基于单片机的饮水机温度控制系统设计.pdf

摘要本文介绍了单片机应用于电加热饮水机的种设计方法,该电加热饮水机具有 自动化程度高、安全性好、功能多、使川方便、功率小、加热快、可靠性高等特点。并详细地论述了以单片机为处理器的电加热饮水机的硬件、软件设计、系统编程和抗 干扰设计等方面的问题。本系统以ATMEL公司的AT89C5I单片机为核心,由 DS18B20.信号处理电路、键盘控制电路、LED显示电路、输出控制电路等构成。主要包含的程序有:主程序、显示子程序、PID控制子程序等。同时,在软、硬设计时均采取了有效的抗干扰措施。关键词:AT89C51；DS18B20；PID 控制。AbstractThis paper introduced a single-chip microcomputer which used in electric heating water dispenser as a design method,the electric heating water dispenser with a high degree of automation,security,and multi-functional,easy to use,small power,heating quickly,and high reliability.The paper described in detail by the single-chip processor power fbr heating water dispenser hardware,software design,system design,programming and anti-jamming problems.The controller ATMEL Corporation AT89C51 single-chip microcomputer as the core,by the DS18B20,signal processing circuit,eyboard control circuit,ED display circuit,utput control circuit,etc.The process mainly includes the main program,isplay control subroutine,PID control subroutine and so on.At the same time,software and hardware are designed to take aneffective antijamming measures.Key words:AT89C51;DS18B20;PID control.ii目录摘要.IAbstract.II1前言.11.1 水温控制系统概述.11.2 本设计任务.22系统设计原理.32.1 水温控制系统总体框图.32.2 总体方案论证.32.3 各部分电路方案论证.33硬件电路设计.53.1 温度传感器的选择.53.2 温度控制电路.63.3 单片机控制部分.73.4 I/O通道的硬件电路的设计.83.5 电源电路.93.6 控制执行电路的设计.93.7 温度传感器的工作原理.123.8 LED数码管显示电路.164系统软件设计.184.1 主程序模块.184.2 运算控制模块.194.3 数字显示.224.4 PWM 输出.224.5 温度传感器DS18B20软件模块.245试验仿真结果分析.295.1仿真平台.295.2仿真结果及分析.29总结.32参考文献.33致谢.35附录:主程序设计.36附录二:主电路图.51邵阳学院毕业设计（论文）1前言随着电子技术的发展,特别是大规模集成电路的产生,给人们的生活带来了根本 性的变化,如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃,那么单片机 技术的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。目前,单片机在业 控制系统诸多领域得到了极为广泛的应用。特别是其中的C51系列单片机的出现,由于它具有极好的稳定性,更快和更准确的运算精度臼,它的出现不但推动了工业的 生产,也影响着人们的工作和学习。温度控制系统在现代工业设计、工程建设及巳常 生活中的应川越来越广泛。在巳常人们的生活中,温度控制系统的应川和作用也体现 到了各个方面,随着人们生活质量的提高,酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制 的影子,温度控制将更好的服务于社会。温度控制是业生产过程中经常遇到的过程 控制,有些艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计种较为 理想的温度控制系统是非常有价值的。1.I 水温控制系统概述在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中,温度是极为重要而又普遍的热参 数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下,为了保证生产过程正常安全地进行,提高 产品的质量和数量,以及减轻工人的劳动强度、节约能源,要求对加热炉炉温进行测 量、显示、控制,使之达到艺标准,以单片机为核心设计的炉温控制系统,可以同 时采集多个数据,并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种 控制,我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度（起码是在满足我们要求的范围 内）,帮助我们实现我们想要的控制,解决身边的问题叫在计算机没有发明之前,这些控制都是我们难以想象的。