基于51單片機(jī)的自動(dòng)恒溫控制電路的設(shè)計(jì)

曾麗麗,李瑞盈,朱齊媛（嶺南師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東湛江524048）

基于51單片機(jī)的自動(dòng)恒溫控制電路的設(shè)計(jì)

曾麗麗,李瑞盈,朱齊媛*
（嶺南師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東湛江524048）

本文以ATMEL公司的AT89C51為控制核心，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集水溫?cái)?shù)據(jù)，通過繼電器控制加熱，使水溫達(dá)到50℃到70℃的設(shè)定溫度范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫控制。本設(shè)計(jì)在很大程度上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，同時(shí)也提高了單片機(jī)的開發(fā)能力，具有一定的實(shí)用性。

51單片機(jī)；溫度傳感器；恒溫控制

0　引言

在國外，關(guān)于恒溫控制的課題研究起步較早，世界上各國在技術(shù)上發(fā)展很快，一些國家已經(jīng)在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上向著完全自動(dòng)化、無人化方向發(fā)展。而我國關(guān)于恒溫控制的課題研究起步較晚，目前在恒溫控制技術(shù)這方面的總體技術(shù)處于20世紀(jì)80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制為主。由于這些溫度控制系統(tǒng)都具有非線性時(shí)變、響應(yīng)速度慢、時(shí)滯和的動(dòng)態(tài)特性，能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)的控制，難以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)良好的控制性能[1]。本文介紹了一種自動(dòng)恒溫控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)AT89C51再結(jié)合PID控制調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)水溫的智能控制，采用DS18B20讀出溫度，對(duì)水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，使溫度可以保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，并在此基礎(chǔ)上并通過液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)當(dāng)前溫度的實(shí)時(shí)顯示。

1　硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，加上電源電路、溫度采集電路、溫度設(shè)定及顯示電路、保護(hù)電路等部分組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，是整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。在選擇單片機(jī)時(shí)，主要考慮到單片機(jī)的處理速度、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力、價(jià)格以及通信方式，采用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。該單片機(jī)具有算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，有效水溫采集和實(shí)時(shí)顯示以及加熱裝置進(jìn)行控制[2]。

1.2溫度采集模塊

溫度采集模塊采集實(shí)時(shí)水溫，當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度值則加熱裝置自動(dòng)啟動(dòng)，相反，當(dāng)水溫高于設(shè)定溫度值則加熱裝置自動(dòng)關(guān)閉。本文采用DS18B20作為溫度采集模塊芯片。DSl8B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器芯片，一種具有精度更高、適用電壓更寬、采用單總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號(hào)，以供單片機(jī)處理。它的供電范圍為+3.0V～+5.5V，測(cè)溫范圍為-55～+125℃，溫度檢測(cè)精度可精確到0.0625℃，采用12位數(shù)字讀寫方式[3]。

本文擬設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)水溫變動(dòng)范圍為50～70℃，水溫測(cè)控精度為1℃，使用DS18B20可以很好的滿足該電路。DSl8B20內(nèi)部功能模塊如圖2所示，主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失性的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TI、配置寄存器[4]。

1.3溫度顯示電路

本系統(tǒng)擬采用LCD12864液晶顯示屏作為溫度顯示的元件。128X64是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示其，主要由驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128x64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可顯示8x4個(gè)（16x16）漢字[5]。并且具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。模塊顯示采用了分屏顯示的方式進(jìn)行，分為左半屏和右半屏，它是通過口線CS1和CS2進(jìn)行控制的，高電平有效[6]。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。

1.4加熱電路

系統(tǒng)根據(jù)溫度采集電路，將檢測(cè)到的當(dāng)前溫度值與下限溫度50℃進(jìn)行比較，判斷是否需要起動(dòng)加熱電路。根據(jù)系統(tǒng)要求，當(dāng)水溫低于下限溫度值50℃時(shí)加熱;當(dāng)水溫大于上限溫度值70℃時(shí)，保持當(dāng)前溫度。在正常條件下，使用光耦繼電器可以很容易實(shí)現(xiàn)地通過較高的電壓和電流，工作十分可靠[7]。本系統(tǒng)決定采用繼電器控制加熱電路，如圖3所示。

