基于單片機的溫度控制器系統總體設計方案

李裕元

一、溫度傳感器分類與選擇

溫度是生活中常見的物理量，它與我們的生活實時相關，人類對溫度研究一直在繼續，經過多年發展已經有很多成熟的溫度傳感器在各個領域的得到了很好應用，下面介紹下溫度傳感器的分類和設計中溫度傳感器選擇的方法。

（一）溫度傳感器分類

（1）模擬溫度傳感器輸出的模擬量信號，優點是響應速度較快。

（2）數字溫度傳感器輸出的數字量，它輸出響應速度較慢，但接口簡便。

工程中常常選用熱電阻式溫度傳感器、熱敏電阻式溫度傳感器、模擬集成式溫度傳感器、熱電偶式溫度傳感器、智能溫度傳感器實現對溫度檢測。

（二）溫度傳感器的選擇

工業上溫度傳感器有四類：熱電偶、熱電阻何熱敏電阻及集成電路溫度傳感器；各類溫度傳感器的溫度測量范圍不同，應用的環境也不同。

方案：數字溫度傳感器DS18B20，它的溫度測量范圍為-55℃～+125℃之間，精度可以達到12位精度，測溫分辨率為0.0625℃，工作電壓在3V～5.5V之間，它直接輸出數字信號，便于單片機進行處理。對于水溫控制器進行測溫時采用數字芯片，而且可以簡化硬件電路，適合用于單片機測溫系統中的溫度傳感器。

溫敏元件在應用于溫度環境監測的過程中，雖然溫敏電阻成本低，可是后續電路麻煩，也要進行溫度標定。AD590屬于電流型集成溫度傳感器，且它輸出的為模擬信號，且這一輸出信號不強，因而需要放大并且需要設計A/D轉換電路，而如果設計使用的是普通的放大電路，那么運放的效果難以保證，而且測量放大器價格不低，使得整個系統設計成本得以提高。系統設計采用DS18B20采集溫度的變化，這就是任意的多個DS18B20可以在一根總線上掛接的原因，從而方便的進行多點測溫，且用串行數字信號輸出形式，可以將測量到的溫度結果提供給單片機AT89C51的P3.7口，將這一端口作為數據輸入。在多點的溫度檢測和采集系統中，DS18B20有很大的優勢。DS18B20的工作電壓為+5V，DS18B20的檢測溫范圍為-55℃至125℃，測量精度可達0.5℃，用軟件編程可以將DS18B20的溫度轉換結果的位數得以確定，輸出精度位數為9到12位不等，但是它的默認值為12位。

二、顯示器選型

本文涉及的單片機測溫系統需要對實時溫度值/比較的最大值顯示即可，適合的顯示方案有以下兩種。LCD液晶顯示和采用七段數碼管顯示。液晶顯示可以顯示漢子、英文和數字；數碼管適合在顯示信息量較小的系統中使用，數碼管適合顯示數字。由以上可知，數碼管顯示電路最為簡單/低廉。考慮顯示的溫度從-55℃～+125℃，如果采用七段數碼每顯示一路就需要3組數碼管，再加上溫度最大值需要單獨顯示出來，這樣不僅會增加數碼管的數量還會增加編寫單片機驅動程序難度。因此選擇LCD液晶顯示器作為顯示模塊最優，完全可以滿足使用要求。

三、軟件總體設計

編程采用匯編、C語言均可，這也是其應用廣泛、上手快的原因之一。匯編編程指令效率高，適用于對時序要求較高場合，比如本文涉及的DS18B20讀寫操作可以使用匯編語言對照芯片手冊的時序圖和講解逐條來編寫驅動模塊程序塊。C語言編程指令移植性高，代碼可以重復使用適合1602LCD的驅動和主程序的編寫。

四、總體方案的確定

（一）系統基本框架

設計是利用AT89C51單片機為控制芯片，通過采集溫度傳感器的數據，通過對采集數據進行運算，實現溫度采集和溫度控制的設計。系統結構圖1所示。設計的目標是實現對水溫的采集、通根據設定最大關閉加熱設備，如果小于最小的溫度值打開加熱設備進行加熱，達到實現恒溫控制的目的。

該溫度控制系統由單片機主最小系統，溫度采集模塊，數碼管顯示模塊，按鍵設置模塊、蜂鳴報警模塊、存儲模塊等組成。設計中需要實現的功能如下：

（1）液晶實時顯溫度的數據信息。

（2）可通過按鍵設置觸發報警的閾值，也可以通過按鍵進行設置和修改。

（3）可以實現溫度上下閥值報警。

（4）實現恒溫控制功能。

系統各模塊功能說明：

（1）溫度傳感器采集模塊的功能是采集當前水溫度值。

（2）顯示模塊的功能是顯示實時水溫。

（3）聲音報警模塊的功能是當水溫值超過設置的閥值就會發出報警聲音。

（4）鍵盤模塊的功能是設置水溫的上下閥值以及手動報警。

（5）主控模塊功能是采集傳感器數據、鍵盤輸入信息進行處理輸出報警信息和控制加熱設備進行加熱系統的實時顯示。

（二）系統工作原理介紹

考慮到該系統功能較少，由普通單片機即可實現。而AT89C51單片機具有重量輕、體積小、對環境要求不高、抗干擾能力強、可靠性高、價格低廉、靈活性好等優點，故本系統選用AT89C51單片機作為系統主控制器。在溫度采集方面，選用單線數字溫度傳感器DS18B20進行溫度數據采集；人機對話界面通過按鍵盤來設置溫度的上下線報警值和數碼管顯示電路的作用時實時顯示水溫值，同時在設置參數的時候可以顯示當前設置的溫度大小；存儲電路的作用是實現對設定溫度上下閥值進行存儲，這樣的設計可以保在系統重新工作時不用重新設置溫度參數，方便使用；報警電路用于上下閥值的溫度報警，當超過上限報警的時候，數碼管會點亮，同時發出報警聲音，下限也是一樣的效果；繼電器電路用于控制對水進行加熱的設備行工作。

五、小結

文中主要介紹系統的傳感器的選擇和系統的總體方案設計，繪制系統結構圖，并對每部分電路進行詳細的說明。整體設計思想已經確定，既可以根據設計進行硬件和軟件的開發。