基于单片机的水温控制系统仿真设计

2013-03-16宋东亚

电子测试 2013年19期

宋东亚

(郑州华信学院,河南郑州,451150)

0 引言

单片机作为微控制器，已广泛用于工业控制、机电一体化设备、仪器仪表、信号处理、现代兵器、交通能源、商用设备、医疗设备及家用电器等各个领域。该设计就是以单片机为核心设计的一个温度控制器，首先进行温度检测，当检测温度小于设定温度加热，温度上升到设定温度时停止加热。

1 设计方案

在日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，传统的测温传感器有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测出的一般都是电压信号，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。本设计采用DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种可改进型智能温度传感器DS18B20作为温度检测元件。

利用单片机AT89C51和DS18B20温度传感器设计一个温度控制系统，能够完成对水温的控制，当水温低于预设温度值时系统开始加热(点亮红色发光二极管表示加热状态) 达到预设温度值时自动停止加热，并由数码管显示温度，预设温度值和实测温度值分别由两个4位数码管显示，范围为0～99℃。

按照系统设计功能的要求，确定该系统由3部分组成：主控制器、测温电路及显示电路。水温控制系统总体电路结构框图如下：

2 硬件电路

2.1 单片机

AT89C51是51系列单片机中的一种，其内部带有4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，低电压、高性能。单片机AT89C51具有低电压供电和小体积等特点，其并行口资源刚好满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用，系统采用两节电池供电即可。

2.2 测温电路

DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。DS18B20的外形如下图，其引脚功能如下表所示：

根据DS18B20的引脚功能说明，我们可以很快地把VCC接一个5V的电源，而GND接地。由于DS18B20采用了单总线技术，我们只要把DQ与单片机的一个I/O口相连接就可以了，如下图所示(如图1）。

2.3 显示电路

7SEG-MPX4-CA-BLUE是7段4位一体共阳极蓝色数码管显示器，显示因为是4位共阳LED数码管，所以低电平点亮，利用P1口输出段码，P2.0至P2.3口输出位码来实现列扫描，列驱动用NOT非门。打开ISIS选择所需的器件AT89C51、7SEG-MPX4-CA-BLUE、BUTTON、CAP、RES、OPTOCOUPLER-MAND DS18B20 74HC245 LED-RED NOT。绘制仿真图如下（如图2）：

3 系统程序设计

系统程序主要包括主程序、温度测量子程序、温度转换子程序、温度设置子程序、温度显示子程序等等。

3.1 主程序

主程序的主要功能是负责中断初始化、各寄存器的初始化和各子程序的调用(如图3）。

图3

图4

图5

3.2 温度测量子程序

主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写（如图4）。

3.3 温度转换子程序

此子程序主要功能是进行BCD转换，因单片机输入端接受的是16位的二进制数，显示时必须化成BCD码才能显示正确结果（如图5）。

3.4 温度设置子程序

此子程序主要功能是完成温度的设置，主要是利用两个外部中断来设置程序完成温度的设置，中断一次温度设置一次（如图6）。

图6

图7

3.5 温度显示子程序

温度显示包括测量温度显示和设置温度显示，都是通过四个LED数码管显示。子程序除了显示功能外，还包括温度的比较，通过测量温度与设置温度的比较来控制加热的程度（如图7）。

源程序不再详述。

4 调试

4.1 程序在Keil uVision2中的编译与调试

打开Keil uVision2，新建并保存工程，新建文件，添加程序，保存成ASM格式文件，并添加进工程，进行编译，直至编译无误。

4.2 软件仿真与调试

Proteus SISI绘制原理图的操作与Protel 99se绘制原理图的操作基本相同，电路原理图的画法在这里就不再作详细描述，接下来是进行仿真调试。首先打开已有的电路原理图文件，双击图中的芯片，就弹出一个窗口，在Program File选项中通过路径选择在keil软件中生成的HEX文件，双击选中后确定，这样就已经读取了本设计中的HEX文件。单击下方的调试按钮“三角形按钮”进行仿真。通过对仿真结果的观察分析来对程序进行修改，最终使程序到达设计要求。按下PLAY键观察运行情况。下图为当实测温度小于设定温度的时候的工作状态。