基于單片機的溫控裝置系統(tǒng)研究

保棟梁+劉秀波

摘 要 溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，在日常生活中也經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制。本文介紹了一種以80C51單片機為核心控制器，以DS18B20為溫度傳感器的溫控裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫度采集、顯示、控制等功能，并且具有測量精準高、實時性好、使用方便等特點，有很強的實用價值。

關(guān)鍵詞 單片機；溫度控制；80C51；DS18B20

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0009-01

當前，在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域中，溫度的測控與生產(chǎn)的安全、效率和質(zhì)量和企業(yè)效益都密切相關(guān)。因此，我國一直致力于溫度測控方面的技術(shù)革新和研究，把單片機應(yīng)用于溫度測控系統(tǒng)中就是其中很重要的一個方法。這可以提高產(chǎn)品的功能，并且使得成本更加降低，功能性和經(jīng)濟性可以得到很大的提升。本文就一種切實可行的單片機溫控系統(tǒng)進行了分析和研究。

1 溫控系統(tǒng)裝置中的硬件部分

所研究的溫度控制系統(tǒng)采用單片機80C51為核心，DS18B20溫度傳感器采集溫度變化信號，PID控制器對采集的溫度進行處理，用AMPIRE128X64液晶以動態(tài)掃描方式實現(xiàn)設(shè)定溫度與當前溫度，通過單片機與設(shè)定溫度進行比較后去控制加熱器，并將當前溫度返還給溫度傳感器。

系統(tǒng)由幾個部分組成：1）溫度采集部分采用DS18B20溫度傳感器；2）PID控制器對采集的溫度進行數(shù)據(jù)處理；3）顯示部分采用AMPIRE128X64液晶顯示器以動態(tài)掃描方式顯示實際溫度與當前溫度；4）通過80C51單片機對實際溫度和設(shè)定溫度進行比較，確定加熱器狀態(tài)，并將當前溫度值返還溫度傳感器。以實現(xiàn)自動溫度控制。具體如下圖所示。

2 系統(tǒng)各部件的選型

單片機溫控系統(tǒng)的核心采用 80C51 芯片作為，該型號芯片由INTEL公司發(fā)明生產(chǎn)，是MCS-51系列單片機產(chǎn)品中最基本的一款。它兼?zhèn)淞薈HMOS低功耗的特征和HMOS的高速、高密度的技術(shù)優(yōu)點，其體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)是MCS-48單片機系統(tǒng)的擴展。另外，通過兩種軟件，可以控制80C51切換到掉電模式和空閑模式，前者是保證RAM數(shù)據(jù)的保存，時鐘振蕩和芯片其它功能的停止，后者是保證凍結(jié)CPU，兩種模式都是使系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。

系統(tǒng)采用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)改進的智能型的DS18B20溫度傳感器。DS18B20只有三個引腳：一個是GDN（電源地）；一個是VDD（當采用寄生電源供電時，VDD接工作電源）；還有一個引腳是DQ（數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳）。不像傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件，DS18B20智能型溫度傳感器可以直接讀出被測溫度。由DS18B20智能型數(shù)字溫度傳感器和其與單片機的接口組成的這部分主要負責溫度信號的采集和轉(zhuǎn)換。通過PID控制部分，DS18B20數(shù)字溫度傳感器把采集到的溫度進行轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)傳送到單片機后進行比較處理。

溫控系統(tǒng)采用數(shù)字PID算法，由軟件實現(xiàn)，所謂PID控制就是按設(shè)定值與測量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢進行控制。它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。采集的到的溫度經(jīng)過PID控制電路進行換算之后傳入單片機，與設(shè)定的溫度進行對比處理。

顯示電路采用AMPIRE128X64液晶顯示器顯示當前溫度與設(shè)定溫度。

3 系統(tǒng)軟件部分

一個應(yīng)用系統(tǒng)必須兼?zhèn)溆休^完善的硬件保障和設(shè)計合理的的相應(yīng)軟件的支持才能出色地完成各項功能。因此，該系統(tǒng)在充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源的基礎(chǔ)上，使用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法和與C51系列單片機相應(yīng)的51匯編語言進行編程，以充分得到軟件資源的支持。

系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀溫子程序，復(fù)位應(yīng)答子程序和寫入子程序。

主程序的功能是保證系統(tǒng)可以實時顯示溫度的數(shù)值、讀出和處理DS18B20溫度傳感器的當時測量值，測量周期為1s，即在1s之內(nèi)測量一次被測溫度。過調(diào)用讀溫子程序，兩個單元分別可以存放內(nèi)存儲中的整數(shù)部分與小數(shù)部分，之后調(diào)用顯示子程序?qū)⑵滹@示出來。

