溫度是工業(yè)控制中主要的被控對象之一,如印刷、食品、化工等各類(lèi)工業(yè)中廣泛使用的各種加熱設備、熱處理爐、反應爐等,它們都對工件的處理溫度有嚴格控制要求,計算機控制技術(shù)在這方面的應用,使得溫度控制技術(shù)指標得到了大幅度的提高,本文介紹了一種用AT89C2051單片機制作用于燙金機中的電子溫度計,和普通的溫度控制儀相比,該溫度計具有測溫速度快、讀數方便等特點(diǎn),測溫范圍為-40-125℃,而且穩定實(shí)用,輔以適當的隔熱材料,其控制范圍將更高。

    燙金機是根據熱壓原理,將彩色電化鋁印在紙、木、塑、革等各種商品上,其燙印色彩鮮艷、美觀(guān)大方,是當前小型商品裝潢、名片和包裝印刷的*機器,燙金機的燙金原理是通過(guò)一定的溫度和壓力,并利用色箔將飾版上的圖案和文字瞬間附著(zhù)在塑膠表面上,燙金*的是溫度、壓力、色箔、燙飾版、其中溫度控制是本設計要解決的主要問(wèn)題。

    DS18B20溫度傳感器

    DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器,與傳統的熱敏電阻相比,它不需要運算放大器,就能直接讀出被測溫度,并可根據實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程來(lái)實(shí)現9-12位的數字值讀數,通過(guò)設計可以分別在93.75ms和750ms內完成9位和12位的數字量,而且從DS18B20讀出的信息或寫(xiě)入DS18B20的信息僅需要一根口線(xiàn)（單線(xiàn)接口）讀寫(xiě),DS18B20的溫度變換功率來(lái)源于數據總線(xiàn),總線(xiàn)本身也可以向所掛接的DS18B20供電,而無(wú)需額外電源。因此,使用DS18B20可使系統結構更趨簡(jiǎn)單,可靠性更高。由于DS18B20在測溫精度、轉換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn),因而可給用戶(hù)帶來(lái)更方便的使用和更令人滿(mǎn)意的效果。

    DS18B20的性能特點(diǎn)

    DS18B20的主要性能特點(diǎn)如下：

    具有*的單線(xiàn)接口方式,DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線(xiàn)即可實(shí)現微處理器與DS18B20的雙向通訊。

    在使用中不需要任何外圍元件。

    可用數據線(xiàn)供電,電壓范圍為3.0-5.5V,測量范圍為-55-+125℃,固有測溫分辨率為0.5℃。

    通過(guò)編程可實(shí)現9-12位的數字讀數方式。

    用戶(hù)可自己設定非易失性的報警上下門(mén)限值,并支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能,多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在*的三線(xiàn)上實(shí)現多點(diǎn)測溫。

    具有*的負壓特性,電源極性接反時(shí),溫度計不會(huì )因發(fā)熱而燒毀,但不能正常工作。

    DS18B的內部結構

    DS18B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝,其內部結構框圖如圖1所示,其中64位閃速ROM中的開(kāi)始8位是產(chǎn)品類(lèi)型的編碼,接著(zhù)是每個(gè)器件*的序號,共有48位,zui后8位是前56位的CRC校驗碼,這也是多個(gè)DS18B20可以采用一線(xiàn)進(jìn)行通信的原因,通過(guò)非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL可用軟件寫(xiě)入用戶(hù)報警的上下門(mén)限。DS18B20溫度產(chǎn)傳感器的內部存儲器包括一個(gè)高速RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者用于存儲TH、TL值,數據線(xiàn)寫(xiě)入RAM,經(jīng)校驗后再傳給EEPRAM。片中的配置寄存器為高速存儲器中的第5個(gè)字節,其內容可用于確定溫度值的數字轉換分辨率,DS18B20工作時(shí),按此寄存器中的分辨率可將溫度轉換為相應精度的數值。

