基于单片机的恒温箱温控系统设计

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P2‘5、P2’6、P2“7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P2‘4管脚控制。

图2 电路原理图

　　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P2’1、P2‘3、P2”2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P2“3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P3”5管脚。

　　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：

　　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P C B的边缘；4、滤波电容。

　　需靠近要滤波的器件附件，相互连接的导线不宜过长。否则影响滤波效果。检查确保制成的PCB没有短路、断路以及连错的情况下，将相应元器件焊接于制成的PCB上。

图4 PCB图

　　六、系统调试与故障排除

　　以万用表检测硬件的连接线路；在保证硬件电路没有短路、断路等问题的情况下。使用宏晶科技单公司所提供的下载软件（如图5所示）。将程序下载到STC89C52RC单片机上。从而进行软硬件结合调试。

图5 下载软件界面图

　　在调试的过程中，遇到如下故障，下载成功并给系统上电，刚开始程序正常运行，具有预期效果--数码管显示出温度值。而不到1分钟。数码管不再显示。此时，用手摸MCU，发现温度正常不发热。按复位键，无效；然后拔掉电源，用万用表测试数码管。数码管完好；后来换了另外一块完好的MCU，问题依然存在；最后着手去查硬件问题，发现MCU复位电路上的电解电容焊接反了，将该电容替换，问题得以解决。用WNY-03型0-1 50℃水银温度计头插入温控样品容器箱，测20℃，30℃，40℃，50℃控制值与实际值的偏差。

　　七、功能简介

　　制作成品如6所示。整个系统所具有的功能：（1）具有简易可行的温度采集功能。（2）依据所采集的温度值和设定的恒温值进行对比，并决定对系统环境加热或者冷却实现自动控温。（3）实现对小范围环境（如样品容器箱）的恒温。

图6 成品效果展示图

　　八、小结

　　本设计以经典的低廉单片机作为微控制器，设计了具有友好人及交互界面、智能化高等特点的温控样品容器箱。另外，需要指出的是。该系统仍然具有完善空间，如选用贴片封装的元器件。半导体制冷器件等。改善软件方面，亦有很大的空间。如程序滤波算法的应用，将进一步减少温度误差。将使该系统控制精度更高、功耗更低。温度控制范围更大。