筆者在電子市場(chǎng)購(gòu)買了一塊3.6V450mAh的鋰離子充電本文介紹一種以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用溫度傳感器DS18820實(shí)現(xiàn)一線數(shù)字式測(cè)溫，經(jīng)過(guò)PID算法輸出PWM波，再由PWM信號(hào)控制固態(tài)繼電器，調(diào)節(jié)熱阻絲發(fā)熱功率，最終達(dá)到控制被控對(duì)象溫度的目的，該系統(tǒng)還擴(kuò)展了人機(jī)接口和串口通信，實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定、控制及圖像顯示。

硬件設(shè)計(jì)

1．總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，以AT89C51單片機(jī)為控制核心，DS18820電池，外型尺寸完全符合原機(jī)的內(nèi)部空間要求。按照正確的正負(fù)極性焊連到電路中即可完成電池的更換工作。實(shí)際使用效果極佳，連續(xù)播放時(shí)間超過(guò)了7個(gè)小時(shí)（圖4）。測(cè)量被控溫度，外圍電路包括人機(jī)接口的按鍵與數(shù)碼顯示電路、溫度讀取與控制驅(qū)動(dòng)電路以及與上位機(jī)串行通信電路。用戶通過(guò)按鍵設(shè)定加熱溫度后，系統(tǒng)啟動(dòng)加熱“熱得快”燒水。當(dāng)前水溫經(jīng)過(guò)DS18820測(cè)量送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)PID校正后輸出PWM信號(hào)，然后通過(guò)固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)熱得快加熱，最終使水溫保持在設(shè)定值上，誤差不超過(guò)O.1℃。

單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)串口與上位PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度、溫度曲線顯示以及PID參數(shù)的設(shè)定，用戶通過(guò)上位機(jī)可以清晰地看到設(shè)定的PID參數(shù)所產(chǎn)生的控制作用，如系統(tǒng)的微調(diào)、時(shí)間等參數(shù)。

2溫度測(cè)試模塊

系統(tǒng)選用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線DS18820數(shù)字式溫度傳感器作為溫度模塊，引腳圖如下圖所示。

DS18820具有體積小、經(jīng)濟(jì)、使用方便靈活、測(cè)試精度高、性價(jià)比高、CRC校驗(yàn)功能等特點(diǎn)，溫度測(cè)量范圍為-55+125℃，可編程為9位～12位A／D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度采用帶符號(hào)位擴(kuò)展的16位數(shù)字方式串行輸出。其工作電源即可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個(gè)DS18820可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線即可與多個(gè)DS18820通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。

文中的DS18820三引腳分別接公共電源+5V、電源地和單片機(jī)P1．O引腳，具體電路如下圖所示，由于DS18820為1-WIRE器件，只需在其信號(hào)線上加一個(gè)上拉電阻到+5V電源即可。

同時(shí)，每一個(gè)DS18820均有唯一系列號(hào)，即允許在不同地方放置溫度靈敏器件，通過(guò)SearchRom指令選擇不同的DS18820芯片，實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，如HVAC環(huán)境控制、建筑物、設(shè)備或機(jī)械內(nèi)溫度檢測(cè)、過(guò)程溫度監(jiān)視和控制等。

3鍵盤及顯示電路模塊

本系統(tǒng)采用PT6961驅(qū)動(dòng)控制電路同時(shí)驅(qū)動(dòng)鍵盤與數(shù)碼管。PT6961為帶有鍵盤掃描接口的LED驅(qū)動(dòng)控制專用電路，內(nèi)部集成MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動(dòng)、鍵盤掃描等電路。主要應(yīng)用于VCR、VCD、DVD及家庭影院等產(chǎn)品的顯示屏驅(qū)動(dòng)、多種顯示模式(11段×7位～14段×4位)、鍵掃描(10×3bit)電路、灰度調(diào)節(jié)電路(占空比8級(jí)可調(diào))，與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省了單片機(jī)引腳。PT6961可以自己驅(qū)動(dòng)顯示和鍵盤模塊電路，可實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸，同日寸對(duì)時(shí)序要求較高。

