基于DS18B20的温控系统冷热调节设计

　　随着我国经济的发展，科学研究深入推进，温度监测与控制系统在工业设计、智能仪表、日常家用电器等领域的应用越为广泛，基于单片机设计的电子产品有着广阔的应用市场和发展前景。

　　DS18B20是Dallas公司生产的一款数字温度传感器，超小体积，超低硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加功能强。DS18B20的温度检测与数字数据输出集成于，一个芯片上，单总线数据通信，二进制输出，分辨率最高可达12位，检测温度范围为-55～+125℃，具有限温报警功能。同时，DS18B20内置EEPROM、64位光刻ROM，支持多点组网，根据需要把多个DS18B20并联在唯一的三总线上，便可实现组网多点测温，便于温控系统的扩展和升级。

　　1系统工作原理

　　为实现被控对象温度的冷热调节，所设计的温度控制系统以AT89S51单片机作为控制核心，包括温度采样模块、温度显示模块、执行模块、过欠温指示模块以及小键盘等外同电路。系统时钟频率为12MHz，采用智能集成化器件DS18B20来监测被控对象，将温度值转换为带符号的数字信号，通过单总线输出，实现了温度采集、转换与变送的功能，有利于简化电路。考虑到单片机的直流输出驱动能力，采用三极管、74LS244和74LS07来驱动相应的外围集成电路。温度数据通过4个并行共阳极的LED动态显示，并自行搭建小键盘来实现被控对象目标温度的设定。执行模块利用固态继电器SSR进行光电隔离，实现小功率直流电控制220V交流电通断，使得控制加热管通断、风扇启停的继电器带电或失电，并采用大功率的风扇和加热管以实现有效的温度冷热调节。系统中采用不同颜色的LED灯指示系统的工作运行状态，红色发光二极管亮表示温度过高或过低报警，绿色发光二极管亮则表示系统工作正常。系统组成如图1所示。

　　在核心控制处理模块AT89S51单片机中，为了有效抑制从DS18B20传来的温度数字信号的随机误差，提高系统的测量精度和抗干扰性，在AT89S51单片机的控制程序中加入数字滤波子程序。数字滤波平滑处理尽可能消除系统随机误差的影响，从软件方面提高系统的抗干扰能力。并利用MATLAB对测温数据进行拟合，从而进一步校正测量温度值，使测量值更逼近精确值。

　　2系统硬件设计

　　2．1电源及温度显示模块

　　为避免信号之间的串扰，采用5V直流电源分别为单片机、键盘、固态继电器控制模块、8段数码管供电，并提供上电复位电压。同时为风扇和400W加热器提供220V交流电。

　　温度显示模块采用4个8段数码管显示温度。为稳定显示，采用总线延时的动态显示方式。驱动电路和位选分别由74IS244、74LS07搭建组成。

　　2．2小键盘模块

　　小键盘模块自行搭建，由复位键、确认键、加1键和TAB键等4个按键组成。键盘电路简单明了，满足设定被控对象目标温度的人机交互要求。各个按键的功能说明如表1所示。

　　2．3温度数据采集

　　DS18B20采用单总线专用技术，通过I／O端口线与单片机相接，无须经过其他变换电路便可直接输出被测温度值(12位二进制数，含符号位)。其引脚功能分别为：VDD引脚接工作电源，当工作于寄生方式时，此引脚必须接地；DQ引脚用于数据输入／输出；GND引脚接地。

　　在该系统中DS18B20与单片机的接口电路，如图2所示，VDD经1kΩ的上拉电阻与外部电源相接，GND接地，DQ通过单总线与单片机P0．0口相连。

　　DS18B20测量温度与输出温度之间的关系如表2所示，输出温度为12位的二进制数，存储在DS18B20两个8位的RAM中，二进制数的前5位是符号位。

　　2．4固态继电器驱动模块

　　本设计中选用交流型固态继电器SSR，它是一种输入控制电流小、带光电隔离器的无触点开关。通过控制SSR输入端直流电的通断便可控制输出端交流电的通断，而且启动性能平稳，对电网辐射干扰小。固态继电器控制电路见系统总电路图(图2)，在负载端由100Ω和0．1μF组成串接电路，用于对风扇、加热管进行过电压保护。

　　2．5AT89S51单片机控制模块

　　AT89S5l是整个系统的控制核心，其内置FlashROM，用于存放用户程序。DS18B20所感测的温度数字信号和用户目标温度作为输入信号，经控制程序处理后发出相应的控制信号，显示系统工作状态、被控对象温度值，以及控制SSR直流端的通、断电，从而控制风扇、加热管的通断电，实现被控对象温度的冷热调节。总电路图(图2)中虽然给出DS18B20与单片机的接口电路、固态继电器控制电路，但由于DS18B20和执行设备设置在被控对象现场，因而在实际中要留出相应的信号传输线。

　　3系统软件设计

　　软件部分采用程序模块化设计，便于各个功能的调试和实现。系统软件程序主要由主程序、功能实现和运算控制3个模块组成。