筆者在電子市場購買了一塊3.6V450mAh的鋰離子充電本文介紹一種以AT89C51單片機為核心的低成本溫度控制實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用溫度傳感器DS18820實現(xiàn)一線數(shù)字式測溫，經(jīng)過PID算法輸出PWM波，再由PWM信號控制固態(tài)繼電器，調(diào)節(jié)熱阻絲發(fā)熱功率，最終達到控制被控對象溫度的目的，該系統(tǒng)還擴展了人機接口和串口通信，實現(xiàn)溫度設(shè)定、控制及圖像顯示。

　　硬件設(shè)計

　　1．總體設(shè)計

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

　　單片機系統(tǒng)通過串口與上位PC機實現(xiàn)通訊，上位機實現(xiàn)溫度、溫度曲線顯示以及PID參數(shù)的設(shè)定，用戶通過上位機可以清晰地看到設(shè)定的PID參數(shù)所產(chǎn)生的控制作用，如系統(tǒng)的微調(diào)、時間等參數(shù)。

　　2溫度測試模塊

　　系統(tǒng)選用美國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、使用方便靈活、測試精度高、性價比高、CRC校驗功能等特點，溫度測量范圍為-55+125℃，可編程為9位～12位A／D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率達0.0625℃，被測溫度采用帶符號位擴展的16位數(shù)字方式串行輸出。其工作電源即可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個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，只需在其信號線上加一個上拉電阻到+5V電源即可。

　　同時，每一個DS18820均有唯一系列號，即允許在不同地方放置溫度靈敏器件，通過SearchRom指令選擇不同的DS18820芯片，實現(xiàn)溫度的多點監(jiān)測，如HVAC環(huán)境控制、建筑物、設(shè)備或機械內(nèi)溫度檢測、過程溫度監(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)動控制電路同時驅(qū)動鍵盤與數(shù)碼管。PT6961為帶有鍵盤掃描接口的LED驅(qū)動控制專用電路，內(nèi)部集成MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動、鍵盤掃描等電路。主要應用于VCR、VCD、DVD及家庭影院等產(chǎn)品的顯示屏驅(qū)動、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級可調(diào))，與單片機實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省了單片機引腳。PT6961可以自己驅(qū)動顯示和鍵盤模塊電路，可實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸，同日寸對時序要求較高。

　　單片機的P0．6引腳與PT6961的時鐘線相連，控制時序；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)仍由單片機編程控制。PT6961在cLOCk端產(chǎn)生下降沿時，讀取DIN口的數(shù)據(jù)，在clock端產(chǎn)生上升沿時，在DOUT口產(chǎn)生按鍵寄存器值可供單片機讀取。硬件連接電路如下圖所示，該芯片可以同時驅(qū)動(8～14)段×(4～7)位數(shù)碼管和3×10個按鍵，本文選用驅(qū)動6個數(shù)碼管和1×6個按鍵。

　　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，兩個輸人端，兩個輸出端，輸入端接控制信號，輸出端與負載、電源串聯(lián)，SSR實際是一個受控電力電子開關(guān)。

　　單片機經(jīng)PID算法，從P1．5口輸出PWM波，經(jīng)ULN2003反相驅(qū)動后，作為SSR的控制信號，如圖5所示，在固態(tài)繼電器輸出端接兩個二端口插件，方便引線串入熱得快插線中。由于SSR與熱得快接口是整個系統(tǒng)和電路板唯一一塊強電部分，為將其對弱電部分的干擾降到最低，弱電電路線遠離該部分電路，且不共地，接線端子的腳間距應大于SSR的腳間距。

　　5．串行通信模塊

　　本系統(tǒng)采用串口實現(xiàn)單片機與上位計算機的連接，單片機向上位機傳送溫度值，上位機顯示該值，并畫出溫度變化曲線圖，反應溫度的變化情況，同時上位機可以調(diào)整PID參數(shù)，使系統(tǒng)適用于不同的對象。串行通信連接如下圖所示，其中5個電容均取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接口通過交叉串口線連接到PC機上，完成硬件的串行通信。

