基于DS18B20的激光测距机温控试验箱设计
基于DS18B20的激光测距机温控试验箱设计
作者:王明华;张雏;张成东
军用激光测距仪作为现代军事侦察和距离探测的重要 装备, 在提高防空、 海上作战、 中近程精确打击等命中精 度方面已经起到关键作用。并且激光测距机具有方向性好、 测距精度高、 测程远、 抗干扰能力强、 隐蔽性好等优点, 可以确保战时高可靠性和可维修件 , 是形成战斗力的重要 保证[1.21。 然而由于激光测距机在我国应用范围很广, 不同地域的测距机经常面临若各种严酷的环境考验 , 尤其是 存我国东南沿海地区, 激光测距机在高温、 高湿以及盐雾腐蚀等复杂环境下,面临的考验就更加严峻L 为研究高温、 高湿等复杂环境情况下测距机关键器件的故陌机理, 特设 计制作一个基于单片机和温度传感器的恒温箱控制系统。
1 硬件部分设计
本温控箱主要由单片机控制校块、 温度检测模块、 继 电器及其驱动模块、 温度显示模块、 温度设置模块等部分组成, 电路原理图(见图I ln
1.1 单片机控制模块
单片机控制模块是整个设计方案的核心, 它具有采集温度信息、 数据处理、 显示、 键盘读取以及对加热、 制冷器件的拧制等功能。 本系统采用STC89C52单片机作为控 制单元, 并与数字温度传感器DS18B20组成温度测储单 元, 通过对温度的判断来决定单片机对加热和制冷器件的 控制, 并能通过4个LED数码管进行温度显示。 当箱内 温度T大于设定温度T。时电热丝停止工作, 制冷片进行 制冷;当T小于T。时,制冷片停止.[作,电热丝开始加热。 温度设定值的调整由键盘输入- 当温度值超限时, 会有蜂呜器报警提示C
1.2 数字温度传感器电路[3.41
本设计采用DSl8B20采集温度数据。DS18B20是美 国DALLAS公司推出的单总线数字温度传感器 因为是 单总线传送数据, 大大提高系统的抗干扰性, 还用于恶劣 环境的现场温度测量, 测扯温度范闱为-55-+125"C:, 精 确度为士0.0625 "C。 由于DS18B20是在一根I/0口线上 读写数据, 因此, 对读写的数据位有着严格的时序要求, DS18B20用严格的通信协议来保证各位数据传输的正确 性和完整性己 本设计中DS18B20采用外部电源供电方式, 这样做的好处是I/0口线上不需要加上拉电阻,而且总线 控制器不用在温度转换期间总保持高电平, 这样在转换期间可以允许在单总线上进行其他数据往来。
DSl8B20可以编程实现9-12位的转换精度, 与其对应的温度分辨率分别为0.5°C、0.25°C、0.125°C以及 0.0625°C。 本设计采用默认的12位转换精度, 在该精度 下, 温度每变化0.0625°C, 输出的二进制数据就会增加1, 编程时只要将测得的数值先转换成十进制数据, 再乘以 0.0625就能得到实际的温度值。 最大转化时间为750µs。
1.3继电器及其驱动模块
本系统采用943-1C-5DS机械继电器进行电热丝的驱 动及控制 C 它是一个驱动电压为5V的继电器, 可控制 7A-250VAC (50-60Hz)的通断。 它有5个引脚, 其中3 和5脚是控制脚, 所接电压为5V, 1、2和4脚为强电脚, 它们可以接的交流电压为250 V; 而且2和4脚为常闭端, 1和4为常开端。 本系统中选择1和4脚连接电热丝。
由千单片机的输出功率有限, 不能直接驱动一个继 电器, 需要加上一个驱动部件已 综合考虑系统的抗干扰性和可靠性, 选择芯片ULN2003来作为继电器驱动芯 片。 ULN2003是高耐压、 大电流的达林顿阵列, 由7个 硅NPN达林顿管组成, 专门用来驱动继电器, 其芯片内 部还有一个消线圈反电动势的二极管。 ULN2003的输出 端允许通过IC电流200mA, 饱和压降VCE约IV左右, 耐压BVCEO约为36V。采用集电极开路输出,输出电流大,故可以直接驱动继电器或固体继电器等外接控制器件[5]。 1.4 半导体制冷片制冷电路
半导体制冷片是一种依据帕尔贴效应工作的固体热 泵,体积小、质最轻、无噪音。 在冷热端温差一定的情况下, 半导体制冷片的制冷址和工作电流成正比关系, 因此可以 通过改变经过制冷片两端电流的大小来控制制冷量[6]。
选用型号为TECl-12706的半导体致冷片。 根据提供的参数得知该半导体致冷片为陶瓷式, 电偶对总数为127 对, 允许通过的最大电流为6A, 最大电压为15.4V, 室 温下最大制冷温差68 "C , 最大制冷功率为56W o
