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設計一款基于AT89C51單片機的溫度測控系統，介紹該系統的工作原理和設計方法。該系統溫度信號由數字溫度傳感器DS18B20采集，送AT89C51單片機進行處理，并通過數碼管顯示。控溫部分使用4×4矩陣按鍵進行溫度上限和下限的設定，當溫度超過設定值范圍后，單片機將發出控制信號啟動升溫裝置或降溫裝置，使溫度保持在一定的范圍。實驗測試證明，設計的樣機系統測溫控溫精度均為0.1℃，測溫控溫的范圍可達-55～+125℃，可應用于家用電器、汽車、冷庫等領域。 0 引言 溫度的測量和控制在日常生活和工業領域中具有廣泛的應用，隨著人們生活水平的大幅提高，對溫度測量控制的精度和范圍也有著更高的要求。在工業企業中，如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現場技術人員努力解決的問題，這類控制對象慣性大，滯后現象嚴重，存在很多不確定的因素，難以建立精確的數學模型，從而導致控制系統性能不佳，甚至出現控制不穩定、失控等現象。PID控制方式控制穩定且精度高，但是控制對象的模型難以建立，并且當擾動因素不明確時，參數調整較復雜。本文采用DS18B20數字溫度傳感器，該傳感器具有微型化、封裝簡單、低功耗、高性能抗干擾能力、測量范圍廣、強易配處理器等優點，可使系統測量更加精確，電路更加簡單。實驗測試證明，設計的樣機系統測溫控溫精度均為0.1℃，測溫控溫的范圍可達-55～+125℃，可應用于家用電器、汽車、冷庫等領域。 1 系統總體方案 該系統將檢測點的溫度采集之后發送到單片機進行處理，并通過4×4矩陣按鍵進行溫度上限和下限的設定。當溫度超過設定值范圍后，單片機將發出控制信號啟動升溫裝置或降溫裝置，使溫度恒定在一定的范圍。系統主要包括溫度采集模塊、4×4行列式矩陣按鍵模塊、主控模塊、溫度控制模塊、測溫控溫顯示模塊等，其結構框圖如圖1所示。 2 系統硬件設計 2.1 溫度檢測模塊 該系統溫度測量部分采用DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器DS18B20，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、測量范圍廣、強易配處理器等優點，DS18B20可直接將溫度轉化成串行數字信號給單片機處理，它具有三引腳TO-92小體積封裝形式，溫度測量的范圍為-55～+125℃，測溫分辨率可達到0.062 5℃。 2.2 4×4行列式按鍵模塊 該系統采用4×4行列式矩陣按鍵輸入，其中除了0～9這10個相應數字溫度按鍵外，還設計了溫度重設按鍵、確定按鍵、零下溫度選擇按鍵和小數點按鍵等用來控制溫度。該系統采用的是非編碼式鍵盤，按鍵的識別采用的是全局掃描法。 2.3 主控模塊 該設計采用AT89C51單片機作為主控芯片。該芯片是一款高性能的CMOS 8位微處理器，自帶4 KB閃存，產品性價比高，滿足系統的設計需求。該系統中主控芯片AT89C51不斷的對采集到的溫度信號與輸入的控制溫度進行比較，若超出設定范圍則啟動升溫或降溫裝置，直至溫度到達設定的范圍區間內。 2.4 溫度控制模塊 該系統溫度控制電路中，單片機通過三極管的通斷控制繼電器，達到控制電熱器的目的。當溫度低于設定溫度下限時，單片機發送低電平信號經過74LS04非門電路后變為高電平，使NPN型三極管導通，繼電器使電源與電熱器接通，電熱器加熱，溫度慢慢升高。當溫度高于設定溫度上限時，單片機發送高電平信號經過74LS04非門電路后變為低電平，使NPN型三極管截止，繼電器使電源與制冷系統接通，制冷系統工作，溫度慢慢降低。當繼電器突然斷電時，會產生很大的反向電流，反接在三極管兩端的二極管可將反向電流分流，達到保護三極管的作用。 2.5 測溫控溫顯示模塊 該設計顯示部分采用2個4位8段共陽極數碼管7SEG-MPX4-CA。一個數碼管用于顯示當前環境溫度，另外一個數碼管用于顯示設定溫度。為了節省I/O口，本設計通過74LS04雙2線-4線譯碼器連接兩個數碼管的位碼。 3 系統軟件設計 該設計軟件部分采用模塊化設計，通過Keil公司開發的μVision3編譯器用C51語言編寫，主要包括溫度檢測，按鍵驅動和溫度控制等。其中溫度檢測包括DS18B20初始化子程序、DS18B20讀取子程序、DS18B20寫子程序、DS18B20轉換溫度子程序、DS18B20溫度采集子程序、采集溫度數碼管顯示子程序等;按鍵驅動包括矩陣按鍵驅動子程序、按鍵顯示子程序等;溫度控制包括輸入鍵值處理子程序、溫度對比控制子程序等。主程序流程圖如圖2所示。 4 結語 本文設計的溫度測控系統，采用DS18B20數字溫度傳感器實時采集環境溫度，采用4×4矩陣按鍵自由設定溫度上限和下限，采用AT89C51單片機處理采集的溫度數據和發送控制溫度信號，將環境溫度和設定溫度通過數碼管7SEG-MPX4-CA實時顯示。設計的樣機系統經實驗表明，測溫精度和控溫精度均高達0.1℃，測溫范圍為-55～125℃，并可在-55～128℃范圍內進行溫度控制。溫度控制系統在工業生產和日常生活中，主要是要求在一定的溫度范圍內保證溫度恒定，并要求一定的精度，因此該系統可應用于家用電器、工業、汽車、冷庫等許多領域。 |
