多点温度测量控制

1、摘 要温度是工业生产和日常生活中最常见的参数之一，对温度的精确测量和控制具有重要意义。为此，本文以AT89S51单片机为处理核心进行了多点温度监控系统的下位机设计，详细阐述了系统的硬件及软件设计方法。该设计使用DS18B20数字式温度传感器进行多点测温，通过RS232串口实现单片机与PC机之间的数据交换，实现各温度点的实时测温及根据上位机的温度设定值完成对其中一点温度的控制。此系统具有测温电路简单、连接方便、转换速度快、为上位机监控部分可实时传送温度信号、控制精度高等优点，因此，具有较广泛的应用前景。关键词： AT89S51；多点温度测量控制；DS18B20；RS232AbstractTemp

2、erature is one of the most familiar parameters in the industrial production and daily life. Therefore, this paper designs the under-bit machine of multi-point temperature monitoring system with the 89S51 SCM as the processing core. It elaborates hardware and software design method in detail. The sys

3、tem uses the DS18B20 digital temperature sensor to measure multi-point temperature. Through the RS232 serial port it can exchange data between the SCM and PC. Each point of temperature can be measured on time and one point of it can be controlled according to the temperature settings transmittd by u

4、p-bit machine. Based on the advantages that this system has the simple temperature measurement circuit, the convenient connection, the quick change speed, the real-time transmission of temperature signals for up-bit machine, the high precision control , therefore, it will have very good application

5、value. Keywords: AT89S51; multi-point temperature measure and control; DS18B20; RS232目 录第1章 绪论11.1课题背景11.2 多点温度测控系统的发展现状31.3论文内容与安排6第2章 系统的方案论证与可行性分析82.1 任务分析82.2 硬件总体方案设计82.3 软件总体方案设计102.4 系统方案可行性分析11第3章 多点温度测控系统硬件系统设计133.1 温度传感器DS18B20133.1.1 DS18B20的结构133.1.2 DS18B20的主要特点143.1.3 DS18B20的测温原理153.2

6、 单片机最小系统设计153.3 多点测量电路设计173.4 控制电路的设计193.4 电平转换和串口通信电路的设计203.4.1 电平转换203.4.2 串口通信21第4章 多点温度测控系统的软件方案设计224.1 读序列号子程序的设计224.2 温度转换子程序的设计234.3 温度读取子程序的设计244.4 串口通信子程序的设计254.5 控制部分子程序的设计26第5章 系统调试275.1 硬件部分调试275.2 软件部分调试285.3 系统联调29结论32社会经济效益分析34参考文献35致 谢37附录 电路原理图38附录 读取DS18B20序列号程序清单39附录 温度测控程序清单43附录

7、元器件清单55第1章 绪论温度在现代社会中成为一个很重要的物理量，人们可以根据温度来调节个人的生活行为，气象工作者可以根据温度变化范围来提供可靠的天气预报。在工农业生产中，人们根据温度值来调节生产过程。因此，准确的温度测量和控制在现代化的社会生产中具有重要的研究意义。1.1课题背景现代社会中，温度控制的应用越来越多。温度是与人们的生产生活密切相关的一个物理 ,因此产生了各种各样的温度测方法，在工业领域内 ,对温度的测控十分广泛。在很多工业应用的场合下，环境非常恶劣，人工直接操作仪表很不现实 ,采用有线数据通信的方式也有限制，在数据记录上也需要人工抄写，因此需要一种无线隔离的操作方式。而在实际温

8、控过程中既要求系统的稳定性,又要求快速性。下面仅就在社会生产和生活中用处比较广泛的几处应用加以阐释。 1.在电子设备设计中，为防止系统损坏或性能降低，大都安装了用于监视危险温度的传感器，在多个热点的系统中需要进行多点温度测量。微处理器（CPU）和数字信号处理器（DSP）为高速芯片，可能产生过热即危险温度。另外一个热源是安装在机箱后部散热器上的功率器件。风扇是用来散热的，但它的长时间运转也会造成过热。在每一处都有放置一个温度传感器可以单独监视每一处温度，任一处温度超出了安全范围，系统就可以通过减低时钟速度或关掉系统电源等手段防止发生问题。2.建筑节能是世界建筑技术发展的大趋势， 我国目前在该领域

