□ 孫 昭 □ 王彤宇

長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 長(zhǎng)春 130022

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)工作環(huán)境溫度的檢測(cè)和控制十分重要，例如石油加工工業(yè)中，工作環(huán)境非常惡劣，智能溫控系統(tǒng)能夠?qū)ぷ鳝h(huán)境的溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)。筆者研究開(kāi)發(fā)了環(huán)保清潔車(chē)智能溫度監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備執(zhí)行對(duì)鐵軌路面進(jìn)行清潔后的噴油；當(dāng)加熱器把油料溫度加熱到50℃時(shí)，啟動(dòng)噴油開(kāi)關(guān)，對(duì)鐵軌進(jìn)行噴油操作，同時(shí)加熱器進(jìn)入保溫工作狀態(tài)，LCD液晶屏將顯示實(shí)際測(cè)得的溫度。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的主要目的為：一是溫度準(zhǔn)確采集，二是溫度實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

▲圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖1 中DS18B20作為溫度采集器件，它將采集到的溫度模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，PIC單片機(jī)讀取其轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量發(fā)送到LCD1602的數(shù)字寄存器，并通過(guò)LCD1602將溫度數(shù)值顯示，當(dāng)溫度低于50℃時(shí)，加熱器處于加熱工作狀態(tài)。當(dāng)溫度到達(dá)50℃時(shí)，由單片機(jī)發(fā)送信號(hào)給繼電器，控制加熱器進(jìn)入保溫工作狀態(tài)，鍵盤(pán)電路提供給PIC單片機(jī)控制信息，進(jìn)而用來(lái)調(diào)整LCD1602的數(shù)值顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)指的是單片機(jī)工作的最小電路結(jié)構(gòu)，包括電源電路+5V接VCC；時(shí)鐘電路，晶振選擇16MHz；復(fù)位電路，采用的是按鍵復(fù)位、低電平有效的方式。最小系統(tǒng)電路原理如圖2所示。

▲圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 溫度傳感器接口電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器采用DALLAS公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式溫度傳感器，其溫度測(cè)量范圍為-55～+125℃，可進(jìn)行9～12bit A/D轉(zhuǎn)換，測(cè)溫分辨率為0.0625℃，被測(cè)溫度以符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量的方式串行輸出。DS18B20的測(cè)溫原理如圖3所示。

▲圖3 DS18B20內(nèi)部測(cè)溫電路原理框圖

電路的核心采用了一個(gè)低溫度系數(shù)振蕩器和一個(gè)高溫度系數(shù)振蕩器。低溫度系數(shù)振蕩器對(duì)應(yīng)的是減法計(jì)數(shù)器1，它給減法計(jì)數(shù)器提供準(zhǔn)確的輸出脈沖，利用低溫度系數(shù)振蕩器的振蕩頻率受溫度變化影響小的特點(diǎn)，在加熱過(guò)程中，其對(duì)溫度變化不敏感，所以輸出的脈沖穩(wěn)定，提高了減法計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，使得到的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)更加精確。高溫度系數(shù)振蕩器對(duì)應(yīng)的是減法計(jì)數(shù)器2，主要決定脈沖的計(jì)數(shù)時(shí)間，由于高溫度系數(shù)振蕩器對(duì)溫度的變化很敏感，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)會(huì)立即向減法計(jì)數(shù)器2發(fā)出脈沖，使脈沖計(jì)數(shù)過(guò)程立即停止，由于高溫度系數(shù)振蕩器反應(yīng)靈敏，使脈沖計(jì)數(shù)時(shí)間更加準(zhǔn)確，提高了對(duì)溫度的精確控制。

在油料測(cè)量溫度開(kāi)始時(shí)，將-55℃對(duì)應(yīng)的基數(shù)預(yù)置于減法計(jì)數(shù)器和溫度寄存器中，低溫度系數(shù)振蕩器向減法計(jì)數(shù)器1發(fā)出穩(wěn)定的脈沖，減法計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)-55℃對(duì)應(yīng)的基數(shù)減少到0時(shí)，此時(shí)溫度寄存器相應(yīng)地增加1，然后重新將新的預(yù)置值放入減法計(jì)數(shù)器中，當(dāng)基數(shù)再次減為0時(shí)，溫度寄存器再度增加1，以此構(gòu)成循環(huán)，不斷地對(duì)溫度進(jìn)行加熱、測(cè)量，溫度寄存器的溫度計(jì)數(shù)不斷地增加，直至到設(shè)定的溫度時(shí)，由高溫度系數(shù)振蕩器檢測(cè)到該溫度后，立即向減法計(jì)數(shù)器2發(fā)出脈沖，減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值減為0，溫度寄存器得到信號(hào)后，不再增加，發(fā)出信號(hào)給相應(yīng)的系統(tǒng)，設(shè)備不再加熱，經(jīng)過(guò)斜率累加器的不斷修正，此時(shí)溫度寄存器內(nèi)的數(shù)值就是實(shí)際測(cè)量的油料溫度值，油料的溫度就被測(cè)量出來(lái)了。

