制作单片机恒温箱的温控系统的方法解析

本设计的主要原理是，单片机实时地将温度传感器所采集的温度值与所设定的恒温值进行比较和处理。从而监控并保持样品容器箱的温度值。本文给出了该系统的方案设计、硬件电路、软件设计、故障排除以及系统调试等内容。

系统的主要性能指标有：(1)恒定温度值设定范围：20-50℃,最小区分度：1℃;f 2)数码管显示实际温度值，显示范围：0-99℃;最小区分度：0.1℃;(3)温度控制误差：≤4-1℃;(4)显示精度：温度控制的绝对误差≤±3℃.鉴于风扇冷却，环境温度高于20℃.恒温下限相应上移。

一、系统方案设计

本系统是基于经典C51系列单片机的应用开发，集环境温度的信号采集、数据的处理及温度的保持控制等等为一体的数字控制系统。同时，该系统设计有友好的人机交互界面以及简易的设置按键。

系统由如下功能模块组成：MCU模块，显示模块。电源模块，按键设置模块，温度采集模块。

冷却模块以及加热模块。系统方案框图如图1所示。

图1系统方案框

二、元器件选择

本设计的MCU采用sTC89C52单片机;考虑到节省器件使用的需要。温度传感器则采用单总线制的数字温度传感器DSl8820,无需接A,D转换器，采样值可直接送单片机处理，简易方便;系统采用普通单刀继电器HK4100F作为控制开关;两个水泥电阻(10W,10Ω)串联作为加热器件，低压(最高24V)供电，安全可靠;以5V直流供电小型风扇达到降温或使容器受热均匀的目的;采用普通的按键开关，实现恒温温度的可调设置功能;三位一体的数码管实时显示当前容器的温度值，简易低廉，实现了人机交互界面之目标。

三、硬件电路设计

依据系统方案，概述主要模块接口电路;1、电源模块。12~24V交流输入，输入的交流电压为水泥电阻的发出热量提供电能;输入交流电压经整流滤波，接入稳压芯片7805转变为5V直流电压(VCC)以供给MCU及其外设系统使用。

2、显示模块。共阳数码管，段选接MCU I/013的P1组管脚。以9012三极管作为数码管位选开关，位选分别由P25、P26、P27等管脚控制，三位数码管显示当前温度(采样温度)值，其中有一个为小数位。其余两个分别为十位和各位。

3、加热模块。主要根据设定恒温值与采样温度值的比较结果进行工作。即，采样温度值大于设定值时。继电器闭合并接通水泥电阻加热，否则断开。

图2中，JDl、JD2分别接串联水泥电阻及交流电源的一端，该继电器由单片机的P24管脚控制。

图2 电路原理图

四、系统软件设计

1、系统软件概述，如图3所示，系统软件主流程是一死循环程序。其主要任务是：

(1)初始化系统。主要完成相关单片机寄存器的配置，初始化全局变量等。

(2)判断。设置按键是否按下.若按下。则转入设置处理。并定时10S,若10S后仍然没有按键按下，则跳出设置处理。

(3)采集温度并处理数据。主要对DSl8820复位并读取数值，对所得数据作相关处理并最终转换为十进制数以便于数码管显示。

图3主程序流程图

2、部分软件程序代码展示。软件的设计，使用Keil C51开发编写软件程序。软件程序主要由主程序，初始化子程序，读取DSl8820传感器数据子程序。温度数据处理子程序，显示子程序。中断定时子程序以及按键设置子程序等组成。由于读取DSl 8820数据的子程序涉及底层硬件接13,故该子程序采用汇编语言编写，除此之外之外。其他全部程序代码采用C语言编写。

主程序:

4、按键设置模块。为了节省材料和硬件资源，系统设计了三个按键，设置恒温值时，一个用于递增输入;另一个用于递减输入;第三个预留。三个按键的一端接地。另一端分别接MCU的P21、P23、P22管脚。

5、冷却模块。安装小型风扇，以5V直流电压供电，以继电器控制风扇的工作状态，以实现智能化控制。主要根据设定恒温值与采样温度值的比较结果进行工作。即当采样温度值大于设定值时，继电器闭合并启动风扇冷却。否则断开。该继电器由单片机的P23管脚控制。

6、温度采集模块，温度采集模块。以单总线操作的DSl8820温度传感器作为温度采集器。从温度传感器获取温度值的方法非常简洁，无须接A,D转换器。即可实现对温度测量并将测量数据直接送单片机处理。且可使系统实现温度的巡回测量和显示。其中，温度传感器的数据管脚接单片机的P35管脚。

数码管显示程序：

温度控制子程序：

五、PCB设计与硬件焊接

以Altium Designer软件绘制设计系统PCB图。

如图4所示。设计PCB时，主要注意如下问题：1、按模块电路组合排列元器件。即将同一模块的元器件尽量排列在一起，以避免布线繁杂而难以发现检测或排除故障;2、布线时保证安全的线间距，设置好布线规则后。最好手动布线;3、需要与外界连接的接口，一般放在