基于單片機(jī)與PC機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、摘摘 要要 在工業(yè)生產(chǎn)中，人們需要對(duì)各類(lèi)加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢 測(cè)和控制。采用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大、精度高等優(yōu)點(diǎn)。 本文介紹了一種基于 AT89S52 單片機(jī)與 PC 機(jī)串口通信的溫度控制系統(tǒng)，用單片機(jī)作 下位機(jī)完成溫度數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行 PC 機(jī)發(fā)出的控制執(zhí)行命令;用 PC 機(jī)作上位機(jī)接收單片 機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,向單片機(jī)發(fā)送控制命令。 PC 機(jī)與單片機(jī)采甪串行通信,可 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度檢測(cè)和控制。本設(shè)計(jì)充分利用 PC 機(jī) VB6.0 軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和友 好的人機(jī)界面,對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示。 本設(shè)計(jì)由硬件和軟件二部分組成,本文主

2、要進(jìn)行硬件部分設(shè)計(jì)。經(jīng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明本設(shè) 計(jì)性能穩(wěn)定可靠,各項(xiàng)性能指標(biāo)高,可用于實(shí)際工程。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī),PC 機(jī),溫度控制,串行通信 目目 錄錄 摘摘 要要 .I I 第一章第一章 緒論緒論 .4 4 1.11.1 概述概述.4 1.21.2 溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀.4 1.31.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想 .6 1.41.4 功能要求功能要求.7 第二章第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .8 8 2.12.1 硬件系統(tǒng)框圖硬件系統(tǒng)框圖 .8 2.22.2 硬件電路硬件電路.8 2.32.3 最小單片機(jī)系統(tǒng)最小單片機(jī)系統(tǒng) .8 2.42.4 溫度傳感

3、器的選取溫度傳感器的選取.12 2.52.5 溫度傳感器溫度傳感器 DS18B20DS18B20 的介紹的介紹 .12 2.62.6 輸出通道設(shè)計(jì)輸出通道設(shè)計(jì).18 2.72.7 串行通信接口串行通信接口.20 2.82.8 電源電路電源電路.23 2.92.9 系統(tǒng)特點(diǎn)系統(tǒng)特點(diǎn).24 第三章第三章 系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)介系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)介 .2525 3.13.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具介紹系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具介紹.25 3.23.2 軟件系統(tǒng)簡(jiǎn)介及界面軟件系統(tǒng)簡(jiǎn)介及界面.26 第四章第四章 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 .2828 總總 結(jié)結(jié) .2929 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .3030 附附 錄錄 .3131 附錄一、單片機(jī)程序.31

4、附錄二、PC 機(jī)程序 .38 第一章第一章 緒論緒論 1.11.1 概述概述 隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見(jiàn) 的過(guò)程變量。其中，溫度是一個(gè)非常重要的過(guò)程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、 電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐 和鍋爐的溫度進(jìn)行控制。然而，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿(mǎn)足較高的性 能要求。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，而 且可以大幅度提高被測(cè)溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此， 單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的控制問(wèn)題

5、。 （1）研究的目的和意義 電阻加熱爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，這樣加熱時(shí)升溫過(guò)程的測(cè)量與控 制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)。首先，控溫度精度要高。其次，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化而影響到 控溫精度時(shí)，要有合適的手段進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到精度要求。而且，為了方便進(jìn)行工藝的研 究，需要能保存溫度數(shù)據(jù)。最后，由于生產(chǎn)中的實(shí)際情況，電阻加熱爐要求操作方便， 易于維護(hù)，成本較低等等。 （2）國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 目前，我國(guó)電阻爐控制設(shè)備的現(xiàn)狀時(shí)是小部分比較先進(jìn)的設(shè)備和大部分比較落后的 設(shè)備并存。整體上，我國(guó)的電阻爐控制系統(tǒng)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較落后。占主導(dǎo)地 位的是儀表控制，這種系統(tǒng)的控制參數(shù)由人工選擇，需要配置專(zhuān)門(mén)的儀表

6、調(diào)試人員，費(fèi) 時(shí)、費(fèi)力且不準(zhǔn)確?？刂凭纫蕾?lài)于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié)?？刂凭炔桓?，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生 變化就需要重新設(shè)置。操作不方便，控制數(shù)據(jù)無(wú)法保存。因而，對(duì)生產(chǎn)工藝的研究很困 難，因此造成產(chǎn)品質(zhì)量低、廢品率高、工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率低，這些都影響 企業(yè)的效率。 1.21.2 溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何 物理、化學(xué)過(guò)程都緊密地與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)量和控制都直接 和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。因 此，溫度的測(cè)量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相

7、當(dāng)程度的重視。 近年來(lái)，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快 速實(shí)時(shí)地進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是 目前需要解決的問(wèn)題。 溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。 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，不能用于極高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。非接觸式測(cè)溫是通過(guò)對(duì)輻射能量 的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是：不破壞被

