摘要：基于現(xiàn)代社會(huì)智能發(fā)展迅速，智能溫度現(xiàn)在普遍廣泛在儀器儀表或家用電器中使用，特殊是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科技研發(fā)上運(yùn)用。智能溫度控制器比普通溫度控制器具有一定的優(yōu)勢(shì)，使用起來(lái)方便快捷，測(cè)溫精度和分辨率相比普通控制器較高。所以本文設(shè)計(jì)控制器的硬件采用單片機(jī)STC89C52作為核心元件，滿(mǎn)足了溫度控制器的硬件要求，具有體積小、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，使控制器的硬件更加有效的靈活使用。采用溫度傳感器AD590采集溫度數(shù)據(jù)當(dāng)做高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器，通過(guò)測(cè)量并轉(zhuǎn)變成微安級(jí)的電流信號(hào)，之后經(jīng)過(guò)電路硬件的設(shè)計(jì)改造實(shí)現(xiàn)了控制報(bào)警及加熱功能，達(dá)到不同的需求。整個(gè)控制器硬件的設(shè)計(jì)智能讀取環(huán)境溫度、連接簡(jiǎn)捷方便、使用安全。所以使用單片機(jī)控制電器的工作狀態(tài)，可以將溫度值穩(wěn)定在預(yù)設(shè)溫度，是一種具有實(shí)時(shí)顯示溫度并控溫的智能溫度控制器。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器;A/D轉(zhuǎn)換;運(yùn)算放大器;單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.5

引言：智能溫度控制器讓人們可以擁有一個(gè)舒適的生活環(huán)境，本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)STC89C52的溫度控制^[1]，它不僅實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)測(cè)和控制功能還有功耗低、準(zhǔn)確性高一些優(yōu)點(diǎn)，還可根據(jù)降溫與升溫設(shè)置報(bào)警溫度，很好的運(yùn)用到我們現(xiàn)實(shí)生活中^[2]。溫度控制在工業(yè)控制領(lǐng)域也具極其重要的作用，溫度通常也是比較常見(jiàn)的被控參數(shù)之一^[3]。文中運(yùn)用A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路、溫度傳感器AD590和使用單片機(jī)控制報(bào)警及加熱功能。AD590溫度傳感器使用運(yùn)算放大電路將溫度傳感器輸出的小信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)變成微安級(jí)的電流信號(hào)，它不容易接觸電阻、引線電阻、電壓噪音的干擾^[4]。溫度傳感器現(xiàn)在使用研究特別推廣比如參考文獻(xiàn)[5]中ARM的智能溫度控制器的設(shè)計(jì)與研究，對(duì)于不同產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境的需求和不同生產(chǎn)車(chē)間工作溫度的需求等，所需要的溫度高低范圍不同，控溫精度不同，數(shù)據(jù)采集的精度不同，需要針對(duì)性的選用測(cè)溫元件，測(cè)溫方法以及控制算法^[6]。

1智能溫度控制器設(shè)計(jì)

智能溫度控制器由控制執(zhí)行、溫度采集、顯示、鍵盤(pán)、主電路等幾種模塊構(gòu)成。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)律框圖：

1.1主電路中單片機(jī)的運(yùn)用

單片機(jī)型號(hào)品類(lèi)相對(duì)較多，每款型號(hào)都有較獨(dú)特的運(yùn)用情況，如果想要采用以往性?xún)r(jià)比最好的型號(hào)，就要多加對(duì)照，合理選擇。通常選取單片機(jī)需要從性能、串行接口、運(yùn)行速度、功耗、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器、模擬電路功能、工作電壓、I/O、口封裝形式、工作溫度范圍、抗干擾性、保密性，中斷源的數(shù)量和優(yōu)先級(jí)、有無(wú)上電復(fù)位功能、單片機(jī)內(nèi)有無(wú)時(shí)鐘振蕩器、有沒(méi)有低電壓檢測(cè)功能等考慮^[7]。結(jié)合上文要素本文選用單片機(jī)STC89C52作為重要元件，采用單片機(jī)生動(dòng)的編程設(shè)計(jì)和充足的I/O端口，控制單片機(jī)的精確性，完成單片機(jī)的解碼掌握編碼及編碼。

