基于DS18B20的溫控系統冷熱調節設計

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(fā)展，科學(xué)研究深入推進(jìn)，溫度監測與控制系統在工業(yè)設計、智能儀表、日常家用電器等領(lǐng)域的應用越為廣泛，基于單片機設計的電子產(chǎn)品有著(zhù)廣闊的應用市場(chǎng)和發(fā)展前景。

　　DS18B20是Dallas公司生產(chǎn)的一款數字溫度傳感器，超小體積，超低硬件開(kāi)銷(xiāo)，抗干擾能力強，精度高，附加功能強。DS18B20的溫度檢測與數字數據輸出集成于，一個(gè)芯片上，單總線(xiàn)數據通信，二進(jìn)制輸出，分辨率最高可達12位，檢測溫度范圍為-55～+125℃，具有限溫報警功能。同時(shí)，DS18B20內置EEPROM、64位光刻ROM，支持多點(diǎn)組網(wǎng)，根據需要把多個(gè)DS18B20并聯(lián)在唯一的三總線(xiàn)上，便可實(shí)現組網(wǎng)多點(diǎn)測溫，便于溫控系統的擴展和升級。

　　1系統工作原理

　　為實(shí)現被控對象溫度的冷熱調節，所設計的溫度控制系統以AT89S51單片機作為控制核心，包括溫度采樣模塊、溫度顯示模塊、執行模塊、過(guò)欠溫指示模塊以及小鍵盤(pán)等外同電路。系統時(shí)鐘頻率為12MHz，采用智能集成化器件DS18B20來(lái)監測被控對象，將溫度值轉換為帶符號的數字信號，通過(guò)單總線(xiàn)輸出，實(shí)現了溫度采集、轉換與變送的功能，有利于簡(jiǎn)化電路?？紤]到單片機的直流輸出驅動(dòng)能力，采用三極管、74LS244和74LS07來(lái)驅動(dòng)相應的外圍集成電路。溫度數據通過(guò)4個(gè)并行共陽(yáng)極的LED動(dòng)態(tài)顯示，并自行搭建小鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現被控對象目標溫度的設定。執行模塊利用固態(tài)繼電器SSR進(jìn)行光電隔離，實(shí)現小功率直流電控制220V交流電通斷，使得控制加熱管通斷、風(fēng)扇啟停的繼電器帶電或失電，并采用大功率的風(fēng)扇和加熱管以實(shí)現有效的溫度冷熱調節。系統中采用不同顏色的LED燈指示系統的工作運行狀態(tài)，紅色發(fā)光二極管亮表示溫度過(guò)高或過(guò)低報警，綠色發(fā)光二極管亮則表示系統工作正常。系統組成如圖1所示。

　　在核心控制處理模塊AT89S51單片機中，為了有效抑制從DS18B20傳來(lái)的溫度數字信號的隨機誤差，提高系統的測量精度和抗干擾性，在A(yíng)T89S51單片機的控制程序中加入數字濾波子程序。數字濾波平滑處理盡可能消除系統隨機誤差的影響，從軟件方面提高系統的抗干擾能力。并利用MATLAB對測溫數據進(jìn)行擬合，從而進(jìn)一步校正測量溫度值，使測量值更逼近精確值。

　　2系統硬件設計

　　2．1電源及溫度顯示模塊

　　為避免信號之間的串擾，采用5V直流電源分別為單片機、鍵盤(pán)、固態(tài)繼電器控制模塊、8段數碼管供電，并提供上電復位電壓。同時(shí)為風(fēng)扇和400W加熱器提供220V交流電。

　　溫度顯示模塊采用4個(gè)8段數碼管顯示溫度。為穩定顯示，采用總線(xiàn)延時(shí)的動(dòng)態(tài)顯示方式。驅動(dòng)電路和位選分別由74IS244、74LS07搭建組成。

　　2．2小鍵盤(pán)模塊

　　小鍵盤(pán)模塊自行搭建，由復位鍵、確認鍵、加1鍵和TAB鍵等4個(gè)按鍵組成。鍵盤(pán)電路簡(jiǎn)單明了，滿(mǎn)足設定被控對象目標溫度的人機交互要求。各個(gè)按鍵的功能說(shuō)明如表1所示。

　　2．3溫度數據采集

　　DS18B20采用單總線(xiàn)專(zhuān)用技術(shù)，通過(guò)I／O端口線(xiàn)與單片機相接，無(wú)須經(jīng)過(guò)其他變換電路便可直接輸出被測溫度值(12位二進(jìn)制數，含符號位)。其引腳功能分別為：VDD引腳接工作電源，當工作于寄生方式時(shí)，此引腳必須接地；DQ引腳用于數據輸入／輸出；GND引腳接地。

　　在該系統中DS18B20與單片機的接口電路，如圖2所示，VDD經(jīng)1kΩ的上拉電阻與外部電源相接，GND接地，DQ通過(guò)單總線(xiàn)與單片機P0．0口相連。

　　DS18B20測量溫度與輸出溫度之間的關(guān)系如表2所示，輸出溫度為12位的二進(jìn)制數，存儲在DS18B20兩個(gè)8位的RAM中，二進(jìn)制數的前5位是符號位。

　　2．4固態(tài)繼電器驅動(dòng)模塊

　　本設計中選用交流型固態(tài)繼電器SSR，它是一種輸入控制電流小、帶光電隔離器的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。通過(guò)控制SSR輸入端直流電的通斷便可控制輸出端交流電的通斷，而且啟動(dòng)性能平穩，對電網(wǎng)輻射干擾小。固態(tài)繼電器控制電路見(jiàn)系統總電路圖(圖2)，在負載端由100Ω和0．1μF組成串接電路，用于對風(fēng)扇、加熱管進(jìn)行過(guò)電壓保護。

　　2．5AT89S51單片機控制模塊

　　AT89S5l是整個(gè)系統的控制核心，其內置FlashROM，用于存放用戶(hù)程序。DS18B20所感測的溫度數字信號和用戶(hù)目標溫度作為輸入信號，經(jīng)控制程序處理后發(fā)出相應的控制信號，顯示系統工作狀態(tài)、被控對象溫度值，以及控制SSR直流端的通、斷電，從而控制風(fēng)扇、加熱管的通斷電，實(shí)現被控對象溫度的冷熱調節?？傠娐穲D(圖2)中雖然給出DS18B20與單片機的接口電路、固態(tài)繼電器控制電路，但由于DS18B20和執行設備設置在被控對象現場(chǎng)，因而在實(shí)際中要留出相應的信號傳輸線(xiàn)。

　　3系統軟件設計

　　軟件部分采用程序模塊化設計，便于各個(gè)功能的調試和實(shí)現。系統軟件程序主要由主程序、功能實(shí)現和運算控制3個(gè)模塊組成。