基于單片機(jī)的室內(nèi)測溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯佳亮 張濤 盧涵宇

摘要：隨著計(jì)算機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對室內(nèi)溫度控制的要求越來越高。本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)測溫控制系統(tǒng)，以AT89C52芯片為核心，采用單片機(jī)、DS18820傳感器為測量元件，按鍵設(shè)定為輸入，通過LCDl602顯示構(gòu)成自動(dòng)化測溫控制系統(tǒng)。應(yīng)用定值開關(guān)算法及溫度控制系統(tǒng)軟件，最終實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度的精確實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)調(diào)控。

關(guān)鍵詞：AT89C52;DSl8820溫度傳感器;LCD1602;溫度控制

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）13-0242-03

溫度是反映物體或者環(huán)境的冷熱程度，隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的不斷改善，溫度自動(dòng)檢測與控制在工農(nóng)業(yè)等方面應(yīng)用越來越普及，比如在智能家居中溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，蔬菜大棚智能溫室等。因此室內(nèi)溫度檢測系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用也逐漸成為研究熱點(diǎn)。

本論文設(shè)計(jì)在結(jié)合溫度檢測與單片機(jī)功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的測溫系統(tǒng)。主要采用模塊化和層次化的理念，把溫度獲取、單片機(jī)計(jì)算以及LCD顯示系統(tǒng)性相結(jié)合。測溫系統(tǒng)以5l單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，DSl8820傳感器為測量元件，按鍵設(shè)定為輸入，通過LCDl602顯示構(gòu)成自動(dòng)化測溫控制系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及超過（低于）設(shè)定溫度時(shí)并進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)可以控制其他升溫（降溫）設(shè)備系統(tǒng)，以此來維持室內(nèi)溫度的恒定。

1整體系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

基本單片機(jī)的室內(nèi)測溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)共有六大電路部分：主控電路、溫度測量電路、溫度顯示部分、溫度設(shè)定電路、溫度控制電路、溫度報(bào)警電路。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。主控部分采用AT89C52單片機(jī)作為主體，編程控制硬件電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測參數(shù)指標(biāo)。溫度測量電路主要進(jìn)行溫度的檢測，溫度的測量主要是對溫室內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，DS18820芯片把所采集到的溫度傳送給主控制單元;溫度的設(shè)定部分主要是根據(jù)室內(nèi)所需要。

需要的相對恒定的溫度范圍進(jìn)行設(shè)定（包括溫度范圍的上限值和溫度范圍的下限值）。溫度顯示電路主要是把主控單元輸出的數(shù)據(jù)通過LCDl602液晶顯示出來，以便看工作人員觀察;溫度的控制部分主要是實(shí)時(shí)溫度不在所設(shè)定的溫度范圍內(nèi)時(shí)，通過控制外部降溫或者升溫設(shè)備絕對室內(nèi)進(jìn)行經(jīng)文或者升溫處理;溫度的報(bào)警電路設(shè)計(jì)主要是在實(shí)時(shí)溫度如果不在所設(shè)定的溫度范圍內(nèi)時(shí)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提醒。

2主要硬件設(shè)計(jì)

2.1主控電路

主控電路的硬件連接比較簡單，可以利用單片機(jī)的引腳口P1、P2、P3中的任意一個(gè)接口與單總線連接起來從而實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還可以通過轉(zhuǎn)換器串行口使單片機(jī)與和計(jì)算機(jī)相連接，這樣一來便可以是實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)與Windows操作系統(tǒng)之間進(jìn)行軟件管理。

單片機(jī)工作需要三個(gè)基本條件：接電路供電電源、接石英晶體振蕩器和按鍵復(fù)位電路以及把程序燒錄到單片機(jī)最小系統(tǒng)芯片中，如圖2所示。

STC89C52單片機(jī)的最小化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中只使用了單片機(jī)的一片集成化電路，這樣一來可以實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)的低功耗、簡單運(yùn)算控制等。

單片機(jī)通常情況下在每次正常的開機(jī)或者工作過程中處于非正常工作狀態(tài)時(shí)，都需要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，以便中央處理單元（CPU）和其他的功能性部件都處于一個(gè)確定話的初始狀態(tài)，在并在此以后按照這個(gè)狀態(tài)開始后續(xù)的工作。從單片機(jī)的工作電路原理中可以看出單片機(jī)或者其最小系統(tǒng)的復(fù)位工作都是需要外部電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。其中原理為當(dāng)時(shí)鐘電路開始工作以后，如果在單片機(jī)的RST（復(fù)位）引腳上出現(xiàn)兩個(gè)或者兩個(gè)以上的機(jī)器周期處于高電平的工作狀態(tài)時(shí)，此時(shí)單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)。

2.2溫度測量電路

本設(shè)計(jì)采用DSl8820溫度傳感器芯片。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。該傳感器主要有三部分組成，分別為64位的閃存ROM、溫度傳感器以及非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器（Non-vola-tile Temperature Marm Starter）TH和TL。這種智能傳感器的供電方式?jīng)]有太多的限制，既可以通過寄生供電（Parasite Power）也可以通過外部電源（+5V）另外供電。如果是在寄生供電的情況下，在總線處于高電平時(shí)DSl8820便可以從總線上獲得能量存儲(chǔ)到自己內(nèi)部電容上，當(dāng)總線處于低電平時(shí)，便可以有自己內(nèi)部電容為其供電。