讀溫子程序負責讀取RAM中的9字節(jié)，然后進入CRC校驗程序，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。鑒于DS18B20非常嚴格地對各個命令的時序做出了要求，所以在錄入時必須遵照時序要求進行。

主機發(fā)出延時537微秒的復(fù)位低脈沖，然后拉高數(shù)據(jù)線等待DS18B20回應(yīng)，判斷表示DS1820是否存在，如果存在時序要求延時一段時間P1.0口置1讀出轉(zhuǎn)換后的溫度值。

系統(tǒng)主程序的功能有：啟動DS18B20的測量溫度，然后通過PID控制器，將測量值與給定值進行比對處理，若果測得溫度值小于設(shè)定溫度值的下限，則進行加熱程序，將P1.1置為低電平狀態(tài)，并在此期間持續(xù)監(jiān)測溫度。當溫度上升到設(shè)定范圍內(nèi)，將P1.1置為高電平，斷開可控硅，不在加熱，直到下次啟動命令的出現(xiàn)。同樣，當測得溫度值大于設(shè)定溫度上限，進入降溫程序，將P1.2置為低電平，并在此期間持續(xù)監(jiān)測溫度，當溫度降至設(shè)定范圍，將P1.2置為高電平斷開，斷開可控硅，直到下次啟動命令的出現(xiàn)。

4 結(jié)論

當前溫度低于所設(shè)溫度下限20攝氏度時，紅燈亮起，繼電器加熱，當前溫度在所設(shè)溫度范圍內(nèi)（20～35攝氏度）時，繼電器保持加熱狀態(tài)不變，紅燈亮起，當前溫度超過所設(shè)溫度上限35攝氏度時，綠燈亮起，繼電器自動斷電，當前溫度處于設(shè)定溫度界限（20或35攝氏度）時，繼電器保持原有狀態(tài)，黃燈亮起。溫度控制精度為0.1攝氏度，控制精度較高。

以單片機80C51為核心，用DS18B20溫度傳感器采集溫度變化信號，PID控制器對采集的溫度進行處理，AMPIRE128X64液晶以動態(tài)掃描方式實現(xiàn)設(shè)定溫度與當前溫度，通過單片機與設(shè)定溫度進行比較后去控制加熱器，并將當前溫度返還給溫度傳感器進行自動控制。采用PID算法精確的控制溫度的變化，精確度為0.1攝氏度。本文論述的溫度控制系統(tǒng)可用于多種場所的溫度測控，如育嬰房、水池、發(fā)酵缸等。經(jīng)調(diào)試，使用者可靈活將本系統(tǒng)裝置應(yīng)用于生產(chǎn)生活各領(lǐng)域，有一定的實用價值和研究意義。

參考文獻

[1]趙曉光.單片機溫度控制系統(tǒng)方案的研究[J].科技傳播，2013（3）.endprint

摘 要 溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，在日常生活中也經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制。本文介紹了一種以80C51單片機為核心控制器，以DS18B20為溫度傳感器的溫控裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫度采集、顯示、控制等功能，并且具有測量精準高、實時性好、使用方便等特點，有很強的實用價值。

關(guān)鍵詞 單片機；溫度控制；80C51；DS18B20

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0009-01

當前，在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域中，溫度的測控與生產(chǎn)的安全、效率和質(zhì)量和企業(yè)效益都密切相關(guān)。因此，我國一直致力于溫度測控方面的技術(shù)革新和研究，把單片機應(yīng)用于溫度測控系統(tǒng)中就是其中很重要的一個方法。這可以提高產(chǎn)品的功能，并且使得成本更加降低，功能性和經(jīng)濟性可以得到很大的提升。本文就一種切實可行的單片機溫控系統(tǒng)進行了分析和研究。

1 溫控系統(tǒng)裝置中的硬件部分

所研究的溫度控制系統(tǒng)采用單片機80C51為核心，DS18B20溫度傳感器采集溫度變化信號，PID控制器對采集的溫度進行處理，用AMPIRE128X64液晶以動態(tài)掃描方式實現(xiàn)設(shè)定溫度與當前溫度，通過單片機與設(shè)定溫度進行比較后去控制加熱器，并將當前溫度返還給溫度傳感器。