8、測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體， 適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測(cè)量誤差較 大，儀表指示值一般僅代表表觀溫度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的測(cè) 量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿(mǎn)足測(cè)量精度要求的前提下盡量 減少人力和物力的投入。 溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類(lèi)：動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動(dòng) 態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線(xiàn)進(jìn)行變化。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(guò)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

9、度恒定在某一數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度（即穩(wěn)態(tài)誤差）不能超過(guò)某一給定值。本課題 所研制的電阻爐智能溫度控制儀就是要實(shí)現(xiàn)恒值溫度控制的要求，故以下僅對(duì)恒值溫度 控制進(jìn)行討論。 從工業(yè)溫度控制器的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種： （1）定值開(kāi)關(guān)控溫法 所謂定值開(kāi)關(guān)控溫法，就是通過(guò)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)加熱源（或冷卻裝置）進(jìn)行通斷控制。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。這種開(kāi)關(guān)控溫方法比較簡(jiǎn)單，在沒(méi)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)。目

10、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。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(kāi)通電源，因而無(wú)法克服溫度變化過(guò)程的滯后性，致使 系統(tǒng)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。 （2）PID 線(xiàn)性控溫法 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，PID 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)。由于 PID 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

11、定值開(kāi)關(guān) 控溫法。其具體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) PID 調(diào)節(jié)功能。前者稱(chēng) 為模擬 PID 調(diào)節(jié)器，后者稱(chēng)為數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器。其中數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng) 實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。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) PID 參數(shù)（即比例值、積分值、微分 值）。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(mǎn)意的。但是，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。 （3）智能溫度控制法 為了克服 P

12、ID 線(xiàn)性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)整 PI 參數(shù)的方法， 如 PID 參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。并通過(guò)將智能控制與 PID 控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫 度的智能控制。智能控溫法1采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專(zhuān)家系 統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。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(zhuān)家系統(tǒng)等。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。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制 器，可以更好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤 差。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) PID 算法 的溫度控制儀表。 目前國(guó)內(nèi)溫控儀表的發(fā)

13、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 精度低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的溫控對(duì)象，由 于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定等。 針對(duì)上述不足，本文以探索新的 PID 自整定方法為目的，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種新型電阻 爐智能溫度控制儀，以簡(jiǎn)化控制電路，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 1.31.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想 （1）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2(Analog Circuit)和單片機(jī) (Single-chip Computer)兩種形式

14、。 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、模擬集成電路及電容、 電阻等外圍元器件組成。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。 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，還取決于被控系統(tǒng) 的響應(yīng)特性。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) 性要求不高，所以模擬電路的優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣 關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)控制算法，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。 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)。它是把中央處 理器 CPU(Centeral Processing Unit)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM

15、(Random Access Memory)、 只讀存儲(chǔ)器 ROM(ReadOnly Memory)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及 I/0(Input/Output)接口電路等 主要計(jì)算機(jī)部件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。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)，可以提高系 統(tǒng)的兼容性和可移植性。 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，SoC(System on chip，片 上系統(tǒng))得到了十足的發(fā)展。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種 Soc 芯片應(yīng)

16、用到 先進(jìn)的控制儀表中。SoC 芯片通常含有一個(gè)微處理器核(CPU)，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(RAM,ROM)，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶(hù)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。它不僅能滿(mǎn)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)，SoC 是實(shí)現(xiàn)電阻爐智能溫度控制儀的最佳選擇，但目前市場(chǎng)上 SoC 的價(jià)格 還比較昂貴，并且 SoC 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。 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。 目

17、前，市面上的單片機(jī)不僅種類(lèi)繁多，而且在性能方面也各有所長(zhǎng)。針對(duì)這些單片 機(jī)的不同特點(diǎn)，尤其從降低成本和方便實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，以 89S52 為核心器件組成的控 制系統(tǒng)是比較理想的選擇。此外，在選取外圍擴(kuò)展芯片時(shí)，本著節(jié)約成本的原則，盡量 選取典型的、易于擴(kuò)展和替換的芯片及器件。 （2）系統(tǒng)軟件方案分析 溫度控制算法方面，基于解析模型的經(jīng)典控制方法主要體現(xiàn)在 PID 控制上，這主要 是由于 PID 控制器的原理簡(jiǎn)單，使用方便的緣故。但是，經(jīng)典控制方法一般是建立在被 控對(duì)象精確或近似的數(shù)學(xué)模型上，而數(shù)學(xué)模型的建立本身就存在許多不足之處，因而其 表面上看是精確控制，而實(shí)際上卻是簡(jiǎn)單的控制器。此外，在設(shè)

