控制系统 论文

B
图 4.2 继电器控制电路原理图
3、DS18B20 测温电路
系统中温度测试点的数据采集由 Dallas 公司的单总线数字温度传感器
DS18B20 完成。
3.1、DS18B20 的简介
（1）独特的单线接口方式，只需一个接口引脚即可通信； （2）每一个 DS18B20 都有一个唯一的 64 位 ROM 序列码； （3）在使用中不需要任何外围元件； （4）可用数据线供电，电压范围：+3.0V～+5.5 V； （5）测温范围：-55℃ ～+125 ℃，在-10℃～+85℃范围内精度为±0.5℃， 分辨率为 0.0625℃。等效的华氏温度范围是-67°F～+257°F； （6）通过编程可实现 9～12 位的数字读数方式。温度转换成 12 位数字信 号所需A时间最长为 750ms，而在 9 位分辩模式工作时仅需 93.75ms； （7）用户可自设定非易失性的报警上下限值； （8）告警搜索命令可识别和定位那些超过报警限值的 DS18B20； （9）支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现 多点测温。 （10）电源极性接反时，DS18B20 不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 3.2、DS18B20 的测温原理 DS18B20 采用 3 脚 PR-351 封装或 8 脚 SOIC 封装，管脚排列如图 4-3 所 2 示。图中 GND 为地，DQ 为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路
西南科技大学 实验报告
课程名称 计算机控制系统
实验题目：基于 51 单片机的自动恒温箱控制设计
专业班级： 控制理论与控制工程
学生姓名：
孙宾
学生学号：
2011000342
指导教师：
聂诗良
一、课程设计的目的
计算机控制系统是自动化专业的一门必修课，本科时我们已有接触，研究生 期间的学习，又加深了对控制理论和控制方法的理解。通过本课程设计来培养自 己利用计算机控制技术和自动控制理论解决实际问题的能力，为今后项目设计和 工作奠定坚实的基础。
图 4.6 温度传感器电路原理图 4、声音报警电路
声音报警电路中蜂鸣器接到三极管的集电极 C 上并通过 10K 电阻接到单片 机 P3.6 位，另一端接地。当温度低于给定值时，发光二极管亮，并且蜂鸣器响。 当温度高于设定值时，蜂鸣器响。接口电路如下：
+5 V
1
SP 1 S8 550
10 K P3 .6
表 5 DS18B20 暂存器的命令
DV21QDD 3
GND
1 2 3
3.3、DS18B20 的电路连接 由于 DS18B20 工作在单总线方式，其硬件接口非常简单，仅需利用系统的
一条 I/ O 线与 DS18B20 的数据总线相连即可，接口电路如下：
DS18 B2 0 +5 V
4.7K
P3 .5 +5 V
0191H 0008H
0 -0.5
00000000 00000000 11111111 11111000
0000H FFF8H
-25.0625
11111110 01101111
FE6FH
-55
11111100 10010000
FC90H
表2 DS1820 温度数字对应关系表
DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性 的可电擦除的 E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL 和结构寄存器。 暂存存储器包含了 8 个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的 内容是温度的低 8 位，第二个字节是温度的高 8 位，第三个和第四个字节是 TH、 TL 的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容 在每一次上电复位时被刷新，第六、七、八个字节用于内部计算，第九个字节是 冗余检验字节，如表 3 所示。
输出，常态下呈高电平，Vcc 是外部+5V 电源端，不用时应接地，NC 为空脚。
图 4-3 DS18B20 的外部结构 DS18B20 内部主要包括寄生电源、温度传感器、64 位激光 ROM 单线接口、 存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式 RAM），用于存储用户设定的温度上下 限值的 TH 和 TL 解发器存储与控制逻辑、8 位循环冗余校验码（CRC）发生器 等七部分，内部结构如图 4-4。
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10 位
187.5ms
1
0
11 位
375ms
1
1
12 位
750ms
表4 分辨率设置表
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： 每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位，复位成功后发送一条 ROM 指令， 最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。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 16～60 微秒左右， 后发出 60～240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。ROM 命 令令和暂存器的命令如表 1 和表 5。
P2 .4
P3 .7 /R D
P2 .3
X TA L2
P2 .2
X TA L1
P2 .1
G ND
P2 .0
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21
30 P
89 C5 1
+5 V
图 4.1 最小系统电路图
2、继电器控制电路 继C电器控制电路中用到的是 5V 控制 220V 的继电器，该继电器接到 PNP
DS18B20 自 身 的 序 列 号 ， 最 后 8 位 是 前 面 56 位 的 循 环 冗 余 校 验 码 （CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同， 这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。主机操作 ROM 的命令 有五种，如表 1 所示。
1 1 1
+5 V
1 1 .0 5 9 2 Hz 30 P
K2 10 uF
+5 V
