【正文】 傳感器 ， 但熱敏電阻的可靠性差、測量溫度準確率低 ， 而且必須經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后才能由單片機進行處理。在溫度控制器中應用單片機 ， 具有設計簡單、可靠性高、控制精度高 ， 功能易擴展 ， 有較強的通用性等優(yōu)點。因此一個較完善的控制器應具有以下功能 ： 溫度的測量與顯示 、 用戶設定功能 (如溫度設定 ， 定時設定等 )、 對電加熱管的控制功能 、 一些功能鍵 (如定時自動加熱 、 恒溫控制 、 手動加熱等 )， 安全措施 (漏電檢測 、 安全失效保護 、 限溫保護等 )。 整個控制系統(tǒng)分為硬件電路設計和軟件程序設計兩部分。顯然 ， 本文中的核心器件是單片機和溫度傳感器 ， 單片機采用常用的 51 單片機即可 ， 而溫度傳感器的選擇則需慎重。 ● 控制溫度傳感器實現(xiàn)溫度信息采集以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O計。 方案 二 ： 采用模擬溫度傳感器 AD590K， D590K 具有較高精度和重復性 （ 重復性優(yōu)于 ℃ ）， 其良好的非線性可以保證優(yōu)于177。但其測量的值需要經(jīng)過運算放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換再傳給單片機 ， 硬件電路較復雜 ， 調(diào)試也會相對困難 ， 所以本系統(tǒng)不宜采用此法。并且 ,DS18B20 支持一主多從 ,若想實現(xiàn)多點測溫 ,可方便擴展。 4 顯示部分 方案一 ： 采用 I/O 口直接驅(qū)動 ， 需要占用大量可貴的 I/O 口資源 ， 且系統(tǒng)運行后 ， 更換元件不易 ， 不符合系統(tǒng)設計的可靠性、易擴展性原則。 方案三 ： 采用串行口驅(qū)動、動態(tài)掃描顯示 ， 利用單片機的串行口輸出數(shù)據(jù) ，顯示多位數(shù)碼 ， 多個數(shù)碼管可共用驅(qū)動芯片和限流電阻。 綜合以上三種方案 ， 本設計采用方案三 ： 串行口驅(qū)動、動態(tài)顯示。 輸出控制 方案一 ： 采用繼電器 ， 易于控制 ， 且實行比較簡單 ， 但強電和弱電不能很好的隔離 ， 抗干擾能力極差。 綜合以上兩種方案 ， 本設計采用光電藕合器控制負載工作。恒溫箱控制器的總體布局如圖 1 所示。初始溫度設置好后 ， 單片機開啟輸出控制模塊 ， 使電熱器開始加熱 ， 同時將從數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 測量到的溫度值 實時的顯示出來 ， 當加熱到設定溫度值時 ， 單片機控制聲光報警模塊 ， 發(fā)出聲光報警 ， 同時關(guān)閉加熱器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示 ， 系統(tǒng)基本硬件電路圖如圖 2 所示 ， 在本系統(tǒng)中 ， DP1DP3 用于七段數(shù)碼顯示 ： 用于接收 DS18B20采集到的數(shù)字溫度信號 ， FUZA1 控制光電開關(guān) ， 決定電加熱器是否工作 ： K1K3用于按鍵控制 ： BELL 和 、 用于控制揚聲器和發(fā)光二極管 ， 進行聲光報警 ， 串行口用于輸出顯示段碼 ： 、 用于對數(shù)碼管進行動態(tài)掃描。與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同 ， DS18B20 可直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號 ，以供單片機處理 ， 具有連線簡單、微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、精度高等特點。目前已被眾多行業(yè)進行廣泛的運用 （ 鍋爐、溫控表糧庫、冷庫、 工業(yè)現(xiàn)場溫度監(jiān)控 、儀器儀表溫度監(jiān)控、農(nóng)業(yè)大棚溫度監(jiān)控等 ） 。信息經(jīng)過單線接口送入 DS18B20 或從 DS18B20 送出 ， 因此從微處理器到 DS18B20 僅需連接一條信號線和地線。 每片 DS18B20 在出廠時都設有唯一的產(chǎn)品序列號 ， 因此多個 DS18B20 可以掛接于同一條單線總線上 ， 這允許在許多不同的地方放置溫度傳感器 ， 特別適合于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)。