1.2溫度采集的重要作用

當(dāng)前檢測(cè)溫度的傳感器測(cè)量范圍、運(yùn)用地方等不完全相同，品類(lèi)較多。溫度檢測(cè)是溫控系統(tǒng)的重要部分，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量和控制精度直接受其影響。其精度高，同時(shí)可以經(jīng)受44V正向電壓和20V反向電壓，器件反接也不會(huì)輕易損壞，極大減少了因錯(cuò)接線而造成的經(jīng)濟(jì)損失。本文選用美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的AD590溫度傳感器^[8]，是一款可以將溫度量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髁康膫鞲衅?，非線性誤差在±0.3℃、測(cè)溫范圍為-55℃～+150℃。由于以上特點(diǎn)，AD590溫度傳感器常用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)的溫控環(huán)節(jié)上。通過(guò)運(yùn)算放大電路將溫度傳感器輸出的小信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0804）轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)，系統(tǒng)溫度信息可由溫度傳感器AD590測(cè)量并轉(zhuǎn)變成微安級(jí)的電流信號(hào)^[9]。

1.3顯示的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及溫度

文章中關(guān)于顯示模塊的設(shè)計(jì)要求為4位數(shù)據(jù)顯示，即前2位顯示設(shè)定溫度值，后2位顯示實(shí)測(cè)溫度值，故采用共陽(yáng)四位LED數(shù)碼管。上電時(shí)，數(shù)碼管即刻顯示當(dāng)前溫度，并實(shí)時(shí)進(jìn)行采樣。在單片機(jī)的外圍接上四位LED數(shù)碼管，用來(lái)顯示溫度和我們所需的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)^[10]。

1.4 鍵盤(pán)及控制執(zhí)行

鍵盤(pán)處理、加熱控制及報(bào)警處理與單片機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及控制。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用3個(gè)按鍵控制設(shè)定的溫度值，選用繼電器控制水泥電阻作為加熱控制，報(bào)警處理選用蜂鳴器和LED燈。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

ADC0804引腳接線，如圖2所示。ADC0804的片選端連接地，是為了使得程序中不用每次都片選該位，方便編寫(xiě)程序，同時(shí)節(jié)約I/O口。、分別接單片機(jī)的P30和P31引腳，數(shù)字輸出端DB₀～DB₇連接單片機(jī)P1口，P1口接收到8位數(shù)字量輸出即為0～255。放大器的輸出口接VIN+，地接VIN-，VIN+與放大器之間串聯(lián)的10kΩ電阻起到限流保護(hù)的作用，以防止過(guò)流而燒壞A/D芯片。CLKR、CLR和GND之間的電阻和電容組成RC振蕩電路，形成的脈沖用來(lái)給ADC0804提供工作方便，其脈沖的頻率為1/（1.1RC），按芯片工作手冊(cè)C₄取150pF，R₅取10KΩ。VREF/2端兩個(gè)電阻R₆、R₇選用1KΩ，串聯(lián)分壓得到VCC/2電壓即2.5V，將該電壓作為A/D芯片工作時(shí)內(nèi)部的參照電壓進(jìn)行運(yùn)用^[11]。為了達(dá)到精度高、穩(wěn)定性好的目的，一般這些芯片都是提供獨(dú)立的模擬地和數(shù)字地，即AGND和DGND接到GND。另本文讀取A/D數(shù)據(jù)未用中斷法而是采用查詢(xún)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而可不接引腳。

2.2 基準(zhǔn)電壓電路及溫度采集電路

基準(zhǔn)電壓電路及溫度采集電路^[12]，如圖3、圖4所示。根據(jù)TL431穩(wěn)壓的原理，其輸出的電壓為VREF（1+R26/R39）（VREF=2.5V），因傳感器AD590輸出電壓為基準(zhǔn)電壓加上實(shí)際溫度值，所以通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻的阻值使其輸出的電壓為2.73V，通過(guò)使用硬件方式使AD590輸出電壓與攝氏溫度值建立簡(jiǎn)易的線性關(guān)系，提高溫度采集精度。傳感器AD590隨溫度升高電流也隨之升高，其輸出電流是以絕對(duì)溫度（-273℃）為基準(zhǔn)，即0℃時(shí)輸出電流273uA。而A/D轉(zhuǎn)換的模擬量為電壓，所以要在其串聯(lián)一個(gè)10K的電阻，電路中使用10K的高精度滑動(dòng)變阻器R₄₀串聯(lián)1個(gè)1K的電阻R₂₉來(lái)使得電阻值精確為10K，電路中輸入電源為直流+12V，則AD590輸出的電壓值為（273+T）uA×10K=（2.73+T/100）V。當(dāng)T=25℃時(shí)，輸出電流為I=（273+25）uA=298uA，因（R₂₉+R₄₀）=10K，則輸出電壓為2.98V。

