基于单片机的温度控制系统设计及仿真.pdf

1、基 于 单 片 机 的 温 度 控 制 系 统 设 计 及 仿 真孙杰1，张学军2，刘云3，鄢金山2，史曾录2，靳伟1，李超新1，刘立果1(1 新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐830052;2 新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐830052;3 克拉玛依五五机械制造有限责任公司，新疆 克拉玛依834032)摘要:针对电阻炉类烘干设备温度控制系统滞后严重、能源浪费等问题，设计了一种以 AT89C52 单片机为核心，数字温度传感器 DS18B20 采集温度信息、LCD1602 显示和执行模块为一体的温度控制系统。根据设定干燥的温度范围，主加热系统主要进行加热干燥，控温部分采用较

2、小功率的加热管，辅助加热同时调节干燥温度。系统在 proteus 软件上仿真，能够实现低温加热、高温报警降温，同时可以显示当前温度，随时调整温度范围等功能。该系统具有简单方便、适应性强、电能利用率高等优点。关键词:烘干设备;电阻炉;温度控制;单片机中图分类号:TP273+5文献标识码:A文章编号:1003 188X(2015)04 0219 040引言在工业和农业生产过程中，温度是一个非常重要的物理量，它不仅关系着产品的质量、产量，同时也和安全生产、提高能源利用率等技术指标相联系。因此，合理精确的温度控制成为研究的重点。在实际生产应用中，单片机以其成本低廉、技术成熟、使用简单和灵活性强等优点，

3、在工业控制等领域已被广泛采用1 3。目前，单片机在农业机械化温度控制领域多处于温度采集和简单的定值开关控制阶段，温度波动的控制精度也相对较低，可移植性不高4。因此，对于温度的精确控制和具有广泛的适用性及简单的人机操作界面等正成为目前研究的重点。为此，设计了一种可以减小被检测对象的温度波动、提高能源利用率的温度控制装置。1设计原理在温度控制过程中，单一的定值开关控制方式会产生较大的温度迟滞现象，对于加热箱等干燥设备的干燥效果差、干燥品质低5;但是在普通的干燥设备中，单纯采用 PID 控制方式会使控制系统变得复杂，对于硬件的要求程度高，在持续高温环境下精度也随之降低，故障率高。为了解决这一问题，本

4、文设计一种单片机温度控制系统，该系统使用两种功率大小收稿日期:2014 04 15基金项目:科技支疆项目(2012AB003)作者简介:孙杰(1989 )，男，江 苏 连 云 港 人，硕 士 研 究 生，(E mail)sunjieuser sina com。通讯作者:张学军(1966 )，男，乌鲁木齐人，教授，硕士生导师，博士，(E mail)zhxjau sina com。不同的加热方式。加热元件使用红外加热管，功率大的加热管起主要的加热作用，正常工作时处于启动状态。功率较小的加热管起辅助加热作用，在测量温度高于目标温度时立即停止加热，当温度低于目标温度时开启加热;但当温度高于目标温度上限

5、一定值时，主加热管也停止工作，同时引风机开启，辅助降温。对于一般的电加热干燥设备而言，此方案能够满足实际生产的需要，并且温度延迟效果低，节能效果显著。2系统硬件电路设计2 1系统主结构设计该温度控制系统由主控制系统、温度采集模块、温度显示模块、温度动态控制系统、报警模块和按键控制系统组成。系统的结构框图如图 1 所示。图 1系统结构框图Fig1System structure diagram2 2单片机主控系统作为温度控制系统的核心部分，单片机承载着对温度信息的处理、按键的扫描识别、温度动态控制系9122015 年 4 月农 机 化 研 究第 4 期DOI:10.13427/ki.njyi.2

6、015.04.052统的协调、输出显示温度和报警的任务。本文采用的 AT89C52 单片机是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS8 位单片机。其内部有8k 字节可重擦写 Flash 闪存，成本低廉，兼容 MCS 51 系列的所有指令，程序语言丰富;与 AT89C51 相比，存储空间更大，中断源更多，方便后期其他模块的添加;技术成熟，因此在自动控制等领域被广泛采用 6。AT89C52 单片机主控制系统与其他模块连接原理图如图2 所示。P1 0 P1 4 口为键盘输入端口，通过对应按键对目标温度的上下限进行设定。数字温度传感器总线与单片机的 P1 7 口相接，经过单片机处理之后，测

7、得的温度输出至 P0 口，通过 LCD1602 显示出来。温度动态控制信号通过单片机 P2 4 P2 6口传输。加热管和散热风扇采用的是 220V 的交流电，温度控制口接相应控制电路的继电器，通过继电器控制加热、散热部分的工作。图 2系统电路图Fig 2The system circuit diagram2 3温度采集模块DS18B20 是由美国 DALLAS 公司生产的数字温度传感器，它通过单总线协议依靠一个单线端口进行通讯。其仅占用一个单片机的 I/O 口，无需其他任何外部件，把环境温度直接转化成数字信号，以数字码方式串行输出，从而简化了传感器和微处理器之间的接口。该传感器可以单个于单片机

8、连接实现温度采集功能，在需要采集多点温度数据时，只需将多片DS18B20 同时挂在一条总线上，由软件对每个温度传感器的 OM 编码进行识别即可，具有成本低、结构简单、供电方式多样、方便扩展和可靠性高等优点7 9。2 4温度动态控制系统温度动态控制系统主要由加热管、引风机、继电器等构成。单片机的 P2 4 口接主加热管的控制继电器，通过输出高低电平来实现主加热管的启动和停止;单片机的 P2 5 口与控制调温加热管的继电器相连;降温风机控制继电器控制端和高温报警电路，与单片机的 P2 6 口相连。3系统软件设计3 1主程序流程图系统开机启动后，通过温度控制按键设定干燥温度范围;由传感器 DS18B

