单片机温度测量系统的设计的原则要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。l.可靠性高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑：使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波：系统自诊断功能等。2.操作维护方便在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。3.性价比单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代硬件功能等。2.3 单片机温度测量系统的组成与工作原理以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。该系统，可分为温度测量电路，湿度测量电路，A/D转换及滤波电路，数据存储及显示电路，语音报警电路。选用的主要器件有：温度传感器DS1820，湿度传感器HSll01，At89S51，A/D转换器TLCO834，数据存储器AT24C04，MMC存储卡，4数码管显示模块，语音报警芯片ISD2560，MAX232，集成定时器555芯片等。本系统以单片机Atme189S51为核心，数据采集、存储、显示、报警以及上传至计算机进行数据处理都要通过单片机。数据采集通过单总线的智能温度传感器DS18B20。和模拟的湿度传感器HS1101完成；当采集数据超出预警值时，有语音报警芯片ISD256o实时报警，然后进行相应处理；数据存储可以在计算机完成，在计算机不工作时还设置了辅助的多媒体卡MMC存储；由数码管实时显示接收的数值；数据处理主要是上位机完成的数据曲线显示、数据存储、数据打印等功能。在整个系统中采用了多种总线、协议技术，如智能温度传感器DS1820的单总线技术，存储扩展的I2C总线技术，MMC的模拟SPI总线技术，单片机和计算机连接的RS232协议技术等。为防止模拟传感器数据采集的失真，采用了线形插值算法。在这个系统中单片机部分采用语言为汇编和C语言混合编程，计算机部分采用VC+。第三章 系统硬件电路的设计 3.1 系统硬件电路构成及测量原理由于系统要对大棚内部的温度进行测量和控制，因此采用单片机对单总线系统进行现场长期监控是非常经济实惠的方案，其硬件连接非常简单，可用单片机并口P1、P2、P3中的任一位端口与单总线连接来实现双向数据传输，而且还可通过RS232/485转换器串行口使单片机与上位计算机(PC机)连接，以便在WINDOWS平台上进行高级的软件管理。3.1.1 系统硬件电路构成本系统以单片机为核心，组成一个集温度的采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统，其原理框图如图3.1所示。系统硬件电路由温度传感器、单片机、RS485串口通信和计算机组成。图3.1温度测量系统硬件电路原理图温度传感器的作用是采集大棚内的温度，并进行判断和显示。由于智能温度传感器DS18B20既能对温度进行测量，又能设定所需要控制的温度，并对温度值能够把二进制转换成十进制，所以本设计系统中选用智能温度传感器DS18B20。该传感器是利用在板专利技术来测量温度的。传感器和数字转换电路都被集成在一起，每个DS18B20都具有唯一的64位序列号。并且DSl8B20只有一个数据输入/输出口，因此，多个DSl8B20可以并联到3或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20进行通信，而它们只需简单的通信协议就能加以识别，这样就节省了大量的引线和逻辑电路。用户还可自设定非易失性温度报警上下限值，并可用报警搜索命令识别温度超限的DS18B20。由于该温度计采用数字输出形式，故不需要A/D转换器。单片机主要是对温度传感器DS18B20进行编程，读取温度传感器的温度值，并把温度值通过串口通信送入计算机。由于AT89系列单片机与MCS51系列单片机兼容，所以，本系统中的单片机选用AT89C2051。串口通信的作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输数据的作用。虽然RS232是串行通讯中目前最常用的接口，且在PC机系列中，每台微机均配有标准的RS232，但是这种共地传输，由于受距离与环境的影响，极易受到干扰。因此，RS232方式的通讯，一般应用于速度低于20kb/s，距离20m以内的条件下，不适合于高速、远距离通讯。而RS485串行通讯是一种多发送器的电路新标准，它采用了差分平衡的电气接口，利用平衡驱动、差分接收的方法，从根本上消除了地线信号。因此，RS485可用于距离 1200m，速度为100kb/s的高速通讯。由于从大棚到计算机的距离较长，因此，在本课题设计中，需要在PC机侧配置RS485转换器，以达到数据传输的目的。计算机主要是进行编程，对温度进行显示、报警和控制等。3.1.2 系统工作原理采用单总线技术设计的温度监测系统，整个系统以AT89C2051单片机为主机，其他设备为从设备。单片机通过RS485总线与PC机通讯。PC机作上位机进行实时监控管理，控制器选用Max705组成上电复位和看门狗电路。