基于單片機的水溫控制系統仿真設計

宋東亞

(鄭州華信學院,河南鄭州,451150)

0 引言

單片機作為微控制器，已廣泛用于工業控制、機電一體化設備、儀器儀表、信號處理、現代兵器、交通能源、商用設備、醫療設備及家用電器等各個領域。該設計就是以單片機為核心設計的一個溫度控制器，首先進行溫度檢測，當檢測溫度小于設定溫度加熱，溫度上升到設定溫度時停止加熱。

1 設計方案

在日常生活及工農業生產中經常要用到溫度的檢測及控制，傳統的測溫傳感器有熱電偶和熱電阻。而熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓信號，再轉換成對應的溫度，需要比較多的外部硬件支持，硬件電路復雜，軟件調試復雜，制作成本高。本設計采用DALLAS半導體公司繼DS1820之后推出的一種可改進型智能溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測元件。

利用單片機AT89C51和DS18B20溫度傳感器設計一個溫度控制系統，能夠完成對水溫的控制，當水溫低于預設溫度值時系統開始加熱(點亮紅色發光二極管表示加熱狀態) 達到預設溫度值時自動停止加熱，并由數碼管顯示溫度，預設溫度值和實測溫度值分別由兩個4位數碼管顯示，范圍為0～99℃。

按照系統設計功能的要求，確定該系統由3部分組成：主控制器、測溫電路及顯示電路。水溫控制系統總體電路結構框圖如下：

2 硬件電路

2.1 單片機

AT89C51是51系列單片機中的一種，其內部帶有4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器，低電壓、高性能。單片機AT89C51具有低電壓供電和小體積等特點，其并行口資源剛好滿足電路系統的設計需要，很適合便攜手持式產品的設計使用，系統采用兩節電池供電即可。

2.2 測溫電路

DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用3線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點。DS18B20的外形如下圖，其引腳功能如下表所示：

根據DS18B20的引腳功能說明，我們可以很快地把VCC接一個5V的電源，而GND接地。由于DS18B20采用了單總線技術，我們只要把DQ與單片機的一個I/O口相連接就可以了，如下圖所示(如圖1）。

2.3 顯示電路

7SEG-MPX4-CA-BLUE是7段4位一體共陽極藍色數碼管顯示器，顯示因為是4位共陽LED數碼管，所以低電平點亮，利用P1口輸出段碼，P2.0至P2.3口輸出位碼來實現列掃描，列驅動用NOT非門。打開ISIS選擇所需的器件AT89C51、7SEG-MPX4-CA-BLUE、BUTTON、CAP、RES、OPTOCOUPLER-MAND DS18B20 74HC245 LED-RED NOT。繪制仿真圖如下（如圖2）：

3 系統程序設計

系統程序主要包括主程序、溫度測量子程序、溫度轉換子程序、溫度設置子程序、溫度顯示子程序等等。

3.1 主程序

主程序的主要功能是負責中斷初始化、各寄存器的初始化和各子程序的調用(如圖3）。

圖3

圖4

圖5

3.2 溫度測量子程序

主要功能是讀出RAM中的9字節，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數據的改寫（如圖4）。

3.3 溫度轉換子程序

此子程序主要功能是進行BCD轉換，因單片機輸入端接受的是16位的二進制數，顯示時必須化成BCD碼才能顯示正確結果（如圖5）。

3.4 溫度設置子程序

此子程序主要功能是完成溫度的設置，主要是利用兩個外部中斷來設置程序完成溫度的設置，中斷一次溫度設置一次（如圖6）。

圖6

圖7

3.5 溫度顯示子程序

溫度顯示包括測量溫度顯示和設置溫度顯示，都是通過四個LED數碼管顯示。子程序除了顯示功能外，還包括溫度的比較，通過測量溫度與設置溫度的比較來控制加熱的程度（如圖7）。

源程序不再詳述。

4 調試

4.1 程序在Keil uVision2中的編譯與調試

打開Keil uVision2，新建并保存工程，新建文件，添加程序，保存成ASM格式文件，并添加進工程，進行編譯，直至編譯無誤。

4.2 軟件仿真與調試

Proteus SISI繪制原理圖的操作與Protel 99se繪制原理圖的操作基本相同，電路原理圖的畫法在這里就不再作詳細描述，接下來是進行仿真調試。首先打開已有的電路原理圖文件，雙擊圖中的芯片，就彈出一個窗口，在Program File選項中通過路徑選擇在keil軟件中生成的HEX文件，雙擊選中后確定，這樣就已經讀取了本設計中的HEX文件。單擊下方的調試按鈕“三角形按鈕”進行仿真。通過對仿真結果的觀察分析來對程序進行修改，最終使程序到達設計要求。按下PLAY鍵觀察運行情況。下圖為當實測溫度小于設定溫度的時候的工作狀態。

5 總結

本文給出了基于單片機的溫度控制器的設計過程。在該設計添加DS18B20溫度傳感器來檢測實際溫度，利用單片機完成數據分析，實時顯示，報警以及加熱和降溫控制，實現溫度高于上限和低于下限時報警的基本功能，實用性較強。

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