基于單片機的小型恒溫箱設計

陳菁+張小溪

摘 要： 在此介紹了基于80C51單片機的小型恒溫箱的溫度控制系統設計，系統具有溫度調節功能，用戶可通過外部操作設定溫度區間，若超出溫度的設置范圍就可以驅動相應的負載工作，同時報警告知。詳細闡述了硬件原理和軟件程序。溫度控制系統主要由中央控制器、溫度檢測器、顯示器等模塊組成。由溫度傳感器DS18B20采集外部溫度信號，傳送給單片機，由單片機對信號進行相應處理，把數據傳送給LED顯示，從而實現對溫度控制的目的。實物恒溫箱模型可以被作為小型車載冰箱、寵物箱恒溫系統、飲料的加熱或降溫器等多用途。

關鍵詞： 單片機STC89C5； 溫度控制； 恒溫箱； 溫度傳感器DS18B20

中圖分類號： TN70 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0101?04

Design of SCM?based temperature control system in small?size incubator

CHEN Jing， ZHANG Xiao?xi

（School of Science， Beijing Forestry University， Beijing 100083， China）

Abstract：The design of the temperature control system for small?size incubator based on single?chip microcomputer 80C51 is introduced in this paper， in which the hardware schematics and software program chart are offered. The temperature control system consists of a central controller， temperature detector， display and other modules. The hardware principle and software program are elaborated in this paper. The temperature sensor DS18B20 is adopted to collect outside temperature signal and send the signal to the microcontroller， which perform corresponding processing of the signal， and transmits the data to the LED display to achieve the purpose of temperature control. The constant temperature cabinet can be used as vehicle?mounted refrigerator， thermostat system of pet box， heating or cooling device for beverage.

Keywords： single?chip microcomputer STC89C5； temperature control； constant temperature cabinet； temperature sensor DS18B20

0 引 言

隨著單片機技術的日趨成熟，用單片機控制小型電器不僅可以給人的使用帶來方便，也可以使操作甚至加工更簡單。小型恒溫箱就是單片機應用很好的一個實例。由于科技水平和人們生活水平的提高，以及各領域對恒溫箱的使用需求的提高，比如實驗室中的恒溫環境需求的精度提高、醫用疫苗的嚴格恒溫保存甚至嬰兒使用的奶瓶恒溫器也需要比較精確的溫度控制等，人們對恒溫箱的的設計要求也越來越高，不僅希望它的內部控制電路比較簡化，降低成本，還要能從外部進行溫度的設置以滿足不同用戶的使用需求。這里以適合家庭用的小型的恒溫箱為例，給出了它的設計思路和方案，并且做了仿真模擬和實物制作，實驗證明，該設計運行良好，而且它兼具了攜帶方便、控制準確、操作簡單、溫度顯示清晰等特點。設計采用了數字溫度傳感器DS18B20，因其A/D轉換器在內部集成，使得電路板上的電路布線結構簡單，從而減少了溫度測量轉換時的精度損失，使測量溫度更加精確。由于單片機功能強大，并且其具有控制簡單、程序載入靈活等特點，因此本設計硬件電路以80C51單片機為核心來實現溫度控制；選擇51 單片機作為小型溫度采集系統，與傳統設計相比，具有成本低、使用方便、相對測量精度高等優點，潛在的實際應用價值較高[1]。另外通過按鍵操作以及動態顯示的方式，可以更容易的控制固態繼電器。溫度控制元件主要通過采用繼電器，繼電器可以直接驅動2 500 W功率的負載，并且可以應用在家庭、小型工廠等中的小電量用電設備，還可以用繼電器來控制交流接觸器線圈等，即可以實現對大功率負載的控制，實際的應用范圍非常廣泛。

