一种智能型电热毯温控系统的设计与实现

一种智能型电热毯温控系统的设计与实现李茸;段哲民;林珊珊;黄心杰淳B龙【摘要】温度控制精度是电热毯设计和制造中的关键技术参数.为了解决常规电热毯难以对温度进行实时的智能控制的技术缺陷，采用DS18B20温度采集和继电器控制温度加热的技术手段，结合按键电路、显示电路以及其他辅助电路，实现了电热毯工作温度的实时智能控制.通过单片机输出量控制继电器对温度的闭环控制，发展出了一种新型的智能温控电热毯的技术，增强了温度控制的实时性，提高了电热毯的安全性和节能性.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷)，期】2014(022)016【总页数】3页(P5-7)【关键词】单片机;温度控制;电热毯;DS18B20【作者】李茸;段哲民;林珊珊潢心杰;郭龙【作者单位】西北工业大学电子信息学院，陕西西安710072;西北工业大学电子信息学院，陕西西安710072;西北工业大学电子信息学院，陕西西安710072;西北工业大学电子信息学院，陕西西安710072;西北工业大学电子信息学院，陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】TN702温度是一种最基本的环境参数，人民的日常生活与环境的温度息息相关。目前，传统的电热毯是不带控温原件，使用者只能接通或切断电源来控制温度，这样很难根据自己的需求来对温度实时控制，节能性和方便性不高。而带控温原件的电热毯能自动让电热毯处于预定的温度范围。以DS18B20为代表的新型单总线数字式温度传感器集温度测量和A/D集于一体，直接输出数字量［1-2］。文中设计了一款电热毯智能温度控制系统，该系统主要是利用DS18B20实时监测环境温度，并以此温度值作为反馈信号，通过单片机输出量控制固态继电器交流弓I脚的导通，实现电热毯的智能工作，具有较强的推广应用价值。1系统总体方案运用AT89S52单片机作为主控芯片，配合DS18B20温度传感器，LED显示电路，输出控制电路，实现电热毯工作温度的采集和控制。平常所用的测温元件大部分都是用铂电阻来实现的。虽然其中段测量线性度好，精度较高，但是测量电路的设计难度高，且测量电路系统庞大，难于调试，而且成本相对较高。系统首先通过采用DS18B20充当测温器件，将环境温度的模拟信号转换成8位的数字信号，然后并口传送到单片机系统（AT89S52）。单片机系统将接收的数字信号译码处理，通过LED数码管将温度显示出来，同时单片机系统还将完成键盘扫描、按键温度设定、超温停止等程序的处理，将处理的温度信号与系统设定温度值比较，形成可以智能控制电热毯加热、降温与停止3种工作状态，从而实现电热毯的智能控制。系统基本框图如图1所示。2系统的硬件设计系统硬件电路由单片机最小系统单元、温度采集单元、键盘控制单元、温度显示单元和温度控制单元构成。2.1AT89S52单片机系统AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。该芯片使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和弓I脚完全兼容［3］。片上Flash允许程序存储器在系统中可编程。在该芯片上，拥有灵巧的8位CPU.和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52单片机在系统中完成接收DS18B20的数字信号，并进行译码处理，通过LED数码管将温度显示出来，同时单片机系统还将完成键盘扫描、按键温度设定、超温限制等程序的处理，将处理的温度信号与系统设定温度值比较，形成可以控制电热毯的加热、降温与停止3种工作状态，如图2所示。2.2数字式DS18B20温度采集Dallas半导体公司的数字化传感器DS18B20是世界上第一片支持〃一线总线”接口的智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器［4］。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字式读取和传送。该芯片具有独特的单线接口，既可以通过串行口线，也可以通过其他I/O口线与微机接口，无需A/D转换电路，直接输出被测温度值。测量范围在-55~+125°C，固有测温分辨率为0.5°C［5］。电源电压在5~10V之间，稳定度为1%时，误差±0.01C。本系统中DS18B20的3个引脚分别接公共电源+5V、电源地和单片机接口［4-5］,如图3所示。2.3温度显示电路设计温度显示电路采用单片机与地址译码器组成控制和扫描系统，并用其串口对主电路单片机进行通信。该电路由2个4位共阳极LED数码管实现，可以显示周围环境当前的温度值。