基于AVR单片机和温度传感器的智能温控系统设计

很多朋友对基于AVR单片机和温度传感器的智能温控系统设计不是很了解，六月小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

介绍

在工农业生产和日常生活中，温度测量和控制变得越来越重要。传统的温度控制系统使用热敏电阻或热电偶来测量温度，但由于模拟温度传感器输出的是模拟信号，必须经过A/D转换等环节才能获得数字信号。另外，这种温度采集电路有时需要冷端补偿电路，增加了电路的复杂度，电路容易受到干扰，使得采集的数据精度不高。

随着技术的发展，世界上新型温度传感器从模拟到数字，从集成化到智能化和网络化发展迅速。智能温度传感器DS18B20将温度传感器、寄存器和接口电路集成在一个芯片上，可以直接输出数字信号。本文设计了一种基于ATmega16单片机和DS18B20的智能温度控制系统，系统的温度控制点可以根据用户的需要进行设置。

1、系统控制原理及总体构成1.1系统总体构成温度控制系统有两个主要任务；采集温度信息，实时控制温度。为了满足控制要求，本智能温控系统的总体结构如图1所示。1.2系统控制原理

智能温控系统通过DS18B20采集温度信息，并传输到ATmega16单片机，单片机将采集的温度信息与用户设定的温度值进行比较，从而控制加热/通风执行器是否需要加热或冷却。用户可以通过键盘输入设置温度值，LCD显示用户设置的温度值和当前采集的温度值。如果出现故障，系统将发出声光报警。2.系统的硬件设计。

该系统的硬件电路设计主要包括四个部分：单片机核心部分、DS18B20温度采集模块、加热/通风执行器和报警电路。2.1 MCU核心部分

ATmegal6单片机采用哈佛结构，内置WDT，具有高速、低功耗的特点，可以直接驱动LED、SSR或继电器，所以本系统采用该单片机作为微处理器。单片机核心部分的设计主要包括ATmega16单片机最小系统、44键盘、汉字LCD(SMG12864)液晶显示、电压检测和报警电路的设计。

其中PB2和PB3作为电压检测输入端子，在系统欠压、欠压或过压时产生报警信号B6、PB7，并与报警电路连接，控制声光报警端子C的8个管脚与SMG12864A连接，控制汉字液晶显示端子C的8个管脚与44键盘连接，用户可以设置温度D4、 PD。

2.2 DS18B20温度采集模块在温度监测使用的众多感温元件中，虽然感温电阻成本较低，但后续电路复杂，需要进行温度校准，因此本系统采用DS18B20进行温度采集。DS18B20是美国达拉斯半导体公司生产的新一代单总线数字温度传感器。测量范围为-55125，最高分辨率可达0.062 5。

DS18B20的TO-92封装有三个引脚：GND、DQ和VDD。DS18B20有两种供电方式：一种是电源(GND接地，DQ接ATme-ga16的PA0，VDD接5V电源)；另一种是寄生电源供电模式(即VDD和GND接地，DQ接ATmega16的PA0)。由于采用外部供电方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，电路简单，所以本系统采用外部供电方式。

外接供电模式的I/O线不需要强上拉，所以不存在供电电流不足的问题。

DS18B20有自己的模数转换器。通过内部温度采集和A/D数据转换，形成温度对应的数字值。最后，数字值通过PA0从DS18B20的DQ端发送到ATmega16单片机。温度测量的原理如图2所示。2.3加热/通风执行器

制热/换气主要是通过控制风扇的转动来达到制冷的目的，或者通过控制加热器来达到制热的目的。温度的上升或下降具有一定的惯性，要达到高精度的控温效果，就必须设计相应的控制电路。传统的采暖/通风执行器可能采用电磁继电器作为开关元件，存在使用寿命短、开关速度慢、温度变化惯性大等缺点，难以满足工艺要求。

本系统采用固态继电器(SSR)作为加热/通用执行机构的开关元件，具有寿命长、可靠性高、开关速度快、电磁干扰小、无噪音、无火花等特点。

为了达到更好的控温效果，风扇的转速和通过加热器的电流应该能够变化，也就是功率可以调节。用可控硅实现交流功率调节通常有两种方法：一种是改变负载电压波形的导通角，即相位调制；另一种是在一个时间段内改变负载电压波形的频率，而不改变负载电压波形，即PWM脉冲功率调节。移相触发用于功率调整，过零触发用于PWM脉冲功率调整。

由于过零触发方式不会对电网造成严重污染，也不会干扰其他用电设备，是一种应用广泛的方式，所以本系统采用PWM来调节功率。ATmega16的PD4(OC1B)和PD5(OC1A)可以通过软件编程直接输出PWM波形，控制风扇转速和加热器电流。

加热/通风执行器的开关元件是带过零触发的SSR，控制方法是带过零触发的SSR。当输入控制信号时，SSR在交流电源的零电压附近开启。通风执行器的电路如图3所示，加热执行器的电路与此电路相似。2.4报警电路

该系统采用蜂鸣器作为声音报警电路，由三极管和蜂鸣器组成。系统的异常显示采用发光二极管，由红、绿发光二极管和限流电阻组成。单片机正常工作时，绿色LED亮，蜂鸣器不响。当测量温度超过给定的上下限或系统电压低时，ATmega16微控制器的PB6控制蜂鸣器鸣响，PB7控制绿色LED熄灭，红色LED点亮。

控制蜂鸣器输出不同声音而区分系统是电压异常还是测量值超出异常。

3 、系统的软件设计

本系统采用ATmega16作为核心处理器件，上电时首先通过PB2、PB3检测系统电压是否异常，若异常发出报警信号。在电压正常情况下将经过DS18B20现场实时采集到的温度值存入ATmega16的内部数据存储器，并送SMG12864A显示，同时与设定的温度值进行比较，然后由ATme-ga16输出控制信号去控制加热/通风执行机构。进行温度控制程序设计时还应考虑越限报警。

当采集到的温度值与设定的温度值进行比较后，若发现当前温度值越限，则产生报警信号。因此，本系统的软件设计主要包括：系统初始化，键盘扫描、温度读取、温度显示、报警、加热控制和通风控制等，这些操作分别由相应子程序模块完成。其软件设计流程如图4所示。

4 、结语

该智能温控系统在Proteus上仿真成功后，进行了电路实物的制作，并成功完成了整机调试。整机在实际运行中完全达到设计要求，并具有较高的可靠性。若将该系统加以适当的扩展，可以组成功能更加强大的温控系统，能形成多点、无线传输的温度远程监控网络。

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