1 電路功能模塊介紹

系統的整體電路圖如圖1～圖5所示，由時鐘電路、復位電路、顯示電路、加熱和降溫電源的控制電路和鍵盤電路組成。下面具體闡述各種電路的功能實現過程：

1.1 時鐘電路

眾所周知，只有在時鐘的驅動下單片機才能進行工作，其單片機內部具有時鐘振蕩電路，當連接振蕩器就可為各部分提供時鐘信號。時鐘信號通常是內部振蕩方式和外部震蕩方式這2種電路形式。本設計中采用內部震蕩方式，這樣振蕩器自激振蕩產生矩形時鐘脈沖序列時只需引腳XTAL1和XTAL2上外接定時反饋電路即可。定時反饋電路中石英晶振是很重要的一個重要指標，時鐘頻率越高，單片機控制器的節拍就會越快，運算速度相應的也就快了。為了得到沒有誤差的波特率，石英晶振的頻率會將12 MHz設為典型值。而電容C1，C2的加入會令其快速起振及穩定振蕩頻率。電容的大小將會影響振蕩器的穩定性、頻率的高低、起震得速度以及溫度的穩定。根據對應的時鐘頻率，所以本設計中選用30 pF這一典型值。

在電路的設計上面，為了減少寄生電容以及使振蕩器穩定、可靠的工作，選用的陶瓷振蕩器盡可能接近單片機芯片，如圖1所示。

圖1 時鐘電路圖

1.2 復位電路

復位電路的存在可以保證控制系統的穩定工作，它不僅可以有效地保證程序從開始執行，當由于操作錯誤或者程序運行出錯而引起的系統死機時，復位便可以讓它重新開始。單片機的復位需要通過外部電路來實現，在震蕩器運行的時候，RST引腳還需要保持兩個周期及以上的持續高電平可以使其復位，每個周期執行一次，直到RST變為低電平。本設計采用按鍵手動復位，即通過電阻接高電平，如圖2所示。

1.3 顯示電路

考慮到實用性和可操作性，本設計使用LED顯示屏作為輸出器件。它由很多個發光二極管組成，當二極管導通時，相應的筆畫會發光。本設計的采集溫度并顯示這一功能采用了共陽極LED數碼管。數碼管的數據位使用的是單片機的P0口，它的作用是顯示溫度值，也就是控制數碼管a到dp端口。P2.4～P2.7這4個接口用于數碼管片選位，用途是控制數碼管的公共極。三極管的作用是增加LED的亮度，從而使顯示的更為清晰便于觀察。顯示過程是：單片機的中央控制器向字段輸出P0口送出字形碼，所有的顯示器都接到了送出的這個字碼DPY端（由單片機P2.4～P2.7這4個接口控制）決定哪個顯示器亮，即顯示接收到的字碼，如圖3所示。

圖2 復位電路圖

圖3 顯示電路

1.4 加熱和降溫電源的控制電路

通常制冷有風冷、水冷、壓縮機制冷、半導體制冷等幾種方式[2]?？刂齐娐肥峭ㄟ^對加熱模塊與降溫模塊的通斷控制從而達到溫度在設置的范圍內?？刂齐娐分欣^電器的選擇是決定電路穩定性以及靈敏度的重要部分。當輸入量達到一定值的時候，繼電器的輸出量可以自動發生跳躍式變化，常被用作自動控制器件。它不光體積小、功工作狀態穩定、使用壽命長，而且靈敏度還很高，即可以迅速控制電路的開合，起到保護電路、控制電路等作用。本設計中采用固態繼電器（SSR），它可以有效地抵抗電磁干擾，不僅如此，它的切換速度十分快速，甚至有些可以達到幾微秒。除此之外，它對輸入電壓低的范圍要求不高，驅動功率小，與大部分的邏輯集成電路兼容，從而省略了加驅動器或者緩沖器之類的器件的麻煩，如圖4所示。

1.5 鍵盤電路

基于AT89S51的遙控技術能實時變換電源通道與斷開功能，使其成為智能可調的開關，便于日常生活及實驗中使用。鍵盤可以通過人類手動輸入數據傳遞給單片機，從而實現簡單的人機對話[3]。因為只有四個按鈕，本設計中采用的是獨立鏈接式鍵盤，即每個按鍵獨立的接入一根數據線。在電路連通的情況下，所有的數據輸入線都接高電平，而每一次按鍵按下的時候，相連接的數據輸入線就要轉為低電平，位處理指令可以判斷有沒有按鍵被按下，如圖5所示。

