基于单片机的小型恒温箱设计

摘 要： 在此介绍了基于80C51单片机的小型恒温箱的温度控制系统设计，系统具有温度调节功能，用户可通过外部操作设定温度区间，若超出温度的设置范围就可以驱动相应的负载工作，同时报警告知。详细阐述了硬件原理和软件程序。温度控制系统主要由中央控制器、温度检测器、显示器等模块组成。由温度传感器DS18B20采集外部温度信号，传送给单片机，由单片机对信号进行相应处理，把数据传送给LED显示，从而实现对温度控制的目的。实物恒温箱模型可以被作为小型车载冰箱、宠物箱恒温系统、饮料的加热或降温器等多用途。

关键词： 单片机STC89C5； 温度控制； 恒温箱； 温度传感器DS18B20

中图分类号： TN70 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）22⁃0101⁃04

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

随着单片机技术的日趋成熟，用单片机控制小型电器不仅可以给人的使用带来方便，也可以使操作甚至加工更简单。小型恒温箱就是单片机应用很好的一个实例。由于科技水平和人们生活水平的提高，以及各领域对恒温箱的使用需求的提高，比如实验室中的恒温环境需求的精度提高、医用疫苗的严格恒温保存甚至婴儿使用的奶瓶恒温器也需要比较精确的温度控制等，人们对恒温箱的的设计要求也越来越高，不仅希望它的内部控制电路比较简化，降低成本，还要能从外部进行温度的设置以满足不同用户的使用需求。这里以适合家庭用的小型的恒温箱为例，给出了它的设计思路和方案，并且做了仿真模拟和实物制作，实验证明，该设计运行良好，而且它兼具了携带方便、控制准确、操作简单、温度显示清晰等特点。设计采用了数字温度传感器DS18B20，因其A/D转换器在内部集成，使得电路板上的电路布线结构简单，从而减少了温度测量转换时的精度损失，使测量温度更加精确。由于单片机功能强大，并且其具有控制简单、程序载入灵活等特点，因此本设计硬件电路以80C51单片机为核心来实现温度控制；选择51 单片机作为小型温度采集系统，与传统设计相比，具有成本低、使用方便、相对测量精度高等优点，潜在的实际应用价值较高[1]。另外通过按键操作以及动态显示的方式，可以更容易的控制固态继电器。温度控制元件主要通过采用继电器，继电器可以直接驱动2 500 W功率的负载，并且可以应用在家庭、小型工厂等中的小电量用电设备，还可以用继电器来控制交流接触器线圈等，即可以实现对大功率负载的控制，实际的应用范围非常广泛。

1 电路功能模块介绍

系统的整体电路图如图1～图5所示，由时钟电路、复位电路、显示电路、加热和降温电源的控制电路和键盘电路组成。下面具体阐述各种电路的功能实现过程：

1.1 时钟电路

众所周知，只有在时钟的驱动下单片机才能进行工作，其单片机内部具有时钟振荡电路，当连接振荡器就可为各部分提供时钟信号。时钟信号通常是内部振荡方式和外部震荡方式这2种电路形式。本设计中采用内部震荡方式，这样振荡器自激振荡产生矩形时钟脉冲序列时只需引脚XTAL1和XTAL2上外接定时反馈电路即可。定时反馈电路中石英晶振是很重要的一个重要指标，时钟频率越高，单片机控制器的节拍就会越快，运算速度相应的也就快了。为了得到没有误差的波特率，石英晶振的频率会将12 MHz设为典型值。而电容C1，C2的加入会令其快速起振及稳定振荡频率。电容的大小将会影响振荡器的稳定性、频率的高低、起震得速度以及温度的稳定。根据对应的时钟频率，所以本设计中选用30 pF这一典型值。

在电路的设计上面，为了减少寄生电容以及使振荡器稳定、可靠的工作，选用的陶瓷振荡器尽可能接近单片机芯片，如图1所示。

图1 时钟电路图

1.2 复位电路

复位电路的存在可以保证控制系统的稳定工作，它不仅可以有效地保证程序从开始执行，当由于操作错误或者程序运行出错而引起的系统死机时，复位便可以让它重新开始。单片机的复位需要通过外部电路来实现，在震荡器运行的时候，RST引脚还需要保持两个周期及以上的持续高电平可以使其复位，每个周期执行一次，直到RST变为低电平。本设计采用按键手动复位，即通过电阻接高电平，如图2所示。

1.3 显示电路

考虑到实用性和可操作性，本设计使用LED显示屏作为输出器件。它由很多个发光二极管组成，当二极管导通时，相应的笔画会发光。本设计的采集温度并显示这一功能采用了共阳极LED数码管。数码管的数据位使用的是单片机的P0口，它的作用是显示温度值，也就是控制数码管a到dp端口。P2.4～P2.7这4个接口用于数码管片选位，用途是控制数码管的公共极。三极管的作用是增加LED的亮度，从而使显示的更为清晰便于观察。显示过程是：单片机的中央控制器向字段输出P0口送出字形码，所有的显示器都接到了送出的这个字码DPY端（由单片机P2.4～P2.7这4个接口控制）决定哪个显示器亮，即显示接收到的字码，如图3所示。

