【文章內(nèi)容簡介】 ，最高位為符號位，其余8位以二進制補碼形式表示溫度值。測溫結(jié)束時，這9位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存存儲器的前兩個字節(jié)中，符號位占用第一字節(jié)，8位溫度數(shù)據(jù)占據(jù)第二字節(jié)。 DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術。DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。當計數(shù)門打開時，DS18B20進行計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應該為9位，但因符號位擴展成高8位，所以最后以16位補碼形式讀出。 DS18B20工作過程一般遵循以下協(xié)議：初始化——ROM操作命令——存儲器操作命令——處理數(shù)據(jù) （1）初始化 單總線上的所有處理均從初始化序列開始。初始化序列包括總線主機發(fā)出一復位脈沖，接著由從屬器件送出存在脈沖。存在脈沖讓總線控制器知道DS1820 在總線上且已準備好操作。 （2）ROM操作命令 一旦總線主機檢測到從屬器件的存在，它便可以發(fā)出器件ROM操作命令之一。所有ROM操作命令均為8位長。這些命令列表如下： Read ROM(讀ROM)[33H] 此命令允許總線主機讀DS18B20的8位產(chǎn)品系列編碼，唯一的48位序列號，以及8位的CRC。此命令只能在總線上僅有一個DS18B20的情況下可以使用。如果總線上存在多于一個的從屬器件，那么當所有從片企圖同時發(fā)送時將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象（漏極開路會產(chǎn)生線與的結(jié)果）。 Match ROM( 符合ROM)[55H] 此命令后繼以64位的ROM數(shù)據(jù)序列，允許總線主機對多點總線上特定的DS18B20尋址。只有與64位ROM序列嚴格相符的DS18B20才能對后繼的存貯器操作命令作出響應。所有與64位ROM序列不符的從片將等待復位脈沖。此命令在總線上有單個或多個器件的情況下均可使用。 Skip ROM( 跳過ROM )[CCH] 在單點總線系統(tǒng)中，此命令通過允許總線主機不提供64位ROM編碼而訪問存儲器操作來節(jié)省時間。如果在總線上存在多于一個的從屬器件而且在Skip ROM命令之后發(fā)出讀命令，那么由于多個從片同時發(fā)送數(shù)據(jù)，會在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開路下拉會產(chǎn)生線與的效果）。 Search ROM( 搜索ROM)[F0H] 當系統(tǒng)開始工作時，總線主機可能不知道單線總線上的器件個數(shù)或者不知道其64位ROM編碼。搜索ROM命令允許總線控制器用排除法識別總線上的所有從機的64位編碼。 Alarm Search(告警搜索)[ECH] 此命令的流程與搜索ROM命令相同。但是，僅在最近一次溫度測量出現(xiàn)告警的情況下，DS18B20才對此命令作出響應。告警的條件定義為溫度高于TH 或低于TL。只要DS18B20一上電，告警條件就保持在設置狀態(tài)，直到另一次溫度測量顯示出非告警值或者改變TH或TL的設置，使得測量值再一次位于允許的范圍之內(nèi)。貯存在EEPROM內(nèi)的觸發(fā)器值用于告警。 （3）存儲器操作命令 Write Scratchpad（寫暫存存儲器）[4EH] 這個命令向DS18B20的暫存器中寫入數(shù)據(jù)，開始位置在地址2。接下來寫入的兩個字節(jié)將被存到暫存器中的地址位置2和3。可以在任何時刻發(fā)出復位命令來中止寫入。 Read Scratchpad（讀暫存存儲器）[BEH] 這個命令讀取暫存器的內(nèi)容。讀取將從字節(jié)0開始，一直進行下去，直到第9（字節(jié)8，CRC）字節(jié)讀完。如果不想讀完所有字節(jié)，控制器可以在任何時間發(fā)出復位命令來中止讀取。 Copy Scratchpad（復制暫存存儲器）[48H] 這條命令把暫存器的內(nèi)容拷貝到DS18B20的E2存儲器里，即把溫度報警觸發(fā)字節(jié)存入非易失性存儲器里。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時間隙，而DS18B20又正在忙于把暫存器拷貝到E2存儲器，DS18B20就會輸出一個“0”，如果拷貝結(jié)束的話，DS18B20 則輸出“1”。如果使用寄生電源，總線控制器必須在這條命令發(fā)出后立即起動強上拉并最少保持10ms。 Convert T（溫度變換）[44H] 這條命令啟動一次溫度轉(zhuǎn)換而無需其他數(shù)據(jù)。溫度轉(zhuǎn)換命令被執(zhí)行，而后DS18B20保持等待狀態(tài)。