基于AVR單片機的爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、華北科技學院畢業(yè)設計基于AVR單片機的爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設計總說明：溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一，象冶金、機械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等，對工件的處理溫度要求嚴格控制。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用，溫度控制的手段也越來越優(yōu)越，單片機因具有處理能力強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，尤其在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高，得到了廣泛應用。該系統(tǒng)設計了以AVR單片機為控制核心的爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。選擇DS18B20作為溫度傳感器，實時監(jiān)測低溫電阻爐溫度；基于交流觸發(fā)器和晶閘管觸發(fā)電路的混合

2、控制，達到快速準確調(diào)節(jié)溫度。設計了硬件原理圖，并詳細論述了各個硬件組成部分的工作原理，以及各部分所使用的元器件。將其應用于電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)，滿足了溫度控制穩(wěn)定性的要求，減少了操作人員的勞動量和帶來的人為誤差，提高了產(chǎn)品的熱處理質(zhì)量。本基于AVR單片機的爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設計的總體方案包括：一、溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設計；二、系統(tǒng)軟件的設計；三、PID控制器的設計。首先是溫度傳感器的選擇。目前常用的測溫傳感器分模擬和數(shù)字兩種方式：模擬方式如熱敏元件或熱電阻等；數(shù)字方式多采用智能芯片DS18B20。模擬方式有很多小足。相比之下數(shù)字式比模擬式有更大的優(yōu)勢。新代數(shù)字溫度傳感器DS18B

3、20其優(yōu)點是：電壓適用范圍寬；單線接口數(shù)據(jù)傳輸方式；支持組網(wǎng)實現(xiàn)多點測溫；測溫范圍寬、精度高、體積小、外圍電路簡單等。本系統(tǒng)選擇的溫度傳感器就是DS18B20，系統(tǒng)開始工作時，DS18B20采集溫度信號并將信號送到單片機中，再將對應的溫度送顯示并保存數(shù)據(jù)信息，同時單片機會根據(jù)初始化所設置的溫度進行比較，將其差值送PID控制器，處理后輸出一定數(shù)值的控制量，根據(jù)控制量，控制晶閘管主回路的導通時間來調(diào)節(jié)輸入功率，從而控制電阻絲的發(fā)熱量，達到控制溫度的目的。其次，是外圍硬件電路的設計，外圍硬件電路包括溫度檢測、晶閘管觸發(fā)電路、鍵盤及LCD顯示電路、晶振電路，復位電路、報警電路等。本次設計選擇AVR單片

4、機型號為ATmega8 ，ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機。根據(jù)單片機的I/O口設計硬件電路，合理分配I/O接口，電路設計簡潔、直觀，成本低廉，溫度測量準確。第三，系統(tǒng)軟件設計。系統(tǒng)的軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求來設計的。軟件按功能可分為兩類，一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實際性的功能，如溫度測量、計算、顯示、輸出控制等；另一類是監(jiān)控軟件，它是專門、用來協(xié)調(diào)各種執(zhí)行模塊和操作者的關系，充當組織調(diào)度角色。第四，PID控制器的設計。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)

5、的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制是由P, I, D三個環(huán)節(jié)的不同組合而成。其基本組成原理比較簡單，參數(shù)的物理意義也比較明確。本次設計的是以溫度為被控制量的閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢測模塊作為閉環(huán)的反饋實時檢測溫度，經(jīng)過放大處理后將信號傳送給單片機，經(jīng)過處理后，一方面送與系統(tǒng)溫度設定值相比較，通過PID算法控制溫度達到所需值，以達到更準確的溫度控制。關鍵詞：AVR單片

6、機；DS18B20；PID控制；溫度檢測與控- V -華北科技學院畢業(yè)設計The Furnace Temperature Monitoring System of AVR SCMGeneral introduction:Temperature is one of the main controlled parameters in industrial objects. All kinds of heating furnace, heat treatment furnace and radiators are widely used in the industry likes metallurg

7、y, machinery, food and chemical industry, etc. Its strictly controlled in the requirements of processing temperature. As the development of electronic technology and computer technology, computer measurement as well as the control technology obtains a rapid development and widespread application. Mo

8、rever, the means of temperature control gets more and more superior. SCM gets a wide range of applications for the advantages of strong handling ability, fast running speed, low power consumption. Apart from this, the simple and convenient controlling, range measuring and high accuracy in temperatur

