【51单片机系列】DS18B20温度传感器扩展实验之设计一个智能温控系统

本文是关于DS18B20温度传感器的一个扩展实验。

本扩展实验实现的功能：利用DS18B20设计一个智能温度控制系统，具有温度上下限值设定。当温度高于上限值时，电机开启，同时蜂鸣器报警；当温度低于下限值时继电器工作加热，同时蜂鸣器报警，当温度处于上下限间正常工作。

首先系统运行后，可以通过按键设置温度上下限，当按下开始运行按键后温控系统开始工作。默认温度上下限为23~25°C。温控系统开始运行后会在数码管中显示当前温度。

使用到的硬件资源有：

• 独立按键；
• 蜂鸣器+ULN2003；
• 直流电机；
• 继电器；
• 共阴极数码管+74HC128+74HC245；
• DS18B20温度传感器；

一、相关元件介绍

当按键按下时，按键两端管脚电平一致，按键处理时需要延时消抖+二次确认。

要驱动蜂鸣器发声，分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。对于有源蜂鸣器控制其中一端管脚为高电平或低电平即可发声；对于无源蜂鸣器，需要一定频率的脉冲才可发声。驱动蜂鸣器需要比较大的电流，使用ULN2003芯片实现放大电流的功能。本实验使用有源蜂鸣器。

要驱动直流电机转动，在其一端管脚输入高电平，另一端管脚输入低电平，使直流电机有电流通过即可转动，高低电平在不同位置，仅控制转动的方向。要驱动直流电机也需要比较大的电流，使用ULN2003芯片实现放大电流的功能。

使用一个PNP三极管驱动继电器，添加一个二极管用于保护继电器。

使用74HC138芯片控制数码管的位选，74HC245控制数码管的段选。

DS1302温度传感器是单总线通信，不需要外围元件。具有可编程的分辨率，内含64位的ROM（64位的序列号，识别当前使用的芯片）、一个包含9字节的高速暂存器RAM和一个非易失性可电擦除EEPROM。

不考虑64位ROM序列号，DS1302读取温度过程：初始化→发送CCH命令跳过ROM→发送温度转换命令44H→延时→初始化→发送CCH命令跳过ROM→发送读RAM命令BEH→连续读出数据。

设置温度上下限过程：初始化→发送CCH命令跳过ROM→发送48H命令将RAM2、3字节的内容复制到EEPROM中→延时→初始化→发送CCH命令跳过ROM→发送4EH命令将温度限值写入RAM→发送连个字节的数据。

二、实验分析

本实验实现的是一个温度控制系统，当温度超过设定范围时触发一定操作。温度超过上限时，电机开启同时蜂鸣器报警；温度低于下限时，继电器工作同时蜂鸣器报警；温度处于上下限之间时，系统正常工作。系统通过按键调节上限、下限和工作开始或停止。

本系统的需求包括：

• 按键控制系统的开始和停止；
• 按键调节上限和下限；
• 温度超过范围报警，温度在范围内正常工作；
• 调节温度上下限时对应的上下限温度会显示在数码管中；
• 系统工作时的温度实时显示在数码管中；

三、proteus原理图设计

proteus仿真原理图如下。P3.0~P3.3口控制独立按键K1 ~ K4，P3.0 ~ 03.3口为低电平时表示按键按下。K1向上调温度上限，K2向下调温度下限，按K3确定温度的上下限，按K4 温度控制系统开始工作。P3.7口作为温度传感器DS18B20的输入/输出。

通过ULN2003芯片起到放大电流的作用，用来控制蜂鸣器、继电器和直流电机。P1.0控制直流电机，P1.0为高电平时直流电机工作，为低电平时直流电机不工作。P1.5控制蜂鸣器，P1.5为低电平是蜂鸣器不发声，为高电平时蜂鸣器发声。P1.1口控制继电器，P1.1为低电平时继电器工作，为高电平时继电器不工作。

P0口通过74HC245控制数码管的段选，P2.2~P2.4通过74HC138控制数码管的位选。P0口为高电平时，对应数码管的段亮。

四、软件设计

按键函数处理如下：

void DataPros()
{
	int temp=curTmp*100;
	if(temp<0)
	{
		display[0]=0x40;  // -
	} 
	else
	{
		display[0]=0x00;
	}
	display[1]=smg[temp%10000/1000];
	display[2]=smg[temp%1000/100]|0x80;  // |0x80显示小数点
	display[3]=smg[temp%100/10];
	display[4]=smg[temp%10/1];
	display[5]=0x39;
	
}

// 按键处理函数
void KeyPros()
{
	u8 i;
	// K1上调温度上限
	if(0==K1)
	{
		delay1ms(10);
		if(0 == K1)
		{
			tmpH=tmpH+1;
			if(tmpH>125)
				tmpH=125;
			curTmp=tmpH;
			DataPros();
		}
		while(!K1);
	}
	
	// K2下调温度下限
	if(0==K2)
	{
		delay1ms(10);
		if(0 == K2)
		{
			tmpL=tmpL-1;
			if(tmpL<-55)
				tmpL=-55;
			curTmp=tmpL;
			DataPros();
		}
		while(!K2);
	}
	
	// 按K4，系统开始运行，读取当前温度，判断是否超过温度范围
	if(0==K4)
	{
		delay1ms(10);
		if(0==K4)
		{
			enRead=~enRead;
			if(0==enRead)
			{
				for(i=0;i<8;i++)
				{
					display[i]=0;
				}
			}
		}
		while(!K4);
	}
}

温度处理函数如下：

// 温度处理函数
void TempPros(int temp)
{
	float tp;
	if(temp<0)
	{
		display[0]=0x40;  // -
		temp=temp-1;
		temp=~temp;
		tp=temp;
		temp=tp*0.0625*100+0.5;
	}
	else
	{
		display[0]=0x00;
		tp=temp;
		temp=tp*0.0625*100+0.5;
	}
	
	// 如果温度超过上限，蜂鸣器发声，电机转动
	if((tp*0.0625)>tmpH)
	{
		BEEP=1;
		MOTOR=1;
		RELAY=1;
		
	}
	else if((tp*0.0625)<tmpL)  // 如果温度低于下限，蜂鸣器发声，继电器工作
	{
		BEEP=1;
		MOTOR=0;
		RELAY=0;
	}
	else
	{
		BEEP=0;
		MOTOR=0;
		RELAY=1;
	}
	
	display[1]=smg[temp%10000/1000];
	display[2]=smg[temp%1000/100]|0x80;  // |0x80显示小数点
	display[3]=smg[temp%100/10];
	display[4]=smg[temp%10/1];
	display[5]=0x39;
}

主函数：

void main()
{
	enRead=0;
	BEEP=0;
	MOTOR=0;
	RELAY=1;

	while(1)
	{
		if(0!=enRead)
			TempPros(DS18B20ReadTemp());  // 系统运行时默认数码管不显示，当按了K4时显示实时温度
		KeyPros();
		DigDisplay();
	}
}

仿真结果：