摘 要:本文介紹了基于單片機(jī)AT89C51 的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)。采用溫度傳感器DS18B20 采集溫度數(shù)據(jù)，液晶顯示屏LCM1602 顯示溫度數(shù)據(jù)，AT24C02B 存儲(chǔ)溫度上下限設(shè)定值，按鍵設(shè)置溫度上下限并可改變加熱器與致冷器的溫控狀態(tài)，當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)加熱器加熱，同時(shí)點(diǎn)亮綠色發(fā)光二極管，當(dāng)溫度高于設(shè)定的上限時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)致冷器降溫，同時(shí)點(diǎn)亮紅色發(fā)光二極管。給出了系統(tǒng)總體框架、程序流程圖和Proteus 仿真結(jié)果，并在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的功能。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；溫度控制系統(tǒng)；溫度傳感器；液晶顯示器
1 引 言
隨著社會(huì)的發(fā)展，溫度的測量及控制變得越來越重要。本文采用單片機(jī)AT89C51 設(shè)計(jì)了溫度實(shí)時(shí)測量及控制系統(tǒng)。單片機(jī)AT89C51 能夠根據(jù)溫度傳感器DS18B20 所采集的溫度數(shù)據(jù)來控制加熱器或致冷器的啟停，從而把溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。在溫控開關(guān)被激活的情況下，當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)加熱器加熱，同時(shí)點(diǎn)亮綠色發(fā)光二極管，當(dāng)溫度高于設(shè)定的上限時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)致冷器降溫，同時(shí)點(diǎn)亮紅色發(fā)光二極管。所有溫度數(shù)據(jù)均通過液晶顯示器LCM1602 顯示出來。為了防止單片機(jī)掉電引起的數(shù)據(jù)丟失，溫度上下限的設(shè)定值存儲(chǔ)在AT24C02B 中。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制模塊，溫度采集模塊，溫度顯示模塊，溫度上下限調(diào)整模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和外部存儲(chǔ)模塊等六大部分。系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。
2.1 單片機(jī)控制模塊
控制模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)方案的核心，它控制了溫度的采集、處理與顯示、溫度上下限值的設(shè)定與溫度越限時(shí)電機(jī)的啟動(dòng)。
本文選用AT89C51 作為控制器件。它是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的8 位Flash ROM 單片機(jī)。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是片內(nèi)ROM 為Flash ROM，可方便地擦寫1000 次以上，價(jià)格低廉,而且其指令豐富，編譯工具多，仿真環(huán)境好。因此被廣泛地應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
本控制系統(tǒng)中AT89C51 與外圍設(shè)備的連接關(guān)系如圖2 所示：
由圖2 可知，溫度數(shù)據(jù)采集模塊中溫度傳感器DS18B20 的DQ 端接P1.7；顯示模塊LCM1602的DB0～DB7 數(shù)據(jù)端口接P0.0～P0.7，數(shù)據(jù)命令選擇端RS 接P2.0，讀寫選擇端接P2.1，使能信號接P2.2；溫度上下限調(diào)整模塊包括模式切換、增加溫度上下限值、減少溫度上下限值、溫控開關(guān)等四個(gè)功能，它們分別接P1.0～P1.3；外部存儲(chǔ)模塊為AT24C02B，其SCK、SDA 分別接P2.3 與P2.4；電機(jī)控制電路與P3.6 和P3.7 相連；XTAL1、XTAL2 接振蕩電路，RST 接復(fù)位電路，EA 接高電平，LCM1602 上的VO、RST 接電源+5V，GND 接地。
2.2 溫度數(shù)據(jù)采集模塊
溫度由DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20 采集。DS18B20 測溫范圍為-55°C～+125°C，測溫分辨率可達(dá)0.0625°C，被測溫度用符號擴(kuò)展的16 位補(bǔ)碼形式串行輸出。CPU 只需一根端口線就能與諸多DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。
DS18B20 內(nèi)部有一個(gè)9 字節(jié)的高速存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)溫度值。其中前兩個(gè)字節(jié)是測得的溫度數(shù)據(jù)，第1 字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第2 字節(jié)是溫度的高八位，第3 和第4 字節(jié)是溫度上限 TH 與溫度下限 TL 的易失性拷貝，第5 字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新，第6、7、8 這三個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算，第9個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)，可用來保證通信的正確性。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)出后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在此存儲(chǔ)器的第1 和第2 個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，其中高5 位是符號位，中間7 位是整數(shù)位，最低4 位是小數(shù)位。
DS18B20 最大的特點(diǎn)是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，因此對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。時(shí)序包括：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從單片機(jī)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求DS18B20 回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，單片機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20 的時(shí)序及命令請參考文獻(xiàn)[1]。
2.3 LCM1602
