哈爾濱理工大學(xué) 周登山

基于單片機(jī)的測(cè)溫及溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

哈爾濱理工大學(xué) 周登山

數(shù)字溫度傳感器和單片機(jī)連接可構(gòu)成溫度檢測(cè)與溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量和設(shè)計(jì)，本文通過(guò)綜述實(shí)驗(yàn)說(shuō)明基于單片機(jī)的測(cè)溫及溫控系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)，講解其運(yùn)行過(guò)程，并以設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行舉例。

單片機(jī)；測(cè)溫及溫控系統(tǒng)；繼電器

社會(huì)經(jīng)濟(jì)與工業(yè)的飛速發(fā)展使得測(cè)溫及溫控系統(tǒng)不斷更新，作為自然界最基本的物理常量，溫度與生活間的緊密關(guān)系不必贅述，為加強(qiáng)控溫而生的智能溫控理論也受到研究者的關(guān)注，單片機(jī)的運(yùn)用使控溫工作變得簡(jiǎn)單、高效、低耗，下面以設(shè)計(jì)的單片機(jī)測(cè)溫及繼電器控制系統(tǒng)為例進(jìn)行研究。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)芯片為核心，附加溫度傳感器DS18B20、LED1602顯示屏，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示[1]，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方框圖如下圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)包含三部分，即溫度采集部分，顯示部分，控制部分，單片機(jī)進(jìn)行控制的部分可在低電壓條件下完成供電工作，且體積較??；顯示部分采用LCD數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示溫度參數(shù)；溫度采集部分采用18B20型號(hào)溫度傳感器，作為由美國(guó)新研發(fā)改進(jìn)智能溫度傳感器，其特點(diǎn)在于可直接獨(dú)處被測(cè)溫，迅速準(zhǔn)確的采集和轉(zhuǎn)換溫度信號(hào)。

圖1 單片機(jī)測(cè)溫及繼電器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方框圖

1.2 單片機(jī)主控模塊

單片機(jī)是整個(gè)智能溫度控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，可起到采集環(huán)境溫度信息，設(shè)置溫度范圍，溫度顯示和報(bào)警的作用，其選擇對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要。以文中設(shè)計(jì)為例，選擇了STC89C52單片機(jī)作為核心，這是一種低功耗、高性能微控制器[2]，其中含有8K存儲(chǔ)器，可于系統(tǒng)中編程Flash，可用于嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中，進(jìn)而靈活提供有效的解決方案。

1.3 DS18B20溫度測(cè)量元件模塊

此系統(tǒng)以智能溫度傳感器DS18B20為溫度測(cè)量元件，采用多個(gè)傳感器對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)溫度進(jìn)行上下限設(shè)置，超過(guò)溫度值就通過(guò)單片機(jī)連接的蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警預(yù)告，快速的完成了測(cè)溫工作。

DS18B20是數(shù)字化溫度傳感器，其特點(diǎn)在于可以在強(qiáng)烈的干擾條件下完成高精度的測(cè)量工作，且價(jià)格低廉，體積較小，布線(xiàn)簡(jiǎn)單，一線(xiàn)總線(xiàn)的方式使得僅僅利用一根數(shù)據(jù)線(xiàn)就可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。其測(cè)量溫度范圍較廣，在-55-+135℃之間，測(cè)量分辨率達(dá)到0.0625℃，可根據(jù)用戶(hù)的需求選擇9-12位的分辨率和報(bào)警溫度，哪怕出現(xiàn)掉電情況，相關(guān)的數(shù)據(jù)也會(huì)保留[3]。

1.4 LCD1602液晶顯示模塊

LCD1602液晶顯示模塊，就是點(diǎn)陣字符式液晶模塊，其中涵蓋了可顯示的字符點(diǎn)陣圖像庫(kù)，儲(chǔ)存了大量的字符、數(shù)字、字母、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等，據(jù)統(tǒng)計(jì)有192種，顯示時(shí)可達(dá)兩行，每行包括5*7的點(diǎn)陣字符16個(gè)。此液晶顯示模塊帶有背光光源，具有并行接口，因此在連接時(shí)可將其與單片機(jī)I/O口相連，連接時(shí)需按照安裝標(biāo)準(zhǔn)上次序進(jìn)行，引腳與單片機(jī)口相對(duì)應(yīng)，組裝正確后才可連接電源。

