自动调温系统的设计与实现

朱黎

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机[1]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，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控系统[2]。系统包括数据采集模块，单片机控制模块，显示模块和温度设置模块，驱动电路5个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。本设计应用性比较强，系统稍微改装可以作为生物培养液温度监控系统，可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等。

1 系统结构框图

系统主要包括数据采集模块，单片机控制模块，显示模块和温度设置模块，驱动电路5个部分。系统框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

其中温度传感器主要负责采集实时温度数据，将采集到的温度数据传输到单片机，由单片机处理后的数据送显示器上显示。键盘可以设置预定温度，当检测到的温度低于设定温度时[3]，单片机控制驱动电路启动加热，并发出报警声；当检测温度高于设定温度时，停止加热进行降温。

2 设计方案

系统采用AT89S51单片机控制了温度的采集、处理与显示、温度值的设定与温度越限时控制电路的启动。

温度采集用DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20采集。DS18B20测温范围为-55～+125°C，测温分辨率可达0.062 5°C，被测温度用符号扩展的16位补码形式串行输出。CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

温度值的设定由4×4矩阵式键盘来完成，实时温度在LCD1602上进行显示和输出。系统的温度调节电路主要由继电器[4]电路构成，由于单片机输出控制信号非常微弱，需要用三极管来驱动外围电路。

3 硬件设计

主控制模块由AT89S51构成，4*4矩阵式键盘，由单片机P0口输入P0.0-P0.3控制列，P0.4-P0.7控制行，通过控制行列的信号实现按键功能。键值有：数字键0-9、输入键、清除键、加一键、减一键。LCD1602显示屏经过锁存器与P0口连接。温度调节电路继电器电路与单片机的P2.7口相连，由于单片机输出控制信号非常微弱，需要用三极管来驱动外围电路，三极管选用NPN型的9014，当检测温度低于设定温度时，在单片机的P2.7口输出高电平控制信号，使三极管9014导通，使继电器两控制端产生压差，从而使继电器吸合，常开触点接通，控制外部电路进行加热；当检测温度高于设定温度时，单片机输出低电平信号，三极管截止，继电器不吸合，停止加热[4-5]。

图2 系统硬件结构图Fig.2 System hardware structure diagram

数字温度传感器DS18B20[6]的Vcc引脚接外部+5 V电源，GND引脚接地，I/O引脚与单片机的P2.6引脚相连。

4 软件设计

温度控制程序的设计1）键盘扫描、键码识别和温度显示；2）温度采样；3）数据处理；4）越限报警和处理。软件设计主要实现以下功能：

①温度设定范围为0～99℃，最小区分度为1℃，温度控制的误差≤1℃；

②能够用液晶显示屏显示当前实际温度值；

③按键控制：设置复位键、加一键、减一键、以及温度输入的数字键；

④越限报警。

系统流程图如图3所示。

图3 系统流程图Fig.3 System flow chart

5 系统调试

环境温度为：23℃

测试仪器：标准温度计、加热工具（选用烧热的电烙铁）、制冷工具（风扇）设定不同的开启加热温度，改变环境温度，系统工作情况如表1所示。

表1 系统测量数据表Tab.1 System measurement data sheet

发光二极管亮表示水温到达设定值，灭表示停止水温没有到达设定值经过反复测试，系统温度设定范围为0～100℃，最小区分度为1℃，温度控制的误差≤1℃；能够测量并用数管显示当前实际温度值；通过复位键可以使系统设定温度还原默认值，通过加一键和减一键可以以1℃步进设置预定温度。

6 结 论

文中详细介绍了基于单片机AT89S51的温度控制系统的设计方案与软硬件实现。系统包括数据采集模块、单片机控制模块、键盘显示模块、温度调节模块几个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。系统具有如下特点：简化了硬件电路设计，温度采集数据更加精准；有利于功能扩展；具有高的系统可靠性和安全性。本系统没有增加外部存储器，设定温不能保存，断电复位后必须重新设置温度；采用静态显示方式，从而使用了较多的驱动芯片，增加了硬件电路的复杂性，本课题软件和硬件相结合，有相当的难度，同时也有很大的实用性。

[1]张齐，杜群贵.单片机应用系统设计技术[M].北京：电子工业出版社，2007.

[2]中国机械工业教育协会.单片机原理与应用 [M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]杨金岩.8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，2006.

[5]张洪润.电子线路与电子技术[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6]邢方方，程延海，张世举，等.基于AT89S51单片机车间温湿度控制系统设计[J].煤矿机械，2011（9）：225-227.

XING Fang-fang，CHENG Yan-hai，ZHANG Shi-ju，et al.Based on AT89S51 workshop temperature and humidity control system design[J].Coal Mine Machinery，2011（9）：225-227.