基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

王梅紅

(河南省城鄉(xiāng)建筑設(shè)計(jì)院有限公司鶴壁分公司，鶴壁 458030)

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中相當(dāng)重要的參數(shù)之一，溫度檢測(cè)和控制的準(zhǔn)確性直接影響生產(chǎn)狀況和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)溫度測(cè)量及控制的精度都有著很高的要求。如在化工行業(yè)的聯(lián)合制堿生產(chǎn)工藝中，就要求外冷器溶液出口和入口的溫差在一固定值，低于或高于這個(gè)溫差值都會(huì)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。采用單片機(jī)為核心控制的溫度控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理速度快，穩(wěn)定性高，廣泛應(yīng)用于需要進(jìn)行溫度控制的領(lǐng)域。

本文采用AT89C51單片機(jī)作為處理器，每間隔50 ms就對(duì)溫度進(jìn)行一次采集輸入和處理，能及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)到溫度的變化。溫度顯示器沒(méi)有采用普通的八位數(shù)碼顯示管，而是采用了液晶顯示器，能夠更加清楚的顯示溫度值，比八段數(shù)碼管的顯示更加人性化。并且該系統(tǒng)的聲光報(bào)警系統(tǒng)針可針對(duì)不同的實(shí)況，做出不同的報(bào)警處理，這樣可以使工作人員及時(shí)準(zhǔn)確地判斷溫度的高低，并對(duì)其做出住明確的反應(yīng)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本文溫度控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，液晶顯示模塊，聲光報(bào)警模塊四個(gè)部分。

1.1 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)控制方案簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量也不大，因此選用AT89C51作為控制系統(tǒng)的核心。片內(nèi)帶程序存儲(chǔ)器的AT89C51本身是不能單獨(dú)工作的，要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，同時(shí)EA接高電平，ALE和PSEN信號(hào)不接，系統(tǒng)就可工作，如圖1所示。時(shí)鐘電路采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，片內(nèi)的增益反向放大器通過(guò)XTAL1、XTAL2外接作為反饋元件的片外晶體振蕩器與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供震蕩時(shí)鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的震蕩頻率，一般晶體可在1.2～12 MHz之間任選，電容C1、C2可在5～30 pF之間任選，電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小的影響，可起頻率微調(diào)作用。通過(guò)某種方式，使單片機(jī)內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復(fù)位操作，本設(shè)計(jì)采用外部手動(dòng)復(fù)位的方法，在系統(tǒng)工作異常或死機(jī)時(shí)，可以手動(dòng)按下復(fù)位按鈕即可使單片機(jī)復(fù)位。AT89C51單片機(jī)的RST引腳為復(fù)位引腳;當(dāng)振蕩器工作時(shí)，只要RST引腳出現(xiàn)10ms以上的高電平時(shí)將使單片機(jī)復(fù)位。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源;且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。因?yàn)門LC2543價(jià)格適中并且分辨率高，在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用，所以采用TLC2543作為模數(shù)轉(zhuǎn)化器。設(shè)計(jì)中只有一路模擬量的輸入，因而僅選用AIN0一路輸入通道。

1.3 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代自動(dòng)化儀表和智能儀器中，常用的小型顯示輸出設(shè)備有數(shù)碼管(LED)和液晶顯示器(LCD)等。其中LED只能顯示數(shù)字和特定字符而無(wú)法顯示漢字和圖形，而LCD則可靈活顯示漢字、數(shù)字及圖形，能實(shí)現(xiàn)中文菜單顯示，便于用戶使用，交互能力強(qiáng)，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，其成本也不斷降低。因此，在大量中、高檔儀器儀表中已經(jīng)廣泛使用了 LCD作為其顯示輸出設(shè)備，是否有LCD顯示輸出儼然已成為衡量中、高檔儀器儀表的重要指標(biāo)。由于實(shí)現(xiàn)LCD顯示及其附加功能的單片機(jī)程序較復(fù)雜，用傳統(tǒng)的匯編語(yǔ)言編寫的程序可讀性差且不易修改，而用C51編寫的程序采用模塊化設(shè)計(jì)、可讀性強(qiáng)、便于修改，完全能夠達(dá)到絕大多數(shù)應(yīng)用的要求。

1.4 聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

光報(bào)警采用2個(gè)普通LED燈作為報(bào)警器件，普通LED管的驅(qū)動(dòng)電流大約10 mA，單片機(jī)的I/O口可以直接驅(qū)動(dòng)。LED具有低功耗，長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，比較適合作為光報(bào)警器件。如果要求更大功率的光報(bào)警，可以設(shè)計(jì)單片機(jī)控制繼電器完成對(duì)白熾燈的控制。聲報(bào)警用普通NPN型三級(jí)管9013驅(qū)動(dòng)直流蜂鳴器發(fā)聲完成，電路構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作可靠，已經(jīng)在很多實(shí)際電路中應(yīng)用。三極管的最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)500 mA，聲音洪亮，報(bào)警可靠。

