基于單片機的溫度測量和控制系統(tǒng)設(shè)計

咸陽師范學(xué)院 樊戰(zhàn)亭

本文以STC89C51單片機為核心設(shè)計出了溫度測量與控制系統(tǒng)，給出了溫度測控系統(tǒng)總體設(shè)計方案。比較詳細(xì)地設(shè)計出了溫度測控系統(tǒng)的硬件電路，包括由DS18B20溫度傳感器構(gòu)成溫度測量電路、溫度設(shè)定、LED溫度顯示、溫度控制及高低溫度報警等主要電路，并給出了控制系統(tǒng)軟件流程。制作出了溫度測控系統(tǒng)實物，驗證了本文所設(shè)計的溫度測控可行性。

引言：溫度測量及控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研實驗過程中有著重要的應(yīng)用和要求，精準(zhǔn)的溫度測量、顯示和控制特別重要（江杰,李計川.基于DS18B20的高溫度測量系統(tǒng)在高爐上的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(11):144-146）。單片機因價格便宜、功能強和通用性良好等優(yōu)點在電子產(chǎn)品設(shè)計方便得到了廣泛應(yīng)用（孫培軍.基于單片機的溫濕度測控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(24):256-257）。DS18B20是美國DALLS公司生產(chǎn)的單一總線數(shù)字式溫度傳感器，能夠直接把測量的溫度值存儲在自身的RAM中，方便單片機進(jìn)行讀取，克服了模擬式溫度傳感器與單片機接口需要的A/D轉(zhuǎn)換器件及時序電路。同時由于DS18B20結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、抗干擾強、測量范圍廣等優(yōu)點，溫度測量系統(tǒng)能夠更加精確（戴蓉，游鳳荷等.由單片機荷多片DS1820組成的多點溫度測控系統(tǒng),2001(1):60-62）。本文應(yīng)用STC89C51單片機及DS18B20單一總線數(shù)字溫度傳感器設(shè)計出溫度測量、控制及實時顯示系統(tǒng)，可以把系統(tǒng)溫度控制在設(shè)定溫度區(qū)間并實時顯示測量溫度。整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，主要功能通過軟件編程實現(xiàn)，可靠性高，應(yīng)用范圍比較廣泛。

1 溫度測量與控制系統(tǒng)總體設(shè)計

溫度測量與控制系統(tǒng)基本功能要能夠完成溫度的實時測量與顯示、最高和最低溫度區(qū)間的設(shè)定；在溫度高于設(shè)定高溫要進(jìn)行散熱降溫操作，或者在溫度低于設(shè)定低溫要進(jìn)行加熱升溫控制，并且能夠在以上兩種情況時進(jìn)行報警。根據(jù)功能設(shè)定要求，溫度測量與控制系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

系統(tǒng)采用了STC單片機STC89C51作為主控芯片，輸入控制部分主要包含溫度測量和溫度設(shè)定兩部分，溫度測量用來進(jìn)行溫度測量并且把結(jié)果輸入單片機；溫度設(shè)定部分主要對單片機進(jìn)行高溫及低溫溫度的設(shè)定。輸出控制部分主要包括溫度顯示、溫度控制和溫度報警三部分，溫度顯示通過單片機把測量出的溫度通過LED進(jìn)行顯示；溫度控制部分主要在測量溫度大于設(shè)定最高溫時進(jìn)行降溫控制或者小于設(shè)定最低溫進(jìn)行加熱控制，最終能夠使測量溫度達(dá)到設(shè)定區(qū)間；溫度報警部分主要在溫度超出設(shè)定區(qū)間時進(jìn)行報警。

圖1 溫度測量與控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

溫度測量與控制系統(tǒng)的核心為STC公司單片機STC89C51，它有著快速高效、較低的功率消耗以及強的抗干擾能力的特征，是8051系列單片機芯片的兼容型，它的程序和一般的8051系列單片機可以相融合，而且效率更高。控制系統(tǒng)硬件設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 溫度測量與控制系統(tǒng)硬件設(shè)計圖

2.1 溫度測量部分

溫度測量部分主要由美國DALLAS公司單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20構(gòu)成，僅有三條管腳，能夠?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出，完成單一總線數(shù)據(jù)通信功能。具有體積小、硬件開銷低，抗干擾能力強、精度較高等優(yōu)點，支持3V～5.5V的電壓范圍，能夠使溫度測量系統(tǒng)設(shè)計靈活、方便（DALLS公司.DALLS公司半導(dǎo)體手冊[M].2002）。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器中VDD、GND兩個引腳分別接+5V及地，DQ單一數(shù)據(jù)總線接5k歐上拉電阻并與單片機P3.7口連接。DS18B20能夠把測量到的溫度值直接存儲到自身RAM中的第一和第二個字節(jié)中。單片機根據(jù)DS18B20單一總線的工作時序進(jìn)行編程處理就能夠讀取到測量的溫度值。

2.2 溫度設(shè)定部分

P3.1、P3.2和P3.3輸入口對應(yīng)的控制按鈕按下時，相應(yīng)輸入端口為零，分別進(jìn)行溫度設(shè)定、減1和加1操作。P3.1接口按鈕按下可以分別進(jìn)行最低、最高溫及其十位、個位及小數(shù)位設(shè)置的選擇，連續(xù)按下可退出溫度設(shè)定；P3.2接口按下能夠?qū)υO(shè)定目標(biāo)溫度的十位、個位及小數(shù)位進(jìn)行減1操作；P3.3接口按下能夠?qū)υO(shè)定目標(biāo)溫度的十位、個位及小數(shù)位進(jìn)行加1操作。通過三個按鍵的配合，就能夠完成對最低、最高溫度的設(shè)定操作。

