基于DS18B20的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

李 強，田國棟

（長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

溫度在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，在冶金、醫(yī)藥、食品制造和化學(xué)制造業(yè)等行業(yè)尤其顯得重要。在適當(dāng)?shù)臏囟认律a(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和合格率會大大的提高。有些藥品的生產(chǎn)和存儲要在很低的溫度下進行；石油分餾的過程中在不同的溫度下才能分離出汽油、柴油、煤油、硫化物；食品的制造和存儲也要在特定的溫度下才能保證質(zhì)量。在農(nóng)業(yè)大棚蔬菜和室內(nèi)圈養(yǎng)牲畜對于環(huán)境溫度的要求也很高，大棚蔬菜的溫度基本上要保證在20～30℃，雞舍的育雛期溫度要控制在36℃左右。隨著社會生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對于溫度的要求會越來越高，這樣就需要系統(tǒng)不但可以測出室內(nèi)的實際溫度，還可以通過上位機來進行實時的控制，調(diào)整環(huán)境的溫度。

1 系統(tǒng)的整體思路

本系統(tǒng)分為上位機模塊、單片機模塊、溫度采集模塊、加熱模塊。上位機采用的是用VC++6.0的軟件環(huán)境來編寫一個控制界面，用來控制下位機的ATmage8單片機，并且與其通信，傳遞命令和接收信號，上位機和下位機之間利用RS232串口來進行連接；單片機模塊編程來控制和采集DS18B20的溫度信號；ATmage8和DS18B20之間采用單總線的方式來連接。單片機模塊和加熱模塊之間接繼電器，由單片機來控制[1]。上位機設(shè)定溫度范圍，發(fā)送給單片機，單片機接收到后采集溫度傳感器的溫度信號，處理后得到的溫度值進行閾值匹配，控制繼電器的閉合，并傳給上位機，顯示在上位機界面。當(dāng)溫度低于設(shè)定最低閾值時，開啟繼電器，加熱模塊開始工作，當(dāng)?shù)竭_(dá)最高閾值時，閉合繼電器，加熱模塊停止工作。這樣就達(dá)到了控制溫度的目的。

2 硬件部分設(shè)計

2.1 ATmage8單片機簡介

ATmage8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機。它承襲了AT90系列所具有的特定，并增加了更多的接口功能，而且在省電性、穩(wěn)定性、抗干擾性及靈活性方面更加的靈活和周全，它所有的寄存器都直接與ALU相連，這樣提高了代碼的效率；含有32個8位通用寄存器，8k字節(jié)的Flash程序存儲器可擦寫大于10000次；帶有兩個預(yù)分頻的8位定時器/計數(shù)器[2]、一個帶預(yù)分頻的16位定時/計數(shù)器；3個PMW通道，可實現(xiàn)任意16位以相位和頻率的可調(diào)PMW脈寬調(diào)制輸出；一個10位的AD轉(zhuǎn)換，基本滿足大部分的信息采集；片內(nèi)自帶的晶振也是非常的方便；I/O口的拉電流能力可以達(dá)到40 mA，這樣比51單片機的驅(qū)動能力大了很多，在此系統(tǒng)中也就可以直接驅(qū)動繼電器。

2.2 溫度傳感器DS18B20

傳統(tǒng)的溫度傳感器往往采用模擬技術(shù)進行設(shè)計，這樣的話就會遇到線性誤差補償、多點測量中的切換誤差和信號的調(diào)理電路的誤差等問題，這些問題都可以造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，所以數(shù)字化、集成化的溫度傳感器成為發(fā)展的方向。DS18B20溫度傳感器[3]是DALLAS公司生產(chǎn)的新一代數(shù)字溫度傳感器。該傳感器將地址線、數(shù)據(jù)線和控制線合為一根雙向串行數(shù)據(jù)的信號線，并且允許連接多個DS18B20。它具有3引腳的T0-92小體積封裝；測量范圍在-55～+125℃，測量的精度也小于1℃；3引腳分別接在電源、地和一個I/O端口上，十分方便。

2.3 硬件部分

室內(nèi)智能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分主要由單片機模塊、溫度采集模塊和加熱模塊組成，圖1為系統(tǒng)的組成框圖。

圖1 系統(tǒng)的組成框圖Fig.1 The system hardware diagram

其中上位機和單片機之間是互相通信的，上位機發(fā)送溫度閾值和命令給單片機，單片機發(fā)送當(dāng)前溫度值給上位機；單片機和DS18B20之間也是互相通信，單片機發(fā)送初始化和控制命令給溫度傳感器，溫度傳感器把檢測到的溫度信號傳給單片機處理；單片機控制加熱模塊，經(jīng)過溫度采集模塊進行反饋。這樣就形成可一個完整的系統(tǒng)。

2.3.1 單片機模塊

整個系統(tǒng)中ATmage8是核心的內(nèi)容，它不僅負(fù)責(zé)和上位機之間的通信、處理溫度傳感器的信號，轉(zhuǎn)化成溫度值，并且控制電子開關(guān)繼電器，以此來控制加熱模塊。圖2為ATmage8模塊的電路圖。

