基于AT89C51單片機的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計一款基于AT89C51單片機的溫度測控系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方法。該系統(tǒng)溫度信號由數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集，送AT89C51單片機進行處理，并通過數(shù)碼管顯示?？販夭糠质褂?×4矩陣按鍵進行溫度上限和下限的設(shè)定，當(dāng)溫度超過設(shè)定值范圍后，單片機將發(fā)出控制信號啟動升溫裝置或降溫裝置，使溫度保持在一定的范圍。實驗測試證明，設(shè)計的樣機系統(tǒng)測溫控溫精度均為0．1℃，測溫控溫的范圍可達(dá)-55～+125℃，可應(yīng)用于家用電器、汽車、冷庫等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：AT89C51；DS18B20；數(shù)碼管；溫度測控

0 引言
    溫度的測量和控制在日常生活和工業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，隨著人們生活水平的大幅提高，對溫度測量控制的精度和范圍也有著更高的要求。在工業(yè)企業(yè)中，如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題，這類控制對象慣性大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，存在很多不確定的因素，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳，甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控等現(xiàn)象。PID控制方式控制穩(wěn)定且精度高，但是控制對象的模型難以建立，并且當(dāng)擾動因素不明確時，參數(shù)調(diào)整較復(fù)雜。本文采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器具有微型化、封裝簡單、低功耗、高性能抗干擾能力、測量范圍廣、強易配處理器等優(yōu)點，可使系統(tǒng)測量更加精確，電路更加簡單。實驗測試證明，設(shè)計的樣機系統(tǒng)測溫控溫精度均為0．1℃，測溫控溫的范圍可達(dá)-55～+125℃，可應(yīng)用于家用電器、汽車、冷庫等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)總體方案
    該系統(tǒng)將檢測點的溫度采集之后發(fā)送到單片機進行處理，并通過4×4矩陣按鍵進行溫度上限和下限的設(shè)定。當(dāng)溫度超過設(shè)定值范圍后，單片機將發(fā)出控制信號啟動升溫裝置或降溫裝置，使溫度恒定在一定的范圍。系統(tǒng)主要包括溫度采集模塊、4×4行列式矩陣按鍵模塊、主控模塊、溫度控制模塊、測溫控溫顯示模塊等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 溫度檢測模塊
    該系統(tǒng)溫度測量部分采用DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、測量范圍廣、強易配處理器等優(yōu)點，DS18B20可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號給單片機處理，它具有三引腳TO-92小體積封裝形式，溫度測量的范圍為-55～+125℃，測溫分辨率可達(dá)到0．062 5℃。
2．2 4×4行列式按鍵模塊
    該系統(tǒng)采用4×4行列式矩陣按鍵輸入，其中除了0～9這10個相應(yīng)數(shù)字溫度按鍵外，還設(shè)計了溫度重設(shè)按鍵、確定按鍵、零下溫度選擇按鍵和小數(shù)點按鍵等用來控制溫度。該系統(tǒng)采用的是非編碼式鍵盤，按鍵的識別采用的是全局掃描法。
2．3 主控模塊
    該設(shè)計采用AT89C51單片機作為主控芯片。該芯片是一款高性能的CMOS 8位微處理器，自帶4 KB閃存，產(chǎn)品性價比高，滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。該系統(tǒng)中主控芯片AT89C51不斷的對采集到的溫度信號與輸入的控制溫度進行比較，若超出設(shè)定范圍則啟動升溫或降溫裝置，直至溫度到達(dá)設(shè)定的范圍區(qū)間內(nèi)。
2．4 溫度控制模塊
    該系統(tǒng)溫度控制電路中，單片機通過三極管的通斷控制繼電器，達(dá)到控制電熱器的目的。當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度下限時，單片機發(fā)送低電平信號經(jīng)過74LS04非門電路后變?yōu)楦唠娖?，使NPN型三極管導(dǎo)通，繼電器使電源與電熱器接通，電熱器加熱，溫度慢慢升高。當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度上限時，單片機發(fā)送高電平信號經(jīng)過74LS04非門電路后變?yōu)榈碗娖?，使NPN型三極管截止，繼電器使電源與制冷系統(tǒng)接通，制冷系統(tǒng)工作，溫度慢慢降低。當(dāng)繼電器突然斷電時，會產(chǎn)生很大的反向電流，反接在三極管兩端的二極管可將反向電流分流，達(dá)到保護三極管的作用。
2．5 測溫控溫顯示模塊
    該設(shè)計顯示部分采用2個4位8段共陽極數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA。一個數(shù)碼管用于顯示當(dāng)前環(huán)境溫度，另外一個數(shù)碼管用于顯示設(shè)定溫度。為了節(jié)省I／O口，本設(shè)計通過74LS04雙2線-4線譯碼器連接兩個數(shù)碼管的位碼。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    該設(shè)計軟件部分采用模塊化設(shè)計，通過Keil公司開發(fā)的μVision3編譯器用C51語言編寫，主要包括溫度檢測，按鍵驅(qū)動和溫度控制等。其中溫度檢測包括DS18B20初始化子程序、DS18B20讀取子程序、DS18B20寫子程序、DS18B20轉(zhuǎn)換溫度子程序、DS18B20溫度采集子程序、采集溫度數(shù)碼管顯示子程序等；按鍵驅(qū)動包括矩陣按鍵驅(qū)動子程序、按鍵顯示子程序等；溫度控制包括輸入鍵值處理子程序、溫度對比控制子程序等。主程序流程圖如圖2所示。

4 結(jié)語
    本文設(shè)計的溫度測控系統(tǒng)，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器實時采集環(huán)境溫度，采用4×4矩陣按鍵自由設(shè)定溫度上限和下限，采用AT89C51單片機處理采集的溫度數(shù)據(jù)和發(fā)送控制溫度信號，將環(huán)境溫度和設(shè)定溫度通過數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA實時顯示。設(shè)計的樣機系統(tǒng)經(jīng)實驗表明，測溫精度和控溫精度均高達(dá)0．1℃，測溫范圍為-55～125℃，并可在-55～128℃范圍內(nèi)進行溫度控制。溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，主要是要求在一定的溫度范圍內(nèi)保證溫度恒定，并要求一定的精度，因此該系統(tǒng)可應(yīng)用于家用電器、工業(yè)、汽車、冷庫等許多領(lǐng)域。