2.3 報警電路部分

報警電路主要由PNP三極管、限流電阻和蜂鳴器組成，PNP三極管發(fā)射極接+5V電源正極，基極通過限流電阻與單片機P3.6端口相接，集電極接地。

當(dāng)測量溫度在最低、最高溫度區(qū)間時，單片機控制P3.6輸出高電平+5V，三極管發(fā)射極與基極不能導(dǎo)通，發(fā)射極、集電極回路不能導(dǎo)通，蜂鳴器不會報警。反之，如果當(dāng)測量測量溫度小于最低設(shè)定溫度或者大于最高設(shè)定溫度時，單片機控制P3.6輸出低電壓，三極管發(fā)射極與基極導(dǎo)通，控制發(fā)射極、集電極放大回路導(dǎo)通，蜂鳴器導(dǎo)通進(jìn)行報警。

2.4 溫度控制電路部分

溫度控制電路有加熱和降溫兩部分電路組成。兩部分電路主要由PNP三極管、兩個限流電阻、加熱（降溫）指示發(fā)光二極管、繼電器、加熱（降溫）裝置組成。

加熱控制電路中PNP發(fā)射極通過發(fā)光二極管、限流電阻支路與加熱繼電器線圈支路并聯(lián)接+5V電源正極，基極通過限流電阻與單片機P1.2端口相接，集電極接+5V電源的負(fù)極；交流電源、發(fā)熱電阻和加熱繼電器常開觸點相連。降溫控制電路與加熱控制電路基本相同，差別在于基極通過限流電阻與單片機P1.3端口相接，交流電源、風(fēng)扇和降溫繼電器常開觸點相連接。

當(dāng)測量測量溫度小于最低設(shè)定溫度時，單片機控制P1.2端口輸出低電壓，三極管發(fā)射極與基極導(dǎo)通，發(fā)射極、集電極放大回路導(dǎo)通，二極管發(fā)光指示正在加熱；加熱繼電器線圈通電，其常開觸點閉合，控制交流電源回路導(dǎo)通，發(fā)熱電阻通電進(jìn)行加熱工作。當(dāng)溫度大于等于最低設(shè)定溫度時，單片機控制P1.2端口輸出高電壓，三極管發(fā)射極與基極斷開，發(fā)射極、集電極放大回路斷開，加熱二極管停止發(fā)光；加熱繼電器線圈回路斷電，其常開觸點斷開，交流電源回路斷開停止加熱工作。同樣原理，當(dāng)測量測量溫度大于最高設(shè)定溫度時，單片機控制P1.3端口輸出低電壓，控制降溫回路風(fēng)扇運轉(zhuǎn)進(jìn)行降溫工作；溫度小于設(shè)定最高溫度時，P1.3斷開輸出高電壓，控制降溫回路風(fēng)扇停止工作。

2.5 顯示部分

顯示部分主要由4位八段碼構(gòu)成的LED構(gòu)成，由單片機STC89C51的P0口中P0.0～P0.6分別與段碼A～G相連，P0.7與段碼DP相連，同時接上拉電阻；P2.7、P2.5、P2.3和P2.1分別和位碼S1～S4相連。LED數(shù)碼管使用共陰極接法，采用動態(tài)掃描方法。第1、2和3位分別顯示溫度的十位、個位和小數(shù)位，第4位顯示c（表示攝氏度）。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括數(shù)字溫度傳感器初始化、溫度讀取顯示、溫度設(shè)定和溫度控制等部分，主程序軟件流程圖如圖3所示。

軟件系統(tǒng)首先進(jìn)行系統(tǒng)及溫度傳感器的初始化，單片機開始通過溫度傳感器讀取測量溫度值并在數(shù)碼管中顯示溫度值，當(dāng)設(shè)定鍵按下時，配合加、減鍵完成最高、最低溫度的設(shè)定；當(dāng)檢測溫度大于溫度上限或小于下限時，蜂鳴器工作進(jìn)行報警，降溫或加熱指示燈亮同時啟動降溫或加熱裝置進(jìn)行度溫度控制，一直到檢測溫度到達(dá)設(shè)定范圍為止，整個溫度控制裝置才停止工作。

圖3 軟件流程框圖

4 溫度測控系統(tǒng)測試及結(jié)論

溫度測控系統(tǒng)實物如圖4所示。進(jìn)行系統(tǒng)測試時，首先給系統(tǒng)上電，然后通過控制系統(tǒng)電路板右上角的三個按鍵設(shè)定最高、最低溫度，單片機能夠讀取DS18B20數(shù)字溫度傳感器檢測到的溫度值并通過LED進(jìn)行顯示。電路板右下角為加熱、降溫繼電器，當(dāng)測量溫度大于最高設(shè)定溫度或小于最低設(shè)定溫度時，控制風(fēng)扇（右上角黑色物體）或加熱電阻工作控制溫度達(dá)到設(shè)定值。

圖4 溫度測控系統(tǒng)實物圖

文中以STC89C51單片機為核心、DB18B20為溫度傳感器設(shè)計了溫度測控系統(tǒng)，還包括溫度設(shè)定、溫度報警和LED顯示電路等，并給出了溫度測控系統(tǒng)軟件流程。通過制作控制系統(tǒng)實物驗證設(shè)計的正確性，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作方便、應(yīng)用范圍廣。