1.5報(bào)警電路

本系統(tǒng)利用有源蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警輸出，采用直流供電。當(dāng)單片機(jī)長期檢測(cè)不到溫度或檢測(cè)的溫度長期達(dá)不到預(yù)定的溫度限值或與預(yù)定的溫度限值相差太大,均亮報(bào)警指示燈。

2　軟件設(shè)計(jì)

2.1軟件主程序的設(shè)計(jì)

主程序主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)和加熱控制系統(tǒng)各部件的初始化，以及實(shí)現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用，協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊，采用循環(huán)查詢的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集和控制以及溫度的顯示。主程序流程圖如圖4所示：

2.2子程序

主要由溫度采集子程序、溫度設(shè)定子程序、溫度比較處理子程序、報(bào)警子程序、溫度顯示子程序等組成。溫度采集子程序主要是運(yùn)用了DS18B20進(jìn)行溫度采集及計(jì)算，溫度設(shè)定子程序用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定適合的溫度范圍[8]；溫度處理比較子程序把采集的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度值比較，調(diào)用PID算法[9]，輸出控制信號(hào)；報(bào)警子程序用于控制非法輸入溫度值。顯示子程序用于顯示設(shè)定溫度和實(shí)際溫度。其中PID調(diào)節(jié)程序、溫度比較程序、溫度處理子程序如下所示：//PID初始化

voidPIDInit(structPID*pp)

{memset(pp,0,sizeof(structPID));

}

unintPIDCalc(structPID*pp)

{

unintdError,Error,pError;

Error=set_Temperature-Temperature;//ek

pError=Error-pp-＞LastError;//ek-e(k-1)

dError=Error-2*pp-＞LastError+pp-＞PrevError;//e(k)-2*e(k-1)+e(k-2)

pp-＞PrevError=pp-＞LastError;

pp-＞LastError=Error;

return(pp-＞Proportion*pError+pp-＞Integral*Error+pp-＞Derivative*dError);//增量型PID返回值

}

//溫度比較

voidcompare_temperature()

{unchari;

if(set_Temperature＞Temperature)

{if(set_Temperature-Temperature＞20)

{JR=0;pwml=0xff;pidz=0;

}

else

{for(i=0;i＜10;i++)

{pidz=PIDCalc(&pidfh);pwml=pidz;pwm();

}}}

if(set_Temperature＜=Temperature)

{JR=1;pwml=0x00;pidz=0;

}}

//溫度處理

voidchuliwendu(unchargaowei,unchardiwei)

{Temperature=(diwei+gaowei*256)*(0.0625*10);//Temperature=125

shiwei=Temperature/100;gewei=Temperature/10%10;xiaoshu=Temperature%10;}

3　結(jié)束語

本文介紹了基于AT89C51單片機(jī)的自動(dòng)恒溫控制電路，概述了電路的總體設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)的各個(gè)模塊以及軟件設(shè)計(jì)的主體思路，運(yùn)用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20采集溫度，電路設(shè)計(jì)簡單，成本低廉，工作性能可靠，有較高的推廣價(jià)值。該設(shè)計(jì)方案的運(yùn)行結(jié)果如圖4.1所示：

[1]Shiuh-JerHuang,Hung-YiChen.《Un-symmetricInputTemperatureControlbyusingFuzzySlidingModeControllerwithGainAuto-tuning》[M].InternationalJournalofControl,Automation,andSystems.201412(2):422-430.

[2]宋慧，王智檀.《基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)研究》[J].信息工程，2014.

[3]張齊.《單片機(jī)原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)——基于C51的Proteus仿真實(shí)驗(yàn)與解題指導(dǎo)》[M].電子工業(yè)出版社,2011.

[4]劉坤，趙紅波，張憲棟.《51單片機(jī)C語言應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全（第

2版）》[M].人民郵電出版社,2012.

[5]孫鵬.《51單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)——12864點(diǎn)陣型液晶顯示篇》[J].電子制作,2008.

[6]張志科，趙玉建.《點(diǎn)陣液晶顯示屏SG12864-01D應(yīng)用實(shí)踐》[J].現(xiàn)代顯示,2009(105).

[7]孫明超,靳亞林，肖術(shù)雷.基于AT89C51單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2011.

[8]黃曉林.一種實(shí)用型智能恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2011(30).

[9]王小虎,盧超.基于PID算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2009.

廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目

曾麗麗，在讀本科生。