系統(tǒng)由幾個部分組成：1）溫度采集部分采用DS18B20溫度傳感器；2）PID控制器對采集的溫度進行數(shù)據(jù)處理；3）顯示部分采用AMPIRE128X64液晶顯示器以動態(tài)掃描方式顯示實際溫度與當前溫度；4）通過80C51單片機對實際溫度和設(shè)定溫度進行比較，確定加熱器狀態(tài)，并將當前溫度值返還溫度傳感器。以實現(xiàn)自動溫度控制。具體如下圖所示。

2 系統(tǒng)各部件的選型

單片機溫控系統(tǒng)的核心采用 80C51 芯片作為，該型號芯片由INTEL公司發(fā)明生產(chǎn)，是MCS-51系列單片機產(chǎn)品中最基本的一款。它兼?zhèn)淞薈HMOS低功耗的特征和HMOS的高速、高密度的技術(shù)優(yōu)點，其體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)是MCS-48單片機系統(tǒng)的擴展。另外，通過兩種軟件，可以控制80C51切換到掉電模式和空閑模式，前者是保證RAM數(shù)據(jù)的保存，時鐘振蕩和芯片其它功能的停止，后者是保證凍結(jié)CPU，兩種模式都是使系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。

系統(tǒng)采用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)改進的智能型的DS18B20溫度傳感器。DS18B20只有三個引腳：一個是GDN（電源地）；一個是VDD（當采用寄生電源供電時，VDD接工作電源）；還有一個引腳是DQ（數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳）。不像傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件，DS18B20智能型溫度傳感器可以直接讀出被測溫度。由DS18B20智能型數(shù)字溫度傳感器和其與單片機的接口組成的這部分主要負責溫度信號的采集和轉(zhuǎn)換。通過PID控制部分，DS18B20數(shù)字溫度傳感器把采集到的溫度進行轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)傳送到單片機后進行比較處理。

溫控系統(tǒng)采用數(shù)字PID算法，由軟件實現(xiàn)，所謂PID控制就是按設(shè)定值與測量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢進行控制。它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。采集的到的溫度經(jīng)過PID控制電路進行換算之后傳入單片機，與設(shè)定的溫度進行對比處理。

顯示電路采用AMPIRE128X64液晶顯示器顯示當前溫度與設(shè)定溫度。

3 系統(tǒng)軟件部分

一個應(yīng)用系統(tǒng)必須兼?zhèn)溆休^完善的硬件保障和設(shè)計合理的的相應(yīng)軟件的支持才能出色地完成各項功能。因此，該系統(tǒng)在充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源的基礎(chǔ)上，使用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法和與C51系列單片機相應(yīng)的51匯編語言進行編程，以充分得到軟件資源的支持。

系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀溫子程序，復(fù)位應(yīng)答子程序和寫入子程序。

主程序的功能是保證系統(tǒng)可以實時顯示溫度的數(shù)值、讀出和處理DS18B20溫度傳感器的當時測量值，測量周期為1s，即在1s之內(nèi)測量一次被測溫度。過調(diào)用讀溫子程序，兩個單元分別可以存放內(nèi)存儲中的整數(shù)部分與小數(shù)部分，之后調(diào)用顯示子程序?qū)⑵滹@示出來。

讀溫子程序負責讀取RAM中的9字節(jié)，然后進入CRC校驗程序，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。鑒于DS18B20非常嚴格地對各個命令的時序做出了要求，所以在錄入時必須遵照時序要求進行。

主機發(fā)出延時537微秒的復(fù)位低脈沖，然后拉高數(shù)據(jù)線等待DS18B20回應(yīng)，判斷表示DS1820是否存在，如果存在時序要求延時一段時間P1.0口置1讀出轉(zhuǎn)換后的溫度值。

系統(tǒng)主程序的功能有：啟動DS18B20的測量溫度，然后通過PID控制器，將測量值與給定值進行比對處理，若果測得溫度值小于設(shè)定溫度值的下限，則進行加熱程序，將P1.1置為低電平狀態(tài)，并在此期間持續(xù)監(jiān)測溫度。當溫度上升到設(shè)定范圍內(nèi)，將P1.1置為高電平，斷開可控硅，不在加熱，直到下次啟動命令的出現(xiàn)。同樣，當測得溫度值大于設(shè)定溫度上限，進入降溫程序，將P1.2置為低電平，并在此期間持續(xù)監(jiān)測溫度，當溫度降至設(shè)定范圍，將P1.2置為高電平斷開，斷開可控硅，直到下次啟動命令的出現(xiàn)。

