【文章內(nèi)容簡介】 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可 得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實(shí)際溫度，所以數(shù)字溫度傳感器不需要 A/D 轉(zhuǎn)化器等外圍器件就能獲取溫度值，集成度高，使用方便，測量精度高。 DS18B20 溫度傳感器的存儲器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個(gè)高速暫存 RAM 和一個(gè)非易失性的可電擦 EEPROM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、 TL 和結(jié)構(gòu)寄存器。 配置寄存器，五位一直都是 1， TM 是測試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在 測試模式。在 DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動。 R1 和 R0 用來設(shè)置 分辨率 四、 DS18B20 的工作過程 （ 1）初始化 DS18B20 所有的數(shù)據(jù)交換都由一個(gè)初始化序列開始。由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟 在其后的由 DS18B20 發(fā)出的應(yīng)答脈沖構(gòu)成。 DS18B20 發(fā)出響應(yīng)主機(jī)的應(yīng)答脈沖時(shí)， 當(dāng) 即向主機(jī)表明它已處在總線上并且準(zhǔn)備工作。 （ 2） ROM 命令 ROM 命令通過每個(gè)器件 64bit 的 ROM 碼，使主機(jī)指定某一特定器件（如果有多個(gè)器件掛在總線上）與之進(jìn)行通信 DS18B20 ，每個(gè) ROM 命 令都是 8 bit 長。 （ 3）功能命令 主機(jī)通過功能命令對 DS18B20 進(jìn)行讀 /寫 Scratchpad 存儲器，或者啟動溫度轉(zhuǎn)換。 五、 DS18B20 的信號方式 DS18B20 采用嚴(yán)格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種 信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫 0、寫 讀 0 和讀 1。除了應(yīng)答脈沖所有這些信 號都由主機(jī)發(fā)出同步信號?？偩€上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以字節(jié)的低位在前。 （ 1）初始化序列：復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖 在初始化過程中，主機(jī)通過拉低單總線至少 480181。s，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖 (TX)。然后 主機(jī) 釋放總線并進(jìn)入接收 (RX)模式。當(dāng)總線被釋放后， 17 將單總線拉高。 DS18B20 檢測到這個(gè)上升沿后，延時(shí) 15181。s~60181。s，通過拉低總線 60181。s~240181。s 產(chǎn)生應(yīng)答 脈沖。初始化波形如圖 33 所示。 圖 DS18B20初始化時(shí)序圖 （ 2）讀和寫時(shí)序 在寫時(shí)序期間，主機(jī)向 DS18B20 寫入指令，而在讀時(shí)序期間，主機(jī)讀入來自 DS18B20 的指令。在每一個(gè)時(shí)序，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。讀 /寫時(shí)序如圖 34 所示。 圖 DS18B20 讀 /寫時(shí)序圖 控制器采樣 寫時(shí)序：存在兩種寫時(shí)序：“寫 1”和“寫 0” 。主機(jī)在寫 1 時(shí)序向 DS18B20寫入邏輯 1，而在寫 0 時(shí)序向 DS18B20 寫入邏輯 0。所有寫時(shí)序至少需要 60181。s，且在兩次寫時(shí)序之 間至少需要 1181。s 的恢復(fù)時(shí)間。兩種寫時(shí)序均以主機(jī)拉低總線開始。產(chǎn)生寫 1 時(shí)序：主機(jī)拉低總線后，必須在 15181。s 內(nèi)釋放總線，然后由上 18 拉電阻將總 線拉至高電平。 產(chǎn)生寫 0時(shí)序： 主機(jī)拉低總線后，必須在整個(gè)時(shí)序期間保持低電平 （至 少 60181。s）。在寫時(shí)序開始后的 15181。s~60181。s 期間， DS18B20采樣總線的狀態(tài)。 讀時(shí)序 ： DS18B20 只能在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)序時(shí)才能向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。所以主機(jī)在發(fā)出讀數(shù)據(jù) 命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)序，以便 DS18B20 能夠傳送數(shù)據(jù)。所有讀時(shí)序至少 60181。