【正文】 方式，VDD端用3V～5．5V電源供電。其數(shù)據(jù)的讀寫是由主機讀寫特定時間片來完成的，包括初始化、讀時間片和寫時間片。 ?? 先進的單總線數(shù)據(jù)通信。 ?? 12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。 ?? 檢測溫度范圍為–55176。C (–67176。F) ?? 內置EEPROM，限溫報警功能。GND 電壓地 VDD 電源電壓 DS18B20功率控制部分，本設計采用無錫天豪公司生產(chǎn)的GTJ242A固態(tài)繼電器。其電氣參數(shù)為：輸入控制電壓314VDC（自動限流），開啟電流5mA,控制電流25mA，工作電壓24240VAC。相對于隨機型的固態(tài)繼電器，使用過零型的固態(tài)繼電器可以使本設計比較方便地控制固態(tài)繼電器中雙向晶閘管的導通周期數(shù)，從而控制加熱元件的工作時間。而且，計算機的各種通信方式中，尤以串口通信方式最為簡單，因此本設計采用傳統(tǒng)的RS232串口通信。在本設計中采用美國MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232進行電平轉換。下位機的編譯軟件，通常有ICC AVR、WinAVR（也就是通常所說的GCC）、IAR AVR、CodeVision AVR、ATman AVR，在這里使用ICC AVR和AVR Studio的組合。上位機方面，本設計采用目前NI最新的LabVIEW 。 硬件及軟件設計方案下圖給出系統(tǒng)硬件組成框圖，由計算機、單片機、測溫電路及溫度控制電路組成。利用傳感器獲取溫度信號，再由單片機組成的小系統(tǒng)對溫度信號進行采集、處理和轉換，然后通過RS232串口將數(shù)據(jù)送給計算機．并通過計算機運行的LabVIEW程序來分析處理輸入數(shù)據(jù)．最終由計算機顯示結果。溫度測控對象溫度控制電路溫度測量電路單片機計算機 系統(tǒng)組成框圖 (1)PID控制在自動控制中，一個系統(tǒng)的運行要求能夠滿足給定的性能指標，具有抗干擾能力和穩(wěn)定性?？刂破髋c被控對象以閉環(huán)的形式構成系統(tǒng)，以幫助整個系統(tǒng)的輸出滿足給定的性能指標，而控制器運用的控制規(guī)律多種多樣。 PID控制器結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便。因此當不能完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，就是PID的用武之地。比例，積分，微分這三個環(huán)節(jié)又相互獨立，有各自不同的作用，在現(xiàn)場也可以根據(jù)實際情況來選擇使用。比例控制器通過改變比例放大系數(shù)Kp調節(jié)輸出，對誤差的反應很快，但是其輸出與期望值之間總是存在一個穩(wěn)態(tài)誤差，必須使用手動復位來消除，在實際運用中很不方便。而當Kp值小時，又會使系統(tǒng)動作變得緩慢，所以校正系統(tǒng)很少單獨使用P控制。積分控制器的輸出與誤差信號的積分成正比，即 ，所以PI控制器的輸出有： 積分項對誤差進行積分，隨著時間的增加積分項增大，只要誤差還存在，就會不斷輸出。因此，PI控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。D控制（微分控制） 積分控制的動態(tài)性能不好，而微分項恰好可以彌補這點。甚至在誤差形成之前，可能已被微分調節(jié)作用消除。微分控制在實際運用中經(jīng)常用來抵消積分控制產(chǎn)生的不穩(wěn)定趨勢，但因其反應的是誤差的變化率，所以僅對動態(tài)過程作用，通常不單獨使用。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。對于PID控制器，輸出為：PID控制實際就是根據(jù)經(jīng)驗，對Kp，Ti，Td這3個參數(shù)進行整定，以得到合適的輸出值對系統(tǒng)進行控制。目前PID不僅應用廣泛，發(fā)展也很快，已研究出很多對這3個參數(shù)進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、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制。用模糊條件語句寫出控制規(guī)律，再用算法語言來編寫程序，按此程序對生產(chǎn)過程進行自動控制。 ②模糊控制是一種語言變量控制器，其控制規(guī)律只用語言變量的形式定性地表達，不用傳遞函數(shù)與狀態(tài)方程，只要對人們的控制經(jīng)驗加以總結，進而從中提煉出規(guī)則，直接給出語言變量，再應用推理方程進行觀察與控制。 ④從不同的觀點出發(fā)，可以設計不同的目標函數(shù)，其語言控制規(guī)則分別是獨立的，但是整個系統(tǒng)的設計可得到總體的協(xié)調控制。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“+”號表示列舉，并不是加號；作用每項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)行機構被控對象測量裝置期望值輸出—— 模糊控制系統(tǒng)3 LabVIEW集成開發(fā)環(huán)境使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為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形式出現(xiàn)在前面板，具體表現(xiàn)為旋鈕、開關、圖形、圖標以及其他的控制（Control）和顯示（Indicator）對象等，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：前面板對象端口、全局變量與局部變量端口和常量端口。 節(jié)點類似于文本語言的函數(shù)或子程序，LabVIEW有兩種節(jié)點類型：功能函數(shù)節(jié)點或子VI節(jié)點，二者的區(qū)別在于功能函數(shù)節(jié)點是LabVIEW本身提供給用戶使用的，不可以對它進行修改；子VI則是用戶可以進入并根據(jù)實際需要對其加以修改。連線用于代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，它類似于文本程序的變量，數(shù)據(jù)是單向流動的。 LabVIEW程序執(zhí)行流程宏觀上講，LabVIEW的運行機制已經(jīng)不是傳統(tǒng)上的馮傳統(tǒng)計算機語言（如C語言）中的順序執(zhí)行結構在LabVIEW中被并行機制所代替。這樣，可以結合圖形語言和文本語言各自優(yōu)點，更為靈活、高效、易用。對儀器的驅動是虛擬儀器實現(xiàn)對真實物理信號采集的基礎，當儀器驅動后，才能由軟件進行數(shù)據(jù)的分析處理進而實現(xiàn)某種測溫功能，并求取測量結果。 