LCM1602 是2 行×16 個(gè)字符的字符型LCD 顯示器，它由32 個(gè)字符點(diǎn)陣塊組成，每個(gè)字符點(diǎn)陣塊由5×7 或5×10 個(gè)點(diǎn)陣組成，可以顯示ASCII 碼表中的所有可視的字符。它內(nèi)置了字符產(chǎn)生器ROM (Character Generator ROM,CGROM)、 字符產(chǎn)生器RAM (CharacterGenerator RAM, CGRAM)和顯示數(shù)據(jù)RAM(Data Display RAM, DDRAM)。CGROM 中內(nèi)置了192個(gè)常用字符的字模，CGRAM 包含8 個(gè)字節(jié)的RAM，可存放用戶自定義的字符，DDRAM 就是用來寄存待顯示的字符代碼。DDRAM 地址與顯示位置的對應(yīng)關(guān)系以及LCM1602 的指令與讀寫時(shí)序可參考文獻(xiàn)[2]。
2.4 外部存儲(chǔ)模塊
外部存儲(chǔ)模塊采用美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗CMOS 型E2PROM 器件AT24C02B，它內(nèi)含256×8 位存儲(chǔ)空間，具有工作電壓寬(2.5～5.5 V)、擦寫次數(shù)多(大于10000 次)、寫入速度快(小于10ms)、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)不易丟失、體積小等特點(diǎn)。它采用了I2C 總線規(guī)程，使主／從機(jī)雙向通信。主機(jī)通過SCL 引腳產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號并發(fā)出控制字，控制總線數(shù)據(jù)傳送的開始、方向和停止。無論是主機(jī)還是從機(jī)，接收到一個(gè)字節(jié)后必須發(fā)出一個(gè)確認(rèn)信號。AT24C02B 占用很少的資源和I／O 線，并且支持在線編程，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存取十分方便。AT24C02B 的讀寫時(shí)序及控制字見參考文獻(xiàn)[3]。
2.5 溫度上下限設(shè)置模塊
溫度上下限設(shè)置模塊包括四個(gè)按鍵：
（1）模式切換鍵：進(jìn)行模式之間的切換，模式包括設(shè)置溫度上限模式、設(shè)置溫度下限模式，每次按下該鍵就在這兩種模式之間切換。
（2）溫度上下限增加鍵：增加溫度上下限的值。
（3）溫度上下限減少鍵：減少溫度上下限的值。
（4）溫控開關(guān)鍵：是溫控與非溫控之間的切換鍵。它用于設(shè)置是否進(jìn)行溫度控制即是否讓越界的溫度值觸發(fā)加熱器或致冷器的啟動(dòng)。
2.6 控制電路模塊
該部分電路有光耦合元件4N25、繼電器、三極管，若干電阻等構(gòu)成。這部分電路的主要作用是光電隔離，即消除后級電機(jī)對前級單片機(jī)的影響。三極管使用的是9013，9013是NPN 型的，把其集電極接+5V 電壓，射極接繼電器。當(dāng)單片機(jī)引腳給出低電位時(shí)，4N25內(nèi)部的發(fā)光二極管亮，使其內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，繼而通過第4 引腳上的10K 電阻分得電壓。當(dāng)4N25 給其基極提供足夠的電壓時(shí)9013 導(dǎo)通。繼電器的常開開關(guān)閉合，電機(jī)上電工作。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
主程序調(diào)用了5 個(gè)子程序，分別是LCD 顯示程序、按鍵掃描及處理程序、溫度采集程序、溫度越界判決程序、AT24C02B 讀寫程序。LCD 顯示程序，用于溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；按鍵掃描及處理程序，實(shí)現(xiàn)按鍵識(shí)別、按鍵輸入及相關(guān)處理；溫度采集程序負(fù)責(zé)把DS18B20所采集的現(xiàn)場溫度讀入到指定的數(shù)組中；溫度越界判決程序，對現(xiàn)場溫度與設(shè)定的溫度上下限進(jìn)行比較，若溫度越界，并且當(dāng)溫控開關(guān)處于開啟狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)加熱器或致冷器工作；
AT24C02B 讀寫程序，存儲(chǔ)和調(diào)用設(shè)定的溫度上下限值。圖3 為系統(tǒng)主程序與按鍵掃描程序的流程圖。有關(guān)溫度采集的程序及流程圖可參考文獻(xiàn)[4]。
4 PROTEUS 仿真
按照圖2 所示電路原理圖，在Proteus 里面建立元器件連接關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求在Keil μVision3 環(huán)境下編寫C 語言程序，并編譯連接生成十六進(jìn)制的hex 文件，把此文件加載到單片機(jī)，就可以進(jìn)行Proteus 仿真了。圖4 是當(dāng)溫度低于所設(shè)定的下限值并且溫控開關(guān)處于激活狀態(tài)時(shí)，綠色二極管亮，同時(shí)加熱器啟動(dòng)的仿真結(jié)果。
5 結(jié)束語
本文詳細(xì)講述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并給出了相關(guān)程序流程。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，可以應(yīng)用在倉庫溫度、大棚溫度、機(jī)房溫度等的監(jiān)控。另外，如果把本設(shè)計(jì)方案擴(kuò)展為多點(diǎn)溫度控制，加上上位機(jī)，則可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)，將具有更大的應(yīng)用價(jià)值。
本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于詳細(xì)設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)AT89C51 的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行了Proteus仿真，所設(shè)計(jì)程序已經(jīng)在硬件平臺(tái)上成功運(yùn)行.此系統(tǒng)可廣泛用于溫度在DS18B20 測溫范圍之內(nèi)的場合，有良好的應(yīng)用前景。
本項(xiàng)目來源于焦煤集團(tuán)礦區(qū)溫度監(jiān)控工程，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益為20 萬元。
參考文獻(xiàn)
[1] 周潤景，張麗娜．基于PROTEUS 的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[M]．北京:航空航天大學(xué)出版 ,2006.P321～P326
[2]王忠飛，胥芳．MCS-51 單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007．P268-273
[3] Microchip 24C01B/02B 8 位PIC®單片機(jī)產(chǎn)品手冊[ED/OL]，http://www.chuandong.com/publish/data/2007/2/data_14_27926.html.
[4]趙娜，趙剛，于珍珠等.基于51 單片機(jī)的溫度測量系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2007，1-2：146-148。
作者簡介:趙鴻圖(1965.4-)，男，漢族，河南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，講師，主要研究方向?yàn)榍度耸较到y(tǒng)，計(jì)算機(jī)通信; |
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