s， 且在兩次獨(dú)立的讀時(shí)序之間至少需要 1181。s 的恢復(fù)時(shí)間。 溫度控制執(zhí)行電路設(shè)計(jì) 由輸出來控制電機(jī)工作，電機(jī)可以近似建立為具有滯后性的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為： G(s)=K/（ Ts+1） ets 電機(jī)可以認(rèn)為是線形環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對被測物體溫度的控制。為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離，要選擇光電耦合器，使輸 出信號要對繼電器進(jìn)行通斷控制，以便使電機(jī)工作電路導(dǎo)通，此外，當(dāng)實(shí)際溫度不在設(shè)定的范圍內(nèi)，報(bào)警電路將實(shí)時(shí)報(bào)警并作出相相應(yīng)的處理如（報(bào)警信號傳到單片機(jī)或人，單片機(jī)或人就會執(zhí)行相應(yīng)的操作），當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定的溫度時(shí)相應(yīng)黃色發(fā)光二極管點(diǎn)亮并且加熱器啟動低溫的電機(jī)轉(zhuǎn)動；高于設(shè)定的溫度時(shí)對應(yīng)紅色二極管亮并且高溫的電機(jī)轉(zhuǎn)動。 如圖 ：繼電器的通斷通過單片機(jī)的 I/O的輸出控制，從而控制加熱器、制冷器的啟停，來控制被測物體的溫度。 圖 溫度控制電路圖 如圖 ：報(bào)警電路也是由單片機(jī)的 I/O控制，當(dāng)實(shí)際溫度不在設(shè)定的范圍單片機(jī)就會執(zhí)行相應(yīng)的指令，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，提示溫度超過或低于設(shè)定的溫度，以便及時(shí)作出處理。 19 圖 報(bào)警電路圖 串行通信接口電路 目前，廣泛使用的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)有一，一與一三種。其中一是美國電子工業(yè)協(xié)會正式公布的串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是目前最為常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通訊。串行通信接口的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化。來自的是普通的并行數(shù)據(jù)，接口電路應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化的任務(wù)。具體任務(wù)是： 行串 并轉(zhuǎn)換； ； ； TTL 與 EIA 電平轉(zhuǎn)換； 。 由于電平和 TTL 電平不匹配，因此要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和機(jī)之間的通信，必須在它們之間加接電平轉(zhuǎn)換器。電平轉(zhuǎn)換器有 232 電平轉(zhuǎn)換和 485 電平轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用 232 電平轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用公司的一接口芯，這是一種標(biāo)準(zhǔn)的一接口芯片。只需巧電源供電，其內(nèi)部的電源變化成士電源用于通信。該芯片集成有兩路收發(fā)器，可將單片機(jī)輸入的電平轉(zhuǎn)換為電平發(fā)送給從機(jī)，或?qū)臋C(jī)接收的電平轉(zhuǎn)換為電平發(fā)送給單片機(jī)。通過這樣的電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)主 機(jī)和從機(jī)的通信，本設(shè)計(jì)的MAX232 為雙列直插 16 腳封裝。系統(tǒng)串口通信電路如下圖所示。 20 圖 串行通信接口電路 電源電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)所用直流電源由三端集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源提供。設(shè)計(jì)中選用了雙 12V的電源電壓變壓器和四個(gè)三端集成穩(wěn)壓器，分別提供 +5V、 +8V和一 5V、 8V直流電壓，輸出電流均為 1A。 LM780 LM7808 和 LM790 LM7908的連接方法都一樣。變壓器將的市電降壓后再通過整流橋整流之后采用了大容量的電解電容進(jìn)行濾波，以減小輸出電壓紋波。由于電解電容 器在高頻下工作存在電感特性，對于來自電源側(cè)的高頻干擾不能抑制，導(dǎo)致電流紋波很大，因此在整流電路后加入高頻電容改善紋波效果。給各器件提供電源，使其更好的工作。同時(shí)還采用了保護(hù)電路，在正、負(fù)電源兩端分別串聯(lián)了保險(xiǎn)管起雙重保險(xiǎn)，當(dāng)負(fù)載功率過大保險(xiǎn)絲就會熔斷，三端集成穩(wěn)壓管的輸入、輸出反接了二極管保護(hù)，避免反向電流過大擊穿穩(wěn)壓管，起到了很好的保護(hù)作用，電源電路如圖 217 和 218所示。 