嵇 萍

(江蘇海事職業(yè)技術學院 電氣工程系，江蘇 南京 210017)

基于單片機的溫度測控仿真系統(tǒng)設計

嵇 萍

(江蘇海事職業(yè)技術學院 電氣工程系，江蘇 南京 210017)

介紹一個基于單片機的溫度測控仿真系統(tǒng)的設計.該系統(tǒng)以AT89C51單片機為控制器，用DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集溫度信號，可通過按鍵輸入溫度設定值，數(shù)碼管同步顯示溫度設定值和當前測量值.仿真實驗結果表明，該系統(tǒng)具有控制方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點.

單片機；仿真；溫度傳感器

隨著科技的進步與發(fā)展，溫度的測量與控制在社會生產和生活的各個領域顯得越來越重要.比如，在生活中，人們需要對飲水機、熱水器的溫度進行控制；在養(yǎng)殖業(yè)中，人們需要對孵化箱的溫度進行控制；在工業(yè)生產中，人們需要對各種加熱爐、反應爐和鍋爐的溫度進行控制[1].采用單片機對溫度進行控制，不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，也可以大大提高被控溫度的技術指標.本文介紹一個基于單片機的溫度測控仿真系統(tǒng)的設計.

1 設計要求

設計一個基于單片機的溫度測控系統(tǒng)，對被控對象溫度進行控制.被控對象溫度可以由人工設定，并能在被控對象溫度變化時實現(xiàn)自動控制.具體的技術為：①溫度設定范圍為0～100 ℃，測量精度為±1 ℃；②被控對象溫度值低于預設值時，加熱器啟動工作，被控對象溫度值高于預設值時，加熱器停止工作；③LED數(shù)碼管實時顯示水溫；④按鍵控制，功能鍵、加1鍵、減1鍵.

2 總體方案

該系統(tǒng)主要由單片機、鍵盤電路、測溫電路、顯示電路和控制電路組成，總體設計方案如圖1所示.

該系統(tǒng)的工作原理為：首先，通過鍵盤電路設定預設溫度值，由測溫電路測量被控對象的溫度，并將溫度模擬量信號轉換成相應的數(shù)字信號；然后，將數(shù)字信號送入單片機，由單片機進行相應的程序處理，比較測量溫度值與預設溫度值，根據(jù)比較結果輸出不同的控制信號；最后，由輸出的控制信號來控制繼電器的接通或斷開，從而控制加熱器的啟動與停止，使被控對象的溫度保持在設定的范圍內，并且同步驅動顯示電路實時顯示被控對象的溫度.

圖1 溫度控制系統(tǒng)總體設計方案

3 硬件設計

3.1 主控模塊

主控電路如圖2所示.主控電路是整個溫控系統(tǒng)的核心，它控制溫度的采集、處理與顯示、預設溫度值的設定和溫度越限時控制電路的啟動.本控制模塊由AT89C51單片機、電源、時鐘電路、復位電路和存儲器選擇電路構成[2].

3.2 測溫模塊

目前市面上溫度傳感器的種類很多，由于本系統(tǒng)要求測溫精度高，且為了簡化硬件電路的設計，所以選用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器作為測溫電路的核心部件，其與單片機的接線圖如圖3所示[3].

圖2 主控電路

3.3 顯示模塊

本設計采用3個共陰數(shù)碼管顯示被控對象溫度值，為節(jié)省I/O口資源，采用動態(tài)掃描顯示方式.圖4中，P0口控制段選線，P1.0、P1.1、P1.2分別控制3個數(shù)碼管的位選線.

3.4 按鍵模塊

圖4 數(shù)碼管顯示電路

圖5 按鍵電路

3.5 控制模塊

控制電路是本設計的重要組成部分，它對加熱器的工作狀態(tài)起到至關重要的控制作用.單片機的輸出電壓最大僅為5 V，不能直接驅動加熱器，故系統(tǒng)采用繼電器來控制220 V交流電源的通斷，電路如圖6所示[4].