單片機(jī)的P0．6引腳與PT6961的時(shí)鐘線相連，控制時(shí)序；P0.7引腳與PT6961的片選端相連，選通芯片，P0.4、PO．5引腳與PT6961的DOUT、DIN端相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的串行傳輸，具體的傳輸數(shù)據(jù)仍由單片機(jī)編程控制。PT6961在cLOCk端產(chǎn)生下降沿時(shí)，讀取DIN口的數(shù)據(jù)，在clock端產(chǎn)生上升沿時(shí)，在DOUT口產(chǎn)生按鍵寄存器值可供單片機(jī)讀取。硬件連接電路如下圖所示，該芯片可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)(8～14)段×(4～7)位數(shù)碼管和3×10個(gè)按鍵，本文選用驅(qū)動(dòng)6個(gè)數(shù)碼管和1×6個(gè)按鍵。

4．執(zhí)行模塊

系統(tǒng)采用固態(tài)繼電器(SSR)控制熱得快電源，固態(tài)繼電器是一種四端器件，兩個(gè)輸人端，兩個(gè)輸出端，輸入端接控制信號(hào)，輸出端與負(fù)載、電源串聯(lián)，SSR實(shí)際是一個(gè)受控電力電子開關(guān)。

單片機(jī)經(jīng)PID算法，從P1．5口輸出PWM波，經(jīng)ULN2003反相驅(qū)動(dòng)后，作為SSR的控制信號(hào)，如圖5所示，在固態(tài)繼電器輸出端接兩個(gè)二端口插件，方便引線串入熱得快插線中。由于SSR與熱得快接口是整個(gè)系統(tǒng)和電路板唯一一塊強(qiáng)電部分，為將其對(duì)弱電部分的干擾降到最低，弱電電路線遠(yuǎn)離該部分電路，且不共地，接線端子的腳間距應(yīng)大于SSR的腳間距。

5．串行通信模塊

本系統(tǒng)采用串口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位計(jì)算機(jī)的連接，單片機(jī)向上位機(jī)傳送溫度值，上位機(jī)顯示該值，并畫出溫度變化曲線圖，反應(yīng)溫度的變化情況，同時(shí)上位機(jī)可以調(diào)整PID參數(shù)，使系統(tǒng)適用于不同的對(duì)象。串行通信連接如下圖所示，其中5個(gè)電容均取O．1μF的典型值，串口

DB9的5端為公共端接地端，2、3端則分別連接信號(hào)的接收端和發(fā)送端，該電路完成TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換，DB9接口通過(guò)交叉串口線連接到PC機(jī)上，完成硬件的串行通信。

軟件設(shè)計(jì)

為加強(qiáng)程序的可讀性、可移植性和便于調(diào)試，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，程序運(yùn)行時(shí)，通過(guò)主程序調(diào)用各子程序模塊。本文主程序流程如下圖所示，軟件設(shè)計(jì)主要講述DS18820信號(hào)處理子程序和串口通信子程序。

1．DS18820信號(hào)處理子程序

DSl8820為1-wire制器件，采用一根信號(hào)線即可與單片機(jī)進(jìn)行串行通信，簡(jiǎn)化了硬件電路，但是，在軟件設(shè)計(jì)中須進(jìn)行復(fù)雜的時(shí)序控制。DS1820單線通信功能為分日寸完成，有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，系統(tǒng)對(duì)DS1820的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。

操作協(xié)議為：初始化DS1820(發(fā)復(fù)位脈沖)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)，DS18820操作程序流程如下圖所示。

本文只有一個(gè)DSl8820掛在總線上，因此每次對(duì)總線進(jìn)行讀寫日寸，可跳過(guò)讀ROM指令，為提高測(cè)溫精度，文中采用默認(rèn)的12位數(shù)碼轉(zhuǎn)換，即0.0625度／位，程序如下：

#include

sbit DQ=P1^O；

void Init_DS18820()；

WriteOneChar(unsigned char dat)；

char ReadOneChar()；

void deIay(unsigned int i)；

unsigned int ReadTemperature()

