【正文】 分辨率。系統(tǒng)中DS18B20采用外接電源方式，VDD端用3V～5．5V電源供電。其數(shù)據(jù)的讀寫是由主機(jī)讀寫特定時(shí)間片來(lái)完成的，包括初始化、讀時(shí)間片和寫時(shí)間片。 ?? 先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。 ?? 12位分辨率時(shí)的最大工作周期為750毫秒。 ?? 檢測(cè)溫度范圍為–55176。C (–67176。F) ?? 內(nèi)置EEPROM，限溫報(bào)警功能。GND 電壓地 VDD 電源電壓 DS18B20功率控制部分，本設(shè)計(jì)采用無(wú)錫天豪公司生產(chǎn)的GTJ242A固態(tài)繼電器。其電氣參數(shù)為：輸入控制電壓314VDC（自動(dòng)限流），開啟電流5mA,控制電流25mA，工作電壓24240VAC。相對(duì)于隨機(jī)型的固態(tài)繼電器，使用過(guò)零型的固態(tài)繼電器可以使本設(shè)計(jì)比較方便地控制固態(tài)繼電器中雙向晶閘管的導(dǎo)通周期數(shù)，從而控制加熱元件的工作時(shí)間。而且，計(jì)算機(jī)的各種通信方式中，尤以串口通信方式最為簡(jiǎn)單，因此本設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的RS232串口通信。在本設(shè)計(jì)中采用美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。下位機(jī)的編譯軟件，通常有ICC AVR、WinAVR（也就是通常所說(shuō)的GCC）、IAR AVR、CodeVision AVR、ATman AVR，在這里使用ICC AVR和AVR Studio的組合。上位機(jī)方面，本設(shè)計(jì)采用目前NI最新的LabVIEW 。 硬件及軟件設(shè)計(jì)方案下圖給出系統(tǒng)硬件組成框圖，由計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、測(cè)溫電路及溫度控制電路組成。利用傳感器獲取溫度信號(hào)，再由單片機(jī)組成的小系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集、處理和轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)RS232串口將數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)．并通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行的LabVIEW程序來(lái)分析處理輸入數(shù)據(jù)．最終由計(jì)算機(jī)顯示結(jié)果。溫度測(cè)控對(duì)象溫度控制電路溫度測(cè)量電路單片機(jī)計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)組成框圖 (1)PID控制在自動(dòng)控制中，一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行要求能夠滿足給定的性能指標(biāo)，具有抗干擾能力和穩(wěn)定性。控制器與被控對(duì)象以閉環(huán)的形式構(gòu)成系統(tǒng)，以幫助整個(gè)系統(tǒng)的輸出滿足給定的性能指標(biāo)，而控制器運(yùn)用的控制規(guī)律多種多樣。 PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便。因此當(dāng)不能完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，就是PID的用武之地。比例，積分，微分這三個(gè)環(huán)節(jié)又相互獨(dú)立，有各自不同的作用，在現(xiàn)場(chǎng)也可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇使用。比例控制器通過(guò)改變比例放大系數(shù)Kp調(diào)節(jié)輸出，對(duì)誤差的反應(yīng)很快，但是其輸出與期望值之間總是存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差，必須使用手動(dòng)復(fù)位來(lái)消除，在實(shí)際運(yùn)用中很不方便。而當(dāng)Kp值小時(shí)，又會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作變得緩慢，所以校正系統(tǒng)很少單獨(dú)使用P控制。積分控制器的輸出與誤差信號(hào)的積分成正比，即 ，所以PI控制器的輸出有： 積分項(xiàng)對(duì)誤差進(jìn)行積分，隨著時(shí)間的增加積分項(xiàng)增大，只要誤差還存在，就會(huì)不斷輸出。因此，PI控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。D控制（微分控制） 積分控制的動(dòng)態(tài)性能不好，而微分項(xiàng)恰好可以彌補(bǔ)這點(diǎn)。甚至在誤差形成之前，可能已被微分調(diào)節(jié)作用消除。