加熱電路中采用 MOC3041 目的有兩個 :一是實現(xiàn)強電與弱電的隔離 。電路連接如圖 72， 其在電路中的工作原理是單片機根據(jù)傳感器和設定開關(guān)輸入的控制指令 ， 控制電器的電源通斷。當電源控制電路的輸出管 腳送出的開關(guān)控制指令為高電平 ， MOC3041截止 ， Q2 截止 ， 電器被關(guān)閉 ； 當電源控制電路送出的開關(guān)控制指令為低電平 ，MOC3041 導通 ， Q2 導通 ， 電器被打開。 R8 和 C6 是 Q2 的保護電路。 圖 73 報警電路 8 8 主要元器件介紹 DS18B20 溫度傳感器： DS18B20 特點介紹： （ 1） 獨特的單線接口方式 ， 與單片機通信只需一個引腳 ， DS18B20 與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 （ 3） 可用數(shù)據(jù)線供電 ， 電壓范圍 ： +~+ V。在 10~+85℃范圍內(nèi)誤差 為 ℃。 （ 6） 用戶可自設定非易失性的報警上下限值。 8． DS18B20 的引腳及功能介紹 DS18B20 的外形及 TO92 封裝引腳排列見 圖 81。開漏單總線接口引腳。 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。 表 81 DS18B20 詳細引腳功能描述 9 單線 （ 1wire） 技術(shù) 目前常用的微機和外設之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€有 IC 總線、 SPI 總線等 ，其中 ， IC 總線采用同步串行兩線 （ 一根時鐘線、一根數(shù)據(jù)線 ） 方式 ， 而 SPI 總線采用同步串行三線 （ 一根時鐘線、一根輸入線和一根數(shù)據(jù)出線 ） 方式。美國達拉斯半 導體公司推出了一項特有的單線 （ 1wire） 技術(shù)。 單線技術(shù)適用于單主機系統(tǒng) ， 單主機能夠控制一個或多個從機設備。主機或從機通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至數(shù)據(jù)線 ， 以允許設備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放該線 ， 而讓其他設備使用。 主機和從機之間的通信主要分 3 個步驟 ； 初始化單線器件、識別單線器件和單線數(shù)據(jù)傳輸。如果命令序列混亂 ， 單線器件將不會響應主機。 1wire 協(xié)議由復位脈沖、應答脈沖、寫 0、寫 讀 0 和讀 1 這幾種信號類型組成。 10 DS18B20 溫度值分辨率配置 實測溫度和數(shù)字輸出的對應關(guān)系見表 82。 Y0~Y7 為八個輸出端，用 S S S3 的組合控制譯碼器的導通和截止。串行數(shù)據(jù)輸入端（ A、 B）可控制數(shù)據(jù)，當A、 B 任意一個為低電平時，則禁止新的數(shù)據(jù)輸入，在時鐘（ CLOCK）脈沖上升沿作用下 Q0 為低電平。 74LS164 引腳封裝如圖 83： 圖 83 74LS164 寄存器引腳封裝圖 74LS164 寄存器真值表如表 84， H 表示高電平， L 表示低電平， X 表示任意電平， 表示低到高電平跳變， QA0、 QB0、 QH0 表示規(guī)定的穩(wěn)態(tài)條件建立前的電平， QAn、 QGn 表示最近的 前的電平 表 84 74LS164 寄存器真值表 13 9 系統(tǒng)的應用軟件設計 系統(tǒng)軟件可以分為以下幾個功能模塊 ： (1) 鍵盤管理 ： 監(jiān)測鍵盤輸入 ， 接收溫度預置 ， 啟動系統(tǒng)工作。 (3) 溫度檢測及溫度值變換 ： 完成 A/D 轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波。 (5) 報警 ： 當預置溫度或當前爐溫越限時報警 在軟件設計時 ， 必須先弄清恒溫控制系統(tǒng)的操作過程和工作過程。溫度檢測系統(tǒng)不斷檢測并顯示系統(tǒng)中的實時溫度 ， 當達到設定值后停止加熱 ，當溫度下降到下限 (小于設定值 3℃ )時再自動啟動加熱 ， 這樣不斷的循環(huán) ， 使溫度保持在設定范圍之內(nèi)。若要改變設定的溫度 ， 可以先按復位 ， 停止鍵再重復上述過程。