而当今,随着电子行业 的迅猛发展,计算机技术和传感器技术的不断改进,而且计算机和传感器的价格也日 益降低,可靠性逐步提高,用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可 以达到的而且是容易实现的。用高新技术来解决业生产问题,排除生活用水问题实 施对水温的控制已成为我们电子行业的任务,以此来加强工业化建设,提高人民的生 活水平。在能源巳益紧张的今天,电热水器,饮水机,电饭煲之类的家用电器在保温时,由于其简单的温控系统,利用温敏电阻来实现温控,因而会造成很大的能源浪费。但 是利用AT89c51单片机为核心,配合温度传感器,信号处理电路,显示电路,输出 控制电路,故障报警电路等组成,软件选用汇编语言编程。单片机可将温度传感器检1基于单片机的饮水机温度控制系统的设计测到的水温模拟量转换成数字量,显示于LED显示器上。该系统灵活性强,易于操 作,可靠性高,将会有更广阔的开发前景叫1.2 本设计任务(1)基本要求设计个基于单片机的饮水机的温度控制系统,该系统可以实时检测饮水机水箱 的水温,并且可以通过数码管显示饮水机水箱水温度数,可以通过键盘或开关选择制 冷或加热,可以人为设置水的温度的上下限,如加热,当温度在设定的范围内时正常 工作,当低于水温下限时控制加热器加热;如制冷,当温度高于水温上限时控制压缩 机制冷,温度检测范围95,精度土 1,当温度超过设定值时具有示警功能叫(2)主要性能指标温度设定范围:095,最小区分度为控制精度:温度控制的静态误差m。川十进制数码显示实际水温。(3)扩展功能具有通信能力,可接收其他数据设备发来的命令,或将结果传送到其他数据设 备。采川适当的控制方法实现当设定温度或环境温度突变时,减小系统的调节时 和超调量。温度控制的静态误差w0.2 2邵阳学院毕业设计（论文）2系统设计原理2.1 水温控制系统总体框图该水温控制系统主要由AT89C5I单片机控制系统、前向通道（温度采样转换电 路）、后向通道（温度控制电路）、显示电路等四部分组成,其总体设计框图如图2.1 所示叫图2.1单片机控制系统原理框图2.2 总体方案论证根据题目的要求。我们提出以下两种方案:方案1:此方案是采川传统的二位模拟控制方法,选川模拟电路,川电位器设定 给定值,采川上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后,决定加热或者 不加热。由于采川模拟控制方式,系统受环境的影响大,不能实现复杂的控制算法使 控制精度做得较高,而且不能用数码显示方案2:采川单片机AT89c51为核心。采川了温度传感器DS18B20采集温度 変化佶号,该传感器可以直接采集数字佶号并通过单片机处理后去控制温度,使其达 到稳定。使川单片机具有编程灵活,控制简单的优点,使系统能简单的实现温度的控 制及显示,并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。比较上述两种方案,方案2明显的改善了方案1的不足及缺点,并具有控制简单、控制温度精度高的特点,因此本设计电路采川方案2网。2.3 各部分电路方案论证本电路以单片机为基础核心,系统由前向通道模块、后向控制模块、系统主模块 及键盘显示摸块等四大模块组成。现将各部分主要元件及电路做以下的论证:1 温度采样部分3基于单片机的饮水机温度控制系统的设计方案1:采用热敏电阻,可满足。95的测量范围,但热敏电阻精度、重复 性和可靠性都比较差,对于检测精度小于rc的温度信号是不适川的。方案2:采川温度传感器DS18B20。DS18B20具有体积小、质量轻、线形度 好、性能稳定等优点。其测量范围在55+125,在1。+85时,其精度 为0.5。,当电源电压在510V之间,稳定度为1%时,误差只有0.01。,其各 方面特性都满足此系统的设计要求。此外DS18B20是温度电流传感器,对于提高 系统抗干扰能力有很大的帮助口。经上述比较,方案2明显优于方案1,故选用方案2。(2)显示部分控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分,所以此部分电路设计的好 坏直接影响到电路的好坏。方案1:采川可编程控制器8279与数码管及地址译码器74LS138组成,可编 程/显示器件8279提供LED的显示信号,并对LED显示控制。方案2:采川单片机AT89c51的审对主电路进行通信,并对LED显示进行 控制这种方案既能很好的控制显示,又为主单片机大大的减少了程序的复杂性,而且 具有体积小,价格便宜的特点川。对比两种方案可知,方案1虽然也能很好的实现电路的要求,但考虑到电路设 计的成本和电路整体的性能,我们采川方案2。(3)控制电路部分方案1:采川8031芯片,其内部没有程序存储器,需要进行外部扩展,这给电 路增加了复杂度。方案2：本方案的CPU模块采川205I芯片,其内部有2kB单元的程序存储器,不需外部扩展程序存储器。但由于系统川到较多的I/O,因此此芯片资源不够川。方案3:采川AT89c51单片机,其内部有8kB单元的程序存储器,不需外部 扩展程序存储器,而且它的I/O 也足够本次设计的要求叫比较这3种方案,综合考虑单片机的各部分资源,因此此次设计选用方案3。4邵阳学院毕业设计（论文）3硬件电路设计本电路总体设计包括四部分:主机控制部分（89C51、前向通道（温度采样和 转换电路）、后向通道（温度控制电路）、键盘显示部分。模拟部分和数字部分:主机 电路、数据采集电路、显示电路、控制执行电路叫3.1温度传感器的选择温度传感器是该系统的关键器件,系统采用美国DALLAS公司生产的单总线 数字式温度传感器DS18B20,由于具有结构简单,不需要外接电路,可川根I/O 数据线既供电又传输数据,并且具有体积小,分辨率高,转换快等优点,被广泛川于 测量和控制温度的地方,。DS18B20采川了 TO-92封装或8脚SOIC封装。本系统川的是TO-92封装。