圖4 加熱和降溫電源的控制電路

圖5 鍵盤電路圖

2 軟件程序流程圖

由于STC89C51單片機具有ISP功能，可實現在線編程，通過上位機軟件直接與PC機連接就可完成程序的下載燒錄，無需反復插拔單片機，無需昂貴的專用編程器，甚至不需要仿真器，用戶可直接查看結果，達到調試目的[4?5]。軟件設計采用模塊化設計，由主程序模塊、數據轉換與控制子程序模塊組成。

2.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖6所示。

2.2 數據轉換與控制子程序模塊流程圖

數據轉換與控制子程序流程圖如圖7所示。

3 仿真實現及實物運行結果分析

完成了硬件電路設計與程序的編寫與開發后需要進行調試。為了避免應用程序運行中軟件、硬件上的錯誤，需要借助單片機的仿真開發工具Protel DXP進行調試，從中發現錯誤并加以改正【6?8】。經驗證仿真效果運行良好，如圖8，圖9所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 數據轉換與控制子程序流程圖

圖8 仿真圖

根據設計思想，制作出了實物，使用時接通電源，顯示屏就會顯示出當前箱內的溫度，通過設置按鈕，選擇調節溫度的上限（H）與下限（L）。當顯示屏前有H標志時就可以開始設定上限溫度，分別通過上升和下降兩個按鈕控制。當設定溫度區間完成后，恒溫箱內溫度就會保持在這個區間。當溫度高于上限或者低于下限時，蜂鳴器會進行報警。當溫度低于下限時，會通過繼電器啟動加熱片進行加熱。而當當前溫度高于上限時，會通過繼電器控制風扇進行降溫。

圖9 實物電路板圖

4 結 語

本文分別從硬件和軟件兩方面對基于51單片機的小型恒溫箱的溫度控制系統的設計進行了闡述。溫度控制系統主要由中央控制器、溫度檢測器、顯示器等模塊組成。以單片機為核心，溫度檢測部分采用DS18B20溫度傳感器，顯示器部分選用LED數碼管。軟件部分采用C語言實現人機對話。使用Protel DXP繪制原理圖并進行仿真，并做出了設計的實物，經實驗證明此系統可以測量20～99 ℃ 的溫度，且精度誤差小于 0.5 ℃ 。用戶可以通過鍵盤設置溫度，也可以通過數碼管顯示讀取當前溫度值以及設定的溫度值，并且當溫度超過設置溫度的上下限時，本設計可以自動判斷，進行相應的加熱與制冷功能。而且它需要具有攜帶方便、控制準確、操作簡單、溫度顯示清晰等特點，可以被作為小型車載冰箱、寵物箱恒溫系統、飲料的加熱或降溫器或家用藥品恒溫箱等多用途。

參考文獻

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[2] 王銀玲.基于單片機的恒溫箱控制系統設計[J].農機化研究，2009（9）：103?105.

[3] 陳成義.基于AT89S51單片機的成空電源開關設計[J].電子科技，2014（5）：2?4.

[4] 陳志紅.基于51單片機溫度采集系統的設計與實現[D].鄭州：鄭州鐵路職業技術學院，2011.

[5] 潘林法.小型高精度半導體制冷恒溫控制器研究[D].湖州：湖州師范學院，2010.

[6] 張毅剛，彭喜元，彭宇.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2010.

[7] 汪銘東，梅廣輝.基于單片機與DS18B20的機柜溫度控制器設計[J].現代電子技術，2014，37（12）：8?10.

[8] 朱申.基于雙模糊控制的溫度控制系統研究[J].現代電子技術，2011，34（11）：202?204.