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時間隙，而DS18B20又忙于做時間轉(zhuǎn)換的話，DS18B20將在總線上輸出“0”，若溫度轉(zhuǎn)換完成，則輸出“1”。如果使用寄生電源，總線控制器必須在發(fā)出這條命令后立即起動強上拉，并保持500ms。 Recall E2（重新調(diào)整E2）[B8H] 這條命令把貯存在E2中溫度觸發(fā)器的值重新調(diào)至暫存存儲器。這種重新調(diào)出的操作在對DS18B20上電時也自動發(fā)生，因此只要器件一上電，暫存存儲器內(nèi)就有了有效的數(shù)據(jù)。在這條命令發(fā)出之后，對于所發(fā)出的第一個讀數(shù)據(jù)時間片，器件會輸出溫度轉(zhuǎn)換忙的標識：“0”=忙，“1”=準備就緒。 Read Power Supply（讀電源）[B4H] 對于在此命令發(fā)送至DS18B20之后所發(fā)出的第一讀數(shù)據(jù)的時間片，器件都會給出其電源方式的信號：“0”=寄生電源供電，“1”=外部電源供電。 （4）處理數(shù)據(jù) DS18B20的高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如表32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。表32 DS18B20暫存器字節(jié)分配溫度/℃二進制表示十六進制表示符號位（5位）數(shù)據(jù)位（11位）+1250 0 0 0 01 1 1 1 1 0 1 0 0 0 007D0H+0 0 0 0 00 0 1 1 0 0 1 0 0 0 10191H+0 0 0 0 00 0 0 1 0 1 0 0 0 1 000A2H+0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 1 0 0 00008H00 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00000H1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0FFF8H1 1 1 1 11 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0FF5EH1 1 1 1 11 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1FE6FH551 1 1 1 11 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0FC90H 上表是DS18B20溫度采集轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于或等于0，這5位為0，；如果溫度小于0，這5位為1。 溫度轉(zhuǎn)換計算方法舉例： 例如當DS18B20采集到+125℃的實際溫度后，輸出為07D0H，則： 實際溫度=07D0H╳=2000╳=℃。 例如當DS18B20采集到55℃的實際溫度后，輸出為FC90H，則應先將11位數(shù)據(jù)位取反加1得370H（符號位不變，也不作為計算），則： 實際溫度=370H╳=880╳=℃。 本章小結(jié)本章詳細的講述了以AT89C51為核心元件的恒溫箱的硬件電路具體設計過程，分析了具體電路的工作原理。在設計過程中，實現(xiàn)溫度控制的是通過編寫程序的方法集成在89C51內(nèi)部。接著將程序下載到硬件電路中，配合周邊的溫度采集電路，時鐘電路，溫度報警電路，顯示電路等，制作出符合設計要求的恒溫箱。第4章 系統(tǒng)軟件設計 軟件任務分析軟件任務分析和硬件電路設計結(jié)合進行，哪些功能由硬件完成，哪些任務由軟件完成，在硬件電路設計基本定型后，也就基本上決定下來了。軟件任務分析環(huán)節(jié)是為軟件設計做一個總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質(zhì)性的功能，如測量，計算，顯示，打印，輸出控制和通信等；另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系，使在系統(tǒng)軟件中充當組織調(diào)度角色的軟件。這兩類軟件的設計方法各有特色，執(zhí)行軟件的設計偏重算法效率，與硬件關系密切，千變?nèi)f化。軟件任務分析時，應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在對各執(zhí)行模塊進行定義時，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結(jié)構和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。 各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以設計監(jiān)控程序了。