微分控制在實(shí)際運(yùn)用中經(jīng)常用來(lái)抵消積分控制產(chǎn)生的不穩(wěn)定趨勢(shì)，但因其反應(yīng)的是誤差的變化率，所以僅對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程作用，通常不單獨(dú)使用。PID控制 PID控制即比例控制、積分控制、微分控制的組合，綜合了3種控制器的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于PID控制器，輸出為：PID控制實(shí)際就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)Kp，Ti，Td這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定，以得到合適的輸出值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。目前PID不僅應(yīng)用廣泛，發(fā)展也很快，已研究出很多對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行自整定的智能控制器。(2)模糊控制 模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。用模糊條件語(yǔ)句寫出控制規(guī)律，再用算法語(yǔ)言來(lái)編寫程序，按此程序?qū)ιa(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。 ②模糊控制是一種語(yǔ)言變量控制器，其控制規(guī)律只用語(yǔ)言變量的形式定性地表達(dá)，不用傳遞函數(shù)與狀態(tài)方程，只要對(duì)人們的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，進(jìn)而從中提煉出規(guī)則，直接給出語(yǔ)言變量，再應(yīng)用推理方程進(jìn)行觀察與控制。 ④從不同的觀點(diǎn)出發(fā)，可以設(shè)計(jì)不同的目標(biāo)函數(shù)，其語(yǔ)言控制規(guī)則分別是獨(dú)立的，但是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可得到總體的協(xié)調(diào)控制。其中P=Posive，B=Big，M=Medium，S=Small，O=Zero，N=Negative。 模糊集合理論的一個(gè)基本概念是 函數(shù)或稱隸屬度。所有隸屬度均滿足下列要求，即 ，表示 隸屬于 ； ，則表示 不屬于 。式中的“+”號(hào)表示列舉，并不是加號(hào)；作用每項(xiàng)中的分式也不表示相除，分母表示元素名稱，分子表示該元素的隸屬度。模糊控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測(cè)量裝置期望值輸出—— 模糊控制系統(tǒng)3 LabVIEW集成開發(fā)環(huán)境使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱為VI。 后面板編輯窗口（Block Diagram）：它是用戶為完成特定功能而編寫的程序，即VI的圖形化源代碼?？刂坪惋@示是用各種各樣的圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板，具體表現(xiàn)為旋鈕、開關(guān)、圖形、圖標(biāo)以及其他的控制（Control）和顯示（Indicator）對(duì)象等，這使得用戶界面更加直觀易懂。流程圖提供VI的圖形化源程序，可以理解為傳統(tǒng)程序的源代碼。 LabVIEW有三類端口：前面板對(duì)象端口、全局變量與局部變量端口和常量端口。 節(jié)點(diǎn)類似于文本語(yǔ)言的函數(shù)或子程序，LabVIEW有兩種節(jié)點(diǎn)類型：功能函數(shù)節(jié)點(diǎn)或子VI節(jié)點(diǎn)，二者的區(qū)別在于功能函數(shù)節(jié)點(diǎn)是LabVIEW本身提供給用戶使用的，不可以對(duì)它進(jìn)行修改；子VI則是用戶可以進(jìn)入并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其加以修改。連線用于代表程序執(zhí)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)流，它類似于文本程序的變量，數(shù)據(jù)是單向流動(dòng)的。 LabVIEW程序執(zhí)行流程宏觀上講，LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制已經(jīng)不是傳統(tǒng)上的馮傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（如C語(yǔ)言）中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在LabVIEW中被并行機(jī)制所代替。這樣，可以結(jié)合圖形語(yǔ)言和文本語(yǔ)言各自優(yōu)點(diǎn)，更為靈活、高效、易用。