【正文】 軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。因此，在用 DS18B20 進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)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。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(zhǎng)。3) 連接 DS18B20 的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)172) 在 DS18B20 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS18B20 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè) DS18B20，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。表 28：ROM 指令表表 29：RAM 指令表六、DS18B20 使用中注意事項(xiàng)DS18B20 雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)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)注意以下幾方面的問題：1) 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，因此，在對(duì) DS18B20 進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果。表 27：DS18B20 暫存寄存器分布基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)16根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì) DS18B20 進(jìn)行復(fù)位操作，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(duì) DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。表 27 是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表 1 所示。R1 和 R0 用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（DS18B20 出廠時(shí)被設(shè)置為 12 位）表 26：溫度分辨率設(shè)置表四、高速暫存存儲(chǔ)器高速暫存存儲(chǔ)器由 9 個(gè)字節(jié)組成，其分配如表 5 所示。（4）配置寄存器該字節(jié)各位的意義如下：表 25：配置寄存器結(jié)構(gòu)基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)15低五位一直都是1，TM 是測(cè)試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測(cè)試模式。例如+125℃的數(shù)字輸出為 07D0H，+℃的數(shù)字輸出為 0191H，℃的數(shù)字輸出為 FF6FH，55℃的數(shù)字輸出為 FC90H。（2）DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16 位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃/LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位。64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。圖 26 中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。引腳含義如下：基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)13(1)DQ：數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；(2)GND：電源地；(3)VDD：外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 二、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。（8）測(cè)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?！妫?）可編程的分辨率為 9～12 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃、℃、℃和 ℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。（3）DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。并具有負(fù)壓特性，即當(dāng)電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)雖然不會(huì)正常工作，但卻不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。DS18B20 可用傳統(tǒng)方式供電 [6]，將外部電源連在 VDD 腳上，其工作電壓范圍為～， 也可以用數(shù)據(jù)線供電，稱為寄生供電模式，電源由總線為高電平時(shí) DQ 腳上的上拉電阻提供，此時(shí) VDD 腳必須接地。2176。DS18B20 的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價(jià)格比也非常出色！DS1822 與DS18B20 軟件兼容，是 DS18B20 的簡(jiǎn)化版本?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。176。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。C。DS1822 的精度較差為177。176。C，在10～+85176。此外，一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)12DS18B20 測(cè)量溫度范圍為55176。 比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此選用方案三。 方案三：DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有 3 引腳 TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為 9 位～12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá) ℃。EA（4） 單片機(jī)編程 溫度傳感器的選取 目前市場(chǎng)上溫度傳感器較多，有以下幾種： 方案一：選用鉑電阻溫度傳感器，此類溫度傳感器線性度、穩(wěn)定性等方面性能都很好， 其成本較高。在本硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為保證串行通行波特率的誤差，選擇了 的標(biāo)準(zhǔn)石英晶振，電容 CC2 為 47uF。外接電 CC2 的大小會(huì)影響振蕩器頻率的穩(wěn)定度、起振時(shí)間及溫度穩(wěn)定性。10uF。當(dāng)外接石英晶振時(shí)，電容 CC2 選 30Pf177。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，C 取 22uf,R 取 ，充電時(shí)間常數(shù)為 22*106 **103=104ms。隨著充電的進(jìn)行，電容器上的電壓不斷上升，RST 上的 電壓就隨著下降，RST 腳上只要保持 10ms以上高電平，系統(tǒng)就會(huì)有效復(fù)位。外部復(fù)位電路是為內(nèi)部復(fù)位電路提供兩個(gè)機(jī)器周期以上的電平而設(shè)計(jì)的。（2）AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng) [4]電路圖如圖 23 所示。 振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部程序時(shí)，EA 應(yīng)接到 Vcc。為了確保單片機(jī)從地址為 0000H～FFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器中讀取代碼，故要把 EA 接到 GND 端，即地端。在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的每次存取中，PSEN 的 2 次激活會(huì)被跳過。它用于讀外部程序存儲(chǔ)器。在單片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時(shí)，對(duì) ALE 屏蔽位置“1”并不起作用。但是，在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器每次存取中，會(huì)跳過一個(gè) ALE 脈沖。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳用于輸入編程脈沖 PROG。在 SFR AUXR（地址 8EH）寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽這種功能。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使其單片機(jī)復(fù)位。