基于數(shù)字溫度傳感器和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前溫度檢測(cè)與自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)在生產(chǎn)、生活中可應(yīng)用的領(lǐng)域非常多，大到工礦企業(yè)生產(chǎn)線的環(huán)境溫度監(jiān)控，小到一般居室的室內(nèi)溫度檢測(cè)與調(diào)節(jié)控制。這些不同的應(yīng)用形式在溫度檢測(cè)方式、精度要求、信息傳輸，控制方式等方面存在著諸多的不同，但系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想大致相同，均是按照溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、溫度調(diào)節(jié)控制的基本工作順序來(lái)規(guī)劃的。本文就是在這種思路引導(dǎo)下，提出了一種以智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20和單片機(jī)AT89C52為基礎(chǔ)，可在室內(nèi)場(chǎng)所（如居室、辦公室、小型倉(cāng)庫(kù)）使用的多點(diǎn)溫度檢測(cè)與自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)溫度檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)的基本功能要求是：能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)并顯示室內(nèi)的環(huán)境溫度，并可根據(jù)用戶要求設(shè)定溫度閾值，當(dāng)室內(nèi)溫度在所要求的正常范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)將采集到的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，在監(jiān)測(cè)到的環(huán)境溫度超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出告警提示并開(kāi)啟溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，控制溫度調(diào)節(jié)設(shè)備實(shí)施環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。根據(jù)以上要求，構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

在此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，溫度傳感器選擇DALLAS公司生產(chǎn)的智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該傳感器因具有的功能集成化、輸出信號(hào)數(shù)字化，控制簡(jiǎn)單化等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。在0～100℃時(shí)，DS18B20最大線形偏差小于1℃：有效的測(cè)溫范圍為-55～+125 ℃；編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，測(cè)溫分辨率為0．062 5℃；被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出。

DS18B20將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為1根雙向串行數(shù)據(jù)的信號(hào)線，并允許在這根信號(hào)線上接多個(gè)DS18B20；可由單片機(jī)處理及控制，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或兩根線上，處理器只需1根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路，所設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)潔，抗干擾性能強(qiáng)；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也而采用寄生電源方式產(chǎn)生。

系統(tǒng)控制器采用AT89C52 8位單片機(jī)，該單片機(jī)軟件編程的自由度大，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制。而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便，可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)DS18B20控制工作。

1．1 溫度數(shù)據(jù)采集

由于室內(nèi)環(huán)境溫度受光照、儲(chǔ)物密度、人流量等因素的影響較大，為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和調(diào)節(jié)控制功能執(zhí)行的有效性，在實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集時(shí)采用多點(diǎn)檢測(cè)方式，即通過(guò)在室內(nèi)布設(shè)多個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，由各檢測(cè)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)送往系統(tǒng)控制器分析比較，當(dāng)5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中有3個(gè)以上的檢測(cè)結(jié)果超過(guò)閾值后，認(rèn)定當(dāng)前環(huán)境溫度超限，實(shí)施告警和調(diào)節(jié)控制功能。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)的溫度采集模塊結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

溫度數(shù)據(jù)采集模塊中DS18B20采用外部供電方式，理論上可以在一根數(shù)據(jù)總線上掛256個(gè)DS18B20，但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)．如果掛接25個(gè)以上的DS18B20仍舊有可能產(chǎn)生功耗問(wèn)題。另外單線長(zhǎng)度也不宜超過(guò)80 m，否則也會(huì)影響到數(shù)據(jù)的傳輸。在這種情況下，可以采用分組的方式，用單片機(jī)的多個(gè)I／O來(lái)驅(qū)動(dòng)多路DS18B20。在實(shí)際應(yīng)用中還可以使用一個(gè)MOSFET將I／O口線直接和電源相連，起到上拉的作用。

1．2 鍵盤(pán)控制模塊

由于在本系統(tǒng)中允許用戶按照實(shí)際要求設(shè)定溫度閾值，用戶可根據(jù)對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度要求，設(shè)定所允許的最高或最低溫度參數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度超此限度后，實(shí)施告警及自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)功能。本系統(tǒng)中設(shè)置4個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)，分別與單片機(jī)P1．0、P1．1、P1．2、P1．3口相連，分別實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位，閾值設(shè)定選擇、數(shù)值加、數(shù)值減等功能。

1．3 系統(tǒng)顯示模塊

通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)采集溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示功能，給用戶提供直觀的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。該模塊設(shè)計(jì)采用LCD1602來(lái)實(shí)現(xiàn)，LCD1602與單片機(jī)連接電路如下圖3所示。

