【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)換到強上拉狀態(tài)。在強上拉方式下可以解決電流供應(yīng)不走的問題，因此也適合于多點測溫應(yīng)用，缺點就是要多占用一根I/O口線進行強上拉切換。圖318 DS18B20寄生電源強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I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，也是本設(shè)計選用的一種DS18B20工作方式，此方式可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器如下圖320所示，組成多點測溫系統(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，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(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，即使電源電壓VCC降到3V時，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，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意一些問題，下面列出本設(shè)計中使用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，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。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進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時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DS1820接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計時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，屏蔽層在源端單點接地。由于本設(shè)計要求不高，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)計為了實現(xiàn)水溫的PID控制，電路的輸出不能是一個簡單的開關(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。在實際的工程項目設(shè)計中，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單片機控制電路產(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、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)計中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。我們可以采用光耦對電路進行隔離。由于電磁繼電器啟動瞬間會產(chǎn)生電磁火花干擾，所以在實際應(yīng)用中如本設(shè)計類似的控制一般都選用固態(tài)繼電器SSR[10]。下面我就重點介紹一下固態(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。與普通的電磁式繼電器和磁力開關(guān)相比，具有無機械噪聲、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，并且耐沖擊、抗潮濕、抗腐蝕，因此在單片機測控等領(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?。河捎谄漭斎氩捎玫氖枪怆婑詈掀?，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)時無抖動和回跳現(xiàn)象，無機械噪聲，同時能耐潮、耐振、耐腐蝕；由于無觸點火花，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：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：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，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，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，SSR關(guān)斷。 (1)觸點控制最基本的驅(qū)動——觸點控制，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行了隔離，本設(shè)計無需再接光電耦合器了。接口驅(qū)動本設(shè)計使用的是集成塊7407（）。具體連接如圖326所示。本設(shè)計中繼電器是由單片機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)計選用的是5V供電，2A 250VAC的固態(tài)繼電器。 后向通道中單片機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，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，抗干擾能力強，過渡過程時間短,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)用時還應(yīng)注意經(jīng)過一段時間后需要將累計誤差消除。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），由于是集于單片機實現(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、個位和小數(shù)位。 軟件的設(shè)計[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℃報警Y按鍵預(yù)置溫度〉40℃？N按鍵預(yù)置溫度〈90℃？N報警圖329 預(yù)置溫度非法報警程序流程圖，加在電爐上的平均電壓與脈寬成正比[13]。PWM流程圖（定時中斷1子程序1ms定時）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單元計算a0e(k)結(jié)果存在A0Ek單元Ek1←Ek返回Uk1←Uk從EK1取出e(k1)計算a1e(k1)結(jié)果存在A1Ek單元計算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)計中遇到的問題 在設(shè)計按鍵電路的時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進行讀/寫。由于I/O口資源較少所以后來改用獨立式鍵盤電路，、。 在軟件程序中加上測溫子程序時，原來很穩(wěn)定的顯示變得很閃爍，多次修改掃描時間，不能達到好的效果。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會影響整個電路的穩(wěn)定性，這與機器周期有關(guān)系，一開始我用的是6MHZ的晶振（機器周期為2um），后來換了一個12MHZ的晶振（機器周期為1um），顯示穩(wěn)定了許多，然后修改了一下顯示延時程序，顯示穩(wěn)定。 第五章 本課程設(shè)計的拓展通常，以微處理器，單片機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，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)生程序跑飛時能實現(xiàn)自診斷和