【正文】 系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對(duì)恒值溫度控制 進(jìn)行討論。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開(kāi)動(dòng)制冷裝置若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開(kāi)啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國(guó)許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。 PID 線性溫控法 這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的調(diào)節(jié)器控制原理，控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。其 具體控制電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。其中數(shù)字控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。只要 PID參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制精度是比較令人滿意的。 智能溫度控制法 為了克 服線性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的方法，如參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。尤其是模糊控溫法在實(shí)際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng)算法的溫度控制儀 表。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的被控對(duì)象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通 信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分 方便。 在 DS18B20 中的每個(gè)件上都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。 測(cè)量溫度范圍在－ 到＋ 之間。 內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。 64 位 RO 存儲(chǔ)器件獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。暫存 X 器還提供一字節(jié)的上線警報(bào)觸發(fā)（ TH）和下線警報(bào)觸發(fā)（ TL）寄存器（ 2 和 3 字節(jié)）， 和一字節(jié)的配置寄存器 字節(jié)）使用者可以通過(guò)配置寄存器來(lái)設(shè)置溫度轉(zhuǎn)換的精度。第八字節(jié)含有循環(huán)冗余碼（ CRC ） 。 圖 11 DS18B20 的內(nèi)部框圖 (3)DS18B20 的 4 個(gè)主要數(shù)據(jù)部件 光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。 光刻 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接 多個(gè) DS18B20 的目的。 DS18B20 溫度傳感器的存儲(chǔ)器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存 RAM 和一個(gè)非易失性的可電擦 EEPROM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、 TL 和結(jié)構(gòu)寄存器。在 DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動(dòng)。由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位 脈沖和跟 在其后的由 DS18B20 發(fā)出的應(yīng)答脈沖構(gòu)成。 ②、 ROM 命令 ROM 命令通過(guò)每個(gè)器件 64bit 的 ROM 碼，使主機(jī)指定某一特定器件（如果有多個(gè)器件掛在總線上）與之進(jìn)行通信 DS18B20 ，每個(gè) ROM 命 令都是 8 bit 長(zhǎng)。 （ 5） DS18B20 的信號(hào)方式 DS18B20 采用嚴(yán)格的單總線通 信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。除了應(yīng)答脈沖所有這些信 號(hào)都由主機(jī)發(fā)出同步信號(hào)。 ①、初始化序列：復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖 在初始化過(guò)程中，主機(jī)通過(guò)拉低單總線至少 480181。然后主機(jī) 釋放總線并進(jìn)入接收 (RX)模式。 DS18B20 檢測(cè)到這個(gè)上升沿后，延時(shí) 15181。s，通過(guò)拉低總線 60181。s 產(chǎn)生應(yīng)答 脈 沖。 ②、讀和寫(xiě)時(shí)序 在寫(xiě)時(shí)序期間，主機(jī)向 DS18B20 寫(xiě)入指令，而在讀時(shí)序期間，主機(jī)讀入來(lái)自 DS18B20 的指令。讀 /寫(xiě)時(shí)序如圖 34 所示。主機(jī)在寫(xiě) 1 時(shí)序向 DS18B20寫(xiě)入邏輯 1，而在寫(xiě) 0 時(shí)序向 DS18B20 寫(xiě)入邏輯 0。s，且在兩次寫(xiě)時(shí)序之 間至少需要 1181。兩種寫(xiě)時(shí)序均以主機(jī)拉低總線開(kāi)始。s 內(nèi)釋放總線，然后由上拉電阻將總 線拉至高電平。s）。s~60181。 圖 34 DS18B20初始化時(shí)序圖 讀時(shí)序 ： DS18B20 只能在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)序時(shí)才能向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。所有讀時(shí)序至少 60181。s 的恢復(fù)時(shí)間。這是因?yàn)?8031 無(wú)片內(nèi)ROM、應(yīng)用靈活、價(jià)格便宜。 51 子系列有 803 805 8071； 52 子系列有 803 子系列的不同在于它多具有定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 及具有 256B 的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 ：全雙工， 2 跟 ：在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的 128B 中劃出一部分作為寄存器區(qū)，分為四個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū) 8 個(gè)通用寄存器。 （系統(tǒng)時(shí)鐘為 12MHz 時(shí)）：大部分指令執(zhí)行時(shí)間為 1us；少部分執(zhí)行指令時(shí)間為 2us；只有乘、除指令的執(zhí)行時(shí)間為 4us。下面分別敘述這些引腳的功能。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。采用外部振蕩器時(shí)，此引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE 端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的 1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)。然而注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。 如果需要的話，通過(guò)對(duì)專用寄存器 (SFR)區(qū)中的 8EH 單元的 DO位置數(shù)，可禁止 ALE操作。另外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，該設(shè)定禁止 ALE 位無(wú)效。當(dāng) 80C51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效（即輸出 2個(gè)脈沖 ).但在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。要是 CPU 只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000HFFFFH），則 VPP端必須保持低電平（接地）。當(dāng) VPP 端保持高電平（接 Vcc 端）時(shí)， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序。 （ 4） 輸入 /輸出引腳 ， ,。 在訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址（低 8位） /數(shù)據(jù)總線 ，在訪問(wèn)期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。 P2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4個(gè)輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻，哪些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 P2端口： P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 端口。對(duì)端口寫(xiě) 1時(shí)，通過(guò) 內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。 XV 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVXDPTR 指令）時(shí)， P2送出高 8位地址。 在對(duì) FLASH 編程和程序檢驗(yàn)期間， P2也接受高位地址和一些控制信號(hào)。 P3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。 P3作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 溫度控制的主要方法 溫度的測(cè)量方法多采用集成的半導(dǎo)體模擬溫度傳感器，傳感器輸出的電壓或電流與溫度在一定范圍呈線性關(guān)系。另一種溫度測(cè)量方法是使用熱電偶，其測(cè)量精度較高，但測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，而且采用電橋測(cè)量的系統(tǒng) 抗干擾能力較差，誤差較大。數(shù)字溫度傳感器也越來(lái)越的到廣泛的應(yīng)用。接觸式檢測(cè)的方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度檢測(cè)儀表；基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測(cè)儀表。接觸式測(cè)溫是使測(cè)溫敏感元件與被測(cè)介質(zhì)接 觸，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí)，感溫元件與被測(cè)介質(zhì)的溫度相等。 由單片機(jī)組成的溫度測(cè)控系統(tǒng) ,通過(guò)在單片機(jī)外部添加各種接口電路，可構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制對(duì)象的溫度的顯示和控制。 系 統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 本論文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)是某型號(hào)氣相色譜儀的溫度控制子系 XVI 統(tǒng)，其目的是對(duì)兩個(gè)溫控箱的溫度進(jìn)行恒值溫度控制。下面討論系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)的性能要求以及系統(tǒng)的軟、硬件方案分析。如果實(shí)際測(cè)得的溫控箱溫度值超過(guò)了系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護(hù)電路就會(huì)做出反應(yīng)，從而對(duì)溫控箱實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù) 。 系統(tǒng)可靠性高，不易出故障 。 系統(tǒng)硬件方案分析 目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路和單片機(jī)兩種形式。 它的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，對(duì)溫控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。 單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。由此可見(jiàn)，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不僅可以降低開(kāi)發(fā)成本，精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種芯片應(yīng)用到先進(jìn)的控制儀表中。