基于DS18B20溫度控制器的設計

薛曉珍

（山西大醫(yī)院， 山西 太原 030032）

引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，常常對環(huán)境溫度進行監(jiān)測并依據(jù)溫度做出相應的控制。傳統(tǒng)的辦法是用熱電阻或熱電偶等元件來采集溫度信息，但需要AD轉換模塊將采集的模擬量轉換為數(shù)字量，造成了硬件的復雜以及成本的提高[1]，同時也降低系統(tǒng)的可靠性和精度。DS18B20的出現(xiàn)大大解決了上述問題，它是美國DALLAS公司生產(chǎn)的新型單總線數(shù)字式溫度傳感器，集溫度測量與AD轉換為一體，直接輸出數(shù)字量，單總線、硬件簡單，可以實現(xiàn)多點測量，具有體積小，硬件成本低，抗干擾能力強，精度高，附加功能強等特點，廣泛的應用于倉儲管理、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制造、氣象觀測、科學研究以及日常生活中。

1 硬件結構

本文所設計的智能溫度傳感器以STC89C52單片機為主控芯片，采用DS18B20采集溫度信號，DS12C887提供實時時鐘，設計了數(shù)碼管顯示與繼電器輸出控制，并設計了良好的人機交互界面，方便用戶操作，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)圖

按鍵或是紅外遙控輸入控制命令，包括開機、設定溫度、定時選擇，系統(tǒng)置位繼電器對采暖設備進行加熱。實時采集DS18B20溫度傳感器的信息，并將室溫的采集值和設定溫度值顯示到數(shù)碼管上，當室溫達到指定值時系統(tǒng)控制繼電器停止加熱，進入保溫狀態(tài)（低功耗加熱），在加熱的工程中如檢測到設備溫度超過上限，同樣斷開繼電器停止加熱以保護設備，并讓蜂鳴器蜂鳴3次提醒用戶溫度超限了。DS12C887為系統(tǒng)提供準確的時鐘，用戶可以設定定時開機與定時關機，設定時數(shù)碼管將切換到顯示時間值，設定完成后則繼續(xù)顯示溫度值，并可以實時查詢設定的時間值和設備表面的溫度值。該系統(tǒng)采用了雙溫雙控的控制原理，并設計了低功耗保溫，在降低功耗的同時有效的保護了采暖設備。

1.1 STC89C52單片機

STC89C52單片機具有很高的速率和極低的功耗，抗干擾能力強，具有8K的Flash和512K的RAM，存儲空間大，并支持在系統(tǒng)編程（ISP）和在應用中編程（IAP），編寫和下載程序極為的方便。極小的封裝有效減少了目標板的體積，定時器、中斷、看門狗等功能模塊滿足了溫控器功能的要求。該單片機體積小、功耗低、成本低，完全能滿足溫度控制器的功能需求。

1.2 DS18B20溫度傳感器

DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的，它是一款新型單總線數(shù)字式溫度傳感器，及溫度測量與AD轉換為一體，直接輸出數(shù)字量，硬件電路極為簡單[2]。本文采用了兩個DS18B20傳感器，一個用于監(jiān)測室溫一個用于采集設備的溫度，其連接原理圖如圖2所示。

圖2 DS18B20連接原理圖

DS18B20只有3個管腳，VDD接電源，3V～5V，GND為地；DQ為數(shù)據(jù)的輸入輸出。DQ作為輸出時為漏極開路，必須加4.7 kΩ的上拉電阻[3]，本文采用了10 K的上拉電阻。單片機經(jīng)過單線接口DQ訪問DS18B20的工作流程為：對DS18B20進行初始化，然后發(fā)送ROM指令，再發(fā)送RAM操作指令，等到轉換完成即可處理轉換結果。

1.3 時鐘日歷芯片DS12C887

DS12C887芯片也是美國DALLAS公司生產(chǎn)的，能產(chǎn)生世紀、年、月、日、分、秒等信息具有很豐富的功能。DS12C887中自帶有鋰電池，外部掉電時，其內(nèi)部時間信息還能夠保持10年之久，時間的表示可以選二進制或是BCD碼表示，具有可編程方波輸出方式和三種可編程中斷方式[4]，能為系統(tǒng)提供精確的時鐘。DS12C887時鐘芯片能為系統(tǒng)提供精確的時鐘，為溫控器定時功能提供了可靠的保障。DS12C887與STC89C52的連接示意圖如圖3所示。

圖3 DS12C887時鐘芯片與單片機連接原理圖

1.4 數(shù)碼管顯示電路

選用了4位數(shù)碼管顯示當前溫度和設定溫度值以及定時時間，數(shù)碼管采用了靜態(tài)顯示的方法。選用了74HC573鎖存器鎖存P0口的狀態(tài)，一個用于輸出數(shù)碼管的段碼，一個用于數(shù)碼管的位選[5]，原理圖如圖4所示。需要顯示數(shù)字時，首先單片機置位復位P0口8個管腳的不同狀態(tài)控制鎖存器的邏輯，用于選定不同的數(shù)碼管段位信息，為了靜態(tài)顯示，應用74HC573鎖存器，然后單片機將需要顯示的數(shù)字信息通過P2口進行輸出，高低電平狀態(tài)決定了數(shù)碼管點亮的位，從而顯示出需要的數(shù)字信息。

圖4 數(shù)碼管元件與單片機連接原理圖

1.5 繼電器和蜂鳴器控制

繼電器與蜂鳴器選用了三極管的開關原理控制繼電器或是蜂鳴器的通與斷，當I/O口輸出低電平時，三極管導通，繼電器或是蜂鳴器置位；當I/O口輸出高電平時三極管截止，繼電器或是蜂鳴器停止工作。I/O口需串接1 kΩ的電阻以起到限流的作用。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件采用了模塊化思想，根據(jù)溫控器的功能要求，設計了主函數(shù)、溫度檢測函數(shù)、顯示函數(shù)、定時開關機函數(shù)、按鍵處理函數(shù)以及紅外解碼函數(shù)。

主函數(shù)的主要任務是初始化、比較溫度值、調(diào)用子函數(shù)；溫度檢測主要是采集兩個DS18B20的溫度值，并返回轉換完成的值；顯示函數(shù)主要是顯示當前溫度值和設定溫度值，還負責顯示定時設定的時間和設備的表面溫度等信息；定時開關機函數(shù)提供設定定時時間，并負責系統(tǒng)的定時開機與關機；按鍵處理及紅外解碼函數(shù)負責檢測按鍵信息以及接收紅外遙控的控制信息，并依據(jù)信息作出處理，包括開關機、設定溫度值的調(diào)節(jié)和定時時間的設置[6]。為了進一步提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率和降低系統(tǒng)功耗，子函數(shù)均采用中斷的方式，當不需要該功能模塊時，系統(tǒng)不調(diào)用，只有滿足中斷條件時才對調(diào)用該函數(shù)，這樣可提高軟件系統(tǒng)的運行效率和抗干擾程度，并提供了休眠模式降低系統(tǒng)的功耗。

3 結論

本文所設計的智能溫度控制器采用雙溫雙控的原理，可以紅外遙控和手動按鍵控制，可隨時調(diào)節(jié)設定環(huán)境溫度值和設備安全上限溫度值，具有定時開關機的功能。結構簡單、功能強大，系統(tǒng)可靠性高、實時性強，用戶操作方便，具有很強的實用性，能應用于各種加熱設備，具有廣泛的應用。