【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 化為例：用 16位符 號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測(cè)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(cè)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(cè)量精度高 。 DS18B20 溫度傳感器的存儲(chǔ)器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)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(cè)試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在 測(cè)試模式。在 DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶(hù)不要去改動(dòng)。 R1 和 R0 用來(lái)設(shè)置 分辨率 四、 DS18B20 的工作過(guò)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(kāi)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(guò)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(zhǎng)。 （ 3） 功能命令 主機(jī)通過(guò)功能命令對(duì) DS18B20 進(jìn)行讀 /寫(xiě) Scratchpad 存儲(chǔ)器，或者啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換。 五、 DS18B20 的信號(hào)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(hào)類(lèi)型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫(xiě) 0、寫(xiě) 讀 0 和讀 1。除了應(yīng)答脈沖所有這些信 號(hào)都由主機(jī)發(fā)出同步信號(hào) 。 總線上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以 17 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(guò)程中 ， 主機(jī)通過(guò)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， 將單總線拉高。 DS18B20 檢測(cè)到這個(gè)上升沿后，延時(shí) 15181。s~60181。s，通過(guò)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(xiě)時(shí)序 在寫(xiě)時(shí)序期間 ， 主機(jī)向 DS18B20 寫(xiě)入指令 ， 而在讀時(shí)序期間，主機(jī)讀入來(lái)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(xiě)時(shí)序如圖 34 所示。 圖 DS18B20 讀 /寫(xiě)時(shí)序圖 控制器采樣 18 寫(xiě)時(shí)序 ： 存在兩種寫(xiě)時(shí)序：“寫(xiě) 1”和“寫(xiě) 0” 。主機(jī)在寫(xiě) 1 時(shí)序向 DS18B20寫(xiě)入邏輯 1， 而在寫(xiě) 0 時(shí)序向 DS18B20 寫(xiě)入邏輯 0。所有寫(xiě)時(shí)序至少需要 60181。s，且在兩次寫(xiě)時(shí)序之 間至少需要 1181。s 的恢復(fù)時(shí)間。兩種寫(xiě)時(shí)序均以主機(jī)拉低總線開(kāi)始 。 產(chǎn)生寫(xiě) 1 時(shí)序：主機(jī)拉低總線后，必須在 15181。s 內(nèi)釋放總線 ， 然后由上拉電阻將總 線拉至高電平。 產(chǎn)生寫(xiě) 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(xiě)時(shí)序開(kāi)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(lái)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(duì) 被測(cè)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(hào)要對(duì) 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(hào)傳到單片機(jī)或人，單片機(jī)或人就會(huì)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(dòng)低溫的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) ；高于 設(shè)定的溫 度時(shí) 對(duì)應(yīng) 紅色二極管亮 并且高溫的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 如圖 ：繼電器的通斷通過(guò)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(lái)控制被測(cè)物體的溫度。 圖 溫度控制電路圖 19 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(huì)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(guò)或低于設(shè)定的溫度，以便及時(shí)作出處理。 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(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)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(lái)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(lái)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： 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。 20 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(guò)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。 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(guò)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(duì)于來(lái)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(guò)大保險(xiǎn)絲就會(huì)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(guò)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(pán)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(guò)主機(jī)電路控制，協(xié)調(diào)一致的進(jìn)行工作。完成對(duì)被測(cè)物體的溫度控制。 22 圖 溫度報(bào)警電路 第三章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在微機(jī)測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)，而且軟件的設(shè)計(jì)在很大程度上決定了測(cè)控系統(tǒng)的性能。為了滿(mǎn)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(cè)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(lái)，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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求； （ 3） 準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義，尤其是測(cè)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(duì)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 23 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(duì)比較龐大，為了便于編寫(xiě)、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(guò)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(chǔ)存到存儲(chǔ)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。 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(duì)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(duì)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(pán)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(lái)，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。 24 圖 主程序流程圖 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(hào)的采集以及將采集到的 溫度 模擬量 信號(hào) 轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量 信號(hào) 提供給單片機(jī)。 單片機(jī)再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)采集主要通過(guò) DS18b20 溫度傳感器采集被測(cè)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(hào)，直接送入單片機(jī)處理就行了，就不用在經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)化器將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，這樣就方便了很多而且抗干擾能力強(qiáng)。軟件程序也簡(jiǎn)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： 25 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(pán)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(tái)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(xún)方式來(lái)說(shuō)中斷查詢(xún)方式要比軟件查詢(xún)方式要來(lái)得方便，可靠且節(jié)約內(nèi)存等，中斷系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)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(jí)最高， 優(yōu)先級(jí)高于 其他的四個(gè) 中斷 ， 外部 中斷 0 響應(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(kāi)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： 26 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(lái)考慮 （ 1）按鍵的軟件消抖 按鍵是一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)，當(dāng)鍵按下時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合 。當(dāng)鍵松開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。其特點(diǎn)之一就是它的抖動(dòng)性，這是由按鍵的機(jī)械特性所決定的，抖動(dòng)的時(shí)間一般約為 10ms 一 20ms。 對(duì)于按鍵消抖的具體措施目前有兩種 :一是用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，即用濾波電路濾除抖動(dòng) 或用觸發(fā)器消除抖動(dòng) 。另一種是用軟件延時(shí)的方法來(lái)解決，即利用軟件的延時(shí)避開(kāi)按鍵的按下與抬起時(shí)都有的抖動(dòng)期，從而避免檢測(cè)到干擾信號(hào)。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