传感器温度控制器(共33页)

1、温度(wnd)监控系统 设计者： 1设计(shj)背景1.1设计目的(md)及意义随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件，温度传感器的作用日益突出，成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。本设计就是为了满足人们在生活生产中对温度测量系统方面的需求。（1）在学习了课程后，为了加深对理论知识的理解，学习理论知识在实际中的运用，培养动手能力和解决实际问题的经验。（2）通过实验提高对单片机的认识，提高软件调试能力。（3）进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理，通过课程设计，掌握以单片机核心

2、的电路设计的基本方法和技术。（4）通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术。（5）熟悉温度控制的工作原理，选择合适的元件，绘制系统电路原理图，运用单片机原理及其应用，进行软硬件系统的设计和调试，加深对单片机的了解和运用，进而提高自己的应用知识能力、设计能力和调试能力。1.2总体设计思路本设计以单片机为基础，温度监控系统大致上可以分为以下几个步骤：1.2.1系统分析过程（1）根据系统的目标，明确所采用温度监控系统的目的和任务。（2）确定系统所在的工作环境。（3）根据系统的工作要求，确定系统的基本功能和方案。1.2.2系统设计内容(1）构思设计温度监控系统的工作流程。（2）对要

3、求设计的系统进行功能需求分析，考虑多种设计方案，比较各方案的特点，并确定合理可行的方案，并设计相应的功能结构。（3）根据系统的控制要求，选择合适型号的芯片及元器件。(4)设计以单片机为核心的控制程序。(5)电路板及其结构的设计。(6)进行系统的调试，完成最终的设2总体设计方案设计2.1系统框图本设计为无线电控制电路，系统框图如下所示：图1-1系统框图2.2系统功能此设计以单片机为核心的温度监控系统，其功能是：平常状态下可以做温度计使用。当温度超过预设温度时二极管会闪烁报警，当温度降下时二极管则停止闪烁。电路设计及功能如下所述：本设计大体可分为三个部分，即温度采集，数码显示，报警电路。温度采集部

4、分利用DS18B20进行温度采集，感知温度，后数码显示出温度，若温度超过了预设温度报警电路则启亮发光二极管，闪烁。整体电路复位电路晶振电路报警电路单片机AT89C51温度传感器显示电路3系统(xtng)的软件结构设计3.1设计(shj)的流程图3.2系统部分程序设计(chn x sh j)及分析3.2.1复位子程序(1)主机将信号线置为低电平，时间为480-960uS。(2)主机将信号线置为高电平，时间为15-60uS。(3)DS18B20发出60-240uS的低电平作为应答信号，主机收到此信号才操作3.2.2读子程序(1)主机将信号线从高电平拉至低电平1uS以上，再升为高电平，产生读起始信号

5、。(2)从主机将信号线从高电平拉至低电平15-60uS的时间内，DS18B20将数据放到信号线上,完成1个读周期。(3)在开始另一个读周期前，必须有1uS以上的高电平恢复期。读子程序如下所示：unsignedcharduchu(void)unsignedchari,j,t=0,w=1;for(i=0;i1;s=0;_nop_();_nop_();s=1;for(j=10;j0;j-);if(s=1)t=t|0 x80;elset=t|0 x00;for(j=100;j0;j-);return(t);3.2.3写子程序(1)主机将信号线从高电平拉至低电平，产生写起始信号。(2)从信号线的下降沿开

6、始，在15-60uS的时间内，DS18B20对信号线检测，如高则写1，低则写0，完成1个写周期。(3)在开始另一个写周期前，必须有1uS以上的高电平恢复期。写子程序如下所示：unsignedcharxieru(unsignedcharo)chari,j;for(i=0;i0;j-);s=1;elses=0;for(j=2;j0;j-);s=1;for(j=33;j0;j-);o=o1;3.2.4其他程序本设计中除了上述三个子程序外，还涉及到显示程序，数据处理程序，中断程序和延时程序等，由于篇幅原因不作具体介绍.4结论通过这次毕业设计，提升了我的自学能力，通过不断的查阅资料，通过老师的不断讲解，

7、来解决其中遇到的困难，比如如何解决DS18B20控制问题，如何解决报警问题等。本文所讨论的设计采用了AT89C51单片机作为系统的中央控制单元，DS18B20作为温度采集器，并结合软件编程，实现温度传感电路与单片机的结合。该系统具有更高速、更灵敏、更简捷地获取被分析、检测、控制对象的温度信息的能力，同时具有良好的抗干扰及环境适应能力（测温范围-55+125）。因其体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域，且系统结构较为简单，可大规模的采用，成本低廉。2.2 硬件介绍 计算机工作的外围电路设备（1）温度传感器温度传感器采用补偿型NTC热敏电阻其主要性能如下：补偿(