18、計(jì) PID 控制器時(shí)，傳統(tǒng) 的做法是依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)確定 PID 控制器的參數(shù) Kp，Ki，Kd，在隨后的控 制過(guò)程中 PID 參數(shù)一般是保持不變的，當(dāng)外部條件發(fā)生重大變化時(shí)，再由工程人員重新 手動(dòng)進(jìn)行選擇。然而，被控系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到負(fù)荷變化、外界噪聲等各種因素的 干擾，都會(huì)引起被控對(duì)象的近似數(shù)學(xué)模型參數(shù)變化較大，從而導(dǎo)致控制效果大打折扣。 基于上述情形，如果能將近似的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際情況結(jié)合起來(lái)，這樣的控制方式往往要 比經(jīng)典控制方法精確得多，這就意味著 PID 參數(shù)能夠在線(xiàn)調(diào)整，以適應(yīng)改變了的模型。 顯然常規(guī) PID 控制器是不能滿(mǎn)足這一要求。因此在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題

19、就是 如何實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)的實(shí)時(shí)整定。 1.41.4 功能要求功能要求 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)能達(dá)到以下功能要求： (一) 可以人為方便地設(shè)定所需控制的溫度值，溫控儀器能自動(dòng)將電爐加熱至此設(shè)定 值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能自動(dòng)控制溫度； (二)采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變（由 40提高到 60）時(shí)，減小系統(tǒng) 的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。 (三) 實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)式控制，消除機(jī)械噪聲； (四) 改進(jìn)控制方法，控制精度達(dá)到05 C 或更高； (五) 具有自動(dòng)加熱保護(hù)功能的安全性要求。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過(guò)了系統(tǒng)要求 的溫度范圍，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出斷電指令，并進(jìn)行報(bào)警； (

20、六) 裝置可將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串口送到上位機(jī)，上位機(jī)軟件將接收到的數(shù)據(jù)存貯并顯 示溫度變化曲線(xiàn)。 第二章第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.12.1 硬件系統(tǒng)框圖硬件系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)總體方案框圖如圖2-1所示 PC 機(jī) 鍵盤(pán) 顯示器 RS232 單片 機(jī) 驅(qū)動(dòng)SSR 電阻 爐 DS18B20 圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖 2.22.2 硬件電路硬件電路 2.2.3 3 最小單片機(jī)系統(tǒng)最小單片機(jī)系統(tǒng) （1）單片機(jī)概述 AT89S523是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品

21、指令和引 腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片 上，擁有靈巧 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系 統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié) Flash，256 字 節(jié) RAM，32 位 I/O 口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、 定時(shí)

22、器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍 結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系 統(tǒng)可編程 Flash AT89S52。功能強(qiáng)大的 AT89S52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)和工業(yè)控制 系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。 鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)，特選用此款單片機(jī)。 (3) AT89S52 引腳功能與封裝 圖 2-2 是 AT89S52 封裝結(jié)構(gòu)圖。 圖 2-2 AT89S52 封裝引腳圖 按照功能，AT89S52 的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能 I/O 口、 控制和復(fù)位等。 1.多功能 I/O

23、 口 AT89S52 共有四個(gè) 8 位的并行 I/O 口：P0、P1、P2、P3 端口，對(duì)應(yīng)的引腳分別是 P0.0 P0.7，P1.0 P1.7，P2.0 P2.7，P3.0 P3.7，共 32 根 I/O 線(xiàn)。每根線(xiàn) 可以單獨(dú)用作輸入或輸出。 P0 端口，該口是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。在作為輸出口時(shí)，每根引腳可 以帶動(dòng) 8 個(gè) TTL 輸入負(fù)載。當(dāng)把“1”寫(xiě)入 P0 時(shí)，則它的引腳可用作高阻抗輸入。當(dāng)對(duì) 外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P0 可用作多路復(fù)用的低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)，在該模 式，P0 口擁有內(nèi)部上拉電阻。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)，P0 用于接收代碼字節(jié)；

24、在 校驗(yàn)時(shí)，則輸出代碼字節(jié)；此時(shí)需要外加上拉電阻。 P1 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，P1 口的輸出緩沖器可驅(qū) 動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4 個(gè) TTL 輸入。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，此時(shí)可用作輸入口。P1 口作輸入口使用時(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。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1 口接收低 8 位地址。 另外，P1.0 與 P1.1 可以配置成定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入端（P1.0/T2）與定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入端（P1.0/T2EX） ，如表 2-1 所示。 表 2-1

25、 P1 口管腳復(fù)用功能 端口引腳復(fù)用功能 P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)算器 2 的外部輸入端） P1.1 T2EX（定時(shí)器/計(jì)算器 2 的外部觸發(fā)端和雙向控制） P1.5 MOSI（用于在線(xiàn)編程） P1.6 MISO（用于在線(xiàn)編程） P1.7 SCK（用于在線(xiàn)編程） P2 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，P2 口的輸出緩沖器可 驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4 個(gè) TTL 輸入。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，此時(shí)可用作輸入口。P2 口作輸入口使用時(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。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 位的