9、的技术还是相当落后。使用一种基于总线的和一线制数字的温度传感器测控系统 ,可以应用在建筑暖通空调系统中,既能最大限度地达到节能的目的,又能很好地满足人们对室内热环境智能化的要求。单总线数字式温度传感器有着独特的单总线接口,可以在一条线上接多个传感器 ,从而克服了模拟温度传感器与微机接口时的灯转换等缺点。它具有测温精度高、抗干扰能力强 、成本低、体积小等特点。其具有良好的通用性,可以解决建筑的温度测控问题 ,并利用总线的特殊优势解决了远距离多点测量问题 ,网络传输实时性好。3.金属粉末注射成型技术 (Metal Injection Molding) 是近年来粉末冶金学科和工业中发展比较突出的领域

10、。其基本工艺过程是：将微细的金属或陶瓷粉末与有机黏结剂均匀混合成为具有流变性的物质，采用先进的注射机注入具有零件形状的模腔形成坯件，采用新技术脱除黏结剂，并经过烧结使其高度质密成为制品，必要时还可以进行后处理。因此，温度控制精度的高低直接影响到产品的质量及使用寿命，研究和设计高性能的温度控制系统具有非常重要的意义。使用数字式DS18B20温度测控系统不仅可以应用到连续烧结炉的多点温度控制，还可以应用到其他工业对象的温度控制，比如冶炼高炉，工业窑炉等；而且成本低，可靠性高。4.某大型飞机洞库线道长 ,环境复杂 ,由于其存储有重要的军事物资 ,对其温度、湿度、油分子浓度、火警等信号进行综合监测是一

11、项重要的任务。使用温度监控系统采取了微机与现场总线技术 ,不但节省了布线费用 ,而且由于布线简单 ,降低了系统巡检的故障率 ,提高了其精度及可靠性。多点温度综合监测与报警系统经某飞机洞库使用证明 ,其布线简单 ,提高了系统抗干扰能力 ,使用成本比购买传统的单个温度表及需长距布线节省数万元 ,且便于更新换代 ,实现了数据的远距传输与信息化管理。5.为满足日益增长的蔬菜市场需求，提高人民的生活水平，现代农业生产中大量采用温室进行蔬菜等农作物培育。其中温度监测是控制农作物生长的关键因素，由于不同温室中的农作物生长所需要的温度不同且要求稳定在一定的温度范围内。仅仅是依靠人工管理存在温度调节不及时、不准

12、确，影响作物生长及人力资源浪费等问题。温室智能温度控制系统采用基于DS18B20和LPC2132，具有多点温度监测控制、对异常情况进行记录并可调用历史数据进行分析的优点，能满足作为温室温度监测控制系统要求。并且采用的单总线温度传感器DS18B20可以直接输出数字量，不需要A/D转换，与微处理器容易接口，能够有效的解决硬件电路复杂，软件调试复杂的问题。 1.2 多点温度测控系统的发展现状在人类的生活环境中,温度扮演着极其重要的角色。无论人们生活在哪里,从事什么工作,无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来,工业发展和是否能控制温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等

13、行业,绝大多数的工农业领域都不得不考虑温度的因素。温度对于工业如此重要,由此推进了温度测控系统的发展。温度测量早期依靠简单的物理式热胀冷缩来实现,它所能够测量的温度精确度是有限的。后来，人们发明的各种各样的温度测量装置。为保证生产、生活的质量，温度的精确控制是必要条件。因此，温度控制仪器的开发和应用也具有十分重要的意义。目前，常用的几种温度控制仪器有： 1.电接点温度表温度控制电接点温度表的检测部分与指示部分合为一体, 利用此表构成的温度控制系统的框图如图1.1所示。设定温度电接点温度表电加热器图1.1 采用电接点温度表构成的温度控制系统框图将电接点温度表直接安装在需要控温的装置中, 它既能检

14、测装置中的实际温度, 又能显示其温度。2.位式温度显示调节仪温度控制温度显示调节仪的测温元件与显示部分是分开的, 用此仪表控制温度不仅可以远距离观察加热装置的温度, 而且控温精度较高。温度显示调节仪有指针式和数字式两种。数字式与指针式温度仪表相比, 具有观察方便、读数清晰、无视差、精度高、可靠性好、稳定性强及抗震性好等优点, 因而得到了较广泛的应用。温度显示调节仪根据调节形式不同, 又可分为二位式、三位式、PID 式等多种类型。由位式温度显示调节仪构成的温度控制系统框图如图1.2所示。设定温度位式温度显示调节仪测温元件电加热器图1.2 采用二位式温度显示调节仪构成的温度控制系统框图将测温元件（

