毕业论文 数字温度控制器的设计与制作

金华职业技术学院

JINHUA COLLEGE OF PROFESSION AND TECHNOLOGY 毕业教学环节成果

题目数字温度控制器的设计与制作

学院信息工程学院

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指导教师

金华职业技术学院毕业教学成果

目录

摘要 (1)

英文摘要 ................................................ 错误！未定义书签。引言 (3)

1 设计要求 (4)

2 数字温度控制器的相关理论与技术 (5)

2.1数字温度控制器的原理及功能 (5)

2.2系统硬件电路的设计 (5)

2.2.1DS18B20单线智能温度传感器的工作原理 (5)

2.2.2LCD显示电路功能与作用 (10)

2.2.3报警电路功能与作用 (12)

2.2.4按键控制电路的功能 (12)

2.3电源电路的功能 (13)

2.4数字温度控制器电路图 (13)

3 系统软件的设计 (15)

3.1主程序流程图 (15)

3.2温度采集及报警处理程序流程图 (15)

3.3温度数据的计算处理方法 (16)

4 电路检测与调试 (17)

4.1调试的目的 (17)

4.2电路调试定义 (17)

4.3硬件调试 (17)

4.4软件调试 (18)

4.5软硬件联调 (18)

结论 (19)

致谢 (20)

参考文献 (21)

附件1 元器件清单 (22)

附件2 硬件电路图 (23)

附件3 硬件PCB图 (24)

附件4 MAX232下载口PCB图 (25)

附件5 数字温度控制器仿真图 (26)

附件6 实物图 (27)

附件7 软件总程序 (28)

数字温度控制器的设计与制作

信息工程学院应用电子技术专业高飞

摘要：本论文介绍一种应用于家庭自制酸奶背景下的可设置工作模式、带声光报警的数字温度控制器。论文主要介绍了基于AT80C51的单片机温度控制嚣的设计，其中主要介绍了DSl8B20芯片的使用以及如何实现其功能，其中包括对DSl8B20芯片的引脚的介绍、性能参数、使用的主要事项和实现的其功能的软件的部分源程序，还有测温电路，显示电路、按键电路和电源电路。

关键词：单片机温度传感器温度测量控制器

Digital Temperature Controller Design and

Production

(Major of Applied Electronic Technology,Information and

Engineering college, Gaofei)

Abstract：The present paper introduced that one kind applies under the family self-restraint yogurt background may establish the working pattern, the belt acousto-optics warning digit temperature controller. The paper mainly introduced based on AT80C51 monolithic integrated circuit temperature control clamour design, mainly introduced how the DSl8B20 chip's use as well as does realize its function, including its function software's partial source programs which to the DSl8B20 chip's pin's introduction, the performance parameter, the use main item and realizes, but also has the temperature measurement electric circuit, display circuit and control circuit. Keywords:microcontroller temperature sensors temperature measurement the controller

引言

随着现代社会的快速发展，人们生活节奏也随之加快。工作压力逐渐增大。饮食的健康和营养价值成为人们越来重视问题。酸奶成为人们首选的早餐饮品。酸奶可以增强人体免疫力、预防骨质疏松，具有较高的营养价值。然而，在对酸奶制作过程中对温度控制有着非常高的要求，如对牛奶加热的温度如过高，会杀死酸奶中的乳酸菌造成发酵失败，如温度过低又会造成发酵缓慢。为了解决对温度控制带来的麻烦和不便，使人们在家里自制酸奶更加快捷方便。我们特别设计制作了酸奶数字温度控制器。

在本课题的设计制作过程中我，选取了体积小、精度相对高的DS18B20数字式温度传感元件作为温度采集，AT89C52单片机作为主控芯片，LCD作为显示输出。实现了对温度的实时测量与控制。本设计可以显示现有环境温度，并可随意设定上下限温度报警数值，也可以根据需要定时进行温度控制。