26、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX DPTR 指令）時(shí)， P2 口送出高 8 位地址，在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX RI 指令）時(shí)， P2 口引腳上的內(nèi)容（就是專(zhuān)用寄存器（SFR）區(qū)中 P2 寄存器的內(nèi)容） ，在整個(gè)訪問(wèn)期間不 會(huì)改變。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間，P2 口也接收高位地址或一些控制信號(hào)。 P3 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，P3 口的輸出緩沖器可 驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4 個(gè) TTL 輸入。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，此時(shí)可用作輸入口。P3 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻， 那些被

27、外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 在 AT89S52 中，同樣 P3 口還用于一些復(fù)用功能，如表 2-2 所列。在對(duì) Flash 編程和 程序校驗(yàn)期間，P3 口還接收一些控制信號(hào)。 表 2-2 P3 端口引腳與復(fù)用功能表 端口引腳復(fù)用功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 INT0（外部中斷 0） P3.3 INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（定時(shí)器 0 的外部輸入） P3.5 T1（定時(shí)器 1 的外部輸入） P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 1.RST 復(fù)位輸入端。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)

28、器周期的高電平將使其 單片機(jī)復(fù)位?？撮T(mén)狗定時(shí)器（Watchdog）溢出后，該引腳會(huì)保持 98 個(gè)振蕩周期的高電平。 在 SFR AUXR（地址 8EH）寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽這種功能。DISRTO 位的默認(rèn) 狀態(tài)，是復(fù)位高電平輸出功能使能。 2.ALE/PROG 地址鎖存允許信號(hào)。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，這個(gè)輸出信號(hào)用于鎖存低 字節(jié)地址。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳用于輸入編程脈沖 PROG。一般情況下， ALE 是振蕩器頻率的 6 分頻信號(hào)，可用于外部定時(shí)或時(shí)鐘。但是，在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器每 次存取中，會(huì)跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。在需要時(shí)，可以把地址 8EH 中的 SF

29、R 寄存器的 0 位置 為“1” ，從而屏蔽 ALE 的工作；而只有在 MOVX 或 MOVC 指令執(zhí)行時(shí) ALE 才被激活。在單 片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時(shí)，對(duì) ALE 屏蔽位置“1”并不起作用。 3.PSEN 程序存儲(chǔ)器允許信號(hào)。它用于讀外部程序存儲(chǔ)器。當(dāng) AT89S52 在執(zhí)行來(lái)自 外部存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每一個(gè)機(jī)器周期 PSEN 被激活 2 次。在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的每次存 取中，PSEN 的 2 次激活會(huì)被跳過(guò)。 4.EA/Vpp 外部存取允許信號(hào)。為了確保單片機(jī)從地址為 0000HFFFFH 的外部程序 存儲(chǔ)器中讀取代碼，故要把 EA 接到 GND 端，即地端。但是，如果鎖定位 1 被編程，

30、則 EA 在復(fù)位時(shí)被鎖存。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部程序時(shí)，EA 應(yīng)接到 Vcc。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條 引腳接收 12V 編程電壓 Vpp。 5.XTAL1 振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 6.XTAL2 振蕩器的反相放大器輸出。 （2）AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng)4電路圖如圖 2-3 所示。 圖 2-3 單片機(jī) AT89S52 最小系統(tǒng) （1） 復(fù)位電路： 單片機(jī)上電時(shí)，當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，只要持續(xù)給出 RST 引腳連個(gè)機(jī)器周期的高電 平，便可完成系統(tǒng)復(fù)位。外部復(fù)位電路是為內(nèi)部復(fù)位電路提供兩個(gè)機(jī)器周期以上的電平 而設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)采用上電自動(dòng)復(fù)位，上電瞬間電容器上的電壓不能突

31、變，RST 上的電壓是 Vcc 上的電壓與電容器上的電壓之差，因而 RST 上的電壓與 Vcc 上的電壓相同。隨著充電 的進(jìn)行，電容器上的電壓不斷上升，RST 上的 電壓就隨著下降，RST 腳上只要保持 10ms 以上高電平，系統(tǒng)就會(huì)有效復(fù)位。電容 C 可取 1033uF，電阻 R 可取 1.210k。在本系 統(tǒng)設(shè)計(jì)中，C 取 22uf,R 取 4.7k，充電時(shí)間常數(shù)為 22*10-6 *4.7*103=104ms。 （2）振蕩電路： XTAL1 腳和 XTAL2 腳分別構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，外接石英晶 振或陶瓷晶振以及補(bǔ)償電容 C1、C2 選 47uF 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。

