温控系统

温控系统 电子设计线路2 课程设计报告 单片机温度测试系统设计 成员名单： 专业班级：06电科（1）班 指导老师： 年月日期： 2009.06.08~2009.6.19 华南农业大学学院 1 随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域， 已经成为一种比较成熟的技术。 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在 一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟 等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输 出系统集成在一块芯片上。 MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展 满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控 制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。 Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips 的历史功绩。 本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计，可以设置上下报警温度，当温度不 在设置范围内时，可以报警。该设计实现的功能有： 温度最小分辨率为0.5度； 显示范围为零下10度至零上50度； 用LED显示当前温度值； 可通过键盘设定温度上、下限，超限报警； 使用DS18B20温度传感器显示温度。 关键词：单片机，数字控制，温度计， DS18B20，AT89S52 - 1 - 1 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 2 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 2.1 选择论证 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 2.2 电路方案设计及分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 3 ????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 3.1 电路板制作 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 3.2 电路板焊接 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 3.3 系统软件算法分析及程序调试 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 3.4 问题解决方法与技巧23 4 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 24 5 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 25 Abstract ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 25 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 25 1 1 随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带 来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越 来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技 术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温 准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用， 该设计控制器使用单片机ATS89S52，测温传感器使用DS18B20，用4位共阴极LED数码 管以串口传送数据,实现温度显示,能准确达到以上要求。 2 2.1.1 由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被 测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理， 在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。 进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是 非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。 从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单， 故采用了方案二。 温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S52，温度传 感器采用DS18B20，用4位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。 2 单片机复位 显 主 示 控 报警点按键调 制整 温 度器 传 晶振电路 感 器 图1 总体设计方框图 LED 2.2.1 单片机AT89S52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足 电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电。 2.2.2 显示电路采用4位共阴极LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。 2.2.3 DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传 感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要 求通过简单的编程实现９～１２位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下： ?独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； ?多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； ?无须外部器件； ?可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ； ?零待机功耗； ?温度以９或１２位数字； ?用户可定义报警设置； ?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； ?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； DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图2所示。 3 存储器与控制 I/O 逻辑 64 位 温度传感 ROM 器 和 高温触发器 C 单 TH 高低温触发器TL 线 速接 缓配置寄存口 存 器 8位CRC发生器 VCC C 图2 DS18B20内部结构 64位ROM的结构开始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ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。 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的结构为８字节的存储器，结构如图3所示。头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。该字节各位的定义如图 3所示。低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。 温度 LSB 温度 MSB TH用户字节1 TL用户字节2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC .. TM111R1R011.. 图3 DS18B20字节定义 4 由表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数 据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 表1 DS18B20温度转换时间表 .. 分辨率/位温度最大转向时间/msR1R0 00993.75 0110187.5 1011375 1112750.. 高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８字节保留未用，表现为全逻辑１。第９字节读出前 面所有８字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。 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。单片机可以通 过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625?／LSB形式表示。 当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制； 当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数 值。 DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TＬ字节内容作比较。若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作 出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。 在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。 DS18B20的测温原理是这样的,器件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振 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。器件中还有一个计数门， 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?所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，计数器１和温度寄存器被预置在 5 －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 计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输 出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄 存器值大致被测温度值。 另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写 时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）?发ROM功能命令?发存储器操作命令?处理数据。 .. VCC DS18B20DS18B20DS18B20 VCC单 片4.7K 机GNDGNDGND . . 