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單片智能溫度計及其在燙金機中的應用
點擊次數：3090 發(fā)布時間：2009-11-24
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、讀數方便等特點,測溫范圍為-40-125℃,而且穩(wěn)定實用,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*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,并可根據實際要求通過簡單的編程來實現9-12位的數字值讀數,通過設計可以分別在93.75ms和750ms內完成9位和12位的數字量,而且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20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據總線,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*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9-12位的數字讀數方式。
用戶可自己設定非易失性的報警上下門限值,并支持多點組網功能,多個DS18B20可以并聯(lián)在*的三線上實現多點測溫。
具有*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中的開始8位是產品類型的編碼,接著是每個器件*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溫度產傳感器的內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,數據線寫入RAM,經校驗后再傳給EEPRAM。片中的配置寄存器為高速存儲器中的第5個字節(jié),其內容可用于確定溫度值的數字轉換分辨率,DS18B20工作時,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,其振蕩頻率會有明顯改變,其所產生的信號可作為減法計數器2的脈沖輸入,圖中隱含著的計數門可在打開時,使DS18B20對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數,進而完成溫度測量。計數門的開啟時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,以使測量時減法計數器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數值,減法計數器1可對低溫度系數晶振所產生的脈沖信號進行減法計數,當減法計數器1的預置值減到0時,溫度寄存器的值將加1,此后減法計數器1的預置將重新被裝入,此后減法計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數,如此循環(huán)直到減法計數器2計數到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器的預置值,只要計數門未關閉,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,從而實現對燙金機的升溫和恒溫的控制。
AT89C2051內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等可組成動態(tài)掃描數碼顯示電路,可把溫度值用數字顯示出來,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口接單總線是為了保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流,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zui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完成溫度轉換必須經過初始化、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（命令或數據）子程序和READ讀數據子程序等3個子程序,這些程序可在網上讀取,所有的數據讀寫均由zui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碼顯示程序調用,延時時間為0.5ms,延時時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查表獲得。因為數碼管為共陽型,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、十位數、百位數的存儲單元,其數值可作為查表的指針。動態(tài)掃描顯示由數碼顯示儲蓄完成,當個位數送到P3口時,P1.3輸出低電平,VT4導通,數碼管DS3顯示個位數,當十位數送到P3口時,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,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,P3.6由0翻轉為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得計數值增加3,因此,在程序中對此誤差要進行修正,即將計數值減去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據傳送,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較多且同時進行轉換時要考慮增加總線驅動,可用單片機端口在溫度轉換時導通一個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整,在反復的調試中找出合適的延時時間。