其引脚排列及含义如图3.1所示。1 2 31：GND 2：DQ 3：VDD 图 3.1 DS18B20TO-92 封装DS18B20性能特点：独特的单线接口方式:DS18B20在I/O处理器连接时,仅需要一个I/O 即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。2 测温范围:-55+125,在0+85时,其精度为0.5。3 分辨率：DS18B20的分辨率由912位（包括1位符号位）数据在线编程决 定。4 温度转换时间：DS18B20的转换时间与设定的分辨率有关,当设定为9位 时最大转换时间为93.75ms；10位时,为187.5 ms；11位时,为375ms；12位 时,为750ms。在使川过程中,测得12位时,一般为57.5ms皿。DS18B20的供电方式有两种:种是寄生电源;另种为外电源供电。其 作过程及其编程在软件设计部分介绍。在使用过程中发现DS18B20在解决各种误 5基于单片机的饮水机温度控制系统的设计差、可靠性和实现系统优化等方面与传统各种温度传感器相比,有无可比拟的优越性。其表现在:DS18B20可将被测温度直接转换成单片机能识别的数字信号输出。温度值不 需要以电桥电路先获取电压模拟量,再经信号放大和A/D转换成数字信号,解决了 传统温度传感器存在的因参数不一致性,在更换传感器时会因放大器零漂而必须对电 路进行重新调试的问题,使用方便皿。DS18B20能提供9到12位温度读数,精度高。且其信息传输只需1根信号 线,与单片机接口十分简便。负压特性:当电源极性接反时,DS18B20虽然不能正常工作,但不会因发热 而烧毁。如图3.2为DS18B20其温度检测电路图。5V47K rRlDQ I-DS18B20GND图3.2温度检测电路图DS18B20管脚GND为电源地,DQ为数字信号输入/输出端,VDD为外接 供电电源接入端（川寄生电源方式时接地）。在本系统中川外接电源,DQ接到 AT89c51的P13端,R1为信号和5V电源之间的上拉电阻内。在实际中,若需要 多点检测时,可在单总线上挂多个DS18B20,但超过8个时要考虑驱动问题,软件 设计也变得复杂多了,同时要考虑挂DS18B20单总线的长度问题,一般不要超过 50m。为实现更远程的控制,可以考虑把系统设计成无线系统,以突破DS18B20 单总线的长度的限制。3.2 温度控制电路此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和IGBT组成。采用脉宽调制输出控 制电炉与电源的接通和断开比例,以通断控制调压法控制电炉的输入功率。MOC304I光电耦合器的耐压值为400V,它的输出级由过零触发的双向可控硅构 成,它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。电路原理图如图3.3所示。6邵阳学院毕业设计(论文)3.3 单片机控制部分此部分是电路的核心部分,系统的控制采川了单片机AT89c51。单片机 AT89C5!内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。因此系统不必 扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。AT89C51是由 美国生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机。该芯片采川FLASH存储 技术,内部具有2kB字节快闪存存储器,采用DIP封装,是目前在中小系统中应用 最为普及的单片机,。(DAT89C51的特点AT89c51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容;片内有4K字节在线可重复编程快擦写程序存储器;全静态工作,工作范围:0Hz24MHz；二I3_231-11 2-三 P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27RXD為PSEN 円P11円P13P14P15P16P17INT1INTOn TO X1X2RES一RD一WR 1_2_3_4_5_6_7_8-=15114一31一19b 一 9-16II一图3.3控制执行部分电路三级程序存储器加密;128义8位内部RAM；32位双向输入输出线;两个十六位定时器/计数器;五个中断源,两级中断优先级;个全双工的异步审行口;间歇和掉电两种工作方式。(2)AT89C51的功能描述AT89c51是种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器,片内有4k字节的 在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器,能重复写入/擦除1000次,数 7基于单片机的饮水机温度控制系统的设计据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容,不仅 可完全代替MCS-51系列单片机,而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有 的功能四。AT89C5I可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可 靠性,降低系统的成本。只要程序长度小于4k,四个I/O 口全部提供给川户。可川 5V电压编程,而且擦写时间仅需10ms,仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求,改写 时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（2.7V6V,全静态 作,工作频率宽在0Hz24MHz之间,比8751/87C5I等5I系列的6MHz 12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。