0 引言
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，溫度的測量及控制越來越重要,。傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)采用熱敏電阻器或熱電偶測量溫度,，但是由于模擬溫度傳感器輸出的是模擬信號，必須經(jīng)過A／D轉換等環(huán)節(jié)才能獲得數(shù)字信號,，再加上這種溫度采集電路有時需要冷端補償電路,，這樣增加了電路的復雜性，且電路易受干擾,，使采集到的數(shù)據(jù)準確性不高,。隨著技術的發(fā)展，目前國際上新型溫度傳感器已從模擬式向數(shù)字式,，從集成化向智能化,、網(wǎng)絡化的方向飛速發(fā)展。智能化溫度傳感器DS18B20將溫度傳感器,、寄存器,、接口電路集成在一個芯片中，能直接輸出數(shù)字信號,。本論文設計了以ATmega16單片機和DS18B20為主構成的智能溫控系統(tǒng),，該系統(tǒng)的溫度啟控點可以根據(jù)用戶需要而自行設定。
1 系統(tǒng)控制原理及總體構成
1．1 系統(tǒng)總體構成
溫控系統(tǒng)主要有2大任務,；采集溫度信息和能對溫度實時控制,。為完成控制要求，本智能溫控系統(tǒng)的總體構成如圖1所示,。
1．2 系統(tǒng)控制原理
智能溫控系統(tǒng)通過DS18B20采集溫度信息并將其傳送到ATmega16單片機中,，單片機再將采集的溫度信息與用戶設定的溫度值進行比較，從而控制加熱／通風執(zhí)行機構是否需要加熱或降溫,。用戶可通過鍵盤輸入來設置溫度值,，LCD顯示用戶設定的溫度值,、當前采集溫度值。如果發(fā)生故障時,，系統(tǒng)發(fā)出聲,、光報警。
2 系統(tǒng)的硬件設計
系統(tǒng)硬件電路的設計主要包括4大部分：單片機核心部分,、DS18B20溫度采集模塊,、加熱／通風執(zhí)行機構、報警電路,。
2．1 單片機核心部分
ATmegal6單片機采用Harvard結構,，內置WDT，具有高速,、低功耗,，可直接驅動LED、SSR或繼電器等特點,，因此本系統(tǒng)采用該單片機作為微處理器中,。單片機核心部分的設計主要包括ATmega16單片機的最小系統(tǒng),、4×4鍵盤,、漢字式LCD(SMG12864)液晶顯示、電壓檢測和報警電路的設計,。其中,，PB2，PB3作為電壓檢測輸入端,，若系統(tǒng)發(fā)生欠壓,、失壓或過壓時可產(chǎn)生報警信號；PB6,、PB7與報警電路連接,，控制聲、光報警,；PC端8個引腳與SMG12864A連接,，控制漢字式LCD顯示；PC端8個引腳外接4×4鍵盤,，使用戶進行溫度設定,；PD4、PD5分別作為加熱執(zhí)行機構和通風執(zhí)行機構的控制信號輸出端,；PA0與DS18B20的DQ進行連接,，作為溫度采集信號輸入端。
2．2 DS18B20溫度采集模塊
在眾多應用于溫度監(jiān)測的溫敏元件中,，雖然溫敏電阻成本低,，但后續(xù)電路復雜,，且需要進行溫度標定，因此本系統(tǒng)采用DS18B20進行溫度采集,。DS18B20是美國Dallas半導體公司生產(chǎn)的新一代1-wire總線的數(shù)字式溫度傳感器,，測量范圍在-55～+125℃，最大分辨可達0．062 5℃,。
DS18B20的TO-92封裝有3個引腳：GND,、DQ和VDD。DS18B20可采用2種方式供電：一種是采用電源供電方式(即GND與地線連接,，DQ與ATme-ga16的PA0連接,，VDD與5V電源連接)；另一種是寄生電源供電方式(即VDD和GND接地,，DQ與ATmega16的PA0連接),。由于外部電源供電方式，工作穩(wěn)定可靠,，抗干擾能力強,，電路簡單，因此本系統(tǒng)采用外部電源供電方式,。外部電源供電方式的I／O線可不需要接強上拉,，不存在電源電流不足的問題。
