基于单片机STC89C52的智能温度控制器的硬件设计

基于单片机STC89C52的智能温度控制器的硬件设计

作者：关朴芳

来源：《甘肃科技纵横》2020年第10期

摘要：基于现代社会智能发展迅速，智能温度现在普遍广泛在仪器仪表或家用电器中使用，特殊是在实验教学和科技研发上运用。智能温度控制器比普通温度控制器具有一定的优势，使用起来方便快捷，测温精度和分辨率相比普通控制器较高。所以本文设计控制器的硬件采用单片机STC89C52作为核心元件，满足了温度控制器的硬件要求，具有体积小、成本低、功耗低等优点，使控制器的硬件更加有效的灵活使用。采用温度传感器AD590采集温度数据当做高阻抗、恒流调节器，通过测量并转变成微安级的电流信号，之后经过电路硬件的设计改造实现了控制报警及加热功能，达到不同的需求。整个控制器硬件的设计智能读取环境温度、连接简捷方便、使用安全。所以使用单片机控制电器的工作状态，可以将温度值稳定在预设温度，是一种具有实时显示温度并控温的智能温度控制器。

关键词：温度传感器;A/D转换;运算放大器;单片机

中图分类号：TP273.5

引言：智能温度控制器让人们可以拥有一个舒适的生活环境，本设计是基于单片机

STC89C52的温度控制[1]，它不仅实现温度的监测和控制功能还有功耗低、准确性高一些優点，还可根据降温与升温设置报警温度，很好的运用到我们现实生活中[2]。温度控制在工业控制领域也具极其重要的作用，温度通常也是比较常见的被控参数之一[3]。文中运用A/D转换电路、数码管显示电路、温度传感器AD590和使用单片机控制报警及加热功能。AD590温度传感器使用运算放大电路将温度传感器输出的小信号进行放大，并转变成微安级的电流信号，它不容易接触电阻、引线电阻、电压噪音的干扰[4]。温度传感器现在使用研究特别推广比如参考文献[5]中ARM的智能温度控制器的设计与研究，对于不同产品运行环境的需求和不同生产车间工作温度的需求等，所需要的温度高低范围不同，控温精度不同，数据采集的精度不同，需要针对性的选用测温元件，测温方法以及控制算法[6]。

1智能温度控制器设计

智能温度控制器由控制执行、温度采集、显示、键盘、主电路等几种模块构成。图1为系统结构规律框图：

1.1主电路中单片机的运用

单片机型号品类相对较多，每款型号都有较独特的运用情况，如果想要采用以往性价比最好的型号，就要多加对照，合理选择。通常选取单片机需要从性能、串行接口、运行速度、功耗、定时/计数器、存储器、模拟电路功能、工作电压、I/O、口封装形式、工作温度范围、抗干扰性、保密性，中断源的数量和优先级、有无上电复位功能、单片机内有无时钟振荡器、有没有低电压检测功能等考虑[7]。结合上文要素本文选用单片机STC89C52作为重要元件，采用单片机生动的编程设计和充足的I/O端口，控制单片机的精确性，完成单片机的解码掌握编码及编码。

1.2温度采集的重要作用

当前检测温度的传感器测量范围、运用地方等不完全相同，品类较多。温度检测是温控系统的重要部分，整个系统的测量和控制精度直接受其影响。其精度高，同时可以经受44V正向电压和20V反向电压，器件反接也不会轻易损坏，极大减少了因错接线而造成的经济损失。本文选用美国模拟器件公司生产的AD590温度传感器[8]，是一款可以将温度量转变为电流量的传感器，非线性误差在±0.3℃、测温范围为-55℃～+150℃。由于以上特点，AD590温度传感器常用于工业和农业的温控环节上。通过运算放大电路将温度传感器输出的小信号进行放大，放大后的信号输入到A/D转换器（ADC0804）转变成数字信号输入单片机，系统温度信息可由温度传感器AD590测量并转变成微安级的电流信号[9]。

1.3显示的实测数据及温度

文章中关于显示模块的设计要求为4位数据显示，即前2位显示设定温度值，后2位显示实测温度值，故采用共阳四位LED数码管。上电时，数码管即刻显示当前温度，并实时进行采样。在单片机的外围接上四位LED数码管，用来显示温度和我们所需的实际测量数据[10]。

1.4 键盘及控制执行

键盘处理、加热控制及报警处理与单片机间进行数据的处理及控制。根据设计要求，选用3个按键控制设定的温度值，选用继电器控制水泥电阻作为加热控制，报警处理选用蜂鸣器和LED灯。

