基于AT89C51單片機(jī)的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)一款基于AT89C51單片機(jī)的溫度測控系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)行處理，并通過數(shù)碼管顯示。控溫部分使用4×4矩陣按鍵進(jìn)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(jī)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(shí)驗(yàn)測試證明，設(shè)計(jì)的樣機(jī)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。

　　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(yùn)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(shí)，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(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，可使系統(tǒng)測量更加精確，電路更加簡單。實(shí)驗(yàn)測試證明，設(shè)計(jì)的樣機(jī)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(diǎn)的溫度采集之后發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行處理，并通過4×4矩陣按鍵進(jìn)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(jī)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(jì)

　　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(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，DS18B20可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號給單片機(jī)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(gè)相應(yīng)數(shù)字溫度按鍵外，還設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)采用AT89C51單片機(jī)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(jià)比高，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)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(shí)，單片機(jī)發(fā)送低電平信號經(jīng)過74LS04非門電路后變?yōu)楦唠娖剑筃PN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(shí)，單片機(jī)發(fā)送高電平信號經(jīng)過74LS04非門電路后變?yōu)榈碗娖剑筃PN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(shí)，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(hù)三極管的作用。

　　2.5 測溫控溫顯示模塊

　　該設(shè)計(jì)顯示部分采用2個(gè)4位8段共陽極數(shù)碼管7SEG-MPX4-CA。一個(gè)數(shù)碼管用于顯示當(dāng)前環(huán)境溫度，另外一個(gè)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(jì)通過74LS04雙2線-4線譯碼器連接兩個(gè)數(shù)碼管的位碼。