基于C8051F021的智能配電數(shù)字終端溫度控制技術(shù)的設(shè)計

任 仁，章國寶

（東南大學 自動化學院，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，給人們的生活帶來了根本性的變化，單片機技術(shù)[2]的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領(lǐng)域帶來了一次新的革命。溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一像冶金、機械、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現(xiàn)，因此對于電能表外界的一些溫度的影響就很難避免。但每個芯片都有其工作的溫度范圍，如果超出了這個范圍就意味著芯片無法正常工作從而影響測量數(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）便無法正常運行了。

針對如何讓電能表內(nèi)的溫度保持在正常工作范圍內(nèi)，并能自動檢測和調(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。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本設(shè)計具有5個模塊，分別是：

加熱模塊：加熱器的功率比較高，達林頓管已不能驅(qū)動它，此時，筆者選用了一個5 V的繼電器來驅(qū)動，而驅(qū)動繼電器就用達林頓管。

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

溫度檢測模塊：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，是一款功能比較強大的芯片，但內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換需要一定的時間，12位精度的溫度轉(zhuǎn)換所需時間大概為800 ms；對于本模塊而言，實時性要求不是很高，只要控制好箱體內(nèi)的溫度即可。在這里我用了一個800ms的定時器，這樣基本能保證溫度的實時性。

指示模塊：該模塊一共有3個指示燈，都必須放在靠板子的外側(cè)，分別是正常運行指示燈、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，該芯片既可以手動復(fù)位，也可以設(shè)置一個看門狗程序，定時喂狗。

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 AC-DC模塊

該模塊選用了金升陽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，具有過流保護和短路保護，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）獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊；

2）簡單的多點分布應(yīng)用；

3）無需外部器件；

4）可通過數(shù)據(jù)線供電；

5）零待機功耗；

6）測溫范圍-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)換時間200ms（典型值）；

9）用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置；

10）報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；

11)應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費品、溫度計或任何熱感測系統(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，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為測試時鐘輸入；TDI為測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測試模式；TRST為測試復(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，該芯片既可以手動復(fù)位，也可以設(shè)置一個看門狗程序，定時喂狗；如果程序跑飛了，那么當過了一定的時間沒喂狗的話，該芯片會自動復(fù)位，從而讓單片機程序重新開始運行。

選用SP706SEN。該芯片的特性如下：

1）高精度低電壓監(jiān)控器；

2） 獨立的看門狗定時器-溢出周期 1．6 s（SP706P/S/R/T）；

3）去抖TTL/CMOS手動復(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系列單片機中性能最強大的單片機[6]。其特點如下：

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 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)存儲器接口；

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

10）5個通用的 16位定時器；

11）具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列；

12）片內(nèi)看門狗定時器、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個指示燈，都必須放在靠板子的外側(cè)，分別是正常運行指示燈、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。

模塊正常運行時，正常指示燈每隔一秒閃爍一次；當模塊處于加熱狀態(tài)時，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，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，當環(huán)境溫度小于溫度設(shè)定值（即-15°C）時，啟動加熱裝置，同時啟動一個電風扇使終端內(nèi)部的空氣流動起來，以達到終端內(nèi)溫度基本一致。

加熱器的功率比較高，達林頓管已不能驅(qū)動它，此時，我用了一個5 V的繼電器來驅(qū)動，而驅(qū)動繼電器就用達林頓管。

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

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

加熱模塊：加熱的工作原理為：首先該模塊有加熱裝置，當環(huán)境溫度小于溫度設(shè)定值（即-15°C）時，啟動加熱裝置，同時啟動一個電風扇使終端內(nèi)部的空氣流動起來，以達到終端內(nèi)溫度基本一致。

指示模塊：模塊正常運行時，正常指示燈每隔一秒閃爍一次；當模塊處于加熱狀態(tài)時，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，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，該芯片既可以手動復(fù)位，也可以設(shè)置一個看門狗程序，定時喂狗；如果程序跑飛了，那么當過了一定的時間沒喂狗的話，該芯片會自動復(fù)位，從而讓單片機程序重新開始運行。

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

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

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

[2]胡漢才．單片機原理及其接口技術(shù)[M]．北京：清華大學出版社，1995．

[3]張俊謨．SoC單片機原理與應(yīng)用—基于C8051F系列[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007．

[4]龐阡宵．基于C8051的CAN多點實時數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)[J]．電子科技，2011（11）：19-21,24．

PANG Qian-xiao．Research on the communication system of CANmulti-point real-time data based on C8051[J]．Electronic Science and Technology,2011（11）：19-21,24．

[5]閻石．數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，1999．

[6]李華．MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1993．

[7]EPRIUS，EDF R＆D．Profiling and Mapping of Intelligent Grid R＆D Programs[R]．Clamart，F(xiàn)rance：EPRI，Palo Alto，CA，USA and EDFR＆D，2006．