关于温度控制系统论文

前言随着电子技术的发展、数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能、价格、发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注随着单片机技术的不断发展，控制设备也跟着不断变化，对产品试验环境的要求也越来越严格。鉴于此，环境温度是试验环境中的一项重点，环境温度的高低直接影响产品的电气和机械性能参数，环境温度的准确度对测试温度的方法要求越来越高，而对环境温度的控制更显的重要。温度检测的传统方法是使用诸如热电偶、热电阻、半导体PN结之类的模拟温度传感器。信号经取样、放大后通过模数转换，再交由单片机处理。被测温度信号从温敏元件到单片机，经过众多器件，易受干扰、不易控制且精度不高。为了准确的测试与控制环境温度，因此,本系统采用一种新型的可编程温度传感器DS18B20，它能代替模拟温度传感器和信号处理电路，直接与单片机沟通，完成温度采集和数据处理。DS18B20与AT89S52结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。第一章绪论随着信息时代的到来，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一[1]。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。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[2]。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[3]。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。第二章方案的论证与比较当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现[4]。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。2.1温度采集方案方案一：采用热敏电阻，可满足-40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，而且需要价格昂贵的A/D转换器，对于检测小于1摄氏度的信号是不适用的[5]。方案二：采用温度传感器DS18B20。DS18B20可以满足从-55摄氏度到+125摄氏度测量范围，且DS18B20测量精度高，增值量为0.5摄氏度，在一秒内把温度转化成数字，测得的温度值的存储在两个八位的RAM中，单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度，使用单总线通讯，只占用一个I/O口，使用方便[6]。基于DS18B20的以上优点，我们决定选取DS18B20来测量温度。2.2显示界面方案方案一：采用数码管显示。数码管是一类显示屏通过对其不同的管脚输入相对的电流会使其发亮从而显示出数字能够显示时间，日期，温度等所有可用数字表示的参数。由于它的价格便宜使用简单，在电器特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等绝大多数热水器用的都是数码管。其优点是直观，成本低。缺点是只能显示测量点温度值和有限的符号，电路复杂[7]。方案二：采用字符LCD显示。可以实现实时中英文操作提示，方便人际交换。能同时显示多测量点温度值。缺点：价格高，体积增大。因为本系统设计显示多种模式，所以选择LCD显示。2.3电源部分方案一：采用变压器从220V市电获得低压交流电，再通过整流、滤波及稳压后获得5V直流电。此方案优点在于EMI干扰小，对电路没有高频干扰，且输出动态调整特性好，缺点是体积大，笨重，不便于安装，效率低，发热严重，且在交流电压波动比较严重的场合，可能无法正常输出。方案二：采用全适应开关电源从220V市电直接获得5V直流稳定电压，供点阵及控制电路工作。此方案优点在于电源体积小，重量轻，效率高。另外，全适应开关电源输入电压范围是85-265V，适应全世界的电力电压，适合出口产品。缺点是有一定高频干扰，且动态调整性能较差。由于近几年开关电源技术发展迅速，开关电源的性能更加完善，且在过去的一年内，有色金属价格持续上涨，开关电源无论在性能还是价格上都有取代传统线性稳压电源的趋势。综上所述，我们采用方案二。2.4键盘部分由于按键数目较少，采用独立按键的方案。每只按键通过上拉电阻接在P0.X口上，程序通过查询来检测按键状态。第三章系统组成3.1系统框图本节介绍了系统的主要功能和实现框图。系统结构组成如图3-1所示：图3-1系统结构框图本系统主要由六部分组成:①温度测量18B2O部分②单片机最小系统③按键部分④显示部分⑤声光提示部分⑥电源部分。系统以单片机AT89S52为核心,温度传感器18B20将采集的温度信号转换成电信号传给单片机处理，并通过液晶屏1602显示温度信息。通过按键可设置上限下限温度，当被测点温度超出设定的温度时，声光报警将会给出提示。3.2DS18B20温度测量部分本节主要讲了DS18B20的主要原理和测量方法。3.2.1DS18B20的结构及原理由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温度传感器,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。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。产品的主要技术指标：①测量范围：-55℃-+125℃，②测量精度：0.5℃，③反应时间≤500ms[8]。DS18B20的性能特点：①采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），②测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃,温度传感器18B20按键电路1602液晶显示电路光音提示电路AT89S52单片机系统③内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，④适配各种单片机或系统机，⑤用户可分别设定各路温度的上、下限，⑥内含寄生电源[9]。DS18B20内部结构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,高速暂存器。64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。不同的器件地址序列号不同[10]。DS18B20高速暂存器共9个存储单元，如表3-1所示：表3-1DS18B20高速暂存器存储单元序号寄存器名称作用序号寄存器名称0温度低字节以16位补码形式存放4、5保留字节1、21温度高字节6计数器余值2TH/用户字节1存放温度上限7计数器/℃3HL/用户字节2存放温度下限8CRC以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：12位转化后得到的12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才能得到实际温度。DS18B20控制方法在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接4-10KΩ左右的上拉电阻。DS18B20有六条控制命令，如表3-2所示：表3-2DS18B20的控制命令指令约定代码操作说明温度转换44H启动DS18B20进行温度转换读暂存器BEH读暂存器9个字节内容写暂存器4EH将数据写入暂存器的TH、TL字节复制暂存器48H把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中重新调E2RAMB8H把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节读电源供电方式B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPUCPU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，数据操作[11]。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：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3.2.2利用DS18B20的实时温度测量电路的设计DS18B20的实时温度显示电路如图3-2所示：图3-2DS18B20的实时温度显示电路DS18B20只需要3根线便可以完成全部连接，分别是VCC、GND以及I/O，VCC与GND线直接接系统5V电源。由于测量线路比较长，为了防止电源线路受到干扰引起DS18B20工作不正常，在器件临近处电源线两端并联一只0.1uF（104）的高温瓷片电容，起退偶作用，在单片机临近处的数据线上对地并联一只20pF的小电容，用来吸收高频干扰。选用5.1K上拉电阻接在临近DS18B20位置的数据线上。3.3控制电路单片机最小系统如图3-3所示：图3-3单片机最小系统控制电路主要由AT89S52单片机组成。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器[12]。在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，2位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。3.4按键电路按键电路如图3-4所示：图3-4按键电路由于系统需要按键数较少，所以采用独立式键盘解构。它的优点是一键一线，按键识别容易；缺点是占用的口线较多，不便于组成大型键盘。其中S1为设置键，S2为温度提升键，S3为温度降低键