8、bchng)型NTC热敏电阻(r mn din z) B值误差范围(fnwi)小，对于阻值误差范围在5的产品，其一致性、互换性良好。适合于一般精度的温度测量和计量设备。外型结构和尺寸：图2.2.1 温度传感器结构尺寸图主要技术参数：时间常数30S测量功率0.1mW使用温度范围-55+125耗散系数6mW/额定功率0.5W降功耗曲线：图2.2.2温度传感器功耗曲线图（2）核心处理单元MicroChip PIC16F877A单片机MicroChip PCI16F877A单片机主要性能：具有高性能RISC CPU仅有35条单字指令。除程序指令为两个周期外，其余的均为单周期指令。运行速度：DC-20M

9、时钟输入。DC-200ns指令周期。8K*14个FLASH程序存储器。368*8个数据存储器（RAM）字节。引脚输出和PIC16C73B/74B/76/77兼容。中断(zhngdun)能力（达到14个中断(zhngdun)源）。8级深度的硬件(yn jin)堆栈。直接，间接和相对寻址方式。上电复位（POR）。上电定时器(PWRT)和震动启动定时器。监视定时器（WDT），它带有片内可靠运行的RC振荡器。可编程的代码保护。低功耗睡眠方式。可选择的振荡器。低功耗，高速CMOS FLASH/EEPROM工艺。全静态设计。在线串行编程(ICSP)。单独5v的内部电路串行编程(ICSP)能力。处理机读/写

10、访问程序存储器。运行电压范围2.0v到5v。高输入/输出电流25mA。商用，工业用温度范围。低功耗： 在5v,4MHz时典型值小于2mA。 在3v,32KHz时典型值小于20uA。 典型的静态电流值小于1uA。外围特征：Timer 0 ：带有预分频的8位定时器/计数器。Timer 1 ：带有预分频的16位定时器/计数器，在使用外部晶体时钟时在SLEEP期间仍能工作。Timer 2 ：带有8位周期寄存器，预分频和后分频器的8位定时器/计数器2个捕捉器，比较器和PWM模块。其中 ：捕捉器是16位的，最大分辨率为12.5nS。比较器是16位的，最大分辨率为200nS。PWM最大分辨率为是10位。10

11、位多通道模/数转换器。带有SPI（主模式）和I2C（主/从）模式的SSP。带有9位地址探测的通用同步异步接收/发送（USART/RCI）。带有RD,WR和CS控制（只40/44引脚）8位字宽的并行从端口。带有降压的复位检测电路。（3）RS-232-C接口电路计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯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讯。RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接

12、口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。接口的信号(xnho)内容实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机通讯(tngxn)中一般只使用3-9条引线(ynxin)。RS-232-C最常用的9条引线的信号。接口的电气特性在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑。“

13、1”，-5-15V；逻辑“0”+5+15V。噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1” 。 接口的物理结构RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端.一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。传输电缆长度由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户

14、是按码元畸变1020%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。图2.3.1 Max232结构图（4）继电器继电器是具有隔离功能的自动开关，广泛用于遥控，遥测，通信，自动控制，机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。继电器是在自动(zdng)控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，它实际上是一种可以用低电压、小电流来控制大电流、高电压的自动开关。在本系统中，继电器控制的自动温度调节电路和PCI16F877A单片机中程序构成温度(wnd)自动监测电路，实现对生物培养液温度的监测和自动控制（5）半导体降温(jing wn)片及电阻加热丝半导体制冷器是根据热电效应技术的特点，采

15、用特殊半导体材料热电堆来制冷，能够将电能直接转换为热能，效率较高。其工作原理如图2.5.1：图2.5.1半导体降温片工作原理图半导体制冷片由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而N P之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，通上电源之後，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高。它的外观如图2.5.2所示。正视图侧视图2）本控制系统是对生物培养液进行温度监控，故太快的温度变化对生物繁殖显图2.5.2半导体降温片外观图本控制系统是对生物培养液进行温度监控，过快的温度变化对生物繁殖显然是不利的

