基于C8051F021的智能配電數字終端溫度控制技術的設計

任 仁，章國寶

（東南大學 自動化學院，江蘇 南京 210096）

隨著電子技術的發展，特別是隨著大規模集成電路的產生，給人們的生活帶來了根本性的變化，單片機技術[2]的出現給現代工業控制測控領域帶來了一次新的革命。溫度是工業對象中主要的被控參數之一像冶金、機械、化工、食品各類工業中，廣泛使用。

在現代的一般的電能表中都不具有溫度控制模塊的實現，因此對于電能表外界的一些溫度的影響就很難避免。但每個芯片都有其工作的溫度范圍，如果超出了這個范圍就意味著芯片無法正常工作從而影響測量數據的精確度，以至于這樣的電能表只能在一般的條件下工作。一旦在特殊的條件下（如高溫或低溫）便無法正常運行了。

針對如何讓電能表內的溫度保持在正常工作范圍內，并能自動檢測和調節溫度。文中以C8051F021[3-4]和DS18B20為核心，提出一種智能配電數字終端的溫度控制方案設計。

1 系統總體方案設計

本設計具有5個模塊，分別是：

加熱模塊：加熱器的功率比較高，達林頓管已不能驅動它，此時，筆者選用了一個5 V的繼電器來驅動，而驅動繼電器就用達林頓管。

冷卻模塊：本模塊所選用的風扇的工作電壓為5 V，額定功率為0．3W；之前本來想用繼電器來驅動風扇，但因有4個風扇所以就得用4個繼電器，太占空間，況且板子的大小本來就很擁擠，這樣還增加了成本。5 V 0．3W的風扇，其工作電流為60mA，而達林頓管ULN2003的輸出口灌電流可以達到500mA，完全可以驅動4個風扇，所以風扇就只用達林頓管來驅動。

溫度檢測模塊：目前選用的溫度傳感器是數字溫度傳感器，即內部自帶了AD轉換功能，是一款功能比較強大的芯片，但內部的AD轉換需要一定的時間，12位精度的溫度轉換所需時間大概為800 ms；對于本模塊而言，實時性要求不是很高，只要控制好箱體內的溫度即可。在這里我用了一個800ms的定時器，這樣基本能保證溫度的實時性。

指示模塊：該模塊一共有3個指示燈，都必須放在靠板子的外側，分別是正常運行指示燈、冷卻指示燈、加熱指示燈。冷卻指示燈為綠色，加熱指示燈采用紅色。

看門狗復位模塊：該模塊選用SP706SEN，該芯片既可以手動復位，也可以設置一個看門狗程序，定時喂狗。

圖1 系統總體設計框圖Fig．1 System structure

2 系統硬件設計

2.1 AC-DC模塊

該模塊選用了金升陽LB系列的芯片，該系列芯片的全球通用電壓輸入范圍為85～264VAC，具有過流保護和短路保護，并且紋波和噪聲都比較低，功耗小、工作效率高。

圖2 AC-DC模塊Fig．2 AC-DCmodule

2.2 溫度采集模塊：

選用DALLAS公司的單線數字溫度傳感器DS18B20[5]。其特性如下：

1）獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊；

2）簡單的多點分布應用；

3）無需外部器件；

4）可通過數據線供電；

5）零待機功耗；

6）測溫范圍-55～+125℃，以 0．5℃遞增。華氏器件-67～+257 F，以 0．9 F 遞增；

7）溫度以9位～12位數字量讀出；

8）溫度數字量轉換時間200ms（典型值）；

9）用戶可定義的非易失性溫度報警設置；

10）報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；

11)應用包括溫度控制、工業系統、消費品、溫度計或任何熱感測系統。

2.3 5 V轉3.3 V模塊

該模塊選用了AMS1117-3．3這款芯片，該芯片是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩壓電路，在輸出1 A時，輸入輸出的電壓差典型值為1．8 V。該芯片內部還集成過熱保護和限流電路，確保了芯片和電源系統的穩定性。

圖3 溫度采集電路Fig．3 Temperature acquisition circuit

圖4 電壓轉換電路Fig．4 Voltage transform circuit

2.4 JTAG

TCK為測試時鐘輸入；TDI為測試數據輸入，數據通過TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測試數據輸出，數據通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇，TMS用來設置JTAG接口處于某種特定的測試模式；TRST為測試復位，輸入引腳，低電平有效。

圖5 程序下載電路Fig．5 Program download circuit

2.5 看門狗復位模塊

該模塊選用SP706SEN，該芯片既可以手動復位，也可以設置一個看門狗程序，定時喂狗；如果程序跑飛了，那么當過了一定的時間沒喂狗的話，該芯片會自動復位，從而讓單片機程序重新開始運行。

