【正文】 20這塊傳感器的特性及其功能 : DSl8B20 的管腳及特點(diǎn) DS18B20 可編程溫度傳感器有 3個(gè)管腳。內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的外形及管腳排列如圖 所示。 GND 為接地線， DQ 為數(shù)據(jù)輸入輸出接口，通過(guò)一個(gè)較弱的上拉電阻與單片機(jī)相連。VDD 為電源接口，既可由數(shù)據(jù)線提供電源，又可由外部提供電源，范圍 ～ V。本文使用外部電源供電。 主要特點(diǎn)有： 1. 用戶可自設(shè)定報(bào)警上下限溫度值。 2. 不需要外部組件，能測(cè)量－ 55～ +125℃ 范圍內(nèi)的溫度。 3. － 10℃ ～ +85℃ 范圍內(nèi)的測(cè)溫準(zhǔn)確度為 177。0 ． 5℃ 。 9 圖 DS18B20 的外形及管腳 圖 4. 通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn) 9～ l2 位的數(shù)字讀數(shù)方式，可在至多 750 ms 內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換成 12 位的數(shù)字，測(cè)溫分辨率可達(dá) ℃ 。 5. 獨(dú)特的單總線接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器雙向通訊。 6. 測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以 “ 一線總線 ” 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力 。 7. 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng) 的 功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn) 組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫 。 10 DS18B20 內(nèi)部功能模塊 如 圖 所示， 圖 DS18B20 原理圖 DS18B20 的讀寫(xiě)時(shí)序和測(cè)溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同 DS18B20 為 9 位～ 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度， 而 DS1820 為 9 位 A/D 轉(zhuǎn)換 ,雖然我們采用了高精度的芯片 ,但在實(shí)際情況上由于技術(shù)問(wèn)題比較難實(shí)現(xiàn) ,而實(shí)際 精度此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。 如下 的測(cè)溫原理圖 不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由 2s減為 750ms。 DS18B20 測(cè)溫原理如圖 所示。 圖 DS18B20 的測(cè)溫原理框圖 圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào) 11 送給計(jì)數(shù)器 1。 則 高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃ 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值 時(shí) 。計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生脈沖信號(hào) ， 進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時(shí)，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 1 重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào) 進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值 。 在 DS18B20 測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序要等待DS18B20 的返回信號(hào)，一旦某個(gè) DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS18B20 時(shí)，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。測(cè)溫電纜線采用屏蔽 4 芯雙絞線，其中 有 一對(duì)接地線與信號(hào)線，另一組接 VCC 和地線 。 本系統(tǒng)中采用手動(dòng)復(fù)位鍵復(fù)位相的方式。系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。AT89C52 內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。本系統(tǒng)電路采用的晶體振蕩器頻率為 。采用這種頻率的晶體振蕩器的原因是可以方便的獲得標(biāo)準(zhǔn)的波特率 。 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路如圖 所示。 復(fù)位電路有上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕手動(dòng)復(fù)位兩種。上電復(fù)位是利用電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，上電瞬間 RST/VPD 端的電位與 VCC 相同，隨著充電電流的減少， RST/VPD的電位逐漸下降，圖 中的 10K 的電阻是施密特觸發(fā)器輸入端的一個(gè)下拉電阻，時(shí)間常數(shù)為 10*106*10*103s=100ms,只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，振蕩器建立時(shí)間不超過(guò) 10ms,這個(gè)時(shí)間常數(shù)足以保證完成復(fù)位操作 [6]。上電復(fù)位所需最短時(shí)間是震蕩周期建立時(shí)間加上 2 個(gè)機(jī)器周期時(shí)間。按鈕復(fù)位采用電平復(fù)位方式，按下復(fù)位電鈕時(shí)，電源對(duì)外接電容充電，使 RST/VPD 端為高電平，復(fù)位按鈕松開(kāi)后，電容通過(guò)內(nèi)部下拉電阻放電，逐漸使 RST/VPD 端恢復(fù)低電平。 12 圖 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路 溫度采集電路 數(shù)據(jù)采集電路如圖 示 ,1腳接地， 2腳即為單總線數(shù)據(jù)口， 3 腳接電源。 溫度傳感器 DS18B20 采集被控對(duì)象的實(shí)時(shí)溫度 ,提供給 AT89C52的 。 圖 數(shù)據(jù)采集電路 13 數(shù)碼管顯示部分，采用與單片機(jī)相連接，將溫度傳感器采集到的信息迅速轉(zhuǎn)化為可視溫度，增加了可讀性。 