图2 复位电路图

图3 显示电路

1.4 加热和降温电源的控制电路

通常制冷有风冷、水冷、压缩机制冷、半导体制冷等几种方式[2]。控制电路是通过对加热模块与降温模块的通断控制从而达到温度在设置的范围内。控制电路中继电器的选择是决定电路稳定性以及灵敏度的重要部分。当输入量达到一定值的时候，继电器的输出量可以自动发生跳跃式变化，常被用作自动控制器件。它不光体积小、功工作状态稳定、使用寿命长，而且灵敏度还很高，即可以迅速控制电路的开合，起到保护电路、控制电路等作用。本设计中采用固态继电器（SSR），它可以有效地抵抗电磁干扰，不仅如此，它的切换速度十分快速，甚至有些可以达到几微秒。除此之外，它对输入电压低的范围要求不高，驱动功率小，与大部分的逻辑集成电路兼容，从而省略了加驱动器或者缓冲器之类的器件的麻烦，如图4所示。

1.5 键盘电路

基于AT89S51的遥控技术能实时变换电源通道与断开功能，使其成为智能可调的开关，便于日常生活及实验中使用。键盘可以通过人类手动输入数据传递给单片机，从而实现简单的人机对话[3]。因为只有四个按钮，本设计中采用的是独立链接式键盘，即每个按键独立的接入一根数据线。在电路连通的情况下，所有的数据输入线都接高电平，而每一次按键按下的时候，相连接的数据输入线就要转为低电平，位处理指令可以判断有没有按键被按下，如图5所示。

图4 加热和降温电源的控制电路

图5 键盘电路图

2 软件程序流程图

由于STC89C51单片机具有ISP功能，可实现在线编程，通过上位机软件直接与PC机连接就可完成程序的下载烧录，无需反复插拔单片机，无需昂贵的专用编程器，甚至不需要仿真器，用户可直接查看结果，达到调试目的[4⁃5]。软件设计采用模块化设计，由主程序模块、数据转换与控制子程序模块组成。

2.1 主程序流程图

主程序流程图如图6所示。

2.2 数据转换与控制子程序模块流程图

数据转换与控制子程序流程图如图7所示。

3 仿真实现及实物运行结果分析

完成了硬件电路设计与程序的编写与开发后需要进行调试。为了避免应用程序运行中软件、硬件上的错误，需要借助单片机的仿真开发工具Protel DXP进行调试，从中发现错误并加以改正【6⁃8】。经验证仿真效果运行良好，如图8，图9所示。

图6 主程序流程图

图7 数据转换与控制子程序流程图

图8 仿真图

根据设计思想，制作出了实物，使用时接通电源，显示屏就会显示出当前箱内的温度，通过设置按钮，选择调节温度的上限（H）与下限（L）。当显示屏前有H标志时就可以开始设定上限温度，分别通过上升和下降两个按钮控制。当设定温度区间完成后，恒温箱内温度就会保持在这个区间。当温度高于上限或者低于下限时，蜂鸣器会进行报警。当温度低于下限时，会通过继电器启动加热片进行加热。而当当前温度高于上限时，会通过继电器控制风扇进行降温。

图9 实物电路板图

4 结 语

本文分别从硬件和软件两方面对基于51单片机的小型恒温箱的温度控制系统的设计进行了阐述。温度控制系统主要由中央控制器、温度检测器、显示器等模块组成。以单片机为核心，温度检测部分采用DS18B20温度传感器，显示器部分选用LED数码管。软件部分采用C语言实现人机对话。使用Protel DXP绘制原理图并进行仿真，并做出了设计的实物，经实验证明此系统可以测量20～99 ℃ 的温度，且精度误差小于 0.5 ℃ 。用户可以通过键盘设置温度，也可以通过数码管显示读取当前温度值以及设定的温度值，并且当温度超过设置温度的上下限时，本设计可以自动判断，进行相应的加热与制冷功能。而且它需要具有携带方便、控制准确、操作简单、温度显示清晰等特点，可以被作为小型车载冰箱、宠物箱恒温系统、饮料的加热或降温器或家用药品恒温箱等多用途。

参考文献

[1] 顾涵.基于51单片机的小型温度采集系统设计[D].常熟：常熟理工学院，2012.

[2] 王银玲.基于单片机的恒温箱控制系统设计[J].农机化研究，2009（9）：103⁃105.

[3] 陈成义.基于AT89S51单片机的成空电源开关设计[J].电子科技，2014（5）：2⁃4.

[4] 陈志红.基于51单片机温度采集系统的设计与实现[D].郑州：郑州铁路职业技术学院，2011.

[5] 潘林法.小型高精度半导体制冷恒温控制器研究[D].湖州：湖州师范学院，2010.

[6] 张毅刚，彭喜元，彭宇.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2010.

[7] 汪铭东，梅广辉.基于单片机与DS18B20的机柜温度控制器设计[J].现代电子技术，2014，37（12）：8⁃10.

[8] 朱申.基于双模糊控制的温度控制系统研究[J].现代电子技术，2011，34（11）：202⁃204.

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