基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐博

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐博

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)中很多的領(lǐng)域行業(yè)中都有著重要的應(yīng)用價(jià)值，隨著單片機(jī)的不斷應(yīng)用發(fā)展，在自動(dòng)控制領(lǐng)域中也廣泛運(yùn)用到了單片機(jī)技術(shù)，單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的過(guò)程中充當(dāng)著重要的核心地位，本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，文中主要是從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行展開(kāi)論述。

單片機(jī) 溫度控制 數(shù)據(jù)采集

1 引言

溫度在人們的生活中充當(dāng)著的作用無(wú)法被替代，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是作為測(cè)量的參數(shù)之一。溫度在物理以及化學(xué)反應(yīng)中都存在，因而，生產(chǎn)自動(dòng)化中對(duì)溫度進(jìn)行控制具有重大的研究?jī)r(jià)值。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，對(duì)溫度進(jìn)行性測(cè)量的儀器的研究也日益增多，很多的工業(yè)領(lǐng)域中都會(huì)應(yīng)用到測(cè)溫儀器，目前在溫度控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)智能化是大勢(shì)所趨。尤其是現(xiàn)今的社會(huì)背景下，溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)融入到人們的生活中，成為了有著重要應(yīng)用價(jià)值的一部早，但是關(guān)于溫度控制的發(fā)展還有待突破，所以研究溫度控制系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義以及理論意義。

2 總體設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的總體電路圖如圖1所示。

圖1 總體電路圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器接口電路設(shè)計(jì)

作為非線性對(duì)象中的一種，溫度的特點(diǎn)是慣性大，通常情況下在溫度低的范圍之類(lèi)形成的慣性比較大，處于溫度比較高的范圍之類(lèi)其慣性小些。為了更好地進(jìn)行溫度控制，通常設(shè)定的傳遞函數(shù)如公式（1）所示。

3.2 溫度數(shù)據(jù)采集電路

溫度傳感器的型號(hào)選擇的是DS18B20，相比傳統(tǒng)的溫度傳感器，DS18B20的主要特點(diǎn)總結(jié)成幾點(diǎn)：DS18B20的接口方式是單一的，DS18B20還能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)，將幾個(gè)的DS18B2共同連接在三個(gè)線中，從而進(jìn)行多點(diǎn)組網(wǎng)。在運(yùn)用DS18B20的時(shí)候不添加其他的外圍元件，溫度控制的范圍通常是處于-50℃到+120℃之間的，其中的測(cè)溫分辨率設(shè)定為±0.4℃；將溫度測(cè)得的結(jié)果發(fā)送給CPU，其中的結(jié)果傳送形式是9位數(shù)字量。進(jìn)而進(jìn)行CRC驗(yàn)證，DS18B20的實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)了抗干擾糾錯(cuò)能力。數(shù)值與溫度之間的關(guān)系如表1所示。

表1 數(shù)值與溫度的關(guān)系

3.3 ADC0809轉(zhuǎn)換器

A/D中的主要核心是ADC0809，該過(guò)程的A/D轉(zhuǎn)換是通過(guò)逐次逼近實(shí)現(xiàn)的。ADC0809的電源設(shè)置的是+5V，而且芯片中有8路模擬多路開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)能夠?qū)?路0到5V的模擬電壓實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換，而每一次的轉(zhuǎn)換時(shí)間是100μS。

ADC0809中的引腳介紹如下：D0-D7表示8位輸出數(shù)字量。IN0-IN7表示8路輸入模擬量。VCC表示工作的電壓。GND表示接地。

START表示A/D轉(zhuǎn)換中信號(hào)啟動(dòng)的輸入端。

A、B、C分別表示地址的三個(gè)輸入端。

其中A/D誤差大小為實(shí)際模擬量和理論模擬量的差值，如公式（2）所示。

ΔV=V0-VR （2）

3.4 LED顯示接口電設(shè)計(jì)及數(shù)碼管

本文所選擇的4位數(shù)碼管對(duì)時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)地顯示，其中溫度的精度保持的是0.1℃。在單片機(jī)的系統(tǒng)中，LED顯示器有著重要的作用，隨著單片機(jī)的不斷發(fā)展，LED顯示器的運(yùn)用十分廣泛。LED數(shù)碼器通常應(yīng)用的場(chǎng)合是僅有數(shù)碼和其他由字母所組成的內(nèi)容。因?yàn)長(zhǎng)ED數(shù)碼器的配置比較靈活，界面比較清晰，同時(shí)在與單片機(jī)的接口相互連接的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。

