基于ATmega16與DS18B20的智能溫控系統的設計

0 引言
在工農業生產和日常生活中，溫度的測量及控制越來越重要。傳統的溫度控制系統采用熱敏電阻器或熱電偶測量溫度，但是由于模擬溫度傳感器輸出的是模擬信號，必須經過A／D轉換等環節才能獲得數字信號，再加上這種溫度采集電路有時需要冷端補償電路，這樣增加了電路的復雜性，且電路易受干擾，使采集到的數據準確性不高。隨著技術的發展，目前國際上新型溫度傳感器已從模擬式向數字式，從集成化向智能化、網絡化的方向飛速發展。智能化溫度傳感器DS18B20將溫度傳感器、寄存器、接口電路集成在一個芯片中，能直接輸出數字信號。本論文設計了以ATmega16單片機和DS18B20為主構成的智能溫控系統，該系統的溫度啟控點可以根據用戶需要而自行設定。

1 系統控制原理及總體構成
1．1 系統總體構成
溫控系統主要有2大任務；采集溫度信息和能對溫度實時控制。為完成控制要求，本智能溫控系統的總體構成如圖1所示。

1．2 系統控制原理
智能溫控系統通過DS18B20采集溫度信息并將其傳送到ATmega16單片機中，單片機再將采集的溫度信息與用戶設定的溫度值進行比較，從而控制加熱／通風執行機構是否需要加熱或降溫。用戶可通過鍵盤輸入來設置溫度值，LCD顯示用戶設定的溫度值、當前采集溫度值。如果發生故障時，系統發出聲、光報警。

2 系統的硬件設計
系統硬件電路的設計主要包括4大部分：單片機核心部分、DS18B20溫度采集模塊、加熱／通風執行機構、報警電路。
2．1 單片機核心部分
ATmegal6單片機采用Harvard結構，內置WDT，具有高速、低功耗，可直接驅動LED、SSR或繼電器等特點，因此本系統采用該單片機作為微處理器中。單片機核心部分的設計主要包括ATmega16單片機的最小系統、4×4鍵盤、漢字式LCD(SMG12864)液晶顯示、電壓檢測和報警電路的設計。其中，PB2，PB3作為電壓檢測輸入端，若系統發生欠壓、失壓或過壓時可產生報警信號；PB6、PB7與報警電路連接，控制聲、光報警；PC端8個引腳與SMG12864A連接，控制漢字式LCD顯示；PC端8個引腳外接4×4鍵盤，使用戶進行溫度設定；PD4、PD5分別作為加熱執行機構和通風執行機構的控制信號輸出端；PA0與DS18B20的DQ進行連接，作為溫度采集信號輸入端。
2．2 DS18B20溫度采集模塊
在眾多應用于溫度監測的溫敏元件中，雖然溫敏電阻成本低，但后續電路復雜，且需要進行溫度標定，因此本系統采用DS18B20進行溫度采集。DS18B20是美國Dallas半導體公司生產的新一代1-wire總線的數字式溫度傳感器，測量范圍在-55～+125℃，最大分辨可達0．062 5℃。
DS18B20的TO-92封裝有3個引腳：GND、DQ和VDD。DS18B20可采用2種方式供電：一種是采用電源供電方式(即GND與地線連接，DQ與ATme-ga16的PA0連接，VDD與5V電源連接)；另一種是寄生電源供電方式(即VDD和GND接地，DQ與ATmega16的PA0連接)。由于外部電源供電方式，工作穩定可靠，抗干擾能力強，電路簡單，因此本系統采用外部電源供電方式。外部電源供電方式的I／O線可不需要接強上拉，不存在電源電流不足的問題。
DS18B20內部自帶A／D轉換器，通過內部的溫度采集、A／D數據轉換等過程，以形成與溫度相對應的數字值，最后將該數字值由DS18B20的DQ端經PA0送給ATmega16單片機。測溫原理如圖2所示。