基于51單片機(jī)的多功能溫度控制器的設(shè)計(jì)

0概述

在某些工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，如恒溫爐、倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)藏、花卉種植、小型溫室等領(lǐng)域都對(duì)溫度有著嚴(yán)格的要求，需要對(duì)其加以檢測(cè)和控制。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法是將溫度傳感器輸出的模擬信號(hào)放大后送至遠(yuǎn)端A／D轉(zhuǎn)換器，最后單片機(jī)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。這種方法的缺點(diǎn)是模擬信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中存在損耗并且容易受到外界的干擾，導(dǎo)致測(cè)量的溫度精度不高。

文中以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，利用美國(guó)Dallas公司最新推出的單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8820測(cè)量溫度，單片機(jī)處理后對(duì)溫度進(jìn)行控制，并將溫度顯示在LCDl602上，還可通過(guò)按鍵設(shè)置溫度上下限值實(shí)現(xiàn)溫度超限報(bào)警等功能。

1 系統(tǒng)的組成和工作原理

多功能溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由六部分組成：控制核心部分、溫度數(shù)據(jù)采集部分、加熱裝置控制部分、液晶顯示部分、按鍵輸入部分和報(bào)警提示部分。單片機(jī)啟動(dòng)溫度采集電路完成溫度的一次轉(zhuǎn)換，然后讀出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量并轉(zhuǎn)化成當(dāng)前的溫度呈現(xiàn)在顯示模塊中，并將當(dāng)前的溫度與通過(guò)按鍵輸入電路設(shè)定的保持恒溫度數(shù)進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)溫度的控制。還可以通過(guò)按鍵設(shè)置溫度的上下限值以實(shí)現(xiàn)超溫或低溫報(bào)警提示功能。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)要對(duì)溫度的控制精度達(dá)到0．1℃。

1．1 報(bào)警電路

報(bào)警電路采用蜂鳴器作為發(fā)聲裝置，當(dāng)溫度高于設(shè)定的上限值或低于下限值，給蜂鳴器送周期為1s，占空比為50％的方波，報(bào)警的時(shí)間可以持續(xù)1分鐘或等待按鍵解除報(bào)警，這由軟件控制實(shí)現(xiàn)。

1．2 按鍵電路

采用2×3的小鍵盤，鍵盤的識(shí)別可以采用兩種方法：行掃描法和行反轉(zhuǎn)法。兩種方法都要注意消除按鍵的抖動(dòng)。文中采用行掃描法并做成子程序，出口參數(shù)為按鍵的鍵值。定義鍵K1設(shè)置TH，K2設(shè)置TL，K3調(diào)高TH或TL，K4調(diào)低TH或TL，K5對(duì)TH或TL的數(shù)值進(jìn)行確認(rèn)。

1．3 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)電路采用智能溫度傳感器DSl8820，它與單片機(jī)相連只需要3線，減少了外部的硬件電路。DSl8820主要性能特點(diǎn)如下：

(1)測(cè)溫的范圍為-55～125℃，最大分辨率可以達(dá)到0．0625℃；
(2)電源電壓范圍為3．0～5．5V；
(3)供電模式：寄生供電和外部供電；
(4)封裝形式有兩種：3腳的TO-92封裝和8腳的SOIC封裝；
(5)可編程的溫度轉(zhuǎn)換分辨率，分辨率為9～12位(包括1位符號(hào)位)，由配置寄存器決定具體位數(shù)，配置寄存器的格式如表1所示。

其中RlR0是用來(lái)設(shè)定分辨率的，分辨率的定義如表2所示。

由表2可以看出，分辨率設(shè)定得越高，溫度轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要來(lái)選擇合適的分辨率。本文中選取12位分辨率，每隔1秒檢測(cè)一次溫度。12位分辨率的溫度數(shù)據(jù)值格式如下：