32、當(dāng)外接石英晶振時(shí)，電 容 C1、C2 選 30Pf10pF；當(dāng)外接陶瓷振蕩器時(shí)，電容 C1、C2 選 47uF10uF。AT89S52 系統(tǒng)中晶振可在 024MHz 選擇。外接電 C1、C2 的大小會(huì)影響振蕩器頻率的穩(wěn)定度、起 振時(shí)間及溫度穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，晶振和電容應(yīng)靠近單片機(jī)芯片，以便減少寄生 電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠工作。 在本硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為保證串行通行波特率的誤差，選擇了 11.0592MHz 的標(biāo)準(zhǔn)石 英晶振，電容 C1、C2 為 47uF。 （3）接高電平，選用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。EA （4） 單片機(jī)編程 2.42.4 溫度傳感器的選取溫度傳感器的選取 目前市場(chǎng)上溫度傳感器較

33、多，有以下幾種： 方案一：選用鉑電阻溫度傳感器，此類(lèi)溫度傳感器線(xiàn)性度、穩(wěn)定性等方面性能都很 好， 其成本較高。 方案二：采用熱敏電阻，選用此類(lèi)元器件有價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但由于熱敏電阻的非 線(xiàn)性特性會(huì)影響系統(tǒng)的精度。 方案三：DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數(shù)字溫度傳感器，具有 3 引腳 TO92 小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為55125,可編程為 9 位12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度， 測(cè)溫分辨率可達(dá) 0.0625。此器件具有體積小、質(zhì)量輕、線(xiàn)形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)其 各方面特性都滿(mǎn)足此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此選用方案三。 2.52.5 溫度傳

34、感器溫度傳感器 DS18B20DS18B20 的介紹的介紹 DS18B205是 Dallas 半導(dǎo)體公司推出的一線(xiàn)總線(xiàn)數(shù)字化溫度傳感器件，它能在現(xiàn)場(chǎng)采 集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。此外，一線(xiàn)總線(xiàn)獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特 點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念 DS18B20 測(cè)量溫度范圍為-55C+125C，在-10+85C 范圍內(nèi)，精度為0.5 C。DS1822 的精度較差為2C?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以一線(xiàn)總線(xiàn)的數(shù)字方式傳輸，大大提高 了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、 測(cè)溫類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品等。 DS18B20 可以程序設(shè)定

35、 912 位的分辨率，精度為0.5C?？蛇x更小的封裝方式， 更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶(hù)設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在 EEPROM 中，掉電后依 然保存。DS18B20 的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價(jià)格比也非常出色！DS1822 與 DS18B20 軟件兼容，是 DS18B20 的簡(jiǎn)化版本。省略了存儲(chǔ)用戶(hù)定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù) 的 EEPROM，精度降低為2C，適用于對(duì)性能要求不高，成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用。 DS18B20 可用傳統(tǒng)方式供電6，將外部電源連在 VDD 腳上，其工作電壓范圍為 3.05.5V， 也可以用數(shù)據(jù)線(xiàn)供電，稱(chēng)為寄生供電模式，電源由總線(xiàn)為高電平時(shí) DQ 腳上 的上拉電阻

36、提供，此時(shí) VDD 腳必須接地。在 12 位分辨率時(shí)，最多在 750ms 內(nèi)可以把溫度 值轉(zhuǎn)換成數(shù)字。并具有負(fù)壓特性，即當(dāng)電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)雖然不會(huì)正常工作，但 卻不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。 一、DS18B20 的主要特性 （1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線(xiàn)供 電 （2）獨(dú)特的單線(xiàn)接口方式，DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn) 微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 （3）DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)組 網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。 （4）DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件

37、及轉(zhuǎn)換電路集成在形如 一只三極管的集成電路內(nèi) （5）測(cè)溫范圍55125，在-10+85時(shí)精度為0.5 （6）可編程的分辨率為 912 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 0.5、0.25、 0.125和 0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。 （7）在 9 位分辨率時(shí)最多在 93.75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12 位分辨率時(shí)最多在 750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。 （8）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以一線(xiàn)總線(xiàn)串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。 （9）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 二、DS18B20 的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

38、DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào) 警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。圖 2-4 為 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖 2-5 為 DS18B20 的引 腳（PR35 封裝）。 引腳含義如下： (1)DQ：數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端； (2)GND：電源地； (3)VDD：外接供電電源輸入端（在寄生電源接線(xiàn)方式時(shí)接地）。 三、DS18B20 工作原理 DS18B20 測(cè)溫原理如圖 2-6 所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小， 用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改 變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)

39、數(shù)器 2 的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在55所 對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù) 器 1 的預(yù)置值減到 0 時(shí)，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 1 重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖 2-6 中的斜 率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線(xiàn)性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。 圖 2-6 DS18B20 測(cè)溫原理 DS18B20 有 4 個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件： 圖 2-4 DS18B20