LED數(shù)碼管在進(jìn)行字段顯示的過(guò)程中充當(dāng)著不可替代的器件，LED數(shù)碼器的組成部分主要包括了多個(gè)發(fā)光的二極管。如導(dǎo)通果發(fā)光二極管，則二極管中相應(yīng)點(diǎn)就被點(diǎn)亮，從而也對(duì)其他組合的二極管進(jìn)行導(dǎo)通，通過(guò)二極管能夠?qū)⒍喾N字符顯示出來(lái)，通常選擇的LED數(shù)碼管的段數(shù)一共是7以及形成的是“米”字段的樣式。一般情況下此種顯示器可以分為兩極；陽(yáng)極和共陰極。所謂的共陰極LED顯示器是將里面所有的陰極都連起來(lái)，同時(shí)將二極管的共陰極接地。如果發(fā)光二極管的陽(yáng)極顯示是高電平的是時(shí)候，二極管的相應(yīng)字段就會(huì)顯示亮點(diǎn)。與此同時(shí)連接起LED顯示器中的共陽(yáng)極的所有陽(yáng)極，一般情況下共陽(yáng)極是和正電壓相互連接起來(lái)的。LED數(shù)碼管和發(fā)光二極管是相同的，其中正向壓降設(shè)定的范圍是1.5V到2V之間，額定電流設(shè)置成10mA，電流的最大值是40mA。

3.5 溫度采樣部分

在溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要設(shè)置溫度參數(shù)，但是在這個(gè)測(cè)量參數(shù)中需要采集溫度的數(shù)據(jù)信息，而這個(gè)采集部分是通過(guò)溫度采樣單元實(shí)現(xiàn)的，采樣單元中包括了轉(zhuǎn)換溫度電壓、放大小信號(hào)和數(shù)字模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換等。從溫度到溫度電壓的而這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程的實(shí)現(xiàn)需要借助于溫度傳感器-熱敏電阻，放大小信號(hào)的實(shí)現(xiàn)需要借助于放大電路，而模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程是通過(guò)ADC0809實(shí)現(xiàn)的，獲取溫度數(shù)據(jù)信號(hào)后需要發(fā)送單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理從而形成輸出的信號(hào)是二進(jìn)制形式。

3.6 溫度傳感器

從一定的角度上分析，所謂的溫度傳感器指的是，物體自身的性質(zhì)會(huì)隨溫度的改變而改變。比如，生活中的很多的物品的性質(zhì)與溫度有著直接的關(guān)系，當(dāng)溫度發(fā)生改變的時(shí)候，物質(zhì)的特性也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，所以這些物質(zhì)材料都可以當(dāng)成是溫度傳感器，然而，一個(gè)材料能否成為溫度傳感器除了這點(diǎn)之外還需要有其他的特點(diǎn)如下：

1)當(dāng)溫度發(fā)生改變的時(shí)候，物體的特性改變也很大，而且這個(gè)發(fā)生改變的變量是很容易進(jìn)行測(cè)量的。

2)溫度和物體的特性之間存在著一一對(duì)應(yīng)的聯(lián)系，該類(lèi)物體只會(huì)對(duì)溫度很敏感。

3)產(chǎn)生的性能在誤差方面比較小。

4)投入的成本比較合理，從而適應(yīng)生產(chǎn)中大量應(yīng)用。

生活中很多物體都滿足上述幾點(diǎn)要求，這些就是溫度傳感器，比如玻璃溫度計(jì)，熱電阻，以及熱電偶等。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

其中總結(jié)構(gòu)中主要是由三個(gè)部分組成的，分別是主程序、按鍵子程序以及獲取溫度等組成。先將按鍵設(shè)置成功，成功設(shè)置了溫度值之后，就能夠在數(shù)碼管中看到這個(gè)溫度值，接著，A/D轉(zhuǎn)換器中就會(huì)將采集所得到的溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，溫度的數(shù)字信號(hào)就會(huì)在數(shù)碼管中成功顯示出來(lái)，加熱器的控制是通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)加熱器可以對(duì)溫度進(jìn)行升溫和降溫。

4.1 本文設(shè)計(jì)的主程序圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4.2 溫度獲取流程

首先是進(jìn)行初始化，然后判斷DS18820是否存在，如果存在，系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)ROM指令，接著繼續(xù)執(zhí)行存儲(chǔ)操作，最后進(jìn)行溫度的讀取。流程圖如圖3所示。

圖3 讀溫度流程

5 結(jié)語(yǔ)

在日常的生活中，很多方面都有涉及到溫度控制，比如溫棚、游泳池等場(chǎng)合中都有必要安裝溫度控制系統(tǒng)。但是傳統(tǒng)的溫度控制的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)人工進(jìn)行的，所以重視度依然不夠。本文具體介紹了數(shù)碼顯示器，數(shù)據(jù)采集等方面。

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