16、，因此在本系统中采用的是高阻抗小功率加热电阻丝进行温度的小范围调节。3 温度(wnd)控制系统的组成框图采用典型(dinxng)的反馈式温度控制系统，组成部分见图3.1。其中数字(shz)控制器的功能由单片机实现。图3.1温度控制系统的组成(z chn)框图 培养皿的传递函数为，其中1为电阻加热的时间常数，为电阻加热的纯滞后时间，为采样周期。A/D转换器可划归为零阶保持器内，所以广义对象的传递函数为 （3-1-1） 广义对象的Z传递函数为 （3-1-2） 所以系统的闭环Z传递函数为 (3-1-3) 系统的数字控制器为= （3-1-4） 写成差分方程即为 （3-1-5） 令 ,得 （3-1-6）

17、式中 第次采样(ci yn)时的偏差；第次采样(ci yn)时的偏差；第次采样(ci yn)时的偏差；4 温度控制系统结构图及总述PIC16f877A单片机加热控制电路高阻抗加热丝降温控制电路半导体降温片温度传感器培养皿TTL电平到EIA电平转换电路商用计算机显示终端 图4.1温度(wnd)控制系统结构图图4.1中温度传感器和Micro Chip PIC16F877A单片机中的A/D转换器构成(guchng)输入通道，用于采集培养皿内的温度(wnd)信号。温度传感器输出电压经过A/D转换后的数字量与培养皿内的温度给定值数字化后进行比较，即可得到实际温度和给定温度的偏差。培养皿内的温度设定值由M

18、icro Chip PIC16F877A单片机中程序设定。由Micro Chip PIC16F877A单片机构成的数字控制器进行比较运算，经过比较后输出控制量控制由加热和降温电路构成的温度调节电路对培养皿中的培养液温度进行调节。同时通过电平转换电路把当前温度传输到商用计算机的串口中，由计算机动态的显示培养皿中的温度，正常情况下温度控制由Micro Chip PIC16F877A单片机自动控制。必要时，计算机也可以通过软件来强制改变培养皿中温度。5 温度控制系统软件设计5.1 Microchip PIC16F877A单片机温度控制系统软件结构图如图5.1.1所示。检测与变送A/D转换工程量变换温

19、度非线性转换发送数据到串口比较判断算法温度预设值温度调节 电路执行器从串口接受数据命令识别控制程序 图5.1.1单片机温度控制系统软件(x tn run jin)结构图5.2 单片机控制(kngzh)流程图开始初始化PIC16F877A单片机端口地址读入预设温度值启动A/D转换A/D转换结果送入NX单元NX-FF0F0-NX0降温加热工程量变换温度非线性温度转换发送数据到串口命令识别程序从串口接受数据YYYNNN 图5.2.1单片机控制(kngzh)流程图5.3 温度(wnd)变换程序模块温度传感器在12到60输出(shch)2.52V1.02V，温度起点为12，满量程为48。Micro Ch

20、ip PIC16F877A单片机内嵌的10位A/D转换器对应输出的数字量为0000000000B1111111111B（05V），应用以下变换公式进行变换：AX=A0+(AM-A0)(NX-N0)/(NM-N0)式中，A0为一次测量仪表的下限。AM为一次测量仪表的上限。AX实际测量值。N0仪表下限对应的数字量。NM仪表上限对应的数字量。NX测量值对应的数字量。5.4 温度非线性转换程序模块采用折线拟合法进行线性化处理如图5.4.1所示，分为以下几段：当1.73VAx2.52V时，T=0.06*WN+12当1.40VWN1.73V时，T=0.03*WN+25当1.24VWN1.40V时，T=0.

21、016*WN+40当1.06VWN 0.54故当所传输的一帧数据为10 位时，所允许的最大的波特率允许误差为5 %对于其它常用的8位，9位，11位，一帧的串行传输，其最大的波特率允许误差分别为6.25%，5.56%， 和4.5%。减小波特率误差的措施我们知道使用离散度小的晶振是减小波特率误差的关键。如果，晶振的离散度已超过所允许的范围，此时不宜用其标称值，可以采用测量其波特率的方法来得出实际的晶振波特率值。（2）单片机软件的实现设置通信方式和波特率的值例MOV SCON,#50H 初始化串口设为方式1MOV TMOD,#20H 利用定时器1为波特率发生器并设为模式2MOV PCON,#XXH

