汪銘東　梅廣輝

摘 要： 介紹了基于單片機C8051F310和DS18B20設(shè)計的機柜溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，以單片機為控制核心，利用溫度傳感器DS18B20芯片采集機柜內(nèi)溫度數(shù)據(jù)并送至控制器，并根據(jù)設(shè)定的溫度范圍自動控制空調(diào)出冷氣，外圍配備功能按鍵和數(shù)碼顯示，可根據(jù)實際環(huán)境自行設(shè)置溫度范圍。實際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、溫度轉(zhuǎn)換精度高、穩(wěn)定性好等特點，能實現(xiàn)一般要求的機柜溫度實時自動控制。

關(guān)鍵詞： 溫度控制器； 機柜溫度控制； DS18B20； 自動控制

中圖分類號： TN911?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0008?03

Abstract： Design of machine cabinet temperature control system based on C8051F310 and DS18B20 is introduced， The circuit structure of system controlled by MCU is simple， The internal temperature data of machine cabinet is collected by DS18B20 and sent to MCU， The air conditioner is controlled automatically according to the set temperature range， The periphery systems such as function keys and digital display are equipped， The temperature range can be set automatically according to the actual environment， The practical application shows that the system has simple structure， high?precision temperature conversion and high stability， and can achieve the real?time automatic control of the machine cabinet temperature，

Keywords： temperature controller； machine cabinet temperature control； DS18B20； automatic control

0 引 言

隨著電子設(shè)備的高度集成化和高可靠性設(shè)計，機柜內(nèi)部的散熱越來越重要。特別是諸如大型雷達、聲納等電子設(shè)備，由于功耗越來越大，必須及時將內(nèi)部產(chǎn)生的大量熱量及時帶出機柜，否則機柜內(nèi)部的電子器件會由于處于超溫狀態(tài)而無法正常工作[1]。

在新設(shè)計的電子裝備中，已經(jīng)充分考慮到機柜的散熱問題，一般采用集中供冷、冷氣直吹機柜的方法，解決機柜的散熱問題。但是，一些老式設(shè)備由于設(shè)計時間較早，大多采用抽風(fēng)風(fēng)扇的方式，散熱效果較差，機柜內(nèi)部問題分布極不均勻，散熱效果不好[2]。特別是在我國熱帶工作的一些機器，由于散熱問題造成機器故障的現(xiàn)象非常普遍。在對一些老機器的改造中，重新設(shè)計散熱方式，采用制冷機組向機柜內(nèi)部循環(huán)吹冷氣的方法，可以明顯改善這些老式機柜的散熱效果，大大改善機柜內(nèi)環(huán)境，較大程度提高整體可靠性。

在某型老式裝備的改造工程中，采用單片機和集成溫度傳感器，設(shè)計了一個溫度自動控制系統(tǒng)，在溫度超過某個設(shè)定值后，開啟制冷機組，開始向機柜內(nèi)部均勻、循環(huán)地送出冷氣；在低于某個設(shè)定溫度時，繼續(xù)吹風(fēng)，但停止機組制冷。實踐表明，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、可靠地工作，將機柜內(nèi)部溫度控制在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，機器可靠性得到了切實的提高。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計概述

為了實現(xiàn)對機柜溫度實時有效控制，首先要對機柜內(nèi)環(huán)境溫度進行采集和傳輸，其次是實現(xiàn)對溫度的實時控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。本電路實現(xiàn)的主要功能有：

（1） 實時采集機柜內(nèi)部溫度。

（2） 對采集的溫度進行顯示。

（3） 用戶根據(jù)需求，設(shè)置溫度的上限值和下限值。

（4） 具有溫度報警功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的機柜溫度控制器硬件電路主要分為以下幾部分：電源模塊，溫度采集模塊，主控制器模塊，溫度顯示、設(shè)置模塊，控制執(zhí)行驅(qū)動模塊。