AT89c51芯片提供三级程序存储器加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。P0 口是三 态双向口,通称数据总线口,因为只有该能直接用于对外部存储器的读/写操作。AT89c51引脚功能图3.4为AT89C51单片机20引脚芯片1224177气15_1431_199登P10POOP11P01P12P02P13P03P14P04P15P05P16P06P17AT89C51 P07INT1P20INTOP21P22T1P23TOP24P25EA/VPP26P27XIX2RESETRXDTXDRDALE/PWRPSEN393837363534333221222324252627281011 30图3.4 AT89C51引脚图3.4 I/O通道的硬件电路的设计就本系统来说,需要实时采集水温数据,然后将传感器采集到的数字信号,直接 送入单片机中的特定单元,然后一部分送去显示;另一部分与设定值进行比较,通过 PID算法得到控制量并经由单片机输出的PWM波去控制IGBT的通断从而控制电 热炉加热8邵阳学院毕业设计（论文）3.5 电源电路电源是整个系统的能量来源,它直接关系到系统能否运行。由于单片机的供电电 源为5V,光电耦合器需要的电源是7V,显示模块等其它电路需要5V的电源,因 此电路中选川?805和7807两种稳压芯片,其最大输出电流为L5A,能够满足系 统的要求,其电路如上图3.5所示。3.6 控制执行电路的设计由输出来控制电炉,电炉可以近似建立为具有滞后性质的阶惯性环节数学模 型。可控硅可以认为是线形环节实现对水温的控制。单片机输出与电炉功率分别属于 弱电与强电部分,需要进行隔离处理,这里采川光耦元件在控制部分进行光电隔离,实现弱强电的电源隔离叫PWM Pulse Width Modulation 控制就是对脉冲宽度进行调制的技术,通 过对系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。PWM 控制技术在逆变电路中应用最广,对逆变电路的影响也最为深刻,现在大量应川的逆 变电路绝大部分是PWM型逆变电路,可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电 路中的应川,确定了它在电电子技术中的重要地位;近年来,PWM技术在整流 电路中也开始应川,并显示了突出的优越性国。PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状 不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这 里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同;如果将输出波形进行傅 氏分解,则低频段非常接近,仅在高频段略有差异。例如图3.6 a、（b、（c 所 9基于单片机的饮水机温度控制系统的设计示的三个窄脉冲形状不同,其中图为矩形脉冲,图(b)为三角形脉冲,(c)为正弦 半波脉冲,但它们的面积(即冲量)都等于1,那么,当它们分别加在具有惯性的同 环节上时,其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图(d)的单位脉冲函数3(t)时,环 节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图3.6形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图(a)的电路是一个具体的例子。图中e(t)为电压窄脉冲,其形状和面积分别如 图(a)、(b)、(c)、(d)所示,为电路的输出。该输入加在可以看成惯性环节的R-L 电路上,设其电流i(t)为电路的输出。图(b)给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。从 波形可以看出,在i(t)的上升段,脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同,但其下降 段则几乎完全相同。脉冲越窄,各i(t)波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉 冲,则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出,i(t)在低频段的特性将 非常接近,仅在高频段有所不同。上述原理可以称之为面积等效原理,它是PWM 控制技术的重要理论基础国。下面分析如何川一系列等幅不等宽的脉冲来代替个正弦半波如图3.70正弦半 波分成N等份,就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形,这些脉冲宽度相等,都等于兀/N,但幅值不等,且脉冲顶部都不是水平直线,而是曲 线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利川相同数量的等幅而不等 宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲 和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就得到图(b)所示的脉冲序列。这就是PWM 波形。可以看出,各脉冲的幅值相等,而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原 理PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得 到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM(Sinusidal PWM)波形。