40、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖 2-5 DS18B20 引腳圖 （1）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。64 位光刻 ROM 的排列是：開(kāi)始 8 位（28H）是產(chǎn)品類(lèi)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 （CRC=X8+X5+X4+1）。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(xiàn)上掛接多個(gè) DS18B20 的目的。 （2）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

41、提供，以 0.0625/LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位。 表 2-3: DS18B20 溫度值格式表 這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 DS18B20 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 0.0625 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 0.0625 即可得到實(shí)際溫度。 例如+125的數(shù)字輸出為 07D0H，+25.0625的數(shù)字輸出為 0191H，-25.0625的數(shù) 字輸出為 FF6FH，-55的數(shù)字輸出為 FC90H。

42、（3）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)非易失性的可電擦除 的 EEPRAM,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。 （4）配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如下： 表 2-5：配置寄存器結(jié)構(gòu) 低五位一直都是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。在 DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶(hù)不要去改動(dòng)。R1 和 R0 用來(lái)設(shè)置分辨率，如 下表所示：（DS18B20 出廠時(shí)被設(shè)置為 12 位） 表 2-6：溫度分辨率設(shè)置表 四、高速暫存存儲(chǔ)器 高速暫存存儲(chǔ)器由 9 個(gè)字節(jié)

43、組成，其分配如表 5 所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng) 轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第 0 和第 1 個(gè)字節(jié)。單片 機(jī)可通過(guò)單線(xiàn)接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表 1 所示。對(duì) 應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位 S=0 時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1 時(shí)，先將補(bǔ)碼 變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。表 2-7 是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字 節(jié)。 表 2-7：DS18B20 暫存寄存器分布 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三 個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì) DS18B20 進(jìn)行復(fù)位操作，

44、復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令， 最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對(duì) DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線(xiàn)下 拉 500 微秒，然后釋放，當(dāng) DS18B20 收到信號(hào)后等待 1660 微秒左右，后發(fā)出 60240 微秒的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。 表 2-8：ROM 指令表 表 2-9：RAM 指令表 六、DS18B20 使用中注意事項(xiàng) DS18B20 雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線(xiàn)少等優(yōu)點(diǎn)，但在 實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問(wèn)題： 1) 較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS18B20 與微處理器間采用 串

45、行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì) DS18B20 進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則 將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。在使用 PL/M、C 等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì) DS18B20 操 作部分最好采用 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。 2) 在 DS18B20 的有關(guān)資料中均未提及單總線(xiàn)上所掛 DS18B20 數(shù)量問(wèn)題，容易使人誤 認(rèn)為可以?huà)烊我舛鄠€(gè) DS18B20，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線(xiàn)上所掛 DS18B20 超過(guò) 8 個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以 注意。 3) 連接 DS18B20 的總線(xiàn)電纜是有長(zhǎng)度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng) 度超過(guò) 50m

46、 時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線(xiàn)電纜改為雙絞線(xiàn)帶屏蔽電纜時(shí)， 正常通訊距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線(xiàn)帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距 離進(jìn)一步加長(zhǎng)。這種情況主要是由總線(xiàn)分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻?。因此，?用 DS18B20 進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線(xiàn)分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。 4) 在 DS18B20 測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向 DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待 DS18B20 的返回信號(hào)，一旦某個(gè) DS18B20 接觸不好或斷線(xiàn)，當(dāng)程序讀該 DS18B20 時(shí)，將沒(méi) 有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS18B20 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也

47、要給予 一定的重視。 測(cè)溫電纜線(xiàn)建議采用屏蔽 4 芯雙絞線(xiàn)，其中一對(duì)線(xiàn)接地線(xiàn)與信號(hào)線(xiàn)，另一組接 VCC 和地線(xiàn)，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。 2.62.6 輸出通道設(shè)計(jì)輸出通道設(shè)計(jì) （1）電阻爐的功率調(diào)節(jié)方式 電阻爐的溫度控制是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻爐的輸入電功率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前多數(shù)溫控儀采用 晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。由晶閘管實(shí)現(xiàn)交流功率調(diào)節(jié)的途徑有兩條：一種是通過(guò)改變交 流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角，使得負(fù)載端電壓有效值得以調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電功率 調(diào)節(jié)。由于這種調(diào)節(jié)方式下觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時(shí)刻與電壓波形的相位有關(guān)，因此稱(chēng)為相位 控制調(diào)功；另一種調(diào)節(jié)方式是電壓波形不變而只改變電壓周波在控制周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)， 這種調(diào)節(jié)