2.1 溫度采集模塊

在眾多進行溫度監(jiān)測的溫敏元件中， 雖然溫敏電阻成本低， 但后續(xù)電路復(fù)雜， 且需要進行溫度標(biāo)定[3]， 因此，本系統(tǒng)采用溫度采集芯片DS18B20進行溫度采集。DS18B20是由美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化單總線型智能溫度傳感器[4]，具有體積小、線路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、精度高等優(yōu)點，實用性和可靠性比其他同類產(chǎn)品更高[5]。DS18B20采用單總線協(xié)議，即與單片機接口僅需占用一個I/O端口，無需任何外接元件，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理，達到溫度采集的目的[6]。

DS18B20的供電方式分為寄生電源供電和外部電源供電兩種，采用寄生電源供電時，由DQ端給器件供電，好處是在進行遠程測溫時，無需本地電源，但是無法在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換期間供電，不能保證精確地進行溫度轉(zhuǎn)換，當(dāng)進行多點測溫時，此問題更加明顯[7]。因本設(shè)計中，測溫距離不遠，可采用外接電源供電方式，由VDD引腳專門供電，以提高溫度轉(zhuǎn)換精度。溫度采集模塊電路如圖2所示，DQ數(shù)據(jù)傳輸端須采用上拉電阻。

2.2 微控制器模塊

控制器是整個系統(tǒng)的核心部件，模塊以單片機C8051F310為控制核心完成電路各種功能，包括溫度數(shù)據(jù)的處理、溫度值的設(shè)定、對執(zhí)行繼電器的控制等。

C8051F310是silicon laboratories 公司一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片[8]。它具有高速、流水線結(jié)構(gòu)且與8051兼容的CIP?51內(nèi)核，工作頻率可達 25 MIP?S，片內(nèi)有全速、非侵入式系統(tǒng)調(diào)試接口。器件的工作電壓為2.7～3.6 V，典型工作電流為5 ms，功耗比較低。此單片機帶有模擬多路器、真正的10位、200 KSPS的25通道單端/差分ADC。另外，單片機還具有16 Kb可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。

C8051F310的數(shù)字外設(shè)包括29個端口I/O，所有口線的耐壓均為5 V，并具有4個通用16位計數(shù)器/定時器，時鐘源既可使用25 MHz高精度可編程內(nèi)部振蕩器，也可用外部振蕩器，本電路中使用內(nèi)部振蕩器作為時鐘源。

2.3 控制執(zhí)行驅(qū)動模塊

模塊實現(xiàn)最終控制輸出功能，根據(jù)接收到微控制處理溫度值的結(jié)果去執(zhí)行相應(yīng)的動作，決定冷氣是否工作。電路圖如圖3所示，繼電器K1為核心部件，根據(jù)R13端送來的經(jīng)8050放大的信號指令進行開關(guān)動作，使JP5的2、3腳交替鏈接到1腳電源輸入端，達到控制冷氣是否工作。DS2為K1動作指示燈，D3起到保護Q5的作用。開關(guān)S3在不需要空調(diào)時使用，系統(tǒng)只作環(huán)境溫度顯示。

2.4 溫度設(shè)置顯示模塊

因DS18B20的測溫范圍為-55～125 ℃，測量誤差為0.5 ℃，故顯示電路采用4位共陰LED數(shù)碼管以靜態(tài)顯示方式實現(xiàn)溫度顯示，如圖4所示，從單片機的P0口輸出段碼，選用4.7 kΩ電阻和3.3 V電壓進行上拉，P1.2～P1.5口輸出位控制信號，經(jīng)由8050放大驅(qū)動數(shù)碼管顯示。溫度值范圍設(shè)置采用4個外置按鍵實現(xiàn)相應(yīng)功能，由單片機完成對溫度范圍的設(shè)置。如圖5所示，單片機利用中斷功能對S4，S5，S6及S7 四個鍵進行鍵掃描，調(diào)整溫度的上限值及下限值，若測試溫度不在上限值和下限值的范圍內(nèi)，則執(zhí)行控制程序動作機柜溫度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，遵循模塊獨立性原則，增強軟件可讀性和可移植性，便于調(diào)試和維護升級。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，程序主要包括初始化程序、DS18B20溫度轉(zhuǎn)換及處理程序、溫度控制處理程序、溫度值顯示程序、鍵盤處理程序等幾個程序模塊，其中，DS18B20溫度采集、轉(zhuǎn)換和溫度控制為核心部分，重點介紹設(shè)計思想。

