基于DS18B20测温的单片机温度控制系统

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余 瑾 : 硕士 高级工程师
图2
DS18B20 测温原理图
3 系统软件设计
3.1 温度检测子程序 DS18B20 使用的关键在于清楚总线的读写时序。 由于 DS18B20 外接电路极为简单，所以电路连接没有问 题； 但在软件编程上， 就要求严格按照它的时序进行读写操作 。 具体操作如下： 对 DS18B20 操作时，首先要将它复位。将 DQ 线拉低 480 至 960μs， 再将数据线拉高 15 至 60μs， 然后， DS18B20 发出 60 至此 240μs 的低电平作为应答信号， 这时主机才能对它进行其 它操作。
摘 要 : 介 绍 了 以 AT89S52 单 片 机 为 控 制 核 心 的 温 度 控 制 系 统 , 系 统 采 用 数 字 温 度 计 芯 片 DS18B20 构 成 测 温 单 元 , 通 过 AT89S52 的 开 关 量 输 出 控 制 固 态 继 电 器 (SSR) 的 通 断 , 调 节 烤 箱 内 温 度 。 采 用 PID 控 制 算 法 可 以 明 显 改 善 系 统 的 稳 态 性 能 以 及稳态响应。 关键词 : 温度控制 ; 单片机 ; PID 算法 ; DS18B20 中图分类号 : TP273.1 文献标识码 : A
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为了得到最佳的控制效果， 我们采用了扩充响应曲线法和 现场经验试凑法来整定各项参数。 所谓试凑法是人们在长期工作工程实践中， 从各种控制规 律对系统控制质量的影响的定性分析总结出来的一种行之有 效、 并得到广泛应用的工程整定方法。在实际现场整定过程中， 我们首先通过扩充响应曲线法整定参数， 设定初始的 PID 参数 进行控制， 为了达到理想的控制目标， 对 PID 参数进行了不断 的调整， 原则是要保持 PID 参数按先比例， 后积分， 最后微分的 顺序进行反复试凑至获得满意的控制效果和 PID 控制参数。 （下转第 112 页 ） 《现场总线技术应用 200 例》
技 术 创 新
u (k ) 为 s( k )为设定温度， y(k) 为实际温度， 其中， k 表示第 k 次采样， e(k )为误差， e( k ) ? y ( k ) ? s ( k ) 。 电炉功率控制， KP 为比例系数， TI 为积分时间常数， TD 为微分时间常数： T 为采样周期。 分别对系统性能产生不同的影响 。 PID 控制器的这些参数， 响应速度加快， 可以减小稳态误差， 积分时间常数 TI KP 加大， 越小， 积分作用越强， 积分控制能消除系统的稳态误差， 提高控 制系统的控制精度。微分时间常数 TD 越大， 微分作用越强， 微 分控制可以改善动态特性， 如超调量减小， 调节时间缩短。采样 周期 T 直接影响到系统的控制性能。 采样周期太小偏差信号也 会过小， 计算机将会失去调节的作用， 采样周期过长， 又会引起 过大的误差， 因此采样周期必须综合考虑。 扩充响应曲线法是当系统在给定值处于平衡后， 加一阶跃 输入 （如图 3a 所示） 。用仪表记录下被调参数在阶跃作用下的 求 变化过程曲线， 如图 3b 所示。在曲线最大斜率 k 处做切线， 得滞后时间 τ ， 对象时间常数 Tm， 以及它们的比值 Tm／τ。根据所 求得的 Tm、 查表 1 即可求得控制器的 T、 τ 和 Tm／τ 的值， KP、 Ti 和 经验数据不一定就合适， 最后 Td。由于温度控制过程千差万别， 可用试凑法逐步调试进行确定。
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《PLC 技术应用 200 例》
单片机开发与应用
写操作： 将数据线从高电平拉至低电平， 产生写起始信号 。 从 DQ 线的下降沿起计时， 在 15μs 到 60μs 这段时间内对数据 线进行检测， 如数据线为高电平则写 1； 若为低电平， 则写 0， 完 成了一个写周期。在开始另一个写周期前， 必须有 1μs 以上的 高电平恢复期。每个写周期必须要有 60μs 以上的持续期。 读操作：主机将数据线从高电平拉至低电平 1μs 以上， 再 使数据线升为高电平， 从而产生读起始信号 。从主机将数据线 从高电平拉至低电平起 15μs 至 60μs，主机读取数据。每个读 周期最短的持续期为 60μs。周期之间必须有 1μs 以上的高电 平恢复期。 系统软件采用 keil c51 编制。 复位子程序： sbit DQ=P3^3;定义数据线口地址 unsigned char reset() { unsigned char presence; DQ=0; //拉低 DQ 总线开始复位 delay(30); //保持低电平 480us DQ=1; //释放总线 delay(3); //等待芯片应答信号 75us presence=DQ; //获取应答信号 delay(28); //延时以完成整个时序 有芯片应答返回 0, 无芯 return(presence); //返回应答信号， 片则返回 1 } 读一位数据子程序 unsigned char read_bit() { unsigned char i,value_bit; 开始读时序 DQ=0; //拉低 DQ， DQ=1; //释放总线 for(i=0;i<2;i++){} //8us delay value_bit=DQ; return(value_bit); } 读一字节数据子程序： unsigned char read_byte() { unsigned char i,value=0; for(i=0;i<8;i++) { 并 if(read_bit()) //读一字节数据，一个时序中读一次， 作移位处理 value|=0x01<<i; 之后再读 delay(4); //延时 80us 以完成此次都时序， 下一数据 } return(value); } 延时子程序 void delay (unsigned char time), 延时时间为 25us× time 3.2 控制算法子程序