15、热电阻或热电偶）安放在需要控温的装置中, 而将位式温度显示调节仪安装在电气控制台面上。测温元件将检测的实际温度信号输入温度仪表, 此信号与表内已设定好的控制值进行比较, 温度仪表输出继电器触点信号, 以控制加热器工作, 从而达到控制温度的目的。由三位式温度显示调节仪组成的控制电路原理图如图1.3所示, 其中, TH、TL 分别为温度表的上、下限常闭触点。此电路的控温原理与电接点温度表控温电路基本相同。图1.3 采用三位式温度显示调节仪构成的温度控制系统原理图在控温系统工作之前, 首先要进行温度设定。通过调整电接点温度表上的温度设定钮, 将表上的设定指针调到所需控制的温度范围。控制范围在表的指示

16、范围内根据需要可任意设定。温度控制原理是: 接通选择开关, 当加热装置内的温度低于温度表设定的下限值时, 电接点温度表的下限常闭触点闭合, 电加热器开始加热。当装置内的实际温度上升到等于温度表设定下限时, 触点断开，但由于接触器的常开触点闭合自锁, 加热器仍然加热, 温度继续上升, 当装置内的温度达到温度表设定上限值时, 上限常开触点闭合, 中间继电器的常闭触点断开, 加热器断电, 停止加热。当装置内的温度下降而低于上限值时, 加热器仍不能加热。当温度下降到低于温度表设定下限值时, 加热器才又开始加热, 这样如此循环即可实现区间温度控制。采用电接点温度表控制温度, 方法简单, 所用部件少, 成

17、本低, 但由于此表的测温元件与指示表盘合在一起, 给观察加热装置的实际温度带来不便, 另外电接点温度表有惯性, 控温误差较大。因此, 这种方法常用在对温度控制要求不高的场合。3.PID连续电流输出温度显示调节仪温度控制利用此温度仪表构成的控温系统框图如图1.4所示。PID 温度显示调节仪具有比例(P)、积分(I)、微分(D) 调节规律。比例动作能实现没有振荡的平滑控制, 积分动作能进行自动修正偏移, 微分动作能对干扰进行快速响应。因此这种调节方式既能快速进行调节, 又能消除静差, 还可以根据偏差的变化及方向进行超前调节。若P%（比例带）、I（积分时间）、D（微分时间）这3个参数合理选择,可实现

18、理想的调节质量。控温原理如下: 通过测温元件（热电阻或热电偶）检测到的实际温度与PID 仪表已设定好的控制温度进行比较, 使PID 仪表输出具有P、I、D 调节规律的直流电流（010mA 或420mA）信号, 供给可控硅电压调整器, 调整器输出的脉冲信号控制可控硅导通角的大小, 以改变电加热器的加热功率, 从而使控温装置的实际温度与温度仪表设定值基本一致。另外, 图1.4 所示控温系统中的PID温度显示调节仪和可控硅电压调整器也可以用具有二者功能为一体的仪表来代替。一体化仪表直接输出脉冲信号控制可控硅, 对控温装置的温度进行控制, 它具有体积小、使用方便的特点。这种温度控制系统反应灵敏、控温精

19、度高, 并且若用可控硅元件取代接触器, 消除了机械触点, 会使控制系统的寿命更长, 可靠性更高。此法适用于对控温要求较高的场合。设定温度测温元件PID温度显示调节仪可控硅电压调整器可控硅元件电加热器 图1.4 采用PID连续电流输出温度显示调节仪构成的温度控制系统框图4.电压输出温度显示调节仪温度控制电压输出温度显示调节仪和固态继电器构成的温度控制系统如图1.5所示, 图中加热器为单相的。温度仪直接驱动一支固态继电器(SSR) , 便可进行大容量的控制。当加热器为三相时, 仪表的输出驱动3只固态继电器, 固态继电器输入端可串联或并联, 而加热器可接成三角型或星型, 另外还要加上相配套的散热器进

20、行散热。这种控温系统适用于电加热器的容量较大时的场合。 图1.5 采用电压输出的温度显示调节仪构成的温度控制系统框图现代社会中，人们对控制的要求更加严格，需要控制系统朝着快、准、稳的方向发展。许多新测量设备的性能指标放在以前，简直是不敢想象的。温度测量方法的发展和技术的创新，使得人们对温度的测量更加准确和方便。在社会生产许多场合，只有对温度的精确的测量，才能保证精确的控制。多点温度测控系统未来的发展前景十分广阔，温度测控技术的发展趋势随着传感技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，计算机的应用将由简单的以数据采集处理和监测，逐步转向以知识处理和应用为主。除了硬件控制设备的不断完善，软件系统的