初始化程序完成系統(tǒng)時鐘設(shè)置、端口配置和參數(shù)設(shè)置等，因C8051F系列單片機設(shè)有交叉開關(guān)功能，在I/O口配置過程中要根據(jù)自己需要的端口進行相應(yīng)的設(shè)置，才可保證I/O口的正常使用。

溫度采集程序包括對DS18B20的參數(shù)初始化、溫度采集和溫度轉(zhuǎn)換等程序模塊。因DS18B20采用單總線協(xié)議方式，即在1根I/O線上進行數(shù)據(jù)讀寫[9]，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求，程序的編寫必須遵照嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，確保DS18B20能正常的工作。從DS18B20讀出的二進制數(shù)據(jù)采用12轉(zhuǎn)換精度換算成十進制數(shù)據(jù)，用4位數(shù)碼管顯示，可以精確到0.1 ℃。

溫度控制處理程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要是：將采集到的實際環(huán)境溫度值與根據(jù)設(shè)置好的溫度范圍比較，在P2.0口輸出高低電平，控制繼電器是否動作。

溫度值顯示程序鍵盤處理程序主要實現(xiàn)數(shù)碼管的顯示和鍵盤輸入功能。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的機柜溫度控制器結(jié)構(gòu)簡單、溫度轉(zhuǎn)換精度高，大大提高了老式機柜的散熱效率，機器可靠性明顯提高。溫度測量采用DS18B20一體式數(shù)字溫度傳感器，具有線路簡單，體積小的特點。另外，還可用它來組成一個多點測溫系統(tǒng)，在一根通信線上可以掛多個DS18B20，增加溫度測量點，首先分布式測溫，重點關(guān)注某些器件，如調(diào)制管、磁控管等[10]。本控制器經(jīng)簡單的線路改造，即可應(yīng)用于其他測溫系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景和實用價值。

參考文獻

[1] 林火生，陽明霞.微型機柜溫度自動控制系統(tǒng)開發(fā)[J].柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2012，12（2）：57?59.

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[10] 張軍，陳慧麗.基于MSP430單片機和DS18B20的數(shù)字溫度計[J].電子設(shè)計工程，2010，18（11）：106?109.

C8051F310是silicon laboratories 公司一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片[8]。它具有高速、流水線結(jié)構(gòu)且與8051兼容的CIP?51內(nèi)核，工作頻率可達 25 MIP?S，片內(nèi)有全速、非侵入式系統(tǒng)調(diào)試接口。器件的工作電壓為2.7～3.6 V，典型工作電流為5 ms，功耗比較低。此單片機帶有模擬多路器、真正的10位、200 KSPS的25通道單端/差分ADC。另外，單片機還具有16 Kb可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。

C8051F310的數(shù)字外設(shè)包括29個端口I/O，所有口線的耐壓均為5 V，并具有4個通用16位計數(shù)器/定時器，時鐘源既可使用25 MHz高精度可編程內(nèi)部振蕩器，也可用外部振蕩器，本電路中使用內(nèi)部振蕩器作為時鐘源。

2.3 控制執(zhí)行驅(qū)動模塊

模塊實現(xiàn)最終控制輸出功能，根據(jù)接收到微控制處理溫度值的結(jié)果去執(zhí)行相應(yīng)的動作，決定冷氣是否工作。電路圖如圖3所示，繼電器K1為核心部件，根據(jù)R13端送來的經(jīng)8050放大的信號指令進行開關(guān)動作，使JP5的2、3腳交替鏈接到1腳電源輸入端，達到控制冷氣是否工作。DS2為K1動作指示燈，D3起到保護Q5的作用。開關(guān)S3在不需要空調(diào)時使用，系統(tǒng)只作環(huán)境溫度顯示。

