【文章內(nèi)容簡介】 供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到E2存儲器或啟動溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最多10μS內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉狀態(tài)。在強(qiáng)上拉方式下可以解決電流供應(yīng)不走的問題，因此也適合于多點(diǎn)測溫應(yīng)用，缺點(diǎn)就是要多占用一根I/O口線進(jìn)行強(qiáng)上拉切換。圖318 DS18B20寄生電源強(qiáng)上拉供電方式電路圖 注意：在圖317和圖318寄生電源供電方式中，DS18B20的VDD引腳必須接地。[3].DS18B20的外部電源供電方式外部電源供電方式如下圖319所示，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，也是本設(shè)計(jì)選用的一種DS18B20工作方式，此方式可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器如下圖320所示，組成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)。圖319 DS18B20的外部電源供電方式注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85℃。圖320：外部供電方式的多點(diǎn)測溫電路圖 外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。站長推薦大家在開發(fā)中使用外部電源供電方式，畢竟比寄生電源方式只多接一根VCC引線。在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮DS18B20寬電源電壓范圍的優(yōu)點(diǎn)，即使電源電壓VCC降到3V時(shí)，依然能夠保證溫度量精度。[14]DS18B20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意一些問題，下面列出本設(shè)計(jì)中使用DS18B20應(yīng)注意的問題：1) 連接DS18B20的總線電纜是由長度限制的。當(dāng)采用普通型號電纜傳輸長度超過50m時(shí)，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)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)150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。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。2) 在DS18B20測溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某個(gè)DS1820接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時(shí)，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。由于本設(shè)計(jì)要求不高，所以只采用了簡單的電源線。DS18B20溫度檢測子程序:見附錄六 后向通道的設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)水溫的PID控制，電路的輸出不能是一個(gè)簡單的開關(guān)量，輸入電爐的功率必須連續(xù)可調(diào)。一般來說改變輸入電爐的電壓平均值就可以改變電爐的輸出功率，而較簡單的調(diào)壓方法有相位控制調(diào)壓和通斷控制調(diào)壓法。本設(shè)計(jì)采用的脈寬調(diào)制輸出控制電爐與電源的接通和斷開的比例，以通斷控制調(diào)壓法控制電爐的輸入功率。這種方法不僅十輸出通道省去了D/A轉(zhuǎn)換器和移向觸發(fā)電路，大大簡化了硬件系統(tǒng)[4]。在后向通道的控制中，一般采用繼電器、可控硅等開關(guān)器件。繼電器又有電磁繼電器和固態(tài)繼電器之分。一些常用的小型電磁繼電器，由于受電流大小的限制，只能控制功率較小的負(fù)載。在實(shí)際的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，由于繼電器控制的負(fù)載多為感性或容性負(fù)載（比如本設(shè)計(jì)中的電爐就是感性負(fù)載），如果電磁隔離不好，這些負(fù)載所產(chǎn)生的高次諧波信號便會串進(jìn)單片機(jī)控制電路產(chǎn)生各種干擾。這種干擾信號往往會導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性降低，具體表現(xiàn)有系統(tǒng)死機(jī)、CPU反復(fù)復(fù)位、控制失靈等，也就是常說的“程序的跑飛”。因此對于大功率負(fù)載的控制，信號的隔離是電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。我們可以采用光耦對電路進(jìn)行隔離。由于電磁繼電器啟動瞬間會產(chǎn)生電磁火花干擾，所以在實(shí)際應(yīng)用中如本設(shè)計(jì)類似的控制一般都選用固態(tài)繼電器SSR[10]。下面我就重點(diǎn)介紹一下固態(tài)繼電器。 固態(tài)繼電器[6]固態(tài)繼電器（Solid state RelaySSR）是近幾年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，用TTL、HTL、CMOS等集成電路或加簡單的輔助電路就可直接驅(qū)動，因此適宜于單片機(jī)測控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件；其輸出利用晶體管或可控硅驅(qū)動，無觸點(diǎn)。