1 引言

1.1雞舍溫度控制系統設計的意義

(資料圖)

隨著社會的發展，科技的進步，以及測溫儀器在各個領域的應用，智能化已是現代溫度控制系統發展的主流方向。特別是近年來，溫度控制系統已應用到人們生活的各個方面，但雞舍溫度控制一直是一個未開發的領域，卻又是與人們息息相關的一個實際問題。針對這種實際情況，設計一個雞舍溫度控制系統，具有廣泛的應用前景與實際意義。

1.2雞舍溫度控制系統的設計背景

溫度是科學技術中最基本的物理量之一，物理、化學、生物等學科都離不開溫度。在工業生產和實驗研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造、糧食存儲、酒類生產等領域內，溫度常常是表征對象和過程狀態的最重要的參數之一。比如，發電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內；許多化學反應的工藝過程必須在適當的溫度下才能正常進行；煉油過程中，原油必須在不同的溫度和壓力條件下進行分餾才能得到汽油、柴油、煤油等產品。沒有合適的溫度環境，許多電子設備就不能正常工作，糧倉的儲糧就會變質霉爛，酒類的品質就沒有保障。因此，各行各業對溫度控制的要求都越來越高。可見，溫度的測量和控制是非常重要的。 單片機在電子產品中的應用已經越來越廣泛，在很多的電子產品中也用到了溫度檢測和溫度控制。隨著溫度控制器應用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場合的智能溫度控制器應運而生。

1.3雞舍溫度控制系統的設計目的

本設計的內容是溫度測試控制系統，控制對象是溫度。溫度控制在日常生活及工業領域應用相當廣泛，比如溫室、水池、發酵缸、電源等場所的溫度控制。而以往溫度控制是由人工完成的而且不夠重視，其實在很多場所溫度都需要監控以防止發生意外。針對此問題，本系統設計的目的是實現一種可連續高精度調溫的溫度控制系統，它應用廣泛，功能強大，小巧美觀，便于攜帶，是一款既實用又廉價的控制系統。

1.4雞舍溫度控制系統完成的功能

本設計是對溫度進行實時監測與控制，設計的溫度控制系統實現了基本的溫度控制功能：當溫度低于設定下限溫度時，系統自動啟動加熱繼電器加溫，使溫度上升，同時綠燈亮。當溫度上升到下限溫度以上時，停止加溫；當溫度高于設定上限溫度時，系統自動啟動風扇降溫，使溫度下降，同時紅燈亮。當溫度下降到上限溫度以下時，停止降溫。溫度在上下限溫度之間時，執行機構不執行。三個數碼管即時顯示溫度，精確到小數點一位。

2 總體設計方案

2.1方案一

測溫電路的設計，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進行A/D轉換后，就可以用單片機進行數據的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設計需要用到A/D轉換電路，感溫電路比較麻煩。

2.2 方案二

考慮使用溫度傳感器，結合單片機電路設計，采用一只DS18B20溫度傳感器，直接讀取被測溫度值，之后進行轉換，依次完成設計要求。 比較以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設計容易實現，故實際設計中擬采用方案二。 2.3方案二的總體設計 本系統的電路設計方框圖如圖1所示，它由三部分組成:①控制部分主芯片采用單片機AT89S51；②顯示部分采用3位LED數碼管以動態掃描方式實現溫度顯示；③溫度采集部分采用DS18B20溫度傳感器。

單片機AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩個口就能滿足電路系統的設計需要，很適合便攜手持式產品的設計使用，系統應用三節電池供電。

(2) 顯示部分 顯示電路采用3位共陽LED數碼管，從P0口送數，P2口掃描。

(3) 溫度采集部分 DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫。這一部分主要完成對溫度信號的采集和轉換工作，由DS18B20數字溫度傳感器及其與單片機的接口部分組成。數字溫度傳感器DS18B20把采集到的溫度通過數據引腳傳到單片機的P1.0口，單片機接受溫度并存儲。

此部分只用到DS18B20和單片機，硬件很簡單。

a. DS18B20的性能特點如下[9]：

1) 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； 2) 多個DS18B20可以并聯在惟一的三線上，實現多點組網功能； 3) 無須外部器件； 4) 可通過數據線供電，電壓范圍為3.0～5.5V； 5) 零待機功耗； 6) 溫度以3位數字顯示； 7) 用戶可定義報警設置； 8) 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； 9) 負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發熱而燒毀，但不能正常工作。 b. DS18B20的內部結構 DS18B20采用3腳PR－35封裝，如圖2所示；DS18B20的內部結構，如圖3所示。 圖2 DS18B20封裝 c.DS18B20內部結構主要由四部分組成[5]： 1) 64位光刻ROM。開始8位是產品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因[10]。64位閃速ROM的結構如下：

