【文章內(nèi)容簡介】 ℃ 0000 0000 0000 1000 0008H 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000H － ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8H － ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5EH － ℃ 1111 1110 0110 1111 FF6FH － 55 ℃ 1111 1100 1001 0000 FC90H 單片機水溫控制電路設計 第 17 頁 0 1 10 位 1 0 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms 二 . 高速暫存存儲器 高速暫存存儲器由 9 個字節(jié)組成，其分配如表 37所示。當溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第 0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表 1所示。對應的溫度計算：當符號位 S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當 S=1 時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進制值。表 34是對應的一部分溫度值。第九個字節(jié)是 冗余檢驗字節(jié)。 表 37： DS18B20 暫存寄存器分布 寄存器內(nèi)容 字節(jié)地址 溫度值低位（ LS Byte） 0 溫度值高位（ BS Byte） 1 高溫限值（ TH） 2 低溫限值（ TL） 3 配置寄存器 4 保留 5 保留 6 保留 7 CRC 校驗值 8 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機（單片機）控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進行復位操作，復位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)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(shù)據(jù)線下拉 500 微秒，然后釋放，當 DS18B20 收到信號后等待 16～60微秒左右，后發(fā)出 60～ 240 微秒的存在低脈沖，主 CPU 收 到此信號表示復位成功。如表 38 ROM 指令表 （ a）、 RAM 指令表 (b) 單片機水溫控制電路設計 第 18 頁 表 38：（ a） ROM 指令表 指令 約定代碼 功能 讀 ROM 33H 讀 DS18B20 溫度傳感器 ROM 中的編碼（即 64位地址）。 符合 ROM 55H 發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64位 ROM 編碼，訪問但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。 搜索 ROM 0F0H 用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個數(shù)和識別 64 位 ROM 地址。為操作個器件做好準備。 跳過 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 發(fā)溫度變換指令命令。適用于單片機工作。 告警搜索命令 0ECH 執(zhí)行后只有溫度超過設定值上限或下限的片子才做出響應。 表 38： (b) RAM 指令表 指令 約定代碼 功能 溫度變換 33H 啟動 DS18B20 進行溫度轉(zhuǎn)換， 12 位抓換時間最長為 750ms（ 9 位為 ms）。結(jié)果存入 9字節(jié) RAM 中。 讀暫存 器 55H 讀內(nèi)部 RAM 中 9字節(jié)的內(nèi)容。 寫暫存器 0F0H 發(fā)出向內(nèi)部 RAM 的 4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。 復制暫存器 0CCH 將 RAM中內(nèi)容恢復到 RAM 中的第 4 字節(jié)。 重調(diào) EEPROM 0ECH 將 EEPROM 中內(nèi)容恢復到 RAM 中的第 4 字節(jié)。 讀供電方式 0B4H 讀 DS18B20 的供電模式。寄生供電時 DS18B20發(fā)送“ 0”，外界電源供電 DS18B20 發(fā)送“ 1”。 單片機水溫控制電路設計 第 19 頁 三 .DS18B20 的應用電路 DS18B20 測溫系統(tǒng)具有測溫系統(tǒng)簡單 、測溫精度高、廉潔方便、占用口線少等優(yōu)點。下面就是 DS18B20 幾個不同應用方式下的測溫電路圖： [1].DS18B20 寄生電源供電方式電路圖 如下圖 317 所示，在寄生電源供電方式下， DS18B20 從單總線信號線上汲取能量：在信號線 DQ 處于高電平器件把能量儲存到內(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節(jié)省電源（電容）充電。 