48、方式稱(chēng)為通斷控制調(diào)功。就觸發(fā)方式而言，前者為移相觸發(fā)，后者為過(guò)零觸發(fā)。 兩者的電壓波形比較如圖 2-7 所示。 圖 2-7 功率調(diào)節(jié)方式比較 通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：相位控制的電壓波形不“規(guī)整” ，但正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，無(wú)直流成分，可 直接用于電感負(fù)載。其最大的缺點(diǎn)是：大電流的切入造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊，不規(guī)整的脈沖 負(fù)載電流引起電網(wǎng)波形的畸變及對(duì)其它電設(shè)備的中頻干擾。輸出的線(xiàn)性范圍窄而線(xiàn)性度 又不好，只能靠反饋來(lái)改善。通斷控制的輸出波形仍為正弦波，其優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)對(duì)電網(wǎng) 造成嚴(yán)重污染和干擾其它用電設(shè)備，而且電爐的功率愈大，優(yōu)點(diǎn)愈突出。但通斷控制也 存在抗電源干擾能力弱等缺點(diǎn)。對(duì)于純阻性負(fù)載的電阻爐來(lái)說(shuō)，溫控儀采用過(guò)

49、零觸發(fā)方 式可使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件計(jì)算方便。因此，在本系統(tǒng)中采用通斷控制的方式來(lái)進(jìn)行功 率調(diào)節(jié)。 （2）固態(tài)繼電器及應(yīng)用 固態(tài)繼電器7(Solid State Relays)，簡(jiǎn)寫(xiě)成“SSR” ，是一種全部由固態(tài)電子元件 （如光電耦合器、晶體管、可控硅、電阻、電容等）組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件。與普 通繼電器一樣，它的輸入側(cè)與輸出側(cè)之間是電絕緣的。但是與普通電磁繼電器比，SSR 體 積小，開(kāi)關(guān)速度快，無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，因而沒(méi)有機(jī)械磨損，不怕有害氣體腐蝕，沒(méi)有機(jī)械噪 聲，耐振動(dòng)、耐沖擊，使用壽命長(zhǎng)。它在通、斷時(shí)沒(méi)有火花和電弧，有利于防爆，干擾 ?。ㄌ貏e對(duì)微弱信號(hào)回路） 。另外，SSR 的驅(qū)動(dòng)電壓低，電流

50、小，易于與計(jì)算機(jī)接口。因 此 SSR 作為自動(dòng)控制的執(zhí)行部件得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。SSR 按使用場(chǎng)合可以分成交流型 和直流型兩大類(lèi)。 圖 2-8 交流 SSR 工作原理框圖 交流型 SSR 的工作原理框圖如圖 2-8 所示，圖中的部件構(gòu)成交流 SSR 的主體。 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。工作 時(shí)只要在 A、B 上加上一定的控制信號(hào)，就可以控制 C、D 兩端之間的“通”和“斷” ，實(shí) 現(xiàn)“開(kāi)關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為 A、B 端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)輸入/輸 出端之間的通道，但又在電氣上斷開(kāi) SSR 中輸入端和輸出端之間的

51、(電)聯(lián)系，以防止輸 出端對(duì)輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器” ，它動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸 入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級(jí)高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使 SSR 的輸入端 很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用時(shí)可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受“1” 與“0”的邏輯電平控制。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(kāi)關(guān)電路 工作，但由于開(kāi)關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等 污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過(guò)零控制電路” 。所謂“過(guò)零”是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓 過(guò)零時(shí)，SSR 即為通態(tài)；而當(dāng)斷開(kāi)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

52、點(diǎn)(零電位)時(shí)，SSR 才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染。吸收 電路是為防止從電源中傳來(lái)的尖峰、浪涌(電壓)對(duì)開(kāi)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“R-C”串聯(lián)吸收電路或非線(xiàn)性電阻(壓敏電阻器)。 2.72.7 串行通信接口串行通信接口 串口通信8的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié) （byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線(xiàn)接收數(shù) 據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。比如 IEEE488 定義并行通行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備 線(xiàn)總常不得超過(guò) 20 米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長(zhǎng)度不得超過(guò) 2 米；

53、而對(duì)于串口而言，長(zhǎng) 度可達(dá) 1200 米（RS485） 。 典型的串口用于 ASCII 碼字符的傳輸。通信使用 3 根線(xiàn)完成：（1）地線(xiàn)， （2）發(fā)送， （3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線(xiàn)上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線(xiàn)上接 收數(shù)據(jù)。其他線(xiàn)用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、 停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配： a，波特率：這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的 bit 的個(gè)數(shù)。例如 300 波特表示每秒鐘發(fā)送 300 個(gè) bit。當(dāng)我們提到時(shí)鐘周期時(shí)，我們就是指波特率例如如 果協(xié)議需要 4800 波特率，那么時(shí)鐘是 480