因此 ， 程序可以分為以下幾個功能模塊 ： 溫度設定和啟動 、 顯示 、 溫度檢測 、 溫度控制以及報警。 圖 91 鍵盤處理程序流程 當通電或復位以后 ， 系統(tǒng)進入鍵盤管理狀態(tài) ， 單片機只接收設定溫度和啟動。 鍵盤設定 ： 用于溫度設定。 KEY1(） : 狀態(tài)切換 ； 溫度設置確認 ； 溫度重新設置。 KEY3（ ） : 設置溫度“ ” 。 15 9. 2 顯示模塊 顯示子程序的功能是將緩沖區(qū)的二進制數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成 3 個 BCD 碼 ， 再將其分別存入百位、十位、 個位 3 個顯示緩沖區(qū) ， 送往串行口 ， 利用單片機的 P2 口進行掃描 ， 讓數(shù)據(jù)動態(tài)的顯示出來 ， 可顯示設置溫度和測量溫度。 圖 92 控制模塊程序流程 16 9. 4 溫度報警模塊 報警子程序流程如圖 93 所示。為了防止誤報 ， 設置了 報警允許標志 ， 只有在允許報警的情況下 ， 溫度值高于設定溫度值時才報警。主程序完成系統(tǒng)的初始化 ， 溫度預置及其合法性檢測 ， 預置溫度的顯示及定時器 0 設置。中斷由定時器 0 產(chǎn)生 ， 根據(jù)需要每隔 15 s 中斷一次 ，即每 15 s 采樣控制一次。 圖 94 主程序流程圖 圖 95 中斷服務程序流程圖 18 10 系統(tǒng)仿真 因本系統(tǒng)是利用單片機進行系統(tǒng)控制 ， 所以需采用單片機仿真工具 Proteus進行仿真。Proteus 為使用者建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境 ， Proteus 產(chǎn)品系列也包含了革命性的 VSM 技術(shù) ,用戶可以對基于微控制器的設計連同所有的周圍電子器件一起仿真 ， 是一款非常優(yōu)秀的單片機仿真軟件。 19 11 系統(tǒng)元件 清單： 20 結(jié)束語 本文利用 C8051 對溫度進行控制 ， 采用單總線傳輸方式的 DS18B20 作為溫度傳感器 ， 與按鍵、數(shù)碼顯示、報警器等外部輔助硬件共同組成一個溫度控制系統(tǒng)。因此 ， 本系統(tǒng)的安全性和可擴展性都比較好。 參 考 文 獻 [1] 《單片微型計算機原理及應用》 西安 ： 西安電子科技大學出版社 。 [4] 《單片機應用系統(tǒng)開發(fā)實例導航》 求是科技 靳達 編著 人民郵電出版社 2021 年 10 月 [5] 《 51 系列單片機高級實例開發(fā)指南 （ 附 CDROM 光盤一張 ） 》李軍 等編著 北京航空航天大學出版社 2021 年 06 月 致謝 在此 ， 我要感謝所有曾經(jīng)教導過我的老師和關(guān)心過我的同學 ， 他們在我成長過程中給予了我很大的幫助。 21 附錄一 abfcgdeD P Y[ L E D g n ]1234567abcdefgD P Y _7 S E GabfcgdeD P Y[ L E D g n ]1234567abcdefgD P Y _7 S E GabfcgdeD P Y[ L E D g n ]1234567abcdefgD P Y _7 S E G12A C 220VQ1L1L E DL2L E DI C 4R1R210KR310K12345678161514131211109R P 1B E L LK1K2K3Q2P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1R E S E TP1.0/ E A / V PP0.7T0P0.6T1P 2. 0I N T 0P 2. 1I N T 1 P 2. 2P 1. 7P 2. 3P 1. 6P 2. 4X2P 2. 5X1P 2. 6/RDP 2. 7/WRRXDPSENTXDALE/PC 8 0 5 1ABC L K/ M RQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q77 4 L S 1 6 4Y7Y6Y5Y4Y2Y3Y1Y0E3E2E1CBA7 4 L S 1 3 8V C CV C CV C CDQG N DI C 2 V C C4. 7KV C CV C CR410KR7330R627R839C60. 01URLV C CV C CV C C+C310UR51KY1C1 C233P F33P F 附錄一 恒溫箱控制系統(tǒng)原理圖 22 附錄二 附錄二 恒溫箱控制系統(tǒng) PCB 板 23