基于数字温度传感器 D S 18B 20 的智能温度控制器的设计

科技信息 SCIENCEINFORMATION 2007年 第13期 0.引言 单片机应用在现时生活中无处不在,本文介绍的就是单片机在温 度控制领域的一个应用———温度控制器。作为测温电路,主要采用了 先进的单总线数字温度传感器 DS18B20对温度信号的采集与处理, 实现对环境温度的智能控制功能。在保证设计质量和提高设计功能的 同时降低制作成本,对产品进行优化设计。 一、DS18B20芯片的介绍 1.DS18B20的 引脚分布(图1) DS18B20是属 于单总线方式来进 行温度采集的,所 谓的单总线是指 DS18B20与微处理 器连接时,仅需要 用一条数据线 (即 I/O)即可实现双向 通信,测温范围为- 55℃-+125℃,测量 分辨率为0.0625℃,并且可以实现多点测温等诸多优点。 2.DS18B20的测温原理 DS18B20的测温原理如图2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,高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变,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,当计数门打开 时,DS18B20就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和温度寄存 器中,减法计数器和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基值。减 法计数器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 数器的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器的预置将 重新被装入,减法计数器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即为所测温度。图中的斜率累加 器用于补偿和修正测温过程中的非线性,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,直至温度寄存器值 达到被测温度值,这就是DS18B20的测温原理。 图2 DS18B20的内部测温电路 3.DS18B20使用的注意事项: (1)DS18B20的操作协议: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 的各种操作必须按操作协议进行。 操作协议为:初始化 DS18B20(发复位脉冲)→发 ROM匹配功能 命令→发存储器操作命令→处理数据。 (2)DS18B20的延时问题:虽然 DS18B20有诸多优点,但使用起 来并非易事,由于采用单总线数据传输方式,DS18B20的数据 I/O均 由同一条线完成。因此,对读写的操作时序要求严格。为保证DS18B20 的严格I/O时序,需要做较精确的延时。在DS18B20操作中,用到的延 时有15μs,90μs,270μs,540μs等。 (3)在DS18B20测温程序设计中,向DS18B20发出温度转换命令 后,程序总要等待DS18B20的返回信号,一旦某个DS18B20接触不好 或断线,当程序读该DS18B20时,将没有返回信号,程序进入死循环。 这一点在进行 DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予足够的重 视。 本设计根据系统设计要求,所测温度精度为1℃,当然在实际应用 中还可根据用户的需要进行参数指标的修订。 二、智能温度控制器的基本原理介绍 1.智能温度控制器的基本原理 当DS18B20采集到温度信号(即DQ),并将信号送到AT89C51(即 P1.6)中,再将对应的温度送到数码显示器显示,同时单片机会根据初 始化所设置的环境温度的最高温度/最低温度进行判断处理,即如果 温度大于所设的最高温度就启动风扇降温;如果温度小于所设的最低 温度就启动加热(或报警)装置。还可以通过按键来随时调节环境温度 的最高温度/最低温度值。 2.智能温度控制器实现的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 框图如下(图3): 图3 智能温度控制器的原理框图 3.本系统的指标要求: (1)能对0～100℃度范围内的各种环境温度进行精确测量,精确度 为1℃,误差为0.5℃; (2)能对所测环境温度进行实时显示; (3)能对所测环境温度进行智能控制,若大于所设的最高温度能 启动风扇降温;若小于所设的最低温度就启动报警。 4.智能温度控制器系统的软件设计 整个软件系统包含:显示程序、按键程序、DS18B20初始化、写 DS18B20、读 DS18B20的程序、温度转化及读出转换后的温度值等子 程序来组成。下面简单介绍几个主要的子程序。 (1)程序的结构(图4) (2)DS18B20初始化的流程图(图5) (3)DS18B20写入/读出的流程图(图6/图7) 基于数字温度传感器DS18B20的智能温度控制器的设计 王海燕 高之圣 (淮安信息职业技术学院 江苏 淮安 223003) 摘要:本文主要介绍利用单总线数字温度传感器DS18B20的一种智能温度控制器的设计。本系统由DS18B20完成对环境温度信号的采 集,并把采集到的信号送给单片机(MCU)进行处理,并完成相应的智能控制,同时将所测得环境温度在显示电路实时显示。 关键词:DS18B20;单片机;温度采集;智能控制 ○科教视野○ 图1 263 科技信息 SCIENCEINFORMATION 2007年 第13期 ● (上接第268页)点。