【正文】 S18B20 與單片機(jī)只有一根線連接即單總線或one_wire 總線。 P3端口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O，每個(gè)端口都有第二功能，其輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) (吸收或 輸出電流 )4 個(gè) TTL 邏輯門電路。 （ 1） 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集電路主要由數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 采集水溫的溫度。其中單片機(jī)的 I/O 口，即 P0、 P P2 和 P3 用來接相應(yīng)的顯示設(shè)備，鍵盤輸入以及繼電器等。 如圖 所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)和時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及電源電路構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，即溫度控制系統(tǒng)的主 機(jī)電路。其內(nèi)部具有 128 字節(jié) RAM，而且內(nèi)部含有 4KB 的 EPROM 不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，也有數(shù)據(jù)通信接口，通過 TXD、 RXD 與PC 機(jī)連接，可以進(jìn)行人機(jī)操作，使得操作更加簡(jiǎn)單、方便。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： 圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 主機(jī)電路的設(shè)計(jì) 主機(jī)選用 INTEL 公司的 MCS51 系列單片機(jī) 89C51 來實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大的特點(diǎn)，力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。各個(gè)模塊電路通過主機(jī)電路控制，協(xié)調(diào)一致的進(jìn)行工作。則溫度的設(shè)定范圍就通過矩陣鍵盤進(jìn)行設(shè)定，使被測(cè)物體在正常的溫度范圍下工作。 單片機(jī)快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行溫度采集、數(shù)據(jù)處理、顯示和控制主要是時(shí)鐘電路提供的時(shí)鐘頻率，使單片機(jī)正常的協(xié)調(diào)處理各項(xiàng)任務(wù)。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 此數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)處理，一方面將被測(cè)對(duì)象的溫度通過控制面板上的液晶顯示器顯示出來；另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小，采用控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過控制繼電器（即控 制溫控箱加熱平均功率的大?。?，進(jìn)而達(dá)到對(duì)被測(cè)物體溫度進(jìn)行控制的目的。由結(jié)構(gòu)框圖可見，溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，并擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器構(gòu)成主控模塊。 XVIII 第二章 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個(gè)部分： 單片機(jī)主控模塊、 輸入通道、輸出通道、保護(hù)電路、電源電路等。 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)，是實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場(chǎng)上的價(jià)格還比較昂貴，并且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。芯片通常含有一個(gè)微處理器核，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)器和（ RAM 和 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，片上系統(tǒng)得到了十足的 XVII 發(fā)展。它是把中央處理單元、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、定時(shí)計(jì)數(shù)器以及輸入輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件都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，它還取決于被控系統(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、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。 盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場(chǎng)上買到同樣零部件進(jìn)行替換。 模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡(jiǎn)單，維修方便 。 系統(tǒng)性能要求 系統(tǒng)性能要求： 可以人為方便地通過控制面板或機(jī)設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)將溫控箱加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制； 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫控箱溫度的測(cè)量并且通過 控制面板上的液晶顯示實(shí)時(shí)的顯示出來； 具有加熱保護(hù)功能的安全性要求。溫控箱的溫度控制范圍在室溫到攝氏度之間，溫度控制的精度要求為士 1℃。同時(shí)也能根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)多路巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警及記錄 ,對(duì)各個(gè)參數(shù)以一定的周期進(jìn)行檢查和測(cè)量 ,檢測(cè)的結(jié)果經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后再進(jìn)行顯示、打印和報(bào)警 ,以提醒操作人員注意或直接用于生產(chǎn)控制。這類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低、應(yīng)用十分廣泛，因此，本方案采用接觸式測(cè)溫法，選用相關(guān)類型的傳感器。非接觸式檢測(cè)方法是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)物體的溫度進(jìn)行檢測(cè)，主要有亮度法、全輻射法和比色法等。 溫度檢測(cè)的方法根據(jù)敏感元件和被測(cè)介質(zhì)接觸與否，可以分為接觸式與非接觸式兩大類。隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，新型的數(shù)字化溫度傳感器其精度、穩(wěn)定性、可靠性及抗干擾能力都優(yōu)于模擬的溫度傳感器。通過放大，采樣得到被測(cè)量。在 89C51中， P3端口還用于一些復(fù)位功能。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，這是可用作輸入口。 P3端口： P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O端口。在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVXRI 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。 P2作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，哪些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 P2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。在對(duì) FLASH 編程和程序校驗(yàn)時(shí)， P1接收低 8位地址。 P1端口： P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 端口。