基于DS18B20温度传感器的锅炉温度控制系统设计

王丽娟， 张健胜， 黄建春

基于DS18B20温度传感器的锅炉温度控制系统设计

王丽娟， 张健胜， 黄建春

（湖南文理学院 电气与信息工程学院， 湖南 常德， 415000）

为了解决传统温度控制系统存在的误差大的问题， 基于DS18B20的温度控制系统， 设计了一套包括温度检测电路、显示电路、键盘电路、执行电路和报警电路的温度控制系统， 并对系统进行了仿真调试。仿真实验验证了整个系统运行可靠， 性能良好。

DS18B20温度传感器； 温度控制； 单片机

传统的炉温控制系统采用模拟温度器件， 其温度检测误差很大， 不仅人机交互非常不方便， 而且浪费能源、直观性差、准确度低、算法十分复杂。由于DS18B20不需外围元件［1］， 可与单片机直接相连， 将被测温度直接转换成数字信号［2］， 解决了误差和可靠性问题， 其最大的线性偏差也小于1 ℃。为了解决这些问题， 本文提出了基于DS18B20的温度控制系统。

1　系统硬件设计

锅炉温度控制系统原理如图1所示。系统主要包括温度检测、显示、键盘及执行电路。

1.1温度检测电路

温度传感器DS18B20是温度检测电路中的主要元件。DS18B20把检测到的水温信号直接转换成串行数字信号供单片机处理， 单片机接收到信号后， 跟设定的温度比较， 再判断打开或关闭执行电路。

DS18B20采用单线接口方式， 仅需一根口线与单片机相连， 无需接口电路。电路结构简单、测量信号温差小， 在诸多领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中有着非常广泛的应用。

1.2键盘电路

本系统采用非编码键盘电路， 硬件电路由接口电路、按键及键盘扫描程序等部分组成［4］， 有4个按

图1　锅炉温度控制系统原理图

1.3显示电路

显示电路采用LCD1602作为显示模块， 其主要功能是显示水位的上下限值、当前水位、预先设定的温度报警值和当前采集的温度值［5］。其中： VDD接5 V电源， 用于LCD液晶显示芯片； VEE串接1.8 kΩ电阻，用于调节LCD液晶显示芯片字符的亮度， 阻值越大， LCD液晶显示越模糊。

1.4执行电路

单片机从P3.0通过TIP127导通和截止来控制过零光耦的导通和关断， 实现控制电热器开关。当检测温度未达到设定值时， P3.0发送低电平使TIP127饱和导通， 从而使光耦导通， 电热器接通电源， 执行加热功能［6］。

当水温上升到设定值时， P3.0发送高电平使TIP127进入截止状态， 从而光耦停止工作， 使电源与电热器断开， 电热器停止工作。为了应对突发状况还增设了手动按键开关， 按下加热， 反之停止加热。

1.5报警电路

报警电路主要由蜂鸣器、三极管组成。系统工作时单片机复位［7］， 将P1.0置0， 保证不产生误操作。当检测到的温度超过或低于用户设定的温度上/下限值时， 程序将Pl.0置1， 三极管导通， 蜂鸣器开始发声。当检测到的温度比设定的下限值低得越来越多时， 蜂鸣声越来越急促， 提醒用户做出正确操作， 然后继续监视变化是否超出限定值［8］。

2　系统软件设计

系统软件设计采用了模块化的程序设计方式［9］， 包括主程序、显示子程序、温度子程序、报警子程序等。程序流程如图2所示。

系统进入执行时， 单片机复位， 先对锅炉水位进行检测， 与设定的水位上下限进行比较判断， 然后按返回条件进行相应处理。当锅炉水位符合条件时， 再对锅炉的水温进行检测， 如果检测到的温度高于上限值， 系统报警， 同时停止加热器工作； 若低于下限值，系统报警， 使光耦合导通接通加热电路， 进行加热工作。系统正常工作的前提是保证锅炉的水位位于正常范围之内， 避免因锅炉空腹运行， 烧坏设备， 造成安全事故［10］。