21、研制开发也将不断深入完善，其中主要以专家系统为代表的智能管理系统已取得了不少研究成果。近些年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在温度测控领域得到了不同程度的应用。此外，神经网络方法采用黑箱方法能把复杂的系统通过有限的参数进行表达，但神经网络方法也存在着明显的缺陷，即需要大量的历史资料，否则在进行外推和演绎时可靠性明显降低。随着网络通讯技术的发展，地区之间甚至跨国之间可以通过互联网进行远程控制和管理。我国土地辽阔，气候复杂，工农业生产发达，但是整体水平较低，利用现代化网络技术进行在线和离线温度测控服务，从长远看是未来的发展趋势所在。1.3论文内容与安排本论文共分6章。第1章绪论，介绍多

22、点温度测控系统的背景和发展现状。第2章针对该课题的任务进行具体方案论证和可行性分析，包括硬件方案和软件方案的设计和分析。第3章介绍数字温度传感器DS18B20测温的硬件系统电路设计。包括单片机最小系统、多点测量电路部分、控制电路、电平转换电路和串口通信电路等。第4章阐述了多点测温系统的软件设计，包括读序列号子程序、温度转换子程序、温度读取子程序、串口通信子程序、温度控制等。第5章介绍软硬件调试的步骤和故障分析，最后得出结论并作社会经济效应分析。第2章 系统的方案论证与可行性分析通过第一章的介绍，对温度测量，温度控制已经有了一定的了解，本次设计的温度测控系统是对温度测量和控制的结合。下面将根据温

23、度测控系统的特点和功能具体介绍温度测控系统的硬件和软件的总体设计方案，硬件总体设计方案介绍了组成测控系统的各部分电路，以及各部分电路的主要功能。软件总体设计方案介绍了总体设计的流程图以及各部分功能模块的设计思想。最后，对方案的技术可行性进行了论证分析。 2.1 任务分析毕业设计的任务分析如下：1.掌握数字温度传感器DS18B20测温的基本原理；2.设计基于DS18B20的多点温度测量系统的硬件电路；3.学习并应用单片机设计编写温度测量系统的温度采集、数据处理和串口通信、温度控制等汇编程序。从上述的分析可知本次设计是设计一个基于DS18B20的多点温度测量系统，主要包括硬件电路设计和软件程序设计

24、。按照系统设计功能的要求，可以确定设计系统由单片机、测温电路、控制电路、电平转换电路组成，系统硬件的单片机使用AT89S51单片机，温度传感器使用美国DALLAS公司最新推出的DS18B20数字式温度传感器。采用DS18B20可使测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少、转换速度快、与微处理器的接口简单。对于软件设计，为进行数据处理和控制功能，采用模块化设计方法，用51系列单片机汇编语言设计相应的子程序，完成数据采集、处理、传送等功能。在满足需求条件下，为控制两点测温过程而设计的软件和硬件，要达到软硬件相结合,智能化设计的目的，硬件电路是系统的结构框架，是软件的载体，软件是系统的内核，通

25、过硬件来进行具体操作，因此软硬件相互配合，共同完成各种功能。2.2 硬件总体方案设计经过任务分析，具体的硬件方案设计如下：本设计中以DS18B20为传感器、AT89S51单片机为控制核心组成的接口电路图如图2.1所示。用2只DS18B20同时测量2路温度（视实际需要还可扩展通道数）。AT89S51单片机P3.3口接单线总线。 图2.1 系统硬件结构框图该方案主要包括以下几大部分：1.单片机最小系统单片机最小系统包括单片机芯片，时钟电路和复位电路。时钟电路用于产生单片机工作时所必须的时钟信号。AT89S51单片机的内部电路在时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作；复位操作是单片机的初始化操

26、作，只需给单片机的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可以使单片机复位。2.测温部分本部分采用DS18B20和AT89S51单片机的单总线结构，主CPU经过单线接口访问DS18B20的主要工作流程为：对DS18B20进行初始化 ，ROM操作命令，温度转换和温度读取，数据处理等操作命令。主CPU对ROM操作完毕，即发出控制操作命令，使DS18B20完成温度测量并将测量结果存入高速暂存器中，然后读出此结果。3.控制电路部分该部分通过单片机的P口输出的高低电平来控制加热电阻的通断，当P口输出低电平时，加热电阻通电，周围的温度缓慢升高，DS18B20测得的温度值也升高；当P口输出高电平时，加热

27、电路断开，温度回落。4.电平转换与串口通信部分由于单片机的TTL电平与计算机要求的232电平并不兼容，故使用MAX232芯片对电平进行转换，转换后的电平通过串口与计算机进行串口通信。2.3 软件总体方案设计测温系统的硬件电路确定之后，测温系统的主要功能将依赖于软件来实现。研制一个复杂的测控系统，软件研制的工作量往往大于硬件。 本系统的主要软件思想是这样的：下位机软件主要是完成与上位机的串口通讯，接受监控系统的指令，实现多路温度数据采集和实时上传数据。下位机的程序采用串口查询的方式，从而能够实现上位机指令对单片机的实时控制，节省CPU的资源。此测控系统的下位机程序部分功能的实现是由上位机进行控制