K1 1K
A?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
P1 .0
VCC
P1 .1
P0 .0
P1 .2
P0 .1
P1 .3
P0 .2
P1 .4
P0 .3
P1 .5
三、总体设计方案
数码管显示
按键控制
恒温箱
单
声音报警
片
Dຫໍສະໝຸດ Baidu18B20
机
串口通信
继电器
白炽灯
图 3.1 恒温箱温度控制系统示意图
单片机
给定值
e(t)
控制器
T
-
继电器
温度Y(t) 白炽灯
数字温度传感器
图 3.2 温度控制系统结构框图 本次课程设计的被控对象是 40W 的白炽灯，用白炽灯作为加热源，使用 220V 交流电为其供电，将其放在纸盒里构成恒温箱，并用数字温度传感器 DS18B20
指令 读 ROM（33H） 匹配 ROM（55H） 跳过 ROM（CCH） 搜 ROM（F0H） 报警搜索（ECH）
图4-5 64 位ROM 的结构
说明 读 DS1820 的序列号 继读完 64 位序列号的一个命令，用于多个 DS1820 时定位 此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有 DS1820 识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备 仅温度越限的器件对此命令作出响应
亮，蜂鸣器响，同时单片机给继电器一个控制信号使继电器线圈通电，使得白炽
灯发光进而提高恒温箱的温度；当恒温箱温度高于给定值时，蜂鸣器响，同时单
片机给继电器一个控制信号使继电器线圈断电，白炽灯熄灭进而降低恒温箱的温
度。这样恒温箱的温度就能被控制在给定值，从而实现一定范围的温度控制。
四、系统硬2 件设计
3
寄存器内容 温度最低数字位 温度最高数字位
高温限制 低温限制
保留 保留 计数剩余值 每度计数值 CRC 校验
字节地址 0 1 2 3 4 5 6 7 8
表3 DS18B20暂存器分布
该字节各位的意义为 TM R1 R0 1 1 1 1 1 ，低五位一直都是 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，用户不用改动，R1 和 R0 用来设置分辨率，DS18B20 出厂时被设 置为 12 位，分辨率设置如表 4 所示。
图4-4 DS18B20内部结构 寄生电源由二极管 VD1、VD2 和寄生电容 C 组成，电源检测电路用于判定 供电方式，寄生电源供电时，VDD 端接地，器件从单线总线上获取电源，在 DQ 线呈低电平时，改由 C 上的电压 Vc 继续向器件供电。该寄生电源有两个优 点：第一，检测远程温度时无需本地电源；第二，缺少正常电源时也能读 ROM。 若采用外部电源 VDD，则通过 VD2 向器件供电。 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的 地址序列码，如图 4-5 所示。开始 8 位（28H）是产品类型标号，接着的 48 位是
表1 DS18B20的ROM命令
DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术。其内部的低温度系数振荡 器能产生稳定的频率信号 f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号 f。 当计数门打开时，DS18B20 对 f0 计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决 定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。测量结果存入温度
三极管的发射极 E 上，并且并联一个反向的二极管以保护三极管，三极管的基 极串联一个 10K 电阻接到单片机 P3.7 位上，40W 的白炽灯接到继电器的常开 触点上。继电器与单片机的接口电路如下：
白炽灯
+5 V
16
1
交流电源
线圈 1 K
A
继电器
41 48
1
LE D1
S8 550 10 K
P3 .7
寄存器中。一般情况下的温度值应为 9 位（符号点 1 位），但因符号位扩展成高 8 位，故以 16 位被码形式读出，表 2 给出了温度和数字量的关系。
温度/℃ +125
二进制表示 00000111 11010000
十六进制表示 07D0H
+25.0625 +0.5
00000001 10010001 00000000 00001000
指令 温度转换（44H） 读数据（BEH） 写数据（4EH） 复制（48H） 读 EERAM（B8H） 读电源供电方式（B4H）
说明 启动在线 DS1820 做温度 A/D 转换 从高速暂存器读 9bits 温度值和 CRC 值 将数据写入高速暂存器的第 2 和第 3 字节中 将高速暂存器中第 2 和第 3 字节复制到 EERAM 将 EERAM 内容写入高速暂存器中第 2 和第 3 字节 了解 DS1820 的供电方式
测量恒温箱温度。硬件电路部分包括：单片机最小系统电路、测温电路、继电器
控制电路、声音报警电路、LED 显示电路、串口通信电路、按键控制电路。系
统工作原理为：恒温箱的温度通过 DS18B20 检测并转为数字信号，单片机处理
后送到四位共阴极数码管显示。PC 通过串口与单片机通信烧录程序，并通过按
键给单片机一个被控温度设定值，当恒温箱温度低于给定值时，红色发光二极管
4
本设计硬件电路部分包括：单片机最小系统电路、测温电路、继电器控制电路、 声光报警电路、LED 显示电路、串口通信电路和按键控制电路七个部分。 总图见附录 1 1、单片机最小系统电路
单片机的复位电路采用的是上电复位和手动复位电路，即用一个 1K 的电阻和 10uF 的电解电容构成复位电路。振荡电路是由 2 个 30pF 电容和 11.0592MHz 的晶振构成。原理图如下：
P0 .4
P1 .6
P0 .5
P1 .7
P0 .6
R ST/V PD
P0 .7
P3 .0 /R x D EA /Vp p
P3 .1 /T x DA LE/PR O G
P3 .2 /IN T0 PS EN
P3 .3 /IN T1 P2 .7
P3 .4 /T 0
P2 .6
P3 .5 /T 1
P2 .5
P3 .6 /W R
二、课程设计要求
通过设计，掌握计算机控制系统、自动控制原理等课程理论知识在自动控制 中的应用方法。具体要求如下：
（1）用温度传感器 DS18B20 实现温度检测； （2）用单片机作为控制器； （3）用继电器进行开关控制； （4）具有声音报警功能； （5）测得温度用四位共阴数码管显示； （6）控制的温度误差范围为±1℃； （7）用按键调节设定温度。