一種果蔬保鮮箱溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

摘 要：本文以PIC單片機(jī)及DS18B20傳感器為基礎(chǔ)技術(shù)，對(duì)果蔬保鮮箱溫控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)溫度這個(gè)重要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。同時(shí)，本文利用Protues軟件對(duì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行了仿真調(diào)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)內(nèi)容的科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：果蔬保鮮箱；溫控系統(tǒng)；PIC16F877；DS18B20

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.004

在傳統(tǒng)果蔬保鮮箱的溫控系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者往往以51單片機(jī)作為核心處理器來(lái)進(jìn)行主控電路的設(shè)計(jì)。由于溫度傳感器技術(shù)更新非常快，大部分都是數(shù)字式溫度傳感器，如果在對(duì)整個(gè)主控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)之初還選用51單片機(jī)作為核心控制器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣就會(huì)因?yàn)?1單片機(jī)自身的技術(shù)特點(diǎn)，出現(xiàn)外圍電路比較復(fù)雜、實(shí)時(shí)顯示不準(zhǔn)確、抗干擾性差等問(wèn)題[1]。

綜合以上出現(xiàn)的這些問(wèn)題，本文在設(shè)計(jì)中利用PIC單片機(jī)數(shù)字化的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了A/D轉(zhuǎn)換電路，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)字化，能夠更加方便和準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)LED顯示。與此同時(shí)，本文中還將PIC單片機(jī)與DS18B20數(shù)字溫度傳感器相配合，這樣既可以避免諸如水銀溫度計(jì)等傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器容易出現(xiàn)的測(cè)量誤差，還能夠減少傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)繁多復(fù)雜的外圍電路[2]，力爭(zhēng)讓整個(gè)系統(tǒng)體現(xiàn)下述技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）整個(gè)溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單電路簡(jiǎn)潔。

（2）整個(gè)系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性好。

（3）整個(gè)溫度系統(tǒng)溫度的可視化。

（4）整個(gè)溫控系統(tǒng)溫度上下限可調(diào)節(jié)。

（5）整個(gè)系統(tǒng)采集的溫度參數(shù)可靠性高。

（6）整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性高不易出現(xiàn)系統(tǒng)故障。

（7）整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速率快做到升溫迅速。

1 溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要功能及工作原理

針對(duì)果蔬保鮮實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的溫度不宜調(diào)節(jié)，檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題，本文通過(guò)合理選用控制器件和使用較好的材質(zhì)等相關(guān)的方法來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需要，獲得各項(xiàng)較合理的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和較優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)整個(gè)溫控系統(tǒng)的主控程序進(jìn)行逐個(gè)的研究和理論計(jì)算，力爭(zhēng)達(dá)到提出的各項(xiàng)性能指標(biāo)[3]。

整個(gè)溫控系統(tǒng)的工作原理：通過(guò)在果蔬保鮮箱內(nèi)安裝一個(gè)DS18B20數(shù)字溫度傳感器來(lái)對(duì)果蔬保鮮箱的當(dāng)前溫度值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集來(lái)的溫度數(shù)據(jù)傳輸給PIC單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后在把經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理過(guò)后的溫度值在發(fā)送給LED液晶顯示器進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)顯示，整個(gè)系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。

整個(gè)溫度控制系統(tǒng)中主要完成以下幾個(gè)主要內(nèi)容的工作：

（1）溫度的采集。我們把DS18B20數(shù)字溫度傳感器安放在果蔬保鮮箱內(nèi)部。當(dāng)果蔬保鮮箱溫控通電時(shí)同時(shí)也給單片機(jī)上電，這樣就實(shí)現(xiàn)了溫度傳感器與單片機(jī)之間的通信，在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候我們編寫(xiě)好讓溫度傳感器采集來(lái)的溫度值上傳給PIC單片機(jī)，然后在經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理之后通過(guò)總線發(fā)送給LED讓其顯示當(dāng)前監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)值。