圖2 ATmage8模塊的電路圖Fig.2 ATmage8 module circuit diagram

其中PC6接的是復(fù)位電路，PB6和PB7這連接的是單片機的振蕩電路，PC6口連接的是R1和C3組成的復(fù)位電路；PD0和PD1是讀寫口，通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片和串口連接，和上位機進行通信。

2.3.2 溫度采集模塊

由于我們要控制的是整個室內(nèi)的溫度，這樣的話一個DS18B20顯然是不能滿足要求的，本系統(tǒng)采用的是多個溫度傳感器共同來工作，在室內(nèi)的多點放置傳感器，這樣就形成一個多點[4]的溫度采集系統(tǒng)。每個DS18B20都有一個唯一的序列號，這樣CPU只需要一根端口線就可以和多個DS18B20通信，連接十分的方便，由于考慮功耗[5]，本系統(tǒng)選取了4個溫度傳感器。圖3為DS18B20和單片機之間的連接圖。

圖3 DS18B20模塊的電路圖Fig.3 DS18B20 module circuit diagram

DS18B20有兩種電源接法，外部方式供電和寄生電源供電，由于寄生供電方式有可能產(chǎn)生電壓不夠，所以本系統(tǒng)采用外部電源供電，用一個上拉電阻使它的電壓穩(wěn)定。圖中1腳接的是地，3腳接的是電源，2腳和單片機的I/O口連接，為數(shù)據(jù)線。

2.3.3 加熱模塊

單片機用一個PB1來控制繼電器的開斷，加熱器隨之開斷。當(dāng)單片機得到溫度傳感器的信號，經(jīng)過處理后得到溫度值和設(shè)定的溫度范圍比較，如果小于最小值，繼電器打開，加熱器開始工作，當(dāng)溫度在閾值范圍內(nèi)或者高于最大值時，繼電器閉合，加熱器隨之關(guān)閉。

此模塊也可以在每個溫度傳感器的旁邊設(shè)置一個加熱裝置，哪個溫度傳感器區(qū)域溫度較低，則控制哪個區(qū)域加熱。也可以根據(jù)實際的需要來調(diào)整各個區(qū)域的溫度，將室內(nèi)分成幾個區(qū)域進行控制，設(shè)定不同的閾值進行比較。

3 軟件部分設(shè)計

軟件部分主要涉及上位機軟件和下位機ATmage8單片機的程序，上位機的軟件部分只需要編輯一個GUI用戶界面，在里面實現(xiàn)和單片機之間的通信即可，圖4為上位機的GUI界面。

圖5 程序的流程圖Fig.5 The program flow diagram

圖4 上位機的GUI界面Fig.4 The PC GUI interface

上位機的程序只是起控制溫度閾值和現(xiàn)實當(dāng)前溫度的功能，在這個界面上，我們就可以很清楚的看出每個傳感器的溫度值，由于傳感器分別分布在室內(nèi)的4個區(qū)域，則顯示的當(dāng)前溫度就是室內(nèi)四個區(qū)域的溫度。這樣工作人員就可以按實際的情況分別修改幾個區(qū)域的溫度閾值，來智能的控制室內(nèi)的溫度，達(dá)到生產(chǎn)要求。

單片機的程序主要和上位機通信，控制傳感器和繼電器，圖5為下位機程序的流程圖

DS18B20和外部中斷初始化后，系統(tǒng)就開始進入while循環(huán)，等待外部中斷的產(chǎn)生，當(dāng)上位機的閾值發(fā)生改變并且通過串口發(fā)送給單片機，程序開始進入中斷，中斷里面是發(fā)送程序，接收到上位機的指示就發(fā)送當(dāng)前的溫度給上位機；同時主程序里開始進行溫度的采集和閾值[6]的對比，利用程序來進行判斷，判斷如果不匹配的話，溫度低了就加熱，溫度高了就定制加熱，保證溫度在合適的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)是采用高性能的ATmage8單片機和高精度的數(shù)字溫度傳感器設(shè)計的一個室內(nèi)智能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用上位機控制溫度的閾值，傳達(dá)給單片機執(zhí)行。實驗驗證，很好的體現(xiàn)了DS18B20很好的精度性能，誤差控制在0.5℃之內(nèi)，適合小面積的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活應(yīng)用，具有很高的使用價值。

[1]李群芳.單片機微型計算機與接口技術(shù)[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]胡漢才.高檔AVR單片機原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]王戰(zhàn)備.室內(nèi)溫度多點檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].信息技術(shù)，2011（1）：20-22.

WANG Bei-zhan.Design of indoor temperature multi-point detection system[J].Information Technology，2011（1）：20-22.

[4]余威明.DS18B20高精度多點溫度檢測顯示系統(tǒng) [J].儀表技術(shù)，2007（3）：37-38.

YU Wei-ming. Multidrug high precision temperature detecting and display system based on DS18B20[J].Instrument Technology，2007（3）：37-38.

[5]孔慶霞，朱全銀.基于DS18B20的遠(yuǎn)距離分布式溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2009（4）：154-156.

KONG Qing-xia，ZHU Quan-yin.Temperature data sampling system for distributed long-distance based on DS18B20[J].Electronic Measurement Technology，2009（4）：154-156.

[6]李振東.蔬菜溫室大棚溫度控制系統(tǒng)[D].青島：中國海洋大學(xué)，2010.