湖南汽車工程職業(yè)學院 王維斌

基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的設計

湖南汽車工程職業(yè)學院 王維斌

本文介紹了一種以STC12C2052AD單片機為主控芯片，PT100為測溫傳感器的溫度控制系統(tǒng)的設計方法。設計中利用單片機內(nèi)部A/ D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)測量信號的轉(zhuǎn)換。單片機根據(jù)當前的測量溫度值與預先設定的溫度值進行比較，從而控制風扇電機的工作狀態(tài)，使當前溫度在設定范圍內(nèi)，保護工作裝置在正常的溫度下工作。本設計結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以廣泛應用各種溫度控制系統(tǒng)中。

溫度傳感器；溫度測量；溫度控制

1. 引言

溫度的控制無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生產(chǎn)中都有著非常得要的作用。隨著科技的不斷進步，各種控制與生產(chǎn)設備廣泛的應用于各個領(lǐng)域。溫度對各種設備的工作有著直接的影響，只有在正常的溫度范圍內(nèi)才能保證設備安全、可靠、高效的運行。因此，對于溫度的精確測量與有效調(diào)節(jié)的研究具有非常重要的意義。

2. 系統(tǒng)設計方案

圖1 溫度控制系統(tǒng)框圖

本設計的整體框圖如圖1所示，主要由單片機電路，傳感器與信號處理電路，風扇控制電路，按鍵與數(shù)碼顯示電路，電源電路等組成。溫度傳傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)過信號處理電路送到單片機STC12C2052AD，經(jīng)過單片機的內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換得到與溫度值相對應的數(shù)字信號，單片機將得到的數(shù)字信號換算成相應的溫度值在數(shù)碼顯示管上進行溫度顯示，同時，將當前測量的溫度數(shù)值與預先設定的溫度值進行比較，當前溫度低于設定值時，繼電器與風扇不工作，當溫度高于設定值時，單片機向繼電器發(fā)出控制信號，使風扇電機工作以降低系統(tǒng)工作溫度，實現(xiàn)溫度自動控制。

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路

3. 硬件電路設計

3.1單片機最小系統(tǒng)電路設計

系統(tǒng)中采用STC12C2052AD單片機作為主控芯片，它是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代51系統(tǒng)單片機，內(nèi)部集成專用復位電路，2路PWM波輸出，8路高速8位（10位）A/D轉(zhuǎn)換，內(nèi)部資源豐富，抗干擾能力強。本設計中直接利用其內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換。該單片機的最小系統(tǒng)電路如圖1所示，復位電路由R1和C1組成，時鐘電路由晶振Y1和電容C2，C3組成。20腳和10腳分別接電源與地。

3.2傳感器信號測量與處理電路

傳感器信號測量與處理電路如圖3所示，電路中采用TL431和電位器RP0調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電壓，采用R10，R11，RP1，PT100構(gòu)成測量電橋，其中R10=R11，RP1為100Ω精密電阻，當PT100的電阻值和RP1的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，這個壓差信號經(jīng)過集成運放LM358放大后輸出與溫度相關(guān)的電壓信號，該信號直接送到AD轉(zhuǎn)換部分進行轉(zhuǎn)換。差動放大電路中R12=R16，R14=R15，放大倍數(shù)=R14/R16。

3.3其他電路

主要包括電源電路，按鍵與數(shù)碼顯示電路，繼電器控制電路，如圖4所示。由于設計中用了12V和5V兩種不同的電壓，因此，在電路中利用降壓穩(wěn)壓芯片LM2576S-5實現(xiàn)將12V的直流電壓轉(zhuǎn)換為5V。顯示電路采用串行轉(zhuǎn)并行的顯示方式，由單片機的P1.5，P1.6，P1.7三個端口控制兩個串行轉(zhuǎn)并行的芯片74HC595來實現(xiàn)。4個獨立按鍵分別接在單片機的P3.2，P3.3.P3.4，P3.5上實現(xiàn)各種控制命令的輸入。繼電器由單片機P1.4口輸出高低電平以實風扇電機工作與停止的控制，風扇電機接在繼電器的常閉端，可以實現(xiàn)當控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時電機仍然工作，保證設備不會由于控制電路故障而使工作溫度過高，提高了設備工作的安全性與可靠性。

4. 軟件設計

4.1主程序

主程序流程如圖5所示，首先是對程序中所用到的各種變量進行初始化，設置片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器的各種控制寄存器，設定溫度的控制的上限值和下限值，然后讀取溫度傳感器PT100的電壓值，將讀到的電壓值換算成相應的溫度值進行顯示與比較，當溫度值低于設定值時，繼續(xù)讀取溫度值同時進行顯示，當溫度值高于設定上限值時，控制風扇電機開始工作，繼續(xù)檢測溫度的變化。當溫度低于設定下限值時，風扇電機又停止工作。

4.2溫度測溫程序

圖3 信號處理電路

圖4 其他電路

由PT100輸出信號經(jīng)信號處理電路轉(zhuǎn)換為直流電壓，設計中利用單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器將電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，溫度測量程序主要是對單片機內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換相關(guān)寄存進行設置，包括端口，轉(zhuǎn)換時間，中斷設置等。AD轉(zhuǎn)換采用中斷方式，當AD轉(zhuǎn)換中斷發(fā)生時，將轉(zhuǎn)換完成標志位置1，當程序檢測到標志位為1時，從ADC_ DATA寄存器讀取轉(zhuǎn)換輸出值，計算出溫度值，完成溫度的測量，程序流程圖如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 溫度測量程序

5. 結(jié)論

本設計中利用PT100設計了一種溫度控制系統(tǒng)，由于采用高速、低功耗、超強抗干擾、內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換芯片的單片機，使本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、控制精確。采用數(shù)碼管進行溫度顯示，溫度上下限值可任意設定，使系統(tǒng)使用方便，安全可靠?？捎糜诜N溫度控制裝置。

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The Design of Temperature Control System Based on MCU

Wang WeiBin

n this article，it is introduced that one design method of temperature control system based on STC12C2052AD as the main control chip and PT100 as temperature sensor.The internal A/D converter of MCU is used to convert the signal of measurement in this design.The MCU compare the preset temperature value with the temperature value of preset，to control the work state of the fan motor，so that the temperature within the set range，protect the device under normal temperature work.The design has the advantages of simple structure and convenient use，and can be widely used in various temperature control systems.

temperature sensor；temperature measurement；temperature control

王維斌（1982—），男，湖南汽車工程職業(yè)學院汽車電子系講師，研究方向：單片機設計與開發(fā)，電子產(chǎn)品開發(fā)與設計，汽車單片機與網(wǎng)絡總線控制。