基于C8051F021的智能配电数字终端温度控制技术的设计

任 仁，章国宝

（东南大学 自动化学院，江苏 南京 210096）

随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，单片机技术[2]的出现给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。温度是工业对象中主要的被控参数之一像冶金、机械、化工、食品各类工业中，广泛使用。

在现代的一般的电能表中都不具有温度控制模块的实现，因此对于电能表外界的一些温度的影响就很难避免。但每个芯片都有其工作的温度范围，如果超出了这个范围就意味着芯片无法正常工作从而影响测量数据的精确度，以至于这样的电能表只能在一般的条件下工作。一旦在特殊的条件下（如高温或低温）便无法正常运行了。

针对如何让电能表内的温度保持在正常工作范围内，并能自动检测和调节温度。文中以C8051F021[3-4]和DS18B20为核心，提出一种智能配电数字终端的温度控制方案设计。

1 系统总体方案设计

本设计具有5个模块，分别是：

加热模块：加热器的功率比较高，达林顿管已不能驱动它，此时，笔者选用了一个5 V的继电器来驱动，而驱动继电器就用达林顿管。

冷却模块：本模块所选用的风扇的工作电压为5 V，额定功率为0．3W；之前本来想用继电器来驱动风扇，但因有4个风扇所以就得用4个继电器，太占空间，况且板子的大小本来就很拥挤，这样还增加了成本。5 V 0．3W的风扇，其工作电流为60mA，而达林顿管ULN2003的输出口灌电流可以达到500mA，完全可以驱动4个风扇，所以风扇就只用达林顿管来驱动。

温度检测模块：目前选用的温度传感器是数字温度传感器，即内部自带了AD转换功能，是一款功能比较强大的芯片，但内部的AD转换需要一定的时间，12位精度的温度转换所需时间大概为800 ms；对于本模块而言，实时性要求不是很高，只要控制好箱体内的温度即可。在这里我用了一个800ms的定时器，这样基本能保证温度的实时性。

指示模块：该模块一共有3个指示灯，都必须放在靠板子的外侧，分别是正常运行指示灯、冷却指示灯、加热指示灯。冷却指示灯为绿色，加热指示灯采用红色。

看门狗复位模块：该模块选用SP706SEN，该芯片既可以手动复位，也可以设置一个看门狗程序，定时喂狗。

图1 系统总体设计框图Fig．1 System structure

2 系统硬件设计

2.1 AC-DC模块

该模块选用了金升阳LB系列的芯片，该系列芯片的全球通用电压输入范围为85～264VAC，具有过流保护和短路保护，并且纹波和噪声都比较低，功耗小、工作效率高。

图2 AC-DC模块Fig．2 AC-DCmodule

2.2 温度采集模块：

选用DALLAS公司的单线数字温度传感器DS18B20[5]。其特性如下：

1）独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯；

2）简单的多点分布应用；

3）无需外部器件；

4）可通过数据线供电；

5）零待机功耗；

6）测温范围-55～+125℃，以 0．5℃递增。华氏器件-67～+257 F，以 0．9 F 递增；

7）温度以9位～12位数字量读出；

8）温度数字量转换时间200ms（典型值）；

9）用户可定义的非易失性温度报警设置；

10）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；

11)应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。

2.3 5 V转3.3 V模块

该模块选用了AMS1117-3．3这款芯片，该芯片是一款正电压输出低压差的三端线性稳压电路，在输出1 A时，输入输出的电压差典型值为1．8 V。该芯片内部还集成过热保护和限流电路，确保了芯片和电源系统的稳定性。

图3 温度采集电路Fig．3 Temperature acquisition circuit

图4 电压转换电路Fig．4 Voltage transform circuit

2.4 JTAG

TCK为测试时钟输入；TDI为测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；TDO为测试数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出；TMS为测试模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；TRST为测试复位，输入引脚，低电平有效。

图5 程序下载电路Fig．5 Program download circuit

2.5 看门狗复位模块

该模块选用SP706SEN，该芯片既可以手动复位，也可以设置一个看门狗程序，定时喂狗；如果程序跑飞了，那么当过了一定的时间没喂狗的话，该芯片会自动复位，从而让单片机程序重新开始运行。