流过半导体制冷片的电流大约为6A, 因此不能用 ULN2003驱动,所以选择双向可控硅BTA12-600B来驱动。 可控硅是大功率开关型半导体器件, 能在高电压、 大电流 条件下工作,具有无器械接触、休积小、便于安装等优点J 可控硅控制半导体制冷片的电路。
当单片机通过反相器U5输出低电平时, 经 由Rll、 Rl2和双向光电耦合器U4的信号会触发双向可 控硅Q6的栅极, 使其导通, 半导体制冷片通电工作;单 片机通过反相器输出高电平时, 双向光电耦合器截止, 双 向可拧硅QI的栅极尤触发信号被关断, 半导体制冷片断 电停止工作。 电路中的Rl3、 cs 组成阻容吸收单元, 可 减少可控硅关断时制冷电路中感性元件产生的自感电动势对可控硅的过1卞冲击,, Rll、C4组成低通滤波单元, 能降低双向光电耦合器误触发对后续电路的影响 同时, 双 向光电耦合器的使用隔离强弱电路,避免大功率半导体制冷片的通断对单片机的干扰^
1.5 温度显示模块
采用4个共阳极数砃管动态显示的方式来实时显示当前温度与预设定的温度。 其中前2个数码管显不预设定 的温度, 后2个数码管显示当前温度 4个数砃眢的8段分别连接 , 从单片机的PO口输出段砃, 列扫描控制端用 P2.4-P2.7来实现, 列驱动用PNP型三极管9012来实现。
1.6 温度设置模块
Pl.3和Pl.4接两个触发按键, 其中Pl.3接加温设定 按键, 每按1次预设温度值加I; Pl.4接减温设定按键, 每按1次预设温度值减I,. Pl口还接3个发光二极管作为T作状态的指示灯. 其中PI.O接绿色发光勹极管,为温 度传感器DSl8B20的工作状态指示灯; Pl. I接红色发光 二极管, 为系统加温状态指示灯;Pl.2接黄色发光二极管, 为系统减温状态指示灯
2 软件部分设计
系统程序主要包括主程序、 温度采集程序、 按键扫 描及处理程序、 温度判断程序、 加热和制冷的驱动程 序、数码管显不及数据刷新程序 温度采集程序负责把 DSJ8B20所采组的现场温度读入到指定的数组中;按键 扫描及处理程序, 实现按键识别、按键输入及相义处理; 温度判断程序,对现场温度与设定的温度上下限进行比较,若现场温度高于设定温度3°C'则开启半导体制冷片降温, 若现场温度低于设定温度3"C' 则启动加热器[作, 进行 加热; LED显示程序, 用于温度等数据的实时显示。
3 调试及性能分析
系统的调试主要以程序调试为主,硬件调试比较简单, 首先检查电路的焊接是否正确,然后用万用表测试或通电 检测e 软件的调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确 件检验,然后分别进行主程序、DS18B20温度采集子程序、 温度判断及显示子程序等的编秤及调试、
由于DS18820与单片机采用串行数据传送, 因此, 对DSl8B20进行读写编程时必须严格地保证读写时序, 否则将无法读取测量结果,'J廿DS18B20进行长距离测温 时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题,并且最好使 用带有屏蔽层的线缆,
在DS18B20测温程序设计中, 向DS18B20发出温度 转换命令后, 程序总是要等待DS18B20的返回信号。 一旦DS18B20接触不好或断线, 音程序读到它时, 将没有 返回信号 , 程序进人死循环, 这一点在进行DSl 8B20硬 件连接和软件设计时要给予一定的重视。
软件调试到能显示温度俏, 而且在有温度变化时(例如用手触摸时)显示的温度能改变, 调试就基本完成。性 能测试可用DS18B20测散显不的温度和已有的成品温度 计进行测卧比较。 由于DSl8B20的精度很高, 所以误差 指标可以限制在士0.5"C以内 )
4 结论
本义采用单片机和数字温度传感器测措恒温箱温度, 并根据和预设定温度相比较的结果拧制电热丝和制冷片的 开断动作, 从而控制恒温箱的温度。 整个系统结构比较简 单、易千操作, 具有良好的实时性、较高的控制精度和较 高的可靠性等优点, 能够满足激光测距机的温度环境试验 条件要求。
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