智能液相多點溫控電路控制單元設計

陳 偉

（江蘇海洋大學 電子工程學院，江蘇 連云港 222005）

0 引 言

裝置采用STC89C52RC單片機實現溫度的采集和控制，用DS18B20溫度傳感器進行溫度數據采集，并將其輸入到AT89S52中，通過液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）顯示溫度數據。

1 系統總體設計

采用STC89C52RC作為核心，利用常見的ADC0832實現信號的模數變換，控制電阻器進行加熱，調節水閥控制水位。該方法具有操作簡單、實用以及設備費用低等優點。然而，該方案的硬件開銷較大，易受外部因素影響，工作不穩定。該系統采用STC89C52RC單片機，實現多種控制算法和邏輯控制，具有很大的靈活性。

2 元器件選型

2.1 主控芯片的選擇

系統使用STC89C52RC，高性能CMOS8位單片機，具有8K可編程Flash存儲器，在原有MCS-51內核的基礎上進行大量優化，具備51MCS-51不具備的諸多性能優勢，使得整個控制系統應用更加靈活[1]。

2.2 傳感器的選擇

DS18B20溫度傳感器采用1種獨特的單總線技術，具有線路簡單、節省輸入/輸出（Input/Output，I/O）端口、模數（Analog-to-Digital，A/D）變換以及與單片機直接相連等優勢[2]。此外，它的溫度測量范圍為-125～-55 ℃。DS18B20與傳統的溫度采集電路相比，只進行1組溫度采集即可獲得溫度，并用程序將溫度數據轉化為9～12位的信號，省去了溫度采集、信號放大、濾波以及A/D轉換等煩瑣的程序，降低了因器件數量過多造成的不良影響。此外，DS18B20使用1種數字式溫度計，只使用1根導線即可進行數據傳輸，大大簡化了測量過程，提高了測量精度。

2.3 顯示模塊方案選擇

采用LCD1602顯示模塊，電路簡單，顯示的內容更加清楚且直觀，易于連接，節約I/O端口[3]。LCD顯示器構造如圖1所示。

圖1 LCD顯示器

3 系統硬件設計

3.1 主控模塊

STC89C52RC是CMOS 8位微控制器，采用Flash ROM技術，性能優良，功率消耗小。STC89C52RC是Atmel公司采用高密度和非揮發性存儲技術設計的1款單片機，適用于MCS-51，工作電壓為3 V，晶體振蕩頻率為24 MHz[4]。片上Flash可將程序存儲器和編程應用到系統中。因其8位中央處理器（Central Processing Unit，CPU）和可編程Flash的靈活性，在大多數嵌入式系統中得到了廣泛應用[5]。

3.1.1 復位模塊

重置回路的核心是電解電容器C3。在電容器充電的瞬間，電壓不發生突變，電容器兩端的壓差基本保持不變，復位（Restart，RST）節點的電壓接近+5 V，由單片機重置高電平。隨著電流的增加，電容逐漸充滿，RST節點的電壓逐漸降低，直到接近0 V，這時單片機正常工作。按鍵開關S1是1個重置開關，按下后利用電容特性將電容縮小，以達到放電的目的。當按鍵被打開時，RST節點的電壓接近+5 V，由單片機進行復位，使按鈕重置。

3.1.2 STC89C52RC單片機晶振模塊

電容C1和電容C2輔助X2產生時鐘信號，晶振模塊產生12 MHz的正弦波。

3.1.3 MCU最小系統

微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）的40腳與直流穩壓器+5 V相連，20管腳與GND相連，31管腳的電壓為+5 V，與復位和晶體振蕩組件一起實現MCU最小化，如圖2所示。

圖2 MCU最小系統

3.2 直流穩壓電源模塊

該模塊采用LM7805芯片和直接插入式TO-220芯片，輸出電壓穩定在+5 V。內置過載、過熱以及過流等安全功能。安裝散熱器后，模塊的輸出電流為1 A。

直流穩壓器電源組件：通過JP1接入+10 V以上的供電電壓，經過C1和C2濾波，端正電壓穩壓器LM7805的1腳輸入，2個引腳連接到電源。3個+5 V直流穩壓電源由C3、C4以及C4構成，DS1為功率指示，R1為限流電阻。DS1的指示燈亮，表示電路正常運行。直流穩壓器電源組件如圖3所示，直流電壓穩定。