1 设计要求

设计一款数字温度控制器，数字温度控制器能实现对温度的实时测量与控制。本设计可以显示现有环境温度，并可随意设定上下限温度报警数值，当环境温度高于设定值时红色指示灯亮，同时蜂鸣器响起。当环境温度低于设定值时绿色指示灯亮，同时蜂鸣器响起。也可以根据需要定时进行温度控制。本设计选取体积小、精度相对高的DS18B20数字式温度传感元件作为温度采集，AT89C52单片机作为主控芯片，LCD作为显示输出。

2 数字温度控制器的相关理论与技术

2.1 数字温度控制器的原理及功能

如图2－1所示此温度测量电路主要由以下几部分组成：一个温度传感器DS18B20及其选择按键电路，电源电路、控制器单片机AT89C52最小系统、LCD液晶显示电路、声光报警电路等。

图2-1 数字温度控制的硬件框图

温度传感器DS18B20从测试点采集温度，然后把温度转换成电压（或电流），温度传感器输出电压的大小随温度的高低变化而变化，电压值的变化范围从几个微伏到几个毫伏，不同的温度传感器，输出电压的范围也差别很大。单片机AT89C52是温度测量电路的控制核心，它将采集到的数字温度电压值，经过计算处理，得到相应的温度值，经扫描驱动送到LCD显示器以数字形式显示测量的温度。LCD显示器用于显示测量温度的结果。报警温度控制电路用于在不同应用中灵活设定报警温度，在超过设定范围时，报警电路进行报警。

2.2 系统硬件电路的设计

2.2.1 DS18B20单线智能温度传感器的工作原理

(1) DS18B20单线智能温度传感器的性能特点

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司生产的单线智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。

DS18B20的性能特点如下：

采用单片机技术，与单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，直接输出被测温度

值；

测温范围为-55～+125℃,测量分辨率可达0.0625℃，在-10～+85℃范围内误差为

内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，通过识别只读ROM中的唯一序列号实

可通过数据供电，电压范围为3.0—5.5V；

温度以9或12位数字量读出；

用户可分别设定各路温度的报警上、下限；

将12位的温度值转换为数字量所需的时间不超过750ms；

负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧坏，但不能正常工作.

(2) DS18B20的内部结构框图如图2—2 所示，它采用3脚PR—35封装或8脚SOIC

封装其管脚封装如图2－3所示。

(3) DS18B20单线智能温度传感器的工作原理

64位ROM的位结构如图2—4 所示。开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件

的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个 DS18B20

可以采用一线进行通信的原因。非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户

报警上下限。

图2—2 64位ROM结构图

图2－2 DS18B20内部结构

图2－3 DS18B20的引脚排列

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM 和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM 。高速暂存RAM 的结构为8字节的存储器，结构如图2—4 所示。

DS18B20 EEPROM 的结构

图2—4 DS18B20高速暂存RAM 结构图

头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节是TH 和TL 的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转

换分辨率。DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如图2－6所示。低5位一直为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

户不要改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，方法见表2—5 。

由表2—5可见,DS18B20温度转换时间比较长，而且设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。

高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。

表2—1 DS18B20分辨率的定义规定

图2-5 DS18B20的配置寄存器

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单总线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB 形式表示。温度值格式如图2—7 所示。

当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制转换为十进制；当符号位S=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制值。表2—8 是一部分温度值对应的二进制温度数据。

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容做比较。若T>TH或T

MS字节

图2—6 温度数据值格式

在64位ROM的最高有效字节中存储器循环冗余检验码(CRC)。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

表2—2 DS18B20温度与测得值对应表

DS18B20的测温原理如图2—9所示.图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用它产生的信号作为减法计数器1的脉冲输入；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显变化，所以产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器决定，每次测量前，首先将—55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在—55℃所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器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就是所测温度值。图2—9 中的斜率累加器用于温度补偿和修正测温过程中的非线形性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20

（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。

(4) DS18B20与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源方式，如图2—10所示。单片机端口接单总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，

