基于单片机的温度控制系统的设计

李伟龙

( 西北民族大学 电气工程学院，甘肃 兰州 730030)

1 引言

温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量［1］。

2 系统总体设计

以AT89S51 单片机为核心，通过设置按键，设定恒温运行时的温度值并且用LCD 液晶显示这个温度值［2］。然后，温度传感器DS18B20 从设备环境的不同位置采集温度，单片机AT89S51 获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值［3］，并用LCD1602 液晶显示实时温度数据。再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备(压缩制冷器)，当采集的温度经处理后低于设定温度的下时，单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备(加热器)［4］。其系统的框图如下图所示。

图1 系统设计总框图

3 硬件系统设计

3.1 主控电路

AT89S51 作为温度测试系统设计的核心器件。该器件是INTEL 公司生产的MCS－51 系列单片机中的基础产品，采用了可靠的CMOS 工艺制造技术，具有高性能的8 位单片机，属于标准的MCS－51 的CMOS 产品［5］。不仅结合了HMOS 的高速和高密度技术及CHMOS 的低功耗特征，而且继承和扩展了MCS 一48 单片机的体系结构和指令系统。

图2 51 单片机最新系统

AT89S51 具有MCS－51 系列单片机的所有优点。128 ×8位内部RAM，32 位双向输入输出线，两个十六位定时器/计时器，6 个中断源，两级中断优先级，两个全双工异步串行口及时钟发生器等。

3.2 温度传感器

DS18B20 数字温度传感器是DALLAS 公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点［6］。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。其原理图如图3。

图3 DS18B20 内部原理图

使用寄生电源时，DS18B20 不需额外的供电电源;当总线为高电平时，功率由单总线上的上拉电阻通过DQ 引脚提供;高电平总线信号同时也向内部电容CPP 充电，CPP 在总线低电平时为器件供电。

采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D 转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20 只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦。

3.3 显示电路

采用1602LCD 液晶显示，其中LCD 液晶显示是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制有电就有显示这样即可以显示出图形［7］。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA 移动通信工具等众多领域。其接口电路如图4。

图4 LCD 接口电路

字符型液晶显示器模块组件内部主要有LCD 显示屏、控制器、驱动器和偏压产生电路组成。其控制器主要由指令寄存器IR、数据寄存器DR、忙识别位BF、地址计数器AC、DDRAM、CGROM、CGRAM 及时序发生电路组成。

4 软件系统设计

应用系统中的应用软件是根据系统功能要求而设计的，能可靠地实现系统的各种功能。本系统的软件包括以下几个程序模块:初始化程序;键盘扫描程序与处理程序;DS18B20 控制程序;LCD 液晶显示程序;执行器驱动程序。主程序流图如图5。

图5 主程序流程图

系统通过得到按键的值来确定设定温度的上下限值，启动DS18B20 传感器得到实时温度数据，然后将其与设定值进行比较同时给显示模块显示，根据得到的偏差信号发出驱动控制指令，启动升降温设备对温度进行调节，从而使温度值能够在保持在设定值范围内，达到系统的设计要求。其中LCD显示部分程序:

LCDSET1:

MOV A，#01H;清除屏幕

ACALL LCD_CMD

ACALL DELAY5MS

MOV A，#06H;移动光标(光标加1)

ACALL LCD_CMD

ACALL DELAY5MS

MOV A，#80H;显示第一行左边第一位位置

ACALL LCD_CMD

ACALL DELAY5MS

RET

LCDSET2:

MOV A，#01H;清除屏幕

ACALL LCD_CMD

ACALL DELAY5MS

MOV A，#06H;移动光标(光标减1)

ACALL LCD_CMD ACALL DELAY5MS

MOV A，#80H;显示第一行右边第一位位置

ACALL LCD_CMD

ACALL DELAY5MS

RET

5 结论

通过程序的控制与硬件电路的实现，最终能够完成设计的要求。根据DS18B20 检测到的温度信息，经单片机处理后，输出控制信号能够实现温度系统控制与实时数据的显示。本系统具有体积小、读数方便、精度高、测温范围广的特点。

［1］高吉祥，全国大学生电子设计竞赛培训系列教程［M］.北京:电子工业出版社，2007

［2］曹巧媛，单片机原理及应用( 第二版) ［M］.北京:电子工业出版社，2002

［3］金发庆，传感器技术与应用［M］.北京:机械工业出版社，2002

［4］童诗白，模拟电路技术基础［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［5］李叶紫，MCS－51 单片机应用教程［M］.北京:清华大学出版社，2004

［6］王家桢，传感器与变送器［M］.北京: 清华大学出版社，1996.

［7］康华光.，电子技术基础—数字部分［M］.北京: 高等教育出版社，2008.