选用SP706SEN。该芯片的特性如下：

1）高精度低电压监控器；

2） 独立的看门狗定时器-溢出周期 1．6 s（SP706P/S/R/T）；

3）去抖TTL/CMOS手动复位输入；

4）WDI可以保持为浮空，以禁止看门狗功能。

2.6 MCU模块

选用了C8051F021，这是51系列单片机中性能最强大的单片机[6]。其特点如下：

图6 复位电路Fig．6 Reset circuit

1）高速、流水线结构的 8051兼容的 CIP-51内核（可达25 MIPS）；

2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；

3）真正 12位 （C8051F020）、100 ksps的 8通道 ADC，带 PGA和模拟多路开关；

4）真正 8位 500 ksps的 ADC，带 PGA和 8通道模拟多路开关；

5）两个 12位 DAC，具有可编程数据更新方式；

6）64K字节可在系统编程的 FLASH存储器；

7）4352（4096+256）字节的片内 RAM；

8）可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口；

9）硬件实现的 SPI、SMBus/I2C和两个 UART串行接口；

10）5个通用的 16位定时器；

11）具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；

12）片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。

图7 主控芯片Fig．7 Master control MCU

2.7 指示模块

该模块一共有3个指示灯，都必须放在靠板子的外侧，分别是正常运行指示灯、冷却指示灯、加热指示灯。冷却指示灯为绿色，加热指示灯采用红色。

模块正常运行时，正常指示灯每隔一秒闪烁一次；当模块处于加热状态时，正常指示灯保持不变的状态（还是每秒闪烁一次），加热指示灯也每秒闪烁一次；同理，冷却状态时，正常指示灯同理，冷却指示灯每秒闪烁一次。（每秒闪烁一次可以理解为指示灯亮一秒灭一秒）

2.8 加热模块

加热的工作原理为：首先该模块有加热装置，当环境温度小于温度设定值（即-15°C）时，启动加热装置，同时启动一个电风扇使终端内部的空气流动起来，以达到终端内温度基本一致。

加热器的功率比较高，达林顿管已不能驱动它，此时，我用了一个5 V的继电器来驱动，而驱动继电器就用达林顿管。

图8 指示电路Fig．8 Instructions circui

考虑到板子的尺寸有限，而且供电的电压只有5 V，所以选了一个5 V 3W的PTC铝壳加热器。

图9 加热模块电路Fig．9 Heat circuit

3 系统软件设计

冷却模块：冷却的工作原理为：该模块一共有4个小电风扇，2个从壳体外部吸收空气，另外2个从壳体内部向外部吹空气，从而形成空气的流通，以达到降温的作用。启动冷却功能有2个温度控制设定值，即一级温度设定值和二级温度设定值，一级温度设定值为40°C，二级温度设定值为55°C。当温度大于以及温度设定值时开启一个吸气电风扇和一个吹气电风扇；而当温度大于二级温度设定值时，开启2个吸气电风扇和2个吹气电风扇。

加热模块：加热的工作原理为：首先该模块有加热装置，当环境温度小于温度设定值（即-15°C）时，启动加热装置，同时启动一个电风扇使终端内部的空气流动起来，以达到终端内温度基本一致。

指示模块：模块正常运行时，正常指示灯每隔一秒闪烁一次；当模块处于加热状态时，正常指示灯保持不变的状态（还是每秒闪烁一次），加热指示灯也每秒闪烁一次；同理，冷却状态时，正常指示灯同理，冷却指示灯每秒闪烁一次。（每秒闪烁一次可以理解为指示灯亮一秒灭一秒）。

看门狗复位模块：该模块选用SP706SEN，该芯片既可以手动复位，也可以设置一个看门狗程序，定时喂狗；如果程序跑飞了，那么当过了一定的时间没喂狗的话，该芯片会自动复位，从而让单片机程序重新开始运行。

图10为系统软件总体流程图。

图10 系统软件总体流程图Fig．10 The overall system software flow chart

4 结束语

文中介绍了一种基于C8051F系列单片机的温度控制系统。该设计在实际工作中能够比较好地对终端内部的温度进行实时自动调控，能将箱体内部的温度保持在一个正常地工作范围内。随着科学技术的发展，智能电网的编程技术[7]会越来越成熟，智能终端会越来越多地应用到日常生活中来，而终端内部的温度控制就会越来越重要，对于不同的终端其温度控制方案也会越来越多，越来越精密。因此，温度控制技术也会随着科技的发展而快速发展。

[1]杨蕾．智能配电网络监测终端的设计[D]．武汉：华中师范大学，2007．

[2]胡汉才．单片机原理及其接口技术[M]．北京：清华大学出版社，1995．

[3]张俊谟．SoC单片机原理与应用—基于C8051F系列[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007．

[4]庞阡宵．基于C8051的CAN多点实时数据通信系统[J]．电子科技，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]阎石．数字电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，1999．

[6]李华．MCS-51系列单片机实用接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，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．