【導讀】以AT89S52單片機和DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器為核心,可對多點的溫度進行實時巡檢的設計方案。各檢測單元能獨立完成各自功能,同時可根據(jù)下位機的指令對溫度進行定時采集,測量結果不僅能在本地實時顯示,且在越出警戒值時斷開繼電器;并在必要時可利用單片機串行口,通過RS-485總線及通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機,同時進行存檔、處理。
目前單片機被廣泛應用于溫度檢測和溫度控制中;同時單片機控制可控硅觸發(fā)信號也成為今后發(fā)展趨勢。因此,設計了基于Atmel公司的AT89S52控制系統(tǒng)和數(shù)字溫度傳感器DS18B20的溫度測量進行現(xiàn)場溫度采集。溫度值既可送回主控PC進行數(shù)據(jù)處理,由顯示器顯示;也可由下位機單獨工作,實時顯示當前各點的溫度值,并對各點進行控制。下位機采用單片機基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20系統(tǒng)。
1 方案論證
多點溫度檢測系統(tǒng)中,一般具有測量點多、布線分散、環(huán)境復雜等特點,如若選擇普通的溫度傳感器,為了將最終的檢測信號送回計算機處理,需要經(jīng)過A/D轉換電路和接口電路,才能將所檢測到的模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號,再加上復雜的環(huán)境、較遠的傳輸距離等因素,使得多點溫度檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較低。因此,設計了一種性能優(yōu)良的多點溫度檢測系統(tǒng),其關鍵是溫度傳感器和主控單元的選擇與設計。
1.1 傳感器選擇
在先前的多點溫度檢測系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的溫度傳感器一般將所采集到的模擬信號作為信號源,在A/D轉換后進行遠距離的傳輸,這便導致了精度相對較低。本設計采用數(shù)字溫度采集芯片DS18B20采集信號,直接輸出數(shù)字信號,便于主控電路處理和控制,避免了傳統(tǒng)溫度傳感器的缺點及復雜的外圍電路。此外,DS18B20性能穩(wěn)定,僅采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸,在0~100℃時,最大線形偏差<1℃,可用于工業(yè)測溫系統(tǒng)。單片機AT89S52可直接帶入多個DSB1820,因此可容易實現(xiàn)多點測量,輕松地組建傳感器網(wǎng)絡。
采用溫度芯片DS18B20測量溫度,可體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化的趨勢。部分功能電路的集成,使總體電路更簡潔,搭建電路和焊接電路時更快。同時,集成塊的使用,有效避免了外界干擾,提高測量電路的精確度,所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。
1.2 主控制模塊設計
設計采用8位單片機AT89S52作為主控模塊的核心器件。AT89S52芯片編程自由度大,可輕松實現(xiàn)各類算術算法和控制算法,且體積小、性能強大??蓡为殞崿F(xiàn)對多個溫度芯片DS18B20的采集,并可控制繼電器關斷和風鳴器報警,輕松實現(xiàn)與電腦的互聯(lián)通信。本設計采用主從分布思想,由一臺PC機作為上位機,多點溫度采集系統(tǒng)作為下位機,組成兩級分布式多點溫度測量的巡回檢測系統(tǒng),以實現(xiàn)遠程控制。
1.3 系統(tǒng)方案
系統(tǒng)硬件制作分為主控器和檢測器兩部分。本系統(tǒng)為典型的單片機檢測應用系統(tǒng),而原先采用的模擬式和數(shù)字式均無法實現(xiàn)系統(tǒng)中的所有功能。因此,本系統(tǒng)上述兩部分硬件方案將采用智能式單片機系統(tǒng)。
檢測器部分采用多個單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20多點檢測電路、放大器、A/D轉換電路等模數(shù)組合復雜電路,主控器部分AT89S52自帶看門狗功能、時鐘電路、存儲器及顯示電路、報警和控制電路,以及與PC機的通信電路等。
2 硬件電路設計
2.1 溫度測試電路