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤設置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結(jié)構。相對來講，執(zhí)行模塊任務明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。這如同當一名操作工人比較容易，而當一個廠長就比較難一樣。軟件任務分析的另一個內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和執(zhí)行模塊。整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序（背景程序）和前臺程序。后臺程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)崟r性要求不是太高，延時幾十毫秒甚至幾百毫秒也沒關系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內(nèi)容，如定時系統(tǒng)和外部中斷。也可以將全部程序均安排在前臺，后臺程序為“使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。 程序流程圖在本程序中包括了如下主要的程序。 主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示，讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程如圖41所示：初始化設定溫度溫度采集計算溫度比較處理顯示溫度 開始 結(jié)束圖41 主程序流程圖 溫度采集計算子程序如圖42所示： 圖42 溫度采集計算子程序流程圖 由以上程序可以看出，調(diào)用程序前即系統(tǒng)運行首要先對DS18B20進行初始化，然后寫DS18B20，發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換開始指令，等待A/D轉(zhuǎn)換并再次初始化，發(fā)讀取溫度指令，最終將讀取的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為攝氏溫度并存儲。溫度比較處理子程序流程圖如圖43所示：讀取實時溫度值實時溫度與設定溫度是否相等實時溫度比設定溫度大關燈開燈N返回NYY圖43 溫度比較處理子程序流程圖在該程序中，將讀取的實時溫度與設定好的溫度比較，當實時溫度小于設定溫度時，發(fā)出開燈信號；當實時溫度大于設定溫度時，發(fā)出關燈信號。報警子程序流程如圖44所示： 當前溫度設定溫度是否報警報警子程序返回開報警器，關閉電燈 NNYY 返回圖44 報警子程序流程圖根據(jù)設計要求，當檢測到當前溫度值高于設定溫度值時報警，報警的同時關閉電燈。為了防止誤報，設置了報警允許標志，只有在允許報警的情況下，溫度值高于設定溫度值時才報警。 系統(tǒng)控制算法PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關系，進行運算，將其運算結(jié)果用以輸出控制，將基本PID算式離散化可得到位置型PID控制算法，對位置型PID進行變換可得到增量型PID控制算法。對控制精度要求較高的系統(tǒng)一般采用位置型算法，而在以步進電機或多圈電位器做執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則采用增量型算法。PID是一種工業(yè)控制過程中應用較為廣泛的一種控制算法，它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好，適用范圍廣，控制參數(shù)易于整定等優(yōu)點。PID控制不需了解被控對象的數(shù)學模型，只要根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整控制器參數(shù)，便可獲得滿意的結(jié)果。其不足之處是對被控參數(shù)的變化比較敏感。但是通過軟件編程方法實現(xiàn)PID控制，可以靈活地調(diào)整參數(shù)。盡管近年來出現(xiàn)了很多先進的控制算法，但PID控制仍然以其獨有的特點在工業(yè)控制過程中具有相當大的比重，且控制效果相當令人滿意。 連續(xù)PID控制器也稱比例－積分－微分控制器，即過程控制是按誤差的比例（PProportion）、積分（IIntegration）和微分（DDifferentiation）對系統(tǒng)進行控制，其系統(tǒng)原理框圖如圖45所示：比例積分微分被控對象+U(t)C(t)E(t)R(t)_ 圖45 PID的原理框圖它的控制規(guī)律的數(shù)學模型如下： （41） 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式： （42）式中，：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏差；：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)。