该系统只要一条双绞线(一根为信号线，一根为地线)从单片机拉向监控现场，然后将各种监控对象(传感器)挂接在一根总线上就可以了。本系统通过单总线可以挂接很多个智能温度传感器DS18B20，用于温室大棚内不同地方的温度测量和控制。 该温度测控系统的工作原理就是进行计算机编程和单片机编程，使智能温度传感器DS18B20正常工作，去检测大棚内实际的温度，并由数字显示电路显示出当时的温度值。如果采集的温度值高于上限报警温度，系统将发出报警，并同时起动制冷设备，把温度降下来，当温度降到一定的程度，即低于上限复位值时，立即关闭制冷设备，使制冷设备停止工作。当采集的温度值低于下限报警温度值时，系统又发出报警，并同时起动制热设备，使大棚内的温度上升，当温度上升到一定的程度，即高于下限复位值时，立即关闭制热设备，使制热设备停止工作从而使温室大棚的温度值维持在一定的范围内。温室控制系统的执行机构采用开关量控制，本系统选用了可寻址的单总线控制开关DS2405，由它送出1位。或1作为控制码信息，去胜制报警设备、通风机执行机构(空调)等的开启与关闭。当单片机发现温度传感器 DS18B20采集到大棚内的实际温度超过温度限制时，便让控制开关DS2405去开启声光报警器报警，同时开启空调机工作。DS2405是DALLAS公司提供了一种可寻址的开关器件，其主要特性为：1.适用于单总线协议。2.由单总线上的数据作为开关信号，控制漏极开路输出端的通断状态。3.控制信号输出端PIO引脚吸收能力大于4mA/0.4V。4.不用外接电源。5.三种封装形式：TO92三脚塑封；SOT223四脚平面封装和CLead六脚表面安装封装。DS9502为防静电保护二极管。为防止处在开路状态易受静电等干扰侵入，通常在单总线线路的末端都接上DS9502之类防静电保护电路。每个与单总线直接相连的测控对象的机构芯片内均有一个64位(bit)的ROM，其中存有48位(hit)二进制编码的序列号，称之为身份证，以确保芯片挂接在总线上可以被识别出来，这是在单总线上实现定位和寻址通信的关键所在。3.1.3 系统主要技术指标 1.测量范围：-55 +125，2.测量精度：0.5，3.反应时间500ms。3.2 温度传感器的选择测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展主要大体经过了三个阶段：1.传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；2.模拟集成温度传感器/控制器；3.智能温度传感器。模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。模拟集成温度控制器主要包括温控开关和可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。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、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的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)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化和网络化的方向飞速发展。智能温度传感器DS18B20正是朝着高精度、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。因此，智能温度传感器DS18B20作为温度测量装置己广泛应用于人民的日常生活和工农业生产中。3.2.1 DS18B20的介绍DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS18B20之后最新推出的一种数字化单总线器件，属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现92位数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。同时其“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入了全新的概念。DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55+125，在-10+85范围内，精度为正负0.50。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，用符号扩展的16位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。因此，数字化单总线器件DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820都有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果。可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。3.2.2 DS18B20的性能特点1.