自動調溫系統的設計與實現

朱黎

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

在工業生產的很多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用單片機[1]對溫度進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大的提高產品的質量和數量。本文利用單片機結合傳感器技術而開發設計了這一溫度監控系統[2]。系統包括數據采集模塊，單片機控制模塊，顯示模塊和溫度設置模塊，驅動電路5個部分。文中對每個部分功能、實現過程作了詳細介紹。本設計應用性比較強，系統稍微改裝可以作為生物培養液溫度監控系統，可以做熱水器溫度調節系統、實驗室溫度監控系統等。

1 系統結構框圖

系統主要包括數據采集模塊，單片機控制模塊，顯示模塊和溫度設置模塊，驅動電路5個部分。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

其中溫度傳感器主要負責采集實時溫度數據，將采集到的溫度數據傳輸到單片機，由單片機處理后的數據送顯示器上顯示。鍵盤可以設置預定溫度，當檢測到的溫度低于設定溫度時[3]，單片機控制驅動電路啟動加熱，并發出報警聲；當檢測溫度高于設定溫度時，停止加熱進行降溫。

2 設計方案

系統采用AT89S51單片機控制了溫度的采集、處理與顯示、溫度值的設定與溫度越限時控制電路的啟動。

溫度采集用DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器DS18B20采集。DS18B20測溫范圍為-55～+125°C，測溫分辨率可達0.062 5°C，被測溫度用符號擴展的16位補碼形式串行輸出。CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。

溫度值的設定由4×4矩陣式鍵盤來完成，實時溫度在LCD1602上進行顯示和輸出。系統的溫度調節電路主要由繼電器[4]電路構成，由于單片機輸出控制信號非常微弱，需要用三極管來驅動外圍電路。

3 硬件設計

主控制模塊由AT89S51構成，4*4矩陣式鍵盤，由單片機P0口輸入P0.0-P0.3控制列，P0.4-P0.7控制行，通過控制行列的信號實現按鍵功能。鍵值有：數字鍵0-9、輸入鍵、清除鍵、加一鍵、減一鍵。LCD1602顯示屏經過鎖存器與P0口連接。溫度調節電路繼電器電路與單片機的P2.7口相連，由于單片機輸出控制信號非常微弱，需要用三極管來驅動外圍電路，三極管選用NPN型的9014，當檢測溫度低于設定溫度時，在單片機的P2.7口輸出高電平控制信號，使三極管9014導通，使繼電器兩控制端產生壓差，從而使繼電器吸合，常開觸點接通，控制外部電路進行加熱；當檢測溫度高于設定溫度時，單片機輸出低電平信號，三極管截止，繼電器不吸合，停止加熱[4-5]。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 System hardware structure diagram

數字溫度傳感器DS18B20[6]的Vcc引腳接外部+5 V電源，GND引腳接地，I/O引腳與單片機的P2.6引腳相連。

4 軟件設計

溫度控制程序的設計1）鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯示；2）溫度采樣；3）數據處理；4）越限報警和處理。軟件設計主要實現以下功能：

①溫度設定范圍為0～99℃，最小區分度為1℃，溫度控制的誤差≤1℃；

②能夠用液晶顯示屏顯示當前實際溫度值；

③按鍵控制：設置復位鍵、加一鍵、減一鍵、以及溫度輸入的數字鍵；

④越限報警。

系統流程圖如圖3所示。

圖3 系統流程圖Fig.3 System flow chart

5 系統調試

環境溫度為：23℃

測試儀器：標準溫度計、加熱工具（選用燒熱的電烙鐵）、制冷工具（風扇）設定不同的開啟加熱溫度，改變環境溫度，系統工作情況如表1所示。

表1 系統測量數據表Tab.1 System measurement data sheet

發光二極管亮表示水溫到達設定值，滅表示停止水溫沒有到達設定值經過反復測試，系統溫度設定范圍為0～100℃，最小區分度為1℃，溫度控制的誤差≤1℃；能夠測量并用數管顯示當前實際溫度值；通過復位鍵可以使系統設定溫度還原默認值，通過加一鍵和減一鍵可以以1℃步進設置預定溫度。

6 結 論

文中詳細介紹了基于單片機AT89S51的溫度控制系統的設計方案與軟硬件實現。系統包括數據采集模塊、單片機控制模塊、鍵盤顯示模塊、溫度調節模塊幾個部分。文中對每個部分功能、實現過程作了詳細介紹。系統具有如下特點：簡化了硬件電路設計，溫度采集數據更加精準；有利于功能擴展；具有高的系統可靠性和安全性。本系統沒有增加外部存儲器，設定溫不能保存，斷電復位后必須重新設置溫度；采用靜態顯示方式，從而使用了較多的驅動芯片，增加了硬件電路的復雜性，本課題軟件和硬件相結合，有相當的難度，同時也有很大的實用性。

[1]張齊，杜群貴.單片機應用系統設計技術[M].北京：電子工業出版社，2007.

[2]中國機械工業教育協會.單片機原理與應用 [M].北京：機械工業出版社，2001.

[3]楊金巖.8051單片機數據傳輸接口擴展技術與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社，2006.

[5]張洪潤.電子線路與電子技術[M].北京：清華大學出版社，2005.

[6]邢方方，程延海，張世舉，等.基于AT89S51單片機車間溫濕度控制系統設計[J].煤礦機械，2011（9）：225-227.

XING Fang-fang，CHENG Yan-hai，ZHANG Shi-ju，et al.Based on AT89S51 workshop temperature and humidity control system design[J].Coal Mine Machinery，2011（9）：225-227.