圖6 控制電路

圖7 主程序流程圖

當AT89C51單片機的P2.7口輸出低電平時，三極管Q1導通，線圈得電接通220 V電源，加熱器開始工作；當P2.7口輸出高電平時，三極管Q1截止，線圈失電斷開220 V電源，加熱器停止工作.所以通過控制單片機的P2.7口輸出的高低電平可實現(xiàn)對加熱器工作狀態(tài)的控制.

4 軟件設計

主程序流程圖如圖7所示.系統(tǒng)通電后，先進行初始化工作，處理按鍵輸入信號，存儲并顯示設定值.然后，讀取并顯示實際溫度值，比較設定溫度值與實際溫度值的大小，若設定溫度值低于實際溫度值，由單片機發(fā)出控制信號，經(jīng)過驅動電路使加熱器停止工作；若設定溫度值高于實際溫度值，單片機發(fā)出一個控制信號，啟動加熱器.

5 仿真結果

為了更直觀地觀察加熱器工作狀態(tài)的效果，在仿真中采用LED燈代替加熱器，仿真電路如圖8所示.啟動運行仿真后，通過按鍵設定預設溫度值為Tset=25 ℃.在仿真過程中，可以通過調節(jié)溫度傳感器U2的上下箭頭來調節(jié)溫度值.圖8中溫度傳感器的溫度值是21.2 ℃，數(shù)碼管顯示的水溫值Ttest=21 ℃，誤差為-0.2 ℃，符合設計要求.因為Tset＞Ttest，所以P2.7口輸出低電平，繼電器得電接通220 V交流電源，LED燈得電點亮，即表示加熱器開始加熱.如果Tset＜Ttest，那么P2.7口輸出高電平，繼電器失電，LED燈滅，即表示加熱器停止加熱.

在0～100 ℃之間隨機采樣，主要在25 ℃左右密集選溫，得到表1數(shù)據(jù).

由表1可知，測量誤差絕對值不大于1 ℃，并且在實際溫度值小于設定值時，LED燈亮，即加熱器工作；實際溫度值大于或等于設定值時，LED燈滅，即加熱器停止加熱.經(jīng)過多組仿真實驗測試，結果表明該系統(tǒng)設計完全符合要求.

圖8 系統(tǒng)仿真電路

6 結論

表1 模擬水溫與LED燈工作狀態(tài)表

本設計的溫度測控仿真系統(tǒng)具有控制方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，其實物可用于溫度控制精度要求不高的場合.在控制算法方面還有待進一步改進，才能提高溫控系統(tǒng)的控制精度.

[1]林奇盛，熊器，彭偉強，等. 基于單片機的飲水機溫控系統(tǒng)的設計[J]. 電子世界，2012(3)：39-44.

[2]張毅剛，彭喜元，姜守達，等. 新編MCS-51單片機應用設計[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2008.

[3]汪孝國，王婉麗，祁雙喜. 高精度PID溫度控制器[J]. 電子與自動化，2000(5)：13-15.

[4]余永權，汪明慧，黃英. 單片機在控制系統(tǒng)中的應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2003.

The Design of a Simulation System to Measure and Control Temperature Based on the Single-Chip Microcomputer

JI Ping

(Department of Electrical Engineering，Jiangsu Maritime Institute，Nanjing 210017，China)

With the development of science，the measurement and controlling of temperature become more and more important.This paper introduces the design of a simulation system that can measure and control temperature based on the single-chip microcomputer.This system uses the AT89C51 single-chip microcomputer as the controller，and DS18B20 digital temperature sensor to collect temperature signals. It can input the preset value of temperature by the keys，and displays the preset value and the current measured value of temperature synchronously by the nixie tube. The results of the simulation experiment show that this system has the merits of convenient control，stable performance，and so on.

single-chip microcomputer；simulation；temperature sensor

TP273

A

1008-5475(2012)04-0023-04

2012-09-20；

2012-10-25

嵇 萍(1981-)，女，江蘇鹽城人，講師，碩士研究生，主要從事測控技術研究.

(責任編輯：沈鳳英)