一套熱計量儀表溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

隨著生活水平的提高，人們對生活的環(huán)境提出了更高的要求，良好的溫度控制對提高人民生活質(zhì)量起著非常重要的作用。

特別是北方，城鎮(zhèn)居民冬季一般采取集中供暖，采暖質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到人們生產(chǎn)生活。目前我國絕大數(shù)的地區(qū)采暖缺少有力的監(jiān)控系統(tǒng)，無法完成按需采暖以及實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的有效控制，從而造成了對供暖熱能的浪費。隨著人們節(jié)約能源意識的逐步增強(qiáng)，迫切需要一種操作簡單、節(jié)能環(huán)保和高效利用的智能熱計量儀表溫度控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)熱量與流量、溫度之間的關(guān)系：

Q=CM(T1-T0)式中，Q 為散熱器的散熱量( 單位：J) ;C 為水的比熱4.2*103J/kg° C ;T1-T0 為散熱器進(jìn)出口的溫差(° C);M 為流經(jīng)散熱器的水的流量(L)，也即質(zhì)量(kg)大小。據(jù)上式可知，只要能測出流量和溫差，就可計算出散熱器的散熱量大小。

溫度傳感器檢測的信號傳送到單片機(jī)，同時將流量信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，用矩陣鍵盤完成對溫度的設(shè)定。單片機(jī)處理完數(shù)據(jù)后，發(fā)送命令到液晶顯示器并控制電磁閥。系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。

2 模塊介紹

本設(shè)計主要有單片機(jī)、液晶顯示、數(shù)字溫度傳感器、液體流量計、鍵盤、電磁閥等部分構(gòu)成。溫度顯示：單片機(jī)控制數(shù)字溫度傳感器(DS18B20)，把溫度信號通過單總線從數(shù)字溫度傳感器傳遞到單片機(jī)上， 單片機(jī)數(shù)據(jù)處理之后，將當(dāng)前溫度信息發(fā)送到LCD(LCD12864) 進(jìn)行顯示。熱量顯示：流量計檢測到的流量信息(脈沖信號)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理之后，將當(dāng)前熱量信息發(fā)送到LCD(LCD12864) 進(jìn)行顯示。溫度設(shè)定：本系統(tǒng)還可以通過按鍵來設(shè)置溫度限定值，單片機(jī)比較數(shù)字溫度傳感器的溫度與設(shè)定的溫度值，發(fā)出控制繼電器動作的指令。

2.1 DS18B20 原理介紹

DS18B20 的數(shù)字溫度計提供9 至12 位攝氏溫度測量，并具有報警功能與非易失性用戶可編程上限和下限觸發(fā)點。

DS18B20 的通信通過1-Wire 總線，需要定義只有一個數(shù)據(jù)線(與地面)與中央微處理器的通信。DS18B20 是“一線總線”接口的溫度傳感器，其內(nèi)部使用了在板專利技術(shù)，其傳感器元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。由于一線總線具有獨特，因此一個微處理器可控制大面積分布的DS18B20.

2.2 AT89S52 單片機(jī)

單片機(jī)(Single-chip Microcomputer 或MicrocontrollerUnit)將CPU、ROM、RAM、I/O 接口電路以及內(nèi)部系統(tǒng)總線等全部集中在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，就構(gòu)成了單片機(jī)。

AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度易失性存儲器的技術(shù)制造，與工業(yè)用的80C51 產(chǎn)品指令和引腳功能完全兼容。

程序存儲器可以在片上Flash 對系統(tǒng)進(jìn)行編程，亦適于常規(guī)編程器。單芯片上，擁有靈活的8 位CPU 以及系統(tǒng)可編程的Flash,使得AT89S52 為許多的嵌入式控制系統(tǒng)提供非常靈活和有效的解決方案。

3 主要模塊電路的設(shè)計

3.1 溫度信號采集電路設(shè)計

本系統(tǒng)為多點溫度測試，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,但實踐應(yīng)用中發(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。另外單總線長度也不宜超過80M,否則也會影響到數(shù)據(jù)的傳輸。在實際應(yīng)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，如圖2 所示。

在對DS18B20 進(jìn)行操作的整個工作過程中，主要包括三個關(guān)鍵過程：搜索 DS18B20 序列號子程序;啟動在線 DS18B20 作溫度轉(zhuǎn)換子程序：讀取在線DS18B20的溫度值子程序。

3.2 液晶顯示電路設(shè)計

液晶顯示模塊 LCD12864 的顯示分辨率為128×64, 內(nèi)置8192 個16*16 點漢字和128 個16*8 點ASCII 字符集，具有4 位/8 位并行、2 線或3 線串行多種接口方式。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。另外低電壓低功耗是其又一顯著特點，由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。設(shè)計圖見圖3.

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

主程序的功能是：開機(jī)以后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，主要是進(jìn)行定時/ 計數(shù)器的初始化。溫度采集程序?qū)囟刃盘栟D(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在輸入到單片機(jī)的RAM 存儲器中;換算成負(fù)責(zé)進(jìn)行溫度的標(biāo)度換算后的十六進(jìn)制換算成BCD 碼，并存儲到顯示緩沖區(qū)以便顯示子程序使用，需顯示時負(fù)責(zé)將緩沖區(qū)中的各路溫度送到LCD 上顯示出來。流量信號處理程序的作用是：通過設(shè)定定時器、計時器以及外部中斷，完成對頻率的測定，并轉(zhuǎn)換成流量信息。主程序流程圖如圖4 所示。

鍵盤子程序通過按鍵程序的編寫，可以完成對溫度的設(shè)定，圖5 為溫度設(shè)定部分算法流程。

5 總結(jié)

本方案中所設(shè)計的系統(tǒng)對多處技術(shù)和方法進(jìn)行改進(jìn)，用STC89C52 單片機(jī)作為控制核心，實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的控制和操作。液體流量計部分采用渦輪傳感器實現(xiàn)對液體流量的采集，數(shù)字溫度傳感器采用DS18B20 實現(xiàn)對溫度信號的采集，將數(shù)字溫度信號傳送到單片機(jī)，并且可以通過矩陣鍵盤完成對溫度的設(shè)定，單片機(jī)通過對比設(shè)定溫度與實際溫度發(fā)出命令控制繼電器開或者關(guān)，控制液體的流量，以達(dá)到控制室溫的目的。從而證實了方案的實用性。