数字温度控制器的设计

1、数字式智能温度控制器的研究（修改稿）王任远，沈占彬(平顶山工业职业技术学院, 河南 平顶山 467001 )摘要：系统采用低功耗单片机MCS80C51进行检测与控制，选用DS1820数字式传感器对温度进行采样和转换，通过执行机构对温度进行调节控制，实现了传感器与单片机和可控硅的有机结合，增强了电路的可靠性，提高了测温精度。关键词：单片机；传感器；温度调控；软硬件设计Research on the Digital and Intelligent Temperature ControllerWANG Ren-yuan,SHEN Zhan-bin(Pingdingshan Industrial Co

2、llage of Technology，Pingdingshan，Henan 467001)Abstract:This system is a thermometric system of high accuracy and low consumed power ,it uses the low consumed power single chip micro computer MCS80C51 to carry on the examination and control and uses the digital sensor of DS1820 to take temperature sa

3、mple and change the temperature.Its operator can adjust the temperature which showed on the indicatorKey words:Single chip micro computer;sensor;temperature control;soft and hardware design0 引言在温度测控领域，采用常规的测量方法，当检测精度要求较高时，调理电路复杂、A/D的转换位数增高，使系统的成本居高不下，很难普及。随着电子技术的发展，出现了很多功能完备的低功耗、低电压大规模集成电路，为设计高精度测控系

4、统提供了硬件基础。本系统采用了低功耗测试设备单片机MCS80C51进行检测与控制，用DS1820对温度进行采样和转换，执行机构完成对温度的控制，系统的测温精度达到0.1。1 系统原理对温度进行实时检测与控制，首先，温度传感器DS1820对温度进行采样和转换，将测量结果送给单片机，单片机将输入的温度值与内部指定单元的给定温度值T进行比较，根据比较结果，通过执行机构可控硅对加热源的开断状态进行控制。由于水的惯性大，在控温过程中采用了开关控制。当然，本系统也可采用经典的FID控制算法实现上述功能。系统原理方框图如图1所示。图1 DS1820测温原理框图Fig.1 The DS1820 square

5、frame diagram of the system principle2 硬件系统2.1主电路设计根据控制要求，确定了器件和系统电路的组成。系统主电路如图2所示。图2 系统原理图Fig.2 System principle diagram系统以高性能/价格比的80C51为核心，采用新型单片数字温度传感器DS1820来测量温度，双向可控硅驱动电路MOC3041和双向可控硅TLC336A（图中T1）组成输出控制通道。此外，还有键盘/显示电路、报警输出电路等，系统结构紧凑，性能稳定。2.2输入/出通道及其接口电路2.2.1输入通道采用了新型数字温度传感器DS1820，在对其测温原理进行详细分析的

6、基础上，提出了提高DS1820测量精度的方法，使DS1820的测量精度由0.5提高到0.1以上，取得了良好的测温效果。DS1820是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。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。 DS1820测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用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变，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55所对应的一个基数值。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

7、1的预置值减到0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，其输出用于修正计数器1的预置值。图3 DS1820测温原理框图Fig.3 The DS1820 to measure temperature principle frame diagram在正常测温情况下，DS1820的测温分辩率为0.5以9位数据格式表示，其中最低有效位（LSB）由比较器进行0.25比较，当计数器1中的余值转

8、化成温度后低于0.25时，清除温度寄存器的最低位（LSB），当计数器1中的余值转化成温度后高于0.25，置位温度寄存器的最低位（LSB）。 DS1820正常使用时的测温分辨率为0.5，在对DS1820测温原理详细分析的基础上，采取直接读取DS1820内部暂存寄存器的方法，将DS1820的测温分辨率提高到0.10.01。表1 DS1820暂存寄存器分布Tab.1 The DS1820 SW chart寄存器内容字节地址温度最低数字位温度最高数字位高温限值低温限值保留保留计数剩余值每度计数值CRC校验012345678DS1820内部暂存寄存器的分布如表1所示，其中第7字节存放的是当温度寄存器停止

