基于單片機(jī)的室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 斌

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000)

1 各模塊的介紹

1.1 STC89C51單片機(jī)

STC89C51RC采用的是8051核的ISP系統(tǒng)可編程芯片，ISP為“In System Programming”的縮寫(xiě)。工作時(shí)最高可擁有80MHz的時(shí)鐘頻率，片內(nèi)包含的Flash只讀程序存儲(chǔ)器為8K Bytes，它可反復(fù)擦寫(xiě)1000次，該單片機(jī)既由MCS-51指令系統(tǒng)又有80C51的引腳結(jié)構(gòu)，有通用的8位中央處理器在STC89C51內(nèi)部集成，并且它還包含ISP Flash存儲(chǔ)單元，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)可編程的功能，可以用電腦進(jìn)行程序的下載，無(wú)需購(gòu)買(mǎi)通用編程器。STC89C51RC系列的單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的兼容8051 內(nèi)核單片機(jī)，既高速又低耗。

1.2 Pt100溫度傳感器

Pt100溫度傳感器是測(cè)量溫度并利用自身阻值由溫度變化而產(chǎn)生變化的特點(diǎn)進(jìn)行溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)的儀表，可以用來(lái)檢測(cè)和調(diào)節(jié)工程生產(chǎn)過(guò)程的溫度參數(shù)。由兩部分構(gòu)成帶傳感器的變送器，它們分別是“傳感器”和“信號(hào)轉(zhuǎn)換器”。熱電偶或者熱電阻是傳感器的主要材料；信號(hào)轉(zhuǎn)換器主要由測(cè)量單元、信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換單元組成(由于工業(yè)用熱電阻和熱電偶分度表是標(biāo)準(zhǔn)化的，因此信號(hào)轉(zhuǎn)換器作為獨(dú)立產(chǎn)品時(shí)也稱(chēng)為變送器)，有些變送器增加了顯示單元，有些還具有現(xiàn)場(chǎng)總線功能。

1.3 LED數(shù)碼管

LED數(shù)碼管實(shí)際上是由七段LED燈組成一個(gè)“8”字形，若算上小點(diǎn)則共有八個(gè)LED小燈，根據(jù)各個(gè)小燈亮滅不同，它可以顯示從“0”到十六進(jìn)制的“F”。LED數(shù)碼管按連接方式的不同可分為共陰極接法和共陽(yáng)極接法。共陰極接法的數(shù)碼管要接通高電平才可以導(dǎo)通工作，而共陽(yáng)極則需要接通低電平才可以導(dǎo)通工作。本設(shè)計(jì)采用共陰極接法的兩位LED數(shù)碼管，連接在單片機(jī)的P2口。

1.4 繼電器控制的加熱系統(tǒng)

單片機(jī)通過(guò)P1.1引腳對(duì)繼電器的斷開(kāi)和和閉合進(jìn)行控制從而控制加熱系統(tǒng)的工作與否。當(dāng)輸出為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，加熱系統(tǒng)開(kāi)始工作。當(dāng)輸出為高電平時(shí)，三極管截止，加熱系統(tǒng)停止工作。

圖1 繼電器控制的加熱系統(tǒng)

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 總體思路

本系統(tǒng)運(yùn)用STC89C51單片機(jī)進(jìn)行對(duì)于室溫的測(cè)量及調(diào)控，運(yùn)用Pt100溫度傳感器進(jìn)行溫度的測(cè)量以及標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳輸，這樣做是為了進(jìn)一步的對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。我們?cè)谏衔囊呀?jīng)了解到了Pt100溫度傳感器既包括傳感器又包括信號(hào)轉(zhuǎn)換器，這滿足我們對(duì)溫度檢測(cè)后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)交給單片機(jī)進(jìn)行判斷的要求。它設(shè)計(jì)的主要原理為根據(jù)溫度的不同則自身電阻值不同，從而影響電路中電壓，所以根據(jù)溫度的不同可換算成不同的電壓值，也就有不同的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到溫度傳感器發(fā)送給單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之后，單片機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度進(jìn)行判斷，若高于這個(gè)溫度則使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，若低于這個(gè)溫度則使風(fēng)扇停轉(zhuǎn)并且使暖爐工作。在所有過(guò)程中，用LED數(shù)碼管來(lái)進(jìn)行溫度的顯示。

2.2 交流調(diào)溫風(fēng)扇部分

該風(fēng)扇工作原理為根據(jù)溫度不同來(lái)調(diào)整風(fēng)速，風(fēng)速共有四檔，但為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)只用其中兩檔，即0檔和四檔，當(dāng)室溫小于等于27攝氏度時(shí)，該風(fēng)扇為零度，當(dāng)室溫大于27度時(shí)，該風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為四檔。