對(duì)儀器的驅(qū)動(dòng)是虛擬儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物理信號(hào)采集的基礎(chǔ)，當(dāng)儀器驅(qū)動(dòng)后，才能由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)某種測(cè)溫功能，并求取測(cè)量結(jié)果。 儀器驅(qū)動(dòng)也稱為儀器驅(qū)動(dòng)器模式完成對(duì)某一特定儀器控制與通信的軟件程序集，也可以認(rèn)為是儀器的軟件描述，它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。由于虛擬儀器需要提供模擬實(shí)際儀器操作面板的虛擬面板，因此虛擬儀器驅(qū)動(dòng)器不僅是實(shí)施儀器控制的程控代碼，還是儀器程控代碼、高級(jí)軟件編程與先進(jìn)人機(jī)交互三者相結(jié)合的產(chǎn)物，是一個(gè)包含實(shí)際儀器使用和操作信息的軟件模塊。底層部分則基于一組I/O函數(shù)和測(cè)試接口，實(shí)時(shí)模式下，測(cè)試人員對(duì)軟面板上控件的操作將直接反映到真實(shí)儀器上。 應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對(duì)操作用戶，通過(guò)提供友好直觀的測(cè)控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析和處理功能，來(lái)完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。一般由儀器廠商以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式提供給用戶。 GPIB：通用接口總線（General Purpose Interface Bus）。 IVI：可交換虛擬儀器（Interchangeable Virtual Instrument）。 LXI：LAN在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展（LAN eXtension for Instrumentation）。 RS232：232號(hào)推薦標(biāo)準(zhǔn)（Remended Standard 232）。可以與術(shù)語(yǔ)“串行通信”互換使用，盡管串行通信一般指的是一次傳輸一位。SCPI：可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Commands for Programmable Instrumentation）。USB：通用串行總線（Universal Serial Bus），大多數(shù)PC與外部設(shè)備互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)總線。其目的是盡量統(tǒng)一一起軟件標(biāo)準(zhǔn)，不論儀器使用GPIB、PXI、VXI，還是串行接口（RS232/422/485）。儀器驅(qū)動(dòng)程序在功能模塊~Instrument I/O—Instrument Drivers子模板中。利用這些儀器驅(qū)動(dòng)器，用戶可以很容易地控制各種儀器，并將主要精力放在儀器功能的實(shí)現(xiàn)上，而不必關(guān)心具體的編程細(xì)節(jié)，這一點(diǎn)是LabVIEW強(qiáng)大功能的體現(xiàn)。它是與驅(qū)動(dòng)軟件通信的LabVIEW 儀器驅(qū)動(dòng)VI 中的底層函數(shù)。 VISA 是一個(gè)調(diào)用低層驅(qū)動(dòng)程序的高層API。下表給出了本系統(tǒng)用到的幾個(gè)通信模塊的基本屬性的描述。VI名稱VISA Configure Serial PortVISA WriteVISA ReadVISA Serial BreakVISA Bytes at Serial PortVISA CloseVISA Set I/O Buffer SizeVISA Flush I/O Buffer同時(shí)學(xué)習(xí)了如何使用Instrument I/O Assistant Express VI快速與儀器通信，以及如何使用儀器通信函數(shù)的VISA框架。有了VISA，用戶可以使用LabVIEW與多種連接類型的眾多儀器進(jìn)行通信，如GPIB、以太網(wǎng)、TCP/IP、串口、USB等。其中包含各種常用的PID控制模塊和模糊控制模塊。 PID控制模塊簡(jiǎn)介NI提供了在LabVIEW中使用的PID控制工具包，可幫助工程師結(jié)合NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備快速有效地搭建一個(gè)數(shù)字PID控制器，精確可靠地完成系統(tǒng)需求。安裝完成后打開一個(gè)新的VI，右擊程序框圖，在“函數(shù)”面板上選擇“控制設(shè)計(jì)與仿真”，即可看到PID工具包，該工具包由10個(gè)VI組成。該vi還能控制輸出值的范圍。PID ，在給出一些基本要求后，具有自整定的功能。PID Setpoint 。PID Gain ，并給出條件，執(zhí)行時(shí)當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到條件，便使用對(duì)應(yīng)的一組參數(shù)給入到PID控制器的PID Gains上。PID EGU to %.vi和PID % to 。