4 結(jié)論

當前溫度低于所設(shè)溫度下限20攝氏度時，紅燈亮起，繼電器加熱，當前溫度在所設(shè)溫度范圍內(nèi)（20～35攝氏度）時，繼電器保持加熱狀態(tài)不變，紅燈亮起，當前溫度超過所設(shè)溫度上限35攝氏度時，綠燈亮起，繼電器自動斷電，當前溫度處于設(shè)定溫度界限（20或35攝氏度）時，繼電器保持原有狀態(tài)，黃燈亮起。溫度控制精度為0.1攝氏度，控制精度較高。

以單片機80C51為核心，用DS18B20溫度傳感器采集溫度變化信號，PID控制器對采集的溫度進行處理，AMPIRE128X64液晶以動態(tài)掃描方式實現(xiàn)設(shè)定溫度與當前溫度，通過單片機與設(shè)定溫度進行比較后去控制加熱器，并將當前溫度返還給溫度傳感器進行自動控制。采用PID算法精確的控制溫度的變化，精確度為0.1攝氏度。本文論述的溫度控制系統(tǒng)可用于多種場所的溫度測控，如育嬰房、水池、發(fā)酵缸等。經(jīng)調(diào)試，使用者可靈活將本系統(tǒng)裝置應(yīng)用于生產(chǎn)生活各領(lǐng)域，有一定的實用價值和研究意義。

參考文獻

[1]趙曉光.單片機溫度控制系統(tǒng)方案的研究[J].科技傳播，2013（3）.endprint

摘 要 溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，在日常生活中也經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制。本文介紹了一種以80C51單片機為核心控制器，以DS18B20為溫度傳感器的溫控裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫度采集、顯示、控制等功能，并且具有測量精準高、實時性好、使用方便等特點，有很強的實用價值。

關(guān)鍵詞 單片機；溫度控制；80C51；DS18B20

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0009-01

當前，在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域中，溫度的測控與生產(chǎn)的安全、效率和質(zhì)量和企業(yè)效益都密切相關(guān)。因此，我國一直致力于溫度測控方面的技術(shù)革新和研究，把單片機應(yīng)用于溫度測控系統(tǒng)中就是其中很重要的一個方法。這可以提高產(chǎn)品的功能，并且使得成本更加降低，功能性和經(jīng)濟性可以得到很大的提升。本文就一種切實可行的單片機溫控系統(tǒng)進行了分析和研究。

1 溫控系統(tǒng)裝置中的硬件部分

所研究的溫度控制系統(tǒng)采用單片機80C51為核心，DS18B20溫度傳感器采集溫度變化信號，PID控制器對采集的溫度進行處理，用AMPIRE128X64液晶以動態(tài)掃描方式實現(xiàn)設(shè)定溫度與當前溫度，通過單片機與設(shè)定溫度進行比較后去控制加熱器，并將當前溫度返還給溫度傳感器。

系統(tǒng)由幾個部分組成：1）溫度采集部分采用DS18B20溫度傳感器；2）PID控制器對采集的溫度進行數(shù)據(jù)處理；3）顯示部分采用AMPIRE128X64液晶顯示器以動態(tài)掃描方式顯示實際溫度與當前溫度；4）通過80C51單片機對實際溫度和設(shè)定溫度進行比較，確定加熱器狀態(tài)，并將當前溫度值返還溫度傳感器。以實現(xiàn)自動溫度控制。具體如下圖所示。

2 系統(tǒng)各部件的選型

單片機溫控系統(tǒng)的核心采用 80C51 芯片作為，該型號芯片由INTEL公司發(fā)明生產(chǎn)，是MCS-51系列單片機產(chǎn)品中最基本的一款。它兼?zhèn)淞薈HMOS低功耗的特征和HMOS的高速、高密度的技術(shù)優(yōu)點，其體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)是MCS-48單片機系統(tǒng)的擴展。另外，通過兩種軟件，可以控制80C51切換到掉電模式和空閑模式，前者是保證RAM數(shù)據(jù)的保存，時鐘振蕩和芯片其它功能的停止，后者是保證凍結(jié)CPU，兩種模式都是使系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。

系統(tǒng)采用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)改進的智能型的DS18B20溫度傳感器。DS18B20只有三個引腳：一個是GDN（電源地）；一個是VDD（當采用寄生電源供電時，VDD接工作電源）；還有一個引腳是DQ（數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳）。不像傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件，DS18B20智能型溫度傳感器可以直接讀出被測溫度。由DS18B20智能型數(shù)字溫度傳感器和其與單片機的接口組成的這部分主要負責溫度信號的采集和轉(zhuǎn)換。通過PID控制部分，DS18B20數(shù)字溫度傳感器把采集到的溫度進行轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)傳送到單片機后進行比較處理。