1.5 系統(tǒng)電路圖

經(jīng)以上分析，則整個(gè)系統(tǒng)的原理圖、電路圖如圖1和圖2所示。

圖1 硬件原理

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)，液晶顯示器顯示，待測(cè)溫度信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后加到單片機(jī)的P3.0端，輸入信號(hào)的溫度值直接顯示在液晶顯示屏上。本系統(tǒng)軟件部分主要有主要主程序模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、延時(shí)模塊組成。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及液晶顯示模塊的程序采用芯片廠家提供的驅(qū)動(dòng)顯示程序，在這里主要介紹主程序模塊和延時(shí)程序模塊。

圖2 系統(tǒng)電路

2.1 主程序模塊

溫度信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后加到AT89C51單片機(jī)的P3.0口，然后單片機(jī)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，即將此數(shù)字量與規(guī)定的溫度范圍(30～60℃)進(jìn)行比較，當(dāng)溫度低于30℃時(shí)，發(fā)出長(zhǎng)嘀報(bào)警聲和光報(bào)警，當(dāng)溫度高于60℃時(shí)，發(fā)出短嘀報(bào)警聲和光報(bào)警。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延時(shí)，則將下一組采樣的信號(hào)送入單片機(jī)，繼續(xù)進(jìn)行比較判斷，實(shí)時(shí)的進(jìn)行溫度的檢測(cè)與控制。主程序模塊的流程圖如圖3所示。

2.2 延時(shí)模塊

設(shè)計(jì)用到了AT89C51單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器T0，通過(guò)設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0工作方式，來(lái)完成對(duì)采集到的溫度信號(hào)的輸入。

由于定時(shí)器的功能是由軟件編程確定的，所以一般在使用定時(shí)器前都要對(duì)其進(jìn)行初始化，使其按設(shè)定的功能工作。初始化的步驟一般如下:

1)確定工作方式(即對(duì)TMOD賦值);

2)預(yù)置定時(shí)或計(jì)數(shù)的初值(可直接將初值寫入TH0、TL0或TH1、TL1);

3)根據(jù)需要開放定時(shí)器器的中斷(直接對(duì)IE位賦值);

4)啟動(dòng)定時(shí)器器(若已規(guī)定用軟件啟動(dòng)，則可把TR0或TR1置“1”;若已規(guī)定由外中斷引腳電平啟動(dòng)，則需給外引腳步加啟動(dòng)電平。當(dāng)實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)要求后，定時(shí)器即按規(guī)定的工作方式和初值開始計(jì)數(shù)或定時(shí))。

圖3 主程序流程

3 程序調(diào)試編譯裝載及仿真

3.1 編譯程序

這里用到的是keil軟件。步驟:先新建一個(gè)項(xiàng)目，選擇的單片機(jī)型號(hào)與自己所用的型號(hào)要一致，然后把自己的程序保存在文件里，再把程序添加上去。而后開始編譯程序，在編譯菜單中選擇文件編譯，直至無(wú)錯(cuò)誤為止。最后在輸出一欄中生成hex文件，因?yàn)閱纹瑱C(jī)不識(shí)別這種語(yǔ)言。最后把hex文件燒錄到AT89c51芯片。

3.2 Proteus仿真

Proteus是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具，它可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外圍電路(如LCD，RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分 IIC 器件……)。

Proteus與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī)CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒(méi)有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時(shí)，關(guān)心的不再是某些語(yǔ)句執(zhí)行時(shí)單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過(guò)程和結(jié)果。對(duì)于這樣的仿真實(shí)驗(yàn)，從某種意義上講，是彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。

而且Protues軟件還有一個(gè)特點(diǎn)，那就是它能與Keil uVision軟件的結(jié)合，這樣就對(duì)程序的調(diào)試及修改帶來(lái)了方便。如果你將它們結(jié)合在了一起，那么只需在Keil uVision軟件中改程序，則在Protues軟件中就直接可以仿真所修改后的程序。因?yàn)闇孛綦娮璧淖柚翟诜抡鏁r(shí)不能隨意改變，達(dá)不到仿真的效果，所以在仿真時(shí)采用滑動(dòng)變阻器替代，從而可以模擬實(shí)際過(guò)程中的不同溫度值。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度的改變，溫度傳感器將檢測(cè)到的溫度送入模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量隨即被送入單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)溫度達(dá)不到要求時(shí)將會(huì)繼續(xù)報(bào)警。溫度控制系統(tǒng)是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、科研生產(chǎn)領(lǐng)域等不可缺少的測(cè)量?jī)x器。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精確度高，顯示直觀，會(huì)被經(jīng)常使用到。本文通過(guò)硬件軟件的設(shè)計(jì)，并用Protues軟件仿真，在溫度低于30℃時(shí)，發(fā)出長(zhǎng)嘀報(bào)警聲和光報(bào)警，溫度高于60℃時(shí)，發(fā)出短嘀報(bào)警聲和光報(bào)警，達(dá)到了預(yù)期目的。

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(責(zé)任編輯周江川)