基于--单片机温室温度控制系统研究报告.doc
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1、- -1 引言1.1温室温度控制系统设计的意义随着社会的开展,科技的进步,以及测温仪器在各个领域的应用,智能化已是现代温度控制系统开展的主流方向。特别是近年来,温度控制系统已应用到人们生活的各个方面,但温室温度控制一直是一个未开发的领域,却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况,设计一个温室温度控制系统,具有广泛的应用前景与实际意义。1.2温室温度控制系统的设计背景温度是科学技术中最根本的物理量之一,物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中,像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域,温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比方
2、,发电厂锅炉的温度必须控制在一定的围之;许多化学反响的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进展;炼油过程中,原油必须在不同的温度和压力条件下进展分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有适宜的温度环境,许多电子设备就不能正常工作,粮仓的储粮就会变质霉烂,酒类的品质就没有保障。因此,各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见,温度的测量和控制是非常重要的。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛,在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用围的日益广泛和多样,各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。1.3温室温度控制系统的设计目的本设计的容是温度测试控制系统,控制对象是温度。温度
3、控制在日常生活及工业领域应用相当广泛,比方温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视,其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题,本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统,它应用广泛,功能强大,小巧美观,便于携带,是一款既实用又廉价的控制系统。1.4温室温度控制系统完成的功能本设计是对温度进展实时监测与控制,设计的温度控制系统实现了根本的温度控制功能:当温度低于设定下限温度时,系统自动启动加热继电器加温,使温度上升,同时绿灯亮。当温度上升到下限温度以上时,停顿加温;当温度高于设定上限温度时,系统自动启动风扇降温,使温度下降,同
4、时红灯亮。当温度下降到上限温度以下时,停顿降温。温度在上下限温度之间时,执行机构不执行。三个数码管即时显示温度,准确到小数点一位。2 总体设计方案2.1方案一测温电路的设计,可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进展A/D转换后,就可以用单片机进展数据的处理,在显示电路上,就可以将被测温度显示出来,这种设计需要用到A/D转换电路,感温电路比拟麻烦。2.2 方案二 考虑使用温度传感器,结合单片机电路设计,采用一只DS18B20温度传感器,直接读取被测温度值,之后进展转换,依次完成设计要求。比拟以上两种方案,很容易看出,采用方案二,电路比拟简单,软件设计
5、容易实现,故实际设计中拟采用方案二。2.3方案二的总体设计本系统的电路设计方框图如图1所示,它由三局部组成:控制局部主芯片采用单片机AT89S51;显示局部采用3位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示;温度采集局部采用DS18B20温度传感器。加热继电器电风扇继电器单 片 机DS18B20LED显示指示灯 图1电路总体设计方案(1) 控制局部- word.zl- -单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点,四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要,很适合便携手持式产品的设计使用,系统应用三节电池供电。(2) 显示局部显示电路采用3位共阳LED数码管,从P0口送数,P2口扫描。(
6、3) 温度采集局部DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改良型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温。这一局部主要完成对温度信号的采集和转换工作,由DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口局部组成。数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.0口,单片机承受温度并存储。此局部只用到DS18B20和单片机,硬件很简单。a. DS18B20的性能特点如下:1) 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进展通信;2) 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能;3) 无须外部器件;4) 可通过数据线供电
7、,电压围为3.05.5V;5) 零待机功耗;6) 温度以3位数字显示;7) 用户可定义报警设置;8) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度温度报警条件的器件;9) 负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。 b. DS18B20的部构造DS18B20采用3脚PR35封装,如图2所示;DS18B20的部构造,如图3所示。图2 DS18B20封装c.DS18B20部构造主要由四局部组成5:1) 64位光刻ROM。开场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56位的CRC校验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进展通信的原因10。64
8、位闪速ROM的构造如下:8b检验CRC48b序列号8b工厂代码10H MSB LSB MSB LSB MSB LSB图3 DS18B20部构造2) 非挥发的温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限值。3)高速暂存存储,可以设置DS18B20温度转换的精度。DS18B20温度传感器的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E2PRAM。高速暂存RAM的构造为8字节的存储器,构造如图3所示。头2个字节包含测得的温度信息,第3和第4字节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,为配置存放器,它的容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时
9、存放器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。它的部存储器构造和字节定义如图3所示。低5位一直为,TM是工作模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式, Byte0温度测量值LSB50HByte1温度测量值MSB50HE2PROMByte2TH高温存放器-TH高温存放器Byte3TL低温存放器-TL 低温存放器Byte4配位存放器-配位存放器Byte5预留FFHByte6预留0CHByte7预留IOHByte8循环冗余码校验CRC图4 DS18B20部存储器构造DS18B20出厂时该位被设置为0,用户要去改动,R1和R0决定温度转换的精度位数,来设置分辨率,如图4。TM R1R0 1
