單片智能溫度計及其在燙金機中的應用

引言

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，計算機控制技術在這方面的應用，使得溫度控制技術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(shù)方便等特點，測溫范圍為-40-125℃，而且穩(wěn)定實用，輔以適當?shù)母魺岵牧?，其控制范圍將更高?br>
燙金機是根據(jù)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、美觀大方，是當前小型商品裝潢、名片和包裝印刷的必備機器，燙金機的燙金原理是通過一定的溫度和壓力，并利用色箔將飾版上的圖案和文字瞬間附著在塑膠表面上，燙金必備的是溫度、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型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)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(jù)實際要求通過簡單的編程來實現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)，通過設計可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，而且從ds18b20讀出的信息或?qū)懭雂s18b20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，ds18b20的溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的ds18b20供電，而無需額外電源。因此，使用ds18b20可使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高。由于ds18b20在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較ds1820有了很大的改進，因而可給用戶帶來更方便的使用和更令人滿意的效果。

ds18b20的性能特點

ds18b20的主要性能特點如下：

具有獨特的單線接口方式，ds18b20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)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(shù)據(jù)線供電，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℃。

通過編程可實現(xiàn)9-12位的數(shù)字讀數(shù)方式。

用戶可自己設定非易失性的報警上下門限值，并支持多點組網(wǎng)功能，多個ds18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上實現(xiàn)多點測溫。

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

ds18b的內(nèi)部結構

ds18b20采用3腳pr-35封裝或8腳soic封裝，其內(nèi)部結構框圖如圖1所示，其中64位閃速rom中的開始8位是產(chǎn)品類型的編碼，接著是每個器件唯一的序號，共有48位，最后8位是前56位的crc校驗碼，這也是多個ds18b20可以采用一線進行通信的原因，通過非易失性溫度報警觸發(fā)器th和tl可用軟件寫入用戶報警的上下門限。ds18b20溫度產(chǎn)傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速ram和一個非易失性的可電擦除的eepram，后者用于存儲th、tl值，數(shù)據(jù)線寫入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個字節(jié)，其內(nèi)容可用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，ds18b20工作時，按此寄存器中的分辨率可將溫度轉(zhuǎn)換為相應精度的數(shù)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(shù)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(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化，其振蕩頻率會有明顯改變，其所產(chǎn)生的信號可作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中隱含著的計數(shù)門可在打開時，使ds18b20對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定，每次測量前，首先將-55℃所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，以使測量時減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數(shù)值，減法計數(shù)器1可對低溫度系數(shù)晶振所產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，此后減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入，此后減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，系統(tǒng)將停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)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程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門未關閉，系統(tǒng)就會重復上述過程，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(tǒng)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(shù)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r1對c1的充電過程，單片機at89c2051的復位端1腳將獲得一個高電平復位脈沖，該脈沖可使得單片機進入初始狀態(tài)。

單片機的p3.7為輸出控制口，通過一只電阻接至一片"光電耦合型過零觸發(fā)雙向"芯片gk的輸入端，設計時，可適時通過"gk"觸發(fā)外接的雙向晶閘管skg的導通與截止，來控制電爐絲的加電與斷電、大電流與小電流，從而實現(xiàn)對燙金機的升溫和恒溫的控制。

at89c2051內(nèi)部有一個模擬信號比較器，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at89c2051外部無引腳，利用這個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a/d轉(zhuǎn)換電路，以把p1.1輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)碼管ds1、ds2、ds3、ds4、三極管vt1、vt2、vt3、vt4、電阻r3-r13等可組成動態(tài)掃描數(shù)碼顯示電路，可把溫度值用數(shù)字顯示出來，本設計采用ds18b20作為溫度傳感器。

現(xiàn)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口接單總線是為了保證在有效的ds18b20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，設計時可用一個mosfet管和at89c2051的p1.o來完成對總線的上拉。當ds18b20處于寫存儲器操作和溫度a/d變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10μs。采用寄生電源供電方式時，vdd和gnd端均接地，由于單線制只有一根線，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(zhuǎn)換必須經(jīng)過初始化、rom操作指令、存儲器操作指令等三個步驟，假設單片機所用的晶振頻率為12mhz，那么，就可以根據(jù)ds18b20的初始化時序、寫時序和讀時序、來分別編寫init初始化子程序、write寫（命令或數(shù)據(jù)）子程序和read讀數(shù)據(jù)子程序等3個子程序，這些程序可在網(wǎng)上讀取，所有的數(shù)據(jù)讀寫均由最低位開始。

軟件設計

設計程序時，可使用匯編語言編寫，程序由主程序、定時中斷服務程序、延時子程序等模塊組成，其中主程序由初始化、數(shù)碼動態(tài)掃描顯示等部分組成，圖4所示是其定時中斷服務程序流程圖。

采用動態(tài)掃描顯示方式，雖然簡化了電路，節(jié)省了i/o線，但占用cpu的時間較多，而采用調(diào)用定時中斷的方式來測溫可以減小cpu的負擔，定時器0的定時時間為50ms，每過250ms（5次中斷）測一次溫度，延時子程序主要供數(shù)碼顯示程序調(diào)用，延時時間為0.5ms，延時時間決定了數(shù)碼顯示的刷新周期，因為顯示數(shù)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(shù)據(jù)可通過查表獲得。因為數(shù)碼管為共陽型，所以相應的輸出位為0時筆段亮。存儲器20h、21h、22h單元可分別作為個位數(shù)、十位數(shù)、百位數(shù)的存儲單元，其數(shù)值可作為查表的指針。動態(tài)掃描顯示由數(shù)碼顯示儲蓄完成，當個位數(shù)送到p3口時，p1.3輸出低電平，vt4導通，數(shù)碼管ds3顯示個位數(shù)，當十位數(shù)送到p3口時，p1.4輸出低電平，vt3導通，數(shù)碼管ds2顯示十位數(shù)，而當百位數(shù)送到p3口時，p1.5輸出低電平，vt2導通，數(shù)碼管ds1顯示百位數(shù)，如果溫度為負值，則百位數(shù)顯示負號，這樣輪流工作即可顯示溫度值，測溫結束時，p3.6由0翻轉(zhuǎn)為1，由于程序判斷p3.6為高電平要用兩個機器周期，且關閉定時器1停止計數(shù)也要用1個機器周期，總共這3個機器周期會使定時器1得計數(shù)值增加3，因此，在程序中對此誤差要進行修正，即將計數(shù)值減去3。

結束語

ds18b20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單，測溫精度高、連接方便、占用口線少、擴展方便等優(yōu)點，但在實際應用中還應注意以下幾方面的問題：

（1）較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于ds18b20與微處理器采用的是串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對ds18b20進行讀寫編程時，必須嚴格地保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果，對ds18b20的操作部分最好采用匯編語言編寫。

（2）ds18b20工作時的電流高達1.5ma，故在總線上掛接點數(shù)較多且同時進行轉(zhuǎn)換時要考慮增加總線驅(qū)動，可用單片機端口在溫度轉(zhuǎn)換時導通一個mosfet。

（3）由于連接ds18b20的總線電纜是有長度限制的，因此，在用ds18b20進行長距離測溫系統(tǒng)設計時，要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配等問題。

（4）在ds18b20測溫程序設計中，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，一旦某個ds18b20接觸不好或斷線，那么，在程序讀該ds18b20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)，這一點在進行ds18b20硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。

（5）和ds1820一樣，ds18b20的讀寫時序必須仔細調(diào)整，在反復的調(diào)試中找出合適的延時時間。