采用Dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20,芯片采用3引腳TO-92小體積封裝形式。測溫分辨率最高可達0.062 5℃,具有較高的精度,被測溫度能夠以16位數(shù)字量方式串行輸出。
DS18B20支持“一線總線”接口,測量溫度范圍為-55~+125℃,在-10~+85℃范圍內(nèi),精度為±0.5℃?,F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸,大幅提高了系統(tǒng)的抗干擾性,適合惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。DS18B20的特點是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式,其數(shù)據(jù)I/O均由同一條線來完成,硬件連接電路如圖1所示。
2.2 溫度實時顯示電路
目前工業(yè)控制顯示電路通常采用LED或LCD顯示數(shù)字,而顯示的過程也可簡單歸結于編程和譯碼的互逆過程。本設計考慮到現(xiàn)場溫度將超過100 ℃,因此,采用了3個共陰極7段顯示數(shù)碼管。顯示方式有動態(tài)掃描方式,即用一塊CC4511芯片就可以完成顯示功能。為確保突然停電時系統(tǒng)具備溫度報警數(shù)據(jù)的記憶功能,應選用具備掉電保護數(shù)據(jù)特性的存儲器,設計選用I2C串行芯片EEPROM24C16、CC4511BCD譯碼器輸出,ULN2003達林頓芯片為位驅動掃描信號。
2.3 報警及控制SSR關斷電路
保護電路主要是要求控制SGS系列小型交流固態(tài)繼電器的關斷,使進相器退出工作。SGS系列小功率單相交流固態(tài)繼電器,為單刀單擲一常開線路板安裝式。輸入采用直流控制型式,輸出端由雙向可控硅交流開關組成,開關型式分為過零導通型和隨機導通型。固體繼電器(Sol id State Relay SSR)是利用現(xiàn)代微電子與電力電子技術相結合而發(fā)展的一種新型無觸點電子開關器件。其可實現(xiàn)用微弱的控制信導控制0.1 A直至幾百A電流負載,進行無觸點接通或分斷。固體繼電器是一種4端器件,各兩個輸入端和輸出端。輸入端接控制信號,輸出端與負載、電源串聯(lián),SSR實際是一個受控的電力電子開關。
由于固體繼電器具有高穩(wěn)定、高可靠、無觸點及壽命長等優(yōu)點,被廣泛應用于電動機調速、正反轉控制、調光、家用電器、烘箱烘道加溫控溫、送變電電網(wǎng)的建設與改造、電力拖動、印染、塑科加工、煤礦、鋼鐵、化工和軍用等方面。
當NPN三極管的VBE>0.7 V,VCE≈0 V,三極管集電極和發(fā)射極會飽和導通;當繼電器不吸合時,2003IC13腳為高電平,隨即導通三極管,而導通的三極管處于接地狀態(tài)。鋒鳴器一頭接地另一頭接12 V所以會報警。反之,當繼電器吸合時,2003IC13腳會是低電平,則不會導通三極管,而三極管是懸空狀態(tài),因此鋒鳴器不會報警。
總體上本方案中所設計的報警電路較為簡單,由一個自我震蕩型的蜂鳴器來進行報警,該蜂鳴器是通過ULN2003電流放大IC來控制,當檢測系統(tǒng)檢測到溫度達到一定的上界時,報警及控制電路開始工作。先由軟件控制單片機的P0.7腳發(fā)高電平,通過IC2003的13腳驅動繼電器工作,二極管D5反向續(xù)流,抑制浪涌,一般選1N4148即可。繼電器觸點吸合廷時一個機器周期,然后再由軟件控制單片機的P0.7腳發(fā)低電平;此時2003IC13腳為高電平,極管集電極和發(fā)射極會飽和導通,從而使鋒鳴器報警。
2.4 通訊接口的設計
考慮到本設計通信距離>100 m的適用要求,在系統(tǒng)中選用RS485。MAX485是由Maxim公司生產(chǎn)的一種低功率RS485接收發(fā)送器,其是將TTL電平與RS485標準電平相互轉換。由于本系統(tǒng)的通信采用RS485標準,因而,在硬件電路中采用MAX485芯片。該芯片能驅動32個接收器件,因此可達到多個檢測器的設計要求。
3 結束語
設計了基于AT89S52單片機和DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器的多點溫度檢測電路。該系統(tǒng)能根據(jù)下位機的指令對溫度進行定時采集,測量結果不僅可本地實時顯示,且能在越出警戒值時斷開繼電器;并在必要時利用單片機串行口,通過RS-485總線及通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機。該系統(tǒng)性能強大、功能完整,具備良好的應用價值。
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