在電路的設計上面，為了減少寄生電容以及使振蕩器穩定、可靠的工作，選用的陶瓷振蕩器盡可能接近單片機芯片，如圖1所示。

圖1 時鐘電路圖

1.2 復位電路

復位電路的存在可以保證控制系統的穩定工作，它不僅可以有效地保證程序從開始執行，當由于操作錯誤或者程序運行出錯而引起的系統死機時，復位便可以讓它重新開始。單片機的復位需要通過外部電路來實現，在震蕩器運行的時候，RST引腳還需要保持兩個周期及以上的持續高電平可以使其復位，每個周期執行一次，直到RST變為低電平。本設計采用按鍵手動復位，即通過電阻接高電平，如圖2所示。

1.3 顯示電路

考慮到實用性和可操作性，本設計使用LED顯示屏作為輸出器件。它由很多個發光二極管組成，當二極管導通時，相應的筆畫會發光。本設計的采集溫度并顯示這一功能采用了共陽極LED數碼管。數碼管的數據位使用的是單片機的P0口，它的作用是顯示溫度值，也就是控制數碼管a到dp端口。P2.4～P2.7這4個接口用于數碼管片選位，用途是控制數碼管的公共極。三極管的作用是增加LED的亮度，從而使顯示的更為清晰便于觀察。顯示過程是：單片機的中央控制器向字段輸出P0口送出字形碼，所有的顯示器都接到了送出的這個字碼DPY端（由單片機P2.4～P2.7這4個接口控制）決定哪個顯示器亮，即顯示接收到的字碼，如圖3所示。

圖2 復位電路圖

圖3 顯示電路

1.4 加熱和降溫電源的控制電路

通常制冷有風冷、水冷、壓縮機制冷、半導體制冷等幾種方式[2]?？刂齐娐肥峭ㄟ^對加熱模塊與降溫模塊的通斷控制從而達到溫度在設置的范圍內。控制電路中繼電器的選擇是決定電路穩定性以及靈敏度的重要部分。當輸入量達到一定值的時候，繼電器的輸出量可以自動發生跳躍式變化，常被用作自動控制器件。它不光體積小、功工作狀態穩定、使用壽命長，而且靈敏度還很高，即可以迅速控制電路的開合，起到保護電路、控制電路等作用。本設計中采用固態繼電器（SSR），它可以有效地抵抗電磁干擾，不僅如此，它的切換速度十分快速，甚至有些可以達到幾微秒。除此之外，它對輸入電壓低的范圍要求不高，驅動功率小，與大部分的邏輯集成電路兼容，從而省略了加驅動器或者緩沖器之類的器件的麻煩，如圖4所示。

1.5 鍵盤電路

基于AT89S51的遙控技術能實時變換電源通道與斷開功能，使其成為智能可調的開關，便于日常生活及實驗中使用。鍵盤可以通過人類手動輸入數據傳遞給單片機，從而實現簡單的人機對話[3]。因為只有四個按鈕，本設計中采用的是獨立鏈接式鍵盤，即每個按鍵獨立的接入一根數據線。在電路連通的情況下，所有的數據輸入線都接高電平，而每一次按鍵按下的時候，相連接的數據輸入線就要轉為低電平，位處理指令可以判斷有沒有按鍵被按下，如圖5所示。

圖4 加熱和降溫電源的控制電路

圖5 鍵盤電路圖

2 軟件程序流程圖

由于STC89C51單片機具有ISP功能，可實現在線編程，通過上位機軟件直接與PC機連接就可完成程序的下載燒錄，無需反復插拔單片機，無需昂貴的專用編程器，甚至不需要仿真器，用戶可直接查看結果，達到調試目的[4?5]。軟件設計采用模塊化設計，由主程序模塊、數據轉換與控制子程序模塊組成。

2.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖6所示。

2.2 數據轉換與控制子程序模塊流程圖

數據轉換與控制子程序流程圖如圖7所示。

3 仿真實現及實物運行結果分析

完成了硬件電路設計與程序的編寫與開發后需要進行調試。為了避免應用程序運行中軟件、硬件上的錯誤，需要借助單片機的仿真開發工具Protel DXP進行調試，從中發現錯誤并加以改正【6?8】。經驗證仿真效果運行良好，如圖8，圖9所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 數據轉換與控制子程序流程圖