當(dāng)S=0表示測(cè)得的溫度為正值，當(dāng)S=l表示測(cè)得的溫度為負(fù)值。

1．3．1 DSl8820的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

DSl8820的存儲(chǔ)器有高速暫存RAM和非易失性電擦寫EEPROM。高速暫存RAM的內(nèi)容從低字節(jié)到高字節(jié)9個(gè)字節(jié)依次為：溫度LSB、溫度MSB、高溫限值字節(jié)TH、低溫限值字節(jié)TL、配置寄存器、保留、保留、保留，最后一個(gè)字節(jié)是前8個(gè)字節(jié)的CRC碼。EEPROM用來(lái)存儲(chǔ)TH和TL。

1．3．2 溫度數(shù)據(jù)的處理方法

從DSl8820讀出的兩個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制值溫度必須先轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)值，然后才能將其ASCII碼送往LCDl602顯示。12位的分辨率，溫度是以0．0625步進(jìn)的，由于兩個(gè)字節(jié)的溫度采用補(bǔ)碼表示，所以先判斷讀出溫度的最高位是0還是1，即判斷是正溫還是負(fù)溫，然后對(duì)其求補(bǔ)碼轉(zhuǎn)化成正溫，之后將高字節(jié)的低4位和低字節(jié)的高4位組成一個(gè)字節(jié)，這個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制值不斷除以10得出的余數(shù)即為溫度值的個(gè)、十、百位值。若讀出的溫度數(shù)值是負(fù)數(shù)，顯示處理時(shí)，在溫度數(shù)的前面人為顯示負(fù)號(hào)即可。對(duì)小數(shù)部分的溫度只需將低字節(jié)的低4位乘以0．0625，然后對(duì)乘積取其小數(shù)點(diǎn)后的一位數(shù)即可。

1．3．3 DSl8820的控制步驟

(1)首先對(duì)DSl8820進(jìn)行復(fù)位。由單片機(jī)將數(shù)據(jù)線DQ拉至低電平480-960 μs，然后將DQ拉高15-60 μs，以便單片機(jī)檢測(cè)到DSl8820送來(lái)的低電平響應(yīng)。然后檢測(cè)DQ，若DQ仍然為高電平，則復(fù)位操作失敗，可采用循環(huán)的方式再次對(duì)其進(jìn)行復(fù)位；若DQ為低電平，則復(fù)位操作成功。

(2)DSl8820的ROM操作命令。DSl8820復(fù)位后，主機(jī)可以發(fā)器件ROM的操作命令如讀ROM[33H]、匹配ROM[55H]、跳過(guò)ROM[0CCH]，報(bào)警搜索[4EH]等。在單點(diǎn)總線的情況下，可發(fā)跳過(guò)ROM[0CCH]操作命令，以節(jié)省時(shí)間。另外，文中有報(bào)警的功能，溫度轉(zhuǎn)換后還需要發(fā)報(bào)警搜索命令，該命令會(huì)將最近一次測(cè)得的溫度值T與高速RAM中的TH或TL作比較，若T>TH或TTL，則該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令作出響應(yīng)。

(3)DSl8820的存儲(chǔ)器操作命令。如啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換命令[44H]，寫入命令[4EH](寫入該命令后，緊接著要寫入報(bào)警上限TH，報(bào)警下限TL及配置寄存器字節(jié))，讀暫存器RAM的內(nèi)容命令[0BEH](讀取將從第一個(gè)字節(jié)開始一直到第9個(gè)字節(jié)結(jié)束，如僅需要部分字節(jié)，主機(jī)可以在合適的時(shí)刻發(fā)復(fù)位命令來(lái)終止讀取)及復(fù)制命令[48H](把暫存器RAM的第2、3、4字節(jié)轉(zhuǎn)存到DSl8820的EEROM中)等。

(4)DSl8820的ROM或RAM操作的總線讀寫時(shí)序。對(duì)于讀時(shí)序，首先將DQ拉低并延時(shí)1-15μs以內(nèi)(延時(shí)時(shí)間不能太長(zhǎng))，然后將DQ拉高并延時(shí)幾個(gè)μs后再讀取DQ的值，讀完一位后需要延時(shí)45 μs以上才能讀取下一位；對(duì)于寫時(shí)序，先將DQ拉低10-15μs，接著向總線寫入數(shù)據(jù)并延時(shí)50μs以上，最后將DQ拉高1μs以上再進(jìn)行下一位的寫入。

