基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

李偉龍

( 西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030)

1 引言

溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域，如家電、汽車、材料、電力電子等。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用單片機對溫度進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量［1］。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

以AT89S51 單片機為核心，通過設(shè)置按鍵，設(shè)定恒溫運行時的溫度值并且用LCD 液晶顯示這個溫度值［2］。然后，溫度傳感器DS18B20 從設(shè)備環(huán)境的不同位置采集溫度，單片機AT89S51 獲取采集的溫度值，經(jīng)處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個比較穩(wěn)定的溫度值［3］，并用LCD1602 液晶顯示實時溫度數(shù)據(jù)。再根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的溫度上下限值，通過加熱和降溫對當(dāng)前溫度進行調(diào)整。當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后超過設(shè)定溫度的上限時，單片機通過三極管驅(qū)動繼電器開啟降溫設(shè)備(壓縮制冷器)，當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度的下時，單片機通過三極管驅(qū)動繼電器開啟升溫設(shè)備(加熱器)［4］。其系統(tǒng)的框圖如下圖所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計總框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 主控電路

AT89S51 作為溫度測試系統(tǒng)設(shè)計的核心器件。該器件是INTEL 公司生產(chǎn)的MCS－51 系列單片機中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，采用了可靠的CMOS 工藝制造技術(shù)，具有高性能的8 位單片機，屬于標準的MCS－51 的CMOS 產(chǎn)品［5］。不僅結(jié)合了HMOS 的高速和高密度技術(shù)及CHMOS 的低功耗特征，而且繼承和擴展了MCS 一48 單片機的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。

圖2 51 單片機最新系統(tǒng)

AT89S51 具有MCS－51 系列單片機的所有優(yōu)點。128 ×8位內(nèi)部RAM，32 位雙向輸入輸出線，兩個十六位定時器/計時器，6 個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級，兩個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。

3.2 溫度傳感器

DS18B20 數(shù)字溫度傳感器是DALLAS 公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點［6］。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。其原理圖如圖3。

圖3 DS18B20 內(nèi)部原理圖

使用寄生電源時，DS18B20 不需額外的供電電源;當(dāng)總線為高電平時，功率由單總線上的上拉電阻通過DQ 引腳提供;高電平總線信號同時也向內(nèi)部電容CPP 充電，CPP 在總線低電平時為器件供電。

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，因其內(nèi)部集成了A/D 轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡單，而且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。數(shù)字溫度傳感器DS18B20 只用一個引腳即可與單片機進行通信，大大減少了接線的麻煩。

3.3 顯示電路

采用1602LCD 液晶顯示，其中LCD 液晶顯示是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制有電就有顯示這樣即可以顯示出圖形［7］。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA 移動通信工具等眾多領(lǐng)域。其接口電路如圖4。

圖4 LCD 接口電路

字符型液晶顯示器模塊組件內(nèi)部主要有LCD 顯示屏、控制器、驅(qū)動器和偏壓產(chǎn)生電路組成。其控制器主要由指令寄存器IR、數(shù)據(jù)寄存器DR、忙識別位BF、地址計數(shù)器AC、DDRAM、CGROM、CGRAM 及時序發(fā)生電路組成。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求而設(shè)計的，能可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。本系統(tǒng)的軟件包括以下幾個程序模塊:初始化程序;鍵盤掃描程序與處理程序;DS18B20 控制程序;LCD 液晶顯示程序;執(zhí)行器驅(qū)動程序。主程序流圖如圖5。

圖5 主程序流程圖

系統(tǒng)通過得到按鍵的值來確定設(shè)定溫度的上下限值，啟動DS18B20 傳感器得到實時溫度數(shù)據(jù)，然后將其與設(shè)定值進行比較同時給顯示模塊顯示，根據(jù)得到的偏差信號發(fā)出驅(qū)動控制指令，啟動升降溫設(shè)備對溫度進行調(diào)節(jié)，從而使溫度值能夠在保持在設(shè)定值范圍內(nèi)，達到系統(tǒng)的設(shè)計要求。其中LCD顯示部分程序:

LCDSET1:

MOV A，#01H;清除屏幕

ACALL LCD_CMD

ACALL DELAY5MS

MOV A，#06H;移動光標(光標加1)

ACALL LCD_CMD

ACALL DELAY5MS

MOV A，#80H;顯示第一行左邊第一位位置

ACALL LCD_CMD

ACALL DELAY5MS

RET

LCDSET2:

MOV A，#01H;清除屏幕

ACALL LCD_CMD

ACALL DELAY5MS

MOV A，#06H;移動光標(光標減1)

ACALL LCD_CMD ACALL DELAY5MS

MOV A，#80H;顯示第一行右邊第一位位置

ACALL LCD_CMD

ACALL DELAY5MS

RET

5 結(jié)論

通過程序的控制與硬件電路的實現(xiàn)，最終能夠完成設(shè)計的要求。根據(jù)DS18B20 檢測到的溫度信息，經(jīng)單片機處理后，輸出控制信號能夠?qū)崿F(xiàn)溫度系統(tǒng)控制與實時數(shù)據(jù)的顯示。本系統(tǒng)具有體積小、讀數(shù)方便、精度高、測溫范圍廣的特點。

［1］高吉祥，全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007

［2］曹巧媛，單片機原理及應(yīng)用( 第二版) ［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002

［3］金發(fā)慶，傳感器技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002

［4］童詩白，模擬電路技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［5］李葉紫，MCS－51 單片機應(yīng)用教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004

［6］王家楨，傳感器與變送器［M］.北京: 清華大學(xué)出版社，1996.

［7］康華光.，電子技術(shù)基礎(chǔ)—數(shù)字部分［M］.北京: 高等教育出版社，2008.