□ 孙 昭 □ 王彤宇

长春理工大学 机电工程学院 长春 130022

在工业生产过程中，对工作环境温度的检测和控制十分重要，例如石油加工工业中，工作环境非常恶劣，智能温控系统能够对工作环境的温度进行远程实时检测。笔者研究开发了环保清洁车智能温度监控设备，该设备执行对铁轨路面进行清洁后的喷油；当加热器把油料温度加热到50℃时，启动喷油开关，对铁轨进行喷油操作，同时加热器进入保温工作状态，LCD液晶屏将显示实际测得的温度。本项目设计的主要目的为：一是温度准确采集，二是温度实时显示。

1 系统的总体设计

系统的总体设计原理如图1所示。

▲图1 系统原理框图

图1 中DS18B20作为温度采集器件，它将采集到的温度模拟信号直接转换为数字信号，PIC单片机读取其转化后的数字量发送到LCD1602的数字寄存器，并通过LCD1602将温度数值显示，当温度低于50℃时，加热器处于加热工作状态。当温度到达50℃时，由单片机发送信号给继电器，控制加热器进入保温工作状态，键盘电路提供给PIC单片机控制信息，进而用来调整LCD1602的数值显示。

2 硬件设计

2.1 单片机最小系统

单片机的最小系统指的是单片机工作的最小电路结构，包括电源电路+5V接VCC；时钟电路，晶振选择16MHz；复位电路，采用的是按键复位、低电平有效的方式。最小系统电路原理如图2所示。

▲图2 单片机最小系统

2.2 温度传感器接口电路设计

温度传感器采用DALLAS公司生产的一线式温度传感器，其温度测量范围为-55～+125℃，可进行9～12bit A/D转换，测温分辨率为0.0625℃，被测温度以符号扩展的16位数字量的方式串行输出。DS18B20的测温原理如图3所示。

▲图3 DS18B20内部测温电路原理框图

电路的核心采用了一个低温度系数振荡器和一个高温度系数振荡器。低温度系数振荡器对应的是减法计数器1，它给减法计数器提供准确的输出脉冲，利用低温度系数振荡器的振荡频率受温度变化影响小的特点，在加热过程中，其对温度变化不敏感，所以输出的脉冲稳定，提高了减法计数器对脉冲计数的准确性，使得到的测温数据更加精确。高温度系数振荡器对应的是减法计数器2，主要决定脉冲的计数时间，由于高温度系数振荡器对温度的变化很敏感，当温度达到设定值时会立即向减法计数器2发出脉冲，使脉冲计数过程立即停止，由于高温度系数振荡器反应灵敏，使脉冲计数时间更加准确，提高了对温度的精确控制。

在油料测量温度开始时，将-55℃对应的基数预置于减法计数器和温度寄存器中，低温度系数振荡器向减法计数器1发出稳定的脉冲，减法计数器开始对脉冲计数，当-55℃对应的基数减少到0时，此时温度寄存器相应地增加1，然后重新将新的预置值放入减法计数器中，当基数再次减为0时，温度寄存器再度增加1，以此构成循环，不断地对温度进行加热、测量，温度寄存器的温度计数不断地增加，直至到设定的温度时，由高温度系数振荡器检测到该温度后，立即向减法计数器2发出脉冲，减法计数器的预置值减为0，温度寄存器得到信号后，不再增加，发出信号给相应的系统，设备不再加热，经过斜率累加器的不断修正，此时温度寄存器内的数值就是实际测量的油料温度值，油料的温度就被测量出来了。

当温度高于100℃时，不能使用寄生电源，因为此时器件中较大的漏电流会使总线不能可靠检测高低电平，从而导致数据传输误码率的增大。比如使用加热器加热油料，可能加热器会发生故障，导致加热温度过高，甚至高于100℃，鉴于对温度检测精确性的考虑，可以使用外部电源。这里检测的温度虽为50℃，但仍然采用外部电源供电模式，其电路如图4所示。

▲图4 DS18B20外部供电电路图

2.3 显示电路

本文设计采用的是16脚的1602LCD字符型液晶显示屏，其引脚功能见表1。

结合使用PIC16F877型号的单片机，进行显示模块的电路图设计，如图5所示。

▲图5 1602与单片机接口电路

表1 LCD1602引脚功能图表

2.4 报警电路

本系统的报警部分是为了通知用户对相应的情况进行处理，避免意外发生。报警部分采用了蜂鸣器，当测试温度高于50℃，蜂鸣器鸣声；温度低于10℃时，蜂鸣器亦鸣声。电路中还设计了2个发光LED，红灯显示时，系统出现故障；绿灯显示时，系统正常运行。这一部分的电路原理如图6所示。

▲图6 报警电路系统设计

▲图7 4X4矩阵键盘电路图

2.5 键盘电路

由于设计的按键相对较多，本文采用了4×4矩阵键盘，其主要功能是设定温度的上下限，电路如图7所示。按键的键值见表2。

表2 按键功能表

4×4矩阵键盘可以很方便地实现用户与系统的对话，用户也可以随时改变温度的上下限来进行温度设定和调节。

2.6 电源电路

由于系统的工作电压要根据PIC单片机的正常工作电压进行转换，因此在设计时采用了电压转换电路，使用了7805芯片进行了电压转化，其转换电路如图8所示。

▲图8 7805电压转换电路图

▲图9主程序流程图

3 软件设计

主程序的流程框图如图9所示。

系统采用了单片机高级语言C语言编程。编程的主要工作是为DS18B20、LCD1602的驱动编程，要严格按照说明书中的时序图进行编写，待温度传感器和液晶显示器正常驱动工作后，再进行系统程序的设计。

4 系统调试与结果分析

硬件、软件均采用分模块的方式进行调试，待各个模块调试完成后再进行综合调试，硬件电路的主要调试步骤有：①检查原理图的设计情况，采用Proteus软件进行工作仿真；②将PCB板进行元器件焊接，并检查电路；③ 通电，采用MPLAB软件编程，将生成的.hex文件程序写入单片机的ROM进行系统调试。

系统经调试可以正常工作后，将采集到的温度数值与水银温度计测得的数值进行比较分析，本文选用的水银温度计精度为0.1℃，比较结果见表3。

由以上的数据可以看出，对于精确度为0.1℃的水银温度计来说，系统温度的测量误差基本在0.2℃的范围以内，符合设计要求。

表3 温度显示结果对照表

5 结论

本文分别从硬件和软件两个方面介绍了PIC单片机温度控制系统的设计思路，温度采集部分采用DS18B20作为传感器件，LCD1602的显示部分在第一行显示实时温度，第二行设定温度的上下限值，键盘用来设定温度数值，单片机直接控制加热系统，同时控制报警系统。在最终通过软件的设计和调试后，测得温度数值的误差小于0.2℃范围，满足系统的设计要求。

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