    DS18B20的測溫原理

    DS18B20的測溫原理如圖2所示,圖中的低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小,故可用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號給減法計數器1,高溫度系數晶振隨溫度變化,其振蕩頻率會(huì )有明顯改變,其所產(chǎn)生的信號可作為減法計數器2的脈沖輸入,圖中隱含著(zhù)的計數門(mén)可在打開(kāi)時(shí),使DS18B20對低溫度系數振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計數,進(jìn)而完成溫度測量。計數門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數振蕩器決定,每次測量前,首先將-55℃所對應的基數分別置入減法計數器1和溫度寄存器中,以使測量時(shí)減法計數器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個(gè)基數值,減法計數器1可對低溫度系數晶振所產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數,當減法計數器1的預置值減到0時(shí),溫度寄存器的值將加1,此后減法計數器1的預置將重新被裝入,此后減法計數器1重新開(kāi)始對低溫度系數晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數,如此循環(huán)直到減法計數器2計數到0時(shí),系統將停止溫度寄存器值的累加,此時(shí)溫度寄存器中的數值即為所測溫度,圖3中的斜率累加器用于補償和修正測溫度過(guò)程中的非線(xiàn)性,其輸出用于修正減法計數器的預置值,只要計數門(mén)未關(guān)閉,系統就會(huì )重復上述過(guò)程,直到溫度寄存器達到被測溫度值。 

    測溫工作電路

    該燙金機控溫系統的主電路如圖3所示,該電路由單片機電路、溫度傳感器電路、可控硅電路、數碼顯示電路等部分組成,其中AT89C2051、X1、R1、C1等組成單片機電路,R1、C1是單片機的復位電路,在接通電源的瞬間,由于電源電壓通過(guò)R1對C1的充電過(guò)程,單片機AT89C2051的復位端1腳將獲得一個(gè)高電平復位脈沖,該脈沖可使得單片機進(jìn)入初始狀態(tài)。

    單片機的P3.7為輸出控制口,通過(guò)一只電阻接至一片"光電耦合型過(guò)零觸發(fā)雙向"芯片GK的輸入端,設計時(shí),可適時(shí)通過(guò)"GK"觸發(fā)外接的雙向晶閘管SKG的導通與截止,來(lái)控制電爐絲的加電與斷電、大電流與小電流,從而實(shí)現對燙金機的升溫和恒溫的控制。

    AT89C2051內部有一個(gè)模擬信號比較器,AT89C2051的P1.0和P1.1除了作I/O口外,還分別是模擬信號比較器的同相輸入端和反相輸入端,模擬信號比較器的比較結果存入P3.6對應的寄存器,P3.6在A(yíng)T89C2051外部無(wú)引腳,利用這個(gè)模擬信號比較器和鋸齒波信號發(fā)生器電路可以組成一個(gè)A/D轉換電路,以把P1.1輸入的模擬信號轉換成數字信號,數碼管DS1、DS2、DS3、DS4、三極管VT1、VT2、VT3、VT4、電阻R3-R13等可組成動(dòng)態(tài)掃描數碼顯示電路,可把溫度值用數字顯示出來(lái),本設計采用DS18B20作為溫度傳感器。

    現以MCS-51單片機為例,圖3中采用的是寄生電源供電方式,P1.1口接單總線(xiàn)是為了保證在有效的DS18B20時(shí)鐘周期內提供足夠的電流,設計時(shí)可用一個(gè)MOSFET管和AT89C2051的P1.O來(lái)完成對總線(xiàn)的上拉。當DS18B20處于寫(xiě)存儲器操作和溫度A/D變換操作時(shí),總線(xiàn)上必須有強的上拉,上拉開(kāi)啟時(shí)間zui大為10μs。采用寄生電源供電方式時(shí),VDD和GND端均接地,由于單線(xiàn)制只有一根線(xiàn),因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的,主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經(jīng)過(guò)初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令等三個(gè)步驟,假設單片機所用的晶振頻率為12MHz,那么,就可以根據DS18B20的初始化時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序、來(lái)分別編寫(xiě)INIT初始化子程序、WRITE寫(xiě)（命令或數據）子程序和READ讀數據子程序等3個(gè)子程序,這些程序可在網(wǎng)上讀取,所有的數據讀寫(xiě)均由zui低位開(kāi)始。

