分布式溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李曉慧，周孝進(jìn)，徐曉明

蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215000

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的和最基本的參數(shù)之一，在生產(chǎn)過程中常需對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控[1]。近年來，利用單片機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確測(cè)量，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，且成本低廉，應(yīng)用十分廣泛，因此，研究溫度的測(cè)量方法和裝置具有重要的意義[2]。本文所用溫度傳感器是美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20，它集溫度測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字量，傳輸距離遠(yuǎn)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，與單片機(jī)接口幾乎不需要外圍元件[3]。

本文研究的對(duì)象是分布式測(cè)溫系統(tǒng)，之前關(guān)于這方面的研究還存在如下問題：1）單片機(jī)的選擇過于復(fù)雜；2）分布的點(diǎn)不夠多，不能反應(yīng)環(huán)境整體情況；3）多數(shù)系統(tǒng)僅有測(cè)溫顯示部分，缺少其他的輔助部件；4）有些模塊不簡化，系統(tǒng)過于冗雜等。本文在分布式測(cè)量的基礎(chǔ)上，采用多個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20結(jié)合Atmega16芯片和PC機(jī)，設(shè)計(jì)出溫度采集和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量和顯示，同時(shí)對(duì)遇到超出PC機(jī)的溫度設(shè)置范圍的情況能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并控制功率設(shè)備工作。

1 數(shù)字式溫度傳感器DS18B20

1.1 DS18B20性能特點(diǎn)

DS18B20是一款單總線數(shù)字式溫度傳感器。測(cè)試溫度范圍為-55～+l25℃，精度為0.5℃，測(cè)量的溫度值用9～12位數(shù)字表示，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為750ms。轉(zhuǎn)換分辨率和溫度超標(biāo)報(bào)警的上、下限值都可由用戶設(shè)定。DS18B20利用DALLAS的單總線控制協(xié)議和單線控制信號(hào)在總路線上來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。它的工作電壓為3V～5.5V（將外部電源接在VDD腳），在沒有外部電源的情況下，電源由總線為高電平DQ腳上的上拉電阻提供（寄生供電模式），此時(shí)VDD腳接地。

1.2 DS18B20的工作原理

DS18B20的具體測(cè)溫原理如下。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于固定頻率的脈沖信號(hào)；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為脈沖輸入。根據(jù)低溫度系數(shù)晶振和高溫度系數(shù)晶振的差可以計(jì)算出準(zhǔn)確溫度。

當(dāng)DS18B20處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有很強(qiáng)的上拉，采用寄生電源供電方式時(shí)VDD和GND端需接地。另外，由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行，其操作協(xié)議為：初始化DS18B20——ROM功能命令——發(fā)存儲(chǔ)器操作命令——處理數(shù)據(jù)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到分布式溫度測(cè)量與顯示功能，系統(tǒng)分為5個(gè)模塊：電源模塊、測(cè)溫模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊和控制模塊。該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電源模塊

電源電路輸出電壓+5V的穩(wěn)壓電源，它由電源變壓器B，橋式整流電路BRIDGE，濾波電容C1、C3，防止自激電容C2、C4和一只固定式三端穩(wěn)壓器(LM7805)搭成的。

2.2 測(cè)溫模塊

溫度傳感器用數(shù)字式DS18B20，采用單總線模式與單片機(jī)相連，逐個(gè)測(cè)得溫度，送到單片機(jī)處理，求得平均溫度。

2.3 顯示模塊

顯示電路采用7SEG-MPX4-CC四位LED數(shù)碼管，PC口輸出斷碼，掃描通過PA.4-PA.7控制。單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)送到顯示口，先逐個(gè)顯示各個(gè)DS18B20的數(shù)據(jù)，然后顯示平均值，同時(shí)在其中加入時(shí)間模塊，可以顯示出每個(gè)點(diǎn)的測(cè)溫時(shí)間。

