室內(nèi)溫度檢測與調(diào)控系統(tǒng)設計

摘要：介紹了以DS18B20基礎設計室內(nèi)溫度檢測與調(diào)控系統(tǒng)的基本過程，該系統(tǒng)以AT89C52單片機為主控器，采用單線多點檢測技術，在一條總線上掛接5個DS18B20溫度檢測點，并循環(huán)檢測讀取各檢測點溫度數(shù)值，可根據(jù)實際情況設定閾值，當其中任意3個檢測點的溫度均超過閾值時，實施超溫告警及自動溫度調(diào)節(jié)功能，實驗測試結果達到了預期的設計目標。該系統(tǒng)改進了一般溫度檢測裝置單點測試及只測溫而不能調(diào)節(jié)溫度的缺陷，可應用于對環(huán)境溫度要求嚴格的病房、居室、辦公室、小型倉庫等場所。
關鍵詞：溫度檢測；單線多點檢測；報警；溫度調(diào)節(jié)

    目前溫度檢測與自動調(diào)節(jié)技術在生產(chǎn)、生活中可應用的領域非常多，大到工礦企業(yè)生產(chǎn)線的環(huán)境溫度監(jiān)控，小到一般居室的室內(nèi)溫度檢測與調(diào)節(jié)控制。這些不同的應用形式在溫度檢測方式、精度要求、信息傳輸，控制方式等方面存在著諸多的不同，但系統(tǒng)的基本設計思想大致相同，均是按照溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、溫度調(diào)節(jié)控制的基本工作順序來規(guī)劃的。本文就是在這種思路引導下，提出了一種以智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20和單片機AT89C52為基礎，可在室內(nèi)場所(如居室、辦公室、小型倉庫)使用的多點溫度檢測與自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計方案。

1 系統(tǒng)硬件設計
    室內(nèi)溫度檢測與調(diào)控系統(tǒng)的基本功能要求是：能夠?qū)崟r檢測并顯示室內(nèi)的環(huán)境溫度，并可根據(jù)用戶要求設定溫度閾值，當室內(nèi)溫度在所要求的正常范圍內(nèi)時，系統(tǒng)將采集到的溫度數(shù)據(jù)實時顯示，在監(jiān)測到的環(huán)境溫度超過閾值時，系統(tǒng)發(fā)出告警提示并開啟溫度自動調(diào)節(jié)開關，控制溫度調(diào)節(jié)設備實施環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)。根據(jù)以上要求，構建系統(tǒng)結構如下圖1所示。

    在此次系統(tǒng)設計過程中，溫度傳感器選擇DALLAS公司生產(chǎn)的智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該傳感器因具有的功能集成化、輸出信號數(shù)字化，控制簡單化等特點而廣泛應用于溫度檢測系統(tǒng)的設計中。在0～100℃時，DS18B20最大線形偏差小于1℃：有效的測溫范圍為-55～+125 ℃；編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，測溫分辨率為0．062 5℃；被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出。
    DS18B20將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為1根雙向串行數(shù)據(jù)的信號線，并允許在這根信號線上接多個DS18B20；可由單片機處理及控制，多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或兩根線上，處理器只需1根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路，所設計電路簡潔，抗干擾性能強；其工作電源既可在遠端引入，也而采用寄生電源方式產(chǎn)生。
    系統(tǒng)控制器采用AT89C52 8位單片機，該單片機軟件編程的自由度大，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術算法和邏輯控制。而且體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便，可以單獨實現(xiàn)對多個DS18B20控制工作。
1．1 溫度數(shù)據(jù)采集
    由于室內(nèi)環(huán)境溫度受光照、儲物密度、人流量等因素的影響較大，為了保證測量數(shù)據(jù)的準確性和調(diào)節(jié)控制功能執(zhí)行的有效性，在實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集時采用多點檢測方式，即通過在室內(nèi)布設多個溫度檢測點，由各檢測點將采集到的數(shù)據(jù)送往系統(tǒng)控制器分析比較，當5個檢測點中有3個以上的檢測結果超過閾值后，認定當前環(huán)境溫度超限，實施告警和調(diào)節(jié)控制功能。根據(jù)以上要求設計的溫度采集模塊結構如下圖2所示。

    溫度數(shù)據(jù)采集模塊中DS18B20采用外部供電方式，理論上可以在一根數(shù)據(jù)總線上掛256個DS18B20，但實踐中發(fā)現(xiàn)．如果掛接25個以上的DS18B20仍舊有可能產(chǎn)生功耗問題。另外單線長度也不宜超過80 m，否則也會影響到數(shù)據(jù)的傳輸。在這種情況下，可以采用分組的方式，用單片機的多個I／O來驅(qū)動多路DS18B20。在實際應用中還可以使用一個MOSFET將I／O口線直接和電源相連，起到上拉的作用。

1．2 鍵盤控制模塊
    由于在本系統(tǒng)中允許用戶按照實際要求設定溫度閾值，用戶可根據(jù)對室內(nèi)環(huán)境溫度要求，設定所允許的最高或最低溫度參數(shù)，當環(huán)境溫度超此限度后，實施告警及自動溫度調(diào)節(jié)功能。本系統(tǒng)中設置4個按鈕開關，分別與單片機P1．0、P1．1、P1．2、P1．3口相連，分別實現(xiàn)手動復位，閾值設定選擇、數(shù)值加、數(shù)值減等功能。
1．3 系統(tǒng)顯示模塊
    通過該模塊實現(xiàn)采集溫度數(shù)據(jù)的實時顯示功能，給用戶提供直觀的溫度測量數(shù)據(jù)。該模塊設計采用LCD1602來實現(xiàn)，LCD1602與單片機連接電路如下圖3所示。