9、e measurement and control makes it more and more popular.Using AVR SCM as the core, the article designs a furnace temperature monitoring system. It chooses DS18B20 as the temperature sensor to monitor the low temperature resistance furnace temperature. Based on the mix control of communication trigg

10、er and grain brake canal trigger circuit, it achieves the purpose of fast and accurate temperature adjustment. The article designs a hardware principle diagram to illustrate the working principle of all parts of the hardware and each branch of the components. Applying into the intelligent electric h

11、eating temperature control system, it meets the requirements of the temperature control stability, reduces the amounts of operators and human error, improves the product quality of heat treatment, eic.The overall design of AVR SCM Furnace temperature monitoring system includes the following three pa

12、rts: the hardware circuit design of the temperature monitoring system, the design of the system software as well as the design of PID controller.First,the choice of temperature sensor. In nowadays, the common temperature sensor has two ways, one is analog and the other is digital. For example, the e

13、mperature sensing elements and heat resistance belong to the analog way, and the digital one is mainly using intelligent chip DS18B20. Compared to the analog way, digital way has much more advantages, likes the Wide application scope of voltage, One interface data transmission, Multi-point, wide rag

14、e, high precision, small volume and simple peripheral circuit temperature measurement, etc. The temperature sensor chosen by the system is DS18B20. After the operating of the system, DSI8B20 collectes the temperature signal and sends it to the chip, after that, it displays the corresponding temperat

15、ure and stores the data. At the same time, SCM will compare the real temperature with the initial set one and send the difference to the PID controller to get a output of a certain amount of control volume. And according to the control volume, it controls the thyristor circuit conduction time to adj

16、ust the input power and controls the calorific value of the resistance wire, aims to control the temperature.Second, the design of peripheral hardware circuit. Peripheral hardware circuit includes Temperature detection, Thyristor trigger circuit, Keyboard and LCD display circuit, Crystals circuit, R

17、eset circuit, Alarm circuit, etc. The type of AVR SCM we choose is ATmega8. ATmega8 is an-eight-SCM based on AVR RISC structure, produced by a low power consumption CMOS. According to the I/O mouth SCM, we design the hardware circuit and distribute I/O interface resonably. The design is simple, intu

18、itive, low cost and accuracy temperature measurement.Third, the design of System software. The designs of system software meets the requirements of system function. The software can be divided into two categories based on the system function. One is Implement software which can perform a variety of

19、practical function, such as temperature measurement, calculation, display, output control, etc. The other one is Monitoring software which is dedicated to coordinate the various executive module and the operator, playing a role as a coordinater.Four, the design of PID controller. A control system in

20、cludes the controller, sensors, transmitter, actuators and input/output interface.The output of the controller goes through the output interface and actuators and added to the controlled system. The quantity accused of the control system goes by the sensor, transmitter and sent to the controller thr

21、ough the input interface.In the engineering practice, the most widely used regulator control laws are Scale, Integral and Differential control, PID control for short. With the history of nearly seventy years, PID controller becomes one of the main technologs in industrial control for the simple stru

22、cture, good stability, convenient adjustment and reliable working. PID control is a combination of P, I, D.The basic principle of PID control is rather simple and its parameters of the physical meaning is rather clear. This design is a closed loop control system to detect the feedback real-time temp

23、erature of the module. After the amplification processing, it sends the signal to SCM. Comparing with the initial set temperature and caculating the necessary values of by PID algorithm to reach the aim of a better accuracy temprature control.Key words: AVR Single-chip Microcomputer;DS18B20;PID Cont

24、rol ;Temperature Detection and Control目錄設計總說明IGeneral introductionIII1. 緒論11.1 國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況11.1.1國外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展情況11.1.2 國內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況21.2 溫度控制的研究意義21.3 本論文的內(nèi)容和主要工作32. 系統(tǒng)總體設計42.1 電阻爐的數(shù)學模型及爐溫控制曲線42.2 系統(tǒng)控制的工藝要求42.3 系統(tǒng)的組成和基本原理52.3.1 系統(tǒng)的組成52.3.2 系統(tǒng)基本原理53. 硬件設計73.1 主機電路73.1.1 ATmega8簡單概述73.1.2 ATmega8主要特性8