1．4 液晶顯示模塊

采用的是長(zhǎng)沙太陽(yáng)人電子有限公司生產(chǎn)的SMCl602A。

1．4．1 主要技術(shù)參數(shù)

芯片的工作電壓4．5～5．5V，能顯示兩行，每行顯示16個(gè)字符，字符的大小為2．95×4．35mm。

1．4．2 接口信號(hào)說(shuō)明

除電壓、背光引腳及8個(gè)I／O引腳外，主要的控制引腳還有數(shù)據(jù)／命令選擇RS引腳，該引腳為高電平時(shí)表示I／O引腳出現(xiàn)的是數(shù)據(jù)，該引腳為低電平時(shí)表示I／O引腳出現(xiàn)的是命令；讀／寫選擇引腳及使能引腳E(該引腳為高電平時(shí)對(duì)SMCl602A的操作才有效)。

1．4．3 指令說(shuō)明

(1)初始化設(shè)置
a．顯示模式設(shè)置。指令碼：00111000b，用于設(shè)置16×2顯示，5×7點(diǎn)陣。
b．顯示開／關(guān)及光標(biāo)設(shè)置。二進(jìn)制指令碼：00000DCB中D位用來(lái)控制顯示開或關(guān)，C位用來(lái)控制顯示光標(biāo)，B位控制光標(biāo)是否閃爍。二進(jìn)制指令碼：000001NS中N位控制讀寫一個(gè)數(shù)據(jù)后地址指針和光標(biāo)加或減1，S位控制字符的移動(dòng)。
c．?dāng)?shù)據(jù)指針設(shè)置。指令碼：80H+地址碼(0-27H，40H-67H)用于設(shè)置數(shù)據(jù)指針。
(2)其他設(shè)置。如指令碼01H：顯示清屏且數(shù)據(jù)指針清零。

1．4．4 LCDl602的初始化步驟

(1)延時(shí)15ms，寫指令38H(不檢測(cè)忙信號(hào))；
(2)延時(shí)5ms，寫指令38H(不檢測(cè)忙信號(hào))，上述過(guò)程執(zhí)行兩遍，后面的過(guò)程每次寫指令、讀／寫數(shù)據(jù)之前均需要檢測(cè)忙信號(hào)；
(3)寫指令38H：顯示模式設(shè)置；
(4)寫指令08H：關(guān)閉顯示；
(5)寫指令0lH：清屏且數(shù)據(jù)指針清零；
(6)寫指令06H：字符不移動(dòng)，光標(biāo)和指針加1；
(7)寫指令0FH：顯示開，光標(biāo)閃爍。

1．5 恒溫保持控制模塊

選用6V固態(tài)繼電器作為開關(guān)器件，通過(guò)控制其斷與通的時(shí)序從而控制加熱器件的工作時(shí)長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)樣品的恒溫保持功能。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要電路原理圖如圖2所示。系統(tǒng)中使用USB口提供5V電源的電路；使用RS232串口通過(guò)P3．0和P3．1燒寫程序的電路；以及使用繼電器控制的恒溫保持電路等在原理圖中并未畫出。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總的流程圖如圖3所示。系統(tǒng)程序主要有主程序和LCDl602初始化子程序及讀寫時(shí)序子程序、DSl8820復(fù)位及讀寫時(shí)序子程序、鍵盤掃描子程序、溫度數(shù)據(jù)處理子程序等構(gòu)成。

4 程序的編輯及調(diào)試

編程語(yǔ)言可以采用匯編語(yǔ)言，也可以采用C51語(yǔ)言。本文采用匯編語(yǔ)言，使用Keil C軟件新建一個(gè)工程，然后新建一個(gè)文件輸入源程序并保存成．a(chǎn)sm格式，并將該源文件添加到剛剛新建的工程，隨后編譯鏈接后生成十六進(jìn)制文件(．HEX)，最后使用燒寫軟件stc-isp-v3．9l通過(guò)RS232串口將十六進(jìn)制文件燒寫進(jìn)單片機(jī)的Flash中運(yùn)行程序即可。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的多功能溫度控制器體積小、功耗低、可靠性高，實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)溫度的控制精度達(dá)到了0．1℃的設(shè)計(jì)目標(biāo)。