【文章內(nèi)容簡介】 溫度控制器主要包括溫控開關(guān)和可編程溫度控制器，典型產(chǎn)品有LM5AD22105和MAX6509。某些增強(qiáng)型集成溫度控制器(例如TC652/653)中還包含了A/D轉(zhuǎn)換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有某些相似之處。但它自成系統(tǒng)，工作時并不受微處理器的控制，這是二者的主要區(qū)別。智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、從集成化向智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。智能溫度傳感器DS18B20正是朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。因此，智能溫度傳感器DS18B20作為溫度測量裝置己廣泛應(yīng)用于人民的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 DS18B20的介紹DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS18B20之后最新推出的一種數(shù)字化單總線器件，屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9—2位數(shù)字值讀數(shù)方式。，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。同時其“一線總線”獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念。DS18B20“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為55℃—+125℃，在10—+85℃范圍內(nèi)，℃?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。因此，數(shù)字化單總線器件DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820都有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果?？蓮V泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。 DS18B20的性能特點(1)采用DALLAS公司獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DSI8B20的雙向通訊。(2)在使用中不需要任何外圍元件。(3)可用數(shù)據(jù)線供電，供電電壓范圍：+—+。(4)測溫范圍：55—+l25℃?！妗．?dāng)在10℃—+85℃范圍內(nèi)，℃，在55—+125℃范圍內(nèi)，測量誤差也不超過2℃。(5)通過編程可實現(xiàn)9—12位的數(shù)字讀數(shù)方式。(6)用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。(7)支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。(8)負(fù)壓特性，即具有電源反接保護(hù)電路。當(dāng)電源電壓的極性反接時，能保護(hù)DS18B20不會因發(fā)熱而燒毀。但此時芯片無法正常工作。(9)DS18B20的轉(zhuǎn)換速率比較高。(10)適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)。(11)內(nèi)含64位激光修正的只讀存儲ROM，扣除8位產(chǎn)品系列號和8位循環(huán)冗余校驗碼(CRC)之后，產(chǎn)品序號占48位。出廠前產(chǎn)品序號存入其ROM中。在構(gòu)成大型溫控系統(tǒng)時，允許在單線總線上掛接多片DS18B20。 DS18B20的控制方法在硬件上，DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法。一種是將DS18B20的UDD接外部電源，GND接地，其I/0與單片機(jī)的I/0線相連；另一種是用寄生電源供電，此時 DSI8B20的UDD、GND接地，其I/0接單片機(jī)I/0。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，DS18B20的I/0口線要接5K見左右的上拉電阻。DS18B20有六條控制命令，如表3—5所示：CPU對DS18B20的訪問流程是：先對DS18B20初始化,再進(jìn)行ROM操作命令,最后才能對存儲器操作和對數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時序和通信協(xié)議。例如主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，必須經(jīng)歷三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)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(jìn)行預(yù)定的操作。 DS18B20的測溫原理DS18B20的測溫原理如圖3—6所示。 DS18B20的內(nèi)部測溫電路原理圖圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率隨溫度變化而明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入。圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將55℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3—6中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的概述單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計算機(jī)。它把中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器/計數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強(qiáng)且可靠性高等特點，因此，適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。正是由于這一原因，國際上逐漸采用微控制器(MCU)代替單片微型計算機(jī)(SCM)這一名稱?！拔⒖刂破鳌备芊从硢纹瑱C(jī)的本質(zhì)，但是由于單片機(jī)這個名稱已經(jīng)為國內(nèi)大多數(shù)人所接受，所以仍沿用“單片機(jī)”這一名稱。單片機(jī)的主要特點有：1)具有優(yōu)異的性能價格比。2)集成度高、體積小、可靠性高。3)控制功能強(qiáng)。4)低電壓，低功耗。 AT89C2051芯片的主要性能芯片AT89C2051是ATMEL公司生產(chǎn)的帶ZK字節(jié)快閃存儲器的8位單片機(jī)。它具有如下的一些特性：★指令和89C51產(chǎn)品兼容 ★內(nèi)含2K字節(jié)可重復(fù)編程快閃存儲器★耐久性1,000寫/擦除周期 ★~6V的工作電壓范圍★全靜態(tài)操作0Hz~24MHz ★二級程序存儲器加鎖★內(nèi)含128*8位內(nèi)部RAM ★15根可編程I/0引線★2個16位的計數(shù)器/定時器 ★6個中斷源★帶有可編程串行通訊口 ★可直接驅(qū)動LED輸出★片內(nèi)模擬電壓比較器 ★低功耗空載和掉電方式另外,該單片機(jī)還具有體積小,價格低等特點。 AT89C2051芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖AT89C2051是一帶有2K字節(jié)快閃可編程可擦除存儲體(EEPROM)的低電壓、高性能8位CMOS微型計算機(jī)。它采用ATMEL的高密非易失存儲技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS—51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的CPL1和快閃存儲器，ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051是一強(qiáng)勁的微型計算機(jī)，它對許多嵌入式控制的應(yīng)用，提供了一種高度靈活和成本低的解決辦法。圖3—7為AT89C2051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 輸入通道的設(shè)計系統(tǒng)輸入通道的作用是將溫控箱的溫度(非電量)通過傳感器電路轉(zhuǎn)化為電量(電壓或電流)輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉(zhuǎn)化為電壓的輸出。由于此時的電量(電壓)還是單片機(jī)所不能識別的模擬量，所以還需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，即將模擬的電量轉(zhuǎn)化成與之對應(yīng)的數(shù)字量，提供給單片機(jī)判斷和控制。輸入通道由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換等電路組成。 Pt100溫度傳感器溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構(gòu)成材料、構(gòu)成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度也各不相同。因此在不同的應(yīng)用場合，應(yīng)選擇不同的溫度傳感器。Pt100型鉑電阻，在200℃到850℃范圍內(nèi)是精度最高的溫度傳感器之一。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學(xué)性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強(qiáng)，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。這些特點使得鉑電阻溫度傳感器具有信號強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好的特點。由于在本系統(tǒng)中，測溫范圍較大(在室溫到600℃之間)，且要求檢測精度高、穩(wěn)定性好，因此選用Pt100鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型：標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻溫度傳感器。在測量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測量穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性一般不如標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，這主要有兩個方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴(kuò)散使其純度受到污染，從而降低了鉑電阻測溫的復(fù)現(xiàn)性能，其二是因為高溫條件下的應(yīng)力退火影響了其復(fù)現(xiàn)性能。但是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器也存在價格昂貴，維護(hù)起來較為困難等缺點?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級Pt100鉑電阻作為溫度傳感器。鉑電阻測溫電路的工作方式一般分為恒壓方式和恒流方式兩種。按照接線方式的不同又可以分為二線制、三線制和四線