（2）溫度比較。溫度比較經(jīng)過(guò)三個(gè)部分組成：

第一，在剛給果蔬保鮮箱溫控系統(tǒng)進(jìn)行通電時(shí)溫度傳感器監(jiān)測(cè)到的溫度與設(shè)定溫度下限進(jìn)行比較這時(shí)候監(jiān)測(cè)到的溫度會(huì)低于下限溫度，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理之后單片機(jī)將發(fā)出一個(gè)信號(hào)讓兩個(gè)繼電器同時(shí)接通這時(shí)候三根電火絲同時(shí)給箱內(nèi)加熱。這樣能夠讓箱內(nèi)迅速升溫，提高了升溫的效率。

第二，當(dāng)通過(guò)電源一段時(shí)間經(jīng)過(guò)三個(gè)電熱絲加熱之后果蔬保鮮箱內(nèi)的溫度迅速身高到一定的范圍，這時(shí)候監(jiān)測(cè)到了溫度值將于設(shè)定溫度的上下限進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)當(dāng)前溫度值高于設(shè)定溫度的下限而又低于設(shè)定溫度的上限時(shí)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理之后將發(fā)出一個(gè)信號(hào)這時(shí)候?qū)嚅_(kāi)其中的一個(gè)繼電器，這樣就起到節(jié)約電能。

第三，當(dāng)由于某些原因讓溫度持續(xù)上升超過(guò)了設(shè)定穩(wěn)定的上限時(shí)，這時(shí)候單片機(jī)會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)使得兩個(gè)繼電器同時(shí)斷開(kāi)停止給箱內(nèi)加熱，讓果蔬保鮮箱的溫度慢慢的降低。這樣有效的避免了因?yàn)闇囟冗^(guò)高而引發(fā)火災(zāi)的情況。

2 溫控系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)

溫控系統(tǒng)主要電路如圖2所示。當(dāng)接通電源按下“運(yùn)行”按鈕時(shí)，整個(gè)電路將開(kāi)始運(yùn)行起來(lái)，DS18B20溫度傳感器將對(duì)外部的溫度進(jìn)行測(cè)量，把測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸給PIC單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將采集來(lái)的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制代碼顯示在中間的兩個(gè)LED數(shù)碼管上，在運(yùn)行的同時(shí)左邊的兩個(gè)數(shù)碼管顯示溫度的上限，右面顯示的是溫度下限。在編寫(xiě)程序時(shí)候我們把溫度的上限設(shè)置為39度，溫度的下限設(shè)置為29度讓他們的溫差在10度。

RA5和RE1兩個(gè)端口連接兩個(gè)燈泡，在設(shè)計(jì)時(shí)之時(shí)為了更好的觀察效果，本文選用了兩個(gè)燈泡來(lái)代替繼電器使得設(shè)計(jì)整個(gè)設(shè)計(jì)能夠更加的直觀，在實(shí)際的應(yīng)用中只需要把兩個(gè)燈冒泡換成兩個(gè)繼電器就可以了。

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程為溫度傳感器通過(guò)采集外界環(huán)境的溫度值來(lái)與設(shè)定溫度的上下限進(jìn)行比較當(dāng)剛通電時(shí)，果蔬保鮮庫(kù)內(nèi)的溫度低于設(shè)定溫度的下限這時(shí)候兩個(gè)繼電器同時(shí)接通三根電熱絲同時(shí)給箱內(nèi)供熱，當(dāng)加熱一段時(shí)間后果蔬保鮮庫(kù)的溫度將會(huì)升高這時(shí)候測(cè)得的溫度高于下限溫度這時(shí)候其中的一個(gè)繼電器端口整個(gè)庫(kù)內(nèi)的供熱由一根電熱絲來(lái)完成，通常情況下庫(kù)內(nèi)溫度將會(huì)穩(wěn)定在這個(gè)范圍內(nèi)，但是由于某些原因?qū)е孪到y(tǒng)的溫度持續(xù)升高，這時(shí)候監(jiān)測(cè)到的溫度將會(huì)高于設(shè)定溫度的上限，這時(shí)候兩個(gè)繼電器將同時(shí)被斷開(kāi)，溫控系統(tǒng)將繼續(xù)工作。