1.5 其他元器件和模塊

本研究設(shè)計(jì)中使用了i51實(shí)驗(yàn)板，i51實(shí)驗(yàn)板由外接5V電源、USB轉(zhuǎn)串口芯片、1602液晶接口、4位共陽(yáng)數(shù)碼管、紅外接收器、溫度感應(yīng)入口、3色LED、CH340等部件構(gòu)成。輸入模塊選用了4*4行列式按鍵，主要目的在于報(bào)警溫度范圍的設(shè)定，囊括了數(shù)字鍵、上下限和返回等功能設(shè)置。蜂鳴器報(bào)警模塊使用了三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，與單片機(jī)上的P2.3相連接，一旦溫度表現(xiàn)為限定值以外，就可進(jìn)行報(bào)警。升溫設(shè)備則以L(fǎng)ED燈進(jìn)行模擬，與單片機(jī)上的P2.5相連接，燈亮則意味著工作進(jìn)行。降溫設(shè)備則以L(fǎng)298驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，與單片機(jī)上的P2.4和P2.5相連接，進(jìn)行降溫。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)所有硬件部分準(zhǔn)備完成后，就可以打開(kāi)MedWin3.0單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，整個(gè)系統(tǒng)程序利用C51語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，程序的編寫(xiě)中也要分模塊進(jìn)行，核心部分是18B20溫度傳感器程序和測(cè)溫實(shí)驗(yàn)程序，前者主要進(jìn)行18B20單線(xiàn)溫度檢測(cè)的應(yīng)用樣例程序，后者主要進(jìn)行讀取溫度值數(shù)碼管顯示，所有模塊程序編寫(xiě)完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將各個(gè)小系統(tǒng)整合為一個(gè)整體系統(tǒng)。

編譯完成后進(jìn)入調(diào)試環(huán)節(jié)，調(diào)試中要注意環(huán)境、溫度和運(yùn)行條件等，調(diào)試環(huán)境在KeiluVision4軟件上實(shí)驗(yàn)。將源文件建立，新建一個(gè)工程，選擇89C52芯片，在軟件上運(yùn)行，編譯；調(diào)試溫度條件要求為室溫，約為20度左右；調(diào)試運(yùn)行條件要求管理系統(tǒng)靈活，可以引入keil uvision4軟件，開(kāi)發(fā)人員需要密切注意調(diào)試結(jié)果，可使用多臺(tái)監(jiān)視器，對(duì)整個(gè)工程有個(gè)全局的把握；整個(gè)操作步驟清晰明了，較為簡(jiǎn)單。

除此之外，調(diào)試工作結(jié)束后，需要對(duì)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行分析，一般分為程序調(diào)試分析和電路連接調(diào)試分析，前者指的是修改程序之后要對(duì)程序進(jìn)行編譯檢查，若編譯通過(guò)，則說(shuō)明沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤，繼續(xù)運(yùn)行，若編譯未通過(guò)，進(jìn)行程序檢查，尋找失誤處進(jìn)行修改；后者指的是查看液晶顯示是否正常，若出現(xiàn)不正常情況則旋轉(zhuǎn)旋鈕，檢查繼電器是否正常工作。當(dāng)所有部分調(diào)試正常，顯示無(wú)誤時(shí)，就表明整個(gè)基于單片機(jī)的測(cè)溫及溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

3.總結(jié)

總結(jié)全文，測(cè)溫及溫控系統(tǒng)的研究是非常具有價(jià)值的，而在其中加入單片機(jī)的運(yùn)用，提高其智能化，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。總結(jié)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第一，實(shí)驗(yàn)原理為用溫度傳感器采集溫度，然后通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字，并用液晶顯示器顯示，設(shè)置上下線(xiàn)溫度，溫度低于下線(xiàn)值關(guān)閉繼電器，達(dá)到上線(xiàn)值打開(kāi)繼電器；第二，1602表示一行顯示16個(gè)字符，一共可以顯示兩行；1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，包括阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母、日文假名等，不同字符具有不同代碼；第三，18B20是溫度傳感器；第四，keil uvision4軟件是用來(lái)對(duì)STC80C52單片機(jī)芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)，應(yīng)用。keil uvision4軟件用18b20部件進(jìn)行溫度的檢測(cè)，到最后讓1602顯示屏顯示環(huán)境測(cè)量的溫度結(jié)果。由實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)研究可發(fā)現(xiàn)單片機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，利用單片機(jī)可以生產(chǎn)一些家用電器的設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用到智能家居，人工智能方面，未來(lái)必將得到更為廣闊的應(yīng)用。

[1]白林峰,曲培新,左現(xiàn)剛主編．單片機(jī)開(kāi)發(fā)入門(mén)與典型設(shè)計(jì)實(shí)例[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社．

[2]李全利主編．單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]．北京:高等教育出版社．

[3]LCASO A N,MARQUES CARDOSO A J．Remedial Operating Strategies for A 12-Pulse LCI Drive System [J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(5):2133-2139．