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間，P3 口還接收一些控制信號(hào)。P3 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。④ P3 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，P3 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4 個(gè) TTL 輸入。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 如執(zhí)行 MOVX DPTR 指令）時(shí)，P2 口送出高 8 位地址，在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 如執(zhí)行 MOVX RI 指令）時(shí)，P2 口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中 P2 寄存器的內(nèi)容） ，在整個(gè)訪問期間不會(huì)改變。對(duì)端口寫“1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。另外， 與 可以配置成定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入端（）與定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入端（） ，如表 21 所示。P1 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。②P1 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，P1 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4 個(gè) TTL 輸入。當(dāng)對(duì)外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P0 可用作多路復(fù)用的低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)總線，在該模式，P0 口擁有內(nèi)部上拉電阻。在作為輸出口時(shí)，每根引腳可以帶動(dòng) 8 個(gè) TTL 輸入負(fù)載。每根線可以單獨(dú)用作輸入或輸出。圖 22 AT89S52 封裝引腳圖按照功能，AT89S52 的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能 I/O 口、控制和復(fù)位等。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)，特選用此款單片機(jī)。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)86 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)7第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)框圖系統(tǒng)總體方案框圖如圖21所示PC機(jī)鍵盤顯示器RS232單片機(jī)驅(qū)動(dòng) SSR電阻爐DS18B20圖21 系統(tǒng)總體方案框圖 硬件電路 最小單片機(jī)系統(tǒng)（1）單片機(jī)概述AT89S52[3]是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。0．5 C 或更高；(五) 具有自動(dòng)加熱保護(hù)功能的安全性要求。 功能要求基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)能達(dá)到以下功能要求：(一) 可以人為方便地設(shè)定所需控制的溫度值，溫控儀器能自動(dòng)將電爐加熱至此設(shè)定值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能自動(dòng)控制溫度；(二) 采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變（由 40℃提高到 60℃）時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。顯然常規(guī) PID 控制器是不能滿足這一要求。然而，被控系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到負(fù)荷變化、外界噪聲等各種因素的干擾，都會(huì)引起被控對(duì)象的近似數(shù)學(xué)模型參數(shù)變化較大，從而導(dǎo)致控制效果大打折扣。但是，經(jīng)典控制方法一般是建立在被控對(duì)象精確或近似的數(shù)學(xué)模型上，而數(shù)學(xué)模型的建立本身就存在許多不足之處，因而其表面上看是精確控制，而實(shí)際上卻是簡(jiǎn)單的控制器。此外，在選取外圍擴(kuò)展芯片時(shí)，本著節(jié)約成本的原則，盡量選取典型的、易于擴(kuò)展和替換的芯片及器件。目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長(zhǎng)。從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，SoC 是實(shí)現(xiàn)電阻爐智能溫度控制儀的最佳選擇，但目前市場(chǎng)上 SoC 的價(jià)格還比較昂貴，并且 SoC 的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實(shí)驗(yàn)電路板的搭建。SoC 芯片通常含有一個(gè)微處理器核(CPU)，同時(shí)，它還含有多個(gè)外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲(chǔ)器(RAM,ROM)，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強(qiáng)大，適用領(lǐng)域也非常廣。另外，隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，SoC(System on chip，片上系統(tǒng))得到了十足的發(fā)展。它是把中央處理器 CPU(Centeral Processing Unit)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM(Random Access Memory)、只讀存儲(chǔ)器 ROM(ReadOnly Memory)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及 I/0(Input/Output)接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它的特點(diǎn)是:功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來實(shí)現(xiàn)控制算法，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，還取決于被控系統(tǒng)的響應(yīng)特性。模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運(yùn)算放大器、電壓比較器、模擬集成電路及電容、電阻等外圍元器件組成。針對(duì)上述不足，本文以探索新的 PID 自整定方法為目的，設(shè)計(jì)和開發(fā)一種新型電阻爐智能溫度控制儀，以簡(jiǎn)化控制電路，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。目前國(guó)內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對(duì)國(guó)外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度低，自適應(yīng)性較差。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以更好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。并通過將智能控制與 PID 控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對(duì)象特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè) PID 參數(shù)（即比例值、積分值、微分值）。前者稱為模擬 PID 調(diào)節(jié)器，后者稱為數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器。由于 PID 調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差，誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫法。由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使系統(tǒng)溫度波動(dòng)較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。這種開關(guān)控溫方法比較簡(jiǎn)單，在沒有計(jì)算機(jī)參與的情況下，用很簡(jiǎn)單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。從工業(yè)溫度控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種：