摘 要： 在此介紹了基于80C51單片機(jī)的小型恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有溫度調(diào)節(jié)功能，用戶可通過外部操作設(shè)定溫度區(qū)間，若超出溫度的設(shè)置范圍就可以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的負(fù)載工作，同時(shí)報(bào)警告知。詳細(xì)闡述了硬件原理和軟件程序。溫度控制系統(tǒng)主要由中央控制器、溫度檢測(cè)器、顯示器等模塊組成。由溫度傳感器 DS18B20采集外部溫度信號(hào)，傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，把數(shù)據(jù)傳送給LED顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制的目的。實(shí)物恒溫箱模型可以被作為小型車載冰箱、寵物箱恒溫系統(tǒng)、飲料的加熱或降溫器等多用途。

　　關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)論文投稿,單片機(jī)STC89C5,溫度控制,恒溫箱,溫度傳感器DS18B20

　　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(jī)技術(shù)的日趨成熟，用單片機(jī)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(jiǎn)單。小型恒溫箱就是單片機(jī)應(yīng)用很好的一個(gè)實(shí)例。由于科技水平和人們生活水平的提高，以及各領(lǐng)域?qū)�恒溫箱的使用需求的提高，比如�?shí)驗(yàn)室中的恒溫環(huán)境需求的精度提高、醫(yī)用疫苗的嚴(yán)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(duì)恒溫箱的的設(shè)計(jì)要求也越來越高，不僅希望它的內(nèi)部控制電路比較簡(jiǎn)化，降低成本，還要能從外部進(jìn)行溫度的設(shè)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(shè)計(jì)思路和方案，并且做了仿真模擬和實(shí)物制作，實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)運(yùn)行良好，而且它兼具了攜帶方便、控制準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、溫度顯示清晰等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)采用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，因其A/D轉(zhuǎn)換器在內(nèi)部集成，使得電路板上的電路布線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而減少了溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)的精度損失，使測(cè)量溫度更加精確。由于單片機(jī)功能強(qiáng)大，并且其具有控制簡(jiǎn)單、程序載入靈活等特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)硬件電路以80C51單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)溫度控制;選擇51 單片機(jī)作為小型溫度采集系統(tǒng)，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，具有成本低、使用方便、相對(duì)測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高[1]。另外通過按鍵操作以及動(dòng)態(tài)顯示的方式，可以更容易的控制固態(tài)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(qū)動(dòng)2 500 W功率的負(fù)載，并且可以應(yīng)用在家庭、小型工廠等中的小電量用電設(shè)備，還可以用繼電器來控制交流接觸器線圈等，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率負(fù)載的控制，實(shí)際的應(yīng)用范圍非常廣泛。

　　1 電路功能模塊介紹

　　系統(tǒng)的整體電路圖如圖1～圖5所示，由時(shí)鐘電路、復(fù)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(shí)現(xiàn)過程：

　　1.1 時(shí)鐘電路

　　眾所周知，只有在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下單片機(jī)才能進(jìn)行工作，其單片機(jī)內(nèi)部具有時(shí)鐘振蕩電路，當(dāng)連接振蕩器就可為各部分提供時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)通常是內(nèi)部振蕩方式和外部震蕩方式這2種電路形式。本設(shè)計(jì)中采用內(nèi)部震蕩方式，這樣振蕩器自激振蕩產(chǎn)生矩形時(shí)鐘脈沖序列時(shí)只需引腳XTAL1和XTAL2上外接定時(shí)反饋電路即可。定時(shí)反饋電路中石英晶振是很重要的一個(gè)重要指標(biāo)，時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)控制器的節(jié)拍就會(huì)越快，運(yùn)算速度相應(yīng)的也就快了。為了得到?jīng)]有誤差的波特率，石英晶振的頻率會(huì)將12 MHz設(shè)為典型值。而電容C1，C2的加入會(huì)令其快速起振及穩(wěn)定振蕩頻率。電容的大小將會(huì)影響振蕩器的穩(wěn)定性、頻率的高低、起震得速度以及溫度的穩(wěn)定。根據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘頻率，所以本設(shè)計(jì)中選用30 pF這一典型值。 　　在電路的設(shè)計(jì)上面，為了減少寄生電容以及使振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作，選用的陶瓷振蕩器盡可能接近單片機(jī)芯片，如圖1所示。

　　圖1 時(shí)鐘電路圖

　　1.2 復(fù)位電路

　　復(fù)位電路的存在可以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，它不僅可以有效地保證程序從開始執(zhí)行，當(dāng)由于操作錯(cuò)誤或者程序運(yùn)行出錯(cuò)而引起的系統(tǒng)死機(jī)時(shí)，復(fù)位便可以讓它重新開始。單片機(jī)的復(fù)位需要通過外部電路來實(shí)現(xiàn)，在震蕩器運(yùn)行的時(shí)候，RST引腳還需要保持兩個(gè)周期及以上的持續(xù)高電平可以使其復(fù)位，每個(gè)周期執(zhí)行一次，直到RST變?yōu)榈碗娖健１驹O(shè)計(jì)采用按鍵手動(dòng)復(fù)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(shí)用性和可操作性，本設(shè)計(jì)使用LED顯示屏作為輸出器件。它由很多個(gè)發(fā)光二極管組成，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的筆畫會(huì)發(fā)光。本設(shè)計(jì)的采集溫度并顯示這一功能采用了共陽極 LED數(shù)碼管。數(shù)碼管的數(shù)據(jù)位使用的是單片機(jī)的P0口，它的作用是顯示溫度值，也就是控制數(shù)碼管a到dp端口。P2.4～P2.7這4個(gè)接口用于數(shù)碼管片選位，用途是控制數(shù)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(gè)字碼DPY端(由單片機(jī)P2.4～P2.7這4個(gè)接口控制)決定哪個(gè)顯示器亮，即顯示接收到的字碼，如圖3所示。