要改变等效输出正弦波的幅值时,只要按 照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。10邵阳学院毕业设计（论文）PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。由直流电源产生的 PWM波通常是等幅PWM波。如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路,其PWM波都是由直流电源产生,由于直流电源电压幅值基本恒定,因此PWM波是 等幅的。将要介绍的PWM整流电路中,其PWM波也是等幅的。讲述的斩控式交 流调压电路和矩阵式变频电路,其输入电源都是交流,因此所得到的PWM波也是 不等幅的。不管是等幅PWM波还是不等幅PWM波,都是基于面积等效原理来进 行控制的,因此其本质是相同的向。上面所列举的PWM波都是PWM电压波。除此之外,也还有PWM电流波。例如,电流逆变电路的直流侧是电流源,如对其进行PWM控制,所得到的PWM 波就是PWM电流波。直流斩波电路得到的PWM波是等效直流波形,SPWM波得到的是等效正弦波 形。这些都是应川十分广泛的PWM波。本章讲述的PWM控制技术实际上主要是 SPWM控制技术。除此之外,PWM波形还可以等效成其他所需要的波形,如等效 成所需要的非正弦交流波形等,其基本原理和SPWM控制相同,也是基于等效面积 原理由。图3.7用PWM波代替正弦半波光耦隔离驱动电路如图3.3所示。由于IGBT是高速器件,所选川的光耦 必须是小延时的高速型光耦,由PWM控制器输出的方波信号加在三极管VI 的基极,V!驱动光耦将脉冲传递至整形放大电路IC1,经IC1放大后驱动由 11基于单片机的饮水机温度控制系统的设计V2、V3组成的对管。对管的输出经电阻R1驱动IGBT,R3为栅射结保护电 阻,R2与稳压管VS1构成负偏压产生电路,VS1通常选川1W/5.1V的稳压 管。此电路的特点是只川1组供电就能输出正负驱动脉冲,使电路比较简洁。当单片机输出的是高电平1时光电耦合器导通从而使IGBT导通,电阻炉工作;反之单片机输出电平为。时,光耦元件不能导通,IGBT不能形成有效偏置而截止,电炉丝不工作,饮水机不加热加。3.7 温度传感器的工作原理DS18B20是由美国DALLAS公司提供的种线总线系统的数字温度传感 器,它可提供二进制9位温度信息,经过线总线接口送入主机处理器。因此从主 机到DS18B20仅需一条线进行通信。该器件采川单线通讯,可以允许在通讯总线 上级联多个DS18B20器件,所以很适合多点测温。在DS18B20片内设有报警单 元,用户可以定义报警的上下限。在完成温度转换后,与贮存在寄存器中的川户补码 触发报警TH值和T值进行比较而触发报警。为了适应不同场合的测温要求,DS18B20采川3种封装形式,即TO-292、8脚SO、8脚卩SOP.TO-292可用于 远距离测温,后两种可安装于仪器设备的内部,川于环境温度监测或室内温度监测等。该器件的供电也很灵活,可使川DC3.0V5.5V外部供电,也可以采川寄生取电模 式供电,即把电源端和地端短路接地而在数据通讯线上寄生取电防。此外,DS18B20 还有应川简单无需任何外围元件、测温范围广(-550。+125)、测温精度高(-10。+85范围内精度0.5)等特点,可以应川于恒温控制、业系统、消费 类产品、温度计以及其他热敏感系统。DS18B20的内部结构如图3.8所示,主要包括寄生电源电路、64位只读存储 器(ROM)和单线接口、存储器和控制逻辑、存放中间数据的高速暂存存储器、温度 传感器、报警上限寄存器TH、报警下限寄存器TL、配置寄存器和8位CRC(循环 冗余校验码)发生器。DS18B20的核心是其数字温度传感器,精度可以通过川户编 程配置为9、10、11和12位,其分别对应于0.5。、0.25。、0.125。和0.062 5。,可以满足各种不同的分辨率要求。开始一次温度转换时,微处理器需要向DS18B20 发出Convert T指令。转换完成之后,该温度数据存放在高速暂存存储器的温度寄 存器中,占用2字节,并且DS18B20返冋到空闲状态。当DS18B20采用外部供 电方式时,主机可以在发送温度转换指令后发起一次读时隙.若此时该DS18B20已 经完成温度转换,它将会返冋“1”,否则返冋“”。DS18B20的电源可以由数据线 本身提供而不需要外部电源。每个DS18B20在出厂时已经给定了唯一的64位长 12邵阳学院毕业设计(论文)的序号。该序号值存放在DS18B20内部的ROM(只读存贮器)中,低8位是产品类 型编码(DS18加编码均为10H),中间48位是每个器件唯一的序号,高8位是前面 56位的CRC(循环冗余校验)码。DS18B20中还有川于贮存测得的温度值的两个8 位存贮器RAM,编号分别为0号和1号。1号存贮器存放温度值的符号,如果温度 为负,则1号存贮器8位全为1;否则全为 0号存贮器川于存放温度值的补码。将存贮器中的二进制数求补,再转换成十进制数并除以2,就得到测量的实际温度3 其主要特性有:(1)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。(2)独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条线即可 实现微处理器与DS 18B20的双向通讯。(3)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。(4)DS 18B20在使川中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在 形如只三极管的集成电路内。