采用DALLAS公司独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DSI8B20的双向通讯。2.在使用中不需要任何外围元件。3.(3)可用数据线供电，供电电压范围：+3.0+5.5V。4.测温范围：-55+l25。固有测温分辨率为0.5。当在-10+85范围内，可确保测量误差不超过0.5，在-55+125范围内，测量误差也不超过2。5.通过编程可实现912位的数字读数方式。6.用户可自设定非易失性的报警上下限值。7.支持多点组网功能，多个 DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。8.负压特性，即具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保护DS18B20不会因发热而烧毁。但此时芯片无法正常工作。9.DS18B20的转换速率比较高，进行9位的温度转换仅需93.75ms。10适配各种单片机或系统。11.内含64位激光修正的只读存储ROM，扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码(CRC)之后，产品序号占48位。出厂前产品序号存入其ROM中。在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DS18B20。3.2.3 DS18B20的控制方法在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法。一种是将DS18B20的UDD接外部电源，GND接地，其I/0与单片机的I/0线相连；另一种是用寄生电源供电，此时 DSI8B20的UDD、GND接地，其I/0接单片机I/0。无论是内部寄生电源还是外部供电，DS18B20的I/0口线要接5K见左右的上拉电阻。DS18B20有六条控制命令，如表3.1所示：表3.1DS18B20的六条控制命令指令约定代码操作说明温度转换44H启动在线的DS18b20进行温度转换读存储器BEH读取温度寄存器的温度值写暂存器4EH将两个字节的数据写入温度寄存器的TH、TL字节复制暂存器48H将温度寄存器的数值拷贝到E2RAM中，保证温度值不丢失重新调 E2RAMB8H将E2RAM中的数值拷贝到温度寄存器中读电源供电方式B4H启动DS18B30发送电源供电方式的信号给主CPU(“0”为寄生电源，“1”为外部电源）CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化,再进行ROM操作命令,最后才能对存储器操作和对数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。例如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，必须经历三个步骤：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。3.2.4 DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图3.2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，高温度系数晶振的振荡频率随温度变化而明显改变，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和温度寄存图3.2DS18B20的内部测温电路原理图器被预置在-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。图36中的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，这就是DS18B20的测温原理。3.3 单片机的选择3.3.1 单片机的概述单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器(MCU)代替单片微型计算机(SCM)这一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。单片机的主要特点有：1.具有优异的性能价格比；2.集成度高、体积小、可靠性高；3.控制功能强；4.低电压，低功耗。3.3.2 AT89C2051芯片的主要性能芯片AT89C2051是ATMEL公司生产的带ZK字节快闪存储器的8位单片机。它具有如下的一些特性：指令和89C51产品兼容 内含2K字节可重复编程快闪存储器耐久性1,000写/擦除周期 2.7V6V的工作电压范围全静态操作0Hz24MHz 二级程序存储器加锁内含128*8位内部RAM 15根可编程I/0引线2个16位的计数器/定时器 6个中断源带有可编程串行通讯口 可直接驱动LED输出片内模拟电压比较器 低功耗空载和掉电方式另外,该单片机还具有体积小,价格低等特点。3.4 输入通道的设计系统输入通道的作用是将温控箱的温度(非电量)通过传感器电路转化为电量(电压或电流)输出，本系统就是将温度转化为电压的输出。