用戶(hù)可以根據(jù)自身需要來(lái)對(duì)整個(gè)溫控系統(tǒng)的溫度上下限進(jìn)行重新設(shè)定，使其得到一個(gè)非常舒適的溫度范圍，為了更好的保護(hù)電熱絲的時(shí)候壽命整個(gè)系統(tǒng)的最高溫度只能夠調(diào)制到39度，這樣的這個(gè)溫度值已經(jīng)完成能夠滿(mǎn)足果蔬保鮮箱的日常使用需要了。

3 溫控系統(tǒng)的仿真調(diào)試

對(duì)于上述設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)，本文用四個(gè)按鍵來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度的上下限，通過(guò)改變不同的溫度上下限來(lái)觀察實(shí)際的效果。為便于在仿真中觀察實(shí)際的效果，選用了LED燈來(lái)代替繼電器（繼電器的接通和斷開(kāi)相當(dāng)于燈泡通電發(fā)光斷電熄滅）。endprint

下面將通過(guò)三個(gè)方面來(lái)測(cè)試系統(tǒng)并觀察實(shí)際的效果看能否滿(mǎn)足實(shí)際的需求和設(shè)計(jì)的期望。

（1）仿真初始狀態(tài)。打開(kāi)仿真環(huán)境，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要結(jié)合整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架圖會(huì)指出整個(gè)虛擬仿真的設(shè)計(jì)點(diǎn)圖并做好初始的準(zhǔn)備工作，單擊“調(diào)試”按鈕，選擇“開(kāi)始”重新啟動(dòng)調(diào)試》，或者直接單擊。開(kāi)始仿真。整體電路的實(shí)際設(shè)計(jì)圖。

（2）測(cè)量溫度與下限溫度對(duì)比。當(dāng)剛給果蔬保鮮箱通電時(shí)，這時(shí)候DS18B20溫度傳感器測(cè)得的溫度低于設(shè)定溫度的下限這時(shí)候兩個(gè)燈泡同時(shí)被接通起效果圖如圖4所示：

（3）測(cè)量溫度在上下限溫度之間。當(dāng)給果蔬保鮮箱通電一段時(shí)間之后箱內(nèi)的溫度將得到升高DS18B20溫度傳感器測(cè)得的溫度將高于設(shè)定溫度的下限同時(shí)低于設(shè)定溫度的上限這時(shí)候其中一個(gè)燈泡將會(huì)熄滅，如圖5所示[4]：

（4）測(cè)量溫度高與上限溫度。當(dāng)由于某種特殊的原因讓果蔬保鮮箱內(nèi)的溫度持續(xù)的上升直到超過(guò)了設(shè)定溫度的上限時(shí)，這時(shí)候兩個(gè)燈泡會(huì)同時(shí)熄滅停止給果蔬保鮮箱加熱直到溫度降低，這樣也可以有效的避免火災(zāi)的發(fā)生，如圖6所示：

4 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)計(jì)和仿真調(diào)試的過(guò)程，PIC16F877A單片機(jī)選擇晶振為4MzH的復(fù)位電路，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)溫控電路基本上實(shí)現(xiàn)了測(cè)量溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)兩個(gè)繼電器同時(shí)被接通，測(cè)量溫度在設(shè)定溫度的上下限之間時(shí)只有一個(gè)繼電器被接通。當(dāng)測(cè)量溫度高于設(shè)定溫度的上限時(shí)兩個(gè)繼電器將同時(shí)被斷開(kāi)，整個(gè)電路停止工作[5]。

通過(guò)仿真調(diào)試的環(huán)節(jié)表明，本紋提出的方案可行，硬件的設(shè)計(jì)合理，參數(shù)的選定準(zhǔn)確，軟件的功能正確，溫控系統(tǒng)基本能夠滿(mǎn)足果蔬保險(xiǎn)箱的日常使用要求。

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作者簡(jiǎn)介：高毅（1978-），男，苗族，貴州貴陽(yáng)人，碩士，副教授，研究方向：機(jī)械工程及其自動(dòng)化。endprint