【正文】 電路復(fù)雜，使用不方便。這其中一個(gè)很大的變化就是傳感器由以前的模擬輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訑?shù)字輸出，省去了傳統(tǒng)溫度測(cè)量電路中的調(diào)理、變送、補(bǔ)償、轉(zhuǎn)換、修正等環(huán)節(jié)。用這種先進(jìn)的傳感器芯片構(gòu)成測(cè)控溫度系統(tǒng)，具有電路簡單，測(cè)控溫度精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)。 智能溫度傳感器的典型產(chǎn)品有 DS18 DS18S DS18B DS182 DS182DS162 DS1629等型號(hào)。所以它具有 DS1820 的全部優(yōu)點(diǎn)。 (2) 不需要外部器件。 (4) 零待機(jī)功耗。 (6) 用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置。 遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 驅(qū)動(dòng)部分 方案一 :此方案采用 SPCE061A 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，此單片機(jī)內(nèi)置 8 路 ADC,2 路 DAC,且集成開發(fā)環(huán)境中，配有很多語音播放函數(shù)，用 SPCE061A 實(shí)現(xiàn)語音播放極為方便。但是，他的成本太高我們不便采用。另外，AT89C51 的指令系統(tǒng)和引腳 80C52 完全兼容。 PID 的算法 基本偏差 :e(t) 表示當(dāng)前測(cè)量值與設(shè)定目標(biāo)之差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)可以是正或 負(fù)。這是面向比例項(xiàng)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。 基本偏差的相對(duì)偏差： e(t) – e(t1)，用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當(dāng)前控制的對(duì)象的趨勢(shì)，作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項(xiàng)的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造 成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在這種控制系統(tǒng)中 ,不依賴將被控量以形成任何閉 反送回來的閉 環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋 ,若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反 ,則稱為負(fù)反饋 ( Negative Feedback),若極性相同 ,則稱為正反饋 ,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋 ,又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng) ,眼睛便是 傳感器 ,充當(dāng)反饋 ,人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。另例 ,當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈 ,并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源 ,它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性 (stability),一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作 ,首先必須是穩(wěn)定的 ,從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度 ,通常用穩(wěn)態(tài)誤差來 (Steadystate error) 描述 ,它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性 ,通常用上升時(shí)間來定量描述。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史 ,它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí) ,最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差 ,利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 (2)積分（ I）控制 在積分控制中 ,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差 ,在控制器中必須引入 ―積分項(xiàng) ‖。這樣 ,即便誤差很小 ,積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大 ,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小 ,直到等于 零。 (3)微分（ D）控制 在微分控制中 ,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件 ,具有抑制誤差的作用 ,其變化總是落后于誤差的變化。