壓電參數測試系統中恒溫器的設計

王二萍 等

摘 要：本文設計了一種壓電參數測試系統中使用的恒溫器。以AT89S52單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統。硬件電路主要包括測溫電路、按鍵電路、溫度控制繼電器電路、LCD液晶顯示電路，AT89S52單片機最小系統等。結合相應的控制程序，控溫范圍為0～400℃。

關鍵詞：壓電參數測試；溫度控制；DS18B20

1 概述

壓電材料是一類重要的高新技術材料，在信息激光、導航和生物等領域應用廣泛。壓電材料參數對于壓電材料的性能表征有著不可估量的作用。在壓電材料參數測試系統中的恒溫控制器對于測量各項參數隨溫度的變化曲線有著重要作用。本文設計了一種以AT89S52單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統。恒溫控制器的硬件電路，包括測溫電路、按鍵電路、溫度控制繼電器電路、LCD液晶顯示電路，AT89S52單片機最小系統等；軟件部分主要包括主程序，讀出溫度子程序，計算溫度子程序、按鍵處理程序、LCD顯示程序以及數據存儲程序等；最后，通過對整個系統進行調試、分析。最終實現溫度采集、顯示、控制等功能。

2 恒溫器電路設計

本設計采用單片機和溫度傳感器相結合對溫度進行實時采集測量及控制。溫度傳感器對周圍的溫度采集，將采集到的數據進行轉換，在由單片機送給1602，同時我們也可以通過按鍵設置溫度范圍，單片機控制繼電器的吸合或斷開來模擬控制溫度，這樣溫度就可以控制在我們要求的范圍內，并將控制過程中相關溫度信息通過LCD實時顯示。整體電路如圖1所示。

本設計的核心部件就是單片機系統，單片機芯片的選擇與整個設計息息相關。通過對幾種單片機芯片的對比從多方面考慮本設計將采用單片機AT89S52 作為整個設計的重要核心。AT89S52是低功率的高性能8位單片機，它包含8 k的可以反復刪除數據的只讀存儲器，設備采用高密度非易失性存儲技術，兼容標準的C51系統命令，芯片包含普通8位CPU和存儲單元。AT89S52能夠為很多嵌入式的控制系統提供可靠的解決方法。

控制電路與設計系統和芯片兩個端口連接，由于在控制時芯片輸出的信號比較小，所以我們考慮需要接入驅動，這樣后續電路才能正常工作，考慮到系統剛上電有一個短暫的高狀態，所以我們選用9012。當檢測溫度不在我們設定的溫度范圍之內，與之對應的端口就會發出一個低狀態信號，此時驅動器件就會導通啟動工作，這樣kV的內部就出現兩種不同電壓，這樣使整個控溫電路導通，后面的溫控負載就會工作對周圍溫度做出相應改變。如果周圍的溫度達到我們的要求，系統核心就會發出一個信號，這時控溫電路就停止工作。

溫度設置部分采用3個按鈕，3個按鈕對應的功能也不同。S3 被按下后設定溫度值就會升高，S3與P3.6 口相接；S2被按下后設定溫度值就會下降，S2與P3.5 口相接。按鈕的按下與否就會影響對應芯片接口的信號狀態發生變化，整個過程中產生一個停止，然后讀取鍵盤值。

3 控制流程

利用LCD1602顯示采集到的溫度，設定的最低和最高溫度。顯示分辨率為0.1℃。當每按下一次設定溫度下降按鈕時，設定的溫度就會加一，最高為400℃。當每按下一次設定溫度下降按鈕時，設定溫度就會減一，最低設定為0℃。如果設置的最高溫度值比采集的實時的溫度值還大那么單片機就會控制對應的繼電器發生動作。這樣就可以是溫度控制我們需求的范圍內。

溫度控制程序的設計應考慮如下：

①鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯示；

②溫度采集、數據處理；

③越限處理。系統流程圖如圖2所示。

這里需要對程序進行調用，被調用的分別是顯示、溫度信號、按鍵設置、報警這幾個模塊的子程序。溫度處理：對芯片送過來的數據進行處理和顯示。LCD1602液晶顯示：向LCD1602液晶的顯示發送數據，控制系統的顯示。按鍵設定：可以設定上限溫度和下限，溫度精度為0.1。溫度傳感器在采集溫度前控制芯片會發出一個脈沖完成初始化。讀溫度子程序的主要功能是從DS18B20中讀出溫度數據。

4 結論

本文對壓電測試系統中恒溫器的硬件和軟件設計的全過程進行了闡述。以單片機AT89S52 作為整個設計的重要核心，使用高精度測溫傳感器DS18B20，實時控溫，精度達0.1℃。溫度最高為400℃，最低為0℃。該恒溫器能夠為壓電參數測試系統提供恒定的溫度。

參考文獻：

[1]葉會英，浦昭邦.壓電陶瓷復材料參數測試方法的研究[J].壓電與聲光，1999，21（3）：243-247.

[2]屈毅，寧鐸，賴展翅，等.溫室溫度控制系統的神經網絡PID控制[J].農業工程學報，2011，27（2）：307-311.

[3]張彬，靳子洋，陸永耕.壓電參數特性測試裝置設計[J].上海電機學院學報，2014，17（1）：11-14.

[4]張沛霖，張仲淵.壓電測量[M].國防工業出版社，1983.

[5]陳亞波，張洋洋，邵坤，等.基于數字正交的壓電材料參數測試系統研究[J].壓電與聲光，壓電與聲光，2011，33（5）：804-806.

基金項目：

河南省教育廳自然科學計劃項目（14B510007，14B510005）；鄭州市重點實驗室（121PYFZX178）；鄭州市科技局科技發展計劃項目（20130679，20130685）；校級科研項目（KYZR201305，KYZR201306）。