它不僅能滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個(gè)系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。被測(cè)對(duì)象的溫度由 DS18B20 溫度傳感器檢測(cè)外界溫度并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過(guò)或低于系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護(hù)電路會(huì)做出反應(yīng)同時(shí)報(bào)警電路報(bào)警提示，從而保護(hù)被測(cè)物體。各個(gè)器件工作的電源電壓主要有電源電路提供。 XIX 硬件電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分；從功能模塊上來(lái)分有： 主機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤(pán)顯示電路、電源電路、控制執(zhí)行電路以及掉電保護(hù)電路。完成對(duì)被測(cè)物體的溫度控制。本系統(tǒng)選用的 89C51芯片時(shí)時(shí) 鐘可達(dá) 12MHZ，運(yùn)算速度快，控制功能完善。 具有五個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，兩個(gè)外部中斷、兩個(gè)定時(shí)中斷還用一個(gè)通信中斷，可以對(duì)溫度檢測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分時(shí)操作，這樣就可以對(duì)被測(cè)物體溫度監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確、延時(shí)性更小，同時(shí)也可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單實(shí)用。用來(lái)處理溫度采集的數(shù)字信息并控制各部分的正常工作。 XX 圖 主機(jī)電路示意圖 I/O 通道的硬件電路的設(shè)計(jì) 就本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要實(shí)時(shí)溫度傳感器 DS18B20采集水溫?cái)?shù)據(jù)，送入單片機(jī)中的特定單元，然后一部分送去顯示；另一部分與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò) PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機(jī)輸出去控制電爐加熱或制冷器降溫。 溫度傳感器 的單總線 (1Wire)與單片機(jī)的 I／ O 連接， 是單片機(jī)的高位地址線。對(duì)該端口寫(xiě)“ 1”，可通過(guò)內(nèi)部上拉電阻將其端口拉至高電平，此時(shí)可作為輸入口使用，這是因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某一引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。溫度傳感器 DS18B20 只有三個(gè)端口，電路連接很簡(jiǎn)單，一根電 源線接電源，一根接地，一根數(shù)據(jù)時(shí)鐘線接單片機(jī)的 I/O,數(shù)據(jù)時(shí)鐘線必須接一個(gè)上拉電阻， XXI 防止數(shù)據(jù)、時(shí)鐘高阻懸掛，就會(huì)得不到準(zhǔn)確的溫度數(shù)字信號(hào)。其傳遞函數(shù)形式為： G(s)=K/（ Ts+1） ets 制冷器可以認(rèn)為是線形環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。 如圖 ：繼電器的通斷通過(guò)單片機(jī)的 I/O的輸出控制，從而控制加熱器、制冷器的啟停，來(lái)控制被測(cè)物體的溫度。 圖 報(bào)警電路圖 鍵盤(pán)設(shè)計(jì) 鍵盤(pán)是由若干個(gè)按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣，它具有最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備， 通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。 鍵盤(pán)采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì)，低電平有效。獨(dú)立鍵盤(pán)雖然占 用了 I/O資源，但是運(yùn)用靈活，很適用鍵盤(pán)少的電路。 圖 鍵盤(pán)電路圖 如圖 所示按鍵 KEY KEY11 分別與 （ INTO）、 （ INT1）相連，采用外部中斷方式，對(duì)溫度設(shè)定實(shí)時(shí)處理。 (1)液晶的介紹 ①、 1602型液晶接口信號(hào)說(shuō)明 XXIV 1602 型液晶接口信號(hào)說(shuō)明如表 22 所示 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù)口 2 VDD 電源正極 10 D2 數(shù)據(jù)口 2 V0 液晶顯示器對(duì)比度調(diào)解端 11 D4 數(shù)據(jù)口 4 RS 數(shù)據(jù)命令選擇端 12 D5 數(shù)據(jù)口 5 R/W 讀寫(xiě)選擇端（ H/L） 12 D6 數(shù)據(jù)口 6 E 使能信號(hào) 14 D7 數(shù)據(jù)口 7 D0 數(shù)據(jù)口 15 BLA 背光電源正極 8 D1 數(shù)據(jù)口 16 BKL 背光電源負(fù)極 ②、 基本操作時(shí)序 讀狀態(tài) 輸入： RS=L, R/W=H,E=H 輸出： D0~D7=狀態(tài)字 讀數(shù)據(jù) 輸入： RS=H, R/W=H,E=H 輸出：無(wú) 寫(xiě)指令 輸入： RS=L, R/W=L,D0~D7=指令碼， E=高脈沖 輸出： D0~D7=數(shù)據(jù) 寫(xiě)數(shù)據(jù) 輸入： RS=H, R/W=L, ,D0~D7=數(shù)據(jù)， E=高脈沖 輸出：無(wú)。讀 /寫(xiě)控制端設(shè)置為寫(xiě)模式，即低電平。寫(xiě)操作時(shí)序如下圖所示： 圖 29 1602 液晶寫(xiě)操作時(shí)序圖 XXV （ 2）液晶的電路設(shè)計(jì) 如圖 210所示：液晶的數(shù)據(jù)線接 P0 口，而 RS、 RW、 E分別接單片機(jī)的 、 、 口，通過(guò)單片機(jī)的控制顯示設(shè)定的溫度值或?qū)嶋H溫度值。前者價(jià)廉，配置靈活，與單片機(jī)接口方便；后者可進(jìn)行圖形顯示，但接口復(fù)雜，成本較高。 圖 數(shù)碼管 單片機(jī)中使用 7段 LED 構(gòu)成字形“ 8”，另外，還與一