54、0Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線(xiàn)上的采樣率為 4800Hz。通常電話(huà)線(xiàn)的波特率為 14400，28800 和 36600。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值， 但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子 就是 GPIB 設(shè)備的通信。 b，數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，實(shí)際的 數(shù)據(jù)不會(huì)是 8 位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是 5、7 和 8 位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如， 標(biāo)準(zhǔn)的 ASCII 碼是 0127（7 位） 。擴(kuò)展的 ASCII 碼是 0255（8 位） 。如果數(shù)據(jù)使用簡(jiǎn) 單的文本（標(biāo)準(zhǔn) ASCII 碼） ，那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用 7 位

55、數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括 開(kāi)始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語(yǔ)“包” 指任何通信的情況。 c，停止位：用于表示單個(gè)包的最后一位。典型的值為 1，1.5 和 2 位。由于數(shù)據(jù)是 在傳輸線(xiàn)上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn) 了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步 的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同 時(shí)也越慢。 d，奇偶校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高 和低。當(dāng)然沒(méi)有校驗(yàn)位也是可以的。對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口

56、會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù) 位后面的一位） ，用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是 011，那么對(duì)于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為 0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn) 位位 1，這樣就有 3 個(gè)邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單置位邏輯高或者邏 輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾了通 信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。 目前RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種 在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單 端通訊。 圖2-9 RS232引腳圖 收

57、、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地，如從DTE設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用DB25連接器時(shí) 是2腳相對(duì)7腳（信號(hào)地）的電平，DB25各引腳定義參見(jiàn)圖2-9。典型的RS-232信號(hào)在正負(fù) 電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5+15V，負(fù)電平在-5- 15V電平。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線(xiàn)上為T(mén)TL，從開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線(xiàn)上電平從TTL電平到 RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3+12V與-3-12V。由于發(fā)送電 平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線(xiàn)上的分布電 容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（

58、即只用一對(duì)收、 發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為37k。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。 上位機(jī)和下位機(jī)的接線(xiàn)方法如圖2-10： 圖 2-10 上位機(jī)和下位機(jī)的接線(xiàn)方法 MCS-51 內(nèi)部含有一個(gè)可編程全雙工串行通信接口，具有 UART 的全部功能。該接口電 路不僅能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為一個(gè)同步移位寄存器使用。 在進(jìn)行異步通信時(shí)，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別在各自的時(shí)鐘（TCLK 和 RCLK）控制下進(jìn) 行的，但都必須與字符位數(shù)的波特率保持一致。MCS-51 串行口的發(fā)送和接收時(shí)鐘可由兩 種方式產(chǎn)生，一種是由主機(jī)頻率 fosc 經(jīng)分頻后產(chǎn)生，另一種方式是由內(nèi)部定時(shí)器 T1 或

59、 T2 的溢出率經(jīng) 16 分頻后提供。 一、發(fā)送和接收的過(guò)程如下： 串行口的發(fā)送過(guò)程由指令 MOV SBUF，A 啟動(dòng)，即 CPU 由一條寫(xiě)發(fā)送緩沖器的指令把 數(shù)據(jù)（字符）寫(xiě)入串行口的發(fā)送緩沖器 SBUF（發(fā)）中，再由硬件電路自動(dòng)在字符的始、 末加上起始位（低電平）、停止位（高電平）及其它控制位（如奇偶位等），然后在移 位脈沖 SHIFT 的控制下，低位在前，高位在后，從 TXD 端（方式 0 除外）一位位地向外 發(fā)送。 串行口的接收與否受制于允許接收位 REN 的狀態(tài)，當(dāng) REN 被軟件置“1”后，允許接 收器接收。接收端 RXD 一位位地接收數(shù)據(jù)，直到收到一個(gè)完整的字符數(shù)據(jù)后，控制電路 進(jìn)

60、行最后一次移位，自動(dòng)去掉啟始位，使接收中斷標(biāo)志 RI 置“1”，并向 CPU 申請(qǐng)中斷。 CPU 響應(yīng)中斷，用一條指令（MOV A，SBUF）把接收緩沖器 SBUF（收）的內(nèi)容讀入累加 器。 TI 和 RI 是由硬件置位的，但需要用軟件復(fù)位。 二、相關(guān)的寄存器 1、SBUF 是兩個(gè)在物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器，可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。兩個(gè)緩 沖器只用一個(gè)字節(jié)地址 99H，可通過(guò)指令對(duì) SBUF 的讀寫(xiě)來(lái)區(qū)別是對(duì)接收緩沖器的操作還 是對(duì)發(fā)送緩沖器的操作。串行口對(duì)外有兩條獨(dú)立的收發(fā)信號(hào)線(xiàn) RXD（P3.0）、 TXD（P3.1），因此可以同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全雙工。 2、SCON 寄存器用來(lái)控