温度控制系统

一）设计要求如下

（1）温度设定范围为40℃～90℃，最小区分度为1℃

（2）用十进制数码显示实际温度和设定温度。

（3）显示加热器工作时间。

（4）显示加热器的工作状态：加热、恒温保持。

（5）温度控制的静态误差≤2℃。

（6）当温度越过上限时（自己设定），声光报警

（二）扩充功能：

（1）控制温度可以在一定范围内设定，并能实现自动调整，以保持设定的温度基本保持不变（测量温度时只要求在现场任意设置一个检测点）。

（2）显示调节时间和超调量

第一章硬件设计

经过对题目进行深入的分析和思考，我将整个系统分为以下几部分：测温电路、控制电路、显示电路和调温电路。

1.1控制电路和显示电路方案与选择

控制电路可以用硬件的方式实现，也可以用软件的方式实现，具体方案有三：方案一可以用运放等模拟电路搭接一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对纯粹的水温控制这是足够的。但是附加的显示，温度的设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。同样也可以用逻辑电路实现，但总体的电路设计和制作繁琐。

方案二可以使用FPGA实现控制功能，使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易实现控制、显示、键盘等功能。是一种可选的方案。但与单片机相比较，价格较高，显得大材小用。

方案三可以使用单片机作为核心，同时温控系统的温度显示和温度的设定直接采用综合实训板上的显示和键盘。当环境温度低于设定的最低温度值时，也采用综合实训板上蜂鸣器进行报警。电路设计和制作比较简单，因此我选择该种方案。

1. 2测温电路方案选择

方案一可以使用热敏电阻作为测温元件，热敏电阻精度高，需要配合电桥电路，电路设计比较麻烦。

方案二可以使用热点偶作为测温元件，热电偶在工业上应用比较广泛，测温精度比较高，性能可靠，并有专用的热电偶测温电路。

方案三采用最新的单线数字温度传感器DS18B20作为测温元件，它能够直接读出被测温度，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。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线。总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而，使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。同时其价格适中，使用比较简单，因此我选择该种方案。

1. 3调温电路方案选择

根据题目，可以使用220V、40W的灯泡加热，当温度过高时，一般只能关闭灯泡，让其自动冷却。但为了达到更好的控制效果，降温控制系统可以采用低压直流电风扇。当温度高于设定最高限温度时，启动风扇降温，当温度降到指定最高限温度以下后，风扇自动停止运转。加热电源选用220V交流电，制冷电源为5V直流电。

方案一采用电力电子技术的PWM技术，控制其功率实现较好的精度，但电路设计比较麻烦，制作难度比较大。

方案二可以使用固体继电器控制加热制冷器工作。固态继电器使用比较简单，而且没有触电，可以频繁工作。是一个比较好的方案。

1.4 硬件电路设计

1.4.1 温控系统硬件接线原理图

见附录。

1.4.2 单片机设计

对于单片机接口的使用：

(1) 电源及时钟引脚

Vcc：电源接入引脚；

GND：接地引脚；

XTAL1：晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）；

XTAL2：晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端）。

(2) 控制线引脚

RST：复位信号输入引脚。

(3) 并行I/O口引脚

P0.0～P0.7：作为数码管的输出；

P1.0～P1.2：用来作为数码管的片选和蜂鸣器与LED灯的选择；

P1.3：DS18B20的单线接口端；

P2.1～P2.3与P2.5～P2.7：构成一个3*3的键盘；

P3.6：控制灯泡的启动与关断；

P3.7：控制风扇的启动与关断。

1.4.3 温度传感电路设计

DS18B20的性能特点：

◆采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微

机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，

含符号位）；

◆测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃；

◆内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；

◆适配各种单片机或系统机；

◆用户可分别设定各路温度的上、下限；

◆内含寄生电源。

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的

温度报警触发器TH 和TL,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图2所示。 P1.0

图 2 DS18B20管脚图

在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种

是VCC 接外部电源，GND 接地，I/O 与单片机的I/O 线相连；

另一种是用寄生电源供电，此时UDD 、GND 接地，I/O 接单

片机I/O 。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O 口线要接

5KΩ左右的上拉电阻.我们采用的是第一种连接方法,如图

3.3所示:把DS18B20的数据线与单片机的P1.0管脚连接,再

加上上拉电阻。

DS18B20有六条控制命令，如下表所示：

表1 DS18B20控制命令 指 令

约定代码 操 作 说 明 温度转换

44H 启动DS18B20进行温度转换 读暂存器

BEH 读暂存器9个字节内容 写暂存器

4EH 将数据写入暂存器的TH 、TL 字节 复制暂存器

48H 把暂存器的TH 、TL 字节写到E2RAM 中 重新调E2RAM B8H 把E2RAM 中的TH 、TL 字节写到暂存器TH 、TL

字节

读电源供电方式 B4H 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主

CPU

DS18B 20123GND I/O VCC 1

23456

78I/O GND NC NC

NC NC NC VCC DS18B20