25、3.1.3 ATmega8管腳說明103.1.4 ATmega8單片機接口的分配113.2 溫度檢測電路123.2.1 傳感器DS18B20的介紹123.2.2 DS18B20的供電方式143.2.3 DS18B20的讀寫時序153.2.4 DS18B20的測溫原理173.2.5 DS18B20與單片機接線183.3 電源電路193.4 顯示電路的設計203.4.1 SMC1602A總線方式驅(qū)動接口及讀/寫時序213.4.2 SMC1602A的操作指令223.4.3 SMC1602A和單片機接口電路243.5 鍵盤設置電路253.6 控制執(zhí)行電路253.6.1 交流接觸器工作原理263.6.2

26、 可控硅觸發(fā)電路調(diào)功控溫273.7 時鐘電路293.8 復位電路303.9 過限報警電路314.軟件設計324.1主程序的設計324.1.1 按鍵程序流程圖334.2 PID控制算法344.2.1 PID控制原理344.2.2 PID控制及其算法364.2.3 PID參數(shù)的整定374.2.4 PID軟件設計流程圖405. 結(jié)論41參考文獻42致謝43附錄A：程序清單44附錄B：DS18B20驅(qū)動53附錄C：SMC1602A驅(qū)動56華北科技學院畢業(yè)設計1. 緒論在鋼鐵、機械、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，電阻爐被廣泛應用于其中。而電阻爐是一個模型隨爐溫變化而變化的對象，這導致了溫度成為這

27、些行業(yè)極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。從工業(yè)爐溫、環(huán)境氣溫到人體溫度；從空間、海洋到家用電器，各個技術(shù)領域都離不開測溫和控溫。因此，測溫、控溫技術(shù)是發(fā)展最快、范圍最廣的技術(shù)之一。溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時滯以及不確定性。單純依靠傳統(tǒng)的控制方式或現(xiàn)代控制方式都很難達到高質(zhì)量的控制效果。采用單片機進行溫度控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標。1.1 國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1.1.1國外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展情況由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、

28、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。它們主要具有如下的特點：（1）適應于大慣性、大滯后等復雜溫度控制系統(tǒng)的控制。（2）能夠適應于受控系統(tǒng)數(shù)學模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。（3）能夠適應于受控系統(tǒng)過程復雜、參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)的控制。（4）這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術(shù)，運用先進的算法，適應的范圍廣泛。（5）普遍溫控器具有參數(shù)自整定功能。借助計算機軟件技術(shù)，溫控器具有對控制對象控制參數(shù)及特性進行自動整定的功能。有的還

29、具有自學習功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相關控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。（6）溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強、魯棒性好的特點。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。1.1.2 國內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于 20 世紀 80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后

30、、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。目前，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外的差距主要表現(xiàn)在如下幾個方面：（1）行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，導致研發(fā)能力不強，制約技術(shù)發(fā)展。（2） 商品化產(chǎn)品以 PID 控制器為主，智能化儀表少，這方面同國外差距較大。目前，國內(nèi)企業(yè)復雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)大多采用進口溫度控制儀表。（3） 儀表控制用關鍵技術(shù)、相關算法及控制軟件方面的研究較國外滯后。例如：在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還

31、沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件。控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試來確定。1.2 溫度控制的研究意義在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對是否能掌握溫度有著絕對的聯(lián)系。在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。溫度對于工業(yè)如此重要，由此設計一個具有高可靠性，靈活姓方便性和有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；信號易于處理、

32、傳送和自動控制；便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀；安裝方便，維護簡單的溫控是很有必要的。所以采用AVR單片機和DS1820傳感器構(gòu)成測溫系統(tǒng)來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等以上優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。針對目前市場的現(xiàn)狀，本課題提出了一種可滿足要求、可擴展的并且性價比高的單片機測溫系統(tǒng)。1.3 本論文的內(nèi)容和主要工作設計內(nèi)容：結(jié)合電力電子技術(shù)，達到高效率控制電阻爐，降低調(diào)節(jié)溫差，縮短調(diào)節(jié)時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低燃耗,節(jié)約能源。參數(shù)設定便利、直觀，溫度測量準確，控