由于此时的电量(电压)还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行A/D转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给单片机判断和控制。输入通道由传感器、A/D转换等电路组成。3.4.1 Pt100温度传感器温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围、测量精度也各不相同。因此在不同的应用场合，应选择不同的温度传感器。Pt100型铂电阻，在-200到850范围内是精度最高的温度传感器之一。与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能都非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好。这些特点使得铂电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。由于在本系统中，测温范围较大(在室温到600之间)，且要求检测精度高、稳定性好，因此选用Pt100铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器。铂电阻温度传感器主要有两种类型：标准铂电阻温度传感器和工业铂电阻温度传感器。在测量精度方面，工业铂电阻的测量稳定性和复现性一般不如标准铂电阻，这主要有两个方面的原因，其一是高温下金属铂与周围材料之间的扩散使其纯度受到污染，从而降低了铂电阻测温的复现性能，其二是因为高温条件下的应力退火影响了其复现性能。但是标准铂电阻温度传感器也存在价格昂贵，维护起来较为困难等缺点。考虑到成本，故在本系统中采用工业级Pt100铂电阻作为温度传感器。铂电阻测温电路的工作方式一般分为恒压方式和恒流方式两种。按照接线方式的不同又可以分为二线制、三线制和四线制几种。本系统采用的是恒流四线制接法对Pt100铂电阻进行采样。3.4.2 A/D转换在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换(A/D转换)，才能够实现单片机对被控对象的识别和处理。完成A/D转换的器件即为A/D转换器。A/D转换器的主要性能参数有：1.分辨率表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示；2.转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远；3.转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示；4.线性度 线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。目前有很多类型的A/D转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色，其中大多数积分型或逐次比较型的A/D转换器对于高精度测量，其转换效果不够理想。温度控制中A/D转换是非常重要的一个环节。传统的电路设计方法是在A/D转换前增加一级高精度的测量放大器，这样就增加了成本，电路也较为复杂。综合考虑，本系统选用AD(ANALOG DEVICES)公司生产的16位AD转换芯片AD7705作为本温控系统的A/D转换器。AD7705是AD公司生产的16位-型A/D转换器。它包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路、-调制器、可编程数字滤波器等部件组成。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A/D转换。AD7705采用三线串行接口，具有两个全差分输入通道，能达到0.003%非线性的16位无误码输出，其增益和输出更新率均可编程设定，还可以选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。工作电压3V或5V，在3V工作电压时，器件的最大功耗仅为1mW。AD7705引脚如图3.3所示。图3.3 AD7705引脚图AD7705引脚功能描述如下：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，它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，能以晶体/谐振器或外部时钟的形式提供。晶体/谐振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT两引脚之间，时钟频率的范围为500kHz5MHZ；3.MCLKOUT，当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在MCLKIN和MCLKOUT之间，如果在MCLKIN引脚处接上一个外部时钟，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.AIN1(-)差分模拟输入通道1的负输入端；9.AIN2(-)差分模拟输入通道2的负输入端；10.REFIN(+)差分基准输入的正输入端，基准输入是差分的，并规定REFIN(+)必须大于REFIN(-)，REFIN(+)可以取VDD和GND之间的任何值；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，不能进行读操作，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。