(5)测温范围550。+125C,在+85时精度为土0.5。(6)可编程的分辨率为912位,对取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。(7)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。(8)测量结果直接输出数字温度信号,传送给弹片机可传送CRC校验码,具有极 强的抗干扰纠错能力国。图3.8 DS18B20的内部结构图13基于单片机的饮水机温度控制系统的设计表3.1 DS1820引脚说明引脚符号说明1GND地2DQ单线运用的数据输入/输出引脚漏极开路路3VDD可选VDD引脚两种供电方式式3.7.1 DS18B20的形和内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非触发 的温度报警触发器TH和TL配置寄存器。DS18B20引脚定义:(DDQ：为数字信号输入/输出端;(2)GND：为电源地;(3)VDD：为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。3.7.2 DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同,只是得到的温度值的位数 因分辨率不同而不同,且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测温 原理如图3.9所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,川于产生固定 频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改変,所产 生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在5所对应的 个基数值加。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,当计数器 1的预置值减到。时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数 器1新开始对低温度系数品振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器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 3.10中的斜率累加器川于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出川于修正计数器1 的预置值。DS18B20有4个主要的数据部件:(1)光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是DS18B20 的地址序列码。64位光刻ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型标号,接着 的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作川是使每个DS18B20都各不相同,这样就 可以实现根总线上挂接多个DS 18B20的目的。14邵阳学院毕业设计(论文)温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器图3.9 DS18B20结构框图(2)DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625/LSB形式表达,其中S为符号位。表3.2 DS18B20温度值格式表bit 7bit 6bit 5bit 4bit 3bit 2bit 1bitOnyie23222122T2-32-bit 15bit 14bit 13bitl2bit 11bit 10bit 9bit 8ivir nyieSSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据,存储在DS18B20的两个8bit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,只要将测到的数值 乘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0.0625即可得到实际温度。例如+125。的数字输出07D0H,+25.0625。的数 字输出0191H,-25.0625。的数字输出为FF6FH,-55的数字输出为FC90H。图3.10 DS18B20测温原理(3)DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性 15基于单片机的饮水机温度控制系统的设计的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。(4)配置寄存器。该字该字节各位的意义如表3.3。表3.3温度转换表TemperatureDigital Output(Binary)Digital Output(Hex)[phone] 000007D0h+85 0000 0101 0101 00000550h+25.0625 0000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000A2h+0.5 0000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 0000OOOOh-0.5 1111 1111 1111 1000FFF8h-10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh-25.0625 1111 11100110 1111FE6Fh-55 1111 1100 1001 0000FC90h低五位一直都是“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用 来设置分辨率,如表3.4所示。