2.3 繼電器控制的加熱系統(tǒng)部分

作為調(diào)高溫度的部分，它需要交流供電，而單片機(jī)只能提供最大為5伏的電壓，所以想要通過(guò)單片機(jī)直接對(duì)加熱系統(tǒng)進(jìn)行控制是不現(xiàn)實(shí)的，所以在這里用到了繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱系統(tǒng)中電路的導(dǎo)通和斷開(kāi)，而用單片機(jī)來(lái)控制繼電器是否工作，當(dāng)單片機(jī)P1.1引腳輸出低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，加熱系統(tǒng)開(kāi)始工作，而當(dāng)P1.1引腳輸出高電平時(shí)，三極管截止，加熱系統(tǒng)停止工作。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換器

在這個(gè)室溫調(diào)控系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器在Pt100溫度傳感器電路中，是為了將熱電阻測(cè)得的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)以便于單片機(jī)檢測(cè)并作出相應(yīng)的運(yùn)算及判斷。因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能運(yùn)算數(shù)字語(yǔ)言，即“0”和“1”，不能直接對(duì)溫度信號(hào)加以運(yùn)算，故我們需要用A/D轉(zhuǎn)換裝置將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，相當(dāng)于“翻譯”的功能。

3 主接線的設(shè)計(jì)

在主接線的核心部分是四十只引腳的STC89C51單片機(jī)，它的P2口連接一個(gè)共陰極兩位LED數(shù)碼管，而它的陰極分別連接在單片機(jī)的P1.6引腳和P1.7引腳，數(shù)碼管用來(lái)顯示當(dāng)前溫度，而溫度的來(lái)源為Pt100溫度傳感器測(cè)量的溫度。Pt100溫度傳感器測(cè)量的溫度通過(guò)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換裝置連接在STC89C51單片機(jī)的P0口上，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)并向單片機(jī)傳輸?shù)墓δ?。STC89C51單片機(jī)接收到溫度轉(zhuǎn)換成的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)掃描預(yù)先下載進(jìn)去的主程序進(jìn)行內(nèi)部的運(yùn)算與判斷，當(dāng)溫度高于27攝氏度時(shí)，啟動(dòng)交流調(diào)速風(fēng)扇，進(jìn)行降溫工作，而當(dāng)溫度低于27度后，交流調(diào)速風(fēng)扇將停止工作，并且在室溫比27攝氏度低很多(在本設(shè)計(jì)中為5攝氏度)時(shí)使單片機(jī)控制繼電器使增溫系統(tǒng)工作，知道溫度重新升回27攝氏度。

4 主程序的設(shè)計(jì)

本程序運(yùn)用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的主體思路是分別設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)碼管顯示子程序、溫度調(diào)控子程序，其中交流調(diào)速風(fēng)扇的調(diào)速程序要通過(guò)中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，它的主要原理是：我國(guó)交流電的頻率為50Hz，即周期為0.02s，我們先將供給交流調(diào)速風(fēng)扇的交流電整流成連續(xù)的正半周期的交流電，利用單片機(jī)控制通電與斷電的占空比從而調(diào)節(jié)交流調(diào)速風(fēng)扇的檔位，在中斷程序中根據(jù)Pt100溫度傳感器測(cè)得的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)的不同來(lái)設(shè)定不同的占空比。對(duì)于Pt100溫度傳感器測(cè)得的溫度信號(hào)，要根據(jù)公式轉(zhuǎn)換成一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)字，整體趨勢(shì)是溫度越高這個(gè)數(shù)字越低。這部分由程序中的A/D轉(zhuǎn)換子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于數(shù)碼管的顯示，我們通過(guò)定義數(shù)字表以及定義端口(用兩個(gè)不同的參數(shù)來(lái)表示連接數(shù)碼管陰極的P1.6引腳和P1.7引腳)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管顯示的控制。對(duì)于交流調(diào)速風(fēng)扇和對(duì)加熱系統(tǒng)的控制在主程序中是通過(guò)設(shè)定兩個(gè)不同的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這兩個(gè)參數(shù)分別代表連接繼電器的P1.1引腳和連接交流調(diào)速風(fēng)扇的P1.2引腳，通過(guò)給這兩個(gè)參數(shù)賦值(“0”和“1”)來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫和升溫的功能。

[1] 李朝青，單片機(jī)原理及接口技術(shù)(簡(jiǎn)明修訂版)[M].北京：北京航空航天大學(xué)，1998.

[2] 李曉荃.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000，(8).