2.4 溫度設(shè)置顯示模塊

因DS18B20的測溫范圍為-55～125 ℃，測量誤差為0.5 ℃，故顯示電路采用4位共陰LED數(shù)碼管以靜態(tài)顯示方式實現(xiàn)溫度顯示，如圖4所示，從單片機的P0口輸出段碼，選用4.7 kΩ電阻和3.3 V電壓進行上拉，P1.2～P1.5口輸出位控制信號，經(jīng)由8050放大驅(qū)動數(shù)碼管顯示。溫度值范圍設(shè)置采用4個外置按鍵實現(xiàn)相應(yīng)功能，由單片機完成對溫度范圍的設(shè)置。如圖5所示，單片機利用中斷功能對S4，S5，S6及S7 四個鍵進行鍵掃描，調(diào)整溫度的上限值及下限值，若測試溫度不在上限值和下限值的范圍內(nèi)，則執(zhí)行控制程序動作機柜溫度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，遵循模塊獨立性原則，增強軟件可讀性和可移植性，便于調(diào)試和維護升級。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，程序主要包括初始化程序、DS18B20溫度轉(zhuǎn)換及處理程序、溫度控制處理程序、溫度值顯示程序、鍵盤處理程序等幾個程序模塊，其中，DS18B20溫度采集、轉(zhuǎn)換和溫度控制為核心部分，重點介紹設(shè)計思想。

初始化程序完成系統(tǒng)時鐘設(shè)置、端口配置和參數(shù)設(shè)置等，因C8051F系列單片機設(shè)有交叉開關(guān)功能，在I/O口配置過程中要根據(jù)自己需要的端口進行相應(yīng)的設(shè)置，才可保證I/O口的正常使用。

溫度采集程序包括對DS18B20的參數(shù)初始化、溫度采集和溫度轉(zhuǎn)換等程序模塊。因DS18B20采用單總線協(xié)議方式，即在1根I/O線上進行數(shù)據(jù)讀寫[9]，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求，程序的編寫必須遵照嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，確保DS18B20能正常的工作。從DS18B20讀出的二進制數(shù)據(jù)采用12轉(zhuǎn)換精度換算成十進制數(shù)據(jù)，用4位數(shù)碼管顯示，可以精確到0.1 ℃。

溫度控制處理程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要是：將采集到的實際環(huán)境溫度值與根據(jù)設(shè)置好的溫度范圍比較，在P2.0口輸出高低電平，控制繼電器是否動作。

溫度值顯示程序鍵盤處理程序主要實現(xiàn)數(shù)碼管的顯示和鍵盤輸入功能。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的機柜溫度控制器結(jié)構(gòu)簡單、溫度轉(zhuǎn)換精度高，大大提高了老式機柜的散熱效率，機器可靠性明顯提高。溫度測量采用DS18B20一體式數(shù)字溫度傳感器，具有線路簡單，體積小的特點。另外，還可用它來組成一個多點測溫系統(tǒng)，在一根通信線上可以掛多個DS18B20，增加溫度測量點，首先分布式測溫，重點關(guān)注某些器件，如調(diào)制管、磁控管等[10]。本控制器經(jīng)簡單的線路改造，即可應(yīng)用于其他測溫系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景和實用價值。

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[6] 陳忠平，高金定.基于ATmega16與DS18B20的智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（4）：175?177.

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[8] 趙躍齊，馬瑞卿，梁貴毅，等.基于單片機C8051F的智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，17（3）：490?491.

[9] 王偉，李樹榮.基于8051單片機溫度采集及無線發(fā)送[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（1）：146?149.

[10] 張軍，陳慧麗.基于MSP430單片機和DS18B20的數(shù)字溫度計[J].電子設(shè)計工程，2010，18（11）：106?109.

C8051F310是silicon laboratories 公司一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片[8]。它具有高速、流水線結(jié)構(gòu)且與8051兼容的CIP?51內(nèi)核，工作頻率可達 25 MIP?S，片內(nèi)有全速、非侵入式系統(tǒng)調(diào)試接口。器件的工作電壓為2.7～3.6 V，典型工作電流為5 ms，功耗比較低。此單片機帶有模擬多路器、真正的10位、200 KSPS的25通道單端/差分ADC。另外，單片機還具有16 Kb可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。

