基于单片机的温度测控仿真系统设计

嵇 萍

(江苏海事职业技术学院 电气工程系，江苏 南京 210017)

基于单片机的温度测控仿真系统设计

嵇 萍

(江苏海事职业技术学院 电气工程系，江苏 南京 210017)

介绍一个基于单片机的温度测控仿真系统的设计.该系统以AT89C51单片机为控制器，用DS18B20数字温度传感器采集温度信号，可通过按键输入温度设定值，数码管同步显示温度设定值和当前测量值.仿真实验结果表明，该系统具有控制方便、性能稳定等优点.

单片机；仿真；温度传感器

随着科技的进步与发展，温度的测量与控制在社会生产和生活的各个领域显得越来越重要.比如，在生活中，人们需要对饮水机、热水器的温度进行控制；在养殖业中，人们需要对孵化箱的温度进行控制；在工业生产中，人们需要对各种加热炉、反应炉和锅炉的温度进行控制[1].采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，也可以大大提高被控温度的技术指标.本文介绍一个基于单片机的温度测控仿真系统的设计.

1 设计要求

设计一个基于单片机的温度测控系统，对被控对象温度进行控制.被控对象温度可以由人工设定，并能在被控对象温度变化时实现自动控制.具体的技术为：①温度设定范围为0～100 ℃，测量精度为±1 ℃；②被控对象温度值低于预设值时，加热器启动工作，被控对象温度值高于预设值时，加热器停止工作；③LED数码管实时显示水温；④按键控制，功能键、加1键、减1键.

2 总体方案

该系统主要由单片机、键盘电路、测温电路、显示电路和控制电路组成，总体设计方案如图1所示.

该系统的工作原理为：首先，通过键盘电路设定预设温度值，由测温电路测量被控对象的温度，并将温度模拟量信号转换成相应的数字信号；然后，将数字信号送入单片机，由单片机进行相应的程序处理，比较测量温度值与预设温度值，根据比较结果输出不同的控制信号；最后，由输出的控制信号来控制继电器的接通或断开，从而控制加热器的启动与停止，使被控对象的温度保持在设定的范围内，并且同步驱动显示电路实时显示被控对象的温度.

图1 温度控制系统总体设计方案

3 硬件设计

3.1 主控模块

主控电路如图2所示.主控电路是整个温控系统的核心，它控制温度的采集、处理与显示、预设温度值的设定和温度越限时控制电路的启动.本控制模块由AT89C51单片机、电源、时钟电路、复位电路和存储器选择电路构成[2].

3.2 测温模块

目前市面上温度传感器的种类很多，由于本系统要求测温精度高，且为了简化硬件电路的设计，所以选用DS18B20数字式温度传感器作为测温电路的核心部件，其与单片机的接线图如图3所示[3].

图2 主控电路

3.3 显示模块

本设计采用3个共阴数码管显示被控对象温度值，为节省I/O口资源，采用动态扫描显示方式.图4中，P0口控制段选线，P1.0、P1.1、P1.2分别控制3个数码管的位选线.

3.4 按键模块

图4 数码管显示电路

图5 按键电路

3.5 控制模块

控制电路是本设计的重要组成部分，它对加热器的工作状态起到至关重要的控制作用.单片机的输出电压最大仅为5 V，不能直接驱动加热器，故系统采用继电器来控制220 V交流电源的通断，电路如图6所示[4].

图6 控制电路

图7 主程序流程图

当AT89C51单片机的P2.7口输出低电平时，三极管Q1导通，线圈得电接通220 V电源，加热器开始工作；当P2.7口输出高电平时，三极管Q1截止，线圈失电断开220 V电源，加热器停止工作.所以通过控制单片机的P2.7口输出的高低电平可实现对加热器工作状态的控制.

4 软件设计

主程序流程图如图7所示.系统通电后，先进行初始化工作，处理按键输入信号，存储并显示设定值.然后，读取并显示实际温度值，比较设定温度值与实际温度值的大小，若设定温度值低于实际温度值，由单片机发出控制信号，经过驱动电路使加热器停止工作；若设定温度值高于实际温度值，单片机发出一个控制信号，启动加热器.

5 仿真结果

为了更直观地观察加热器工作状态的效果，在仿真中采用LED灯代替加热器，仿真电路如图8所示.启动运行仿真后，通过按键设定预设温度值为Tset=25 ℃.在仿真过程中，可以通过调节温度传感器U2的上下箭头来调节温度值.图8中温度传感器的温度值是21.2 ℃，数码管显示的水温值Ttest=21 ℃，误差为-0.2 ℃，符合设计要求.因为Tset＞Ttest，所以P2.7口输出低电平，继电器得电接通220 V交流电源，LED灯得电点亮，即表示加热器开始加热.如果Tset＜Ttest，那么P2.7口输出高电平，继电器失电，LED灯灭，即表示加热器停止加热.

在0～100 ℃之间随机采样，主要在25 ℃左右密集选温，得到表1数据.

由表1可知，测量误差绝对值不大于1 ℃，并且在实际温度值小于设定值时，LED灯亮，即加热器工作；实际温度值大于或等于设定值时，LED灯灭，即加热器停止加热.经过多组仿真实验测试，结果表明该系统设计完全符合要求.

图8 系统仿真电路

6 结论

表1 模拟水温与LED灯工作状态表

本设计的温度测控仿真系统具有控制方便、性能稳定等优点，其实物可用于温度控制精度要求不高的场合.在控制算法方面还有待进一步改进，才能提高温控系统的控制精度.

[1]林奇盛，熊器，彭伟强，等. 基于单片机的饮水机温控系统的设计[J]. 电子世界，2012(3)：39-44.

[2]张毅刚，彭喜元，姜守达，等. 新编MCS-51单片机应用设计[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.

[3]汪孝国，王婉丽，祁双喜. 高精度PID温度控制器[J]. 电子与自动化，2000(5)：13-15.

[4]余永权，汪明慧，黄英. 单片机在控制系统中的应用[M]. 北京：电子工业出版社，2003.

The Design of a Simulation System to Measure and Control Temperature Based on the Single-Chip Microcomputer

JI Ping

(Department of Electrical Engineering，Jiangsu Maritime Institute，Nanjing 210017，China)

With the development of science，the measurement and controlling of temperature become more and more important.This paper introduces the design of a simulation system that can measure and control temperature based on the single-chip microcomputer.This system uses the AT89C51 single-chip microcomputer as the controller，and DS18B20 digital temperature sensor to collect temperature signals. It can input the preset value of temperature by the keys，and displays the preset value and the current measured value of temperature synchronously by the nixie tube. The results of the simulation experiment show that this system has the merits of convenient control，stable performance，and so on.

single-chip microcomputer；simulation；temperature sensor

TP273

A

1008-5475(2012)04-0023-04

2012-09-20；

2012-10-25

嵇 萍(1981-)，女，江苏盐城人，讲师，硕士研究生，主要从事测控技术研究.

(责任编辑：沈凤英)