{

unsigned char a=0，c=O：

unsigned char b=O；

unsigned int t=O；

float tt=0；

Init_DS18820()；

WriteOneChar(0xCC)；

/*跳過(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作*/

WriteOneChar(Ox44)；

/*啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換*/

Init_DS18820()；

WriteOneChar(OxCC)；

/*跳過(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作*/

WriteOneCha r(0xBE)；

/*讀取溫度寄存器等(共可讀9個(gè)寄

存器)前兩個(gè)就是溫度*/

a=ReadOneChar()；

/*Read the low byte of the tem-perature*/

b=ReadOneChar()；

/*high*／

c=a；

a>>=4；

b>=1；

DQ=1；

/*給脈沖信號(hào)*／

if(DQ)

datl=Ox80；

delay(4)；

}

return(dat)；

}

WriteOneChar(unsigned char dat)

/*寫一個(gè)字節(jié)*/

{

unsigned char i=O；

for(i=8：i>O：i--)

{

DO=0；

DQ=dat&Ox01；

delay(5)；

DQ=1：

dat>>=1；

}

delay(4)；

}

void delay(unsigned int i)

／*延時(shí)函數(shù)*/

{

while(i--)；

}

2，串行通信程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過(guò)引腳RXD(P3.O，串行數(shù)據(jù)接收端)和引腳TXD(P3．1，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端)與外界通訊，SBUF為串行口緩沖寄存器，包括發(fā)送寄存器和接收寄存器，具有相同名字和地址空間，但不會(huì)出現(xiàn)沖突，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，另一個(gè)只能被CPU寫入數(shù)據(jù)。

單片機(jī)的串行口的四種工作方式中，方式0和2的波特率是固定的，方式1和3的波特率是可變的，由定時(shí)器T1的溢出率控制，方式2為自動(dòng)重裝入初值的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器模式，作為本文的波特率發(fā)生器。

上位機(jī)編程中，本文采用最常用的通信控件MSComm，實(shí)現(xiàn)可視化界面。MSComm控件的常用屬性有：Comm-Port設(shè)置并返回通訊端口號(hào)：Settings以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位；PortOpen設(shè)置并返回通訊端口的狀態(tài)，也可以打開和關(guān)閉端口；Input從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符；Output向傳輸緩沖區(qū)寫一個(gè)字符串。

串口初始化程序如下

BOOLJWDIg：：OnInitDialog()

{

Comport SetCommPort(1)：

if(!Comport GetPortOpen())

Comport．SetPortOpen(TRUE)；

/*打開指定的串口*／

Comport．

SetlnputMode

(cOm-Input-

ModeBinary)；

/*設(shè)置數(shù)據(jù)

獲取方式*／

Comport．

SetSettings

(“9600，n．8，1”)；

/*設(shè)置波特率及其他通信

數(shù)*/

Comport．

SetRThreshOld

(n)；

/*設(shè)定每接受n個(gè)字符觸發(fā)一次

MSComm事件*/

Comport．SetInputLen(0)；

／設(shè)置讀取方式*/

Comport．GetInput()；

/*預(yù)置緩沖區(qū)以清除殘留數(shù)據(jù)*/

return TRU E；

}

系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的電路實(shí)物圖如下圖所示，通過(guò)按鍵設(shè)置預(yù)定溫度，如81.7℃，設(shè)定PID參數(shù)，比例系數(shù)Kc=O.8、積分系數(shù)KI=O．007以及微分系數(shù)KD=5，設(shè)定PWM控制信號(hào)周期為20ms，采樣周期Ts=1S，測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)串行通信傳遞到上位機(jī)后實(shí)時(shí)顯示的響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量溫度由低升高，最后與設(shè)定溫度值一致。

結(jié)論

本文介紹的溫控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)即有單片機(jī)主控的可靠性，又有上位機(jī)監(jiān)測(cè)的方便性，同時(shí)基于1-Wire總線DS18820實(shí)現(xiàn)多路溫度測(cè)控，具有現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單的低成本溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。