33、制溫度范圍3080，過限報警，并最終由大屏幕液晶顯示參數(shù)系統(tǒng)設計的主要工作：（1）開發(fā)一個能進行數(shù)據(jù)處理，能完成控制功能的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含由AVR單片機及其復位電路，晶振電路，溫度傳感器與系數(shù)接口，顯示電路，存儲器及接口電路組成的控制器，以溫度為被控制量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2）根據(jù)系統(tǒng)功能要求對系統(tǒng)軟件進行設計。（3）使用PID控制算法對溫度進行控制。2. 系統(tǒng)總體設計 2.1 電阻爐的數(shù)學模型及爐溫控制曲線被控對象是一個電阻爐，它的傳遞函數(shù)可以表示為： =其中， 表示對象慣性時間，K表示對象放大系數(shù)。一個電爐的爐溫控制要求按下圖2-1所示曲線規(guī)律變化。從加溫開始到a點（對應溫度為Ta）

34、為自由升溫段，當溫度達到Ta后收入模糊PID控制，使爐溫在超調(diào)滿足給定指標的條件下進入保溫段bc，cd段為自然降溫段，無需控制。t/mindcba0T/圖2-1 爐溫控制曲線2.2 系統(tǒng)控制的工藝要求在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一，為了保證生產(chǎn)過程正常安全的運行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減輕工人的勞動強度，同時節(jié)約能源,須要求加熱用的各種電爐在一定的條件下保持恒溫，不能隨電壓的波動而變化.或者有的電爐根據(jù)工藝要求按照某個指定的升溫或保溫律而變化，且超調(diào)量小或者無超調(diào)量，穩(wěn)定性好，不振蕩。根據(jù)工藝的要求不同，大體上可以歸納為以下幾個過程：（1）自由升溫段，這一工藝過程要求執(zhí)行元件向

35、電阻爐輸送最大能量，使加熱爐全速升溫到某一值，升溫的時間和速度沒有具體要求，這時單片機不需要進行控制工作，只需檢測爐溫。（2）恒溫段，這一工藝過程是溫度控制的主要工藝過程，它要求控制系統(tǒng)保證爐溫在各種干擾下能穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。（3）自由降溫段，這一工藝過程中執(zhí)行元件不再向爐子輸送能量，讓其自然冷卻到某一溫度，此時單片機只需監(jiān)測爐溫即可，有時甚至無須做任何工作。2.3 系統(tǒng)的組成和基本原理2.3.1 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)由單片機、接口電路、外部設備等組成，如圖2-2所示?？刂茖ο蟮谋粶y參數(shù)經(jīng)傳感器、變換器，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號，再經(jīng)多路開關送到送入單片機。除此之外，有些被測參數(shù)為數(shù)字量、開關量或脈沖量

36、，它們可過接口直接加至單片機。單片機對數(shù)據(jù)進行處理和計算，然后經(jīng)模擬量或開關量輸出通道輸出，對被測參數(shù)進行控制?？刂茖ο髠鞲衅鞫嗦烽_關 單片 機串口通信口鍵盤顯示器執(zhí)行機構(gòu)開關量輸出開關量輸入圖2-2 系統(tǒng)的基本組成框圖2.3.2 系統(tǒng)基本原理溫度控制系統(tǒng)硬件電路由溫度檢測，單片機PID運算，輸出控制和過限報警四個模塊組成。如圖2-3所示，檢測模塊作為閉環(huán)的反饋實時檢測溫度，經(jīng)過放大處理后將信號傳送給單片機，經(jīng)過處理后，一方面送往液晶顯示器，另一方面，與系統(tǒng)溫度設定值相比較，通過PID算法控制溫度達到所需值。其中輸出控制模塊部分由兩塊組成：由晶閘管觸發(fā)電路和交流接觸器協(xié)調(diào)控制通斷。由于初始的全

37、功率加熱電流大，晶閘管允許通過的電流小，故采用交流接觸器進行控制；在后期的溫度調(diào)整時期，需要來回通斷以調(diào)整溫度達到預期值，對交流接觸器的觸點壽命有很大的影響，故采用晶閘管觸發(fā)電路。電阻爐傳感器Mega8顯示器/鍵盤設溫晶閘管交流接觸器過限報警隔離功放交流電晶閘管圖2-3系統(tǒng)工作原理圖3. 硬件設計硬件電路主要有：主機電路、溫度檢測電路、電源部分的電路、鍵盤設置電路、顯示電路、控制執(zhí)行電路、系統(tǒng)時鐘復位電路、過限報警電路。下面將具體介紹各部分電路。3.1 主機電路根據(jù)設計的要求，本系統(tǒng)選擇的是AVR系列的ATmega8單片機。3.1.1 ATmega8簡單概述ATmega8是基于增強的AVR R

