基于DS18B20的溫控系統(tǒng)冷熱調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)方案

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)研究深入推進(jìn)，溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)在工業(yè)設(shè)計(jì)、智能儀表、日常家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用越為廣泛，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品有著廣闊的應(yīng)用市場和發(fā)展前景。本文提出了一種高精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性較好的溫度調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)方法。采用Atmel公司的AT89S51作為控制核心，以DS18B20作為主要溫度測量和變送元件，結(jié)合小鍵盤、固態(tài)繼電器（SSR）等外圍電路，進(jìn)行光電隔離，根據(jù)指令要求，利用小功率直流電快速控制220V交流電通斷。在軟件處理程序中加入抗干擾能力強(qiáng)的限速數(shù)字濾波，并利用積分分離PID算法，使積分作用在溫度值接近目標(biāo)值時(shí)才起作用，有效降低啟、停頻繁時(shí)給系統(tǒng)帶來的振蕩。為提高溫度測量值的精度，利用MATLAB對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，進(jìn)一步對溫度值進(jìn)行校正。下面一起看看設(shè)計(jì)方案：

1.DS18B20概述

DS18B20是Dallas公司生產(chǎn)的一款數(shù)字溫度傳感器，超小體積，超低硬件開銷，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)。DS18B20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出集成于，一個(gè)芯片上，單總線數(shù)據(jù)通信，二進(jìn)制輸出，分辨率最高可達(dá)12位，檢測溫度范圍為-55～+125℃，具有限溫報(bào)警功能。同時(shí)，DS18B20內(nèi)置EEPROM、64位光刻ROM，支持多點(diǎn)組網(wǎng)，根據(jù)需要把多個(gè)DS18B20并聯(lián)在唯一的三總線上，便可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫，便于溫控系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級。

2.系統(tǒng)工作原理

為實(shí)現(xiàn)被控對象溫度的冷熱調(diào)節(jié)，所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)作為控制核心，包括溫度采樣模塊、溫度顯示模塊、執(zhí)行模塊、過欠溫指示模塊以及小鍵盤等外同電路。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12MHz，采用智能集成化器件DS18B20來監(jiān)測被控對象，將溫度值轉(zhuǎn)換為帶符號的數(shù)字信號，通過單總線輸出，實(shí)現(xiàn)了溫度采集、轉(zhuǎn)換與變送的功能，有利于簡化電路。考慮到單片機(jī)的直流輸出驅(qū)動能力，采用三極管、74LS244和74LS07來驅(qū)動相應(yīng)的外圍集成電路。溫度數(shù)據(jù)通過4個(gè)并行共陽極的LED動態(tài)顯示，并自行搭建小鍵盤來實(shí)現(xiàn)被控對象目標(biāo)溫度的設(shè)定。執(zhí)行模塊利用固態(tài)繼電器SSR進(jìn)行光電隔離，實(shí)現(xiàn)小功率直流電控制220V交流電通斷，使得控制加熱管通斷、風(fēng)扇啟停的繼電器帶電或失電，并采用大功率的風(fēng)扇和加熱管以實(shí)現(xiàn)有效的溫度冷熱調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中采用不同顏色的LED燈指示系統(tǒng)的工作運(yùn)行狀態(tài)，紅色發(fā)光二極管亮表示溫度過高或過低報(bào)警，綠色發(fā)光二極管亮則表示系統(tǒng)工作正常。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 溫控系統(tǒng)組成框圖

在核心控制處理模塊AT89S51單片機(jī)中，為了有效抑制從DS18B20傳來的溫度數(shù)字信號的隨機(jī)誤差，提高系統(tǒng)的測量精度和抗干擾性，在AT89S51單片機(jī)的控制程序中加入數(shù)字濾波子程序。數(shù)字濾波平滑處理盡可能消除系統(tǒng)隨機(jī)誤差的影響，從軟件方面提高系統(tǒng)的抗干擾能力。并利用MATLAB對測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而進(jìn)一步校正測量溫度值，使測量值更逼近精確值。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1電源及溫度顯示模塊

為避免信號之間的串?dāng)_，采用5V直流電源分別為單片機(jī)、鍵盤、固態(tài)繼電器控制模塊、8段數(shù)碼管供電，并提供上電復(fù)位電壓。同時(shí)為風(fēng)扇和400W加熱器提供220V交流電。溫度顯示模塊采用4個(gè)8段數(shù)碼管顯示溫度。為穩(wěn)定顯示，采用總線延時(shí)的動態(tài)顯示方式。驅(qū)動電路和位選分別由74IS244、74LS07搭建組成。

3.2小鍵盤模塊

小鍵盤模塊自行搭建，由復(fù)位鍵、確認(rèn)鍵、加1鍵和TAB鍵等4個(gè)按鍵組成。鍵盤電路簡單明了，滿足設(shè)定被控對象目標(biāo)溫度的人機(jī)交互要求。各個(gè)按鍵的功能說明如表1所示。

3.3溫度數(shù)據(jù)采集

DS18B20采用單總線專用技術(shù)，通過I/O端口線與單片機(jī)相接，無須經(jīng)過其他變換電路便可直接輸出被測溫度值（12位二進(jìn)制數(shù)，含符號位）。其引腳功能分別為：VDD引腳接工作電源，當(dāng)工作于寄生方式時(shí)，此引腳必須接地;DQ引腳用于數(shù)據(jù)輸入/輸出;GND引腳接地。

在該系統(tǒng)中DS18B20與單片機(jī)的接口電路，如圖2所示，VDD經(jīng)1kΩ的上拉電阻與外部電源相接，GND接地，DQ通過單總線與單片機(jī)P0.0口相連。

