基于AT89S52單片機(jī)的溫度檢測(cè)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)

 摘要 提出了以Atmel公司的AT89S52單片機(jī)和Dallas公司的DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器為核心，可對(duì)多點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢的設(shè)計(jì)方案。各檢測(cè)單元能獨(dú)立完成各自功能，同時(shí)可根據(jù)下位機(jī)的指令對(duì)溫度進(jìn)行定時(shí)采集，測(cè)量結(jié)果不僅能在本地實(shí)時(shí)顯示，且在越出警戒值時(shí)斷開繼電器;并在必要時(shí)可利用單片機(jī)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(jī)，同時(shí)進(jìn)行存檔、處理。

目前單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于溫度檢測(cè)和溫度控制中;同時(shí)單片機(jī)控制可控硅觸發(fā)信號(hào)也成為今后發(fā)展趨勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)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(cè)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度采集。溫度值既可送回主控PC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由顯示器顯示;也可由下位機(jī)單獨(dú)工作，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各點(diǎn)的溫度值，并對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行控制。下位機(jī)采用單片機(jī)基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20系統(tǒng)。

1 方案論證

多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，一般具有測(cè)量點(diǎn)多、布線分散、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，如若選擇普通的溫度傳感器，為了將最終的檢測(cè)信號(hào)送回計(jì)算機(jī)處理，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路和接口電路，才能將所檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再加上復(fù)雜的環(huán)境、較遠(yuǎn)的傳輸距離等因素，使得多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較低。因此，設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)良的多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其關(guān)鍵是溫度傳感器和主控單元的選擇與設(shè)計(jì)。

1.1 傳感器選擇

在先前的多點(diǎn)溫度檢測(cè)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(hào)作為信號(hào)源，在A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸，這便導(dǎo)致了精度相對(duì)較低。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫度采集芯片DS18B20采集信號(hào)，直接輸出數(shù)字信號(hào)，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(diǎn)及復(fù)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(shí)，最大線形偏差<1℃，可用于工業(yè)測(cè)溫系統(tǒng)。單片機(jī)AT89S52可直接帶入多個(gè)DSB1820，因此可容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。

采用溫度芯片DS18B20測(cè)量溫度，可體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化的趨勢(shì)。部分功能電路的集成，使總體電路更簡(jiǎn)潔，搭建電路和焊接電路時(shí)更快。同時(shí)，集成塊的使用，有效避免了外界干擾，提高測(cè)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(shì)。

1.2 主控制模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用8位單片機(jī)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(shí)現(xiàn)各類算術(shù)算法和控制算法，且體積小、性能強(qiáng)大?？蓡为?dú)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)溫度芯片DS18B20的采集，并可控制繼電器關(guān)斷和風(fēng)鳴器報(bào)警，輕松實(shí)現(xiàn)與電腦的互聯(lián)通信。本設(shè)計(jì)采用主從分布思想，由一臺(tái)PC機(jī)作為上位機(jī)，多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)作為下位機(jī)，組成兩級(jí)分布式多點(diǎn)溫度測(cè)量的巡回檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(cè)器兩部分。本系統(tǒng)為典型的單片機(jī)檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，而原先采用的模擬式和數(shù)字式均無法實(shí)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(jī)系統(tǒng)。

檢測(cè)器部分采用多個(gè)單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20多點(diǎn)檢測(cè)電路、放大器、A/D轉(zhuǎn)換電路等模數(shù)組合復(fù)雜電路，主控器部分AT89S52自帶看門狗功能、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器及顯示電路、報(bào)警和控制電路，以及與PC機(jī)的通信電路等。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度測(cè)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(cè)溫分辨率最高可達(dá)0.062 5℃，具有較高的精度，被測(cè)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(cè)量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃?，F(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)溫度測(cè)量。DS18B20的特點(diǎn)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(shí)時(shí)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(jiǎn)單歸結(jié)于編程和譯碼的互逆過程。本設(shè)計(jì)考慮到現(xiàn)場(chǎng)溫度將超過100 ℃，因此，采用了3個(gè)共陰極7段顯示數(shù)碼管。顯示方式有動(dòng)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(shí)系統(tǒng)具備溫度報(bào)警數(shù)據(jù)的記憶功能，應(yīng)選用具備掉電保護(hù)數(shù)據(jù)特性的存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)選用I2C串行芯片EEPROM24C16、CC4511BCD譯碼器輸出，ULN2003達(dá)林頓芯片為位驅(qū)動(dòng)掃描信號(hào)。