當(dāng)溫度高于100℃時(shí)，不能使用寄生電源，因?yàn)榇藭r(shí)器件中較大的漏電流會(huì)使總線(xiàn)不能可靠檢測(cè)高低電平，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率的增大。比如使用加熱器加熱油料，可能加熱器會(huì)發(fā)生故障，導(dǎo)致加熱溫度過(guò)高，甚至高于100℃，鑒于對(duì)溫度檢測(cè)精確性的考慮，可以使用外部電源。這里檢測(cè)的溫度雖為50℃，但仍然采用外部電源供電模式，其電路如圖4所示。

▲圖4 DS18B20外部供電電路圖

2.3 顯示電路

本文設(shè)計(jì)采用的是16腳的1602LCD字符型液晶顯示屏，其引腳功能見(jiàn)表1。

結(jié)合使用PIC16F877型號(hào)的單片機(jī)，進(jìn)行顯示模塊的電路圖設(shè)計(jì)，如圖5所示。

▲圖5 1602與單片機(jī)接口電路

表1 LCD1602引腳功能圖表

2.4 報(bào)警電路

本系統(tǒng)的報(bào)警部分是為了通知用戶(hù)對(duì)相應(yīng)的情況進(jìn)行處理，避免意外發(fā)生。報(bào)警部分采用了蜂鳴器，當(dāng)測(cè)試溫度高于50℃，蜂鳴器鳴聲；溫度低于10℃時(shí)，蜂鳴器亦鳴聲。電路中還設(shè)計(jì)了2個(gè)發(fā)光LED，紅燈顯示時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)故障；綠燈顯示時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行。這一部分的電路原理如圖6所示。

▲圖6 報(bào)警電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

▲圖7 4X4矩陣鍵盤(pán)電路圖

2.5 鍵盤(pán)電路

由于設(shè)計(jì)的按鍵相對(duì)較多，本文采用了4×4矩陣鍵盤(pán)，其主要功能是設(shè)定溫度的上下限，電路如圖7所示。按鍵的鍵值見(jiàn)表2。

表2 按鍵功能表

4×4矩陣鍵盤(pán)可以很方便地實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與系統(tǒng)的對(duì)話(huà)，用戶(hù)也可以隨時(shí)改變溫度的上下限來(lái)進(jìn)行溫度設(shè)定和調(diào)節(jié)。

2.6 電源電路

由于系統(tǒng)的工作電壓要根據(jù)PIC單片機(jī)的正常工作電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用了電壓轉(zhuǎn)換電路，使用了7805芯片進(jìn)行了電壓轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。

▲圖8 7805電壓轉(zhuǎn)換電路圖

▲圖9主程序流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序的流程框圖如圖9所示。

系統(tǒng)采用了單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言C語(yǔ)言編程。編程的主要工作是為DS18B20、LCD1602的驅(qū)動(dòng)編程，要嚴(yán)格按照說(shuō)明書(shū)中的時(shí)序圖進(jìn)行編寫(xiě)，待溫度傳感器和液晶顯示器正常驅(qū)動(dòng)工作后，再進(jìn)行系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

硬件、軟件均采用分模塊的方式進(jìn)行調(diào)試，待各個(gè)模塊調(diào)試完成后再進(jìn)行綜合調(diào)試，硬件電路的主要調(diào)試步驟有：①檢查原理圖的設(shè)計(jì)情況，采用Proteus軟件進(jìn)行工作仿真；②將PCB板進(jìn)行元器件焊接，并檢查電路；③ 通電，采用MPLAB軟件編程，將生成的.hex文件程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的ROM進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試可以正常工作后，將采集到的溫度數(shù)值與水銀溫度計(jì)測(cè)得的數(shù)值進(jìn)行比較分析，本文選用的水銀溫度計(jì)精度為0.1℃，比較結(jié)果見(jiàn)表3。

由以上的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于精確度為0.1℃的水銀溫度計(jì)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)溫度的測(cè)量誤差基本在0.2℃的范圍以?xún)?nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

表3 溫度顯示結(jié)果對(duì)照表

5 結(jié)論

本文分別從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹了PIC單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，溫度采集部分采用DS18B20作為傳感器件，LCD1602的顯示部分在第一行顯示實(shí)時(shí)溫度，第二行設(shè)定溫度的上下限值，鍵盤(pán)用來(lái)設(shè)定溫度數(shù)值，單片機(jī)直接控制加熱系統(tǒng)，同時(shí)控制報(bào)警系統(tǒng)。在最終通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試后，測(cè)得溫度數(shù)值的誤差小于0.2℃范圍，滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

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