一种智能型电热毯温控系统的设计与实现

李 茸，段哲民，林珊珊，黄心杰，郭 龙

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710072）

温度是一种最基本的环境参数，人民的日常生活与环境的温度息息相关。目前，传统的电热毯是不带控温原件，使用者只能接通或切断电源来控制温度，这样很难根据自己的需求来对温度实时控制，节能性和方便性不高。而带控温原件的电热毯能自动让电热毯处于预定的温度范围。以DS18B20为代表的新型单总线数字式温度传感器集温度测量和A／D集于一体，直接输出数字量[1-2]。文中设计了一款电热毯智能温度控制系统，该系统主要是利用DS18B20实时监测环境温度，并以此温度值作为反馈信号，通过单片机输出量控制固态继电器交流引脚的导通，实现电热毯的智能工作，具有较强的推广应用价值。

1 系统总体方案

运用AT89S52单片机作为主控芯片，配合DS18B20温度传感器，LED显示电路，输出控制电路，实现电热毯工作温度的采集和控制。平常所用的测温元件大部分都是用铂电阻来实现的。虽然其中段测量线性度好，精度较高，但是测量电路的设计难度高，且测量电路系统庞大，难于调试，而且成本相对较高。系统首先通过采用DS18B20充当测温器件，将环境温度的模拟信号转换成8位的数字信号，然后并口传送到单片机系统（AT89S52）。单片机系统将接收的数字信号译码处理，通过LED数码管将温度显示出来，同时单片机系统还将完成键盘扫描、按键温度设定、超温停止等程序的处理，将处理的温度信号与系统设定温度值比较，形成可以智能控制电热毯加热、降温与停止3种工作状态，从而实现电热毯的智能控制。系统基本框图如图1所示。

2 系统的硬件设计

系统硬件电路由单片机最小系统单元、温度采集单元、键盘控制单元、温度显示单元和温度控制单元构成。

2.1 AT89S52单片机系统

AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程 Flash存储器。该芯片使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容[3]。片上Flash允许程序存储器在系统中可编程。在该芯片上，拥有灵巧的8位CPU.和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52单片机在系统中完成接收DS18B20的数字信号，并进行译码处理，通过LED数码管将温度显示出来，同时单片机系统还将完成键盘扫描、按键温度设定、超温限制等程序的处理，将处理的温度信号与系统设定温度值比较，形成可以控制电热毯的加热、降温与停止3种工作状态，如图2所示。

2.2 数字式DS18B20温度采集

Dallas半导体公司的数字化传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器[4]。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字式读取和传送。该芯片具有独特的单线接口，既可以通过串行口线，也可以通过其他I/O口线与微机接口，无需A/D转换电路，直接输出被测温度值。测量范围在-55～+125℃，固有测温分辨率为0.5℃[5]。电源电压在5～10 V之间，稳定度为1%时，误差±0.01℃。本系统中DS18B20的3个引脚分别接公共电源+5 V、电源地和单片机接口[4-5]，如图3所示。

2.3 温度显示电路设计

温度显示电路采用单片机与地址译码器组成控制和扫描系统，并用其串口对主电路单片机进行通信。该电路由2个4位共阳极LED数码管实现，可以显示周围环境当前的温度值。

2.4 继电器控制电路

继电器控制电路根据DS18B20实时采集到的环境温度对电热毯实现智能控制。该控制电路由AT89S52单片机的P10的高低电平来控制继电器的断开和闭合。当P10口为低电平时，三极管导通，发光二极管亮，控制继电器开始加热，当P10为高电平时，三极管截止，继电器断开，停止加热。该继电器加热电路如图5所示。

3 系统软件设计

基于AT89S52单片机的温度采集控制系统采用模块化思想。根据所要完成的任务，将系统软件分为主程序模块、温度采集模块，数据处理模块、键盘模块、显示模块和温度控制模块。

