自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱黎

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用單片機(jī)[1]對(duì)溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度監(jiān)控系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)控制模塊，顯示模塊和溫度設(shè)置模塊，驅(qū)動(dòng)電路5個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，系統(tǒng)稍微改裝可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)控制模塊，顯示模塊和溫度設(shè)置模塊，驅(qū)動(dòng)電路5個(gè)部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

其中溫度傳感器主要負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，由單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)送顯示器上顯示。鍵盤可以設(shè)置預(yù)定溫度，當(dāng)檢測(cè)到的溫度低于設(shè)定溫度時(shí)[3]，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)加熱，并發(fā)出報(bào)警聲；當(dāng)檢測(cè)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，停止加熱進(jìn)行降溫。

2 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)控制了溫度的采集、處理與顯示、溫度值的設(shè)定與溫度越限時(shí)控制電路的啟動(dòng)。

溫度采集用DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集。DS18B20測(cè)溫范圍為-55～+125°C，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.062 5°C，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位補(bǔ)碼形式串行輸出。CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。

溫度值的設(shè)定由4×4矩陣式鍵盤來完成，實(shí)時(shí)溫度在LCD1602上進(jìn)行顯示和輸出。系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)電路主要由繼電器[4]電路構(gòu)成，由于單片機(jī)輸出控制信號(hào)非常微弱，需要用三極管來驅(qū)動(dòng)外圍電路。

3 硬件設(shè)計(jì)

主控制模塊由AT89S51構(gòu)成，4*4矩陣式鍵盤，由單片機(jī)P0口輸入P0.0-P0.3控制列，P0.4-P0.7控制行，通過控制行列的信號(hào)實(shí)現(xiàn)按鍵功能。鍵值有：數(shù)字鍵0-9、輸入鍵、清除鍵、加一鍵、減一鍵。LCD1602顯示屏經(jīng)過鎖存器與P0口連接。溫度調(diào)節(jié)電路繼電器電路與單片機(jī)的P2.7口相連，由于單片機(jī)輸出控制信號(hào)非常微弱，需要用三極管來驅(qū)動(dòng)外圍電路，三極管選用NPN型的9014，當(dāng)檢測(cè)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，在單片機(jī)的P2.7口輸出高電平控制信號(hào)，使三極管9014導(dǎo)通，使繼電器兩控制端產(chǎn)生壓差，從而使繼電器吸合，常開觸點(diǎn)接通，控制外部電路進(jìn)行加熱；當(dāng)檢測(cè)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)輸出低電平信號(hào)，三極管截止，繼電器不吸合，停止加熱[4-5]。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System hardware structure diagram

數(shù)字溫度傳感器DS18B20[6]的Vcc引腳接外部+5 V電源，GND引腳接地，I/O引腳與單片機(jī)的P2.6引腳相連。

4 軟件設(shè)計(jì)

溫度控制程序的設(shè)計(jì)1）鍵盤掃描、鍵碼識(shí)別和溫度顯示；2）溫度采樣；3）數(shù)據(jù)處理；4）越限報(bào)警和處理。軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

①溫度設(shè)定范圍為0～99℃，最小區(qū)分度為1℃，溫度控制的誤差≤1℃；

②能夠用液晶顯示屏顯示當(dāng)前實(shí)際溫度值；

③按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、加一鍵、減一鍵、以及溫度輸入的數(shù)字鍵；

④越限報(bào)警。

系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖Fig.3 System flow chart

5 系統(tǒng)調(diào)試

環(huán)境溫度為：23℃

測(cè)試儀器：標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)、加熱工具（選用燒熱的電烙鐵）、制冷工具（風(fēng)扇）設(shè)定不同的開啟加熱溫度，改變環(huán)境溫度，系統(tǒng)工作情況如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)表Tab.1 System measurement data sheet

發(fā)光二極管亮表示水溫到達(dá)設(shè)定值，滅表示停止水溫沒有到達(dá)設(shè)定值經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)溫度設(shè)定范圍為0～100℃，最小區(qū)分度為1℃，溫度控制的誤差≤1℃；能夠測(cè)量并用數(shù)管顯示當(dāng)前實(shí)際溫度值；通過復(fù)位鍵可以使系統(tǒng)設(shè)定溫度還原默認(rèn)值，通過加一鍵和減一鍵可以以1℃步進(jìn)設(shè)置預(yù)定溫度。

6 結(jié) 論

文中詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)AT89S51的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)控制模塊、鍵盤顯示模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊幾個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，溫度采集數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)；有利于功能擴(kuò)展；具有高的系統(tǒng)可靠性和安全性。本系統(tǒng)沒有增加外部存儲(chǔ)器，設(shè)定溫不能保存，斷電復(fù)位后必須重新設(shè)置溫度；采用靜態(tài)顯示方式，從而使用了較多的驅(qū)動(dòng)芯片，增加了硬件電路的復(fù)雜性，本課題軟件和硬件相結(jié)合，有相當(dāng)?shù)碾y度，同時(shí)也有很大的實(shí)用性。

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