9、20 采集实时温度，通过控制系统的对比给出控制信号，同时定时对按键进行扫描，以随时调整目标温度范围。系统主程序流程图如图 3 所示。3 2温度数据读写子程序设计由于 DS18B20 单总线通讯方式的特殊性，传感器读写温度数据具有严格的时序要求。工作时序包括初始化、读时序和写时序。单片机的命令和温度数据0222015 年 4 月农 机 化 研 究第 4 期的传输都从执行单片机写时序的指令时开始，对于单片机需要 DS18B20 送回数据，要在写时序命令执行之后再启动写时序指令才能完成对数据的接收。总线通讯方式使得硬件电路的连接变得简单，但也使得程序部分变得复杂。本文采用的是一个传感器，因此在串口通

10、讯时不需要识别传感器的序列号，程序中写入跳过读 OM 序列号步骤10。图 3系统主程序流程图Fig3The main program flow chart of system3 3按键扫描子程序由于不同的加热干燥对象对温度的要求不同，加热的温度控制部分要能够方便、快捷地设置温度上、下限。在干燥物的不同阶段，干燥的温度有所不同，在干燥过程中温度的范围需要做出调整。这就要求温度的上、下限设置在干燥的过程中也能够执行。因此，单片机在执行温度采集、显示和控制的同时，也要时刻监视按键是否被按下，对温度设定进行调整。针对这一问题，在程序中加入一个按键扫描子程序，定期执行按键的扫描功能，同时也要有中断子程序

11、保持设定完温度之后单片机可以继续刚才未完成的工作。因此，按键扫描程序设计的思路是:在开机启动阶段，通过按键对控制温度范围进行初设定;在工作过程中，单片机定期对按键进行扫描，判断是否有按键被按下，如果有按键被按下，则加入一个外部中断，单片机转而执行干燥温度范围调整指令;待任务完成之后，继续返回执行温度控制命令。4proteus 仿真结果温度控制系统硬件电路设计部分在 proteus 软件上完成，当 C 语言程序在 keil 软件上编译调试成功之后，导入单片机进行系统总调试。温度采集模块:DS18B20 的温度实时数据能够有效地显示出来;键盘控制模块，相应按键按下之后，程序立即响应指定的动作指令;

12、温度控制模块:采集的温度低于设定低温下限时加热管工作，高于温度上限时停止加热并且风扇开启降温;报警模块同样工作正常。调试后的温度显示结果如图 4 所示。LT、HT 分别表示设定的温度下限与上限，1602 的第 2 行显示实时温度。图 4系统温度状态显示Fig4 Temperature status display system5结论1)功率不同的加热管承担不同的功能，大功率红外加热管起主要加热功能，小功率加热管控温，使得温度滞后幅度变小，减少能源浪费，节电效果显著。2)本设计的温度控制系统结构简单、操作方便、成本低廉，可与现有的红外干燥设备经过简单的改装之后配套使用，其有很好的应用前景。参考文

13、献:1 夏志华 基于单片机温度控制系统的研究 J 煤炭技术，2013(2):191 1931222015 年 4 月农 机 化 研 究第 4 期 2 张姗姗 基于单片机温度采集控制系统设计J 信息通信，2012(6):69 70 3 吴禄慎，李彧雯 基于单片机的多点温度采集系统设计 J 飞机设计，2010(4):76 80 4 王海宁 基于单片机的温度控制系统的研究 D 合肥:合肥工业大学，2008 5 林建雄 基于单片机的温度控制系统研制 J 电力学报，2008(2):106 109 6 吴健，侯文，郑宾 基于 STC89C52 单片机的温度控制系统 J 电脑知识与技术，2011(4):90

14、2 903，919 7石建平 基于 POTEUS 的单片机温度采集系统设计与仿真 J 电子测试，2013(21):70 71，64 8 陶冶，袁永超，罗平 基于 DS18B20 的单片机温度测量系统 J 农机化研究，2007(10):160 164 9 郭天祥 新概念 51 单片机 C 语言教程 M 北京:电子工业出版社，2009 10 陈明，陈明，邱超凡 基于 DS18B20 数字温度传感器的设计与实现 J 现代电子技术，2008(8):188 189Design and Simulation of Temperature Control System Based onSingle Chip

15、 MicrocomputerSun Jie1，Zhang Xuejun2，Liu Yun3，Yan Jinshan2，Shi Zenglu2，Jin Wei1，Li Chaoxin1，Liu Liguo1(1 College of Mechanical Engineering and Traffic，Xinjiang Agricultural University，U r u mqi 830052，China;2 Key La-boratory of Xinjiang Agricultural Engineering Equipment Innovation Design Laboratory

16、，U r u mqi 830052，China;3Karamay Wuwu Machinery Manufacturing Company Limited，Karamay 843032，China)Abstract:Aiming at the problem of resistance furnace drying equipment temperature control system lags seriously andwasting energy Design a temperature control system which with AT89C52 single chip microcomputer as the core，digitaltemperature sensor DS18B20 collecting temperature information，LCD1602 display and execution module as a whole Ac-cording to the set temperature range，the main heating syst