9、增值时计数器1的计数剩余值，第8字节存放的是每度所对应的计数值，这样，我们就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果。首先用DS1820提供的读暂存寄存器指令(BEH)读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位(LSB)，得到所测实际温度整数部分T整数，然后再用BEH指令读取计数器1的计数剩余值M剩余和每度计数值M每度，考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度T实际可用下式计算得到：T实际=(T整数0.25)+(M每度M剩余)/M每度表2 DS1820直读与计算测温结果数据比较Tab.2 The DS1820 direct

10、read the compare with calculation the measures result data次数T(直读) M(剩余) M(每度) T(实际)123456721.000 72 80 20.85034.000 42 82 34.23849.000 30 83 49.38852.000 66 84 51.96464.000 49 85 64.17479.000 56 87 79.10682.500 16 88 82.568表2为采用直接读取测温结果方法和采用计算方法得到的测温数据比较，通过比较可以看出，计算方法在DS1820测温中不仅是可行的，也可以大大的提高DS1820的

11、测温分辨率。2.2.2输出通道采用Motorola公司推出的单片集成可控硅驱动器件MOC3041来作为对输出的驱动和控制。有MOC3041组成的过零出发双向可控硅电路简单可靠，电路如图4所示。该部分的工作过程是：当单片机的P3.1口输出为低电平时，3041内部导通，G端出现同步触发脉冲，控制可控硅导通，打开加热器；当P3.1为高电平时，MOC3041内部截止，可控硅断开，关闭加热器。MOC3041芯片是一种集成的带有光耦合的双向可控硅驱动电路。它内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零触发电路等器件。它由输入和输出两部分组成。输入部分是一个砷化镓发光二极管，在515mA正向电流的作用下发出足够强

12、度的红外光去触发输出部分；输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器，在红外线的作用下，双向可控硅双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲，去控制执行机构外部的双向可控硅。图4：MOC3041和双向可控硅构成的输出通道Fig.4 The out passage diagram consist of the Moc3041 and double SCR3 软件系统软件系统包括主程序、键盘处理程序、显示子程序、温度设定子程序以及有关DS1820的程序（初始化子程序、写程序和读程序）等。限于篇幅，仅介绍主程序。主程序完成的功能：启动DS1820测量温度，将测量值与给定值比较，若TXTL，则进如加

13、热阶段，置P3.1为低电平。在该过程中继续对水温进行监测，当TXTH时，置P3.1为高电平，断开可控硅，关闭加热器，等待下一次的启动命令。系统主控程序工作流程如图5所示。开始初始化KEEP转换送显示调读温度子程序开放外中断送显示读TH,TLTXTLTXTHSTOPHOTHOTTINGYYNN图5 主程序流程图Fig.5 Main procedure flow chart4 系统功能4.1主要性能实时显示温度，系统精度为0.5。控制温度，默认的设定温度为上次设定温度。低于或等于下限温度时加热，高于或等于上限温度时保温，设定时上限比下限大2。用按键可随时修改上下限温度。通过报警器件输出报警。系统可

14、以手动或上电复位。复位时先自检，接着显示上次的设定温度值(上限值)。正常工作时显示温度值，状态灯显示当前系统状态。4.2键盘功能1号键:温度设定/确定设定；2号键:上档/显示设定温度；3号键:上升/下降；4号键:右移/左移。在没有按1号键的情况下按3、4号键无效。按1号键后为设定温度操作，当前设定位闪烁，按3号键为加减，4号键为移位。上档时3、4号键分别为上升、右移；反之为下降及左移。上档时标志灯亮，再次按1号键时为确定设定。在没有设定温度时，按2号键为显示所设定的温度；在设定时为上档/下档键，按奇次为上档，按偶次为下档。温度设定的范围是2125，分为三个区域，分别为:29, 1099和100125。当最高位为1时，第二位及第三位的最大值分别为2、5；当第一位及第二位都为0时，第三位的最低值为2。5 结语系统采用DS1820对温度进行测量与转换，并通过80C51单片机对温度进行比较，通过执行机构对加热源的通断状态进行控制，使测量温度达到了更为精确的地步，同时也为其它场合精密温度测量提供了极好的应用借鉴。总之，数字温度传感器实现了传感器与单片机和可控硅的完美组合，打破传统的设计模式，增强了电路的可靠性，提高了测温精度，且易于实现标度变换。参考文献：1 苏铁力.传感器及其接口技术M.北京：中国石化出版社出版发行,19