2.4继电器控制电路继电器控制电路根据DS18B20实时采集到的环境温度对电热毯实现智能控制。该控制电路由AT89S52单片机的P10的高低电平来控制继电器的断开和闭合。当P10口为低电平时，三极管导通，发光二极管亮，控制继电器开始加热，当P10为高电平时，三极管截止，继电器断开，停止加热。该继电器加热电路如图5所示。3系统软件设计基于AT89S52单片机的温度采集控制系统采用模块化思想。根据所要完成的任务，将系统软件分为主程序模块、温度采集模块，数据处理模块、键盘模块、显示模块和温度控制模块。系统采用KieluVision3集成编译环境和C语言来进行系统软件的设计，其软件设计的主程序流程如图6所示。主程序首先对DSl8B20进行初始化，然后DSl8B20开始采集温度值，随即完成温度值的转换和传输［6-7］。两个4位数码管实时显示数字温度计采集到的温度值，并与系统中预先设定的温度值进行比较。当温度值大于设定值时，程序停止加热温度；当温度值小于设定值时，单片机的控制端输出低电平，固态继电器交流侧导通，加热装置开始工作，继续实时地比较温度的检测值和设定值，当检测到的温度值大于设定值时，单片机控制端输出高电平，固态继电器交流侧断开，加热装置停止工作。4硬件实现电热毯温度控制系统的硬件电路如图7。从图7所示可知，采用DS18B20集成温度传感器对电热毯温度进行采集，由AT89S52微控制器进行控制，从而实现温度的智能控制。将温度实时的控制在人体舒适温度+30~+34C。根据人们的不同时间段的需求，设定新型电热毯的适宜温度。通过对设定增大、减小功能键对温度的调整，满足睡眠需要。5实验电热毯温度控制系统的温度实验曲线如图8所示。从图中可知，采用DS18B20集成温度传感器对电热毯温度进行采集，并且与传统电热毯高、低档温度实验数据进行比较。所得实验数据看出：传统电热毯的高档、低档温度分别在38C和27C达到最高，而智能电热毯将温度控制在人体睡眠舒适温度+30~+34C；传统电热毯加温阶段比较迟缓、保温时间也比较短。而智能电热毯温度控制始终在设定适宜的人体温度之内（+30~+34C），比传统的电热毯更加实时的控制了温度的升降。通过实验数据的具体比较分析，新型智能电热毯的温度控制系统原理简单、实现方便、测量精度高，更加适合人们的需求，在现代生活中具有极高的使用价值。6结束语本系统采用单片机AT89S52为控制核心，用DSI8B20作为温度传感器、用2个8位数码管作为显示器以及继电器加热控制，设计并实现了电热毯智能温度控制系统。该系统原理简单、运行稳定、实现方便和硬件连线简单等特点。DSI8B20温度传感器具有测量温度快，精度高，智能化等特点。由此构成的温度控制系统具有可靠性高、成本低、能耗小和控制精度高等特点，对提高电热毯温度调控装置的舒适性和经济性有较大的应用价值。【相关文献】赵跃齐.基于单片机的智能温控系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2009,17(4):490-492.ZHAOYue-qi.DesignandrealizationofintelligenttemperaturecontrolsystembasedonC8051Fmicrocontrollers[J].ComputerMeasurement&Control，2009，17(4)：490-492.刘玉洁.DS18B20温度测量电路的设计与仿真H[J].数字技术及应用，2011(4):156-157.LIUYu-jie.DS18B20Temperaturemeasurementcircuitdesignandsimulation[J].DigitalTechnologyandApplication,2011(4):156-157.王峰，孟立凡.基于单片机的温室调温系统的设计与实现[J].电子世界，2011(1):57-61.WANGFeng,MENGLi-fan.ThedesignandimplementationofthegreenhousetemperaturecontrolsystembasedonMCU[J].ElectronicWorld,2011(1):57-61.余瑾，姚燕.基于DS18B20测温的单片机温度控制系统[J].微计算机信息，2009,25(3):105-107.YUJin,YAOYan.TemperaturecontrolsystembasedonDS18B20[J].MicrocomputerInformation,2009,25(3):105-107.李新刚.智能电加热温控系统的研制[D].黑龙江:哈尔滨工业大学，2005.YaqingQil,ZhihuaLiz.PeltierTemperature