基于AT89S52单片机的温度检测与保护电路设计

 摘要 提出了以Atmel公司的AT89S52单片机和Dallas公司的DS18B20单总线数字温度传感器为核心，可对多点的温度进行实时巡检的设计方案。各检测单元能独立完成各自功能，同时可根据下位机的指令对温度进行定时采集，测量结果不仅能在本地实时显示，且在越出警戒值时断开继电器;并在必要时可利用单片机串行口，通过RS-485总线及通信协议将采集的数据传送到上位机，同时进行存档、处理。

目前单片机被广泛应用于温度检测和温度控制中;同时单片机控制可控硅触发信号也成为今后发展趋势。因此，设计了基于Atmel公司的AT89S52控制系统和数字温度传感器DS18B20的温度测量进行现场温度采集。温度值既可送回主控PC进行数据处理，由显示器显示;也可由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，并对各点进行控制。下位机采用单片机基于数字温度传感器DS18B20系统。

1 方案论证

多点温度检测系统中，一般具有测量点多、布线分散、环境复杂等特点，如若选择普通的温度传感器，为了将最终的检测信号送回计算机处理，需要经过A/D转换电路和接口电路，才能将所检测到的模拟信号转变为数字信号，再加上复杂的环境、较远的传输距离等因素，使得多点温度检测系统的稳定性和可靠性较低。因此，设计了一种性能优良的多点温度检测系统，其关键是温度传感器和主控单元的选择与设计。

1.1 传感器选择

在先前的多点温度检测系统中，传统的温度传感器一般将所采集到的模拟信号作为信号源，在A/D转换后进行远距离的传输，这便导致了精度相对较低。本设计采用数字温度采集芯片DS18B20采集信号，直接输出数字信号，便于主控电路处理和控制，避免了传统温度传感器的缺点及复杂的外围电路。此外，DS18B20性能稳定，仅采用了单总线的数据传输，在0～100℃时，最大线形偏差<1℃，可用于工业测温系统。单片机AT89S52可直接带入多个DSB1820，因此可容易实现多点测量，轻松地组建传感器网络。

采用温度芯片DS18B20测量温度，可体现系统芯片化的趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。同时，集成块的使用，有效避免了外界干扰，提高测量电路的精确度，所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。

1.2 主控制模块设计

设计采用8位单片机AT89S52作为主控模块的核心器件。AT89S52芯片编程自由度大，可轻松实现各类算术算法和控制算法，且体积小、性能强大。可单独实现对多个温度芯片DS18B20的采集，并可控制继电器关断和风鸣器报警，轻松实现与电脑的互联通信。本设计采用主从分布思想，由一台PC机作为上位机，多点温度采集系统作为下位机，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统，以实现远程控制。

1.3 系统方案

系统硬件制作分为主控器和检测器两部分。本系统为典型的单片机检测应用系统，而原先采用的模拟式和数字式均无法实现系统中的所有功能。因此，本系统上述两部分硬件方案将采用智能式单片机系统。

检测器部分采用多个单总线数字式温度传感器DS18B20多点检测电路、放大器、A/D转换电路等模数组合复杂电路，主控器部分AT89S52自带看门狗功能、时钟电路、存储器及显示电路、报警和控制电路，以及与PC机的通信电路等。

2 硬件电路设计

2.1 温度测试电路

采用Dallas公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20，芯片采用3引脚TO-92小体积封装形式。测温分辨率最高可达0.062 5℃，具有较高的精度，被测温度能够以16位数字量方式串行输出。

DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大幅提高了系统的抗干扰性，适合恶劣环境的现场温度测量。DS18B20的特点是单总线数据传输方式，其数据I/O均由同一条线来完成，硬件连接电路如图1所示。

2.2 温度实时显示电路

目前工业控制显示电路通常采用LED或LCD显示数字，而显示的过程也可简单归结于编程和译码的互逆过程。本设计考虑到现场温度将超过100 ℃，因此，采用了3个共阴极7段显示数码管。显示方式有动态扫描方式，即用一块CC4511芯片就可以完成显示功能。为确保突然停电时系统具备温度报警数据的记忆功能，应选用具备掉电保护数据特性的存储器，设计选用I2C串行芯片EEPROM24C16、CC4511BCD译码器输出，ULN2003达林顿芯片为位驱动扫描信号。

2.3 报警及控制SSR关断电路

保护电路主要是要求控制SGS系列小型交流固态继电器的关断，使进相器退出工作。SGS系列小功率单相交流固态继电器，为单刀单掷一常开线路板安装式。输入采用直流控制型式，输出端由双向可控硅交流开关组成，开关型式分为过零导通型和随机导通型。固体继电器(Sol id State Relay SSR)是利用现代微电子与电力电子技术相结合而发展的一种新型无触点电子开关器件。其可实现用微弱的控制信导控制0.1 A直至几百A电流负载，进行无触点接通或分断。固体继电器是一种4端器件，各两个输入端和输出端。输入端接控制信号，输出端与负载、电源串联，SSR实际是一个受控的电力电子开关。

由于固体继电器具有高稳定、高可靠、无触点及寿命长等优点，被广泛应用于电动机调速、正反转控制、调光、家用电器、烘箱烘道加温控温、送变电电网的建设与改造、电力拖动、印染、塑科加工、煤矿、钢铁、化工和军用等方面。

当NPN三极管的VBE>0.7 V，VCE≈0 V，三极管集电极和发射极会饱和导通;当继电器不吸合时，2003IC13脚为高电平，随即导通三极管，而导通的三极管处于接地状态。锋鸣器一头接地另一头接12 V所以会报警。反之，当继电器吸合时，2003IC13脚会是低电平，则不会导通三极管，而三极管是悬空状态，因此锋鸣器不会报警。

总体上本方案中所设计的报警电路较为简单，由一个自我震荡型的蜂鸣器来进行报警，该蜂鸣器是通过ULN2003电流放大IC来控制，当检测系统检测到温度达到一定的上界时，报警及控制电路开始工作。先由软件控制单片机的P0.7脚发高电平，通过IC2003的13脚驱动继电器工作，二极管D5反向续流，抑制浪涌，一般选1N4148即可。继电器触点吸合廷时一个机器周期，然后再由软件控制单片机的P0.7脚发低电平;此时2003IC13脚为高电平，极管集电极和发射极会饱和导通，从而使锋鸣器报警。

2.4 通讯接口的设计

考虑到本设计通信距离>100 m的适用要求，在系统中选用RS485。MAX485是由Maxim公司生产的一种低功率RS485接收发送器，其是将TTL电平与RS485标准电平相互转换。由于本系统的通信采用RS485标准，因而，在硬件电路中采用MAX485芯片。该芯片能驱动32个接收器件，因此可达到多个检测器的设计要求。

3 结束语

设计了基于AT89S52单片机和DS18B20单总线数字温度传感器的多点温度检测电路。该系统能根据下位机的指令对温度进行定时采集，测量结果不仅可本地实时显示，且能在越出警戒值时断开继电器;并在必要时利用单片机串行口，通过RS-485总线及通信协议将采集的数据传送到上位机。该系统性能强大、功能完整，具备良好的应用价值。