與普通的電磁式繼電器和磁力開關(guān)相比，具有無機(jī)械噪聲、無抖動和回跳、開關(guān)速度快、體積小質(zhì)量輕、壽命長、工作可靠等特點(diǎn)，并且耐沖擊、抗潮濕、抗腐蝕，因此在單片機(jī)測控等領(lǐng)域中，已逐漸取代傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開關(guān)作為開關(guān)量輸出控制元件。（1） 功率小：由于其輸入采用的是光電耦合器，其驅(qū)動電流僅需幾毫安便能可靠地控制，所以可以直接用TTL、HTL、CMOS等集成驅(qū)動電路控制。（2） 高可靠性：由于其結(jié)構(gòu)上無可動接觸不見，且采用全塑密閉式封裝，所以SSR開關(guān)時(shí)無抖動和回跳現(xiàn)象，無機(jī)械噪聲，同時(shí)能耐潮、耐振、耐腐蝕；由于無觸點(diǎn)火花，可用在有依然易爆介質(zhì)的場合。（3） 低電磁噪聲：交流型SSR在采用了過零觸發(fā)技術(shù)后，電路具有零電壓開啟、零電流關(guān)斷的特性，可使對外界和本系統(tǒng)的射頻干擾減低到最低程度。（4） 能承受的浪涌電流大：其數(shù)值可為SSR額定值的6～10倍。（5） 對縣原電壓適應(yīng)能力強(qiáng)：交流型SSR的負(fù)載電源電壓可以在30～220V范圍內(nèi)任選。（6） 抗干擾能力強(qiáng)：由于輸入與輸出之間采用了光電隔離，割斷了兩者的電氣聯(lián)系，避免了輸出功率負(fù)載電路對輸入電路的影響。另外，又在輸出端附加了干擾抑制網(wǎng)絡(luò)，有效地抑制了線路中的dv/di和di/dt的影響。 固態(tài)繼電器是一種四端器件，兩端輸入，兩端輸出。他們之間用光電耦合器隔離。（1） 以負(fù)載電源類型分類：可分為直流型（DCSSR）和交流型（ACSSR）兩種。直流型是用功率晶體管做開關(guān)器件；交流型則用雙向晶閘管做開關(guān)器件，分別用來接通和斷開直流或交流負(fù)載電源。（2） 以開關(guān)觸點(diǎn)形式分類：可分為長開式和常閉式。目前市場上以常開式為多。圖321 觸點(diǎn)控制（3） 以控制觸發(fā)信號的形式分類：可分為過零型。他們的區(qū)別在于負(fù)載交流電流導(dǎo)通的條件。非過零型在輸入信號時(shí)，不管負(fù)載電源電壓相位如何，負(fù)載端立即導(dǎo)通。而過零型必須在負(fù)載電源電壓接近零且控制信號有效時(shí)，輸出端負(fù)載電源才導(dǎo)通。其關(guān)斷向晶閘管的負(fù)載電流為零時(shí)，SSR關(guān)斷。 (1)觸點(diǎn)控制最基本的驅(qū)動——觸點(diǎn)控制，見圖321。 （2）TTL驅(qū)動SSR，見圖322。 （3）CMOS驅(qū)動SSR，見圖323。圖323 CMOS驅(qū)動SSR圖322 TTL驅(qū)動SSR（1）DC—SSR驅(qū)動大功率負(fù)載，見圖324。（2）DC—SSR驅(qū)動大功率高壓負(fù)載，見圖325。圖325 DC—SSR驅(qū)動大功率高壓負(fù)載圖324 DC—SSR驅(qū)動大功率負(fù)載 本設(shè)計(jì)固態(tài)繼電器的選擇與應(yīng)用[10]圖326 固態(tài)繼電器控制電路由于固態(tài)繼電器的輸出采用的光電耦合器對信號進(jìn)行了隔離，本設(shè)計(jì)無需再接光電耦合器了。接口驅(qū)動本設(shè)計(jì)使用的是集成塊7407（）。具體連接如圖326所示。本設(shè)計(jì)中繼電器是由單片機(jī)控制的所以它的供電電壓選擇5V直流電。繼電器所帶的負(fù)載為一個(gè)額定功率300W，接220V交流電的電爐。所以繼電器的要選用交流型（ACSSR），耐壓在220V以上。本設(shè)計(jì)選用的是5V供電，2A 250VAC的固態(tài)繼電器。 后向通道中單片機(jī)對繼電器的控制方案的確定[4] 由于水溫控制電路的控制對象具有熱貯存能力大，慣性也較大的特點(diǎn)，水在容器內(nèi)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來說，熱過程大多具有較大的滯后，他對熱核信號的響應(yīng)都回推遲一些時(shí)間使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。對于這樣一些存在大的滯后特性的過渡過程控制，一般可采用以下幾種控制方案[4]：a) 輸出開關(guān)量控制 對于慣性較大的過程可簡單地采用輸出開關(guān)量控制的方法，這種方法通過比較給定值與被控參數(shù)的偏差來控制輸出的狀態(tài)：開通或關(guān)斷，因此控制過程十分簡單也容易實(shí)現(xiàn)。但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個(gè)方向上變化的速率均為最大，因此容易引起反饋回路產(chǎn)生振蕩，對自動控制會產(chǎn)生十分不利的影響，甚至?xí)驗(yàn)檩敵鲩_關(guān)的頻繁動作而不能滿足系統(tǒng)對控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對控制精度和動態(tài)特性要求不高的情況下采用。b) 比例控制(P控制) 比例控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差成比例，輸出量的大小與偏差之間有對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，過渡過程時(shí)間短,但過程終了存在余差。