单片机水温控制电路设计(编辑修改稿)

单片机水温控制电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

℃ 0000 0000 0000 1000 0008H 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000H － ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8H － ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5EH － ℃ 1111 1110 0110 1111 FF6FH － 55 ℃ 1111 1100 1001 0000 FC90H 单片机水温控制电路设计 第 17 页 0 1 10 位 1 0 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms 二 . 高速暂存存储器 高速暂存存储器由 9 个字节组成，其分配如表 37所示。 当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第 0和第1个字节。 单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表 1所示。 对应的温度计算：当符号位 S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当 S=1 时，先将补码变为原码，再计算十进制值。 表 34是对应的一部分温度值。 第九个字节是 冗余检验字节。 表 37： DS18B20 暂存寄存器分布 寄存器内容 字节地址 温度值低位（ LS Byte） 0 温度值高位（ BS Byte） 1 高温限值（ TH） 2 低温限值（ TL） 3 配置寄存器 4 保留 5 保留 6 保留 7 CRC 校验值 8 根据 DS18B20 的通讯协议，主机（单片机）控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位操作，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。 复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒，然后释放，当 DS18B20 收到信号后等待 16～60微秒左右，后发出 60～ 240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收 到此信号表示复位成功。 如表 38 ROM 指令表 （ a）、 RAM 指令表 (b) 单片机水温控制电路设计 第 18 页 表 38：（ a） ROM 指令表 指令 约定代码 功能 读 ROM 33H 读 DS18B20 温度传感器 ROM 中的编码（即 64位地址）。 符合 ROM 55H 发出此命令之后，接着发出 64位 ROM 编码，访问但总线上与该编码相对应的 DS18B20 使之作出响应，为下一步对该 DS18B20 的读写作 准备。 搜索 ROM 0F0H 用于确定挂接在同一总线上 DS18B20 的个数和识别 64 位 ROM 地址。 为操作个器件做好准备。 跳过 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 发温度变换指令命令。 适用于单片机工作。 告警搜索命令 0ECH 执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。 表 38： (b) RAM 指令表 指令 约定代码 功能 温度变换 33H 启动 DS18B20 进行温度转换， 12 位抓换时间最长为 750ms（ 9 位为 ms）。 结果存入 9字节 RAM 中。 读暂存 器 55H 读内部 RAM 中 9字节的内容。 写暂存器 0F0H 发出向内部 RAM 的 4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。 复制暂存器 0CCH 将 RAM中内容恢复到 RAM 中的第 4 字节。 重调 EEPROM 0ECH 将 EEPROM 中内容恢复到 RAM 中的第 4 字节。 读供电方式 0B4H 读 DS18B20 的供电模式。 寄生供电时 DS18B20发送“ 0”，外界电源供电 DS18B20 发送“ 1”。 单片机水温控制电路设计 第 19 页 三 .DS18B20 的应用电路 DS18B20 测温系统具有测温系统简单 、测温精度高、廉洁方便、占用口线少等优点。 下面就是 DS18B20 几个不同应用方式下的测温电路图： [1].DS18B20 寄生电源供电方式电路图 如下图 317 所示，在寄生电源供电方式下， DS18B20 从单总线信号线上汲取能量：在信号线 DQ 处于高电平器件把能量储存到内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给节省电源（电容）充电。 独特的寄生电源方式有三个好处： 1) 进行远距离测温时，无须本地电源； 2) 可以在没有常规电源的条件下读取 ROM； 3) 电路更加简洁，仅适用一个 I/O 口实 现测温。 要想使 DS18B20 进行精确的温度转换， I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个 DS18B20 在温度转换期间工作电流达到 1mA，当几个温度传感器挂在同一根 I/O线上进行多点测温时，只靠 上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。 因此，图 34 电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不是一待用电池供电系统中。 并且工作 电源 VCC必须保证在 5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。 注：此电路当 VCC 低于 时， 测出的温度值比实际的温度高，误差较大。 当电源电压降为 4V 时，温度误差有 3℃ 之多， 应该是因为寄生电源汲取能量不够造成的 ，建议在开发测温系统是不要使用此电路。 图 317 DS18B20 寄生电源供电方式电路图 [2].DS18B20 寄生电源强上拉供电方式电路图 单片机水温控制电路设计 第 20 页 改进的寄生电源供电方式如下面图 318 所示，为了 使 DS18B20 在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到 E2 存储器操作时，用MOSFET 把 I/O 线直接拉到 VCC 就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多 10μS 内把 I/O 线转换到强上拉状态。 在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根 I/O 口线进行强上拉切换。 