【文章內(nèi)容簡介】 －55℃～＋125℃，在10～+85℃時(shí)精度為177?！妫?）可編程的分辨率為9～12位，℃、℃、℃℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫（7），12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快（8）測量結(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（9）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的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu): DS18B20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下圖: 圖23DS18B20外形 圖24 DS18B20外形及仿真結(jié)構(gòu)圖DS18B20使用注意事項(xiàng):主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，在每一次讀寫之前，都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，而且該復(fù)位要求主CPU要將數(shù)據(jù)線下拉500μs，然后釋放。DS18B20收到信號(hào)后將等待16～60μs左右，之后再發(fā)出60～240μs的低脈沖。主CPU收到此信號(hào)即表示復(fù)位成功。實(shí)際上，較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償。由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，因此，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格地保證讀寫時(shí)序，否則，將無法正確讀取測溫結(jié)果。對(duì)于在單總線上所掛DS18B20的數(shù)量問題，一般人們會(huì)誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè)DS18B20，而在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。若單總線上所掛DS18B20超過8個(gè)時(shí)，則需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題，因此，在進(jìn)行蓄電池單體多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)該問題要加以注意。連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜且其傳輸長度超過50 m時(shí)，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。而將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150 m，如采用帶屏蔽層且每米絞合次數(shù)更多的雙絞線電纜，則正常通信距離還可以進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻?，因此，在用DS18B20進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題[7]。在DS18B20測溫程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返同信號(hào)。這樣，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，在程序讀該DS18B20時(shí)就沒有返回信號(hào)，從而使程序進(jìn)入死循環(huán)。因此，在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)給予足夠的重視。 ADC轉(zhuǎn)換器ADC0832ADC0832 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用ADC0832 可是使我們了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高[8][9]。圖25 ADC轉(zhuǎn)換器ADC0832引腳圖 LED顯示結(jié)構(gòu)LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出器件。它由若干個(gè)發(fā)光二極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆劃發(fā)亮。控制不同組合的發(fā)光二極管導(dǎo)通，就能顯示各種字符。常用的LED顯示器有7段和“米”字管之分，有共陰極和共陽極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。共陽極LED顯示原理類似。圖26 LED顯示結(jié)構(gòu)圖 鍵盤接口原理鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它具有最簡單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)對(duì)話。鍵盤上閉合建的識(shí)別是由專用硬件實(shí)現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實(shí)現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。圖27 鍵盤接口結(jié)構(gòu)圖圖 溫度采集本設(shè)計(jì)采用數(shù)字傳感器DS18B20，DS18B20是一種可組網(wǎng)的單線數(shù)字溫度傳感器，它采用單線總線結(jié)構(gòu)，集溫度測量和A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字量，用一根I/O線就可以傳送數(shù)據(jù)與命令，其溫度測量范圍為55℃~+125℃，精度為+/℃，使用中無需外部器件，可利用數(shù)據(jù)線或外部電源提供電能，~，通過編程實(shí)現(xiàn)9~12位分辨率讀出溫度數(shù)據(jù)。使用時(shí)，將DS18B20的數(shù)據(jù)DQ與單片機(jī)的一位具有三態(tài)功能的雙向口連接就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，為保證在有效的時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠電流，采用外部電源單獨(dú)供電，[10]。具體接線如下： 圖28 溫度采集接線圖 顯示模塊：用來顯示所側(cè)得的溫度，由單片機(jī)輸入。方案一：采用LCD液晶顯示使用液晶顯示屏顯示時(shí)間和路程。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但由于只需顯示溫度這樣的數(shù)字，信息量比較少，且由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號(hào)，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大，控制器的資源占用較多，,需要不停的充放電才能. 其成本偏高。在使用時(shí)，不能有靜電干擾，否則易燒壞液晶的顯示芯片，不易維護(hù)。方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。一般采用動(dòng)態(tài)掃描的方式。八段數(shù)碼管占用1BYTE的數(shù)據(jù)線，通過選通線選擇各個(gè)數(shù)碼管的顯示。