2系统硬件设计

2.1 A/D转换电路

2.2 基准电压电路及温度采集电路

基准电压电路及温度采集电路[12]，如图3、图4所示。根据TL431稳压的原理，其输出的电压为VREF（1+R26/R39）（VREF=2.5V），因传感器AD590输出电压为基准电压加上实际

温度值，所以通过调节可变电阻的阻值使其输出的电压为2.73V，通过使用硬件方式使AD590输出电压与摄氏温度值建立简易的线性关系，提高温度采集精度。传感器AD590随温度升高电流也随之升高，其输出电流是以绝对温度（-273℃）为基准，即0℃时输出电流273uA。而A/D转换的模拟量为电压，所以要在其串联一个10K的电阻，电路中使用10K的高精度滑动变阻器R40串联1个1K的电阻R29来使得电阻值精确为10K，电路中输入电源为直流+12V，则AD590输出的电压值为（273+T）uA×10K=（2.73+T/100）V。当T=25℃时，输出电流为I=（273+25）uA=298uA，因（R29+R40）=10K，则输出电压为2.98V。

2.3 运算放大电路

本文通过集成运算放大电路处理温度采集电路电压信号[13]，然后再输入到A/D转换电路。如图5所示，集成运算放大电路依次对信号进行电压跟随、差动放大、电压比较、同相大处理。电源供电过程中有杂波，为避免杂波干扰选用TL431作为稳压元件，调节电位器使得输出电压U1为2.73V，再利用电位器实行分压处理。U2为AD590温度采集对应的电压值。电压信号U1和U2输入差动放大器，则其输出电压U3=U2-U1，因U3信号较薄弱，则再对U3进行同相放大，放大倍数为6，最后输出电压值为Uo=6U3=6（U2-U1）。举例说明：如果被测温度为28℃时，则输出电压Uo=（0.28×6）=1.68V，再将输出电压Uo输入到A/D转换电路，那么A/D转换电路输出的数字量与摄氏温度模拟量就会形成线性比例关系。

2.4 四位数码管显示电路

本文使用四位一体数码管动态扫描显示温度值及设定值[14]，如图6所示。数码管显示的内容，可以通过单片机来控制数码管的管脚a、b、c、d、e、f、g、dp的电平来实现。数码管的显示工作方式有两种，一种是静态显示，另一种是动态显示：静态显示是指当显示某个字符时，数码管内部相应的发光二极管处于恒定地导通或截止状态。动态显示是指轮流点亮各位显示器，每一位显示器每隔一段时间被点亮一次。本文采用的是动态显示方式，该电路中使用限流电阻与NPN型三极管控制位选来保护数码管，防止数码管出现过流损坏。

2.5 报警电路及加热控制电路

本文实现控制报警及加热功能是通过单片机的P20、P21、P22口，如图7所示。加热控制单元选用的继电器额定电流范围为5A～10A，额定直流电压为+5V，允许通过的交流电压范围是120V～250V;水泥电阻是热源，使用传感器AD590进行测量其温度，通过控制继电器的通断，进而来控制电源是否对水泥电阻进行加热[15]。水泥电阻规格为47Ω/5W，两端加上直流

+12V的电压，使其快速升温到预设温度值。由于，单片机输出电流过小无法驱动电路，所以采用三极管对信号进行放大，再控制蜂鸣器和LED灯。

3 结束语

随着控制技术与温度测量的快速发展和使用广泛，通过单片机为重要核心的控制系统与温度采集的研究与使用有效提高了生产生活中对温度的控制程度，这个设计实现了智能控制方法，具有很好的社會效益。因此本文设计的智能温度控制电路主要使用了STC89C52单片机有抗干扰、功耗低、性能高的作用，还运用了温度传感器AD590、数模转换器ADC0804，集成运放LM324和数码管等元件深入分析智能控制器硬件。经过实践数据表明该硬件设计具有体积小、性价比高、对环境要求不高、易于推广应用、线路简单、分量较轻、安装比较灵活、可靠性强、抗干扰能力强等显著优点，而且还实现控制报警及加热功能，确保能稳定安全运行，具有一定的推广价值。该设计在结构上可以进行一些灵活改变，比如：液晶显示，语音报警，科技研发软件等，以达到不同需求，在工业研究和生活环境中使用更加便捷。

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作者简介：关朴芳（1979.1-），女，锡伯族，辽宁沈阳人，硕士研究生，副教授，研究方向：自动化控制。