這就是說 ,在控制器中僅引入 ―比例 ‖項(xiàng)往往是不夠的 ,比例項(xiàng)的作用僅是放大誤 差的幅值 ,而目前需要增加的是 ―微分項(xiàng) ‖,它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì) ,這樣 ,具有比例 +微分的控制器 ,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零 ,甚至為負(fù)值 ,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多 ,概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用 ,還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法 ,主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù) ,都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié) ,直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩 ,記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。采用定時(shí)檢測(cè)和調(diào)節(jié)的方式。利用鍵盤輸入控制目標(biāo)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而使?fàn)t溫控制在預(yù)定的范圍之內(nèi)。采集溫度時(shí)對(duì) DS18B20 進(jìn)行初始化，然后執(zhí)行 ROM 操作命令，再執(zhí)行暫存器操作命令，最后完成數(shù)據(jù)處理。該傳感器使用同步串行總線接口技術(shù)，串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個(gè)地傳送，數(shù)據(jù)接 收 設(shè)備將接 收 到的串行形式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行形式進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。通過主控制器的定時(shí)器建立 一個(gè) 30μs的同步脈沖實(shí)現(xiàn)與溫度檢測(cè)回路的通信。 由繼電器及其外部電路如 D/A 轉(zhuǎn)換等實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制功能。另外， AT89C51 的指令系統(tǒng)和引腳 80C52 完全兼容。 單片機(jī)在開 機(jī)時(shí)都需要復(fù)位，以便 CPU 以及其他功能部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。復(fù)位 遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 信號(hào)是高電平有效，持續(xù)時(shí)間要有 24 個(gè)時(shí)鐘周期以上。主控制器與傳感器連接電路如圖 所示 。智能溫度傳感器則向 AT89C52 回送當(dāng)前溫度值等數(shù)據(jù)。 主控制器與溫度檢測(cè)系統(tǒng)使用同步串行總線通信，串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個(gè)地傳送，數(shù)據(jù)接收設(shè)備將接收到的串行形式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行形式進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。此時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為 ―位間隔 ‖的整數(shù)倍，同時(shí)傳 送的字符間不留間隙，即保持位同步關(guān)系，也保持字符同步關(guān)系。發(fā)送方在每個(gè)比特周期都向接收方發(fā)送一個(gè)同步脈沖。 DS18B20 有嚴(yán)格的 通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。操作單線總線時(shí)，必須從空閑狀態(tài)開始。通信協(xié)議規(guī)定了復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫 0、寫 讀 0、讀 1 等幾種信號(hào)的時(shí)序。寫時(shí)序包括寫 ―0‖時(shí)序和寫 ―1‖時(shí)序。兩種寫時(shí)序均起始于主機(jī)拉低總線。在寫時(shí)序開始后的 15～ 60μs期間內(nèi)， 保持 單線器件采樣總線電平狀態(tài)。 只有在主機(jī)啟動(dòng)了讀時(shí)序后，器件才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。所有的讀時(shí)序需要至少 60μs，且在兩次獨(dú)立的讀時(shí)序之間需要 1μs的恢復(fù)時(shí)間。 在主機(jī)發(fā)起讀時(shí)序之后，單線器件開始在總線上發(fā)送 0 或 1。若發(fā)送 0，則器件拉低總線，在該時(shí)序結(jié)束后釋放總線，由上拉電阻將總線拉回空閑高電平狀態(tài)。因此主機(jī)在讀時(shí)序期間必須釋放總線，并且要在時(shí)序開始后的 15μs內(nèi) 完 成采樣總線狀態(tài)。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 主 CPU 經(jīng)過單線接口訪問 DS18B20 的工作流程為：對(duì) DS18B20 進(jìn)行初始化，接著進(jìn)行 ROM 操作命令，然后進(jìn)行存儲(chǔ)器操作命令，最后對(duì)數(shù)據(jù)處理。當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。單片機(jī)可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高 位在后。 