图2—7 DS18B20测温原理图

上拉开始时间最大为10μs。采用寄生电源供电方式时VDD和GND 端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。

图2—8 DS18B20采用寄生电源的电路图

2.2.2 LCD显示电路功能与作用

图2-9 LCD1602原理图

LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。

LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。

LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。

然而，可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。但由于计算机屏幕几乎总是亮着的，所以只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。

从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5μm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设

有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

2.2.3 报警电路功能与作用

温度报警电路采用NPN三极管、电阻和蜂鸣器组成。在设定报警温度后，超出温度范围时，由报警电路实现报警功能。

图 2—10 报警部分电路图

2.2.4 按键控制电路的功能

按键控制电路由四个按钮开关组成。调节报警上限值和下限值。

图2-11 按钮开关

2.3 电源电路的功能

系统需要多种电源，单片机需要＋5V电源，传感器需要＋10V以上的线性电源。

稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。

采用三端固定稳压芯片7805为系统提供稳定的电源。这个部分由滤波电路、稳压电路等组成。如下图：

图2-12 电源电路图

在这里只给出了＋5V电源电路，+12V电源电路与+5V相似，因此不再画出。

78系列是输出电压固定的三端集成稳压器，输出为正电压，输出电流可达1A。

2.4 数字温度控制器电路图

图2-13 数字温度控制器电路图

以上我们对温度测量电路的硬件各部分电路温度测量电路、报警电路、按键控制电

路和整个电路图等进行了介绍，在下一章我们将对软件部分进行分析。

3 系统软件的设计

系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序等等。

3.1 主程序流程图

主程序的主要功能是负责温度的实际显示、读数并处理DS18B20的测量温度值。其程序流程图见图3—1 。

图3-1 主流程

3.2 温度采集及报警处理程序流程图

温度采集及报警处理程序流程图的主要功能是对当前的进行采集和报警处理，在读出时需进行CRC检验，校验有错时不进行温度数据的改写。写程序流程图如图3—2 所

示。

图3-2 程序流程图

3.3 温度数据的计算处理方法

从DS18B20读取出的二进制值必须先转换成十进制值，才能用于字符显示。因为DS18B20的转换精度为9到12位可选的，为了提高精度选取12位。在采用12位转换精度时，温度寄存器里的值是以0.0625为步进的，即温度值为温度寄存器里的二进制值乘以0.0625，就是实际的十进制温度值。

4 电路检测与调试

4.1 调试的目的

在众多电子产品中，由于其包含的各元器件性能参数具有很大的离散性，电路设计中的近似性，再加上生产过程中的不确定性，使得装配完成的产品在性能方面有较大的差异，通常达不到设计规定的功能和性能指标，这就是整机装配完毕后必须进行调试的原因。

4.2 电路调试定义

电子电路调试技术包括调整和测试两部分。调整主要是对电路参数的调整，如对电阻、电容和电感等，以及机械部分进行调整，使电路达到预定的功能和性能要求；测试主要是对电路的各项技术指标和功能进行测量与试验，并与设计的性能指标进行比较，以确定电路是否合格。电路测试是电路调整的依据，又是检验结论的判断依据。实际上，电子产品的调整和测试是同时进行的，要经过反复的调整和测试，产品的性能才能达到预期的目标。

4.3 硬件调试

硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器(万用表、示波器)等，检查用户系统硬件中存在的故障。

硬件调试可以分为静态调试与动态调试两步进行：

静态调试静态调试是在用户系统未共工作时的一种调试。步骤如下：

第一步：目测。检查外部的各种元件或者是否有断点。

第二步：用万用表测试。现用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电源线与接地线之间是否有短路现象。

第三步：加电检测。给电路板加电，检测所有的插座或者是硬件的电源是否符合要求的值。

第四步：联机检查。因为只有单片机开发系统才能完成对用户系统的调试。

动态调试动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部的故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。

由近及远是将信号流经的各元器件按照距离单片机的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。调试时，仍采用去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。