基于单片机温度自动控制系统 - 图文

5．每片DS18S20具有唯一的64位序列码，这些码允许多片DS18S20在同一条1-Wire总线上工作，因而，可方便地使用单个微处理器控制分布在大范围内的多片DS18S20器件。

6．DS18S20的测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时还可以传送给CRC校验码，它具有极强的抗干扰纠错的能力。

7．DS18S20具有负载特性，当电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但是不能正常的工作。

根据以上这些特性而从中受益的应用包括：HVAC环境控制、室内，设备或者机器内部的温度监测系统、过程监控和控制系统。

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第3章电路设计

本设计采用按键作为输入控制，通过温度多采样单元采集温度信息，经过LM324放大器放大及ADC0809数模转换器将其转换，由主机AT89C51进行处理并将实际温度值和设定温度值分别显示在共阳极数码显示管LED上。

3.1单片机控制单元

单片机控制单元，如下图3-1所示，包括按键控制电路，其中按键控制电路这一模块设置了：“设置”、“加1”、“右移”、“确定”四个按键，来实现人机对话。人为地设定温度门限值，使电路在人为设定的某一温度值相对稳定的工作。

图3-1 按键控制电路

3.2温度采样部分

温度采样单元，如下图3-2所示，用于采集被控对象的温度参数，它由温度电压转换、小信号放大及A/D转换三部分组成。其中，将温度转化为电量的温度电压转换由温度传感器-热敏电阻实现，小信号放大由桥式放大电路实现，A/D转换选择模数转换器ADC0809，将采集到的温度模拟信号转换为AT89C51能够处理的二进制数字信号。

温度传感器：广义来讲，一切随温度变化而物体性质亦发生变化的物质均可作为温度传感器。例如，我们平常使用的各种材料、元件，其性质或多或少地都会随其所处的环境温度变化而变化，因而它们几乎都能作为温度传感器使用。但是，一般真正能作为实际中可使用的温度传感器的物体一般需要具备下述条件：

1．物体的特性随温度的变化有较大的变化，且该变化量易于测量。

2．对温度的变化有较好的一一对应关系，即对除温度外其他物理量的变化不敏感。

3．性能误差及老化小、重复性好，尺寸小。 4．有较强的耐机械、化学及热作用等的特点。 5．与被检测的温度范围和精度相适应。 6．价格适宜，适合于批量生产。

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符合上述条件的常用温度传感器有热电偶、热电阻、光辐射温度计、玻璃温度计、半导体集成温度传感器等。

图3-2温度采样单元

3.3模数转换部分

模数转换是将模拟输入信号转换为N位二进制数字输出信号的技术。采用数字信号处理能够方便地实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。与之相应的是，作为模拟系统和数字系统之间桥梁的模数转换的应用日趋广泛。为了满足市场的需求，各芯片制造公司不断推出性能更加先进的新产品、新技术，令人目不暇接。 3.3.1模数转换技术

本次设计还涉及到数模转换技术，而模数转换技术包括采样、保持、量化和编码四个过程。

1．采样就是将一个连续变化的模拟信号x(t)转换成时间上离散的采样信号x(n)。根据奈奎斯特采样定理，对于采样信号x(t)，如果采样频率fs大于或等于2fmax(fmax为x(t)最高频率成分)，则可以无失真地重建恢复原始信号x(t)。实际上，由于模数转换器器件的非线性失真、量化噪声及接收机噪声等因素的影响采样速率一般取fs=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度tw是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。

2．要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。

3．量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。

4．编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。

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3.3.2积分型模数转换器

积分型模数转换器称双斜率或多斜率数据转换器，是应用最为广泛的转换器类型。双斜率转换器包括两个主要部分：一部分电路采样并量化输人电压，产生一个时域间隔或脉冲序列，再由一个计数器将其转换为数字量输出。双斜率转换器由1个带有输人切换开关的模拟积分器、1个比较器和1个计数单元构成。积分器对输入电压在固定的时间间隔内积分，该时间间隔通常对应于内部计数单元的最大计数。时间到达后将计数器复位并将积分器输入连接到反极性(负)参考电压。在这个反极性信号作用下，积分器被“反向积分”直到输出回到零，并使计数器终止，积分器复位。

积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，但它们的精度可以做得很高，并且抑制高频噪声和固定的低频干扰(如50 Hz或60 Hz)的能力，使其对于嘈杂的工业环境以及不要求高转换速率的应用非常有效。

3.4显示部分

通过74LS164芯片将主机处理的温度信息显示在LED数码管上。下图3-3为温度控制系统的单片机显示部分。而显示部分在整个的设计过程中的作用也是很大的。

图3-3 温度显示电路

3.5 调节执行单元

调节执行单元，如下图3-4 所示采用实时控制的方法，在主机AT89C51的P1.4口输出温度控制信号，由光电耦合器MOC3041（光电耦合器）和可控硅SCR组成。其中光电耦合器MOC3041的作用是将单片机系统与可控硅SCR电路隔开，避免在高压过程中的干扰信号影响单片机的运行；可控硅SCR的作用是相当于一个固态的触点，使之有能力开启或关断电炉，从而控制电炉通断，以实现对水温的实时控制。

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