28、。当单片机上电后，开始对整个下位机系统初始化，设置定时器和串口工作方式。然后单片机便总是处于等待状态，直到上位机发送控制指令给单片机后，单片机进入接受命令程序。上位机发给单片机的第一个指令是06H，这条指令的作用是测试串口通信。当单片机接收到数据后便回复数据FF，若上位机接收的数据为FF时，则表明串口通信成功，之后单片机又处于等待状态。上位机发送的测温命令为05，当单片机接收到该指令后，温度传感器开始进行测温，并且数据开始实时上传。在整个测量过程中，上位机对下位机发送温度控制的命令，设定一个温度值，下位机接收到该指令后，将温度传感器内存单元中的数据与该指令进行比较，若不相等，便进入温度控制部分

29、。系统操作的总体流程图如图2.2所示。初始化开始查询接收指令是05H指令吗？是08H指令吗？进入测温程序发送温度数据接收上位机温度指令温度控制子程序YNYN图2.2 软件总体流程图2.4 系统方案可行性分析本文所设计的是基于232网络的温度测控系统。RS232总线具有抗干扰能力强，传输距离远、有较强的级连能力的特点。其成本低廉，在工业控制领域得到广泛应用。系统采用的器件都是非常普遍的器件，大多数已经批量生产，并且价格也十分低廉，如AT89S51单片机、MAX232芯片、DS18B20数字式温度传感器等。这就意味着所选择使用的器件功能比较强大、稳定，尤其是本次设计的核心元件AT89S51单片机，

30、功能强大，软件配合度高。系统的硬件电路简单，易于制作，价格低廉，硬件的实现具有可行性。由于设计中着重考虑了硬件电路的简单性，故尽可能做到了减少硬件电路的复杂性，节省线路板的空间，达到了硬件电路优化设计效果。软件采用了应用广泛的汇编语言编写和模块化设计思想，程序可读性强，便于系统的改进和升级，灵活性和适应性强。该设计可用于多点温度监控，可应用于多种工农业监控场合。通过以上的分析可以知道，本次设计所采用的软件和硬件条件都趋于合理，系统的实现是可行的。第3章 多点温度测控系统硬件系统设计本系统需要焊接硬件电路。硬件电路作为整个系统运行的必要框架，是软件正常运行的结构基础，离开了硬件架构，整个系统需要

31、实现的功能就无从谈起。本章内容首先介绍数字式温度传感器，说明了传感器的使用特点，以及它的工作原理及主要特点。其次分别介绍了系统的整体硬件模块，主要包括以下几个模块：单片机最小系统、DS18B20与单片机接口电路、控制电路、电平转换和串口通信电路。3.1 温度传感器DS18B20DS18B20是美国DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单总线数字温度传感器。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。3.1.1 DS18B20的结构DS18B20主要由寄生电源、温度传感器、64位串行ROM单线接口、存储中间数据的

32、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位循环冗余检验码(CRC)发生器部分。DS18B20管脚排列如图3.1所示。图3.1 DS18B20的引脚图本设计使用的是三引脚的产品。其中，1号引脚接地，2号引脚接数据端，3号引脚接电源。3.1.2 DS18B20的主要特点数字型智能温度传感器有以下主要特点：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口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 3.DS18B20 支持多点组网功能

33、，多个 DS18B20 可以并联在唯一的单总线上，实现组网多点测温 。4.DS18B20 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 。5.温范围55125，在-10+85时精度为0.5 。6.温度分辨力可编程。DS18B20的数字温度输出可进行912位编程。在实际应用时，需要在分辨力与转换时间两者之间权衡考虑。当DS18B20工作在12位分辨力时，温度与数字输出的对应关系见表3.1。7.测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”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 。表3.1 DS18B20输出数据与温度的对应关系

34、温度/数字输出（二进制）数字输出（十六进制）+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0001 1010 001000A2H+0.50000 0001 1010 10000008H00000 0000 0000 00000000H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0101 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H8.测量结果直接输出数字温度信号，

35、以“一线总线”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 。3.1.3 DS18B20的测温原理用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55的一个值。如果计数器在门周期结束前达到0，则温度寄存器（同样被预置到-55）的值增加，表明所测量的温度大于-55。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测