在 FLASH 編程時(shí)， P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。 P0端口： P0是一個(gè) 8位漏極開路型雙向 I/O 接口，作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL 輸入，在對(duì)端口寫 1時(shí)，又可作高阻抗輸入端用。在 FLASH 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳也用于施加 12V 的編程允許電源 Vpp。然而要注意的是，如果保密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)在內(nèi)部會(huì)鎖存 VPP 端的狀態(tài)。 CPP：外部訪問允許端。 程序儲(chǔ)存允許：程序儲(chǔ)存允許輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。該位置 數(shù)后，只有在執(zhí)行一條 MOVX 或 MOVC 指令期間， ALE 才會(huì)被激活。在對(duì) FLASH 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。 ALE：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存的地址的低位字節(jié)。 XIV （ 3）控制或與其他電源復(fù)用引腳 RST， ALE,VPP RST：撫慰輸 H入 端。 XTAL2： 晶體振蕩接入的另一個(gè)引腳。 VCC： 電源端 GND：接地端 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1：晶體振蕩器接入的一個(gè)引腳。 （ 2）功能引腳說明 引腳結(jié)構(gòu)有雙列只差封裝（ DIP）方式和方形封裝方式。 ： 5 個(gè)中斷源， 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)別 ：最深 128B ：即位處理器，對(duì)某些單元的某位做單獨(dú)處理。 （ 1）主要性能 部程序存儲(chǔ)器： 4KB ： 128B ：可擴(kuò)展到 64KB /輸出口線： 32 跟（ 4 個(gè)端口，每個(gè)端口 8 跟） /計(jì)數(shù)器： 2 個(gè) 16 位可編程的定時(shí)計(jì)數(shù)器。 MCS51 是 Intel 公司的 8 位系列單片機(jī)，包括 51 和 52兩個(gè)子系列。 圖 34 DS18B20 讀 /寫時(shí)序圖 控制器采樣 XIII MCS51 介紹 由于 Intel 公司的單片機(jī)問世早、產(chǎn)品系列齊全、兼容性強(qiáng)，得到了廣泛的英語，目前我國(guó)的主要使用 MCS51 系列的單產(chǎn)，尤以 8031 為多。s， 且在兩次獨(dú)立的讀時(shí)序之間至少需要 1181。所以主機(jī)在發(fā)出讀數(shù)據(jù) 命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)序，以便 DS18B20 能夠傳送數(shù)據(jù)。s 期間， DS18B20 采樣總線的狀態(tài)。在寫時(shí)序開始后的 15181。 產(chǎn)生寫 0時(shí)序： 主機(jī)拉低總線后，必須在整個(gè)時(shí)序期間保持低電平 （至 少 60181。產(chǎn) XII 生寫 1 時(shí)序：主機(jī)拉低總線后，必須在 15181。s 的恢復(fù)時(shí)間。所有寫時(shí)序至少需要 60181。 寫時(shí)序：存在兩種寫時(shí)序：“寫 1”和“寫 0” 。在每一個(gè)時(shí)序，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。初始化波形如圖 33 所示。s~240181。s~60181。當(dāng)總線被釋放后， 高。s，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖 (TX)。總線上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以字節(jié)的低位在前。該協(xié)議定義了幾種 信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫 0、寫 讀 0 和讀 1。 ③ 功能命令 主機(jī)通過功能命令對(duì) DS18B20進(jìn)行讀 /寫 Scratchpad存儲(chǔ)器，或者啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換。 DS18B20 發(fā)出響應(yīng)主機(jī)的應(yīng)答脈沖時(shí)， 當(dāng) 即向主機(jī)表明它已處在總線上并且準(zhǔn)備工作。 R1和 R0 用來設(shè)置 分辨率 （ 4） DS18B20 的工作過程 ①、初始化 DS18B20 所有的數(shù)據(jù)交換都由一個(gè)初始化序列開始。 XI 配置寄存器，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。 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)位這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加 1再乘于 即可得 到實(shí)際溫度。 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。使用 寄生電源時(shí)， DS18B20 不需額外的供電電源；當(dāng)總線為高電平時(shí)，功率由單總線上的 上拉電阻通過 DQ 引腳提供；高電平總線信號(hào)同時(shí)也向內(nèi)部電 容 CPP 充電， CPP 在總 線低電平時(shí)為器件供電。 （ 4 ， 暫存器的 6 和 7 字節(jié)器件內(nèi)部保留使用。暫存器包含兩字節(jié)（ 0 和 1 字節(jié)）的溫度寄存器，用于存儲(chǔ)溫度傳感器的數(shù)字輸出。 三個(gè)管腳， 1 腳是接地腳， 2 腳是單總線、可向電源提供電源 、 3腳是電源腳 （ 2） DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 的內(nèi)部框圖如圖 32 所示。 數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇。 實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。 （ 1） DS18B20 產(chǎn)品的特點(diǎn) 只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。 DS18B20 的介紹 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－ Wire，即單總線器件，具有 線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。 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)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很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控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。但 IX 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)參數(shù)比例值、積分值、微分值。前者稱為模擬控制器，后者稱為數(shù)字控制器。由于調(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。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，致使被控對(duì)象溫度波動(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)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： 定值開關(guān)溫控法 所謂定值開關(guān)控溫法，就是通過硬件電路或軟件計(jì)算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱裝置或冷卻裝置進(jìn)行通斷控制。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度即穩(wěn)態(tài)誤差不能超過某允許值。 溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。但也存在測(cè)量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、低廉、測(cè)量 精度較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于超高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