獨特的寄生電源方式有三個好處： 1) 進行遠距離測溫時，無須本地電源； 2) 可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取 ROM； 3) 電路更加簡潔，僅適用一個 I/O 口實 現(xiàn)測溫。 要想使 DS18B20 進行精確的溫度轉(zhuǎn)換， I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個 DS18B20 在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達到 1mA，當幾個溫度傳感器掛在同一根 I/O線上進行多點測溫時，只靠 上拉電阻就無法提供足夠的能量，會造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。 因此，圖 34 電路只適應于單一溫度傳感器測溫情況下使用，不是一待用電池供電系統(tǒng)中。并且工作 電源 VCC必須保證在 5V，當電源電壓下降時，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會使溫度誤差變大。 注：此電路當 VCC 低于 時， 測出的溫度值比實際的溫度高，誤差較大。當電源電壓降為 4V 時，溫度誤差有 3℃ 之多， 應該是因為寄生電源汲取能量不夠造成的 ，建議在開發(fā)測溫系統(tǒng)是不要使用此電路。 圖 317 DS18B20 寄生電源供電方式電路圖 [2].DS18B20 寄生電源強上拉供電方式電路圖 單片機水溫控制電路設計 第 20 頁 改進的寄生電源供電方式如下面圖 318 所示，為了 使 DS18B20 在動態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應，當進行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到 E2 存儲器操作時，用MOSFET 把 I/O 線直接拉到 VCC 就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到E2存儲器或啟動溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最多 10μS 內(nèi)把 I/O 線轉(zhuǎn)換到強上拉狀態(tài)。在強上拉方式下可以解決電流供應不走的問題，因此也適合于多點測溫應用，缺點就是要多占用一根 I/O 口線進行強上拉切換。 圖 318 DS18B20 寄生電源強上拉供電方式電路圖 注意：在圖 317 和圖 318 寄生電源供電方式中， DS18B20 的 VDD 引腳必須接地 。 [3].DS18B20 的外部電源供電方式 外部電源供電方式 如下圖 319 所示 ， DS18B20 工作電源由 VDD 引腳接入，此時 I/O 線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題， 也是本設計選用的一種DS18B20 工作方式，此方式 可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個 DS18B20 傳感器 如下圖 320所示 ，組成多點測溫系統(tǒng)。 單片機水溫控制電路設計 第 21 頁 圖 319 DS18B20 的外部電源供電方式 注意：在外部供電的方式下， DS18B20 的 GND 引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是 85℃ 。 圖 320： 外部供電方式的多點測溫電路圖 外部電源供電方式是 DS18B20 最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。 站長推薦大家在開發(fā)中使用外部電源供電方式，畢竟比寄生電源方式只多接一根 VCC 引線。在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮 DS18B20 寬電源電壓范圍的優(yōu)點，即使電源電壓 VCC 降到 3V 時，依然能夠保證溫度量精度。 四 .本設計中 DS1820 使用中注意事項 [14] DS18B20雖然具有測溫系 統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應用中也應注意 一些 問題 ，下面列出本設計中使用 DS18B20 應注意的問題： 1) 連接 DS18B20的總線電纜是由長度限制的。當采用普通型號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達 150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用 DS18B20進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分 布電容和阻抗匹配問題。 