任 仁，章國(guó)寶

（東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來(lái)了根本性的變化，單片機(jī)技術(shù)[2]的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)控制測(cè)控領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的革命。溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一像冶金、機(jī)械、化工、食品各類工業(yè)中，廣泛使用。

在現(xiàn)代的一般的電能表中都不具有溫度控制模塊的實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)于電能表外界的一些溫度的影響就很難避免。但每個(gè)芯片都有其工作的溫度范圍，如果超出了這個(gè)范圍就意味著芯片無(wú)法正常工作從而影響測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度，以至于這樣的電能表只能在一般的條件下工作。一旦在特殊的條件下（如高溫或低溫）便無(wú)法正常運(yùn)行了。

針對(duì)如何讓電能表內(nèi)的溫度保持在正常工作范圍內(nèi)，并能自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)節(jié)溫度。文中以C8051F021[3-4]和DS18B20為核心，提出一種智能配電數(shù)字終端的溫度控制方案設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)具有5個(gè)模塊，分別是：

加熱模塊：加熱器的功率比較高，達(dá)林頓管已不能驅(qū)動(dòng)它，此時(shí)，筆者選用了一個(gè)5 V的繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)繼電器就用達(dá)林頓管。

冷卻模塊：本模塊所選用的風(fēng)扇的工作電壓為5 V，額定功率為0．3W；之前本來(lái)想用繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，但因有4個(gè)風(fēng)扇所以就得用4個(gè)繼電器，太占空間，況且板子的大小本來(lái)就很擁擠，這樣還增加了成本。5 V 0．3W的風(fēng)扇，其工作電流為60mA，而達(dá)林頓管ULN2003的輸出口灌電流可以達(dá)到500mA，完全可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)風(fēng)扇，所以風(fēng)扇就只用達(dá)林頓管來(lái)驅(qū)動(dòng)。

溫度檢測(cè)模塊：目前選用的溫度傳感器是數(shù)字溫度傳感器，即內(nèi)部自帶了AD轉(zhuǎn)換功能，是一款功能比較強(qiáng)大的芯片，但內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，12位精度的溫度轉(zhuǎn)換所需時(shí)間大概為800 ms；對(duì)于本模塊而言，實(shí)時(shí)性要求不是很高，只要控制好箱體內(nèi)的溫度即可。在這里我用了一個(gè)800ms的定時(shí)器，這樣基本能保證溫度的實(shí)時(shí)性。

指示模塊：該模塊一共有3個(gè)指示燈，都必須放在靠板子的外側(cè)，分別是正常運(yùn)行指示燈、冷卻指示燈、加熱指示燈。冷卻指示燈為綠色，加熱指示燈采用紅色。

看門狗復(fù)位模塊：該模塊選用SP706SEN，該芯片既可以手動(dòng)復(fù)位，也可以設(shè)置一個(gè)看門狗程序，定時(shí)喂狗。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig．1 System structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 AC-DC模塊

該模塊選用了金升陽(yáng)LB系列的芯片，該系列芯片的全球通用電壓輸入范圍為85～264VAC，具有過流保護(hù)和短路保護(hù)，并且紋波和噪聲都比較低，功耗小、工作效率高。

圖2 AC-DC模塊Fig．2 AC-DCmodule

2.2 溫度采集模塊：

選用DALLAS公司的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20[5]。其特性如下：

1）獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊；

2）簡(jiǎn)單的多點(diǎn)分布應(yīng)用；

3）無(wú)需外部器件；

4）可通過數(shù)據(jù)線供電；

5）零待機(jī)功耗；

6）測(cè)溫范圍-55～+125℃，以 0．5℃遞增。華氏器件-67～+257 F，以 0．9 F 遞增；

7）溫度以9位～12位數(shù)字量讀出；

8）溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間200ms（典型值）；

9）用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置；

10）報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；

11)應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)品、溫度計(jì)或任何熱感測(cè)系統(tǒng)。

2.3 5 V轉(zhuǎn)3.3 V模塊

該模塊選用了AMS1117-3．3這款芯片，該芯片是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩(wěn)壓電路，在輸出1 A時(shí)，輸入輸出的電壓差典型值為1．8 V。該芯片內(nèi)部還集成過熱保護(hù)和限流電路，確保了芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 溫度采集電路Fig．3 Temperature acquisition circuit

圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路Fig．4 Voltage transform circuit

2.4 JTAG

TCK為測(cè)試時(shí)鐘輸入；TDI為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測(cè)試模式選擇，TMS用來(lái)設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測(cè)試模式；TRST為測(cè)試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。

圖5 程序下載電路Fig．5 Program download circuit

2.5 看門狗復(fù)位模塊

該模塊選用SP706SEN，該芯片既可以手動(dòng)復(fù)位，也可以設(shè)置一個(gè)看門狗程序，定時(shí)喂狗；如果程序跑飛了，那么當(dāng)過了一定的時(shí)間沒喂狗的話，該芯片會(huì)自動(dòng)復(fù)位，從而讓單片機(jī)程序重新開始運(yùn)行。

選用SP706SEN。該芯片的特性如下：

1）高精度低電壓監(jiān)控器；

2） 獨(dú)立的看門狗定時(shí)器-溢出周期 1．6 s（SP706P/S/R/T）；

3）去抖TTL/CMOS手動(dòng)復(fù)位輸入；

4）WDI可以保持為浮空，以禁止看門狗功能。

2.6 MCU模塊

選用了C8051F021，這是51系列單片機(jī)中性能最強(qiáng)大的單片機(jī)[6]。其特點(diǎn)如下：

圖6 復(fù)位電路Fig．6 Reset circuit

1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051兼容的 CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25 MIPS）；