AT89S52 SSR

1 =0 2
=0
图 1 单片机温度控制系统原理图
2 温度检测电路
温度检测部分采用集成温度传感器 DS18B20， 它采用独特 的单口接线方式传输， 在与微处理器连接时仅需要一条口线即 可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯， 不需要外围器件， 全 部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内， 外加电源范围是 3.0~5.5V， 测温范围从-55℃到+125℃， 在-10℃ 测量结果以 9 位到 12 位数字量方 ～+85℃固有分辨率为 0.5℃， 同 式直接输出数字温度信号， 以"一线总线"串行传送给 CPU， 时可传送 CRC 校验码， 具有极强的抗干扰纠错能力。
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文章编号 :1008-0570(2009)03-2-0105-02
单片机开发与应用
基于 DS18B20 测温的单片机温度控制系统
DTemperature Control System Based on DS18B20
（北京邮电大学自动化学院 ）
余 瑾 姚 燕
YU Jin YAO Yan
技 术 创 新
1 系统组成
整个系统主控部分采用 AT89S52 构成单片机应用系统; 温 度检测部分采用 DS18B20 单总线数字温度传感器对温度进行 检测;控制部分由固态继电器控制加热管的通断。工作时, 由键 通过单 盘输入设定温度值， 系统采用 PID 控制算法进行运算， 片机 AT89S52 的开关量控制固态继电器 （SSR ） 的通断， 以调节 （－ ） 烤箱内温度至设定值， 稳态误差在＋ 1℃。液晶实时显示烤箱 内温度和设定温度值。 单片机温度控制系统原理图如图 1 所示。
Abstract: The temperature control system based on AT89S52 SCM as the controller is introduced in this paper. The temperature measurement unit consists of digital thermometer chip .The output of switching value from AT89S52 controls the switch of solid state relay to regulate the temperature in the oven. An evident improvement on steady -state behavior and response of system is achieved when the PID control algorithm is used. Key words: temperature control; single chip microprocessor; PID algorithm; DS18B20 温度是工业控制中主要的被控参数之一 , 对典型的温度控 不同温度 制系统进行研究具有很广泛的意义 。根据不同场所、 范围、 精度等要求, 所采用的测温元件、 测温方法以及对温度的 以 AT89S52 控制方法也不同.本文以实验室电烤箱为被控对象， 单片机为控制核心, 温度传感单元采用 DS18B20, 采用 PID 算 法， 实现智能的温度控制系统。 DS18B20 测温原理如图 2 所示。图中低温度系数晶振的振 荡频率受温度影响很小， 用于产生固定频率的脉冲信号送给计 所产 数器 1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变， 生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。计数器 1 和温度寄存器 被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器 1 对低温度系数 晶振产生的脉冲信号进行减法计数， 当计数器 1 的预置值减到 温度寄存器的值将加 1， 计数器 1 的预置将重新被装入， 0 时， 计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计 数， 如此循环直到计数器 2 计数到 0 时， 停止温度寄存器值的 累加， 此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图 2 中的斜率 累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性， 其输出用于修正 计数器 1 的预置值。