38、ISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega8的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega8內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 ATmega8 有如下特點 :8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash( 具有同時讀寫的能力，即 RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K字節(jié) SRAM，32 個通用

39、I/O 口線，32 個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器 (T/C), 片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，10 位6路 (8路為TQFP與MLF封裝 )ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及五種可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和除了異步定時器與 AD

40、C以外所有I/O模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時的開關噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力。 本芯片是以Atmel高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi) ISP Flash允許程序存儲器通過ISP串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR內(nèi)核之中的引導程序進行編程。引導程序可以使用任意接口將應用程序下載到應用Flash存儲區(qū)(Application Flash Memory)。在更新應用Flash存儲區(qū)時引導Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW操作。

41、通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash集成在一個芯片內(nèi)，ATmega8成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega8 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器及評估板。具體的引腳圖如圖3-1所示。圖3-1 ATmega8引腳圖3.1.2 ATmega8主要特性l 高性能、低功耗的8位AVR微處理器，先進的RISC結(jié)構(gòu)l 130條功能強大的指令-大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期32個8位通用工作寄存器全靜態(tài)工作工作于16MHz 時性能高達16MIPS片內(nèi)集成硬件乘法器（執(zhí)行速度為2個時

42、鐘周期）片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器8K字節(jié)的Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)：10000次支持可在線編程（ISP）、可在應用自編程（IAP）帶有獨立加密位的可選BOOT區(qū)，可通過BOOT區(qū)內(nèi)的引導程序區(qū)（用戶自己寫入）來實現(xiàn)IAP編程。512個字節(jié)的E2PROM，擦寫次數(shù)：100000次1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密l 外設特點2個具有比較模式的帶預分頻器（Separate Prescale）的8位定時/計數(shù)器, 其中之一有比較功能一個具有預分頻器（SeParat Prescale）、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/計數(shù)器1個具

43、有獨立振蕩器的異步實時時鐘（RTC）3個PWM通道，可實現(xiàn)任意16位、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出8通道 A/D轉(zhuǎn)換（TQFP、MLF封裝），6路10位A/D+2路8位A/D6通道 A/D轉(zhuǎn)換（PDIP封裝），4路10位A/D+2路8位A/D1個I2C的串行接口，支持主/從、收/發(fā)四種工作方式，支持自動總線仲裁1個可編程的串行USART接口，支持同步、異步以及多機通信自動地址識別個支持主/從（Master/Slave）、收/發(fā)的SPI同步串行接口帶片內(nèi)RC振蕩器的可編程看門狗定時器片內(nèi)模擬比較器特殊的處理器特點上電復位以及可編程的掉電檢測片內(nèi)經(jīng)過標定的RC振蕩器片內(nèi)/片外中斷源l 五種睡

44、眠模式空閑模式（Idle）、ADC噪聲抑制模式（ADC Noise Reduction）。省電模式（Powersave）、掉電模式（Powerdown）、待命模式（Standby）l I/O 和封裝最多23個可編程I/O口，可任意定義I/O的輸入/輸出方向；輸出時為推挽輸出，驅(qū)動能力強，可直接驅(qū)動LED等大電流負載：輸入口可定義為三態(tài)輸入，可以設定帶內(nèi)部上拉電阻，省去外接上拉電阻28腳PDIP封裝，32腳TQFP封裝和 32腳MLF封裝l 工作電壓2.7 - 5.5V (ATmega8L)4.5 - 5.5V (ATmega8)l 速度等級0 - 8 MHz (ATmega8L)0 - 16

45、MHz (ATmega8)l 4 Mhz 時功耗, 3V, 25°C正常模式（Active）：3.6mA空閑模式（Idle Mode）：1.0mA掉電模式（Power-down Mode）：0.5uA 3.1.3 ATmega8管腳說明VCC ：數(shù)字電路的電源。GND ：地。端口B(PB7-PB0)：端口B是一個8位雙向I/O口，每一個引腳都帶有獨立可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。當端口B作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B仍處于高阻狀態(tài)。通過時鐘選擇熔絲位的設置，P

