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1、基于单片机温度测控系统的设计摘 要 温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合,及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的,近年来,温湿度测控领域发展迅速,并且随着数字技术的发展,温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台,能够在工业、农业等各领域中广泛使用。在日常生活中温度在我们身边无时不在,温度的控制和应用在各个领域都有重要的作用。很多行业中都有大量的用电加热设备,和温度控制设备,如用于报警的温度自动报警系统,热处理的加热炉,用于融化金属的坩锅电阻炉及各种不同用途的温度箱等,这些都采用单片机技术,利用单片机语言程序对它们进行控制。而单片机技
2、术具有控制和操作使用方便、结构简单便于修改和维护、灵活性大且具有一定的智能,性等特点,可以精确的控制技术标准,提高了温控指标,也大大的提高了产品的质量和性能。 由于单片机技术的优点突出,智能化温度控制技术正被广泛地采用。本文介绍了基于单片机AT89S51 的温度温度控制系统的设计方案与软硬件实现。采用温度传感器DS18B20 采集温度数据,7段数码管显示温度数据,按键设置温度上下限,当温度低于设定的下限时,点亮绿色发光二极管,当温度高于设定的上限时,点亮红色发光二极管。给出了系统总体框架、程序流程图和Protel 原理图,并在硬件平台上实现了所设计功能。关键词：单片机温度控制系统温度传感器Ab
3、stractTemperature measurement and control to the human daily life, industrial production, weather forecast, material warehousing plays a very important role. In many occasions, timely and accurate the target temperature, humidity information is very important, in recent years, the temperature and hu
4、midity measurement and control field development is rapid, and with the development of digital technology, the temperature and humidity control chip, also corresponding to the stage of history, can be in industry, agriculture and so on various field widely used.In daily life temperature around us is
5、 at all, the control of the temperature and the application in various fields have an important role. Many industries, there are a large number of electric heating equipment, and temperature control equipment, such as is used for alarm temperature automatic alarm system, heat treatment furnace, used
6、 for melting metal crucible resistance furnace and all kinds of different USES of temperature box and so on, these using single-chip microcomputer technology, using the single chip microcomputer to language program to control them. And single-chip microcomputer technology has control and convenient
7、in operation, simple and convenient structure modification and maintenance of big agility, and has a certain intelligent etc., can accurate controlDue to the single-chip microcomputer technology advantage, intelligent temperature control technology is being widely adopted. This paper introduces the
8、single chip microcomputer AT89S51 based on the temperature control system of the design and realization of software and hardware. The temperature sensor DS18B20 acquisition temperature data, 7 period of digital tube display temperature data, key setting temperature on the floor, when the temperature
9、 is lower than set lower limit, light green, light emitting diode, when the temperature is higher than the set limit, light red light emitting diode. Given the system framework and program flow chart and Protel principle diagram and the hardware platform to realize the design function.Key word：SCM T
10、emperature control system Temperature sensors一、前言在现代化的工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中,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AT89C51单片机来对温度进行控制,不仅具有控制方便、组态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,从而能够大大提高产品的质量和数量。因此,单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。本文以它为例进行介绍,希望能收到举一反三和触
11、类旁通的效果。 一温度控制系统设计发展历史及意义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 ,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同 , 在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电器动作频繁 ,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参
12、数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器DS18B20,因其部集成了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,使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化,更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接,故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头,探入到狭小的地方,增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行围的温度检测。 温度控制系统的目的温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛,比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。