10、1 1 1 1图5 DS18B20字节定义由表1可见,分辨率越高,所需要的温度数据转换时间越长。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字节保存未用,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。当DS18B20接收到温度转换命令后,开场启动转换。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0.0625LSB形式表示。当符号位S0时,表示测得的温度值为正值,可以直接将二进制位转换为十进制;当符
11、号位S1时,表示测得的温度值为负值,要先将补码变成原码,再计算十进制数值。表2是一局部温度值对应的二进制温度数据6。表1 DS18B20温度转换时间表:表2一局部温度对应值表温度/二进制表示十六进制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H
12、-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H4) CRC的产生在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码CRC。主机根据ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20中的CRC值做比拟,以判断主机收到的ROM数据是否正确。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,因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进展。操作协议为:初使化DS18B20发复位脉冲发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。3 D
13、S18B20温度传感器简介3.1温度传感器的历史及简介温度的测量是从金属(物质)的热胀冷缩开场。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它的缺点是只能近距离观测,而且水银有毒,玻璃管易碎。代替水银的有酒精温度计和金属簧片温度计,它们虽然没有毒性,但测量精度很低,只能作为一个概略指示。不过在居民住宅中使用已可满足要求。在工业生产和实验研究中为了配合远传仪表指示,出现了许多不同的温度检测方法,常用的有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型、光纤式及石英谐振型等。它们都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值,热电势等)的变化的原理。随着大规模集成电路工艺的提高,出现了多种集成的数字化温度传感器。3
14、.2 DS18B20工作原理3.2.1 DS18B20的工作时序根据DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:(1) 每一次读写之前都必须要对DS18B20进展复位;(2) 复位成功后发送一条ROM指令;(3) 最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进展预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,DS18B20收到信号后等待1560微秒左右后发出60240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序,具体工作方法如图5,6,7所示。a.初始化时序- word.zl- - 图6 初始化时序总
15、线上的所有传输过程都是以初始化开场的,主机响应应答脉冲。应答脉冲使主机知道,总线上有从机设备,且准备就绪。主机输出低电平,保持低电平时间至少480us,以产生复位脉冲。接着主机释放总线,4.7K上拉电阻将总线拉高,延时1560us,并进入承受模式,以产生低电平应答脉冲,假设为低电平,再延时480us12。b.写时序图7 写时序 写时序包括写0时序和写1时序。所有写时序至少需要60us,且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间,都是以总线拉低开场。写1时序,主机输出低电平,延时2us,然后释放总线,延时60us。写0时序,主机输出低电平,延时60us,然后释放总线,延时2us8。c.读时
16、序 图8 读时序总线器件仅在主机发出读时序是,才向主机传输数据,所以,在主机发出读数据命令后,必须马上产生读时序,以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要60us,且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。每个读时序都由主机发起,至少拉低总线1us。主机在读时序期间必须释放总线,并且在时序起始后的15us之采样总线状态。主机输出低电平延时2us,然后主机转入输入模式延时12us,然后读取总线当前电平,然后延时50us4。3.2.2 ROM操作命令3当主机收到DSl8B20 的响应信号后,便可以发出ROM 操作命令之一,这些命令如表3:ROM操作命令。3.3 DS18B20的测温原理3.
17、3.1 DS18B20的测温原理6每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号,在出厂前已写入片ROM 中。主机在进入操作程序前必须用读ROM(33H)命令将该DSl8B20的序列号读出。程序可以先跳过ROM,启动所有DSl8B20进展温度变换,之后通过匹配ROM,再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。DS18B20的测温原理如图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,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所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,当计数门翻开时,DS18B20就对低温度系数振荡
18、器产生的时钟脉冲后进展计数,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来决定,每次测量前,首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度存放器中,减法计数器1和温度存放器被预置在-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展减法计数,当减法计表3 ROM操作命令指令约定代码功 能读ROM33H读DS18B20 ROM中的编码符合ROM55H发出此命令之后,接着发出64位ROM编码,单线总线上与该编码相对应的DS18B20 使之作出响应,为下一步对该DS18B20的读写作准备搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位RO
19、M地址,为操作各器件作好准备跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址,直接向DS18B20发温度变换命令,适用于单片工作。告警搜索命 令0ECH执行后,只有温度超过设定值上限或者下限的片子才做出响应温度变换44H启动DS18B20进展温度转换,转换时间最长为500MS,结果存入部9字节RAM中读暂存器0BEH读部RAM中9字节的容写暂存器4EH发出向部RAM的第3,4字节写上、下限温度数据命令,紧跟读命令之后,是传送两字节的数据复制暂存器48H将E2PRAM中第3,4字节容复制到E2PRAM中重调E2PRAM0BBH将E2PRAM中容恢复到RAM中的第3,4字节读 供 电方 式0B4H读DS18
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