根据通信寄存器中的寄存器选择位，移位寄存器可以容纳来自通信寄存器、时钟寄存器或数据寄存器的信息；13.DIN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。3.5 输出通道设计3.5.1 温控箱的功率调节方式目前多数温控系统均采用可控硅来实现功率调节。可控硅的控制模式有两种：相位控制和零位控制(分配式零位控制、时间比例零位控制)。1.相位控制：作用于每一个交流正弦波，改变正弦波每个正半波和负半波的导通角来控制电压的大小，进而可以调节输出电压和功率的大小。采用相位控制模式的可控硅控制器可以叫做调压器，它可以方便的调节电压有效值，可用于电炉温度控制、灯光调节、异步电机降压软启动和调压调速等。2.零位控制：在设定的周期TC内，触发信号使主回路接通几个周波(几个完整的正弦波)，再断开几个周波，改变可控硅在设定周期内的通断时间比例，以调节负载上的交流电的平均功率，即可达到调节负载功率的目的。根据输出电压分布的不同，零位控制又分为分配式零位控制(在TC周期内根据输出百分比平均分布周波)和时间比例零位控制(在双周期内根据输出百分比连续接通几个周波，然后在TC周期剩余的时间内连续关断几个周波)。它多用于大惯性的加热器负载，采用这种控制，既实现了温度控制，又消除了相位控制时带来的高次谐波污染电网。本系统采用分配式零位控制的模式，控制温控箱的加热电阻的平均加热功率，进而控制温控箱的温度。3.5.2可控硅输出电路可控硅是一种功率半导体器件，简称SCR，也称晶闸管。它分为单向可控硅和双向可控硅，在微机控制系统中，可作为功率驱动器件。可控硅具有控制功率小、无触点、长寿命等优点，在交流电机调速、调功、随动等系统有着广泛的应用。双向可控硅相当于两个单向可控硅反向并联。双向可控硅与单向可控硅的区别是：1.它在触发之后是双向导通。2.在控制极上不管是加正的还是负的触发信号，一般都可以使双向可控硅导通。因此双向可控硅特别适合用作交流无触点开关。本系统中与可控硅配套使用的是MOC3041光电藕合双向可控硅驱动器，与一般的光藕器件不同之处是MOC3041输出部分是硅光敏双向可控硅，还带有过零触发检测器，以保证电压接近零时触发可控硅。第四章 系统调试4.1 TKS仿真器与集成开发环境KEIL4.1.1 TKS仿真器仿真的概念其实使用非常广，最终的含义就是使用可控的手段来模仿真实的情况。单片机系统开发中的仿真包括软件仿真和硬件仿真。1.软件仿真 这种方法主要是使用计算机软件来模拟实际的单片机运行，因此仿真与硬件无关的系统具有一定的优点。用户不需要搭建硬件电路就可以对程序进行验证，特别适合于偏重算法的程序。软件仿真的缺点是无法完全仿真与硬件相关的部分，因此最终还要通过硬件仿真来完成最后的设计；2.硬件仿真 使用附加的硬件来替代用户系统的单片机并完成单片机全部或大部分的功能。使用了附加硬件后用户就可以对程序的运行进行控制，例如单步、全速、查看资源断点等。在单片机应用系统的开发过程中，程序的设计是最为重要的但也是难度最大的工作，一种最简单和原始的开发流程是：编写程序，烧写芯片并验证功能，这种方法对于功能简单的小系统是可以对付的，但在比较大的系统中使用这种方法则是完全不可能的。此时就需要用到仿真器。在本系统软件设计调试的过程中使用的是TKS58型仿真器。TKS系列仿真器是广州致远电子有限公司推出的高性能实时在线仿真器。可以实时在线仿真PHILIPS半导体公司的80C51系列单片机，同时还能够实时在线仿真ATMEL和Winbond等公司的兼容MCS51内核的标准80C51单片机。彻底解决80C51开发中仿真工具的瓶颈问题。TKS系列仿真器在硬件上采用了PHILIPS授权的HOOKS/Bondout仿真技术，并加以改进，几乎支持所有的80C51系列单片机的实时仿真，能保证用户更加方便的操作和更加真实的仿真效果并能直接或通过简单的升级支持仿真PHILIPS陆续推出的全系列80C51内核单片机，每种型号的仿真器均能支持多种不同型号80C51单片机的仿真。TKS系列仿真器还可以同KEIL调试软件无缝衔接并得到KEIL公司的强力技术援助具备强大的调试功能。4.1.2 集成开发环境KEILKEIL IDE Vision2集成开发环境是德国KEIL Software Inc/KEIL Elektronik Gmb开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台。它内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立和管理、编译连接目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程。尤其它的C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了很高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。