该类问题的解决不仅具有重要的理论意义,而且 在国民经济各行各业有非常重要的应用前景。目前对这类问题的研究 已转向模拟生物智能的智能化方向发展。在探索智能形成机制方面所 取得的成就给人们的启示是:研究智能的最好方式是向人类自身学 习。目前对智能的模拟和研究主要存在三个不同的方法和技术: (1)人工神经网络方法,它以生物大脑神经元受外界刺激后相互作 用为原型,在神经元层次上模拟大脑神经系统进而模拟生物大脑的自 主学习和自适应的能力。基于神经网络的神经计算是一种能够模拟人 脑局部功能的超大规模并行计算,1985年 Hopfield和 Tank[2]两人开 拓性地采用 Hopfield神经网络模型对困难的 TSP(TravelingSaleman Problem)这个NP2完全问题进行了研究,取得了传统方法无法取得的 可喜结果。 (2)进化计算方法[3],它以达尔文进化论为支持,借鉴生物界自然选 择和自然遗传机制的生物群体优胜劣汰的竞争机制,主要包括遗传算 法(genericalgorithms,简记为 GAs)、进化规划(evolutionaryprogramming ,简记为EP)和进化策略(evo2lutionarystrategies,简记为ESs)。进化计算 的研究试图揭示学习过程在基因层次上的实现,其中以 Holland[4]提出 的遗传算法最具代表性。在算法实现方面,它具备了结构上的隐含并 行性、计算原理上的随机性和自适应性,对非线性复杂问题的全局搜 索能力及简单通用、鲁棒性强的显著特点,迅速成为国际学术界和工 程界关注的热点. (3)DNA分子生物技术,这是一个最新发展起来的以模拟分子生物 DNA的双螺旋结构和碱基互补配对规律进行信息编码的方法和技术. 从遗传进化、人工神经网络和DNA分子生物技术对智能的模拟过程 看,它们分别对应生物群体、生物神经元和生物分子三个截然不同的 层次,由此可以看到,基于对分子生物 DNA的模拟和研究将有可能更 深刻地揭示智能形成的本质. 6.结论与展望 DNA计算向人们展示了生物计算机能彻底实现现有计算机无法 真正实现的大规模并行处理和组合运算功能,是彻底解决包括NP等 困难问题的突破口之一,它在特定的复杂问题或领域已显示出极大的 潜力,这一新领域的巨大潜力值得人们重视和培育。DNA计算待解决 的问题及发展方向有: (1)探索其它新的DNA计算模型及可由 DNA计算解决的 NP问 题。 (2)探索一种分子高级语言所必须的基本生物操作。 (3)研究 DNA计算与各种软科学的结合和集成,探索 DNA计算 在工程和智能控制中的应用。 (4)开发可利用的各种 DNA芯片,以用于计算机、半导体和光化 学合成等微加工技术。 总之,DNA计算的理论研究和实际实现等待人们进一步的深入 研究,与智能系统中软计算方法相结合的途径需更好地探索,它的出 现拓宽了人们对自然计算现象的理解,使生物计算成为可能,这一方 面的探究是必要的,而且具有重要的理论与实际价值,相信这项科目 的突破能给许多相关学科带来巨大的进步。 参考文献 [1]L Adleman.MolecularComputationofSolutiontoCombinatorial problems[J].Science,1994,66(11):1021-1024. [2]HopfieldJJ,TankDW.NeuralComputationofdicisionOptimiza2tion problems[J].Biol.Cybernetics,1985,52:141-152. [3]BThomas,etal.EvolutionaryComputation:CommentsontheHistory andCurrentState[J].1997,1(4):3-17. [4]HollandJH.AdaptationinNaturalandArtificialSystems[M].Ann Arbor:TheUniversityofMichiganPress,1975. [5]殷志祥.图与组合优化中的DNA计算[M].北京:科学出版社,2004. 作者简介:杨燕(1978-),女,安徽淮南,安徽理工大学电气工程 系,硕士,现为从事智能控制技术方面的研究。 科 图4 主程序流程图 图5 DS18B20初始化 图6 DS18B20写入 图7 DS18B20读出 三、结论 本文介绍的智能温度控制器,充分利用单片机提供的内部资源, 对DS18B20采集的温度信号进行显示与智能控制。本设计对锅炉温 度的自动控制以及空调温度的自动调节等场合具有较强的应用价值。 其测温精度可达1°C,甚至更高。从使用的效果方面它具有高稳定性, 高抗干扰性及采集温度快等特点。从制作的成本上,器件取材方便,电 路简易,实用性强!本系统最终设计并调试成功,完全满足系统设计各 项指标要求。 参考文献 [1]孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用.南京:南京工学院出版社. 1987.2. [2]李永敏.数字化测试技术-模拟信号调理.数据转换及采集技术.北京:航空工 业出版社.1987.3. [3]张洪润,蓝清华.单片机应用技术教程[M].北京:清华大学出版社.1997. [4]智能温度传感器Ds18b20在多路测温中的应用.现代电子技术.2004年 22 期.徐文进等. [5]基于单片机的网络型智能多点温度控制器.机电工程.2006年01期.金波等. [6]基于单片机的温控装置.煤矿机械.2005年09期.王仲训等. 作者简介:王海燕(1979-),女,淮安信息职业技术学院助教,江南 大学在读研究生,主要从事单片机自动控制方面的教学和研究。 高之圣(1978-),男,淮安信息职业技术学院助教,江南大学在读 研究生,主要从事单片机自动控制方面的教学和研究。 ● 科 ○科教视野○ 264