图2　主程序流程图

3　系统仿真

运用Proteus仿真软件和编程软件Keil进行系统仿真。系统的调试与仿真分为3类：水温正常工作范围； 水温低于设定下限值；水温高于设定的上限值。

虚拟示波器的A端接单片机P3.0输出的信号， 控制加热电路的导通与关断； B端接入加热回路反馈过来的电压波形， 用来观察执行电路是否处于加热状态； C端接单片机Pl.0输出的信号， 控制报警电路的工作状态。如图3所示， 此时的状态是水温处于正常工作状态范围之内， 图中 A、B、C三个输出波形端均无变化， 加热电路和报警都不工作。

当水温低于设定的下限值时， 加热电路开始加热（虚拟示波器第1个波形A）， 报警电路报警（示波器第3个波形C）， 水温越偏离下限值， 报警电路发出的报警声音越急促， 加热电路的加热功率越大。其仿真图如图4和图5所示。

当水温高于设定的上限值时， 加热电路停止工作（虚拟示波器第1个波形A）， 报警电路同时报警（虚拟示波器第3个波形C）。其仿真图如图6所示。

图3　水温处于正常工作范围内仿真图

图4　温度低于下限值10 ℃仿真图

图5　温度低于下限值25 ℃仿真图

图6　水温高于设定上限值时的仿真图

4　结论

本文从目前锅炉温度控制系统所存在测温不稳定、线性偏差较大等问题出发， 分析了当前锅炉温度控制系统的特点， 设计了新的锅炉温度控制系统。本系统在温度偏离后回到稳态的时间较短， 超调量小，稳定精度高， 实现了无偏差跟踪。系统功能完善， 并且具有较好的稳定性， 具有较好的实用价值。

［1］ 何道清， 张禾， 谌海云. 传感器与传感技术［M］. 3版. 北京： 科学出版社， 2014： 6-9.

［2］ 史玲. 基于单片机的温度控制系统的研究与实现［J］. 电子制作， 2014（9）： 9-10.

［3］ 张小明. 探究基于单片机的温度控制系统［J］. 电子制作， 2015， 77（1）： 271-272.

［4］ 霍坤明. 基于单片机的温度控制系统设计［J］. 企业导报， 2015， 22（6）： 15-17.

［5］ 贺争汉. 基于51单片机的温度控制系统［J］. 黑龙江科技信息， 2015， 42（16）： 145.

［6］ 吕栋腾. 一种电加热炉温度控制系统的设计［J］. 锻压装备与制造技术， 2015， 20（6）： 71-73.

［7］ 赵兰， 张美琪， 王从清. STM32在温度控制系统中的设计与应用［J］. 信息与电脑， 2015， 58（12）： 76-78.

［8］ 张英寿. 基于PLC控制的加热炉温度控制系统［J］. 电子技术， 2012， 88（7）： 73-75.

［9］ 安文亮. 加热炉温度控制系统［J］. 价值工程， 2014， 48（7）： 42-43.

［10］ 陈永禄. 基于单片机的温度控制系统设计与实现［J］. 现代电子技术， 2015， 68（2）： 73-76.

（责任编校： 刘刚毅）

Design of boiler temperature control system based on DS18B20 temperature sensor

Wang Lijuan， Zhang Jiansheng， Huang Jianchun
（College of Electrical and Information Engineering， Hunan University Arts and Science， Changde 415000， China）

Aiming at the questions of traditional temperature control system， a design of the control system of temperature based on DS18B20 is introduced. The hardwares of system which include temperature detection circuit， display circuit， keyboard circuit， the implementation of the circuit and alarm circuit design. Simulation of the system is debugged. Simulation results confirm that the system’s operation is reliable.

DS18B20 temperature sensor； temperature control； single chip microcomputer

TP 273

1672-6146（2016）03-0045-03

10.3969/j.issn.1672-6146.2016.03.010

王丽娟， 6372041@qq.com。

2016-04-18

湖南省科技厅资助项目（2012GK3123）； 湖南省教育厅项目（10C1004）； 常德市科技局项目（2011ZD04）； 湖南文理学院科研项目（15YB01）； 湖南文理学院2016年大学生研创项目（湘教通〔2016〕96号）。键， 分别为S3（用于设置温度报警的上下限）、S4（用于升高温度）、S5（用于降低温度）和S7（确定键）。