46、B6可作為反向振蕩放大器或時鐘操作電路的輸入端，PB7可作為反向振蕩放大器的輸出端。若通過系統(tǒng)時鐘選擇熔絲位的設置，則使用片內(nèi)標定RC振蕩器時鐘，通過置位ASSR寄存器的AS2位，可將PB6、PB7作為異步實時時鐘/計數(shù)器2的輸入口TOSC1、TOSC2使用。端口C(PC5-PC0)：端口C為7位雙向I/O口，每一個引腳都帶有獨立可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。當端口C作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C仍處于高阻狀態(tài)。PC6/RESET：若RSTDISBL熔絲位編程， PC6

47、作為I/O引腳使用。注意PC6的電氣特性與端口C的其他引腳不同。若RSTDISBL熔絲位未編程，PC6作為復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。端口D(PD7-PD0)：為8位雙向I/O口，每一個引腳都帶有獨立可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。當端口D作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D處于高阻狀態(tài)。RESET：復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。AVCC：是A/D轉(zhuǎn)換器、端口C(3-0)及ADC(7-6)的電源。不使用ADC時

48、，該引腳應直接與VCC連接。使用ADC時應通過一個低通濾波器與VCC連接。AREF：A/D的模擬基準輸入引腳。ADC7-6(TQFP與MLF封裝)：作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入。為模擬電源；作為10位ADC通道。3.1.4 ATmega8單片機接口的分配圖3-1 單片機接口的分配ATmega8單片機的接口如上圖所示，其中14腳接溫度傳感器DS18B20，13,15腳分別為兩個控制端，12腳為過限報警端，1腳接復位電路，9、10腳接晶振電路，2-5腳為鍵盤輸入端。23-28腳接LCD液晶顯示屏。3.2 溫度檢測電路3.2.1 傳感器DS18B20的介紹本次設計選用的是新代數(shù)字溫度傳感器DS18B2

49、0，DS18B20具有精度高，測量范圍大，不需要輔助電源等特點，且通過一個單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線）。并且用戶可以自定義非易失性溫度報警設置，所以DS18B20在溫度控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費品等許多熱感測系統(tǒng)中有廣泛應用。工作過程及操作指令根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議.完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟:（1）每次讀寫之前都要對DS18B20進行復位操作;（2）復位成功后發(fā)送條ROn指令;（3）址后發(fā)送RAn指令。這樣才能對DS18B20進行預定的操作。CPU對DS18B20器件操作常用指令表如表1所示。表 1 DS18B20主要命令及其功能

50、說明命令碼功能說明命令碼功能說明33H讀DS18B20溫度傳感器ROM中的64位地址序列碼BEH讀9字節(jié)暫存寄存器55H發(fā)出此命令之后.接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對應的DS18B20使之作出響應.為下一步對該DS18B20的讀寫作準備。4EH寫入溫度上/下限，緊隨其后是2字節(jié)數(shù)據(jù)，對應上限和下限值0FOH鎖定總線上DS18B20的個數(shù)和識別其ROM中的64位地址序列碼48H將9字節(jié)暫存寄存器的第3和4字節(jié)復制到EEPROM中ECH只有溫度超過上限或下限的DS18B20才做出響應B8H將EEPROM的內(nèi)容恢復到暫存寄存器的第3和4字節(jié)0CCH忽略64位ROM地址.直接向DS

51、18B20發(fā)溫度變換命令。適用手單片工作。B4H讀供電模式，寄生供電時DS18B20發(fā)送0，外接電源時DS18B20發(fā)送144H啟動DS18B20進行溫度轉(zhuǎn)換，結(jié)果存入9字節(jié)的暫存寄存器DS18B20 有三個主要數(shù)字部件：（1）64 位激光ROM；（2）溫度傳感器；（3）非易失性溫度報警觸發(fā)器TH 和TL。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號線處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。DS18B20 也可用外部5V 電源供電。64位ROM和單線端口存儲器和控制邏輯暫存器下限觸發(fā)TL上限觸發(fā)TH溫度傳感器8位

