基于PIC單片機的溫度控制系統設計

□ 孫 昭 □ 王彤宇

長春理工大學 機電工程學院 長春 130022

在工業生產過程中，對工作環境溫度的檢測和控制十分重要，例如石油加工工業中，工作環境非常惡劣，智能溫控系統能夠對工作環境的溫度進行遠程實時檢測。筆者研究開發了環保清潔車智能溫度監控設備，該設備執行對鐵軌路面進行清潔后的噴油；當加熱器把油料溫度加熱到50℃時，啟動噴油開關，對鐵軌進行噴油操作，同時加熱器進入保溫工作狀態，LCD液晶屏將顯示實際測得的溫度。本項目設計的主要目的為：一是溫度準確采集，二是溫度實時顯示。

1 系統的總體設計

系統的總體設計原理如圖1所示。

▲圖1 系統原理框圖

圖1 中DS18B20作為溫度采集器件，它將采集到的溫度模擬信號直接轉換為數字信號，PIC單片機讀取其轉化后的數字量發送到LCD1602的數字寄存器，并通過LCD1602將溫度數值顯示，當溫度低于50℃時，加熱器處于加熱工作狀態。當溫度到達50℃時，由單片機發送信號給繼電器，控制加熱器進入保溫工作狀態，鍵盤電路提供給PIC單片機控制信息，進而用來調整LCD1602的數值顯示。

2 硬件設計

2.1 單片機最小系統

單片機的最小系統指的是單片機工作的最小電路結構，包括電源電路+5V接VCC；時鐘電路，晶振選擇16MHz；復位電路，采用的是按鍵復位、低電平有效的方式。最小系統電路原理如圖2所示。

▲圖2 單片機最小系統

2.2 溫度傳感器接口電路設計

溫度傳感器采用DALLAS公司生產的一線式溫度傳感器，其溫度測量范圍為-55～+125℃，可進行9～12bit A/D轉換，測溫分辨率為0.0625℃，被測溫度以符號擴展的16位數字量的方式串行輸出。DS18B20的測溫原理如圖3所示。

▲圖3 DS18B20內部測溫電路原理框圖

電路的核心采用了一個低溫度系數振蕩器和一個高溫度系數振蕩器。低溫度系數振蕩器對應的是減法計數器1，它給減法計數器提供準確的輸出脈沖，利用低溫度系數振蕩器的振蕩頻率受溫度變化影響小的特點，在加熱過程中，其對溫度變化不敏感，所以輸出的脈沖穩定，提高了減法計數器對脈沖計數的準確性，使得到的測溫數據更加精確。高溫度系數振蕩器對應的是減法計數器2，主要決定脈沖的計數時間，由于高溫度系數振蕩器對溫度的變化很敏感，當溫度達到設定值時會立即向減法計數器2發出脈沖，使脈沖計數過程立即停止，由于高溫度系數振蕩器反應靈敏，使脈沖計數時間更加準確，提高了對溫度的精確控制。

在油料測量溫度開始時，將-55℃對應的基數預置于減法計數器和溫度寄存器中，低溫度系數振蕩器向減法計數器1發出穩定的脈沖，減法計數器開始對脈沖計數，當-55℃對應的基數減少到0時，此時溫度寄存器相應地增加1，然后重新將新的預置值放入減法計數器中，當基數再次減為0時，溫度寄存器再度增加1，以此構成循環，不斷地對溫度進行加熱、測量，溫度寄存器的溫度計數不斷地增加，直至到設定的溫度時，由高溫度系數振蕩器檢測到該溫度后，立即向減法計數器2發出脈沖，減法計數器的預置值減為0，溫度寄存器得到信號后，不再增加，發出信號給相應的系統，設備不再加熱，經過斜率累加器的不斷修正，此時溫度寄存器內的數值就是實際測量的油料溫度值，油料的溫度就被測量出來了。

當溫度高于100℃時，不能使用寄生電源，因為此時器件中較大的漏電流會使總線不能可靠檢測高低電平，從而導致數據傳輸誤碼率的增大。比如使用加熱器加熱油料，可能加熱器會發生故障，導致加熱溫度過高，甚至高于100℃，鑒于對溫度檢測精確性的考慮，可以使用外部電源。這里檢測的溫度雖為50℃，但仍然采用外部電源供電模式，其電路如圖4所示。

▲圖4 DS18B20外部供電電路圖

2.3 顯示電路

本文設計采用的是16腳的1602LCD字符型液晶顯示屏，其引腳功能見表1。

結合使用PIC16F877型號的單片機，進行顯示模塊的電路圖設計，如圖5所示。

▲圖5 1602與單片機接口電路

表1 LCD1602引腳功能圖表

2.4 報警電路

本系統的報警部分是為了通知用戶對相應的情況進行處理，避免意外發生。報警部分采用了蜂鳴器，當測試溫度高于50℃，蜂鳴器鳴聲；溫度低于10℃時，蜂鳴器亦鳴聲。電路中還設計了2個發光LED，紅燈顯示時，系統出現故障；綠燈顯示時，系統正常運行。這一部分的電路原理如圖6所示。

▲圖6 報警電路系統設計

▲圖7 4X4矩陣鍵盤電路圖

2.5 鍵盤電路

由于設計的按鍵相對較多，本文采用了4×4矩陣鍵盤，其主要功能是設定溫度的上下限，電路如圖7所示。按鍵的鍵值見表2。

表2 按鍵功能表

4×4矩陣鍵盤可以很方便地實現用戶與系統的對話，用戶也可以隨時改變溫度的上下限來進行溫度設定和調節。

2.6 電源電路

由于系統的工作電壓要根據PIC單片機的正常工作電壓進行轉換，因此在設計時采用了電壓轉換電路，使用了7805芯片進行了電壓轉化，其轉換電路如圖8所示。

▲圖8 7805電壓轉換電路圖

▲圖9主程序流程圖

3 軟件設計

主程序的流程框圖如圖9所示。

系統采用了單片機高級語言C語言編程。編程的主要工作是為DS18B20、LCD1602的驅動編程，要嚴格按照說明書中的時序圖進行編寫，待溫度傳感器和液晶顯示器正常驅動工作后，再進行系統程序的設計。

4 系統調試與結果分析

硬件、軟件均采用分模塊的方式進行調試，待各個模塊調試完成后再進行綜合調試，硬件電路的主要調試步驟有：①檢查原理圖的設計情況，采用Proteus軟件進行工作仿真；②將PCB板進行元器件焊接，并檢查電路；③ 通電，采用MPLAB軟件編程，將生成的.hex文件程序寫入單片機的ROM進行系統調試。

系統經調試可以正常工作后，將采集到的溫度數值與水銀溫度計測得的數值進行比較分析，本文選用的水銀溫度計精度為0.1℃，比較結果見表3。

由以上的數據可以看出，對于精確度為0.1℃的水銀溫度計來說，系統溫度的測量誤差基本在0.2℃的范圍以內，符合設計要求。

表3 溫度顯示結果對照表

5 結論

本文分別從硬件和軟件兩個方面介紹了PIC單片機溫度控制系統的設計思路，溫度采集部分采用DS18B20作為傳感器件，LCD1602的顯示部分在第一行顯示實時溫度，第二行設定溫度的上下限值，鍵盤用來設定溫度數值，單片機直接控制加熱系統，同時控制報警系統。在最終通過軟件的設計和調試后，測得溫度數值的誤差小于0.2℃范圍，滿足系統的設計要求。

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