2.3 報(bào)警及控制SSR關(guān)斷電路

保護(hù)電路主要是要求控制SGS系列小型交流固態(tài)繼電器的關(guān)斷，使進(jìn)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(guān)組成，開關(guān)型式分為過零導(dǎo)通型和隨機(jī)導(dǎo)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(shù)相結(jié)合而發(fā)展的一種新型無觸點(diǎn)電子開關(guān)器件。其可實(shí)現(xiàn)用微弱的控制信導(dǎo)控制0.1 A直至幾百A電流負(fù)載，進(jìn)行無觸點(diǎn)接通或分?jǐn)唷９腆w繼電器是一種4端器件，各兩個(gè)輸入端和輸出端。輸入端接控制信號(hào)，輸出端與負(fù)載、電源串聯(lián)，SSR實(shí)際是一個(gè)受控的電力電子開關(guān)。

由于固體繼電器具有高穩(wěn)定、高可靠、無觸點(diǎn)及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制、調(diào)光、家用電器、烘箱烘道加溫控溫、送變電電網(wǎng)的建設(shè)與改造、電力拖動(dòng)、印染、塑科加工、煤礦、鋼鐵、化工和軍用等方面。

當(dāng)NPN三極管的VBE>0.7 V，VCE≈0 V，三極管集電極和發(fā)射極會(huì)飽和導(dǎo)通;當(dāng)繼電器不吸合時(shí)，2003IC13腳為高電平，隨即導(dǎo)通三極管，而導(dǎo)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(huì)報(bào)警。反之，當(dāng)繼電器吸合時(shí)，2003IC13腳會(huì)是低電平，則不會(huì)導(dǎo)通三極管，而三極管是懸空狀態(tài)，因此鋒鳴器不會(huì)報(bào)警。

總體上本方案中所設(shè)計(jì)的報(bào)警電路較為簡(jiǎn)單，由一個(gè)自我震蕩型的蜂鳴器來進(jìn)行報(bào)警，該蜂鳴器是通過ULN2003電流放大IC來控制，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到溫度達(dá)到一定的上界時(shí)，報(bào)警及控制電路開始工作。先由軟件控制單片機(jī)的P0.7腳發(fā)高電平，通過IC2003的13腳驅(qū)動(dòng)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(diǎn)吸合廷時(shí)一個(gè)機(jī)器周期，然后再由軟件控制單片機(jī)的P0.7腳發(fā)低電平;此時(shí)2003IC13腳為高電平，極管集電極和發(fā)射極會(huì)飽和導(dǎo)通，從而使鋒鳴器報(bào)警。

2.4 通訊接口的設(shè)計(jì)

考慮到本設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)電平相互轉(zhuǎn)換。由于本系統(tǒng)的通信采用RS485標(biāo)準(zhǔn)，因而，在硬件電路中采用MAX485芯片。該芯片能驅(qū)動(dòng)32個(gè)接收器件，因此可達(dá)到多個(gè)檢測(cè)器的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了基于AT89S52單片機(jī)和DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器的多點(diǎn)溫度檢測(cè)電路。該系統(tǒng)能根據(jù)下位機(jī)的指令對(duì)溫度進(jìn)行定時(shí)采集，測(cè)量結(jié)果不僅可本地實(shí)時(shí)顯示，且能在越出警戒值時(shí)斷開繼電器;并在必要時(shí)利用單片機(jī)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(jī)。該系統(tǒng)性能強(qiáng)大、功能完整，具備良好的應(yīng)用價(jià)值。