MSB LSB MSB LSB MSB LSB 圖3 DS18B20內部結構

2) 非揮發的溫度報警觸發器TH和TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限值。

3) 高速暫存存儲，可以設置DS18B20溫度轉換的精度。 DS18B20溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2PRAM。高速暫存RAM的結構為8字節的存儲器，結構如圖3所示。頭2個字節包含測得的溫度信息，第3和第4字節TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5個字節，為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數值。它的內部存儲器結構和字節定義如圖3所示。低5位一直為１，TM是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式， DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉換的精度位數，來設置分辨率,如圖4。

圖5 DS18B20字節定義 由表1可見，分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時間越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。

高速暫存RAM的第6、7、8字節保留未用，表現為全邏輯1。第9字節讀出前面所有8字節的CRC碼，可用來檢驗數據，從而保證通信數據的正確性。 當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節。單片機可以通過單線接口讀出該數據，讀數據時低位在先，高位在后，數據格式以0.0625℃／LSB形式表示。 當符號位S＝0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位S＝1時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數值。表2是一部分溫度值對應的二進制溫度數據[6]。

表1 DS18B20溫度轉換時間表：

4) CRC的產生 在64 b ROM的最高有效字節中存儲有循環冗余校驗碼（CRC）。主機根據ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比較，以判斷主機收到的ROM數據是否正確。 另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統對DS18B20的各種操作按協議進行。操作協議為：初使化DS18B20（發復位脈沖）→發ROM功能命令→發存儲器操作命令→處理數據。

3 DS18B20溫度傳感器簡介

3.1溫度傳感器的歷史及簡介

溫度的測量是從金屬(物質)的熱脹冷縮開始。水銀溫度計至今仍是各種溫度測量的計量標準。可是它的缺點是只能近距離觀測，而且水銀有毒，玻璃管易碎。代替水銀的有酒精溫度計和金屬簧片溫度計，它們雖然沒有毒性，但測量精度很低，只能作為一個概略指示。不過在居民住宅中使用已可滿足要求。在工業生產和實驗研究中為了配合遠傳儀表指示，出現了許多不同的溫度檢測方法，常用的有電阻式、熱電偶式、PN結型、輻射型、光纖式及石英諧振型等。它們都是基于溫度變化引起其物理參數(如電阻值，熱電勢等)的變化的原理。隨著大規模集成電路工藝的提高，出現了多種集成的數字化溫度傳感器。

3.2 DS18B20工作原理

3.2.1 DS18B20的工作時序

根據DS18B20的通訊協議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟： (1) 每一次讀寫之前都必須要對DS18B20進行復位； (2) 復位成功后發送一條ROM指令； (3) 最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。

復位要求主CPU將數據線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待15～60微秒左右后發出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序，具體工作方法如圖5，6，7所示。 a.初始化時序 總線器件僅在主機發出讀時序是，才向主機傳輸數據，所以，在主機發出讀數據命令后，必須馬上產生讀時序，以便從機能夠傳輸數據。所有讀時序至少需要60us，且在2次獨立的讀時序之間至少需要1us的恢復時間。每個讀時序都由主機發起，至少拉低總線1us。主機在讀時序期間必須釋放總線，并且在時序起始后的15us之內采樣總線狀態。主機輸出低電平延時2us，然后主機轉入輸入模式延時12us，然后讀取總線當前電平，然后延時50us[4]。 3.2.2 ROM操作命令[3] 當主機收到DSl8B20 的響應信號后，便可以發出ROM 操作命令之一，這些命令如表3：ROM操作命令。

3.3 DS18B20的測溫原理

3.3.1 DS18B20的測溫原理

[6] 每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內ROM 中。主機在進入操作程序前必須用讀ROM(33H)命令將該DSl8B20的序列號讀出。 程序可以先跳過ROM，啟動所有DSl8B20進行溫度變換，之后通過匹配ROM，再逐一地讀回每個DSl8B20的溫度數據。 DS18B20的測溫原理如圖9所示，圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器1，高溫度系數晶振隨溫度變化其震蕩頻率 明顯改變，所產生的信號作為減法計數器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數門，當計數門打開時，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖后進行計數，進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 ℃所對應的基數分別置入減法計數器1和溫度寄存器中，減法計數器1和溫度寄存器被預置在-55 ℃所對應的一個基數值。減法計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計 數器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數器1的預置將重新被裝入，減法 計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到減法計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。圖8中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。 另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統對DS18B20的各種操作必須按協議進行。操作協議為：初始化DS18B20（發復位脈沖）→發ROM功能命令→發存儲器操作命令→處理數據。