　　軟件設(shè)計

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

　　1．DS18820信號處理子程序

　　DSl8820為1-wire制器件，采用一根信號線即可與單片機進行串行通信，簡化了硬件電路，但是，在軟件設(shè)計中須進行復雜的時序控制。DS1820單線通信功能為分日寸完成，有嚴格的時隙概念，系統(tǒng)對DS1820的各種操作必須按協(xié)議進行。

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

　　本文只有一個DSl8820掛在總線上，因此每次對總線進行讀寫日寸，可跳過讀ROM指令，為提高測溫精度，文中采用默認的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)；

　　/*跳過讀序號列號的操作*/

　　WriteOneChar(Ox44)；

　　/*啟動溫度轉(zhuǎn)換*/

　　Init_DS18820()；

　　WriteOneChar(OxCC)；

　　/*跳過讀序號列號的操作*/

　　WriteOneCha r(0xBE)；

　　/*讀取溫度寄存器等(共可讀9個寄

　　存器)前兩個就是溫度*/

　　a=ReadOneChar()；

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

　　b=ReadOneChar()；

　　/*high*／

　　c=a；

　　a>>=4；

　　b<<=4；

　　t=aㄧb；

　　， c&=0x0F；

　　tt=c；

　　tt*=0．0625；

　　c=tt*1 0+0．5；

　　t=t*1 0+c；

　　return t；

　　/*溫度轉(zhuǎn)化，位了避免浮點數(shù)運算，

　　盡量用整形數(shù)據(jù)運算，這樣可以減輕CPU負擔*/

　　}

　　void Init_DS18820()

　　/*初始化函數(shù)*/

　　{

　　unsigned char x=0；

　　DQ=1；

　　/*DQ復位*/

　　delay(8)；

　　/*稍做延時*/

　　DQ=0；

　?。瘑纹瑱C將DQ拉低*/

　　delay(80)；

　　/*精確延時大于480μs*/

　　DQ=1；

　　/*拉高總線*／

　　delay(1 4)：

　　x=DQ；

　?。?稍做延時后，如果x=0則初始化

　　成功x=1則初始化失敗*/

　　}

　　char ReadoneChar()

　?。?讀一個字節(jié)*／

　　{

　　unsigned char i=O；

　　unsigned char dat=O；

　　for(i=8；i>O；i--)

　　{

　　DQ=0：

　　/*給脈沖信號*／

　　dat>>=1；

　　DQ=1；

　　/*給脈沖信號*／

　　if(DQ)

　　datl=Ox80；

　　delay(4)；

　　}

　　return(dat)；

　　}

　　WriteOneChar(unsigned char dat)

　　/*寫一個字節(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)

　　／*延時函數(shù)*/

　　{

　　while(i--)；

　　}

　　2，串行通信程序設(shè)計

　　單片機通過引腳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，但不會出現(xiàn)沖突，因為其中一個只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，另一個只能被CPU寫入數(shù)據(jù)。

　　單片機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，由定時器T1的溢出率控制，方式2為自動重裝入初值的8位定時器／計數(shù)器模式，作為本文的波特率發(fā)生器。

　　上位機編程中，本文采用最常用的通信控件MSComm，實現(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：Settings以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗、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個字符觸發(fā)一次

　　MSComm事件*/

　　Comport．SetInputLen(0)；

　?。O(shè)置讀取方式*/

　　Comport．GetInput()；

　　/*預置緩沖區(qū)以清除殘留數(shù)據(jù)*/

　　return TRU E；

　　}

　　系統(tǒng)測試

　　本系統(tǒng)實現(xiàn)的電路實物圖如下圖所示，通過按鍵設(shè)置預定溫度，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控制信號周期為20ms，采樣周期Ts=1S，測量的實驗數(shù)據(jù)經(jīng)串行通信傳遞到上位機后實時顯示的響應曲線實驗中，測量溫度由低升高，最后與設(shè)定溫度值一致。

　　結(jié)論

本文介紹的溫控實驗系統(tǒng)即有單片機主控的可靠性，又有上位機監(jiān)測的方便性，同時基于1-Wire總線DS18820實現(xiàn)多路溫度測控，具有現(xiàn)場安裝簡單、