22、设置SMOD值MOV TH1,#XXH 设置定时器初始值SETB TR1 启动定时器1等待接收PC机发来的信号帧并按通信协议作出相应响应。6.5 通信协议设计结论6.5.1通信(tng xn)可靠性分析通信的可靠性主要体现(txin)在所使用通信协议的可靠性上，本通信协议的可靠性主要有两点理论基础：(1)通过判断帧头起始字符来决定一帧的开始，这样(zhyng)就避免了部分数据进入到内部数据处理之中。这个可能性在1/256， 通过停止位的判断可将这个可能性再降低1/256。 另外通过帧类型字节的判断可使之进一步降低。(2)校验字将整帧信号进行异或校验则使误收的可能很小。如果将此异或校验改为CRC

23、校验则出错的可能性更是微乎其微了。本通信所用协议具有纠错功能，这体现在当PC 发送或接收数据时，当所接收的应答信号出现失误时，将重新发送或接收此帧数据，直至接收到了正确的应答，具体在程序中最多允许连续出错三次，超过后则放弃通信。在实际应用中，应用本通信时传输距离只有几米以内而且环境干扰比较小，从而从外部因素上进一步保证了通信的可靠性。6.5.2通信速度分析如果在不考虑错误发生的情况下，PC 机每发送一帧数据时需要附加12 个字节，其中8 个字节用于发送4 个字节用于应答PC 机。每接收一帧数据时，需要附加13 个字节其中5 个字节用于接收8 个字节用于应答。如：按每帧传送32个字节计算的话，其

24、发送和接收的效率为为忽略PC和PIC16F877A单片机的处理时间计算。发送数据速率、接收数据速率计算公式如下：发送数据速率：9600*32/44=6981bit/s接收数据速率：9600*32/45=6826bit/s这是理论上的速率，实际中还应包含PC和PIC16F877A单片机的处理信号帧，等待信号帧的时间。在本通信协议中，不会出现某信号帧已到达但PC或PIC16F877A单片机还未开始准备接收的现象。在实际应用中，因具体应用环境不同PC和PIC16F877A单片机处理信号帧的时间会有不同，所以具体速率值依具体应用而变化。7 Protel99设计原理图（1）使用(shyng)Protel

25、进行电路板设计的第一步便是设计原理图，原理图决定(judng)了整个电路的基本功能，也是接下来生成网络表和设计印刷电路板的基础。 在Protel 99的初始界面下新建一个设计库，该数据库用来管理(gunl)项目。 File-New-改文件名改保存路径OK 进入设计库文件中的文件夹Document。 在Document 文件夹中新建原理图文件和印制板文件。File-New-Schematic Document-Ok-改文件名File-New-PCB Document-Ok-改文件名 打开原理图文件。 添加原理图文件库。Design-Add/Remove Library- 浏览所需零件库Add-O

26、k 放置电路所需的各种元件，图件，网络标号等元器件。Design-Add/Remove Library- 浏览所需零件库Add-Ok从零件库中调出元件 Place-part 对原图元件进行布局，布线，构成一个完整的原理图。 Place-part 编辑和调整。然后进行输出存档。右键Properies.Designation-Part-Footrint Save 打印或建立报表。 新建原理图New-SCH连线元件布局建立网络报表 Create Netlist添加元件库Add/Remove Library 调出元件Find-PlaceCompent设置元件属性打印输出报表 Print,Rcport存

27、盘 Save图7.1.1 protel设计的流程图（2）用PCB系统设计PCB板分以下7个步骤： 有关参数的设置。这一步主要设定自动布参数、自动布线参数、板面参数等。 PCB板尺寸设计。在禁止布线层上，沿设计的PCB边画边框线，即指定自动布局的范围。这一步为自动布局打基础。同时，在上层板面（即元器件面）沿禁止布线层的边框图线放置铜线，这是PCB板最后成型所必须的。 布局就是根据原理图上元器件之间的连接关系，并考虑(kol)电磁兼容性以及元器件的安装空间和散热等，总是(zn sh)将元器件放置在PCB电路板上适当的位置。布局(bj)的好坏直接影响PCB板的电气性能和布局的功能，是PCB板设计过程

28、中最费时、最繁琐的。布局工作需要耐心、细致。尽管系统提供了自动布局的功能，但是一般而言都需要手工调整。手工布局，首先载入SCH生成的网络表，通过手工移动元器件PCB板上的排列位置实现布局。移动元器件是最好打开网络连接显示，这样就能观察到相邻元器件连线的疏 密。自动布局，PCB系统环境提供自动布局功能完成元器件放置，但在细节处最好使用手工调整。布局时要求相互间连线多的元器件应该就近放置；相互间可能造成干扰的元器件应远离：功率器件应考虑散热空间。 自动布线。布线就是在元器件引脚之间放置覆铜连线的过程，这一过程可以通过手工完成，也可以自动进行。但是Protel99的PCB系统提供了强大的自动布线功能