2.3 運(yùn)算放大電路

本文通過(guò)集成運(yùn)算放大電路處理溫度采集電路電壓信號(hào)^[13]，然后再輸入到A/D轉(zhuǎn)換電路。如圖5所示，集成運(yùn)算放大電路依次對(duì)信號(hào)進(jìn)行電壓跟隨、差動(dòng)放大、電壓比較、同相大處理。電源供電過(guò)程中有雜波，為避免雜波干擾選用TL431作為穩(wěn)壓元件，調(diào)節(jié)電位器使得輸出電壓U₁為2.73V，再利用電位器實(shí)行分壓處理。U₂為AD590溫度采集對(duì)應(yīng)的電壓值。電壓信號(hào)U₁和U₂輸入差動(dòng)放大器，則其輸出電壓U₃=U₂-U₁，因U₃信號(hào)較薄弱，則再對(duì)U₃進(jìn)行同相放大，放大倍數(shù)為6，最后輸出電壓值為Uo=6U₃=6（U₂-U₁）。舉例說(shuō)明：如果被測(cè)溫度為28℃時(shí)，則輸出電壓Uo=（0.28×6）=1.68V，再將輸出電壓Uo輸入到A/D轉(zhuǎn)換電路，那么A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字量與攝氏溫度模擬量就會(huì)形成線性比例關(guān)系。

2.4 四位數(shù)碼管顯示電路

本文使用四位一體數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示溫度值及設(shè)定值^[14]，如圖6所示。數(shù)碼管顯示的內(nèi)容，可以通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制數(shù)碼管的管腳a、b、c、d、e、f、g、dp的電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)碼管的顯示工作方式有兩種，一種是靜態(tài)顯示，另一種是動(dòng)態(tài)顯示：靜態(tài)顯示是指當(dāng)顯示某個(gè)字符時(shí)，數(shù)碼管內(nèi)部相應(yīng)的發(fā)光二極管處于恒定地導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)。動(dòng)態(tài)顯示是指輪流點(diǎn)亮各位顯示器，每一位顯示器每隔一段時(shí)間被點(diǎn)亮一次。本文采用的是動(dòng)態(tài)顯示方式，該電路中使用限流電阻與NPN型三極管控制位選來(lái)保護(hù)數(shù)碼管，防止數(shù)碼管出現(xiàn)過(guò)流損壞。

2.5 報(bào)警電路及加熱控制電路

本文實(shí)現(xiàn)控制報(bào)警及加熱功能是通過(guò)單片機(jī)的P20、P21、P22口，如圖7所示。加熱控制單元選用的繼電器額定電流范圍為5A～10A，額定直流電壓為+5V，允許通過(guò)的交流電壓范圍是120V～250V;水泥電阻是熱源，使用傳感器AD590進(jìn)行測(cè)量其溫度，通過(guò)控制繼電器的通斷，進(jìn)而來(lái)控制電源是否對(duì)水泥電阻進(jìn)行加熱^[15]。水泥電阻規(guī)格為47Ω/5W，兩端加上直流+12V的電壓，使其快速升溫到預(yù)設(shè)溫度值。由于，單片機(jī)輸出電流過(guò)小無(wú)法驅(qū)動(dòng)電路，所以采用三極管對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，再控制蜂鳴器和LED燈。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著控制技術(shù)與溫度測(cè)量的快速發(fā)展和使用廣泛，通過(guò)單片機(jī)為重要核心的控制系統(tǒng)與溫度采集的研究與使用有效提高了生產(chǎn)生活中對(duì)溫度的控制程度，這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能控制方法，具有很好的社會(huì)效益。因此本文設(shè)計(jì)的智能溫度控制電路主要使用了STC89C52單片機(jī)有抗干擾、功耗低、性能高的作用，還運(yùn)用了溫度傳感器AD590、數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC0804，集成運(yùn)放LM324和數(shù)碼管等元件深入分析智能控制器硬件。經(jīng)過(guò)實(shí)踐數(shù)據(jù)表明該硬件設(shè)計(jì)具有體積小、性?xún)r(jià)比高、對(duì)環(huán)境要求不高、易于推廣應(yīng)用、線路簡(jiǎn)單、分量較輕、安裝比較靈活、可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，而且還實(shí)現(xiàn)控制報(bào)警及加熱功能，確保能穩(wěn)定安全運(yùn)行，具有一定的推廣價(jià)值。該設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上可以進(jìn)行一些靈活改變，比如：液晶顯示，語(yǔ)音報(bào)警，科技研發(fā)軟件等，以達(dá)到不同需求，在工業(yè)研究和生活環(huán)境中使用更加便捷。

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作者簡(jiǎn)介：關(guān)樸芳（1979.1-），女，錫伯族，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生，副教授，研究方向：自動(dòng)化控制。