圖8 仿真圖

根據設計思想，制作出了實物，使用時接通電源，顯示屏就會顯示出當前箱內的溫度，通過設置按鈕，選擇調節溫度的上限（H）與下限（L）。當顯示屏前有H標志時就可以開始設定上限溫度，分別通過上升和下降兩個按鈕控制。當設定溫度區間完成后，恒溫箱內溫度就會保持在這個區間。當溫度高于上限或者低于下限時，蜂鳴器會進行報警。當溫度低于下限時，會通過繼電器啟動加熱片進行加熱。而當當前溫度高于上限時，會通過繼電器控制風扇進行降溫。

圖9 實物電路板圖

4 結 語

本文分別從硬件和軟件兩方面對基于51單片機的小型恒溫箱的溫度控制系統的設計進行了闡述。溫度控制系統主要由中央控制器、溫度檢測器、顯示器等模塊組成。以單片機為核心，溫度檢測部分采用DS18B20溫度傳感器，顯示器部分選用LED數碼管。軟件部分采用C語言實現人機對話。使用Protel DXP繪制原理圖并進行仿真，并做出了設計的實物，經實驗證明此系統可以測量20～99 ℃ 的溫度，且精度誤差小于 0.5 ℃ 。用戶可以通過鍵盤設置溫度，也可以通過數碼管顯示讀取當前溫度值以及設定的溫度值，并且當溫度超過設置溫度的上下限時，本設計可以自動判斷，進行相應的加熱與制冷功能。而且它需要具有攜帶方便、控制準確、操作簡單、溫度顯示清晰等特點，可以被作為小型車載冰箱、寵物箱恒溫系統、飲料的加熱或降溫器或家用藥品恒溫箱等多用途。

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在電路的設計上面，為了減少寄生電容以及使振蕩器穩定、可靠的工作，選用的陶瓷振蕩器盡可能接近單片機芯片，如圖1所示。

圖1 時鐘電路圖

1.2 復位電路

復位電路的存在可以保證控制系統的穩定工作，它不僅可以有效地保證程序從開始執行，當由于操作錯誤或者程序運行出錯而引起的系統死機時，復位便可以讓它重新開始。單片機的復位需要通過外部電路來實現，在震蕩器運行的時候，RST引腳還需要保持兩個周期及以上的持續高電平可以使其復位，每個周期執行一次，直到RST變為低電平。本設計采用按鍵手動復位，即通過電阻接高電平，如圖2所示。

1.3 顯示電路

考慮到實用性和可操作性，本設計使用LED顯示屏作為輸出器件。它由很多個發光二極管組成，當二極管導通時，相應的筆畫會發光。本設計的采集溫度并顯示這一功能采用了共陽極LED數碼管。數碼管的數據位使用的是單片機的P0口，它的作用是顯示溫度值，也就是控制數碼管a到dp端口。P2.4～P2.7這4個接口用于數碼管片選位，用途是控制數碼管的公共極。三極管的作用是增加LED的亮度，從而使顯示的更為清晰便于觀察。顯示過程是：單片機的中央控制器向字段輸出P0口送出字形碼，所有的顯示器都接到了送出的這個字碼DPY端（由單片機P2.4～P2.7這4個接口控制）決定哪個顯示器亮，即顯示接收到的字碼，如圖3所示。

圖2 復位電路圖

圖3 顯示電路

1.4 加熱和降溫電源的控制電路

通常制冷有風冷、水冷、壓縮機制冷、半導體制冷等幾種方式[2]?？刂齐娐肥峭ㄟ^對加熱模塊與降溫模塊的通斷控制從而達到溫度在設置的范圍內。控制電路中繼電器的選擇是決定電路穩定性以及靈敏度的重要部分。當輸入量達到一定值的時候，繼電器的輸出量可以自動發生跳躍式變化，常被用作自動控制器件。它不光體積小、功工作狀態穩定、使用壽命長，而且靈敏度還很高，即可以迅速控制電路的開合，起到保護電路、控制電路等作用。本設計中采用固態繼電器（SSR），它可以有效地抵抗電磁干擾，不僅如此，它的切換速度十分快速，甚至有些可以達到幾微秒。除此之外，它對輸入電壓低的范圍要求不高，驅動功率小，與大部分的邏輯集成電路兼容，從而省略了加驅動器或者緩沖器之類的器件的麻煩，如圖4所示。