29、，建议使用该功能自动布线。在进行自动布线之前，设计人员必须先设计好布线参数，定义布线规则。如果不适当，可能会导致自动布线失败，即布线的成功率不高，所以这一 步要特别注意 启动设计规则检查DRC，这一步利用PCB提供的DRC功能对完成布线的PCB板进行检查，这一步由软件自动完成。检查的结果输出在报告文件*.rep中，PCB软件将出错处在PCB图上显示出来，为检查、修改提供方便。 板面字符调整。为了使设计的PCB板美观，并且安装焊接元器件方便，应将元器件的名称。设计值的字符参数移至元器件框外。大小合适且字符不想重叠。 将经过DRC检查无误，且版面字符调整好的PCB设计图存盘、输出、制版。 印刷板电

30、路设计完成以后，整个电路板的设计项目就基本完成。存档以便进行后期的修改及完善。调用网络表Load Netlist添加元件库 Add/Remove规划电路板新建印制板图New-PCB 设置丝印字元件布局走线手工制板热转印法光印法等打印，输出报表存盘Save电路板成品交给印制板图7.1.2制作(zhzu)PCB板的流程(lichng)8 硬件(yn jin)电路板的制作本设计(shj)中需要有2个继电器控制(kngzh)外围温度调节系统，2个LED用来提示(tsh)串口数据指示，还有一个PIC16F877A单片机，一个Max232电平转换器，一个有源晶体振荡器及其外围电阻电容等。在确定电路的正确性

31、，可行性之后，开始使用Protel对它进行布图。Protel是一个很好用的电子制作工具，它还可以进行仿真。在画原理图的过程中，原理图中的元件库中可能找不到自己要找的元件，如PIC16F877A等，所以要自己画元件。在画原理图后，选择将元件自动编号，然后根据需要更改部分元件的编号。在定好元件编号后，使用TOOLS中的ERC进行检查，它会提示是否有编号相同的元件等错误。在ERC检查无误后，便可以开始封装了。同样，部分元件的封装在PCB库中找不到或者是有出入，如按键开关，2位拨码开关在PCB库中找不到，所以需要自己根据元件的实际大小和相应的原理图中引脚编号，做出正确的封装。 图8.1 完整的PCB图

32、另外，可变电阻在原理图中的引脚编号和PCB库中的引脚编号有点出入（可在原理图中双击元件，选上HIDDEN PINS，则可以观察到元件的引脚编号），可以在PCB库中将该元件的引脚标号改成与原理图相对应的标号。在封装好全部元件后，可以生成一个元器件报表，在报表中可以清楚的看到各元件的标号和封装代号，在进一步检查完毕后就开始建立网络表。在禁止布线层中画一个边框和电路板大小一样的矩形，然后开始导入网络表，在导入网络表没有错误后，便开始正式布局了。根据原理图的走线，将器件分别拉入框中，放到合适的位置。布局完成后，先设置好安全间距为10mil，布线层选择底层，线宽选择25 mil，并将焊盘外径改为40mi

33、l，内径改为20mil（部分点要根据需要改小或改大）。然后就开始正式布线。布线不能单靠自动布线，特别是在本设计中有众多芯片，所以采用根据原理图对整个电路进行手动布线。这样可以使得整个电路看起来整齐些，在碰到有时线路布不通的时候，采用顶层短跳线的方式进行调整，从而完成整个PCB电路板的设计。见图8.1。布好PCB图，检查(jinch)无误后，就将PCB图打印到转印纸上，然后熨到电路板上，腐蚀，打孔。熨板前，应把铜板用砂纸去掉表面(biomin)被氧化的部分。腐蚀时，用三氯化铁加适量的开水配成三氯化铁溶液进行腐蚀，这样腐蚀会比较快，腐蚀完后用天那水把电路板清洗，接着便开始打孔（选用0.8mm的针头），打完孔后，用万用表测量电路线路是否(sh fu)连通，然后先涂上松香溶液（酒精+松香），这样焊接速度会比较快，还能防氧化，然后将其放在一边晾干。同时，测量部分器件（电阻等）是否有损坏，等电路板晾干后，就要把器件按PCB图来安装好。然后就可以开始焊接了。焊接时要防止虚焊和未连接上，所以在焊好后，再用万用表测量元件和线路是否连接好。检测完毕后，硬件电路板装配便完成了。9 设计总结通过(tnggu)本次温度监控系统的设计,我大有收获，在制