基于STC89C51的智能温度控制系统的设计

林琳

【摘 要】随着电子技术的飞速发展,人们越来越关注温度控制系统的设计.本文介绍了一种基于单片机室内温度自动控制系统.选用ATC89C51单片机做主控器件,利用温度传感器DS18B20检测热信号,进行数据转换.着重阐述了系统的硬件构成,软件设计及各部分系统的功能.并利用Proteus软件对系统功能进行了仿真,且实验效果良好.

【期刊名称】《湖南城市学院学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2013(022)004 【总页数】4页(P47-50)

【关键词】单片机;温度传感器;Proteus 【作 者】林琳

【作者单位】湖南城市学院通信与电子工程学院,湖南益阳413000 【正文语种】中 文 【中图分类】TP273.5

电子技术的飞速发展，使电子技术产品的功能越来越强，对于现在的温度控制系统来说，可靠性和准确性等各方面要求都在不断提高[1]．传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件．热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差．且大部分都是基于数字电路的温

度控制系统，安装维护比较困难，制作过程较复杂，功能简单，而且抗干扰性和可靠性不高，使用起来较麻烦[2]．近年来基于单片机的制作温度显示控制系统的出现，使我们的温度控制系统的制作过程更简单，且维护安装更方便．LCD1602来显示温度值，LCD1602性能稳定可以减小系统的能耗[3]．报警控制系统部分也是比较关键的环节，采用继电器控制负载的工作，扬声器由三极管驱动发出报警信号，并在负载端接一个12 V灯泡，通过灯泡的亮灭来观察温度的控制效果，以便于观察仿真效果又节省硬件资源[4]．本设计的硬件系统分为5个模块：单片机系统模块，温度传感器模块，继电器模块，扬声器警报模块和液晶显示模块，设计原理框架如下图1所示． 1 系统结构

本系统采用ATC89C51主控芯片和DALLAS公司的温度传感DS18B20，AT89C51是一种带4 K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8位微处理器．显示部分采用 图1 系统原理框图 2 系统硬件设计 2.1 系统硬件总体设计

基于单片机的智能温度控制系统首先对温度各项指标进行采集，再依据实际采集的温度值来进行相关的温度控制操作，随采集的温度数据的变化，对负载的控制操作也发生变化[5]．本温度控制系统主要适应于对环境温度有特殊要求的情况，如办公大楼内预防火灾的发生，空调、电冰箱等家用电器温度的控制以及科学实验要求的特定环境等，此系统均可对要求的温度进行很好的控制．

此设计采用的是闭环控制系统，将弱电系统和强电系统分离开．继电器的断开和闭合决定了负载的工作状态，操作人员不用直接接触强电，确保了用户的安全性．在实际应用过程中，抗干扰性强，精度高，在各种环境下都可以发挥其作用，配有扬

声器的系统硬件设计图如图2所示． 图2 智能温度控制系统的硬件设计图 2.2 单片机最小系统模块

单片机最小系统是智能温度控制系统的核心控制电路，单片机最小系统的设计关系到整个系统工作的可靠性和稳定性，决定设计的成败[6]．搭建单片机的最小系统包括主控芯片 ATC89C51、复位电路和时钟电路．本系统中的复位电路有上电复位和按键复位两种．上电复位电路，利用电容充电来实现复位功能．按键复位电路，若要复位只需按RESET键，此时电源VCC经电阻R1、R2分压，在RST端产生一个复位高电平．本系统采用的是按键复位电路．

时钟振荡电路是单片机能正常工作的重要电路．本系统设计的时钟震荡电路由2个33 pF电容,12 MHz的晶振组成．时钟震荡电路是保证单片机能准确工作的先决条件．时钟振荡电路的作用就是为单片机提供时钟脉冲，单片机的所有工作都按照这个时钟脉冲顺序进行工作[7]．本系统实际单片机最小系统电路如图3所示． 图3 单片机最小系统 2.3 扬声器警报模块

对温度控制系统的温度参数范围有一定的要求，当系统通过传感器检测到环境温度超限后，就要发出响应的报警信号．此报警模块由PNP三极管和扬声器两部分组成．其硬件电路原理图如图4所示． 图4 扬声器警报电路

扬声器的控制和LED的控制的外围硬件电路不同，但对于ATC89C51来说却是相同的．由于扬声器是感性负载，单片机的I/O口一般不能直接对它操作，因此，要加一个驱动三极管，有时还要加上反相保护二极管来应对要求较高的场合． 在图4的扬声器警报电路原理图中，Q1为PNP型三极管，在本系统中选用了低功率级的三极管FZT789A，使单片机的P1.0口置电平，对于三极管来说集电极正

