【正文】 通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表 1 所示。 R1 和 R0 用來設置分辨率，如下表所示：（ DS18B20 出廠時被設置為 12位） 基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計 15 表 26：溫度分辨率設置表 四、高速暫存存儲器 高速暫存存儲器由 9個字節(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：配置寄存器結構 低五位一直都是 1， TM 是測試模式位，用于設置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式。 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。 圖 24 DS18B20 內(nèi)部結構圖 圖 25 DS18B20 引腳圖 基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計 14 （ 2） DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12 位轉化為例：用 16 位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃/LSB 形式表達，其中 S 為符號位。 64位光刻 ROM 的排列是：開始 8位（ 28H）是產(chǎn)品類型標號，接著的 48 位是該DS18B20 自身的序列號，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。圖 26中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器 1 的預置值。計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預置在－ 55℃ 所對應的一個基數(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送給計數(shù)器 1。 引腳 含義如下 ： (1)DQ： 數(shù)字信號輸入 /輸出端； 基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計 13 (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接地）。 二、 DS18B20 的外形和內(nèi)部結構 DS18B20 內(nèi)部結構主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 （ 8）測量結果直接輸出數(shù)字 溫度信號，以 一線總線 串行傳送給 CPU，同時可傳送CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力 ?！? （ 6）可編程的分辨率為 9～ 12 位，對應的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、 ℃和 ℃ ，可實現(xiàn)高精度測溫 。 （ 3） DS18B20 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫 。并具有負壓特性，即當電源極性接反時，溫度計雖然不會正常工作，但卻不會因發(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 DQ 腳上的上拉電阻提供，此時 VDD 腳必須接地。2176。 DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價格比也非常出色！ DS1822與 DS18B20軟件兼容，是 DS18B20 的簡化版本。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。176。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。C 。DS1822 的精度較差為 177。176。C ，在 10～ +85176。此外，一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念 基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計 12 DS18B20 測量溫度范圍為 55176。 比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點，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；溫度測量范圍為－ 55℃ ～＋ 125℃ ,可編程為 9位～ 12位 A/D 轉換精度，測溫分辨率可達 ℃ 。 （ 4） 單片機編程 溫度傳感器的選取 目前市場上溫度傳感器較多，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)設計中，為保證串行通行波特率的誤差，選擇了 的標準石英晶振，電容 C C2 為 47uF。外接電 C C2 的大小會影響振蕩器頻率的穩(wěn)定度、 起振時間及溫度穩(wěn)定性。 10uF。當外接石英晶振時，電容C C2選 30Pf177。在本系統(tǒng)設計中，C取 22uf,R 取 ，充電時間常數(shù)為 22*106 **103=104ms。隨著充電的進行，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)就會有效復位。外部復位電路是為內(nèi)部復位電路提供兩個機器周期以上的電平而設計的。 （ 2） AT89S52 單片機 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)部時鐘工作電路的輸入。當執(zhí)行內(nèi)部程序時， EA應接到 Vcc。為了確保單片機從地址為 0000H～ FFFFH 的外部程序存儲器中讀取代碼，故要把 EA 接到 GND 端，即地端。在對外部數(shù)據(jù)存儲器 的每次存取中， PSEN 的 2次激活會被跳過。它用于讀外部程序存儲器。在單片機處于外部執(zhí)行方式時，對 ALE 屏蔽位置“ 1”并不起作用。但是，在對外部數(shù)據(jù)存儲器每次存取中，會跳過一個 ALE 脈沖。在對 Flash 存儲器編程時，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。在振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使其單片機復位。在對 Flash 編程和程序校驗期間， P3口還接收一些控制信號。 P3 口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 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（吸收或輸出電流方式） 4個 TTL 輸入。 在訪問外部程序存儲器或 16 位的外部數(shù)據(jù)存儲器 （ 如執(zhí)行 MOVX DPTR 指令 ）時，P2口送出高 8位地 址，在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器 （ 如執(zhí)行 MOVX RI 指令 ） 時，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），在整個訪問期間不會改變。對端口寫“ 1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。 另外， 與 可以配置成定時 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入端（ ）與定時 /計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入端（ ），如表 21所示。 P1 口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上 拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 ② P1 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（吸收或輸出電流方式） 4個 TTL 輸入。