劉國(guó)祥

（南京華蘇科技有限公司，江蘇 南京 210012）

智能溫度控制器的設(shè)計(jì)

劉國(guó)祥

（南京華蘇科技有限公司，江蘇 南京 210012）

溫度控制器作為一種能有效控制溫度的電開(kāi)關(guān)設(shè)備正被廣泛使用。然而隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的溫度控制器暴露出測(cè)溫精度低、分辨率弱、抗干擾能力弱、能耗高以及缺乏智能化等諸多不足，已經(jīng)達(dá)不到有效控制溫度的目的。設(shè)計(jì)一種新型的符合需求的智能溫度控制器是很有必要的。文章主要介紹利用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的一種智能溫度控制器的設(shè)計(jì)。該智能溫度控制器以ATMEL公司AT89C52為控制器操作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)溫準(zhǔn)確。本系統(tǒng)由DS18B20完成對(duì)環(huán)境溫度信號(hào)的采集, 并把采集到的信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，完成相應(yīng)的智能控制，同時(shí)將所測(cè)得的環(huán)境溫度在顯示電路實(shí)時(shí)顯示。另外還介紹了DS18B20的特性和使用注意問(wèn)題，給出了該智能溫度控制器的原理設(shè)計(jì)圖和關(guān)鍵的程序代碼。

DS18B20；AT89C52；溫度采集；智能控制

1 溫度控制器的介紹與發(fā)展

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集控制（溫度控制器技術(shù)）、信息傳輸（通信技術(shù)）和信息處理（計(jì)算機(jī)技術(shù)）。溫度控制器屬于信息采集技術(shù)的前沿產(chǎn)品，尤其是溫度控制器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)、科學(xué)和生活等領(lǐng)域，數(shù)量逐漸增多。

智能溫度控制器改變了傳統(tǒng)溫度控制器的溫度控制模式，更充分地結(jié)合了微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，提高了溫度控制器的測(cè)溫精度和靈敏度，增加了溫度控制器的測(cè)試功能，標(biāo)準(zhǔn)化并規(guī)范化了總線技術(shù)，運(yùn)用到了單片機(jī)測(cè)溫控制系統(tǒng)，大大提高了溫度控制器的穩(wěn)定性和安全性。其能傳輸與溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以搭配各種微型控制器，并且能在相同硬件的基礎(chǔ)上通過(guò)不同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制和測(cè)試功能，其高度的智能化和節(jié)能功能將會(huì)對(duì)各領(lǐng)域作出顯著的貢獻(xiàn)。

溫度和人們的生活、生產(chǎn)活動(dòng)有密切關(guān)系，是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)，所以溫度監(jiān)測(cè)在溫度測(cè)控系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位。溫度控制器采用先進(jìn)的單總線數(shù)字溫度傳感器完成對(duì)環(huán)境溫度信號(hào)的采集，并把采集到的數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的智能控制功能，同時(shí)還能將所測(cè)得環(huán)境溫度在顯示電路實(shí)時(shí)顯示。

2 溫度控制器的硬件組成

該系統(tǒng)硬件以單片機(jī)AT89C52為基礎(chǔ)，主要硬件有溫度傳感器、按鍵控制電路以及顯示器三大部分。溫度傳感器選用數(shù)字傳感器DS18B20，鍵控電路采用3個(gè)按鍵來(lái)設(shè)置溫度的上、下限值，顯示電路采用了4位共陰極數(shù)碼管。

2.1 DS18B20的選取測(cè)溫原理

2.1.1 DS18B20的選取

一般傳統(tǒng)的溫度控制器采用模擬傳感器測(cè)量溫度，在設(shè)計(jì)溫度采集系統(tǒng)時(shí)，傳感器輸出的是模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，因此增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性并且制造成本較高。以DS18B20為基礎(chǔ)的智能溫度控制系統(tǒng)采用單總線數(shù)字溫度傳感器，將A/D轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)芯片上，直接輸出數(shù)字信號(hào)，可直接送給單片機(jī)進(jìn)行處理。這樣使硬件的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，而且具有較高的測(cè)量精度；并且又是單一總線接口，比較容易組建分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器具有功耗低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要外接其他元器件、可以自由設(shè)定溫度上下線預(yù)警值等特點(diǎn)，功能特性如下：（1）數(shù)字溫度傳感器可測(cè)量溫度范圍為-60～130 ℃，在-15～90 ℃范圍內(nèi)，精度為1 ℃。（2）單一總線接口。（3）可定義溫度報(bào)警設(shè)置。（4）可用低壓（3.0～5.0 V）的USB供電。