21 圖 電源電路 溫度報(bào)警系統(tǒng)電路 主機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、電源電路、控制執(zhí)行電路以及掉電保護(hù) 電路。各個(gè)模塊電路通過主機(jī)電路控制，協(xié)調(diào)一致的進(jìn)行工作。完成對被測物體的溫度控制。 圖 溫度報(bào)警電路 22 第三章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在微機(jī)測控系統(tǒng)中，軟件與硬件同樣重要。硬件是系統(tǒng)的軀體，軟件則是靈魂，當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)好之后，系統(tǒng)的主要功能還是要靠軟件來實(shí)現(xiàn)，而且軟件的設(shè)計(jì)在很大程度上決定了測控系統(tǒng)的性能。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時(shí)一般要符合以下基本要求： （ 1）易理解性、易維護(hù)性 在軟件的設(shè)計(jì)方法中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是最好的一種設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法是由整體到局部，然后再由局部到細(xì)節(jié)，先考慮整個(gè) 系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)，然后把這個(gè)目標(biāo)分成一個(gè)個(gè)的任務(wù)，任務(wù)中可以分成若干個(gè)子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)； （ 2）實(shí)時(shí)性 實(shí)時(shí)性是電子測量系統(tǒng)的普遍要求 即要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時(shí)給出處理結(jié)果。近年來，由于硬件的集成度與運(yùn)算速度的提高，配合相應(yīng)的軟件，實(shí)時(shí)性比較容易滿足設(shè)計(jì)要求； （ 3）準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性對整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義，尤其是測量系統(tǒng)，系統(tǒng)要進(jìn)行一定量的運(yùn)算，算法的正確性和準(zhǔn)確性對結(jié)果有著直接的影響，因此在算法的選擇、計(jì)算的精度等方面都要符合設(shè)計(jì)的要求。 （ 4） 可靠性 可靠性是系統(tǒng)軟件最重要的指標(biāo)之一，作為能夠穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)，抗干擾技術(shù)的應(yīng)用是必不可少的，最起碼的要求是在軟件受到干擾出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)還能恢復(fù)正常工作。 結(jié)合上述編制系統(tǒng)軟件的基本要求，首先討論軟件的設(shè)計(jì)思想。 系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模 軟件模塊 由于整個(gè)系統(tǒng)軟件相對比較龐大，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計(jì)。即整個(gè)控制軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊之間數(shù)據(jù) 關(guān)系松散的原則，按功能形成模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊、溫度數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制算法模塊等組成。主模塊的功能是為其余幾個(gè)模塊構(gòu)建整體框架及初始化工作數(shù) 據(jù)采集模塊的作用是將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量采集并儲存到存儲器中數(shù)據(jù)處理模塊是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，其中最重要的是數(shù)字濾波程序控制算法模塊完成控制系統(tǒng)的運(yùn)輸出控制量。下面就介紹本系統(tǒng)幾個(gè)主要的程序模塊。 23 主程序軟件設(shè)計(jì) 主程序模塊要做的主要工作是上電后對系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對單片機(jī)的初始化、芯片初始化和串 口初始化等。然后顯示當(dāng)前溫度或者溫度設(shè)定，若溫度已經(jīng)設(shè)定好了，判斷系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下，若系統(tǒng)運(yùn)行，則依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。