一套熱計量?jì)x表溫度控制系統的設計方案

隨著(zhù)生活水平的提高，人們對生活的環(huán)境提出了更高的要求，良好的溫度控制對提高人民生活質(zhì)量起著(zhù)非常重要的作用。

特別是北方，城鎮居民冬季一般采取集中供暖，采暖質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到人們生產(chǎn)生活。目前我國絕大數的地區采暖缺少有力的監控系統，無(wú)法完成按需采暖以及實(shí)現對溫度數據的有效控制，從而造成了對供暖熱能的浪費。隨著(zhù)人們節約能源意識的逐步增強，迫切需要一種操作簡(jiǎn)單、節能環(huán)保和高效利用的智能熱計量儀表溫度控制系統。

1 系統總體設計

根據熱量與流量、溫度之間的關(guān)系：

Q=CM(T1-T0)式中，Q 為散熱器的散熱量( 單位：J) ;C 為水的比熱4.2*103J/kg° C ;T1-T0 為散熱器進(jìn)出口的溫差(° C);M 為流經(jīng)散熱器的水的流量(L)，也即質(zhì)量(kg)大小。據上式可知，只要能測出流量和溫差，就可計算出散熱器的散熱量大小。

溫度傳感器檢測的信號傳送到單片機，同時(shí)將流量信息傳輸到單片機，用矩陣鍵盤(pán)完成對溫度的設定。單片機處理完數據后，發(fā)送命令到液晶顯示器并控制電磁閥。系統總體框架如圖1 所示。

2 模塊介紹

本設計主要有單片機、液晶顯示、數字溫度傳感器、液體流量計、鍵盤(pán)、電磁閥等部分構成。溫度顯示：?jiǎn)纹瑱C控制數字溫度傳感器(DS18B20)，把溫度信號通過(guò)單總線(xiàn)從數字溫度傳感器傳遞到單片機上， 單片機數據處理之后，將當前溫度信息發(fā)送到LCD(LCD12864) 進(jìn)行顯示。熱量顯示：流量計檢測到的流量信息(脈沖信號)傳輸到單片機，單片機數據處理之后，將當前熱量信息發(fā)送到LCD(LCD12864) 進(jìn)行顯示。溫度設定：本系統還可以通過(guò)按鍵來(lái)設置溫度限定值，單片機比較數字溫度傳感器的溫度與設定的溫度值，發(fā)出控制繼電器動(dòng)作的指令。

2.1 DS18B20 原理介紹

DS18B20 的數字溫度計提供9 至12 位攝氏溫度測量，并具有報警功能與非易失性用戶(hù)可編程上限和下限觸發(fā)點(diǎn)。

DS18B20 的通信通過(guò)1-Wire 總線(xiàn)，需要定義只有一個(gè)數據線(xiàn)(與地面)與中央微處理器的通信。DS18B20 是“一線(xiàn)總線(xiàn)”接口的溫度傳感器，其內部使用了在板專(zhuān)利技術(shù)，其傳感器元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。由于一線(xiàn)總線(xiàn)具有獨特，因此一個(gè)微處理器可控制大面積分布的DS18B20.

2.2 AT89S52 單片機

單片機(Single-chip Microcomputer 或MicrocontrollerUnit)將CPU、ROM、RAM、I/O 接口電路以及內部系統總線(xiàn)等全部集中在一塊大規模集成電路芯片上，就構成了單片機。

AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度易失性存儲器的技術(shù)制造，與工業(yè)用的80C51 產(chǎn)品指令和引腳功能完全兼容。

程序存儲器可以在片上Flash 對系統進(jìn)行編程，亦適于常規編程器。單芯片上，擁有靈活的8 位CPU 以及系統可編程的Flash,使得AT89S52 為許多的嵌入式控制系統提供非常靈活和有效的解決方案。

3 主要模塊電路的設計

3.1 溫度信號采集電路設計

本系統為多點(diǎn)溫度測試，DS18B20 采用外部供電方式，理論上可以在一根數據總線(xiàn)上掛256 個(gè)DS18B20,但實(shí)踐應用中發(fā)現，如果掛接25 個(gè)以上的DS18B20 仍舊有可能產(chǎn)生功耗問(wèn)題。另外單總線(xiàn)長(cháng)度也不宜超過(guò)80M,否則也會(huì )影響到數據的傳輸。在實(shí)際應用中還可以使用一個(gè)MOSFET 將I/O 口線(xiàn)直接和電源相連，起到上拉的作用，如圖2 所示。

在對DS18B20 進(jìn)行操作的整個(gè)工作過(guò)程中，主要包括三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程：搜索 DS18B20 序列號子程序;啟動(dòng)在線(xiàn) DS18B20 作溫度轉換子程序：讀取在線(xiàn)DS18B20的溫度值子程序。

3.2 液晶顯示電路設計

液晶顯示模塊 LCD12864 的顯示分辨率為128×64, 內置8192 個(gè)16*16 點(diǎn)漢字和128 個(gè)16*8 點(diǎn)ASCII 字符集，具有4 位/8 位并行、2 線(xiàn)或3 線(xiàn)串行多種接口方式。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。另外低電壓低功耗是其又一顯著(zhù)特點(diǎn)，由該模塊構成的液晶顯示方案與同類(lèi)型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。設計圖見(jiàn)圖3.

4 系統的軟件設計

主程序的功能是：開(kāi)機以后，進(jìn)行系統初始化操作，主要是進(jìn)行定時(shí)/ 計數器的初始化。溫度采集程序將溫度信號轉換成數字信號，在輸入到單片機的RAM 存儲器中;換算成負責進(jìn)行溫度的標度換算后的十六進(jìn)制換算成BCD 碼，并存儲到顯示緩沖區以便顯示子程序使用，需顯示時(shí)負責將緩沖區中的各路溫度送到LCD 上顯示出來(lái)。流量信號處理程序的作用是：通過(guò)設定定時(shí)器、計時(shí)器以及外部中斷，完成對頻率的測定，并轉換成流量信息。主程序流程圖如圖4 所示。

鍵盤(pán)子程序通過(guò)按鍵程序的編寫(xiě)，可以完成對溫度的設定，圖5 為溫度設定部分算法流程。

5 總結

本方案中所設計的系統對多處技術(shù)和方法進(jìn)行改進(jìn)，用STC89C52 單片機作為控制核心，實(shí)現了對整個(gè)系統的控制和操作。液體流量計部分采用渦輪傳感器實(shí)現對液體流量的采集，數字溫度傳感器采用DS18B20 實(shí)現對溫度信號的采集，將數字溫度信號傳送到單片機，并且可以通過(guò)矩陣鍵盤(pán)完成對溫度的設定，單片機通過(guò)對比設定溫度與實(shí)際溫度發(fā)出命令控制繼電器開(kāi)或者關(guān)，控制液體的流量，以達到控制室溫的目的。從而證實(shí)了方案的實(shí)用性。