基于单片机的井下温度控制系统研究

宋刘德　尹珠

【摘 要】采用STC89C52RC单片机作为处理核心，并由单总线工作方式的DS18B20温度传感器来精确地测量和采集温度，通过相应的转换电路来控制强电部分加热和制冷装置的工作，实现对温度的实时精确控制，通过相应的人机交互模块可以随意修改所需的目标温度，并配有对应的报警保护电路，提高了系统工作的安全性和稳定性。

【关键词】单片机；温度传感器；温度控制；实时

0 引言

煤矿事故发生而无法逃出矿井时，井下工人会躲进避难硐室等待救援，由于井下工人散热量很大，硐室温升很高，如果不进行有效抑制会严重威胁矿工生命安全。传统的温度控制系统成本较高，温度的测量和控制精度低，由于控温精度不高还会造成电能的浪费，目标温度设定不方便，应用领域狭窄，使用过程中容易发生故障，系统维护难度大，费用高。

近年来各种微型处理器特别是单片机技术发展迅速，本文采用单片机来采集和控制温度。该系统成本低廉，效率高，控制的实时性好，可以在数毫秒内完成温度的测量与显示，并控制继电器模块做出相应动作；灵敏度好，精度高，控温精度可以达到0.2℃，设定简单，应用范围广；系统采用光耦隔离，安全性高，稳定性好，功耗低，抗电磁干扰能力强，不易发生故障，可以有效提高电能利用率，节约能源，可以在生产生活中进行广泛的推广和应用。本文介绍了温控系统的硬件设计，软件编程和系统的调试实验。

1 系统设计

1.1 系统总体结构

整个温控系统采用闭环控制方式。单片机作为系统控制的核心，用于接收处理按键输入和温度传感器采集到的信息，输出显示温度，发出报警命令并且控制加热和制冷设备工作。按键输入部分用于设定系统目标温度，可以手动输入所需温度值。温度传感器用于实时采集系统温度信息，反馈给单片机。显示输出部分可以显示系统的实时温度和系统的工作状态。报警电路部分用于温度过高和过低时发出相应的警报。加热器和制冷器部分工作由单片机控制，温度过低时进行加热，温度过高时进行降温，达到设定的目标温度时停止。

1.2 系统的硬件设计

系统设计采用了STC89C52RC单片机，该芯片具有低功耗、抗静电和抗干扰能力强、可靠性高的优点，具有8K Flash存储器和512字节的RAM，能能满足程序存储的要求，简化系统硬件电路的设计。

（1）人机交互系统设计

人机交互系统包括按键输入部分和1602液晶显示部分。通过复位按键可以复位系统工作状态，四个独立按键可以选择工作模式和设置目标温度，1602液晶屏可以显示输出丰富的系统信息，如实时温度和系统工作状态等信息。

（2）报警保护电路设计

报警保护电路由蜂鸣器和LED灯组成，在系统温度升至设定值时蜂鸣器可以做出相应报警动作，8个LED的可以显示实时的温度值、系统的工作状态等信息，以及做出报警闪烁动作，可以根据需要进行设定。

（3）传感器部分设计

传感器选用DS18B20，它是一种单总线工作方式的温度传感器，只需一条数据总线就可进行信号传输，另外两条分别为电源线和地线，采用防水探头型的18B20可以进行液体温度的测量和控制。DS18B20价格低廉、工作性能稳定、测温范围广、精度高。它的测温范围为-55℃～+125℃，测量精度可以达到0.0625℃。单片机与18B20之间通过拉低和拉高数据总线的方式来发送指令和传输数据，传感器的输出值为数字量，给电路设计和软件编程带来了方便。

（4）调温装置控制电路设计

由于加热器和制冷器是由工频220V交流电供电，属于强电，单片机无法直接对其进行控制，故需要借助相应的转换电路才能完成弱电对强电的控制，这个工作可以由继电器完成。继电器控制电路设计中通过光耦来隔离控制电路和被控电路，光耦电路可以实现信号的单向传输、输入端与输出端完全实现了电气隔离、输出信号对输入端无影响、抗干扰能力强，提高了系统工作的安全性与稳定性。

当测得的温度低于目标温度时，单片机的P3.6口输出为低电平，P3.7口输出为高电平，继电器1动作，继电器2不动作，继电器1的常开触点闭合，加热器工作，制冷器不工作；反之，当测得的温度高于目标温度时，P3.7口输出为低电平，P3.6口输出为高电平，继电器1不动作，继电器2动作，继电器2的常开触点闭合，加热器停止工作，制冷器工作；当测得的温度等于目标温度时，加热器和制冷器都不工作。

1.3 系统的软件设计

系统依据DS18B20反馈的实时温度值与目标温度之间的数量关系决定加热和制冷装置是否工作。目标温度通过按键扫描的接口函数进行输入。

为了使程序简洁明了，便于理解和查阅，整个温控系统的软件编程采用模块化编程的方法。函数主要有DS18B20初始化、写入命令、读取数据，LCD1602初始化、写命令数据、显示，按键扫描输入，蜂鸣器LED报警，继电器动作等功能模块，通过主函数调用子函数模块，这样降低了程序的复杂度，使程序设计、调试和维护更加方便。

2 系统的测试与分析

为了进一步了解系统的工作性能，我们进行了实验，将该系统应用于液温控制。对5L始温8℃的纯水进行加热，设定目标温度为65℃。从多次实验的结果可以看出，控制系统的误差稳定在0.2℃左右，误差较小，可以满足温度控制系统的要求，温控性能优越。

3 结语

本系统设计本着简单可靠的原则，充分简化了电路，减少了电磁干扰。系统采用89C52微型计算机进行设计，DS18B20作为温度传感器，控温范围可以达到-55℃～+125℃，误差不超过±0.2℃，测温和控温精度高，安装调试方便，工作可靠，价格低廉，可以节约生产成本，便于推广使用，在现场调试中也取得了很好的效果。

【参考文献】

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[2]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

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[4]陈良光，管聪慧.由数字式传感器18B20构成的多点测温系统[J].传感器世界，1999（9）：32-35.

[责任编辑：汤静]