主程序要協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作，要把溫度采集、溫度設(shè)置、溫度顯示、鍵盤掃描輸入、中斷處理等各個(gè)模塊的子程序統(tǒng)一協(xié)調(diào)起來，避免混亂打架的現(xiàn)象，要使得溫度控制各個(gè)模塊正常的工作。主程序在整個(gè)程序中起著至關(guān)重要的作用，是各個(gè)子程序聯(lián)系的樞紐。主程序模塊的程序流程圖如圖 所示。在附錄中給出了系統(tǒng)初始化源程序。 圖 主程序流程圖 24 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì) 數(shù) 據(jù)采集模塊的任務(wù)是負(fù)責(zé)溫度信號的采集以及將采集到的溫度模擬量信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量信號提供給單片機(jī)。單片機(jī)再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)采集主要通過 DS18b20 溫度傳感器采集被測物體的溫度。因?yàn)閿?shù)字溫度傳感器DS18B20 能將外界的溫度直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，直接送入單片機(jī)處理就行了，就不用在經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)化器將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，這樣就方便了很多而且抗干擾能力強(qiáng)。軟件程序也簡化了很多，數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程：數(shù)據(jù)采集的程序初始化即 DS18b20 的程序初始化→采集溫度→等待溫度轉(zhuǎn)換→讀取溫度送給單機(jī)處理，如圖 所 示： 圖 溫度采集流程圖 中斷處理軟件設(shè)計(jì) 功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。中斷系統(tǒng)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中占有非常重要的角色，其中前后臺的應(yīng)用最為實(shí)用，中斷系統(tǒng)能幫助我們及時(shí)處理重要事務(wù)，出現(xiàn)故障能進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，中斷還能夠節(jié)約大量的 CPU 資源，就比如查詢方式來說中斷查詢方式要比軟件查詢方式要來得方便，可靠且節(jié)約內(nèi)存等，中斷系統(tǒng)對單片機(jī)來說是占有不可或缺的地位，限于篇幅，只介紹中斷處理子程序。 外部中斷 INT0 是優(yōu)先級最高，優(yōu)先級高于其他的四個(gè)中斷，外部 中斷 0 響 25 應(yīng)用于退出溫度設(shè)置界面，恢復(fù)到當(dāng)前溫度采集界面，進(jìn)行溫度采集、顯示以及判斷是否越限并是否輸出報(bào)警等功能，其流程：開始→程序初始化→等待中斷→跳出溫度設(shè)置界面→執(zhí)行相應(yīng)的程序。流程圖如 所示： 圖 外部中斷 INT0中斷程序流程圖 軟件抗干擾措施 本系統(tǒng)中，在軟件方面的抗干擾措施主要從以下兩個(gè)個(gè)方面來考慮 （ 1）按鍵的軟件消抖 按鍵是一個(gè)機(jī)械開關(guān)，當(dāng)鍵按下時(shí)，開關(guān)閉合 。當(dāng)鍵松開時(shí)，開關(guān)斷開。其特點(diǎn)之一就是它的抖動性，這是由按鍵的機(jī)械特性所決定的，抖動的時(shí)間一般約為 10ms 一 20ms。 對于按鍵消抖的具體措施目前有兩種 :一是用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，即用濾波電路濾除抖動或用觸發(fā)器消除抖動。另一種是用軟件延時(shí)的方法來解決，即利用軟件的延時(shí)避開按鍵的按下與抬起時(shí)都有的抖動期，從而避免檢測到干擾信號。本文采用的就是軟件延時(shí)消抖的方法。附錄中給出了延時(shí)程序的源程序，同時(shí)延時(shí)程序還作為通用功能模塊被其他模塊調(diào)用。 （ 2）濾波消抖 數(shù)字濾波是將一組輸入數(shù)字序列進(jìn)行一定的運(yùn)算而轉(zhuǎn)換成另一組輸出數(shù)字序列的方法，采用軟件濾波算法不需要增加硬件設(shè)備，可靠性高，功能多樣，使用靈活，但是要占用一定的處理器運(yùn)行時(shí)間。在 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了數(shù)字濾波的軟件抗干擾措施，所采用的數(shù)字濾波算法是去極值平均濾波法。 26 程序判斷濾波法首先要從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，定出一個(gè)目標(biāo)參數(shù)最大可能的變化范圍。每次采樣后都和上次的有效采樣值進(jìn)行比較，如果變化幅度不超過經(jīng)驗(yàn)值，本次采樣有效，否則，本次采樣值應(yīng)視為干擾而放棄，以上次采樣值為準(zhǔn)。