    軟件設計

    設計程序時(shí),可使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě),程序由主程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序、延時(shí)子程序等模塊組成,其中主程序由初始化、數碼動(dòng)態(tài)掃描顯示等部分組成,圖4所示是其定時(shí)中斷服務(wù)程序流程圖。

    采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式,雖然簡(jiǎn)化了電路,節省了I/O線(xiàn),但占用CPU的時(shí)間較多,而采用調用定時(shí)中斷的方式來(lái)測溫可以減小CPU的負擔,定時(shí)器0的定時(shí)時(shí)間為50ms,每過(guò)250ms（5次中斷）測一次溫度,延時(shí)子程序主要供數碼顯示程序調用,延時(shí)時(shí)間為0.5ms,延時(shí)時(shí)間決定了數碼顯示的刷新周期,因為顯示數碼為三位,所以刷新周期為1.5ms,字形碼的輸出采用P3口的P3.1-P3.5、P3.7、P3口輸出的數據可通過(guò)查表獲得。因為數碼管為共陽(yáng)型,所以相應的輸出位為0時(shí)筆段亮。存儲器20H、21H、22H單元可分別作為個(gè)位數、十位數、百位數的存儲單元,其數值可作為查表的指針。動(dòng)態(tài)掃描顯示由數碼顯示儲蓄完成,當個(gè)位數送到P3口時(shí),P1.3輸出低電平,VT4導通,數碼管DS3顯示個(gè)位數,當十位數送到P3口時(shí),P1.4輸出低電平,VT3導通,數碼管DS2顯示十位數,而當百位數送到P3口時(shí),P1.5輸出低電平,VT2導通,數碼管DS1顯示百位數,如果溫度為負值,則百位數顯示負號,這樣輪流工作即可顯示溫度值,測溫結束時(shí),P3.6由0翻轉為1,由于程序判斷P3.6為高電平要用兩個(gè)機器周期,且關(guān)閉定時(shí)器1停止計數也要用1個(gè)機器周期,總共這3個(gè)機器周期會(huì )使定時(shí)器1得計數值增加3,因此,在程序中對此誤差要進(jìn)行修正,即將計數值減去3。

    結束語(yǔ)

    DS18B20雖然具有測溫系統簡(jiǎn)單,測溫精度高、連接方便、占用口線(xiàn)少、擴展方便等優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際應用中還應注意以下幾方面的問(wèn)題：

    （1）較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對復雜的軟件進(jìn)行補償,由于DS18B20與微處理器采用的是串行數據傳送,因此,在對DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí),必須嚴格地保證讀寫(xiě)時(shí)序,否則將無(wú)法讀取測溫結果,對DS18B20的操作部分采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。

    （2）DS18B20工作時(shí)的電流高達1.5mA,故在總線(xiàn)上掛接點(diǎn)數較多且同時(shí)進(jìn)行轉換時(shí)要考慮增加總線(xiàn)驅動(dòng),可用單片機端口在溫度轉換時(shí)導通一個(gè)MOSFET。

    （3）由于連接DS18B20的總線(xiàn)電纜是有長(cháng)度限制的,因此,在用DS18B20進(jìn)行長(cháng)距離測溫系統設計時(shí),要充分考慮總線(xiàn)分布電容和阻抗匹配等問(wèn)題。

    （4）在DS18B20測溫程序設計中,向DS18B20發(fā)出溫度轉換命令后,程序總要等待DS18B20的返回信號,一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線(xiàn),那么,在程序讀該DS18B20時(shí),將沒(méi)有返回信號,程序進(jìn)入死循環(huán),這一點(diǎn)在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設計時(shí)也要給予一定的重視。

    （5）和DS1820一樣,DS18B20的讀寫(xiě)時(shí)序必須仔細調整,在反復的調試中找出合適的延時(shí)時(shí)間。