2.4 報(bào)警模塊

報(bào)警電路由一個(gè)三極管和蜂鳴器所組成，其控制部分由三極管、二極管、電阻以及繼電器所組成，其信號(hào)是從單片機(jī)的一個(gè)準(zhǔn)雙向口輸出到三極管的基極。用鍵盤可以對(duì)報(bào)警的上下限進(jìn)行設(shè)置。報(bào)警裝置后連接一個(gè)功率控制單元（如電機(jī)、風(fēng)扇等設(shè)備），根據(jù)溫度與設(shè)定值的比較，相應(yīng)啟動(dòng)該單元。

2.5 控制模塊

Atmega16單片機(jī)通過RS232和RS485的轉(zhuǎn)換接口與PC機(jī)相連，通過鍵盤的人機(jī)界面，控制運(yùn)行的程序和顯示結(jié)果的處理。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)程序時(shí)，由于DS18B20采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，所有的輸入和輸出都是通過一條總線實(shí)現(xiàn)的，因此它的時(shí)序就顯得非常重要。所有的數(shù)據(jù)傳輸必須從字節(jié)的低位開始，編寫程序時(shí)必須按照其對(duì)應(yīng)的時(shí)序操作，否則不能獲得完整正確的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)程序主要分為主程序和子程序兩部分。

3.1 主程序

主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示， 讀出并處理DS18B20的測(cè)量溫度值。其主要包括4個(gè)部分，即初始化部分、讀取溫度值部分、調(diào)用顯示子程序以及結(jié)束返回部分。

3.2 讀出溫度子程序

讀出溫度子程序是先對(duì)單個(gè)DS18B20進(jìn)行溫度測(cè)量，然后用掃描方式，即每隔一秒讀取其中一個(gè)，這樣依次讀取各個(gè)溫度值，用數(shù)碼管LED進(jìn)行顯示。

3.3 報(bào)警子程序

報(bào)警子程序是當(dāng)單片機(jī)讀取完數(shù)據(jù)后就開始檢測(cè)溫度值是否超過了預(yù)設(shè)的溫度值范圍。其程序流程圖如圖2所示：

圖2 報(bào)警子程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)仿真

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示圖

本實(shí)驗(yàn)（以8個(gè)DS18B20為例）采用Proteus軟件進(jìn)行仿真。若以8個(gè)DS18B20計(jì)算，各點(diǎn)所測(cè)溫度為25℃，26℃，24℃，24.5℃，26.5℃，26℃，25℃，25.5℃，則用數(shù)學(xué)方法得平均溫度為25.3125℃，而顯示溫度為25.3℃。結(jié)果如圖3所示（見左圖）。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的分布式溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)，有效地結(jié)合了多個(gè)DS18B20芯片進(jìn)行分布式溫度采集，并且實(shí)時(shí)顯示。Atmega16芯片可以根據(jù)PC機(jī)的溫度設(shè)置范圍發(fā)出報(bào)警和控制信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)，可以有效地對(duì)8個(gè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量并分別顯示，遇到超出PC機(jī)的溫度設(shè)置范圍的情況能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并控制風(fēng)機(jī)設(shè)備工作。系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)等溫度測(cè)量及控制領(lǐng)域。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的各模塊采用有線銜接方式，有待集成、簡化，并且要向智能化、精簡化和無線化發(fā)展。Atmega16芯片可以最多銜接16路溫度測(cè)量模塊，如果換用更高性能的芯片或采用分層次銜接，可以銜接64路或更多的測(cè)溫子模塊。這些都有待進(jìn)一步研究。

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[3]易麗華，黃俊.基于AT89C51單片機(jī)與DS18B20的溫度測(cè)量系統(tǒng)[J].電子與封裝，2005，5(9)：39-43.

[4]陳雷，王忠東，陳爽.基于虛擬儀器的分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009，6：64-67.

[5]朱群峰，黃磊，唐杰，王躍球.基于DS18B20的單總線多路溫度采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)，2008，12：29-31.