圖3 直流穩壓器電源組件

3.3 LCD模塊設計

模塊的主體部分是LCD1602液晶顯示器。LCD1602控制線路E、RS、R/W以及8條數據線連接到單片機。VO引腳連接合適大小的電阻器，通過調整液晶對比度來調整終端，從而實現室內溫度的實時顯示和設置。

LCD的電路設計如圖4所示。LCD1引腳16與引腳1接地，引腳15與引腳2相連，引腳4～引腳6與P2引腳相耦合，引腳7～引腳14與P0端口相耦合。LCD1602液晶顯示器的硬件結構，如圖4所示。

圖4 LCD1602液晶顯示器

3.4 溫度檢測模塊設計

溫度傳感器采用DS18B20。該溫度傳感器模塊電路的電源與1個傳感器相連，包含2個I/O接口、3個引腳接地。通過檢測外部溫度，U4向單片機輸出相應的溫度數值并給予顯示。溫度檢測模塊設計如圖5所示。

圖5 溫度檢測模塊設計

3.5 按鍵模塊設計

該模塊電路采用關鍵的開關元件。S2連接到P1.1端口，S3連接到P1.2端口。按下按鈕時，MCU的I/O端口會下拉到0 V。松開鍵時，MCU的I/O端口又會恢復到高電平。通過程序判定I/O端口的狀態，可完成門限設定。

3.6 液位檢測模塊設計

該模塊采用水位檢測傳感器和ADC0832變換芯片對其進行測試。U3的引腳1與P13端口相連，引腳5和引腳6與P15相連，引腳7與P14端口相連。U3將液面的模擬信號轉換成數字信號，由MCU對該信號進行處理，得到水壓值。位檢測模塊如圖6所示。

圖6 位檢測模塊

3.7 水溫控制模塊設計

水溫控制模塊的核心器件是繼電器和三極管。利用三極管的截止與飽和狀態，控制繼電器的閉合，實現加熱模塊的電路通斷和水溫控制。水溫控制模塊設計如圖7所示。

圖7 水溫控制模塊設計

4 單片機系統結構設計

本系統單片機程序流程由多模塊結構組成，程序按流程依次運行判斷。單片機系統結構如圖8所示。

圖8 單片機系統結構圖設計

5 仿真與調試

運用Proteus仿真軟件進行電路仿真與調試。使用自帶元件庫繪制，所有元器件帶有仿真模型。繪制完整仿真圖后，雙擊STC89C52單片機設置并導入aaas.HEX文件進行程序導入，如圖9所示。程序運行步驟為開始→系統參數初始化→傳感器初始化→A/D轉換→閾值設定→液晶顯示→判斷液位和水溫是否大于閾值設定（如果大于閾值設定返回到A/D設定）→外圍器件驅動→結束。

圖9 仿真與調試

5.1 仿真運行

發現仿真電路正常運行無報錯，LCD顯示正常，證明程序已經運行，整體電路無誤，然后測試程序。初始仿真的運行如圖10所示。

圖10 初始仿真運行

5.2 仿真調試

調節溫度傳感器溫度，發現LCD實時溫度顯示變化。調節液位電位器，發現液位發生變化。按按鍵模塊，發現閾值可以增減。溫度超過40 ℃時，D2亮，加熱模塊開始工作。液位低于閾值時，閥門燈D3亮，進水閥門開始工作。

5.3 仿真結果

通過系統調試模擬圖可知，該系統能夠實現閥值設定、當前溫度檢測、液位檢測、水溫控制以及水位控制等功能。但是，在模擬軟件中，液面傳感器沒有適合的元件和模擬模型，而采用滑塊變阻器來替代。采用液面傳感器使模數輸出電壓升高，實現了對液面的測量。

6 結 論

在現代工業生產中，隨著電子技術和計算機技術的快速發展，微機測量和控制技術得到了快速發展和廣泛應用。傳統的人工檢測由于存在很大的缺陷，逐漸被智能電子檢測取代。以Atmel公司低功耗高性能的STC89C52RC單片機為核心，用高精度溫度傳感器DS18B20進行溫度采集設計智能液相多點溫控電路控制單元，為企業工業化智能生產的智能化和信息化發展奠定了堅實基礎。