　　圖2 復(fù)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(fēng)冷、水冷、壓縮機(jī)制冷、半導(dǎo)體制冷等幾種方式[2]。控制電路是通過對(duì)加熱模塊與降溫模塊的通斷控制從而達(dá)到溫度在設(shè)置的范圍內(nèi)。控制電路中繼電器的選擇是決定電路穩(wěn)定性以及靈敏度的重要部分。當(dāng)輸入量達(dá)到一定值的時(shí)候，繼電器的輸出量可以自動(dòng)發(fā)生跳躍式變化，常被用作自動(dòng)控制器件。它不光體積小、功工作狀態(tài)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)，而且靈敏度還很高，即可以迅速控制電路的開合，起到保護(hù)電路、控制電路等作用。本設(shè)計(jì)中采用固態(tài)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(dá)到幾微秒。除此之外，它對(duì)輸入電壓低的范圍要求不高，驅(qū)動(dòng)功率小，與大部分的邏輯集成電路兼容，從而省略了加驅(qū)動(dòng)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(shù)能實(shí)時(shí)變換電源通道與斷開功能，使其成為智能可調(diào)的開關(guān)，便于日常生活及實(shí)驗(yàn)中使用。鍵盤可以通過人類手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話[3]。因?yàn)橹挥兴膫�(gè)按鈕，本設(shè)計(jì)中采用的是獨(dú)立鏈接式鍵盤，即每個(gè)按鍵獨(dú)立的接入一根數(shù)據(jù)線。在電路連通的情況下，所有的數(shù)據(jù)輸入線都接高電平，而每一次按鍵按下的時(shí)候，相連接的數(shù)據(jù)輸入線就要轉(zhuǎn)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(jī)具有ISP功能，可實(shí)現(xiàn)在線編程，通過上位機(jī)軟件直接與PC機(jī)連接就可完成程序的下載燒錄，無需反復(fù)插拔單片機(jī)，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(jié)果，達(dá)到調(diào)試目的[4?5]。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與控制子程序模塊流程圖

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與控制子程序流程圖如圖7所示。

　　3 仿真實(shí)現(xiàn)及實(shí)物運(yùn)行結(jié)果分析

　　完成了硬件電路設(shè)計(jì)與程序的編寫與開發(fā)后需要進(jìn)行調(diào)試。為了避免應(yīng)用程序運(yùn)行中軟件、硬件上的錯(cuò)誤，需要借助單片機(jī)的仿真開發(fā)工具Protel DXP進(jìn)行調(diào)試，從中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并加以改正【6?8】。經(jīng)驗(yàn)證仿真效果運(yùn)行良好，如圖8，圖9所示。

　　圖6 主程序流程圖

　　圖7 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與控制子程序流程圖

　　圖8 仿真圖

　　根據(jù)設(shè)計(jì)思想，制作出了實(shí)物，使用時(shí)接通電源，顯示屏就會(huì)顯示出當(dāng)前箱內(nèi)的溫度，通過設(shè)置按鈕，選擇調(diào)節(jié)溫度的上限(H)與下限(L)。當(dāng)顯示屏前有H 標(biāo)志時(shí)就可以開始設(shè)定上限溫度，分別通過上升和下降兩個(gè)按鈕控制。當(dāng)設(shè)定溫度區(qū)間完成后，恒溫箱內(nèi)溫度就會(huì)保持在這個(gè)區(qū)間。當(dāng)溫度高于上限或者低于下限時(shí)，蜂鳴器會(huì)進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)溫度低于下限時(shí)，會(huì)通過繼電器啟動(dòng)加熱片進(jìn)行加熱。而當(dāng)當(dāng)前溫度高于上限時(shí)，會(huì)通過繼電器控制風(fēng)扇進(jìn)行降溫。

　　圖9 實(shí)物電路板圖

　　4 結(jié) 語

　　本文分別從硬件和軟件兩方面對(duì)基于51單片機(jī)的小型恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。溫度控制系統(tǒng)主要由中央控制器、溫度檢測(cè)器、顯示器等模塊組成。以單片機(jī)為核心，溫度檢測(cè)部分采用DS18B20溫度傳感器，顯示器部分選用LED數(shù)碼管。軟件部分采用C語言實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。使用Protel DXP繪制原理圖并進(jìn)行仿真，并做出了設(shè)計(jì)的實(shí)物，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)可以測(cè)量20～99 ℃ 的溫度，且精度誤差小于 0.5 ℃ 。用戶可以通過鍵盤設(shè)置溫度，也可以通過數(shù)碼管顯示讀取當(dāng)前溫度值以及設(shè)定的溫度值，并且當(dāng)溫度超過設(shè)置溫度的上下限時(shí)，本設(shè)計(jì)可以自動(dòng)判斷，進(jìn)行相應(yīng)的加熱與制冷功能。而且它需要具有攜帶方便、控制準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、溫度顯示清晰等特點(diǎn)，可以被作為小型車載冰箱、寵物箱恒溫系統(tǒng)、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(xiàn)

　　[1] 顧涵.基于51單片機(jī)的小型溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].常熟：常熟理工學(xué)院，2012.

　　[2] 王銀玲.基于單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009(9)：103?105.

　　[3] 陳成義.基于AT89S51單片機(jī)的成空電源開關(guān)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2014(5)：2?4.

　　[4] 陳志紅.基于51單片機(jī)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].鄭州：鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2011.

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