圖 數(shù)碼管顯示電路圖 供電部分采用 TL431 構(gòu)成的恒壓源， TL431 是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。他的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)置到從 Verf（ ）到 36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為 。其穩(wěn)壓電路圖如圖 ： 14 R1A2K3U4TL431100R3Res SemiR4Res Semi1KR5Res TapVCCGND電源穩(wěn)壓部分S5SWPB9VR6Res SemiD1LED0100uFC4Cap Pol1 圖 供電電路 15 4 PID 控制和參數(shù)整定 PID 調(diào)節(jié)器控制原理 PID 控制器是一種線性控制器 ,一種它根據(jù)給定值 rin(t)與實(shí)際輸出值 yout(t)構(gòu)成控制偏差： Error(t)=rin(t)yout(t) PID 控制就是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后，形 成一種控制規(guī)律。即，控制器的輸出為： ???????? ??? ?t Dp dt tde r r orTdtte r r orTte r r orktu01)()(1)()( （ ） 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式： ???????? ???? sTsTksE sUsG Dp111)( )()( （ ） 式中， kp—— 比例系數(shù)； Ti—— 積分時(shí)間常數(shù)； Td—— 微分時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) error(t),偏差一旦產(chǎn)生，控 制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差 [10]。 比例控制： Gc(s)= Kp 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)盡弱取決于積分 時(shí)間常數(shù) Ti， Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 積分控制： Gc(s) = Kp/T is 微分環(huán)節(jié)：反偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)變得太大之前， 在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 微分控制： Gc(s) =KpT ds PID 控制的分 類 基本 PID 控制器的理想算式為 ? ? ?????? ??? ?f dfp dt tdeTdtteTteK 0 )()(1)(tu () 16 式中 u(t)—— 控制器 (也稱調(diào)節(jié)器 )的輸出； e(t)—— 控制器的輸入（常常是設(shè)定值與被控量之差，即 e(t)=r(t)c(t)）； Kp—— 控制器的比例放大系數(shù)； Ti —— 控制器的積分時(shí)間； Td—— 控制器的微分時(shí)間。 設(shè) u(k)為第 k 次采樣時(shí)刻控制器的輸出值，可得離散的 PID 算式 () ， 由于計(jì)算機(jī)的輸出 u(k)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門）， u(k)的值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門開(kāi)度）一一對(duì)應(yīng)，所以稱式 (2)為位置式 PID 控制算法。 位置式 PID 控制算法的缺點(diǎn)：當(dāng)前采樣時(shí)刻的輸出與過(guò)去的各個(gè)狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，運(yùn)算量大；而且控制器的輸出 u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn) 故障， u(k)的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。 增量式只需計(jì)算增量，算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)計(jì)算誤差或精度不足時(shí)，對(duì)控制量計(jì)算的影響較小，且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。 數(shù)字 PID 參數(shù)的整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論 計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。本設(shè)計(jì)采用 PID 歸一整定法把對(duì)控制臺(tái)三個(gè)參數(shù)（ Kc、 Ti、 Td,）轉(zhuǎn)換為一個(gè)參數(shù) KP， 從而使問(wèn)題明顯簡(jiǎn)化。以達(dá)到控制器的特性與被控過(guò)程的特性相匹配 ,滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)。 17 PID 計(jì)算程序 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的基本輸入輸出關(guān)系可用微分方程表示為： ?????? ??? ?t DIP dt tdeTdtteTteKtu 0 )()(1)()( （ ） 式中 )(te 為調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào)，且 )()()( tCtrte ?? （ ） 其中： )(tr 為給定值， )(tC 為被控變量； )(tu 為調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)； PK 為比例系數(shù)； IT 為積分時(shí)間常數(shù)； DT 微分時(shí)間常數(shù)。 計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，若采樣周期為 T第 n次采樣的輸入誤差為 ne ，且)()( nCnren ?? ，輸出為 )(nu ， PID 算法用的微分 dtde 由差分 Tee nn 1?? 代替，積分 dttet?0)(由 ?TeK 代替，于是得到 ?????? ???? ??? T eeTTTeKu nnDniInPn 101 （ ） 寫(xiě)成遞推形式為 △ 1??? nnn uuu = ?????? ?????? ? ?? ?????ni nnnDni iiInnP eeeTTeeTTeeK0 21101 )2()()( = ?????? ????? ??? )2()( 211 nnnDnInnPeeeTTeTTeeK = )2()( 211 ??? ????? nnnDnInnP eeeKeKeeK = DIP PPP ?? （ ） 18 其中： )( 1??? nnPP eeKP （ ） nInIPI eKeTTKP ?? （ ） )2()2(2121 ???? ?????? nnnDnn