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時(shí)其精度比較高，稱量快，精確可靠，操作簡單。數(shù)碼管是采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。 根據(jù)以上的論述，采用方案二。在本系統(tǒng)中，我們采用了數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，節(jié)省單片機(jī)的內(nèi)部資源，軟件實(shí)施時(shí)難度也降低。插座的輸入端與單片機(jī)的I/O相接。上圖中采用共陽極數(shù)碼管，由于AT89C51單片機(jī)每個(gè)I/O口的拉電流只有1～2 mA，但在灌電流驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下能達(dá)到20mA左右，如果采用共陰極數(shù)碼管需要加驅(qū)動(dòng)電路，而采用共陽極數(shù)碼管則不需要驅(qū)動(dòng)電路，可使電路得到簡化。在電源輸入端接入濾波電容器。 硬件連接在選擇好硬件后，必須進(jìn)行有效的連接才能使各個(gè)元件發(fā)揮其功能。圖給出了單片機(jī)系統(tǒng)中幾個(gè)重要芯片的連接原理圖，其他部分電路如單片機(jī)最小系統(tǒng),溫度測量電路,鍵盤電路,數(shù)碼顯示電路,外部加熱爐電路。圖29 系統(tǒng)整體硬件連接圖3 . 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)軟件是單片機(jī)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，在硬件平臺(tái)確定之后，就可以通過設(shè)計(jì)不同的軟件，實(shí)現(xiàn)不同的單片機(jī)功能。在設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的軟件系統(tǒng)時(shí)，需要考慮眾多因素，如硬件需求、計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)等。由于選用專用的開發(fā)軟件，必須具有一定的單片機(jī)以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備配合使用[11][12]?？刂葡到y(tǒng)加電后主控單片機(jī)、LED顯示、溫度傳感器DS18B20復(fù)位，然后初始化單片機(jī)和溫度傳感器，初始化完成之后，程序開始掃描鍵盤等待設(shè)定目標(biāo)溫度值，設(shè)定完成后，程序則立即開始通過掃描溫度傳感器DS18B20來實(shí)時(shí)采集當(dāng)前溫度并顯示?？刂扑惴ㄖ校?dāng)設(shè)定值與實(shí)際溫度值相差大于10℃時(shí)，控制電爐的輸出功率為全功率，當(dāng)兩者相差小于10℃時(shí)采用比例控制，并在相差10~5℃時(shí)采用不同參數(shù)的比例控制，小于5℃時(shí)采用比例積分控制,直至實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相同時(shí)停止控制，程序進(jìn)入等待控制狀態(tài)，如果溫度降到設(shè)定值以下則又開始控制。開 始初 始 化處 理 按 鍵, 顯 示 設(shè) 定 值溫度檢測數(shù)值處理顯示實(shí)際溫度比較設(shè)定溫度值和實(shí)際溫度是否大于?加熱停止YTN圖31 程序流程圖 程序的模塊化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于其應(yīng)用軟件的研究與開發(fā)，所以在明確了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)之后，應(yīng)該采用好的程序開發(fā)方法，如結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法、模塊化思想、多線程以及軟件系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等等。模塊是定義了輸入和輸出，具有一定特性的程序?qū)嶓w。模塊化設(shè)計(jì)（Modular Design）的核心是模塊的劃分。模塊化結(jié)構(gòu)是所有設(shè)計(jì)良好的軟件系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，任何一個(gè)大的程序系統(tǒng)，總是由若干功能相對(duì)獨(dú)立的模塊組成[13]。模塊化設(shè)計(jì)一般采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法（Topdown Design）劃分模塊。模塊化設(shè)計(jì)要盡量使模塊的劃分合理。模塊劃分合理有以下兩點(diǎn)要求：1）各模塊之間耦合（Coupling）盡可能少。模塊之間耦合盡可能少，說明各模塊獨(dú)立性（Module Independence）好，接口少，減少了相互間的訪問，也減少了出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。2）各單一模塊內(nèi)聚性（Cohesion）高。各模塊內(nèi)聚性高說明該模塊有一個(gè)專一的任務(wù)，劃分合理，能提高開發(fā)效率[14][15]。模塊劃分之后，要用圖示的方法表示出個(gè)模塊之間的關(guān)系，本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)模塊劃分如圖。系統(tǒng)程序的主要功能為模塊劃分的標(biāo)準(zhǔn)，其他包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)比較等功能。 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)溫度設(shè)定溫度數(shù)據(jù)比較圖32 程序模塊功能圖 系統(tǒng)軟件原理設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)加電后主控單片機(jī)、LCD顯示、溫度傳感器DS18B20復(fù)位，然后初始化單片機(jī)和溫度傳感器，初始化完成之后，程序開始掃描鍵盤等待設(shè)定目標(biāo)溫度值，設(shè)定完成后，程序則立即開始通過掃描溫度傳感器DS18B20來實(shí)時(shí)采集當(dāng)前水溫并顯示?？刂扑惴ㄖ?，當(dāng)設(shè)定值與實(shí)際水溫值相差大于10℃時(shí)，控制電爐的輸出功率為全功率，當(dāng)兩者相差小于10℃時(shí)采用比例控制，并在相差10~5℃時(shí)采用不同參數(shù)的比例控制，小于5℃時(shí)采用比例積分控制,直至實(shí)際水溫與設(shè)定水溫相同時(shí)停止控制，程序進(jìn)入等待控制狀態(tài)，如果水溫降到設(shè)定值以下則又開始控制。 按鍵功能定義本次設(shè)計(jì)中定義4個(gè)按鍵：設(shè)定、加、減、復(fù)位鍵。復(fù)位鍵由主控單片機(jī)的復(fù)位來實(shí)現(xiàn)，其余各鍵由P1口采集控制，分別為：、。設(shè)定初始值時(shí)默認(rèn)從高位到低位依次設(shè)定，用加減鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)字的選擇，按下設(shè)定鍵直接確認(rèn)并跳到下一位，三位設(shè)定完成后主程序開始進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和對(duì)輸出的控制。 溫度傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)中選用數(shù)字傳感器DS18B20，其內(nèi)部可自動(dòng)完成