36、温时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器得值和每一度的计数值。温度测量电路的方框图如图3.2所示。 加1斜坡累加器预置计数器1低温度系数晶振计数比较器器=0预置温度寄存器计数器2=0高温度系数晶振停止置位/清除图3.2 DS18B20温度测量原理图3.2 单片机最小系统设计本设计使用的是美国ATMEL公司的AT89S51单片机，该型号单片机功能强大，价格低廉，可以灵活应用于各种控制领域。其引脚如图3.3所示。图3.3 AT89S51管脚图单片机系统是本温度测控系统的核心部件，包括时钟电路和复位电路

37、的设计。时钟电路采用的是内部方式时钟电路（如图3.4所示）。89S51要形成时钟信号，必须外接元件。用外接11.0592 MHz晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在反馈回路中，电容C1和C2的值选择为30pF。图3.4 单片机内部方式时钟电路图本系统的复位电路是采用按钮复位的电路，如图3.5所示，是常用复位电路之一。当AT89S51单片机的ALE及PSEN两引脚输出高电平，RET引脚高电平到时，单片机复位。RET/VPD端的高电平直接由上电瞬间产生则为上电复位。若通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。上电时，刚接通电源，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RET/VPD端，该高电平使8

38、9S51全机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮即可。按下按钮，则直接把+5V加到了RET/VPD端从而复位称为手动复位。复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器状态不确定。图3.5 单片机复位电路原理图由单片机以及时钟电路和复位电路构成了单片机的最小系统，最小系统的电路图如图3.6所示。图3.6 单片机最小系统电路图3.3 多点测量电路设计本部分的设计主要有两个方面：读序列号电路部分的设计和挂接两个DS18B20进行温度测量时的电路设计。1.读序列号电路的设计新买来的DS18B20温度传感器一般没有直接给出序列号，需要我

39、们另外设计读序列号的电路来读取其序列号。读序列号的电路示意图如图3.7所示。图3.7 读序列号电路设计图2.温度测量电路的设计每片DS18B20含有唯一的硅串行数，因此在一条总线上可挂接多个DS18B20芯片。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）。图3.8 温度测量电路设计图向 DS18B20 供电的方法是通过使用连接到 VDD 引脚的外接电源 ，如图 3.8所示。这种方法的优点是在 I/O 线上不要求强的上拉。总线上主机不需向上连接便在温度变换期间使线保持高电平。这就允许在变换时间内其它数据在单线上传送。此外， 在单线总线上可以放置多个DS18B2

40、0 ，而且如果它们都使用外部电源，可以同时完成温度变换。注意只要外部电源处于工作状态 ，GND（地）引脚不可悬空。该设计方式是 DS18B20 最佳的上电工作方式，其工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。在外接电源方式下，可以充分发挥 DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压 VCC 降到3V时，依然能够保证温度量精度。3.4 控制电路的设计控制电路是硬件电路部分中十分重要的一部分，这部分的功能是单片机输出口通过输出高低电平来控制继电器的开关通断，从而调节加热电阻丝被的温度，使之控制在设定温度值。在设计这部分电路时，选用下面的方案。该方案

41、所需的元器件主要有：1.电阻丝电阻丝是被控制的对象，被控制的温度就是电阻丝周围环境的温度。电阻丝的选择是主要要考虑稳定性，耐热性能，额定功率等。出于实验室资源以及各种电阻的特性，本设计采用了50欧姆电阻作为热源。2.晶体管晶体管是用来驱动继电器控制电路的通断，具有较大的电流放大系数及较高的输入阻抗。本设计中功率不大，因此采用普通NPN管。3.继电器主要作用是控制加热电路的通断。该方案的特点是：元器件简单、价格低、应用广泛。电路的搭接简单易行。实际操作时安全。由于电源电压很小，以致温度不会上升太高，故只能在被控制的温度不太高的情况下使用。由于本设计处于初级设计阶段，且控制温度不使太高，因此采用器

42、件较为简单、成本较低、易于实现的方案。该方案的设计图如图3.9所示。图3.9 控制电路的设计图3.4 电平转换和串口通信电路的设计3.4.1 电平转换单片机的PC机与单片机之间的通信通过RS232串口来实现，因为232电平与单片机输出的TTL电平不兼容，本系统通过MAX232E芯片实现TTL电平与RS232电平的转换，如图3.10所示。MAX232E芯片是包含两路接收器和驱动器的RS-232电平转换芯片，适用于各种232通信接口。芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成RS-232输出电平所需的10V电压。所以采用此芯片接口的串行通信系统只需要单一的+5V电源即可。图3.