圖2 系統(tǒng)總體電路

DS18B20測量溫度與輸出溫度之間的關(guān)系如表2所示，輸出溫度為12位的二進(jìn)制數(shù)，存儲在DS18B20兩個(gè)8位的RAM中，二進(jìn)制數(shù)的前5位是符號位。

3.4固態(tài)繼電器驅(qū)動模塊

本設(shè)計(jì)中選用交流型固態(tài)繼電器SSR，它是一種輸入控制電流小、帶光電隔離器的無觸點(diǎn)開關(guān)。通過控制SSR輸入端直流電的通斷便可控制輸出端交流電的通斷，而且啟動性能平穩(wěn)，對電網(wǎng)輻射干擾小。固態(tài)繼電器控制電路見系統(tǒng)總電路圖（圖2），在負(fù)載端由100Ω和0.1μF組成串接電路，用于對風(fēng)扇、加熱管進(jìn)行過電壓保護(hù)。

3.5AT89S51單片機(jī)控制模塊

AT89S5l是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，其內(nèi)置FlashROM，用于存放用戶程序。DS18B20所感測的溫度數(shù)字信號和用戶目標(biāo)溫度作為輸入信號，經(jīng)控制程序處理后發(fā)出相應(yīng)的控制信號，顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)、被控對象溫度值，以及控制SSR直流端的通、斷電，從而控制風(fēng)扇、加熱管的通斷電，實(shí)現(xiàn)被控對象溫度的冷熱調(diào)節(jié)?？傠娐穲D（圖2）中雖然給出DS18B20與單片機(jī)的接口電路、固態(tài)繼電器控制電路，但由于DS18B20和執(zhí)行設(shè)備設(shè)置在被控對象現(xiàn)場，因而在實(shí)際中要留出相應(yīng)的信號傳輸線。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分采用程序模塊化設(shè)計(jì)，便于各個(gè)功能的調(diào)試和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件程序主要由主程序、功能實(shí)現(xiàn)和運(yùn)算控制3個(gè)模塊組成。

4.1主程序模塊

主程序模塊采用循環(huán)查詢直至中斷退出，以達(dá)到溫控系統(tǒng)冷熱自動控制的目的。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

4.2運(yùn)算控制模塊

運(yùn)算控制模塊包括數(shù)字濾波、PID算法、溫度傳感器控制3個(gè)子程序。數(shù)字濾波由限速濾波實(shí)現(xiàn)，限速濾波能充分利用每一個(gè)采樣值，保證了采樣的實(shí)時(shí)性和采樣值變化的連續(xù)性。限速濾波子程序流程如圖4所示。

圖4 限速濾波子程序流程

PID算法由積分分離PID算法實(shí)現(xiàn)，采用積分分離的方法，在被控量開始監(jiān)控時(shí)取消積分作用，在溫度值接近目標(biāo)值時(shí)才產(chǎn)生積分作用，有效降低系統(tǒng)啟、停次數(shù)頻繁給系統(tǒng)帶來的振蕩。積分分離PID算法為：

式中，Y（K）為溫度的目標(biāo)設(shè)定值，C（K）為經(jīng)數(shù)字濾波后的溫度測量值，△Y為設(shè)定的最大允許偏差值。根據(jù)此算法思想可用匯編語言編程實(shí)現(xiàn)積分分離PID算法。

DS18B20控制子程序按照DS18B20的通信協(xié)議編制，包括DDS18B20初始化，DS18B20讀、寫控制子程序，分別按照相應(yīng)的規(guī)則說明進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

4.3功能實(shí)現(xiàn)模塊

功能實(shí)現(xiàn)模塊包括溫度值設(shè)置、溫度顯示、固態(tài)繼電器通斷控制以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示等子程序，其中在溫度顯示子程序中要完成各個(gè)位置段碼的調(diào)用、數(shù)碼管的選通以及數(shù)據(jù)總線的穩(wěn)定（一般采用延時(shí)幾ms實(shí)現(xiàn)）。

5.系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試主要進(jìn)行PID參數(shù)的整定和溫度值的系統(tǒng)誤差校正。PID參數(shù)及系統(tǒng)其它參數(shù)的整定首先采用經(jīng)驗(yàn)值，再逐個(gè)細(xì)調(diào)，以滿足控制精度要求。根據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用MATLAB進(jìn)行一維曲線擬合，校正系統(tǒng)誤差，從而得到更準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。

MATLAB擬合過程和結(jié)果如圖5所示。圖5中“O”表示（檢測值，標(biāo)準(zhǔn)值），“*”表示（檢測值，擬合值），一維曲線擬合方程為：y=0.9948x-0.3996，經(jīng)數(shù)字濾波后的采樣值再采用此方程處理便可得到更為精確的測量值。

圖5 一維曲線擬合圖

結(jié)束語

從溫控系統(tǒng)冷熱調(diào)節(jié)詳細(xì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，充分利用DS18B20單總線測溫的準(zhǔn)確性和便捷性，并使用限速濾波、積分分離PID算法、MATLAB一維曲線擬合等方法來提高系統(tǒng)的可靠性和測量值的精確性;結(jié)果表明，溫控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)與MATLAB相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的抗干擾性、穩(wěn)定性并使測量值的誤差減少到5%以下。但信號傳輸線的抗干擾、鍵盤按鍵消抖等方面還不夠完善，而且采用MATLAB進(jìn)行處理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣不夠充分，未考慮在測量過高或過低溫度時(shí)的溫度漂移情況，因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步的深入與完善。
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