系统采用Kiel uVision3集成编译环境和C语言来进行系统软件的设计，其软件设计的主程序流程如图6所示。

主程序首先对DSl8B20进行初始化，然后DSl8B20开始采集温度值，随即完成温度值的转换和传输[6-7]。两个4位数码管实时显示数字温度计采集到的温度值，并与系统中预先设定的温度值进行比较。当温度值大于设定值时，程序停止加热温度；当温度值小于设定值时，单片机的控制端输出低电平，固态继电器交流侧导通，加热装置开始工作，继续实时地比较温度的检测值和设定值，当检测到的温度值大于设定值时，单片机控制端输出高电平，固态继电器交流侧断开，加热装置停止工作。

4 硬件实现

电热毯温度控制系统的硬件电路如图7。从图7所示可知，采用DS18B20集成温度传感器对电热毯温度进行采集，由AT89S52微控制器进行控制，从而实现温度的智能控制。

将温度实时的控制在人体舒适温度+30～+34℃。根据人们的不同时间段的需求，设定新型电热毯的适宜温度。通过对设定增大、减小功能键对温度的调整，满足睡眠需要。

5 实 验

电热毯温度控制系统的温度实验曲线如图8所示。从图中可知，采用DS18B20集成温度传感器对电热毯温度进行采集，并且与传统电热毯高、低档温度实验数据进行比较。所得实验数据看出：传统电热毯的高档、低档温度分别在38℃和27℃达到最高，而智能电热毯将温度控制在人体睡眠舒适温度+30～+34℃；传统电热毯加温阶段比较迟缓、保温时间也比较短。而智能电热毯温度控制始终在设定适宜的人体温度之内（+30～+34℃），比传统的电热毯更加实时的控制了温度的升降。

通过实验数据的具体比较分析，新型智能电热毯的温度控制系统原理简单、实现方便、测量精度高，更加适合人们的需求，在现代生活中具有极高的使用价值。

6 结束语

本系统采用单片机AT89S52为控制核心，用DSl8B20作为温度传感器、用2个8位数码管作为显示器以及继电器加热控制，设计并实现了电热毯智能温度控制系统。

该系统原理简单、运行稳定、实现方便和硬件连线简单等特点。DSl8B20温度传感器具有测量温度快，精度高，智能化等特点。由此构成的温度控制系统具有可靠性高、成本低、能耗小和控制精度高等特点，对提高电热毯温度调控装置的舒适性和经济性有较大的应用价值。

[1]赵跃齐.基于单片机的智能温控系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2009，17（4）：490-492.ZHAO Yue-qi.Design and realization of intelligent temperature control system based on C8051F microcontrollers[J].Computer Measurement&Control，2009，17（4）：490-492.

[2]刘玉洁.DS18B20温度测量电路的设计与仿真Ⅱ [J].数字技术及应用，2011（4）：156-157.LIU Yu-jie.DS18B20Temperature measurement circuit design and simulation[J].Digital Technology and Application，2011（4）：156-157.

[3]王峰，孟立凡.基于单片机的温室调温系统的设计与实现[J].电子世界，2011（1）：57-61.WANG Feng，MENG Li-fan.The design and implementation of the greenhouse temperature control system based on MCU[J].Electronic World，2011（1）：57-61.

[4]余瑾，姚燕.基于DS18B20测温的单片机温度控制系统[J].微计算机信息，2009，25（3）：105-107.YU Jin，YAO Yan.Temperature control system based on DS18B20[J]. Microcomputer Information，2009，25 （3）：105-107.

[5]李新刚.智能电加热温控系统的研制[D].黑龙江:哈尔滨工业大学，2005.

[6]Yaqing Qil，Zhihua Liz.Peltier Temperature Controlled Box for Test Circuit Board[D].Tianjin:Tianjin University，2010.

[7]Anan Fang，Ming Gong.The realization of distance-data acquisition by MCU and communication design[D].Nan Chang:Nanchang University，2009.