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基于AT89S52單片機(jī)的溫度檢測與保護(hù)電路設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2016-07-14 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】以AT89S52單片機(jī)和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。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的溫度測量進(jìn)行現(xiàn)場溫度采集。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)溫度檢測系統(tǒng)中,一般具有測量點(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)測量,輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。
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(shí)更快。同時(shí),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(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)溫度測量的巡回檢測系統(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器兩部分。本系統(tǒng)為典型的單片機(jī)檢測應(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(dá)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(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)?。固體繼電器是一種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)檢測系統(tǒng)檢測到溫度達(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。
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