因此它適應(yīng)于控制通道滯后較小，負(fù)荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。應(yīng)用時(shí)還應(yīng)注意經(jīng)過一段時(shí)間后需要將累計(jì)誤差消除。c) 比例積分控制（PI控制） 由于比例積分控制的特點(diǎn)是控制器的輸出與偏差的積分比例，積分的作用使過渡過程結(jié)束時(shí)無余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。雖然加大比例度可使穩(wěn)定性提高，但又使過渡過程時(shí)間家常。因此，適用于之后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)，它是工程上使用最多、應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。d) 比例積分加微分控制（PID控制） 比例積分加微分控制的特點(diǎn)是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對克服對象的容量之后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此，PID控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求有很高的控制系統(tǒng)。 綜合本設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，我選用最常用的比例積分控制（PI控制），由于是集于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過程，采用這種方法不會增加系統(tǒng)硬件成本。而且采用PI控制在滿足電路要求的基礎(chǔ)上，在軟件編寫方面也比PID控制簡單很多。 硬件的整合[11]水溫控制電路的原理圖見附錄二 根據(jù)原理圖，實(shí)際水溫顯示的字型碼是由P0口送出，十位；設(shè)定溫度顯示的字型碼是由P2口送出，十位、。、分別控制設(shè)定溫度的十位、個(gè)位和小數(shù)位。 軟件的設(shè)計(jì)[12]如圖327所示圖327 水溫控制電路的主流程圖[2]如圖328所示圖328 按鍵處理子程序[2]如圖329顯示40℃Y調(diào)顯示子程序顯示90℃報(bào)警Y按鍵預(yù)置溫度〉40℃？N按鍵預(yù)置溫度〈90℃？N報(bào)警圖329 預(yù)置溫度非法報(bào)警程序流程圖，加在電爐上的平均電壓與脈寬成正比[13]。PWM流程圖（定時(shí)中斷1子程序1ms定時(shí)）如圖330。否是P1=0？100？P←初值UK（上升沿）T送初值100返回（下降沿）P←初值UK圖330 PWM流程圖[115]溫度控制系統(tǒng)可采用比例積分調(diào)節(jié)器來校正，按一定采樣周期采集r(k)和F(k),其偏差值為 e（k）= r（k）F（k） （）根據(jù)偏差值來計(jì)算輸出u(k)，其對應(yīng)差分方程為：u(k)= u(k1)+ a0e(k) a1e(k1) （）其中： a0=Kp(1+T/T1) （） a1= Kp （）e（k）= r（k）F（k） （）u(k)為輸出 比例積分調(diào)節(jié)流程圖如圖331所示取溫度F（k）取給定溫度r（k）e（k）= r（k）－F（k），存放在EK單元計(jì)算a0e(k)結(jié)果存在A0Ek單元Ek1←Ek返回Uk1←Uk從EK1取出e(k1)計(jì)算a1e(k1)結(jié)果存在A1Ek單元計(jì)算uk1+ a0e(k) a1e(k1)結(jié)果存在Uk將Uk送入PWM單元圖331 比例積分調(diào)節(jié)流程圖第四章 電路安裝和調(diào)試 安裝和調(diào)試工具 設(shè)計(jì)中遇到的問題 在設(shè)計(jì)按鍵電路的時(shí)候我最初的想法是用矩陣鍵盤，、。經(jīng)過多次修改程序發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)口都沒有反應(yīng)，后來經(jīng)過查資料發(fā)現(xiàn)，、則CPU不能對外部RAM/IO進(jìn)行讀/寫。由于I/O口資源較少所以后來改用獨(dú)立式鍵盤電路，、。 在軟件程序中加上測溫子程序時(shí)，原來很穩(wěn)定的顯示變得很閃爍，多次修改掃描時(shí)間，不能達(dá)到好的效果。經(jīng)過仔細(xì)的分析發(fā)現(xiàn)這與測溫子程序有關(guān)，檢測溫度的頻率和延時(shí)會影響整個(gè)電路的穩(wěn)定性，這與機(jī)器周期有關(guān)系，一開始我用的是6MHZ的晶振（機(jī)器周期為2um），后來換了一個(gè)12MHZ的晶振（機(jī)器周期為1um），顯示穩(wěn)定了許多，然后修改了一下顯示延時(shí)程序，顯示穩(wěn)定。 第五章 本課程設(shè)計(jì)的拓展通常，以微處理器，單片機(jī)為核心的智能儀器工作現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣，存在著諸如電網(wǎng)波形畸變及各種電磁干擾，嚴(yán)重時(shí)，會使智能儀器正常工作的程序遭到破壞，發(fā)生人們習(xí)慣稱為的“程序跑飛”。這是智能儀器便失去控制，需迅速采取有效措施恢復(fù)程序的正常運(yùn)行。[16] 采用屏蔽、隔離、去耦、濾波等措施，雖然可以提高智能儀器的抗干擾能力，但這不僅需要增加儀器的成本、增大儀器的體積和復(fù)雜性，而且不可能從根本上杜絕智能儀器發(fā)生程序跑飛問題。所以需要提出一個(gè)充分利用CPU的智能，采用以軟件為主、軟硬件結(jié)合檢測程序跑飛的方法，使智能儀器在受嚴(yán)重干擾、發(fā)生程序跑飛時(shí)能實(shí)現(xiàn)自診斷和