DS18B20內部自帶A／D轉換器,，通過內部的溫度采集,、A／D數(shù)據(jù)轉換等過程，以形成與溫度相對應的數(shù)字值,，最后將該數(shù)字值由DS18B20的DQ端經(jīng)PA0送給ATmega16單片機,。測溫原理如圖2所示。
2．3 加熱／通風執(zhí)行機構
加熱／通風主要是通過控制風扇轉動以達到降溫的目的,，或者通過控制加熱器加熱達到升溫的目的,。溫度的上升或下降具有一定的慣性，因此要想達到精度較高的溫控效果必須要設計相應的控制電路,。傳統(tǒng)的加熱／通風執(zhí)行機構可能采用電磁繼電器作為開關元件,，其缺點是壽命短、開關速度慢,、溫度變化慣性大,，難以滿足工藝要求。本系統(tǒng)采用固態(tài)繼電器(Solid State Relay,，SSR)作為加熱／通用執(zhí)行機構的開關元件,，它具有壽命長、可靠性高,、開關速度快,、電磁干擾小,、無噪聲、無火花等特點,。
要達到較好的溫控效果,，風扇的轉速和通過加熱器的電流大小應能發(fā)生改變，即功率可調,。采用可控硅實現(xiàn)交流調功時通常有2種方法：一種是改變負載電壓波形的導通角,，即調相；另一種是負載電壓波形不變而改變其電壓波形在時間段內的出現(xiàn)次數(shù),，即PWM脈沖調功,。調相調功采用移相觸發(fā)，PWM脈沖調功采用過零觸發(fā),。由于過零觸發(fā)方式不對電網(wǎng)造成嚴重污染和干擾其它用電設備,，是應用較為廣泛的一種方法，因此本系統(tǒng)采用PWM調功,?？梢酝ㄟ^軟件編程方式由ATmega16的PD4(OC1B)和PD5(OC1A)直接輸出PWM波形來控制風扇的轉速和加熱器電流的大小。
加熱／通風執(zhí)行機構的開關元件選用交流過零觸發(fā)型SSR,，控制方法采用過零觸發(fā),，當控制信號輸入后，SSR在交流電源為零電壓附近導通,。通風執(zhí)行機構的電路如圖3所示,，加熱執(zhí)行機構的電路與此電路類似,。
2．4 報警電路
本系統(tǒng)采用蜂鳴器作為聲音報警電路,，它由晶體管和蜂鳴器組成。采用發(fā)光二極管作為系統(tǒng)異常顯示,，它由紅,、綠發(fā)光二極管及限流電阻構成。單片機工作在正常情況下時,，綠色發(fā)光二極管點亮,，蜂鳴器不發(fā)聲。當溫度測量值超出給定的上,、下限或者系統(tǒng)出現(xiàn)低電壓時,，由ATmega16單片機的PB6控制蜂鳴器發(fā)聲，PB7控制綠色發(fā)光二極管熄滅,，而紅色發(fā)光二極管點亮,。控制蜂鳴器輸出不同聲音而區(qū)分系統(tǒng)是電壓異常還是測量值超出異常,。
3 系統(tǒng)的軟件設計
本系統(tǒng)采用ATmega16作為核心處理器件,，上電時首先通過PB2,、PB3檢測系統(tǒng)電壓是否異常，若異常發(fā)出報警信號,。在電壓正常情況下將經(jīng)過DS18B20現(xiàn)場實時采集到的溫度值存入ATmega16的內部數(shù)據(jù)存儲器,，并送SMG12864A顯示，同時與設定的溫度值進行比較,，然后由ATme-ga16輸出控制信號去控制加熱／通風執(zhí)行機構,。進行溫度控制程序設計時還應考慮越限報警。當采集到的溫度值與設定的溫度值進行比較后,，若發(fā)現(xiàn)當前溫度值越限,，則產(chǎn)生報警信號。因此,，本系統(tǒng)的軟件設計主要包括：系統(tǒng)初始化,，鍵盤掃描、溫度讀取,、溫度顯示,、報警、加熱控制和通風控制等,，這些操作分別由相應子程序模塊完成,。其軟件設計流程如圖4所示。
4 結語
該智能溫控系統(tǒng)在Proteus上仿真成功后,，進行了電路實物的制作,，并成功完成了整機調試。整機在實際運行中完全達到設計要求,，并具有較高的可靠性,。若將該系統(tǒng)加以適當?shù)臄U展，可以組成功能更加強大的溫控系統(tǒng),，能形成多點,、無線傳輸?shù)臏囟冗h程監(jiān)控網(wǎng)絡。