C8051F310的數(shù)字外設(shè)包括29個端口I/O，所有口線的耐壓均為5 V，并具有4個通用16位計數(shù)器/定時器，時鐘源既可使用25 MHz高精度可編程內(nèi)部振蕩器，也可用外部振蕩器，本電路中使用內(nèi)部振蕩器作為時鐘源。

2.3 控制執(zhí)行驅(qū)動模塊

模塊實現(xiàn)最終控制輸出功能，根據(jù)接收到微控制處理溫度值的結(jié)果去執(zhí)行相應(yīng)的動作，決定冷氣是否工作。電路圖如圖3所示，繼電器K1為核心部件，根據(jù)R13端送來的經(jīng)8050放大的信號指令進行開關(guān)動作，使JP5的2、3腳交替鏈接到1腳電源輸入端，達到控制冷氣是否工作。DS2為K1動作指示燈，D3起到保護Q5的作用。開關(guān)S3在不需要空調(diào)時使用，系統(tǒng)只作環(huán)境溫度顯示。

2.4 溫度設(shè)置顯示模塊

因DS18B20的測溫范圍為-55～125 ℃，測量誤差為0.5 ℃，故顯示電路采用4位共陰LED數(shù)碼管以靜態(tài)顯示方式實現(xiàn)溫度顯示，如圖4所示，從單片機的P0口輸出段碼，選用4.7 kΩ電阻和3.3 V電壓進行上拉，P1.2～P1.5口輸出位控制信號，經(jīng)由8050放大驅(qū)動數(shù)碼管顯示。溫度值范圍設(shè)置采用4個外置按鍵實現(xiàn)相應(yīng)功能，由單片機完成對溫度范圍的設(shè)置。如圖5所示，單片機利用中斷功能對S4，S5，S6及S7 四個鍵進行鍵掃描，調(diào)整溫度的上限值及下限值，若測試溫度不在上限值和下限值的范圍內(nèi)，則執(zhí)行控制程序動作機柜溫度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，遵循模塊獨立性原則，增強軟件可讀性和可移植性，便于調(diào)試和維護升級。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，程序主要包括初始化程序、DS18B20溫度轉(zhuǎn)換及處理程序、溫度控制處理程序、溫度值顯示程序、鍵盤處理程序等幾個程序模塊，其中，DS18B20溫度采集、轉(zhuǎn)換和溫度控制為核心部分，重點介紹設(shè)計思想。

初始化程序完成系統(tǒng)時鐘設(shè)置、端口配置和參數(shù)設(shè)置等，因C8051F系列單片機設(shè)有交叉開關(guān)功能，在I/O口配置過程中要根據(jù)自己需要的端口進行相應(yīng)的設(shè)置，才可保證I/O口的正常使用。

溫度采集程序包括對DS18B20的參數(shù)初始化、溫度采集和溫度轉(zhuǎn)換等程序模塊。因DS18B20采用單總線協(xié)議方式，即在1根I/O線上進行數(shù)據(jù)讀寫[9]，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求，程序的編寫必須遵照嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，確保DS18B20能正常的工作。從DS18B20讀出的二進制數(shù)據(jù)采用12轉(zhuǎn)換精度換算成十進制數(shù)據(jù)，用4位數(shù)碼管顯示，可以精確到0.1 ℃。

溫度控制處理程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要是：將采集到的實際環(huán)境溫度值與根據(jù)設(shè)置好的溫度范圍比較，在P2.0口輸出高低電平，控制繼電器是否動作。

溫度值顯示程序鍵盤處理程序主要實現(xiàn)數(shù)碼管的顯示和鍵盤輸入功能。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的機柜溫度控制器結(jié)構(gòu)簡單、溫度轉(zhuǎn)換精度高，大大提高了老式機柜的散熱效率，機器可靠性明顯提高。溫度測量采用DS18B20一體式數(shù)字溫度傳感器，具有線路簡單，體積小的特點。另外，還可用它來組成一個多點測溫系統(tǒng)，在一根通信線上可以掛多個DS18B20，增加溫度測量點，首先分布式測溫，重點關(guān)注某些器件，如調(diào)制管、磁控管等[10]。本控制器經(jīng)簡單的線路改造，即可應(yīng)用于其他測溫系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景和實用價值。

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