一旦 CPU檢測(cè)到從屬器件的存在，就發(fā)出 ROM 命令。主 CPU對(duì) ROM 的操作命令有以下 5 種： (1)讀 ROM 命令。只有在總線上存在 DS18B20(溫度采集 )的時(shí)候才能使用這個(gè)命令。主 CPU在發(fā)出 ―符合 ‖ROM命令 后，接著送出 64 位 ROM 數(shù)據(jù)序列，從而使 CPU實(shí)現(xiàn)對(duì)單線總線上特定 DS18B20 的尋址。允許主 CPU 使用 ―消除法 ‖識(shí)別總線上所有 DS18B20 的 64位 ROM 編碼，完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化工作。該命令使主 CPU 不必提供 64 位 ROM 編碼就能訪問DS18B20。 (5)報(bào)警搜索命令。報(bào)警條件定義為溫度高于 TH 或者低于 TL。 溫度控制 D/A 轉(zhuǎn)換 由于計(jì)算機(jī)采集與處理的是數(shù)字量，而受控對(duì)象需要的是模擬量信號(hào)，所以需要進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換。 DAC 的種類繁多， DAC0832 是常用的一種，由美國國民半導(dǎo)體公司研制，是一個(gè) 8 位單片 D/A轉(zhuǎn)換器，它的連接電路如圖 所示。 8 位輸入寄存器用于存放 CPU 送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到 緩沖和鎖存，由 LE1 加以控制。 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換電路由 8 位 T型電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)組成，電子開關(guān)受 8 位 DAC 寄存器輸出控制， T 型電阻網(wǎng)絡(luò)能輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。 DAC0832 的數(shù)字量輸入線 DI7～ DI0和 CPU 數(shù)據(jù)總線相連，用于輸入 CPU 送來的待轉(zhuǎn)化數(shù)字量， DI7為最高位。 ILE 為允許數(shù)字量輸入線。 XFER 為傳送控制輸入線，低電平有效。 WR1 用于控制數(shù)字量輸入到輸入寄存器：若 ILE為 ―1‖、CS 為 ―0‖和 WR1 為 ―0‖同時(shí)滿足， 8 位輸入寄存器接收信號(hào)；若上述條件中有一個(gè)不滿足， 8 位輸入寄存器鎖存 DI7～ DI0 上的輸入數(shù)據(jù)。 WR1 和 WR2 的脈沖寬度要求不小于 500ms，即便 VCC 提高到 15V，其脈寬也不應(yīng)小于 100ms。它由二級(jí)緩沖寄存器和 D/A轉(zhuǎn)換電路組成，可直接與 CPU總線連接，接口比較簡單。 IOUT1和 IOUT2為兩條模擬電流輸出線。為了保證額定負(fù)載下輸出電流的線性度， IOUT1和 IOUT2引腳上的電位必須盡量接 近 低 電平。由于輸出的模擬電壓范圍是 5～ 0V，所以再加以反相器使電壓變?yōu)?0～ +5V。 DAC 用途很廣，在需要單極性模擬電壓環(huán)境下，可以采用如圖 所示接線。 顯然， outV 和 B 成正比關(guān)系。 作為單片機(jī)的一個(gè)外圍 I/O 接口，口地址設(shè)為 0DFFH。 繼電器工作原理 繼電器是電氣控制中常用的控制器件。在大功率、高壓等場合，觸點(diǎn)還容易氧化，因而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。 固態(tài)繼電器是用晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點(diǎn)開關(guān)，再把光電隔離器作為前級(jí)構(gòu)成一個(gè)整體。固態(tài)繼電器有直流型和交流型之分。 由于固態(tài)繼電器輸入控制電流小，輸出無觸點(diǎn)，所以與電磁觸點(diǎn)式繼電器相比， 遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁 具有體積小、重量輕、無機(jī)械噪聲、無抖動(dòng)和回跳、開關(guān)速度快、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 圖 SSR 工作原理圖 從整體上看， SSR 只有兩個(gè)輸入端 (A 和 B)及兩個(gè)輸出端 (C 和 D)，是一種四端器件。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路工作。所謂 ―過零 ‖是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過零時(shí)， SSR 即為通態(tài)；而當(dāng)斷開控制信號(hào)后， SSR 要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn) (零電位 )時(shí)， SSR 才為斷態(tài)。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌 (電壓 )對(duì)開關(guān) 器件雙向可控硅管的沖擊和干擾 (甚至誤動(dòng)作 )而設(shè)計(jì)的，一般是用 ―RC‖串聯(lián)吸收電路或非線性電阻 (壓敏電阻器 )。固態(tài)繼 遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁 電器的線性工作范圍是 1～ ，所以在 DAC0832 輸出端加上反相器使電壓范圍變成 0～ 5V再加上合適的電阻，使輸出電壓范圍縮小到 1～ ，以便使固態(tài)繼電器的工作在線性范圍內(nèi)，再將固態(tài)繼電器與電阻爐連接，通過固態(tài)繼電器的通導(dǎo)來對(duì)電阻爐進(jìn)行溫度控制。 Vcc20I o ut 111l s bD I 07I o ut 212D I