43、10 电平转换及串口通信电路设计图3.4.2 串口通信 串行通信是计算机与外围设备之间进行信息交换的一种方式，是指数据一位一位的按顺序在一根信号线上进行传输的通信方式。串行通信有两种基本工作方式：异步传送和同步传送。在单片机中使用的串行通信都是异步方式，因此本系统中采用异步串行通信方式来实现单片机与PC之间的通信。异步串行通信是以字符为单位组成的帧传送的，即一帧一帧的传送。帧由发送端一帧一帧地发送，通过传输线被接收设备一帧一帧地接收。发送端何时开始发送和何时结束发送是由帧格式规定的。通信线上没有数据传送时为逻辑高电平，每当接收端检测到传输线上发送来的逻辑低电平（帧起始位）时就知道发送端已开始发

44、送，每当接收端接收到帧的停止时就知道一帧字符信息已发送完毕。在串行通信时，要求双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。RS-232C是美国电子工业EIA公布的串行通信标准，RS代表推荐，232是标识号，C表示修改的次数。RS-232C适用于短距离或带调制解器的通信场合，目前已广泛应用于计算机外围设备的串行异步通信接口中。RS-232C的机械特性主要指两个通信装置如何实现机械对接。RS-232C是数据终端设备DTE和数据通讯设备DCE之间的接口，RS-232C的机械标准规定DTE应配置DB25的插头，即25针连接器，DEC应配置DB25的插座，即25孔连接器。实际应用中，

45、DB25型连接器的许多信号用不上，对于一般的双工通信，仅需几条信号线就可以实现，包括一条发送线、一条接收线和一条地线。因此普遍采用DB9插头，即9针连接器。9针连接器与电平转换芯片之间的接线方法见图3.12。为使数据PC和单片机之间无差错地传送，本文采用协议来约定数据的传输。PC与单片机双方的通信协议约定如下：波特率：4800bps数据格式：8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。传送方式：单片机采用查询法向PC发送数据，传送的数据格式为二进制格式。DS18B20转换出的温度信息包含两个字节，经过处理后，一个字节为温度的整数部分，另一个字节为温度的小数部分。每个DS1820共传送二个字节，第一个字

46、节是温度整数部分，第二个字节是温度小数部分。第4章 多点温度测控系统的软件方案设计多点测温电路的硬件电路确定之后，测控系统的主要功能将依赖于软件实现。软件的设计应遵循结构化设计原则，在总体概况设计的基础上进行具体的详细设计，功能分解，模块划分，细化软件层次，优化软件结构，以达到模块功能的独立性，执行的高效性。总之，设计的程序应该达到可读性，可理解性，可维护性，有效性，可修改性。该多点测温系统程序主要包括以下几个模块：读序列号子程序、温度转换子程序、温度读取子程序、串口通信子程序、温度控制子程序等。4.1 读序列号子程序的设计在温度测控系统中，若使用单点测温，则只需要将DS18B20温度传感器按

47、照电路图与单片机及其它外围器件连接好即可以直接进行软件程序的设计。而在多点测温系统中，因为单总线上挂载多个DS18B20，需要对这些DS18B20进行身份验证和识别其各自的序列号码，这就需要先读取每个DS18B20的序列号。开始在3.3节中，给出了读序列号的电路原理图，下面给出如何读取DS18B20的序列号的软件框图，如图4.1所示。 初始化 发送读序列码命令调用写子程序调用读子程序结束 图4.1 读序列号子程序4.2 温度转换子程序的设计主程序进入温度转换单元后,先对数据口拉高,释放总线,然后调用延时模块。BCD: LCALL INIT_1820 JB FLAG1,S22 LJMP BCD上

48、面语句表示检测DS18B20是否存在,若不存在则继续等待。MOV A,#0CCH检测到DS18B20存在后，发跳过ROM匹配命令。MOV A,#44H发出温度转换命令，温度开始转换。温度转换的流程图如图4.2所示。开始初始化跳过ROM匹配调用写子程序发温度转换命令调用写子程序返回图4.2 温度转换子程序流程图4.3 温度读取子程序的设计该部分对两个DS18B20温度传感器分别进行操作，两个温度传感器的操作流程是一样的。对DS18B20进行初始化操作，检测DS18B20是否存在。GET_1: LCALL INIT_1820 JB FLAG1,ABC LJMP GET_1检测到DS18B20存在后

