一種智能恒溫系統的設計與Proteus仿真

江蘇省南京工程高等職業學校電子工程系 陳 娟

文章以AT89C51單片機為核心，設計了一種智能恒溫系統，能使環境溫度恒定在25℃～28℃之間。通過在Keil Vision4環境下編程，并利用Proteus軟件仿真驗證，實現的功能為：當溫度高于28℃時，則聲光報警，同時直流電機正轉表示降溫，1602液晶屏顯示器顯示“Cooling”和當前溫度信息；當溫度低于25℃時，則聲光報警，同時直流電機反轉表示升溫，1602液晶屏顯示器顯示“Warming”和當前溫度信息。該系統對進一步完成實際恒溫電路有著重要的意義。

恒溫系統就是能夠保持特定環境中的溫度在一個固定的范圍內或者數值不變的控制系統。隨著科技的發展，人民生活水平的提高，越來越多的場合都用到了恒溫系統，比如：食物的儲存、蔬菜的種植、動物的飼養，以及生物實驗室等一些特殊的工作環境等。本文基于AT89C51單片機設計了一種智能恒溫系統，在Keil Vision4環境下編程，并利用Proteus軟件仿真實現。

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，可以進行軟件仿真，也可以利用硬件仿真器進行實時仿真。

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件所具有的仿真功能，而且還能仿真單片機及外圍器件。Proteus是唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺。并且在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。

1 系統的硬件設計

1.1 系統的結構框圖

系統的硬件電路主要由AT89C51單片機、DS18B20溫度傳感器電路、直流電機控制電路、1602液晶屏顯示電路和聲光報警電路組成。系統框圖如圖1所示，DS18B20溫度傳感器檢測環境溫度，并將溫度數據傳輸給單片機，單片機對溫度數據進行處理，根據處理結果控制各電路工作——直流電機正轉（表示制冷）、直流電機反轉（表示加熱）、1602顯示當前的狀態和溫度、溫度超出恒溫范圍時啟動聲光報警電路。

圖1 系統的結構框圖

1.2 單片機的復位電路和晶振電路

復位電路由電容串聯電阻構成，一般情況下，單片機RST引腳的高電平持續兩個機器周期以上就將復位，所以RC取值的原則就是可以在RST引腳上產生不少于兩個機器周期的高電平。如圖2所示，在本電路中，采用了一個獨立按鍵進行手動復位，當復位電路中的獨立按鍵被按下時，其上連接的電解電容開始放電，對單片機的RST引腳輸出高電平，使得單片機復位。

圖2 單片機的復位電路和晶振電路

晶振電路的作用是為單片機提供時鐘信號，并且單片機有內部時鐘方式和外部時鐘方式兩種。在本系統中采用的是內部時鐘方式，即在單片機的XTAL1和XTAL2兩端連接一個由晶振和C1、C2兩個諧振電容構成的時鐘電路，要注意選擇合適的電容量才能滿足晶振的起振要求，晶振才能正常工作。

圖3 DS18B20溫度傳感器電路

1.3 DS18B20溫度傳感器

DS18B20是DALLAS公司生產的1-wire式單總線數字溫度傳感器，現場溫度直接以1-wire數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性，溫度測量范圍為-55～+125℃。并且DS18B20溫度傳感器可以根據不同場合進行不同的外觀改造，從而可以使其應用于不同場合。其正常工作時3腳接5V的電源，1腳接地，2腳在本系統中連接到了單片機的P1.7位，將檢測到的環境溫度數據通過P1.7傳輸給單片機。

1.4 直流電機控制電路

本系統中采用L298驅動直流電機的轉動，L298兼容標準的TTL邏輯，是高電壓、高電流雙全橋驅動器，內部包含有4通道邏輯驅動電路，能夠驅動感性負載，如繼電器、直流電機、步進電機等。在本系統中，當外部溫度大于28℃時，直流電機在L298的驅動下正轉，模擬降溫過程；當外部溫度小于25℃時，直流電機反轉，模擬升溫過程。L298的IN1、IN2分別連接單片機的P1.0、P1.1。當IN1=1，IN2=0時，直流電機正轉；當IN1=0，IN2=1時，直流電機反轉；L298的ENA連接到單片機的P1.2，當需要調節直流電機的轉速時，使P1.2輸出不同占空比的PWM波形即可。

1.5 1602液晶屏顯示電路

本系統采用1602液晶屏顯示，1602的含義是每行顯示16個字符，一共可以顯示兩行字符。系統運行時，第一行居中顯示環境溫度的狀態，如當溫度低于25℃時，第一行顯示“Warming”，表示當前的溫度低于正常溫度，需要升溫；當溫度高于28℃時，第一行顯示“Cooling”，表示當前的溫度高于正常溫度，需要降溫；當溫度在25℃～28℃之間時，第一行顯示“Normal”，表示當前的溫度為正常的溫度。第二行實時地顯示當前檢測到的溫度。

圖4 直流電機控制電路

圖5 系統流程圖

圖6 溫度為29℃時的測試情況

1.6 聲光報警電路

聲光報警電路主要由一個紅色的發光二極管、一個藍色的發光二極管和一個蜂鳴器組成。當DS18B20溫度傳感器檢測到當前的溫度高于28℃時，紅色的發光二極管被點亮，同時蜂鳴器發出叫聲；當DS18B20檢測到當前的溫度低于25℃時，藍色的發光二極管被點亮，同時蜂鳴器發出叫聲。

2 系統的軟件設計

2.1 系統流程圖

首先對系統進行初始化，然后讀取DS18B20傳感器檢測到的環境溫度數據，當溫度高于28℃時，液晶屏顯示“Cooling”（制冷）和當前溫度，點亮紅色的警報燈并使蜂鳴器鳴叫，同時直流電機正轉表示制冷降溫；當溫度低于25℃時，液晶屏顯示“Warming”（加熱）和當前溫度，點亮藍色的警報燈并使蜂鳴器鳴叫，同時直流電機反轉表示加熱升溫；當溫度處于25℃-28℃之間，液晶屏顯示“Normal”（正常）和當前溫度。

2.2 部分程序代碼

}//如果溫度大于28℃，顯示“Cooling”和當前溫度，點亮紅色的警報燈并使蜂鳴器鳴叫，同時直流電機正轉。

3 系統的仿真測試

經過在Proteus軟件中，對系統進行仿真，設置DS18B20的溫度為三種不同范圍溫度時，測試結果如下：

（1）當溫度調節為29℃，即高于28℃時，1602液晶顯示屏的第一行顯示“Cooling”，表示需要降溫，第二行顯示當前的溫度為29℃；這時紅色LED燈被點亮、蜂鳴器報警，并且直流電機正轉。

（2）當溫度調節為24℃，即低于25℃時，1602液晶顯示屏的第一行顯示“Warming”，表示需要升溫，第二行顯示當前的溫度為24℃；這時藍色LED燈被點亮、蜂鳴器報警，并且直流電機反轉。

（3）當溫度調節為26℃，即溫度處于25℃～28℃之間時，1602液晶顯示屏的第一行顯示“Normal”，表示此溫度在正常范圍內，第二行顯示當前的溫度為26℃；這時聲光報警電路和直流電機都停止工作。

本系統在Keil Vision4環境下，基于Proteus軟件設計了一個恒溫系統，通過仿真測試，能夠準確地顯示溫度信息，并且實現了用直流電機對環境溫度進行模擬降溫和模擬升溫，同時能正確地發出報警信號。該系統的實現對后續用實際電路板實現恒溫系統具有重要的意義。