當對外部程序或數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P0 可用作多路復用的低字節(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，每根引腳可以帶動 8個 TTL 輸入負載。每根線可以單獨用作輸入或輸出。 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、控制和復位等。 鑒于以上優(yōu)點，并結合設計目標，特選用此款單片機。 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、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 AT89S52 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM，32位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2 PC 機 鍵盤 顯示器 RS232 單片機 驅(qū)動 SSR 電阻爐 DS18B20 基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計 8 級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。片上 Flash 允許 程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計 7 第二章 系統(tǒng) 硬件設計 硬件系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)總體方案框圖如圖 21所示 圖 21 系統(tǒng)總體方案框圖 硬件電路 最小單片機系統(tǒng) （ 1） 單片機概述 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 存儲器。 0． 5 C 或更高； (五 ) 具有自動加熱保護功能的安全性要 求。 功能要求 基于單片機與 PC 機的溫度控制設計 系統(tǒng)應能達到以下功能要求： (一 ) 可以人為方便地設定所需控制的溫度值，溫控儀器能自動將電爐加熱至此設定值并能保持，直至重新設定為另一溫度值，即能自動控制溫度； (二 ) 采用適當?shù)目刂品椒ǎ斣O定溫度突變（由 40℃提高到 60℃）時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(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)在實際運行中會受到負荷變化、外界噪聲等各種因素的干擾，都會引起被控對象的近似數(shù)學模型參數(shù)變化較大，從而導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象精確或近似的數(shù)學模型上，而數(shù)學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，而實際上卻是簡單的控 制器。此外，在選取外圍擴展芯片時，本著節(jié)約成本的原則，盡量選取典型的、易于擴展和替換的芯片及器件。 目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也 各有所長。從實現(xiàn)復雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結構的角度基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計 6 出發(fā)， SoC 是實現(xiàn)電阻爐智能溫度控制儀的最佳選擇，但目前市場上 SoC 的價格還比較昂貴，并且 SoC 的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實驗電路板的搭建。 SoC 芯片通常含有一個微處理器核 (CPU)，同時，它還含有多個外圍特殊功能模塊和一定規(guī) 模的存儲器 (RAM,ROM)，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強大，適用領域也非常廣。 另外，隨著微電子技術和半導體工業(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)、隨機存取存儲器 RAM(Random Access Memory)、只讀存儲器 ROM(ReadOnly Memory)、定時器 /計數(shù)器以及 I/0(Input/Output)接口電路等主要計算機部件集 成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，它的特點是 :功能強大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應用廣泛。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關系來實現(xiàn)控制算法，很難實現(xiàn)復雜的控制算法。根據(jù)計算機控制理論可知，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)的響應特性。 模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運算放大器、電壓比較器、模擬集成電路及電容、電阻等外圍元器件組成。 針對上述不足，本文以探索新的 PID 自整定方法為目的，設計 和開發(fā)一種新型電阻爐智能溫度控制儀，以簡化控制電路，提高系統(tǒng)運行的可靠性。 目前國內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對國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)為國內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度低，自適應性較差。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。其中應用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制以及專家系統(tǒng)等。并通過將智能控制與 PID 控制相結合，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。 但是，它的不足也恰恰在于此，當對象特性一旦發(fā)生改變，三個控制參數(shù)也必須相應地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。采用這種方法實現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個 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因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關控溫法。由于這種控制方式是當系統(tǒng)溫度上升至設定點時關斷電源，當系統(tǒng)溫度下降至設定點時開通電源，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。這種開關控溫方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下 ，用很簡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，溫度控制技術大致可分以下幾種： （ 1） 定值開關控溫法 所謂定值開關控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當前溫度值與設定目標溫度值之間的關系，進而對系統(tǒng)加熱源（或冷卻裝置）進行通斷控制。恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一數(shù)值上，且要求其波動幅度（即穩(wěn) 態(tài)誤差）不能超過某一給定值。動態(tài)溫度跟蹤實現(xiàn)的控制目標是使被控對象的溫度值按預先設定好的曲線進行變化。因此，在實際的測量中，要根據(jù)具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測量精度要求的前提下盡量減少人力和物力的投入。非接觸式測溫是通過對輻射能量的檢測基于單片機與 PC 機的溫度控制系統(tǒng)硬件設計 4 來實現(xiàn)溫度測量的方法，其