2）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；

3）真正 12位 （C8051F020）、100 ksps的 8通道 ADC，帶 PGA和模擬多路開關(guān)；

4）真正 8位 500 ksps的 ADC，帶 PGA和 8通道模擬多路開關(guān)；

5）兩個(gè) 12位 DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；

6）64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH存儲(chǔ)器；

7）4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM；

8）可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；

9）硬件實(shí)現(xiàn)的 SPI、SMBus/I2C和兩個(gè) UART串行接口；

10）5個(gè)通用的 16位定時(shí)器；

11）具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列；

12）片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。

圖7 主控芯片F(xiàn)ig．7 Master control MCU

2.7 指示模塊

該模塊一共有3個(gè)指示燈，都必須放在靠板子的外側(cè)，分別是正常運(yùn)行指示燈、冷卻指示燈、加熱指示燈。冷卻指示燈為綠色，加熱指示燈采用紅色。

模塊正常運(yùn)行時(shí)，正常指示燈每隔一秒閃爍一次；當(dāng)模塊處于加熱狀態(tài)時(shí)，正常指示燈保持不變的狀態(tài)（還是每秒閃爍一次），加熱指示燈也每秒閃爍一次；同理，冷卻狀態(tài)時(shí)，正常指示燈同理，冷卻指示燈每秒閃爍一次。（每秒閃爍一次可以理解為指示燈亮一秒滅一秒）

2.8 加熱模塊

加熱的工作原理為：首先該模塊有加熱裝置，當(dāng)環(huán)境溫度小于溫度設(shè)定值（即-15°C）時(shí)，啟動(dòng)加熱裝置，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)電風(fēng)扇使終端內(nèi)部的空氣流動(dòng)起來(lái)，以達(dá)到終端內(nèi)溫度基本一致。

加熱器的功率比較高，達(dá)林頓管已不能驅(qū)動(dòng)它，此時(shí)，我用了一個(gè)5 V的繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)繼電器就用達(dá)林頓管。

圖8 指示電路Fig．8 Instructions circui

考慮到板子的尺寸有限，而且供電的電壓只有5 V，所以選了一個(gè)5 V 3W的PTC鋁殼加熱器。

圖9 加熱模塊電路Fig．9 Heat circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

冷卻模塊：冷卻的工作原理為：該模塊一共有4個(gè)小電風(fēng)扇，2個(gè)從殼體外部吸收空氣，另外2個(gè)從殼體內(nèi)部向外部吹空氣，從而形成空氣的流通，以達(dá)到降溫的作用。啟動(dòng)冷卻功能有2個(gè)溫度控制設(shè)定值，即一級(jí)溫度設(shè)定值和二級(jí)溫度設(shè)定值，一級(jí)溫度設(shè)定值為40°C，二級(jí)溫度設(shè)定值為55°C。當(dāng)溫度大于以及溫度設(shè)定值時(shí)開啟一個(gè)吸氣電風(fēng)扇和一個(gè)吹氣電風(fēng)扇；而當(dāng)溫度大于二級(jí)溫度設(shè)定值時(shí)，開啟2個(gè)吸氣電風(fēng)扇和2個(gè)吹氣電風(fēng)扇。

加熱模塊：加熱的工作原理為：首先該模塊有加熱裝置，當(dāng)環(huán)境溫度小于溫度設(shè)定值（即-15°C）時(shí)，啟動(dòng)加熱裝置，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)電風(fēng)扇使終端內(nèi)部的空氣流動(dòng)起來(lái)，以達(dá)到終端內(nèi)溫度基本一致。

指示模塊：模塊正常運(yùn)行時(shí)，正常指示燈每隔一秒閃爍一次；當(dāng)模塊處于加熱狀態(tài)時(shí)，正常指示燈保持不變的狀態(tài)（還是每秒閃爍一次），加熱指示燈也每秒閃爍一次；同理，冷卻狀態(tài)時(shí)，正常指示燈同理，冷卻指示燈每秒閃爍一次。（每秒閃爍一次可以理解為指示燈亮一秒滅一秒）。

看門狗復(fù)位模塊：該模塊選用SP706SEN，該芯片既可以手動(dòng)復(fù)位，也可以設(shè)置一個(gè)看門狗程序，定時(shí)喂狗；如果程序跑飛了，那么當(dāng)過了一定的時(shí)間沒喂狗的話，該芯片會(huì)自動(dòng)復(fù)位，從而讓單片機(jī)程序重新開始運(yùn)行。

圖10為系統(tǒng)軟件總體流程圖。

圖10 系統(tǒng)軟件總體流程圖Fig．10 The overall system software flow chart

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了一種基于C8051F系列單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)在實(shí)際工作中能夠比較好地對(duì)終端內(nèi)部的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)控，能將箱體內(nèi)部的溫度保持在一個(gè)正常地工作范圍內(nèi)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能電網(wǎng)的編程技術(shù)[7]會(huì)越來(lái)越成熟，智能終端會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用到日常生活中來(lái)，而終端內(nèi)部的溫度控制就會(huì)越來(lái)越重要，對(duì)于不同的終端其溫度控制方案也會(huì)越來(lái)越多，越來(lái)越精密。因此，溫度控制技術(shù)也會(huì)隨著科技的發(fā)展而快速發(fā)展。

[1]楊蕾．智能配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)[D]．武漢：華中師范大學(xué)，2007．

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