溫控系統(tǒng)采用數(shù)字PID算法，由軟件實現(xiàn)，所謂PID控制就是按設(shè)定值與測量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢進行控制。它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。采集的到的溫度經(jīng)過PID控制電路進行換算之后傳入單片機，與設(shè)定的溫度進行對比處理。

顯示電路采用AMPIRE128X64液晶顯示器顯示當前溫度與設(shè)定溫度。

3 系統(tǒng)軟件部分

一個應(yīng)用系統(tǒng)必須兼?zhèn)溆休^完善的硬件保障和設(shè)計合理的的相應(yīng)軟件的支持才能出色地完成各項功能。因此，該系統(tǒng)在充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源的基礎(chǔ)上，使用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法和與C51系列單片機相應(yīng)的51匯編語言進行編程，以充分得到軟件資源的支持。

系統(tǒng)程序主要包括主程序、讀溫子程序，復(fù)位應(yīng)答子程序和寫入子程序。

主程序的功能是保證系統(tǒng)可以實時顯示溫度的數(shù)值、讀出和處理DS18B20溫度傳感器的當時測量值，測量周期為1s，即在1s之內(nèi)測量一次被測溫度。過調(diào)用讀溫子程序，兩個單元分別可以存放內(nèi)存儲中的整數(shù)部分與小數(shù)部分，之后調(diào)用顯示子程序?qū)⑵滹@示出來。

讀溫子程序負責讀取RAM中的9字節(jié)，然后進入CRC校驗程序，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。鑒于DS18B20非常嚴格地對各個命令的時序做出了要求，所以在錄入時必須遵照時序要求進行。

主機發(fā)出延時537微秒的復(fù)位低脈沖，然后拉高數(shù)據(jù)線等待DS18B20回應(yīng)，判斷表示DS1820是否存在，如果存在時序要求延時一段時間P1.0口置1讀出轉(zhuǎn)換后的溫度值。

系統(tǒng)主程序的功能有：啟動DS18B20的測量溫度，然后通過PID控制器，將測量值與給定值進行比對處理，若果測得溫度值小于設(shè)定溫度值的下限，則進行加熱程序，將P1.1置為低電平狀態(tài)，并在此期間持續(xù)監(jiān)測溫度。當溫度上升到設(shè)定范圍內(nèi)，將P1.1置為高電平，斷開可控硅，不在加熱，直到下次啟動命令的出現(xiàn)。同樣，當測得溫度值大于設(shè)定溫度上限，進入降溫程序，將P1.2置為低電平，并在此期間持續(xù)監(jiān)測溫度，當溫度降至設(shè)定范圍，將P1.2置為高電平斷開，斷開可控硅，直到下次啟動命令的出現(xiàn)。

4 結(jié)論

當前溫度低于所設(shè)溫度下限20攝氏度時，紅燈亮起，繼電器加熱，當前溫度在所設(shè)溫度范圍內(nèi)（20～35攝氏度）時，繼電器保持加熱狀態(tài)不變，紅燈亮起，當前溫度超過所設(shè)溫度上限35攝氏度時，綠燈亮起，繼電器自動斷電，當前溫度處于設(shè)定溫度界限（20或35攝氏度）時，繼電器保持原有狀態(tài)，黃燈亮起。溫度控制精度為0.1攝氏度，控制精度較高。

以單片機80C51為核心，用DS18B20溫度傳感器采集溫度變化信號，PID控制器對采集的溫度進行處理，AMPIRE128X64液晶以動態(tài)掃描方式實現(xiàn)設(shè)定溫度與當前溫度，通過單片機與設(shè)定溫度進行比較后去控制加熱器，并將當前溫度返還給溫度傳感器進行自動控制。采用PID算法精確的控制溫度的變化，精確度為0.1攝氏度。本文論述的溫度控制系統(tǒng)可用于多種場所的溫度測控，如育嬰房、水池、發(fā)酵缸等。經(jīng)調(diào)試，使用者可靈活將本系統(tǒng)裝置應(yīng)用于生產(chǎn)生活各領(lǐng)域，有一定的實用價值和研究意義。

參考文獻

[1]趙曉光.單片機溫度控制系統(tǒng)方案的研究[J].科技傳播，2013（3）.endprint