3.3.2 DS18B20的測溫流程

4單片機接口設計

DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖11所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。

本設計采用電源供電方式， P1.1口接單線總線為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個MOSFET管和89S51的P1.0來完成對總線的上拉。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10 μs。采用寄生電源供電方式是VDD和GND端均接地。由于單線制只有一根線，因此發送接收口必須是三狀態的。主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過3個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。

5系統整體設計

5.1系統硬件電路設計

5.1.1 主板電路設計(如附錄2) 單片機的P1.0接DS18B20的2號引腳，P0口送數P2口掃描，P1.1、P1.2控制加熱器和電風扇的繼電器。

5.1.2 各部分電路

(1) 顯示電路 顯示電路采用了7段共陰數碼管掃描電路，節約了單片機的輸出端口，便于程序的編寫。 圖12 顯示電路圖

(2) 單片機電路 圖13單片機電路引腳圖

(3) AT89SISP下載口電路 圖14 下載口電路引腳圖 此電路連接單片機。

(4) DS18B20溫度傳感器電路 圖15 溫度傳感器電路引腳圖

(5) 繼電器電路 圖中P1.1引腳控制加熱器繼電器，P1.2引腳控制電風扇繼電器。給.P1.1低電平，三極管導通，電磁鐵觸頭放下來開始工作；同樣給P1.2低電平，三極管導通，電磁鐵觸頭放下來開始工作。

5.2 系統軟件設計

5.2.1 系統軟件設計的整體思想

一個應用系統要完成各項功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時還必須得到相應設計合理的軟件的支持，尤其是微機應用高速發展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時會變得很簡單，如數字濾波，信號處理等。因此充分利用其內部豐富的硬件資源和軟件資源，采用與S51系列單片機相對應的51匯編語言和結構化程序設計方法進行軟件編程。

程序設計語言有三種：機器語言、匯編語言和高級語言。機器語言是機器唯一能“懂”的語言，用匯編語言或高級語言編寫的程序（稱為源程序）最終都必須翻譯成機器語言的程序（成為目標程序），計算機才能“看懂”，然后逐一執行。 高級語言是面向問題和計算過程的語言，它可通過于各種不同的計算機，用戶編程時不必仔細了解所用的計算機的具體性能與指令系統，而且語句的功能強，常常一個語句已相當于很多條計算機指令，于是用高級語言編制程序的速度比較快，也便于學習和交流，但是本系統卻選用了匯編語言。原因在于，本系統是編制程序工作量不大、規模較小的單片機微控制系統，使用匯編語言可以不用像高級語言那樣占用較多的存儲空間，適合于存儲容量較小的系統。同時，本系統對位處理要求很高，需要解決大量的邏輯控制問題。

MCS—51指令系統的指令長度較短，它在存儲空間和執行時間方面具有較高的效率，編成的程序占用內存單元少，執行也非常的快捷，與本系統的應用要求很適合。而且MCS—51指令系統有豐富的位操作（或稱位處理）指令，可以形成一個相當完整的位操作指令子集，這是MCS—51指令系統主要的優點之一。對于要求反應靈敏與控制及時的工控、檢測等實時控制系統以及要求體積小、系統小的許多“電腦化”產品，可以充分體現出匯編語言簡明、整齊、執行時間短和易于使用的特點。

本裝置的軟件包括主程序、讀出溫度子程序、復位應答子程序、寫入子程序、以及有關DS18B20的程序（初始化子程序、寫程序和讀程序）等。

主程序的功能是：啟動DS18B20測量溫度，將測量值與給定值進行比較，若測得溫度小于設定值，則進入加熱階段，置P1.1為低電平，這期間繼續對溫度進行監測，直到溫度在設定范圍內，置P1.1為高電平斷開可控硅，關閉加熱器，等待下一次的啟動命令。當測得溫度大于設定值，則進入降溫階段，則置P1.2為低電平，這期間繼續對溫度進行監測，直到溫度在設定范圍內，置P1.2為高電平斷開，關閉風扇，等待下一次的啟動命。

5.2.2 系統程序流程圖

系統程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，復位應答子程序，寫入子程序等。 1）主程序 主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示、讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內測量一次被測溫度，其程序流程見圖19所示。 通過調用讀溫度子程序把存入內存儲中的整數部分與小數部分分開存放在不同的兩個單元中，然后通過調用顯示子程序顯示出來。 資料包括：

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