1.5 鍵盤電路

基于AT89S51的遙控技術能實時變換電源通道與斷開功能，使其成為智能可調的開關，便于日常生活及實驗中使用。鍵盤可以通過人類手動輸入數據傳遞給單片機，從而實現簡單的人機對話[3]。因為只有四個按鈕，本設計中采用的是獨立鏈接式鍵盤，即每個按鍵獨立的接入一根數據線。在電路連通的情況下，所有的數據輸入線都接高電平，而每一次按鍵按下的時候，相連接的數據輸入線就要轉為低電平，位處理指令可以判斷有沒有按鍵被按下，如圖5所示。

圖4 加熱和降溫電源的控制電路

圖5 鍵盤電路圖

2 軟件程序流程圖

由于STC89C51單片機具有ISP功能，可實現在線編程，通過上位機軟件直接與PC機連接就可完成程序的下載燒錄，無需反復插拔單片機，無需昂貴的專用編程器，甚至不需要仿真器，用戶可直接查看結果，達到調試目的[4?5]。軟件設計采用模塊化設計，由主程序模塊、數據轉換與控制子程序模塊組成。

2.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖6所示。

2.2 數據轉換與控制子程序模塊流程圖

數據轉換與控制子程序流程圖如圖7所示。

3 仿真實現及實物運行結果分析

完成了硬件電路設計與程序的編寫與開發后需要進行調試。為了避免應用程序運行中軟件、硬件上的錯誤，需要借助單片機的仿真開發工具Protel DXP進行調試，從中發現錯誤并加以改正【6?8】。經驗證仿真效果運行良好，如圖8，圖9所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 數據轉換與控制子程序流程圖

圖8 仿真圖

根據設計思想，制作出了實物，使用時接通電源，顯示屏就會顯示出當前箱內的溫度，通過設置按鈕，選擇調節溫度的上限（H）與下限（L）。當顯示屏前有H標志時就可以開始設定上限溫度，分別通過上升和下降兩個按鈕控制。當設定溫度區間完成后，恒溫箱內溫度就會保持在這個區間。當溫度高于上限或者低于下限時，蜂鳴器會進行報警。當溫度低于下限時，會通過繼電器啟動加熱片進行加熱。而當當前溫度高于上限時，會通過繼電器控制風扇進行降溫。

圖9 實物電路板圖

4 結 語

本文分別從硬件和軟件兩方面對基于51單片機的小型恒溫箱的溫度控制系統的設計進行了闡述。溫度控制系統主要由中央控制器、溫度檢測器、顯示器等模塊組成。以單片機為核心，溫度檢測部分采用DS18B20溫度傳感器，顯示器部分選用LED數碼管。軟件部分采用C語言實現人機對話。使用Protel DXP繪制原理圖并進行仿真，并做出了設計的實物，經實驗證明此系統可以測量20～99 ℃ 的溫度，且精度誤差小于 0.5 ℃ 。用戶可以通過鍵盤設置溫度，也可以通過數碼管顯示讀取當前溫度值以及設定的溫度值，并且當溫度超過設置溫度的上下限時，本設計可以自動判斷，進行相應的加熱與制冷功能。而且它需要具有攜帶方便、控制準確、操作簡單、溫度顯示清晰等特點，可以被作為小型車載冰箱、寵物箱恒溫系統、飲料的加熱或降溫器或家用藥品恒溫箱等多用途。

參考文獻

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[8] 朱申.基于雙模糊控制的溫度控制系統研究[J].現代電子技術，2011，34（11）：202?204.