選用SP706SEN。該芯片的特性如下：

1）高精度低電壓監控器；

2） 獨立的看門狗定時器-溢出周期 1．6 s（SP706P/S/R/T）；

3）去抖TTL/CMOS手動復位輸入；

4）WDI可以保持為浮空，以禁止看門狗功能。

2.6 MCU模塊

選用了C8051F021，這是51系列單片機中性能最強大的單片機[6]。其特點如下：

圖6 復位電路Fig．6 Reset circuit

1）高速、流水線結構的 8051兼容的 CIP-51內核（可達25 MIPS）；

2）全速、非侵入式的在系統調試接口（片內）；

3）真正 12位 （C8051F020）、100 ksps的 8通道 ADC，帶 PGA和模擬多路開關；

4）真正 8位 500 ksps的 ADC，帶 PGA和 8通道模擬多路開關；

5）兩個 12位 DAC，具有可編程數據更新方式；

6）64K字節可在系統編程的 FLASH存儲器；

7）4352（4096+256）字節的片內 RAM；

8）可尋址64K字節地址空間的外部數據存儲器接口；

9）硬件實現的 SPI、SMBus/I2C和兩個 UART串行接口；

10）5個通用的 16位定時器；

11）具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列；

12）片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器。

圖7 主控芯片Fig．7 Master control MCU

2.7 指示模塊

該模塊一共有3個指示燈，都必須放在靠板子的外側，分別是正常運行指示燈、冷卻指示燈、加熱指示燈。冷卻指示燈為綠色，加熱指示燈采用紅色。

模塊正常運行時，正常指示燈每隔一秒閃爍一次；當模塊處于加熱狀態時，正常指示燈保持不變的狀態（還是每秒閃爍一次），加熱指示燈也每秒閃爍一次；同理，冷卻狀態時，正常指示燈同理，冷卻指示燈每秒閃爍一次。（每秒閃爍一次可以理解為指示燈亮一秒滅一秒）

2.8 加熱模塊

加熱的工作原理為：首先該模塊有加熱裝置，當環境溫度小于溫度設定值（即-15°C）時，啟動加熱裝置，同時啟動一個電風扇使終端內部的空氣流動起來，以達到終端內溫度基本一致。

加熱器的功率比較高，達林頓管已不能驅動它，此時，我用了一個5 V的繼電器來驅動，而驅動繼電器就用達林頓管。

圖8 指示電路Fig．8 Instructions circui

考慮到板子的尺寸有限，而且供電的電壓只有5 V，所以選了一個5 V 3W的PTC鋁殼加熱器。

圖9 加熱模塊電路Fig．9 Heat circuit

3 系統軟件設計

冷卻模塊：冷卻的工作原理為：該模塊一共有4個小電風扇，2個從殼體外部吸收空氣，另外2個從殼體內部向外部吹空氣，從而形成空氣的流通，以達到降溫的作用。啟動冷卻功能有2個溫度控制設定值，即一級溫度設定值和二級溫度設定值，一級溫度設定值為40°C，二級溫度設定值為55°C。當溫度大于以及溫度設定值時開啟一個吸氣電風扇和一個吹氣電風扇；而當溫度大于二級溫度設定值時，開啟2個吸氣電風扇和2個吹氣電風扇。

加熱模塊：加熱的工作原理為：首先該模塊有加熱裝置，當環境溫度小于溫度設定值（即-15°C）時，啟動加熱裝置，同時啟動一個電風扇使終端內部的空氣流動起來，以達到終端內溫度基本一致。

指示模塊：模塊正常運行時，正常指示燈每隔一秒閃爍一次；當模塊處于加熱狀態時，正常指示燈保持不變的狀態（還是每秒閃爍一次），加熱指示燈也每秒閃爍一次；同理，冷卻狀態時，正常指示燈同理，冷卻指示燈每秒閃爍一次。（每秒閃爍一次可以理解為指示燈亮一秒滅一秒）。

看門狗復位模塊：該模塊選用SP706SEN，該芯片既可以手動復位，也可以設置一個看門狗程序，定時喂狗；如果程序跑飛了，那么當過了一定的時間沒喂狗的話，該芯片會自動復位，從而讓單片機程序重新開始運行。

圖10為系統軟件總體流程圖。

圖10 系統軟件總體流程圖Fig．10 The overall system software flow chart

4 結束語

文中介紹了一種基于C8051F系列單片機的溫度控制系統。該設計在實際工作中能夠比較好地對終端內部的溫度進行實時自動調控，能將箱體內部的溫度保持在一個正常地工作范圍內。隨著科學技術的發展，智能電網的編程技術[7]會越來越成熟，智能終端會越來越多地應用到日常生活中來，而終端內部的溫度控制就會越來越重要，對于不同的終端其溫度控制方案也會越來越多，越來越精密。因此，溫度控制技術也會隨著科技的發展而快速發展。

[1]楊蕾．智能配電網絡監測終端的設計[D]．武漢：華中師范大學，2007．

[2]胡漢才．單片機原理及其接口技術[M]．北京：清華大學出版社，1995．

[3]張俊謨．SoC單片機原理與應用—基于C8051F系列[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007．

[4]龐阡宵．基于C8051的CAN多點實時數據通信系統[J]．電子科技，2011（11）：19-21,24．

PANG Qian-xiao．Research on the communication system of CANmulti-point real-time data based on C8051[J]．Electronic Science and Technology,2011（11）：19-21,24．

[5]閻石．數字電子技術基礎[M]．北京：高等教育出版社，1999．

[6]李華．MCS-51系列單片機實用接口技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1993．

[7]EPRIUS，EDF R＆D．Profiling and Mapping of Intelligent Grid R＆D Programs[R]．Clamart，France：EPRI，Palo Alto，CA，USA and EDFR＆D，2006．