表3.4温度分辨率设置表RIR0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms3.8 LED数码管显示电路LED显示器的工作情况有两种:种是温度显示;另一种是ROM码显示。DS18B20的测温范围上限是150,因此温度的十进制显示需要川4位,还有一 位川于显示单位,在这里设置了 4位的LED即。LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。图3.11(a)为16邵阳学院毕业设计(论文)LED数码管的外形和引脚图,其中?只发光二极管分别对应ag笔段,构成“8”字形,另只发光二极管Dp作为小数点,因此这种LED显示器称为段数码管阳。e d com c Dp(a)外形图(b供阴极结构(分共阳极结构图3.11七段LED显示器的结构原理LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴极型和共阳极型两大类:共阴极 型是将各段发光二极管的负极连在起,作为公共端COM接地,ag、Dp各笔段 接控制端,某笔段接高电平时发光,低电平时不发光,控制某几段笔段发光,就能显 示出某个数码或字符,。如图3.11(b)显示。共阳极型是将各段发光二极管的正极连 在起,作为公共端COM,某笔段接低电平发光,高电平时不发光,如图3.11(c)所示。本设计选川的是共阳极LED数码管闘。LED数码管按其外形尺寸有多种形式,使川较多的是0.5英寸和0.8英寸;按 显示颜色也有多种,主要有红色和绿色;按亮度强弱可分为超亮、高亮和普亮。为了 能更清晰的显示反应水的温度,本设计选川五位0.8英寸的高亮红色LED数码管显 小温度LED数码管的使用与发光二极管相同,根据其材料不同,正向降压一般为 1.52V,额定电流为10mA,最大电流为40mA。静态显示时取10mA为宜,动 态扫描显示,可加大脉冲电流,但一般不超过40mA。因此设计中要接入8个200Q 的分压电阻。17基于单片机的饮水机温度控制系统的设计4系统软件设计系统的软件由三大模块组成:主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。4.1 主程序模块在主程序中首先给定PID算法的参数值,然后通过循环显示当前温度,并且设 定键盘外部中断为最高优先级,以便能实时响应键盘处理;软件设定定时器TO为5 秒定时,在无键盘响应时每隔5秒响应一次,以川来采集温度信号;设定定时器T1 为嵌套在TO之中的定时中断,初值由PID算法子程序提供。主程序流程图如图4.1 所示在主程序中必须分配好每一部分子程序的起始地址,形式如下,。子程序起始地址如下ORG 0000H18邵阳学院毕业设计(论文)AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INTO ORG 000BH AJMP TTO ORG 001BH AJMP TT14.2 运算控制模块(1)在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为:比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近100多年历史,它以 其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被 控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技 术难以采川时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应川 PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解个系统和被控对象,或不能通过有 效的测量手段来获得系统参数时,最适合川PID控制技术。PID控制,实际中也有 PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控 制量进行控制的网。比例(P)控制比例控制是种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关 系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分控制在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控 制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称 有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决 于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会 随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进步减小,直到等于 零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分(D)控制在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关 系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至