1．4 報(bào)警及溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)電路

該模塊的基本功能是在室內(nèi)實(shí)際的測(cè)量溫度達(dá)到用戶設(shè)定閾值的時(shí)候?qū)嵤﹫?bào)警及溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。報(bào)警功能采用的是最簡(jiǎn)單的蜂鳴器，報(bào)警持續(xù)時(shí)間可設(shè)定為30 s（主程序流程圖中在報(bào)警控制之后加報(bào)警時(shí)間判定）。溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能通過(guò)在單片機(jī)P1．7口接繼電器J1，繼電器J1作為溫度調(diào)節(jié)設(shè)備（如空調(diào)）的電源通斷開(kāi)關(guān)。當(dāng)檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)時(shí)，三極管VQ2處于截止?fàn)顟B(tài)，J1斷開(kāi)；當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)P1．7變?yōu)楦唠娖剑龢O管由截止變?yōu)轱柡停琂1觸點(diǎn)閉合，則溫度調(diào)節(jié)設(shè)備的電源開(kāi)關(guān)接通，實(shí)施溫度調(diào)節(jié)，直至溫度達(dá)到設(shè)定要求，P1．7變?yōu)榈碗娖?，J1斷開(kāi)，完成溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程。該部分電路如下圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DS18B20的信號(hào)線與單片機(jī)AT89C52的P3．0口相連，通過(guò)系統(tǒng)軟件控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出或者讀取。其中對(duì)溫度數(shù)據(jù)的讀取包括DS18B20序列號(hào)搜索、溫度轉(zhuǎn)換、溫度數(shù)據(jù)讀取3個(gè)基本過(guò)程。系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過(guò)初始化操作，使總線上的所連接DS18B20均被復(fù)位，接著發(fā)送ROM搜索指令，使序列號(hào)編碼匹配的DS18B20被激活，準(zhǔn)備接受RAM訪問(wèn)指令。RAM訪問(wèn)指令控制處于激活狀態(tài)的DS18B20工作狀態(tài)，完成溫度轉(zhuǎn)換及讀取等工作。在ROM命令發(fā)送之前，RAM命令不起作用。

本系統(tǒng)中設(shè)定5個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)在總線上掛接5個(gè)DS18B20實(shí)現(xiàn)，當(dāng)其中的某一個(gè)DS18B20被激活時(shí)，將所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)P3．0送往主控機(jī)轉(zhuǎn)換分析，在主控器上實(shí)時(shí)顯示，并由主控器對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值比較，每檢測(cè)到一次溫度數(shù)據(jù)超過(guò)閾值，超限檢測(cè)點(diǎn)數(shù)I自加1，直到I的數(shù)值大于等于3時(shí)，單片機(jī)P3．6口輸出控制信號(hào)，使蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)P1．7口送出控制電平，使繼電器J1吸合，溫度調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)接通，實(shí)施溫度調(diào)節(jié)功能。

系統(tǒng)控制軟件執(zhí)行流程如圖5所示。

DS18B20初始化程序如下所示：

程序中設(shè)參數(shù)I是因室內(nèi)環(huán)境受各種因素影響分布不均勻，在實(shí)施溫度超限判定時(shí)不能以某個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)值作為判定依據(jù)，需要綜合多個(gè)采集點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)定I大于等于3，即當(dāng)5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中有任意3個(gè)以上檢測(cè)的溫度超過(guò)閾值時(shí)，就認(rèn)定當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境溫度超過(guò)設(shè)定要求，啟動(dòng)報(bào)警及溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)I數(shù)值清零。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室中完成了系統(tǒng)功能測(cè)試，在面積約70 m2的實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置了5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)到主控機(jī)的距離分布在4～12 m之間，系統(tǒng)測(cè)試時(shí)正值夏季中午，設(shè)定閾值為30℃，即當(dāng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度高于30℃實(shí)施告警和溫度調(diào)節(jié)控制。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，該系統(tǒng)能夠有效地讀取并顯示各檢測(cè)點(diǎn)溫度，溫度數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定準(zhǔn)確，并能夠在3個(gè)以上檢測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)超閾值溫度的時(shí)實(shí)施蜂鳴器報(bào)警并能驅(qū)動(dòng)繼電器J1吸合，接通降溫電源開(kāi)關(guān)實(shí)施降溫處理。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的完成室內(nèi)的多點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示、超限報(bào)警及自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)方案改進(jìn)了傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)試及只測(cè)溫而不能調(diào)節(jié)溫度的缺陷，通過(guò)多點(diǎn)溫度檢測(cè)提高了測(cè)試環(huán)境溫度的準(zhǔn)確性，并有效地將溫度檢測(cè)與溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制功能結(jié)合，具有閾值設(shè)定功能，可使用戶根據(jù)需要設(shè)定告警閾值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定區(qū)域的多點(diǎn)溫度檢測(cè)報(bào)警及溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制等功能，可應(yīng)用于對(duì)環(huán)境溫度要求嚴(yán)格的病房、居室、辦公室、小型倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)所。同時(shí)該系統(tǒng)所提供的實(shí)時(shí)室內(nèi)環(huán)境溫度，也可作為用戶判定冬季室內(nèi)采暖否達(dá)標(biāo)的依據(jù)，成為消費(fèi)者維護(hù)自身權(quán)益的有力工具。

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