1．4 報警及溫度自動調(diào)節(jié)電路
    該模塊的基本功能是在室內(nèi)實際的測量溫度達到用戶設定閾值的時候?qū)嵤﹫缶皽囟茸詣诱{(diào)節(jié)功能。報警功能采用的是最簡單的蜂鳴器，報警持續(xù)時間可設定為30 s(主程序流程圖中在報警控制之后加報警時間判定)。溫度自動調(diào)節(jié)功能通過在單片機P1．7口接繼電器J1，繼電器J1作為溫度調(diào)節(jié)設備(如空調(diào))的電源通斷開關。當檢測到的溫度數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)時，三極管VQ2處于截止狀態(tài)，J1斷開；當超過閾值時P1．7變?yōu)楦唠娖?，三極管由截止變?yōu)轱柡?，J1觸點閉合，則溫度調(diào)節(jié)設備的電源開關接通，實施溫度調(diào)節(jié)，直至溫度達到設定要求，P1．7變?yōu)榈碗娖?，J1斷開，完成溫度自動調(diào)節(jié)過程。該部分電路如下圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設計
    DS18B20的信號線與單片機AT89C52的P3．0口相連，通過系統(tǒng)軟件控制，實現(xiàn)信號的輸出或者讀取。其中對溫度數(shù)據(jù)的讀取包括DS18B20序列號搜索、溫度轉(zhuǎn)換、溫度數(shù)據(jù)讀取3個基本過程。系統(tǒng)工作時，首先通過初始化操作，使總線上的所連接DS18B20均被復位，接著發(fā)送ROM搜索指令，使序列號編碼匹配的DS18B20被激活，準備接受RAM訪問指令。RAM訪問指令控制處于激活狀態(tài)的DS18B20工作狀態(tài)，完成溫度轉(zhuǎn)換及讀取等工作。在ROM命令發(fā)送之前，RAM命令不起作用。
    本系統(tǒng)中設定5個溫度檢測點，通過在總線上掛接5個DS18B20實現(xiàn)，當其中的某一個DS18B20被激活時，將所采集到的數(shù)據(jù)通過單片機P3．0送往主控機轉(zhuǎn)換分析，在主控器上實時顯示，并由主控器對所采集到的數(shù)據(jù)與設定的閾值比較，每檢測到一次溫度數(shù)據(jù)超過閾值，超限檢測點數(shù)I自加1，直到I的數(shù)值大于等于3時，單片機P3．6口輸出控制信號，使蜂鳴器報警，同時P1．7口送出控制電平，使繼電器J1吸合，溫度調(diào)節(jié)開關接通，實施溫度調(diào)節(jié)功能。
    系統(tǒng)控制軟件執(zhí)行流程如圖5所示。

    DS18B20初始化程序如下所示：

    程序中設參數(shù)I是因室內(nèi)環(huán)境受各種因素影響分布不均勻，在實施溫度超限判定時不能以某個檢測點的數(shù)值作為判定依據(jù)，需要綜合多個采集點的檢測數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設定I大于等于3，即當5個檢測點中有任意3個以上檢測的溫度超過閾值時，就認定當前室內(nèi)環(huán)境溫度超過設定要求，啟動報警及溫度自動調(diào)節(jié)，同時I數(shù)值清零。

3 實驗測試
    在實驗室中完成了系統(tǒng)功能測試，在面積約70 m2的實驗室中設置了5個監(jiān)測點，5個檢測點到主控機的距離分布在4～12 m之間，系統(tǒng)測試時正值夏季中午，設定閾值為30℃，即當實驗室環(huán)境溫度高于30℃實施告警和溫度調(diào)節(jié)控制?，F(xiàn)場測試時，該系統(tǒng)能夠有效地讀取并顯示各檢測點溫度，溫度數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定準確，并能夠在3個以上檢測點出現(xiàn)超閾值溫度的時實施蜂鳴器報警并能驅(qū)動繼電器J1吸合，接通降溫電源開關實施降溫處理。測試結果表明該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的完成室內(nèi)的多點溫度實時檢測、顯示、超限報警及自動調(diào)節(jié)功能。

4 結論
    該系統(tǒng)方案改進了傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)單點測試及只測溫而不能調(diào)節(jié)溫度的缺陷，通過多點溫度檢測提高了測試環(huán)境溫度的準確性，并有效地將溫度檢測與溫度自動調(diào)節(jié)控制功能結合，具有閾值設定功能，可使用戶根據(jù)需要設定告警閾值，實現(xiàn)了對特定區(qū)域的多點溫度檢測報警及溫度自動調(diào)節(jié)控制等功能，可應用于對環(huán)境溫度要求嚴格的病房、居室、辦公室、小型倉庫等場所。同時該系統(tǒng)所提供的實時室內(nèi)環(huán)境溫度，也可作為用戶判定冬季室內(nèi)采暖否達標的依據(jù)，成為消費者維護自身權益的有力工具。