安裝完成后打開一個(gè)新的VI，右擊程序框圖，在Functions Palette上選擇Control Designamp。安裝工具包后。 Fuzzy Logic工具包：打開一個(gè)新的VI，在任務(wù)欄依次點(diǎn)擊Tools——Control Design and Simulation——Fuzzy Logic Controller Design…，接著在彈出的 Fuzzy Logic Controller Design對(duì)話框的狀態(tài)欄上點(diǎn)擊File——New。工程師可根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)繪制出輸入和輸出量的隸屬函數(shù)圖，繪制完成后點(diǎn)擊Quit；接著彈出Rulebase Editor對(duì)話框（圖6），這是仿真模糊推理器的規(guī)則庫(kù)。 Fuzzy Set Editor Rulebase Editor.fc文件使用工具包Fuzzy Logic中的Load Fuzzy ，該VI加載后將數(shù)據(jù)傳送到Fuzzy 。工具包中的另一個(gè)VI是Test Fuzzy ，它可以通過(guò)手動(dòng)輸入算出輸出響應(yīng)值。在上位機(jī)發(fā)回控制信息后，單片機(jī)將收到的信息按照一定的規(guī)則處理后，將其送入功率控制設(shè)備。硬件部分分為四個(gè)部分：主控部分、DS18B20測(cè)溫部分、通信部分、程序下載部分。 主控部分 DS18B20測(cè)溫部分 ，可是由于Atmega16中的數(shù)據(jù)腳上已經(jīng)有了內(nèi)部的上拉電阻，我們就不需要在外部再加。 測(cè)溫部分 串口通信部分 程序下載部分 下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型如下PID/模糊控制器加熱執(zhí)行設(shè)備溫度輸出溫度輸入 下位機(jī)系統(tǒng)模型 DS18B20的溫度檢測(cè)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。在講解其工作流程之前有必要了解DS18B20的內(nèi)部存儲(chǔ)器資源。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時(shí)設(shè)置不由用戶更改。 RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計(jì)算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9個(gè)字節(jié)RAM，每個(gè)字節(jié)為8位。在上電復(fù)位時(shí)其值將被刷新。第8個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計(jì)的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計(jì)算的暫存單元。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長(zhǎng)期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報(bào)警值和校驗(yàn)數(shù)據(jù)，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。當(dāng)18B20接到此復(fù)位信號(hào)后則會(huì)在15~60uS后回發(fā)一個(gè)芯片的存在脈沖。至此，通信雙方已經(jīng)達(dá)成了基本的協(xié)議，接下來(lái)將會(huì)是控制器與DS18B20間的數(shù)據(jù)通信。 （3）控制器發(fā)送ROM指令：雙方打完了招呼之后最要將進(jìn)行交流了，ROM指令共有5條，每一個(gè)工作周期只能發(fā)一條，ROM指令分別是讀ROM數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、跳躍ROM、芯片搜索、報(bào)警芯片搜索。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個(gè)器件并作處理。（4）控制器發(fā)送存儲(chǔ)器操作指令：在ROM指令發(fā)送給18B20之后，緊接著（不間斷）就是發(fā)送存儲(chǔ)器操作指令了。存儲(chǔ)器操作指令的功能是命令18B20作什么樣的工作，是芯片控制的關(guān)鍵。如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機(jī)）必須等待18B20執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時(shí)間為500uS。若要讀出當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個(gè)周期為復(fù)位、跳過(guò)ROM指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器操作指令、等待500uS溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間。 DS18B20相關(guān)程序設(shè)計(jì)流程