儀器驅動也稱為儀器驅動器模式完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集，也可以認為是儀器的軟件描述，它是應用程序實現(xiàn)儀器控制的橋梁。由于虛擬儀器需要提供模擬實際儀器操作面板的虛擬面板，因此虛擬儀器驅動器不僅是實施儀器控制的程控代碼，還是儀器程控代碼、高級軟件編程與先進人機交互三者相結合的產(chǎn)物，是一個包含實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)和測試接口，實時模式下，測試人員對軟面板上控件的操作將直接反映到真實儀器上。 應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供友好直觀的測控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析和處理功能，來完成自動測試任務。一般由儀器廠商以動態(tài)鏈接庫的形式提供給用戶。 GPIB：通用接口總線（General Purpose Interface Bus）。 IVI：可交換虛擬儀器（Interchangeable Virtual Instrument）。 LXI：LAN在儀器領域的擴展（LAN eXtension for Instrumentation）。 RS232：232號推薦標準（Remended Standard 232）?？梢耘c術語“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：可編程儀器標準命令（Standard Commands for Programmable Instrumentation）。USB：通用串行總線（Universal Serial Bus），大多數(shù)PC與外部設備互聯(lián)的標準總線。其目的是盡量統(tǒng)一一起軟件標準，不論儀器使用GPIB、PXI、VXI，還是串行接口（RS232/422/485）。儀器驅動程序在功能模塊~Instrument I/O—Instrument Drivers子模板中。利用這些儀器驅動器，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現(xiàn)上，而不必關心具體的編程細節(jié)，這一點是LabVIEW強大功能的體現(xiàn)。它是與驅動軟件通信的LabVIEW 儀器驅動VI 中的底層函數(shù)。 VISA 是一個調用低層驅動程序的高層API。下表給出了本系統(tǒng)用到的幾個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同時學習了如何使用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控制模塊簡介NI提供了在LabVIEW中使用的PID控制工具包，可幫助工程師結合NI數(shù)據(jù)采集設備快速有效地搭建一個數(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新的VI，右擊程序框圖，在“函數(shù)”面板上選擇“控制設計與仿真”，即可看到PID工具包，該工具包由10個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)行時當輸入信號達到條件，便使用對應的一組參數(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：打開一個新的VI，在任務欄依次點擊Tools——Control Design and Simulation——Fuzzy Logic Controller Design…，接著在彈出的 Fuzzy Logic Controller Design對話框的狀態(tài)欄上點擊File——New。工程師可根據(jù)專家經(jīng)驗繪制出輸入和輸出量的隸屬函數(shù)圖，繪制完成后點擊Quit；接著彈出Rulebase Editor對話框（圖6），這是仿真模糊推理器的規(guī)則庫。 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VI是Test Fuzzy ，它可以通過手動輸入算出輸出響應值。在上位機發(fā)回控制信息后，單片機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備。硬件部分分為四個部分：主控部分、DS18B20測溫部分、通信部分、程序下載部分。 主控部分 DS18B20測溫部分 ，可是由于Atmega16中的數(shù)據(jù)腳上已經(jīng)有了內部的上拉電阻，我們就不需要在外部再加。 測溫部分 串口通信部分 程序下載部分 下位機的軟件設計系統(tǒng)模型如下PID/模糊控制器加熱執(zhí)行設備溫度輸出溫度輸入 下位機系統(tǒng)模型 DS18B20的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。在講解其工作流程之前有必要了解DS18B20的內部存儲器資源。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設置不由用戶更改。 RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9個字節(jié)RAM，每個字節(jié)為8位。在上電復位時其值將被刷新。第8個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是內部溫度轉換、計算的暫存單元。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。當18B20接到此復位信號后則會在15~60uS后回發(fā)一個芯片的存在脈沖。至此，通信雙方已經(jīng)達成了基本的協(xié)議，接下來將會是控制器與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行交流了，ROM指令共有5條，每一個工作周期只能發(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器件并作處理。（4）控制器發(fā)送存儲器操作指令：在ROM指令發(fā)送給18B20之后，緊接著（不間斷）就是發(fā)送存儲器操作指令了。存儲器操作指令的功能是命令18B20作什么樣的工作，是芯片控制的關鍵。如執(zhí)行溫度轉換指令則控制器（單片機）必須等待18B20執(zhí)行其指令，一般轉換時間為500uS。若要讀出當前的溫度數(shù)據(jù)需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個周期為復位、跳過ROM指令、執(zhí)行溫度轉換存儲器操作指令、等待500uS溫度轉換時間。 DS18B20相關程序設計流程