基于單片機的井下溫度控制系統(tǒng)研究

宋劉德　尹珠

【摘 要】采用STC89C52RC單片機作為處理核心，并由單總線工作方式的DS18B20溫度傳感器來精確地測量和采集溫度，通過相應的轉(zhuǎn)換電路來控制強電部分加熱和制冷裝置的工作，實現(xiàn)對溫度的實時精確控制，通過相應的人機交互模塊可以隨意修改所需的目標溫度，并配有對應的報警保護電路，提高了系統(tǒng)工作的安全性和穩(wěn)定性。

【關鍵詞】單片機；溫度傳感器；溫度控制；實時

0 引言

煤礦事故發(fā)生而無法逃出礦井時，井下工人會躲進避難硐室等待救援，由于井下工人散熱量很大，硐室溫升很高，如果不進行有效抑制會嚴重威脅礦工生命安全。傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)成本較高，溫度的測量和控制精度低，由于控溫精度不高還會造成電能的浪費，目標溫度設定不方便，應用領域狹窄，使用過程中容易發(fā)生故障，系統(tǒng)維護難度大，費用高。

近年來各種微型處理器特別是單片機技術發(fā)展迅速，本文采用單片機來采集和控制溫度。該系統(tǒng)成本低廉，效率高，控制的實時性好，可以在數(shù)毫秒內(nèi)完成溫度的測量與顯示，并控制繼電器模塊做出相應動作；靈敏度好，精度高，控溫精度可以達到0.2℃，設定簡單，應用范圍廣；系統(tǒng)采用光耦隔離，安全性高，穩(wěn)定性好，功耗低，抗電磁干擾能力強，不易發(fā)生故障，可以有效提高電能利用率，節(jié)約能源，可以在生產(chǎn)生活中進行廣泛的推廣和應用。本文介紹了溫控系統(tǒng)的硬件設計，軟件編程和系統(tǒng)的調(diào)試實驗。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體結構

整個溫控系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式。單片機作為系統(tǒng)控制的核心，用于接收處理按鍵輸入和溫度傳感器采集到的信息，輸出顯示溫度，發(fā)出報警命令并且控制加熱和制冷設備工作。按鍵輸入部分用于設定系統(tǒng)目標溫度，可以手動輸入所需溫度值。溫度傳感器用于實時采集系統(tǒng)溫度信息，反饋給單片機。顯示輸出部分可以顯示系統(tǒng)的實時溫度和系統(tǒng)的工作狀態(tài)。報警電路部分用于溫度過高和過低時發(fā)出相應的警報。加熱器和制冷器部分工作由單片機控制，溫度過低時進行加熱，溫度過高時進行降溫，達到設定的目標溫度時停止。

1.2 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)設計采用了STC89C52RC單片機，該芯片具有低功耗、抗靜電和抗干擾能力強、可靠性高的優(yōu)點，具有8K Flash存儲器和512字節(jié)的RAM，能能滿足程序存儲的要求，簡化系統(tǒng)硬件電路的設計。

（1）人機交互系統(tǒng)設計

人機交互系統(tǒng)包括按鍵輸入部分和1602液晶顯示部分。通過復位按鍵可以復位系統(tǒng)工作狀態(tài)，四個獨立按鍵可以選擇工作模式和設置目標溫度，1602液晶屏可以顯示輸出豐富的系統(tǒng)信息，如實時溫度和系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息。

（2）報警保護電路設計

報警保護電路由蜂鳴器和LED燈組成，在系統(tǒng)溫度升至設定值時蜂鳴器可以做出相應報警動作，8個LED的可以顯示實時的溫度值、系統(tǒng)的工作狀態(tài)等信息，以及做出報警閃爍動作，可以根據(jù)需要進行設定。

（3）傳感器部分設計

傳感器選用DS18B20，它是一種單總線工作方式的溫度傳感器，只需一條數(shù)據(jù)總線就可進行信號傳輸，另外兩條分別為電源線和地線，采用防水探頭型的18B20可以進行液體溫度的測量和控制。DS18B20價格低廉、工作性能穩(wěn)定、測溫范圍廣、精度高。它的測溫范圍為-55℃～+125℃，測量精度可以達到0.0625℃。單片機與18B20之間通過拉低和拉高數(shù)據(jù)總線的方式來發(fā)送指令和傳輸數(shù)據(jù)，傳感器的輸出值為數(shù)字量，給電路設計和軟件編程帶來了方便。

（4）調(diào)溫裝置控制電路設計

由于加熱器和制冷器是由工頻220V交流電供電，屬于強電，單片機無法直接對其進行控制，故需要借助相應的轉(zhuǎn)換電路才能完成弱電對強電的控制，這個工作可以由繼電器完成。繼電器控制電路設計中通過光耦來隔離控制電路和被控電路，光耦電路可以實現(xiàn)信號的單向傳輸、輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離、輸出信號對輸入端無影響、抗干擾能力強，提高了系統(tǒng)工作的安全性與穩(wěn)定性。

當測得的溫度低于目標溫度時，單片機的P3.6口輸出為低電平，P3.7口輸出為高電平，繼電器1動作，繼電器2不動作，繼電器1的常開觸點閉合，加熱器工作，制冷器不工作；反之，當測得的溫度高于目標溫度時，P3.7口輸出為低電平，P3.6口輸出為高電平，繼電器1不動作，繼電器2動作，繼電器2的常開觸點閉合，加熱器停止工作，制冷器工作；當測得的溫度等于目標溫度時，加熱器和制冷器都不工作。

1.3 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)依據(jù)DS18B20反饋的實時溫度值與目標溫度之間的數(shù)量關系決定加熱和制冷裝置是否工作。目標溫度通過按鍵掃描的接口函數(shù)進行輸入。

為了使程序簡潔明了，便于理解和查閱，整個溫控系統(tǒng)的軟件編程采用模塊化編程的方法。函數(shù)主要有DS18B20初始化、寫入命令、讀取數(shù)據(jù)，LCD1602初始化、寫命令數(shù)據(jù)、顯示，按鍵掃描輸入，蜂鳴器LED報警，繼電器動作等功能模塊，通過主函數(shù)調(diào)用子函數(shù)模塊，這樣降低了程序的復雜度，使程序設計、調(diào)試和維護更加方便。

2 系統(tǒng)的測試與分析

為了進一步了解系統(tǒng)的工作性能，我們進行了實驗，將該系統(tǒng)應用于液溫控制。對5L始溫8℃的純水進行加熱，設定目標溫度為65℃。從多次實驗的結果可以看出，控制系統(tǒng)的誤差穩(wěn)定在0.2℃左右，誤差較小，可以滿足溫度控制系統(tǒng)的要求，溫控性能優(yōu)越。

3 結語

本系統(tǒng)設計本著簡單可靠的原則，充分簡化了電路，減少了電磁干擾。系統(tǒng)采用89C52微型計算機進行設計，DS18B20作為溫度傳感器，控溫范圍可以達到-55℃～+125℃，誤差不超過±0.2℃，測溫和控溫精度高，安裝調(diào)試方便，工作可靠，價格低廉，可以節(jié)約生產(chǎn)成本，便于推廣使用，在現(xiàn)場調(diào)試中也取得了很好的效果。

【參考文獻】

[1]張毅剛.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設計大全[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[3]徐愛鈞.單片機高級語言C51Windows環(huán)境編程與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[4]陳良光，管聰慧.由數(shù)字式傳感器18B20構成的多點測溫系統(tǒng)[J].傳感器世界，1999（9）：32-35.

[責任編輯：湯靜]