52、CRC產(chǎn)生器電源探測內(nèi)部VDD圖3-2 DS18B20方框圖DS18B20 依靠一個單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進行存儲器和控制操作。因此，控制器必須首先提供下面5 種ROM操作命令之一：（1）讀ROM；（2）匹配ROM；（3）搜索ROM；（4）跳過ROM；（5）報警搜索。這些命令對每個器件的激光ROM 部分進行操作，在單線總線上掛有多個器件時，可以區(qū)分出單個器件，同時可以向總線控制器指明有多少器件或是什么型號的器件。成功執(zhí)行完一條ROM操作序列后，即可進行存儲器和控制操作，控制器可以提供6條存儲器和控制操作指令中的任一條。一條控制操作命令指示 DS18B20

53、 完成一次溫度測量。測量結(jié)果放在DS18B20的暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲器操作命令可以把暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報警觸發(fā)器TH和TL各由一個EEPROM字節(jié)構(gòu)成。如果沒有對DS18B20 使用報警搜索命令，這些寄存器可以作為一般用途的用戶存儲器使用?？梢杂靡粭l存儲器操作命令對TH和TL進行寫入，對這些寄存器的讀出需要通過暫存器。所有數(shù)據(jù)都是以最低有效位在前的方式進行讀寫。3.2.2 DS18B20的供電方式DS18B20的寄生電源會在I/O或VDD引腳處于高電平時“偷”能量。當有特定的時間和電壓需求時，I/O 要提供足夠的能量。寄生電源有兩個好處：（1）進行遠距離測溫時，無需本地電源；

54、（2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀ROM。要想使 DS18B20能夠進行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須在轉(zhuǎn)換期間保證供電。由于DS18B20的工作電流達到1mA，所以僅靠5K 上拉電阻提供電源是不行的，當幾只DS18B20 掛在同一根I/O線上并同時想進行溫度轉(zhuǎn)換時，這個問題變得更加尖銳。有兩種方法能夠使 DS18B20 在動態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應。第一種方法，當進行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到E2存儲器操作時，給I/O線提供一個強上拉。用MOSFET把I/O 線直接拉到電源上就可以實現(xiàn)，見圖3-3。在發(fā)出任何涉及拷貝到E2存儲器或啟動溫度轉(zhuǎn)換的協(xié)議之后，必須在最多10s之內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強上拉。

55、使用寄生電源方式時，VDD引腳必須接地。P+5V+5VGNDDS18B204.7kVDDI/O圖3-3 溫度轉(zhuǎn)換期間的強上拉電阻供電另一種給 DS18B20 供電的方法是從VDD 引腳接入一個外部電源，見圖3-4。這樣做的好處是I/O線上不需要加強上拉，而且總線控制器不用在溫度轉(zhuǎn)換期間總保持高電平。這樣在轉(zhuǎn)換期間可以允許在單線總線上進行其他數(shù)據(jù)往來。另外，在單線總線上可以掛任意多片DS18B20，而且如果它們都使用外部電源的話，就可以先發(fā)一個Skip ROM 命令，再接一個Convert T命令，讓它們同時進行溫度轉(zhuǎn)換。注意當加上外部電源時，GND 引腳不能懸空。P+5VGNDDS18B204

56、.7k外部+5V電源I/O其他單線器件圖3-4 用VDD供電溫度高于 100時，不推薦使用寄生電源，因為DS18B20 在這種溫度下表現(xiàn)出的漏電流比較大，通訊可能無法進行。在類似這種溫度的情況下，強烈推薦使用DS18B20的VDD引腳。對于總線控制器不知道總線上的DS18B20是用寄生電源還是用外部電源的情況，DS18B20預備了一種信號指示電源的使用意圖。總線控制器發(fā)出一個Skip ROM協(xié)議，然后發(fā)出讀電源命令，這條命令發(fā)出后，控制器發(fā)出讀時間隙，如果是寄生電源，DS18B20 在單線總線上發(fā)回“0”，如果是從VDD 供電，則發(fā)回“1”，這樣總線控制器就能夠決定總線上是否有DS18B20需要強上拉。如果控制器接收到一個“0”，它就知道必須在溫度轉(zhuǎn)換期間給I/O線提供強上拉。3.2.3 DS18B20的讀寫時序由于DS18B20采用的是1Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對AT89S51單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都