KEIL IDE Vision2集成开发环境主要由以下部分组成：1.u Vision2 IDEVision2 IDE包括：一个工程管理器，一个功能丰富并有交互式错误提示的编辑器选项设置生成工具，以及在线帮助。使用vision2创建源文件并组成应用工程加以管理。vision2可以自动完成编译汇编链接程序的操作；2.C51编译器和A51汇编器由Vision2 IDE创建的源文件可以被C51编译器或A51汇编器处理生成可重定位的object文件。KEIL C51编译器遵照ANSI C语言标准支持C语言的所有标准特性，另外还增加了几个可以直接支持80C51结构的特性。KEIL A51宏汇编器支持80C51及其派生系列的所有指令集；3.LIB51库管理器LIB51库管理器可以从由汇编器和编译器创建的目标文件建立目标库，这些库是按规定格式排列的目标模块，可在以后被链接器所使用当链接器处理一个库时仅仅使用了库中程序使用了的目标模块而不是全部加以引用；4.BL51链接器定位器BL51链接器使用从库中提取出来的目标模块和由编译器汇编器生成的目标模块创建一个绝对地址目标模块，绝对地址目标文件或模块包括不可重定位的代码和数据所有的代码和数据都被固定在具体的存储器单元中。绝对地址目标文件可以用于：编程EPROM或其它存储器设备；由Vision2 IDE调试器对目标进行调试和模拟；使用在线仿真器进行程序测试。Vision2 软件调试器Vision2 软件调试器能十分理想地进行快速可靠的程序调试。调试器包括一个高速模拟器，可以使用它模拟整个80C51系统包括片上外围器件和外部硬件；6.Vision2 硬件调试器Vision2 调试器向您提供了几种在实际目标硬件上测试程序的方法。安装MON51目标监控器到目标系统并通过Monitor51接口下载程序，使用高级GDI接口将Vision2调试器同TKS系列仿真器的硬件系统相连接，通过Vision2的人机交互环境指挥连接的硬件完成仿真操作。4.2 系统硬件调试系统软硬件调试的目的是通过控制程序和硬件电路的配合工作，进行一些操作，以验证系统的软、硬件是否能够完成设计的功能。调试的过程是按照系统的设计功能来划分的。硬件电路系统测试首先是保证各个元件之间以及各个模块之间的连接正确并且接触良好，这是整个硬件电路系统正常工作的前提。接着分别测试各个硬件模块的性能。按照测试性质的不同可分为电压测试和信号测试两种。电源模块主要是电压测试。测试结果为：小型变压器输出为18v和8v的交流电，经过二极管整流桥整流，再通过稳压芯片7805和7815、7915输出的电压分别是+5v和+15v、-15v，电压测试的结果与预期目的一致，从而确保了提供给其它模块电压的稳定性。单片机输入输出接口主要是信号测试。根据理论计算和软件仿真的预期结果，再通过对响应的信号进行测试。测试结果与预期结果基本一致，保证了系统按照设计的思路正常运行。通过测试硬件电路系统中的几个测试点，确保关键的电压信号满足要求，确保系统正常运行。4.3 系统软件调试系统的软件调试借助于TKS仿真器，在进行系统软件的连续调试之前要先进行软件的初调，就是要使各个子程序模块运行正确，程序的运行流程正确。软件调试主要分以下几个步骤进行：1.功能子程序的调试功能子程序的调试包括运算、采样、数字滤波以及PID运算等子程序的调试。在调试功能子程序时，许多参数都是未知的，要根据其所需的条件，给出假定的数据，使其运行，如果能完成预定的处理功能或与手工计算的结果相符，就说明该子程序己调试通过。调试时由小到大，由里到外。例如，调试PID算法子程序时，先调通其包含的各个运算子程序和参数处理子程序，然后将它们连起来进行通调。通调时，也是假定一些数据、参数和初始条件，然后运行程序。当运算结果与手工计算的结果相同时，该算法子程序则调试完成，反之，就要进行相应的修改。其它子程序的调试同理。1.程序流程的调试程序流程的调试主要是查看程序运行的步骤是否正确，在某时刻程序运行所处的位置是否正确，是否能正确运行各个中断服务程序。在调试过程中，先将PID算法子程序屏蔽，输出可控硅导通时间用一个固定的常数代替，在各个中断服务子程序设置断点，然后运行程序，查看程序是否能运行到所有的断点，若所有断点都能运行到，则程序流程基本正确。去掉所有断点，再一次运行程序，查看可控硅状态，从而判断程序流程正确，反之，若程序流程不正确，做相应的修改后，重新调试。3.功能程序与算法程序的通调在完成整个程序流程的调试后，将PID等算法子程序加入，在算法子程序前或后设置断点，运行整个程序。当程序在断点处暂停时，查看PID计算的控制量与手工计算的值是否相同。多运行几次，若每次的结果都正确，则说明程序各个部分互相没有矛盾，反之，则说明算法子程序和其它子程序之间有影响，需要做相应的修改后重新调试。结 论温度控制在工业生产中起着非常重要的作用。本文完成了基于单片机的温度控制系统的开发。包括系统的硬件开发、软件编程与仿真调试等。在论文完成过程中，主要做的工作有：1.以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心进行系统硬件设计，输入通道采用Pt100铂电阻温度传感器，AD7705作为A/D转换器；输出通道采用可控