2.1.2 DS18B20的測(cè)溫原理

DS18B20的測(cè)溫原理如圖1所示。低溫系數(shù)受溫度變化的影響較小，高溫系數(shù)晶振隨溫度變化較大，當(dāng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，從而完成環(huán)境溫度的測(cè)量。溫度計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值由高溫系數(shù)振蕩器決定，每次系統(tǒng)工作前，首先將溫度寄存器和減法計(jì)數(shù)器初始化，減法計(jì)數(shù)器和溫度寄存器被預(yù)置在-60 ℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基礎(chǔ)值。減法計(jì)數(shù)器對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。

2.2 鍵控電路及相關(guān)接口的設(shè)計(jì)

2.2.1 鍵控電路設(shè)計(jì)

該智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)按鍵有3個(gè)，為了有效地消除因鍵盤(pán)抖動(dòng)所造成的誤操作，3個(gè)按鍵接有上拉電阻并直接與單片機(jī)連接。3個(gè)按鍵用于設(shè)置和調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的最高溫度/最低溫度值。

圖1 DS18B20的內(nèi)部測(cè)溫電路

2.2.2 顯示器與接口電路

該智能溫度控制系統(tǒng)采用8位共陰極LED管，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)的環(huán)境溫度值和最高溫度、最低溫度設(shè)定值。LED數(shù)碼管由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，但是由于單片機(jī)P0引腳不具備數(shù)據(jù)保持的能力，為解決這個(gè)難題，必須接額定電阻值的上拉電阻。蜂鳴器為報(bào)警器件，當(dāng)溫度超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的最高/最低溫度時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

3 本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及基本原理介紹

3.1 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，如圖2所示。

3.2 智能溫度控制器的基本原理

溫度控制器是一種能有效控制溫度的電開(kāi)關(guān)設(shè)備。本智能溫度控制器采用了能直接輸出數(shù)字信號(hào)的DS18B20溫度傳感器，并運(yùn)用了功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)中的數(shù)字溫度傳感器采集到溫度信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)中，單片機(jī)經(jīng)過(guò)分析處理，再將所測(cè)溫度值的數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所設(shè)置環(huán)境溫度的上下限值進(jìn)行判斷處理，當(dāng)溫度大于所設(shè)的最高溫度時(shí)，溫控系統(tǒng)啟動(dòng)風(fēng)扇降溫；當(dāng)溫度小于所設(shè)的最低溫度時(shí)，溫控系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)加熱裝置。

圖2 溫度控制器設(shè)計(jì)原理

智能溫度控制器實(shí)現(xiàn)的方案如圖3所示。

3.3 智能溫度控制器主要功能

該智能溫度控制系統(tǒng)是以DS18B20與AT89C52單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，在單片機(jī)的控制下對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集和處理，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量、控制與顯示。

圖3 智能溫度控制器的原理

智能溫度控制器還可以適用于其他微型控制器，并且可以在硬件不變的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)其他測(cè)試和控制功能，同時(shí)還具有多種工作模式可供選擇。跟傳統(tǒng)的模擬溫度控制器比，除了都能有效控制溫度外，分辨率和精度高以及高智能化都是其特殊的一面。其能夠?qū)崟r(shí)顯示環(huán)境溫度，并有報(bào)警及語(yǔ)音報(bào)溫功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能溫度控制器的軟件系統(tǒng)包括：DS18B20的讀寫(xiě)程序、溫度值的顯示程序、溫度傳感器DS18B20的初始化程序、按鍵控制電路的程序。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)介紹的智能溫度控制系統(tǒng)，充分利用單片機(jī)強(qiáng)大的特性，對(duì)DS18B20 采集的溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與智能控制。從本系統(tǒng)實(shí)用性來(lái)看，具有較高的穩(wěn)定性、較高的抗干擾性能以及快速的溫度采集等特點(diǎn)，且造價(jià)低廉，元器件取材方便，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

Design of intelligent temperature controller

Liu Guoxiang
（Nanjing Howso Technology Co., Ltd., Nanjing 210012, China）

The temperature controller as a electrical switching equipment which can effectively control the temperature, is being widely used. However, with the development of science and technology, the traditional temperature controller has shown a low temperature measurement accuracy, weak resolution, weak anti-interference capability, high energy consumption and the lack of intelligent, and so many inadequacies that it has failed to control the temperature effectively. It is of practical signi fi cance to design a new intelligent temperature controller that meets the requirement. This paper describes design of a new intelligent temperature controller using digital temperature sensors DS18B20. The intelligent temperature controller is operated by AT89C52 of ATMEL corporation, whose structure is simple and temperature measurement is accurate, temperature measurement accuracy. And this system completes the collection of environmental temperature signals by DS18B20, and sends the signals collected to the SCM to process, and complete related intelligent control, meanwhile, the measured ambient temperature is displayed in real-time in the display circuit. In addition, the characteristics of DS18B20 and the use of attention problems are introduced, the principle design graph and key program code are given.

DS18B20; AT89C52; temperature acquisition; intelligent control

劉國(guó)祥（1985— ），男，江蘇鹽城人。