偏，而发射极反偏，此时三极管处于导通状态，驱动扬声器发出报警信号，并可以设置扬声器的频率，使其按指定的频率发出报警信号． 2.4 继电器模块

继电器模块是在继电器的基础上增加的电子控制电路，是可以使用低电压控制高电压的半成品电路板，以电路板的形式提供给用户．使用继电器模块的好处在于可以减少继电器模块控制电路的设计，使开发设计者将更多的精力用于设计整个系统的功能实现．继电器模块根据是否完全隔离而分为不隔离和完全隔离型．完全隔离型一般由光耦进行隔离，这样的继电器更加安全可靠．根据继电器模块采用的继电器是否有触点，分为有触点型和无触点型．有触点若密封性不好就会产生火花，无触点型继电器在任何情况下都不会产生火花．在本温度控制系统中，所采用的继电器为NPN三极管驱动继电器，并且带有一负载工作指示灯D2，系统中的负载采用了LED代替强电系统，以达到仿真的要求．继电器模块的电路图如图5所示． 图5 继电器电路

由于在三极管截止时刻，线圈中的电流不能瞬时变为0，致使一个比较高的电压感应电动势在继电器线圈两端产生．此感应电动势通过二极管D1得到释放．因此，避免了三极管被击穿的危险，也使其他电路的感应电动势干扰得到了消除．使得二极管D1的保护功能得到了发挥． 3 系统软件设计

本系统是基于Keil uVision工具进行开发，工作过程首先是DS18B20对周围环境温度进行采集，通过单片机ATC89C51芯片处理，在LCD1602进行显示．当所处环境的温度超过所设的限制时，ATC89C51将对继电器做自动断开的指令，并驱动扬声器发出报警信号．当周围环境的温度在限制范围之内时或者回归到正常值范围之内时，ATC89C51对继电器做闭合指令，扬声器停止报警．此时，负载在正常的工作范围内．

软件程序流程图如图7所示，首先是LCD及温度传感器DS18B20的初始化，然后进入温度转化部分并显示温度，再将转换后的信号的值做比较处理，看是否超过所设限制，若超限则继电器闭合并发出报警，若没超限则继电器闭合停止报警，做延时处理后回到前面初始化部分． 图6 软件程序流程图

在图5中，R13为1 K的电阻，其与ATC89C51中P17脚相连，当给高电平时，三极管Q2处于饱和状态就导通，电源电压分压就给继电器线圈通电，由于+5 V的电压加到线圈两端，驱动继电器做吸合动作，与此同时发光二极管D2通电发光，起到指示作用．此时，图中继电器的常开触点做闭合动作，就类似于开关的闭合． 当给ATC89C51的P1.7脚低电平的时候，三极管Q2处于截止状态，导致继电器线圈的两端不存在电位差，继电器的衔铁做释放动作，状态指示灯即发光二极管D2也熄灭，则继电器释放常开触点，也就类似于开关断开． 4 结果测试及分析

本设计采用Proteus软件进行仿真，通过设置和改变DS18B20模拟器的温度，来模拟出不同的仿真环境，仿真结果如下． 图7 仿真结果

从以上的仿真图7可以看出，预设的温度限制为0-50℃，当检测到周围环境温度为48℃时，单片机ATC89C51做处理，没有超出预设范围，驱动继电器做闭合动作．同时，由于负载工作，所以指示灯D2亮．而继电器所接的工作负载灯泡L1也亮．

设定当前周期环境的温度为52℃，由于此温度已经超出了所设置的界限0-50℃，则单片机ATC89C51做出继电器断开的指令，此时工作负载指示灯D2灭，而工作负载灯泡L1也灭，扬声器则发出越限报警信号．

自检正常，各点温度显示正常，串口传输数据正确．因为芯片是塑料封装，所以对

温度的感应灵敏度不是相当高，需要一个很短的时间才能达到稳定． 5 结语

本系统由ATC89C51单片机作为主控芯片，通过DS18B20温度传感芯片获取外界温度数据，LCD1602显示实时温度值，蜂鸣器高温报警，最后继电器启动负载调节温度，使其恢复到预定温度值以内．经过测试，能顺利地完成LCD显示实时温度及温度超限时的安全报警．通过实验结果表明本系统可以很好的完成设计要求，具有运行可靠、精度高和成本低等优点．

【相关文献】

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[2]刘国强, 唐东红, 李兴伟. 基于AT89C51单片机的高精度测温系统的研制[J]. 仪器仪表学报, 2005, 8(26)： 5-16.

[3]郑善锋, 郑华杰, 黄其智, 尚志红. 利用微机数据处理提高温度测量精度[J]. 电路与系统学报, 2005, 01(10)： 12-14.

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