49、，对其进行ROM匹配，查表写入其序列号。接着发出温度转换命令，传感器进行温度转换。该部分的程序流程图如图4.3所示。开始初始化ROM匹配调用写子程序写入序列号发送温度转换命令调用写子程序调用读子程序返回 图4.3 温度读取子程序流程图4.4 串口通信子程序的设计先对下位机进行初始化。单片机采用查询的方式接收指令，波特率用软件进行设置，定时器1在工作方式2下产生4800Kbps的波特率，然后定时器工作，进入查询。START: MOV SP,#40H ;设定堆叠区 MOV SCON,#50H ;设定串列埠为 MODE1 MOV TMOD,#20H ;设定计时器1为模式2 MOV PCON,#80H

50、 ;SMOD=1,波特率为2倍 MOV TH1,#0F4H ;设定波特率为4800 MOV TL1,#0F4H SETB TR1 ; 计时器开始计时1.数据的接收下位机接收采用查询方式，当下位机接到数据后，接收中断标志位RI置1。不断查询RI是否置1，一旦发现RI置1后就将串行数据缓存器SBUF读出，再把接收中断标志位RI清0。RE: MOV C, RI JNC RE ；查询是否置1 MOV A, SBUF ；读出数据 CLR RI ；清零2.数据的发送本系统采用的是单点采集，即单片机采集一个数据便保存起来，待全部采集完后存放在指定存储单元中，通过串口发送给上位机。发送结束后清发送标志位。MO

51、V A, R0MOV SBUF,A ；送发送缓冲区WAIT1: JNB TI,WAIT1 ；等待发送完成CLR TI ；发送标志位清0RET4.5 控制部分子程序的设计本部分主要实现的功能是将DS18B20传感器测的温度数据与设定的温度值进行比较，当测量数据比设定温度值小时，对单片机P2.1控制口输出低电平，控制继电器的闭合，从而导通加热电阻加热；反之，对加热电阻停止加热，使温度回落。子程序的系统框图如图4.4所示。开始初始化YN测量温度值设定值？输出口置1输出口置0图4.4 控制部分流程图第5章 系统调试AT89S51单片机功能虽然很强，但只是一个芯片，本身无自开发能力，必须借助一定的开发系

52、统来开发软件和对硬件电路进行诊断、调试。本设计使用的仿真系统是伟福开发系统，对所设计的测控系统进行仿真。该仿真系统可以对用户样机硬件电路进行诊断与检查，具有程序的输入与修改，运行、调试、排错等功能，而且具有较全的开发软件，支持多种语言进行软件开发。5.1 硬件部分调试 按照电路图焊接好电路板后，就需要对硬件电路进行调试了，我焊接的硬件电路板如图5.1所示。 图5.1 焊接完成后的电路板硬件部分的调试主要是对照设计的电路图，利用万用表来检测各个引脚之间有没有虚焊，硬件板上各个相邻引脚之间有没有短路。1.系统板焊接完后，测试单片机各个功能管脚，当测到(RESET)脚时，发现不复位时，此脚的电压也为

53、高电平。原因及解决方法：复位电路中有一些地方焊接得不对。解决方法：把复位电路中的错误地方拆下来，再按照正确的方式焊接上。2.单片机复位电路中，经查，22uF电容的两个引脚发生短路，导致复位电路失效。经重新焊接，使该部分功能恢复正常。3.温度控制电路的调试在调试温度控制电路时，由于控制比较复杂，所以采用先用面板上进行插接，通过给一个高电平到控制电路输入，看是否能控制继电器的通断以至控制加热电路的通断。在面板上调试成功后再焊接到电路板上。调试的目的是排除硬件和软件的故障，使研制的样机符合预定设计目标，下面就调试过程中遇到的问题及其解决方法作以下叙述。 4.加热后温度上升很缓慢原因分析：在设计控制电

54、路时，采用普通的电阻作为热源，控制DS18B20周围的温度，但是由于电阻选择不是很到位，产生的热量太小。解决办法：用热敏电阻加热，并且把DS18B20靠近其一些，相对温度控制能好些。5.控制电路不能正常工作，不能实现控制温度的作用。使用万用表对电路进行检查，发现三极管不能承受太大的电压，已经被烧坏。解决方法：在连接控制电路时，在三极管与单片机数据口之间加入电阻，进行分压，防止烧坏单片机。6.单片机最小系统不能正常工作，全部接好后，从单片机ALE口不能输出方波信号。经过分析发现有很多原因都可能导致这个问题，可能的情况有：电路接线焊接不对、有虚焊点、元器件已经烧坏等。解决方法：首先，察看了电路焊接是否正确，经过与电路的仔细对照，发现电路没有问题，接着，利用万用表察看是否有虚焊点，在测量之后，发现有一个点没有焊接牢固，改正之后，电路工作正常。7.焊接好温度传