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第一章 前言
本论文介绍单片机结合DS18B20设计的智能温度控制系统，系统用一种新型的“一总线”可编程数字温度传感器（DS18B20），不需复杂的信号调理电路和A／D转换电路能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高、功耗低、微型化、抗干扰能力强，可根据不同需要用于各种温度监控及其他各种温度测控系统中。
美国DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20，具有微型化低功耗、高性能、可组网等优点，新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20的测温分辨率较高，DS18B20可直接将温度转化成串行数字信号，因此特别适合和单片机配合使用，直接读取温度数据。目前DS18B20数字温度传感器已经广泛应用于恒温室、粮库、计算机机房。测量温度范围为 -55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,误差为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为0.0625°C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！DS18B20使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
热电致冷器件特别适合于小热量和受空间限制的温控领域。改变加在器件上的直流电的极性即可变致冷为加热，而吸热或放热率则正比于所加直流电流的大小。Pe1tier 温控器的设定温度可以在一个较宽的范围内任意选择，可选择低于或高于环境温度。
在本系统中我们选用了天津蓝天高科电源有限公司生产的半导体致冷器件 TES1－12739,其最大温差电压 14.7V,最大温差电流3.9A最大致冷功率33.7W。
1.5 其它部分
系统采用Samsung（三星）公司生产的真空荧光数码显示屏 VFD用来实时显示当前温度，以观察控制效果。键盘和串行通信接口用来设定控制温度和调整PID参数。系统电路原理图如图3所示。
2 系统软件设计
系统开始工作时，首先由单片机控制软件发出温度读取指令，通过数字温度传感器 DS18B20 采样被控对象的当前温度值T1并送显示屏实时显示。然后，将该温度测量值与设定值T比较，其差值送 PID控制器。PID 控制器处理后输出一定数值的控制量，经DA 转换为模拟电压量，该电压信号再经大电流驱动电路，提高电流驱动能力后加载到半导体致冷器件上，对温控对象进行加热或制冷。加热或制冷取决于致冷器上所加电压的正负，若温控对象当前温度测量值与设定值差值为正，则输出负电压信号，致冷器上加载负电压温控对象温度降低；反之，致冷器上加载正向电压，温控对象温度升高。上述过程：温度采样－计算温差－PID调节－信号放大输出周而复始，最后将温控对象的温度控制在设定值附近上下波动，随着循环次数的增加，波动幅度会逐渐减小到某一很小的量，直至达到控制要求。为了加快控制，在进入PID控制前加入了一段温差判断程序。当温度差值大于设定阈值Δt时，系统进行全功率加热或制冷，直到温差小于Δt才进入PID控制环节。图4为系统工作主程序的软件流程图．
3 结论
本文设计的基于单片机数字PID控制的精密温度控制系统，在实际应用中取得了良好的控制效果，温度控制精度达到±0.1℃。经48小时连续运行考验，系统工作稳定，有效地降低了辐亮度标准探测器的温度系数，使辐亮度标准探测器在温度变化较大的环境中也能保持其高精度，为实现基于探测器的高精度辐射定标的广泛应用奠定了基础。
本文作者创新点：在原来基于PC的PID温控系统的基础上，设计了由单片机、数字式温传感器DS18B20和半导体致冷器组成的精密温度控制系统。该温控系统的应用为高精度光辐射测量仪器－辐亮度标准探测器的小型化、智能化提供了有利条件。
二.系统软件设计
图4 系统程序流程图
2.1 系统程序流程图
系统程序流程图如图4所示。
2.2 温度部分软件设计
DS18B20的一线工作协议流程是：初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。故主机控制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。程序主要函数部分如下：
（1）初始化函数
//读一个字节函数
ReadOneChar(void)
{unsigned char i=0;
unsigned char dat = 0;
for (i=8;i>0;i--)
{ DQ = 0; // 给脉冲信号
dat>>=1;
DQ = 1; // 给脉冲信号
if(DQ)
dat|=0x80;
delay(4);}
return(dat);}
//写一个字节函数
WriteOneChar(unsigned char dat)
{unsigned char i=0;
for (i=8; i>0; i--)
{DQ = 0;
DQ = dat&0x01;
delay(5);
DQ = 1;
dat>>=1;}}
（2）读取温度并计算函数
ReadTemperature(void)
{unsigned char a=0;
unsigned char b=0;
unsigned int t=0;
float tt=0;
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); // 跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0x44); // 启动温度转换
Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度
a=ReadOneChar();
b=ReadOneChar();
t=b;
t<<=8;
t=t|a;
tt=t*0.0625;
t= tt*10+0.5; //放大10倍输出并四舍五入---此行没用
（3）主程序部分见前
return(t);}
三. 结束语
AT89C2051单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好。即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量来开发所希望的单片机应用系统。本文的温度控制系统只是单片机广泛应用于各行各业中的一例，相信读者会依靠自己的聪明才智使单片机的应用更加广泛化。另外对本例子可以作一些扩展，单片机的应用越来越广泛,由于单片机的运算功能较差,往往需要借助计算机系统,因此单片机和PC机进行远程通信更具有实际意义。目前此设计已成功应用于钻井模拟器实验室室温控制。
本文作者创新观点：采用的单片机AT89C2051性价比高，而且温度传感器DS18B20转化温度的方法非常简洁且精度高、测试范围较广。
参考文献
[1]林伸茂.8051单片机彻底研究基础篇 北京：人民邮电出版社 2004
[2]范风强等.单片机语言C51应用实战集锦 北京：电子工业出版社 2005
[3]谭浩强.C语言程序设计（第二版） 北京：清华大学出版社 1999
[4]夏路易等.电路原理图与电路板设计教程 北京：北京希望电子出版社 2002
[5]赵晶.Protel99高级应用 北京：人民邮电出版社 2000
[6]聂毅.单片机定时器中断时间误差的分析及补偿[J] 微计算机信息 2002,18(4):37~38
