基于单片机的温度控制器系统总体设计方案

李裕元

一、温度传感器分类与选择

温度是生活中常见的物理量，它与我们的生活实时相关，人类对温度研究一直在继续，经过多年发展已经有很多成熟的温度传感器在各个领域的得到了很好应用，下面介绍下温度传感器的分类和设计中温度传感器选择的方法。

（一）温度传感器分类

（1）模拟温度传感器输出的模拟量信号，优点是响应速度较快。

（2）数字温度传感器输出的数字量，它输出响应速度较慢，但接口简便。

工程中常常选用热电阻式温度传感器、热敏电阻式温度传感器、模拟集成式温度传感器、热电偶式温度传感器、智能温度传感器实现对温度检测。

（二）温度传感器的选择

工业上温度传感器有四类：热电偶、热电阻何热敏电阻及集成电路温度传感器；各类温度传感器的温度测量范围不同，应用的环境也不同。

方案：数字温度传感器DS18B20，它的温度测量范围为-55℃～+125℃之间，精度可以达到12位精度，测温分辨率为0.0625℃，工作电压在3V～5.5V之间，它直接输出数字信号，便于单片机进行处理。对于水温控制器进行测温时采用数字芯片，而且可以简化硬件电路，适合用于单片机测温系统中的温度传感器。

温敏元件在应用于温度环境监测的过程中，虽然温敏电阻成本低，可是后续电路麻烦，也要进行温度标定。AD590属于电流型集成温度传感器，且它输出的为模拟信号，且这一输出信号不强，因而需要放大并且需要设计A/D转换电路，而如果设计使用的是普通的放大电路，那么运放的效果难以保证，而且测量放大器价格不低，使得整个系统设计成本得以提高。系统设计采用DS18B20采集温度的变化，这就是任意的多个DS18B20可以在一根总线上挂接的原因，从而方便的进行多点测温，且用串行数字信号输出形式，可以将测量到的温度结果提供给单片机AT89C51的P3.7口，将这一端口作为数据输入。在多点的温度检测和采集系统中，DS18B20有很大的优势。DS18B20的工作电压为+5V，DS18B20的检测温范围为-55℃至125℃，测量精度可达0.5℃，用软件编程可以将DS18B20的温度转换结果的位数得以确定，输出精度位数为9到12位不等，但是它的默认值为12位。

二、显示器选型

本文涉及的单片机测温系统需要对实时温度值/比较的最大值显示即可，适合的显示方案有以下两种。LCD液晶显示和采用七段数码管显示。液晶显示可以显示汉子、英文和数字；数码管适合在显示信息量较小的系统中使用，数码管适合显示数字。由以上可知，数码管显示电路最为简单/低廉。考虑显示的温度从-55℃～+125℃，如果采用七段数码每显示一路就需要3组数码管，再加上温度最大值需要单独显示出来，这样不仅会增加数码管的数量还会增加编写单片机驱动程序难度。因此选择LCD液晶显示器作为显示模块最优，完全可以满足使用要求。

三、软件总体设计

编程采用汇编、C语言均可，这也是其应用广泛、上手快的原因之一。汇编编程指令效率高，适用于对时序要求较高场合，比如本文涉及的DS18B20读写操作可以使用汇编语言对照芯片手册的时序图和讲解逐条来编写驱动模块程序块。C语言编程指令移植性高，代码可以重复使用适合1602LCD的驱动和主程序的编写。

四、总体方案的确定

（一）系统基本框架

设计是利用AT89C51单片机为控制芯片，通过采集温度传感器的数据，通过对采集数据进行运算，实现温度采集和温度控制的设计。系统结构图1所示。设计的目标是实现对水温的采集、通根据设定最大关闭加热设备，如果小于最小的温度值打开加热设备进行加热，达到实现恒温控制的目的。

该温度控制系统由单片机主最小系统，温度采集模块，数码管显示模块，按键设置模块、蜂鸣报警模块、存储模块等组成。设计中需要实现的功能如下：

（1）液晶实时显温度的数据信息。

（2）可通过按键设置触发报警的阈值，也可以通过按键进行设置和修改。

（3）可以实现温度上下阀值报警。

（4）实现恒温控制功能。

系统各模块功能说明：

（1）温度传感器采集模块的功能是采集当前水温度值。

（2）显示模块的功能是显示实时水温。

（3）声音报警模块的功能是当水温值超过设置的阀值就会发出报警声音。

（4）键盘模块的功能是设置水温的上下阀值以及手动报警。

（5）主控模块功能是采集传感器数据、键盘输入信息进行处理输出报警信息和控制加热设备进行加热系统的实时显示。

（二）系统工作原理介绍

考虑到该系统功能较少，由普通单片机即可实现。而AT89C51单片机具有重量轻、体积小、对环境要求不高、抗干扰能力强、可靠性高、价格低廉、灵活性好等优点，故本系统选用AT89C51单片机作为系统主控制器。在温度采集方面，选用单线数字温度传感器DS18B20进行温度数据采集；人机对话界面通过按键盘来设置温度的上下线报警值和数码管显示电路的作用时实时显示水温值，同时在设置参数的时候可以显示当前设置的温度大小；存储电路的作用是实现对设定温度上下阀值进行存储，这样的设计可以保在系统重新工作时不用重新设置温度参数，方便使用；报警电路用于上下阀值的温度报警，当超过上限报警的时候，数码管会点亮，同时发出报警声音，下限也是一样的效果；继电器电路用于控制对水进行加热的设备行工作。

五、小结

文中主要介绍系统的传感器的选择和系统的总体方案设计，绘制系统结构图，并对每部分电路进行详细的说明。整体设计思想已经确定，既可以根据设计进行硬件和软件的开发。