2) 在 DS18B20 測溫程序設計中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序 總要等待 DS1820 的返回信號，一旦某個 DS1820 接觸不好或斷線，當程序讀該 DS1820時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行 DS1820 硬件連接 和軟件單片機水溫控制電路設計 第 22 頁 設計時也要給予一定的重視。 測溫電纜線建議采用屏蔽 4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接 VCC 和地線，屏蔽層在源端單點接地。 由于本設計要求不高，所以只采用了簡單的電源線。 DS18B20 溫度檢測子程序 :見附 錄 六 后向通道 的設計 為了實現(xiàn)水溫的 PID 控制，電路的 輸出不能是一個簡單的開關量，輸入電爐的功率必須連續(xù)可調(diào)。一般來說改變輸入電爐的電壓平均值就可以改變電爐的輸出功率，而較簡單的調(diào)壓方法有相位控制調(diào)壓和通斷控制調(diào)壓法。本設計采用的脈寬調(diào)制輸出控制電爐與電源的接通和斷開的比例，以通斷控制調(diào)壓法控制電爐的輸入功率。這種方法不僅十輸出通道省去了 D/A 轉(zhuǎn)換器和移向觸發(fā)電路，大大簡化了硬件系統(tǒng) [4]。 在后向通道的控制中，一般采用繼電器、可控硅等開關器件。繼電器又有電磁繼電器和固態(tài)繼電器之分。一些常用的小型電磁繼電器，由于受電流大小的限制，只能控制功率較小的負載。在實際 的工程項目設計中，由于繼電器控制的負載多為感性或容性負載 （比如本設計中的電爐就是感性負載），如果電磁隔離不好，這些負載所產(chǎn)生的高次諧波信號便會串進單片機控制電路產(chǎn)生各種干擾。這種干擾信號往往會導致系統(tǒng)的可靠性降低，具體表現(xiàn)有系統(tǒng)死機、 CPU 反復復位、控制失靈等，也就是常說的“程序的跑飛”。因此對于大功率負載的控制，信號的隔離是電路設計中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。我們可以采用光耦對電路進行隔離。由于電磁繼電器啟動瞬間會產(chǎn)生電磁火花干擾，所以在實際應用中如本設計類似的控制一般都選用固態(tài)繼電器 SSR[10]。下面我就 重點介紹一下固態(tài)繼電器。 固態(tài)繼電器 [6] 固態(tài)繼電器（ Solid state RelaySSR） 是近幾年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，用 TTL、 HTL、 CMOS 等集成電路或加簡單的輔助電路就可直接驅(qū)動，因此適宜于單片機測控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件；其輸出利用晶體管或可控硅驅(qū)動，無觸點。與普通的電磁式繼電器和磁力開關相比，具有無機械噪聲、無抖動和回跳、開關速度快、體積小質(zhì)量輕、壽命長、工作可靠等特點，并且耐沖擊、抗潮濕、抗腐蝕，因此在單片機測控等領域中，已逐漸單片機水溫控制電路設計 第 23 頁 取代傳統(tǒng)的電 磁式繼電器和磁力開關作為開關量輸出控制元件。 一 .固態(tài)繼電器的主要特性 （ 1） 功率小：由于其輸入采用的是光電耦合器，其驅(qū)動電流僅需幾毫安便能可靠地控制，所以可以直接用 TTL、 HTL、 CMOS 等集成驅(qū)動電路控制。 （ 2） 高可靠性：由于其結(jié)構(gòu)上無可動接觸不見，且采用全塑密閉式封裝，所以SSR開關時無抖動和回跳現(xiàn)象，無機械噪聲，同時能耐潮、耐振、耐腐蝕；由于無觸點火花，可用在有依然易爆介質(zhì)的場合。 （ 3） 低電磁噪聲：交流型 SSR 在采用了過零觸發(fā)技術后，電路具有零電壓開啟、零電流關斷的特性，可使對外界和本系統(tǒng) 的射頻干擾減低到最低程度。 （ 4） 能承受的浪涌電流大：其數(shù)值可為 SSR 額定值的 6～ 10倍。 （ 5） 對縣原電壓適應能力強：交流型 SSR 的負載電源電壓可以在 30～ 220V 范圍內(nèi)任選。 （ 6） 抗干擾能力強：由于輸入與輸出之間采用了光電隔離，割斷了兩者的電氣聯(lián)系，避免了輸出功率負載電路對輸入電路的影響。另外，又在輸出端附加了干擾抑制網(wǎng)絡，有效地抑制了線路中的 dv/di 和 di/dt 的影響。 二 .固態(tài)繼電器的分類 固態(tài)繼電器是一種四端器件，兩端輸入，兩端輸出。他們之間用光電耦合器隔離。 （ 1） 以負載電源類 型分類：可分為直流型（ DCSSR）和交流型（ ACSSR）兩種。直流型是用功率晶體管做開關器件；交流型則用雙向晶閘管做開關器件，分別用來接通和斷開直流或交流負載電源。 （ 2） 以開關觸點形式分類：可分為長開式和常閉式。目前市場上以常開式為多。 （ 3） 以控制觸發(fā)信號的形式分類：可分為過零型。他們的區(qū)別在于負載交流電流導通的條件。非過零型在輸入信號時，不管負載電源電壓相位如何，負載端立即導通。而過零型必須在 負載 電源電壓接近零且控制信號有效時，輸出端負載電源才導通。 其 關斷向晶閘管的負載電流為零時， SSR 關斷 。 三 .固態(tài)繼電器的典型應用 圖 321 觸點控制 單片機水溫控制電路設計 第 24 頁 (1)觸點控制 最基本的驅(qū)動 —— 觸點控制，見圖 321。