2.3溫度顯示電路

本測溫控制系統(tǒng)的顯示主要是體現(xiàn)在實(shí)時(shí)檢測溫度變化范圍以及與溫度相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。由于LCD液晶顯示不僅可以顯示數(shù)字，還可以顯示文字、圖形等，而且背光的亮度也是可調(diào)節(jié)以便達(dá)到節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。因此在本設(shè)計(jì)中研究的溫控電路設(shè)計(jì)中顯示模塊使用的是LCD1602液晶，系統(tǒng)的顯示電路可以用來顯示DS18820采集到的周圍環(huán)境或者物體溫度的實(shí)時(shí)溫度和相關(guān)數(shù)值等。溫度顯示電路如圖4所示。

2.4溫度控制電路

溫度控制模塊包含：降溫電路和升溫電路二個(gè)子模塊。降溫電路的設(shè)計(jì)中主要是由NPN三極管、繼電器、降溫模擬風(fēng)扇等元件組成。三極管的集電極通過一個(gè)單向?qū)ǖ亩O管接的是+5V的電壓源，基極是通過一個(gè)電阻（R6）和單片機(jī)的P1.5口相連接，三極管的發(fā)射極接地，而在二極管D2的兩端并聯(lián)一個(gè)繼電器，繼電器的作用是控制降溫風(fēng)扇對溫室內(nèi)的溫度進(jìn)行降溫處理。通過這樣的電路設(shè)計(jì)可以對室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，以便達(dá)到降溫的目的。

升溫電路的設(shè)計(jì)中同樣也是由NPN三極管、控制繼電器、模擬升溫加熱絲等組成。三極管的集電極通過一個(gè)單向?qū)ǖ亩O管接的是VCC電壓源，基極是通過一個(gè)電阻（R7）和單片機(jī)的P1.6口相連接，三極管的發(fā)射極接地，而在二極管D4的兩端并聯(lián)一個(gè)繼電器，繼電器的作用是控制升溫加熱絲對溫室內(nèi)的溫度進(jìn)行升溫處理。通過這樣的電路設(shè)計(jì)可以對室內(nèi)進(jìn)行升溫處理。

2.5溫度報(bào)警電路

本溫控系統(tǒng)的報(bào)警電路設(shè)計(jì)主要是由PNP三極管、限流電阻和LED發(fā)光二極管組成。其中PNP三極管的發(fā)射極接的是+5V的電壓源，三極管的基極可以通過一個(gè)1K的電阻和單片機(jī)的P1.3口以及P1.4口相連接，三極管的集電極可以接地。通過這樣的電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警的目的，溫度報(bào)警的電路如圖5所示。

本溫控系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的溫度報(bào)警電路的主要工作方法是：當(dāng)DSl8820傳感器所獲取的實(shí)際溫度在所設(shè)定的溫度范圍之內(nèi)時(shí)，對應(yīng)于單片機(jī)P1.4口輸出的是高電平，此時(shí)PNP三極管的發(fā)射極和基極之間是不會(huì)導(dǎo)通的，因此發(fā)射極和集電極之間不能構(gòu)成回路，報(bào)警指示燈也就不會(huì)被點(diǎn)亮;同樣的道理，如果被測量的溫度不在所設(shè)定的范圍之內(nèi)（高于設(shè)定溫度范圍的最大值或者低于設(shè)定溫度范圍的最小值），此時(shí)單片機(jī)對應(yīng)的I/O引腳便會(huì)輸出低電壓，PNP三極管的發(fā)射極和基極之間便會(huì)被導(dǎo)通，此時(shí)控制發(fā)射極和集電極之間的回路也會(huì)被導(dǎo)通，對應(yīng)的報(bào)警指示燈會(huì)被點(diǎn)亮。

2.6電源模塊

本設(shè)計(jì)電源模塊通過電路設(shè)計(jì)可以給系統(tǒng)中的各個(gè)元器件進(jìn)行供電，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。電源電路如圖6所示，供電電路由濾波器、變壓器、集成穩(wěn)壓以及二極管整流橋構(gòu)成了該系統(tǒng)穩(wěn)壓電源電，可以提供穩(wěn)定而且合適的電能。

3系統(tǒng)測試和實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分三大模塊：系統(tǒng)主程序模塊、溫度采集模塊程序、LCD1602顯示驅(qū)動(dòng)程序模塊。系統(tǒng)需要完成對各接口芯片的初始化，設(shè)置啟動(dòng)/清除標(biāo)志寄存器、顯示寄存器和語音寄存器，并對它們進(jìn)行初始化，還需要中斷向量的設(shè)計(jì)以及開中斷、循環(huán)等待等工作，溫度檢測子程序主要是溫度控制，LCD顯示子程序主要是溫度顯示和報(bào)警。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的室內(nèi)溫度測量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包含AT89C52單片機(jī)、DS18820數(shù)字溫度傳感器、LCD1602的顯示電路、溫度設(shè)定電路等電路，系統(tǒng)中選擇定值開關(guān)控制法、PID線性溫度控制法和智能溫度控制法進(jìn)行搭配組合，實(shí)現(xiàn)對水溫的精確監(jiān)控基于系統(tǒng)操作簡單，實(shí)用性強(qiáng)。