13、而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视,其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题,本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度监测和控制系统,实现对温度的实时检测,具有提醒和控制的功能,本设计的容是温度测试控制系统,控制对象是温度。它的特点在于应用广泛,功能强大,小巧美观,便于携带,是一款既实用又廉价的控制系统。2、 总体设计方案一工作原理温度传感器 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,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
14、度的上限时,单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备 ,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 。 当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障,或者温度传感头出现故障导致在一段时间不能将环境温度调整到规定的温度限的时候,单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。 系统中将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据,以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。图一 系统原理图 二温度测量部分方案DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点,特别适合用于构成多点温度测
15、控系统,可直接将温度转化成串行数字信号按9位二进制数字给单片机处理,且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片,它具有三引脚TO-92小体积封装形式,温度测量围55125,可编程为912位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出,其工作电源既可在远端引入,业可采用寄生电源方式产生,多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上,CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。综上,在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。该芯
16、片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,且此元件线形较好。在0100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号,便于单片机处理及控制。图二 温度芯片DS18B20三 温度采集过程由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,他有严格的时隙概念,因此读写时序很重要,系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20发复位脉冲发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。温度的采集流程如图初始化DS18B20跳过ROM匹配温度变换延时1S跳过ROM匹配读暂存器转换成显示码数码管显示图三 温度采集流程图 四 主控制部分方案AT89S51 是一个低功耗
17、,高性能CMOS 8位单片机,片含8k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚,4k Bytes Flash片程序存储器,128 bytes的随机存取数据存储器RAM,32个外部双向输入/输出I/O口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,
18、看门狗WDT电路,片时钟振荡器。图四 AT89S51单片机引脚图三、主要硬件电路设计 显示电路显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路,通过单片机的P0.0到P0.7八个端口接数码管的八个引脚,数码管的9号引脚接地。用来显示当前检测的温度值,精确度为0.1。如图所示。节约了单片机的输出端口,便于程序的编写。图五显示测量结果电路图采用温度芯片DS18B20。使用集成芯片,能够有效的减小外界的干扰,提高测量的精度,简化电路的结构。图六 温度传感器检测电路 二按键电路键盘共有16个按键,用于方便设定温度。90 , 数字按键,输入数字0-9；确认 , 设置的确认,修改设置温度时进行确认；清除 设置的清除,
19、修改设置温度时进行删除；开启 开启电源关闭 关闭电源F1 显示及设置转换到温度点1,按此按键后,显示预设置温度的数码管闪烁；F2显示及设置转换到温度点2,按此按键后,显示预设置温度的数码管闪烁； 表一 键盘的按键分布P2.00123P2.14567P2.289F1F2P2.3清除开启关闭确定P2.4P2.5P2.6P2.7三电源部分电路图七 电源部分电路四温度控制器件电路 单片机通过三极管控制继电器的通断,最后达到控制电热器的目的。 当温度未达到要求时,单片机发送高电平信号使三极管饱和导通,继电器使电源与电热器接通,电热器加热。温度慢慢升高。 当温度上升到预定温度时,单片机发送低电平信号三极管
20、进入截止状态,继电器的弹片打到另一侧,使电热器与电源断开,电热器停止加热。 继电器电路中有一个三极管8050的保护电路,即将一个二极管反向接到三机管的两端。连接方法如图5-2所示。图八 单片机控制信号五二极管显示报警电路二极管显示报警电路如图5.7所示。通过单片机的P3.4和P3.5两个端口送出,采用的是高电平驱动,使其发光发出警告。图九二极管显示报警电路 六接口通讯电路51单片机有一个全双工的串行通讯口,所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件,比如电脑的串口是RS232电平的,而单片机的串口是TTL电平的,两者之间必须有一个电平转换电路,我采用了专用芯片M
21、AX232进行转换,虽然也可以用几个三极管进行模拟转换,但是还是用专用芯片更简单可靠。在本设计中采用了三线制连接串口,也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法,但是对我来说已经足够使用了,电路如下图所示,MAX232的第10脚和单片机的11脚连接,第9脚和单片机的10脚连接,第15脚和单片机的20脚连接,串口通讯具体如图 图十 通讯接口接线图当采集的温度经处理后超过规定温度上限时,单片机通过 P1.4 输出控制信号驱动三极管 D1 ,使继电器 K1 开启降温设备 ：当采集的温度经处理后低于设定温度下限时,单片机通过 P1.
22、5 输出控制信号驱动三极管 D2 ,使继电器 K2 开启升温设备 。当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障,或者温度传感头出现故障导致在一段时间不能将环境温度调整到规定的温度限的时候,单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。具体电路连接如图图十一 实验主连接图四、软件系统设计图十二 主程序结构图程序开始的时候先设置初始化,然后就控制数码管显示当前温度。接着就判断F1、F2按键是否被按下。按下F1进入温度控制点1的程序、按下F2进入温度控制点2的程序。程序控制设置温度的两个数码管闪烁的,此时键盘输入有效。有按键按下的时候进入按键处理程序。按下确定按键后,程序进入判断程序和继电器控制程
23、序。继电器动作后,程序回到显示当前程序,并开始循环。图十三 程序结构图结 论在工业生产和日常生活中,对温度控制系统的要求,主要是保证温度在一定温度围变化,稳定性好,不振荡,对系统的快速性要求不高。在论文中简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。本设计应用性比较强,可以应用在仓库温度、大棚温度、机房温度、水池等的监控。另外,如果把本设计方案扩展为多点温度控制,加上上位机,则可以实现远程温度监控系统,将具有更大的应用价值。参 考 文 献1广弟、朱月秀、冷祖祁.单片机基础M.：航空航天大学,20072俊谟、迎新.单片机教程M.：单片机教程,20083马斌.单片机原理及应用M.：人民邮电,20094于帆、妮.程序设计基础M.：清华大学,20065何力民编. 单片机高级教程. :航空大学,20006金发庆等编. 传感器技术与应用.机械工业,20027王锦标,方崇智过程计算机控制：清华大学,1997；36408邵惠鹤工业过程高级控制：交通大学,1997；5862,7810115 / 15