图 318 DS18B20 寄生电源强上拉供电方式电路图 注意：在图 317 和图 318 寄生电源供电方式中， DS18B20 的 VDD 引脚必须接地。 [3].DS18B20 的外部电源供电方式 外部电源供电方式 如下图 319 所示 ， DS18B20 工作电源由 VDD 引脚接入，此时 I/O 线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题， 也是本设计选用的一种DS18B20 工作方式，此方式 可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个 DS18B20 传感器 如下图 320所示 ，组成多点测温系统。 单片机水温控制电路设计 第 21 页 图 319 DS18B20 的外部电源供电方式 注意：在外部供电的方式下， DS18B20 的 GND 引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是 85℃。 图 320： 外部供电方式的多点测温电路图 外部电源供电方式是 DS18B20 最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。 站长推荐大家在开发中使用外部电源供电方式，毕竟比寄生电源方式只多接一根 VCC 引线。 在外接电源方式下，可以充分发挥 DS18B20 宽电源电压范围的优点，即使电源电压 VCC 降到 3V 时，依然能够保证温度量精度。 四 .本设计中 DS1820 使用中注意事项 [14] DS18B20虽然具有测温系 统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意 一些 问题 ，下面列出本设计中使用 DS18B20 应注意的问题： 1) 连接 DS18B20的总线电缆是由长度限制的。 当采用普通型号电缆传输长度超过 50m 时，读取的测温数据将发生错误。 当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。 这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。 因此，在用 DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分 布电容和阻抗匹配问题。 2) 在 DS18B20 测温程序设计中，向 DS18B20 发出温度转换命令后，程序 总要等待 DS1820 的返回信号，一旦某个 DS1820 接触不好或断线，当程序读该 DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。 这一点在进行 DS1820 硬件连接 和软件单片机水温控制电路设计 第 22 页 设计时也要给予一定的重视。 测温电缆线建议采用屏蔽 4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接 VCC 和地线，屏蔽层在源端单点接地。 由于本设计要求不高，所以只采用了简单的电源线。 DS18B20 温度检测子程序 :见附 录 六 后向通道 的设计 为了实现水温的 PID 控制，电路的 输出不能是一个简单的开关量，输入电炉的功率必须连续可调。 一般来说改变输入电炉的电压平均值就可以改变电炉的输出功率，而较简单的调压方法有相位控制调压和通断控制调压法。 本设计采用的脉宽调制输出控制电炉与电源的接通和断开的比例，以通断控制调压法控制电炉的输入功率。 这种方法不仅十输出通道省去了 D/A 转换器和移向触发电路，大大简化了硬件系统 [4]。 在后向通道的控制中，一般采用继电器、可控硅等开关器件。 继电器又有电磁继电器和固态继电器之分。 一些常用的小型电磁继电器，由于受电流大小的限制，只能控制功率较小的负载。 在实际 的工程项目设计中，由于继电器控制的负载多为感性或容性负载 （比如本设计中的电炉就是感性负载），如果电磁隔离不好，这些负载所产生的高次谐波信号便会串进单片机控制电路产生各种干扰。 这种干扰信号往往会导致系统的可靠性降低，具体表现有系统死机、 CPU 反复复位、控制失灵等，也就是常说的“程序的跑飞”。 因此对于大功率负载的控制，信号的隔离是电路设计中的一个非常重要的环节。 我们可以采用光耦对电路进行隔离。 由于电磁继电器启动瞬间会产生电磁火花干扰，所以在实际应用中如本设计类似的控制一般都选用固态继电器 SSR[10]。 下面我就 重点介绍一下固态继电器。 固态继电器 [6] 固态继电器（ Solid state RelaySSR） 是近几年发展起来的一种新型电子继电器，其输入控制电流小，用 TTL、 HTL、 CMOS 等集成电路或加简单的辅助电路就可直接驱动，因此适宜于单片机测控系统中作为输出通道的控制元件；其输出利用晶体管或可控硅驱动，无触点。 与普通的电磁式继电器和磁力开关相比，具有无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小质量轻、寿命长、工作可靠等特点，并且耐冲击、抗潮湿、抗腐蚀，因此在单片机测控等领域中，已逐渐单片机水温控制电路设计 第 23 页 取代传统的电 磁式继电器和磁力开关作为开关量输出控制元件。 一 .固态继电器的主要特性 （ 1） 功率小：由于其输入采用的是光电耦合器，其驱动电流仅需几毫安便能可靠地控制，所以可以直接用 TTL、 HTL、 CMOS 等集成驱动电路控制。 （ 2） 高可靠性：由于其结构上无可动接触不见，且采用全塑密闭式封装，所以SSR开关时无抖动和回跳现象，无机械噪声，同时能耐潮、耐振、耐腐蚀；由于无触点火花，可用在有依然易爆介质的场合。 （ 3） 低电磁噪声：交流型 SSR 在采用了过零触发技术后，电路具有零电压开启、零电流关断的特性，可使对外界和本系统 的射频干扰减低到最低程度。 （ 4） 能承受的浪涌电流大：其数值可为 SSR 额定值的 6～ 10倍。 （ 5） 对县原电压适应能力强：交流型 SSR 的负载电源电压可以在 30～ 220V 范围内任选。 （ 6） 抗干扰能力强：由于输入与输出之间采用了光电隔离，割断了两者的电气联系，避免了输出功率负载电路对输入电路的影响。 另外，又在输出端附加了干扰抑制网络，有效地抑制了线路中的 dv/di 和 di/dt 的影响。 二 .固态继电器的分类 固态继电器是一种四端器件，两端输入，两端输出。 他们之间用光电耦合器隔离。 （ 1） 以负载电源类 型分类：可分为直流型（ DCSSR）和交流型（ ACSSR）两种。 直流型是用功率晶体管做开关器件；交流型则用双向晶闸管做开关器件，分别用来接通和断开直流或交流负载电源。 （ 2） 以开关触点形式分类：可分为长开式和常闭式。 目前市场上以常开式为多。 （ 3） 以控制触发信号的形式分类：可分为过零型。 他们的区别在于负载交流电流导通的条件。 非过零型在输入信号时，不管负载电源电压相位如何，负载端立即导通。 而过零型必须在 负载 电源电压接近零且控制信号有效时，输出端负载电源才导通。 其 关断向晶闸管的负载电流为零时， SSR 关断。 三 .固态继电器的典型应用 图 321 触点控制 单片机水温控制电路设计 第 24 页 (1)触点控制 最基本的驱动 —— 触点控制，见图 321。