图4 DS18B20与单片机的接口电路 DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图4 所示单片机端口 6 接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管 来完成对总线的上拉。 当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。 系统整体电路包括温度传感器电路、显示电路、单片机复位电路、蜂鸣器电路、按键电路及单片 机主控电路（如图5所示），其仿真电路（如图6所示） 图5 单片机主板电路 7 图6 电路仿真图 由原理图利用Protel设计软件制出的PCB电路如图6所示： 图6温度计PCB电路 8 实物图如图7所示： 图7 温度计实物图 系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程 序，显示数据刷新子程序等。 3.31 主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。这样可以在一秒之内测量一次被测温度。 读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。 3.33 温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。 3.34 计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定， 其程序流程图如图9所示。 9 开始 温度数据移入显示寄存器 N 温度零下? N 十位数0？ Y 温度值取补码置“—”标Y 置“+”标志 N 志 百位数0？ Y 计算小数位温度BCD值 十位数显示符号百百位数显示数据 位数不显示 （不显示符号） 计算整数位温度BCD值 结束 结束 图9 温度值正负判断流程图 图10显示数据刷新流程图 3.35 显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示 位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图10。 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 从选定方案到最终设计的完成，在其间的过程中出现了许多问题，当然这些问题经过 我们的努力后最终还是解决了。现在就我们在完成设计的过程中出现的一些问题及解决 的方法如下： 问题1：方案的最终选定。 解决方法：经过查找各种，结合我们的实际情况，再经过我们小组的讨论，讨论的 过程中每个人都有自己的思路，最终统一确定了这个方案。 问题2：在制作原理图和PCB图的过程中不清楚元件的型号及封装，这给我们带来了很大 的困难。 解决方法：利用电路制作软件快速查找元件，实在找不出来的元件我们借鉴了网上的一 些原理图上的原件复制过来了，还有的元件是我们自己利用电路设计软件画出来的。 问题3：元件的实际封装与PCB图上的不符以及老师给我们的板的规格太小。 解决方案：重新调整PCB图，以符合实物板的大小。 问题4：在制板过程中如何检查元件的型号、大小、极性、好坏等。 解决方法：利用万用表进行检查。例如电阻、二极管、三极管的型号与极性、好坏等。 问题5：焊接时的注意事项及技巧。 解决方法：焊接过程中要注意安全，其次注意焊锡和助焊剂的合理使用，在焊接过程中 不能在同一个位置放置太久，否则容易烧坏元器件。 问题6：电路调试。 解决方法：采用分块调试的方法，逐块功能的电路进行调试。 问题7：程序调试 DS18B20对时序的要求十分严格 解决方法：严格的按照时序设置读温度和控制温度转换的延时。 23 该设计实现的设计所要求的功能，实际的测量结果跟DS18B20芯片的测量精度误差比较小，同时还可以通过自定义设置报警温度的范围，以达到报警的目的。因此，该设计 可应用于防火报警系统。除此外，因为DS18B20是采用单总线进行数据传送，因此占用 口线比较少，同时可以挂接多个DS18B20使用。 DS1820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) 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计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。 (2) 在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为 可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820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。 (3) 连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超 过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常 通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进 一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用 DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 (4) 在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重 视。 (5)测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。 经过将近两周的单片机课程设计，终于完成了我们的数字温度计的设计。 在本次设计的过程中，我们发现很多的问题，虽然以前也做过这样的设计但这次设 24 计真的让我们长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙 的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我们觉的写好一个程序并不是一件简单的事。 有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理 解的，更谈不上掌握。 从这次的课程设计中，我们真正地意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，这就是我们在这次课程设 计中的最大收获。 Abstract With the progress and development, single-chip technology has spread to our lives, work, research in various fields has become a relatively mature technology. Single-chip is an integrated on a single chip a complete computer system. Even though most of his features in a small chip, but it has a need to complete the majority of computer components: CPU, memory, internal and external bus system, most will have the Core. At the same time, such as integrated communication interfaces, timers, real-time clock and other peripheral equipment. And now the most powerful single-chip microcomputer system can even voice, image, networking, input and output complex system integration on a single chip. MCU or MPU (Micro Controller Unit) stage, the main direction of technology development: expanding to meet the embedded applications, the target system requirements for the various peripheral circuits and interface circuits, to highlight the target of intelligent control. It covers all areas related with the object system, therefore, the development of MCU inevitably fall on the heavy electrical, electronics manufacturers. From this point of view, Intel's development gradually MCU has its objective factors. MCU in the development, the most famous manufacturers when the number of Philips Corporation. Philips in embedded applications for its enormous advantages, the MCS-51 from the rapid development of single-chip micro-computer to the microcontroller. Therefore, when we look back at the path of development of embedded systems, Intel and Philips do not forget the historical merits. This article will introduce the single-chip microcomputer-based control of a digital thermometer, you can set upper and lower temperature alarm, when the temperature range is not set, it could be reported. To achieve the functions of the design are: 25 The minimum temperature resolution of 0.5 degrees; Shows the range of zero to minus 10 degrees to 50 degrees; With LED displays the current temperature value; Temperature can be set using the keyboard, the lower limit exceeded alarm; DS18B20 temperature using temperature sensor. Key words: single-chip, digital control, thermometer, DS18B20, AT89S52 [1] 李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，2005 [2] 李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，1994 [3] 康华光.数字电子技术基础（第五版）. 北京：高等教育出版社，2007 26