一种单片机多功能温度测控系统的设计与实现

冯卓

(西安交通大学机械学院，陕西西安 710049)

一种单片机多功能温度测控系统的设计与实现

冯卓

(西安交通大学机械学院，陕西西安 710049)

设计了一种以AT89S51单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统.该控制系统可以实时检测温度，根据所要求的温度值发出控制信号并在温度超限时报警.

单片机;温度;传感器;控制

0 引言

在工业行业生产过程中，温度是一个比较重要的物理量，是最为普遍的行业参数之一，温度参数的测量和控制要求越来越高.

本文对某生产装置的恒温控制系统的硬件电路及算法进行讨论.基本要求是:温度恒定为80℃，超调量σ%≤10%，误差≤±2℃，调节时间小于15 s，人机对话方便.可以实时检测当前的温度数据并记录当前的时间.把检测到的数据送到上位机，与给定温度进行比较，根据比较值对系统进行控制.当温度超限时，在现场控制室和上位机控制室都具有数据超温报警功能，并有紧急停车系统.

1 系统设计的框架［1］

本系统是一种以AT89S51单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统.主要包括:温度采集模块、数据显示模块、通信模块、输出模块以及单片机最小系统如图1所示.因电源、显示单元和单片机最小系统都是标准电路，不做讨论.

2 测温单元

根据测温范围和误差要求，温度传感器采用数字式温度传感器DS18B20.作三线制应用，单线数据传输总线端口DQ，外供电源线VDD，共用地线GND.接口电路如图2所示，传感器输出信号经4.7K的上拉电阻直接接到单片机的P1.0引脚上.DS18B20测温电缆线可采用带屏蔽层的4芯双绞线，其中两根线分别接信号线与地线，另两根线依次接UDD和地线，屏蔽层在源端单点接地［2］.采用外部供电方式实现DS18B20传感器与单片机的连接，其中单线数据传输总线端口DQ接单片机的P1.0接口.

3 温度控制和超温警报单元

恒温控制系统根据给定值和检测值之差进行控制，即“基于偏差，消除偏差”，采用数字PID校正，使超调量σ%≤10%，误差≤±2℃，调节时间小于15 s.

当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过P1.5输出到三极管D2的基极，经放大后驱动继电器K2动作，开启升温设备(加热器).相反，当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通过P1.4输出，驱动三极管D1，使继电器K1开启降温设备(压缩制冷设备)［3］.不论任何原因，当温度变化剧烈，超过上限或下限时，单片机通过P1.3，经三极管放大，驱动扬声器发出报警声.具体电路连接如图3所示.

图3 温度控制器和超温报警连接Fig.3Temperature controller and over-temperature alarm connection

4 串联通信单元

温度的检测值要传送到上位机，上位机根据温度检测值运算后，对下位机发送控制命令.上位机和下位机组成DCS分布式控制系统.

由于电脑的串口是RS232电平，电压－10 V～+10 V，而单片机的串口是TTL电平，电压是0 V～5 V，两者之间采用专用芯片MAX232进行电平转换，如图4所示［4］.

MAX232和计算机的9针串口连接，只使用其中的3根线:MAX232的第7脚与计算机第2脚的RXD相连，MAX232的第8脚与计算机第3脚的TXD相连，第5脚接GND.这是最简单的连接方法.单片机与MAX232的连接是:单片机的11脚连接MAX232第10脚，单片机的10脚连接MAX232第9脚，单片机的20脚连接MAX232第15脚.

5 多功能温度测控系统的软件设计

多功能温度测控系统软件设计是比较重要的一项内容.硬件要与软件相对应，进行模块化设计.将整个软件划分为与硬件相对应的程序模块，主要分为主程序、数据采集子程序、数字PID运算子程序、控制子程序、通信子程序等部分.多功能温度测量仪的软件采用C51语言编写，能够避免使用较差的汇编语言，保证其可读性和可维护性，极大地提高了整个系统的可移植性.

6 结论

本文简单分析了单片机温度控制系统的数据采集、温度控制和超限报警、串行通信接口电路的设计，具有广泛的应用价值.根据测量的介质和测温范围不同，可以采用不同的传感器;根据控制对象不同，可以使开关量输出或通过D/A转换变为连续的模拟量控制.总之，本系统对于一般的温度控制系统设计具有重要的参考作用.

图4 通信接口连线Fig.4Connection of communication port

［1］丁长云.基于单片机系统的多功能温度测量仪的设计［J］.仪表技术，2008(11):36－37.

［2］金发庆.传感器技术与应用［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［3］赵娜，赵刚，于珍珠，等.基于51单片机的温度测量系统［J］.微计算机信息，2007，23(2):154－156.

［4］樊贵卿，李庆武，靳建华，等.串行实时时钟芯片DS1302程序设计中的问题与对策［J］.电子技术应用，2000(7):58－59.

Design and Implementation of Multi-Function Temperature Measure and Control System Based on MCU

FENG Zhuo

(College of Mechanical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

The design of a temperature control system is discussed.Its main control unit is AT89S51 MCU，and the control system of temperature transducer is DS18B20.The real-time detection of temperature is applied in the control system.It can send out the control signals based on required temperature value and alarm when the temperature is beyond the limit.

MCU;temperature;transducer;control

TP368.1

A

1007－0834(2012)02－0044－03

10.3969/j.issn.1007－0834.2012.02.013

2012－03－13

冯卓(1990—)，男，河南郑州人，西安交通大学机械学院.