CN204116993U - 一种温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种温度控制系统，包括温度传感器，温度传感器连接单片机，单片机分别连接继电器和数码管温度显示，继电器分别连接散热装置和加热装置。本实用新型另一种温度控制系统包括热电阻温度传感器，热电阻温度传感器连接放大器，放大器连接单片机，单片机分别连接继电器和数码管温度显示，继电器分别连接散热装置和加热装置。本实用新型的有益效果是结构简单，控制精度高，有良好的实时性。

Description

一种温度控制系统

技术领域

本实用新型属于温控技术领域，涉及一种温度控制系统。

背景技术

近二十年来，随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高速发展，智能仪器仪表已经取得了巨大的发展，促使了一些新的测试理论、测试方法、测试领域和仪器结构不断涌现并发展成熟，逐步突破了以往仪器系统功能的实现和改变主要对硬件电路的设计和改变这种传统的观念，硬件的作用被逐渐淡化，而软件的重要性与进一步发展的迫切性变得越来越突出，出现了仪器软件化的发展趋势。温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。

为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。本发明采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。

实用新型内容

本实用新型的目的在提供一种温度控制系统，解决了现有使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，控制精度低、实时性差的问题。

本实用新型所采用的技术方案是包括温度传感器，温度传感器连接单片机，单片机分别连接继电器和数码管温度显示，继电器分别连接散热装置和加热装置。

本实用新型的技术特点还在于温度传感器型号为DS18B20或DS1820；单片机型号为89C51；数码管温度显示采用型号为12864LCD液晶显示屏。

本实用新型另一种温度控制系统包括热电阻温度传感器，热电阻温度传感器连接放大器，放大器连接单片机，单片机分别连接继电器和数码管温度显示，继电器分别连接散热装置和加热装置。单片机型号为89C51；数码管温度显示采用型号为12864LCD液晶显示屏。

本实用新型的有益效果是结构简单，控制精度高，有良好的实时性。

附图说明

图1是本实用新型一种温度控制系统结构示意图；

图2是本实用新型采用热电阻温度传感器的系统结构示意图；

图3是DS18B20内部结构图；

图4是DS18B20的引脚排列图；

图5是温度采集流程图。

图中，1.温度传感器，2.单片机，3.继电器，4.数码管温度显示，5.散热装置，6.加热装置，7.热电阻温度传感器，8.放大器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型如图1所示包括温度传感器1，温度传感器1连接单片机2，单片机2分别连接继电器3和数码管温度显示4，继电器3分别连接散热装置5和加热装置6。温度传感器1型号为DS18B20或DS1820；单片机2型号为89C51；数码管温度显示4采用型号为12864LCD液晶显示屏。

本实用新型另一种温度控制系统，如图2所示包括热电阻温度传感器7，热电阻温度传感器7连接放大器8，放大器8连接单片机2，单片机2分别连接继电器3和数码管温度显示4，继电器3分别连接散热装置5和加热装置6。单片机2型号为89C51；数码管温度显示4采用型号为12864LCD液晶显示屏。

本发明主要是对温度传感器及温度控制的设计。硬件部分主要由主机电路、温度采集部件、温度自动控制部件及其接口电路组成。首先，温度传感器1将测量的温度以数字的形式输出，有采用89C51的单片机2送至数码管温度显示4的液晶屏实时显示。同时有89C51内嵌控制算法，得到温度控制触发信号控制加热和散热装置实现温度自动控制。由于采用单总线式温度传感器1，所以系统能够实现多点测量与实时控制体系，大大提高了系统的效率。系统软件部分主要包括温度处理程序、实时监控程序、按键调整程序和数据处理程序等部分。系统通过软硬件的联合将系统功能得以最大化的体现。

本发明技术方案：利用温度传感器1将温度信号转换为电信号，通过单片机2的控制输出到上位机数码管温度显示4界面显示，温度信号的大小与电信号的大小成线性关系，或者将温度值直接以数字编码的形式输出。方案一：利用温度传感器1将需要测量的温度信号转换为数字信号输出，然后应用895C1单片机2的通用I/O口读取此信号，有内部嵌入的程序进行处理、设置标记，并有89C51通过I/O口送至液晶屏进行实时显示，同时再有继电器3通过驱动电路驱动加热装置6与散热装置5进行温度的自动控制。同时也可将信号通过串口传给PC机，并在PC机上显示出温度和波形。

方案二：利用采用热电阻温度传感器7将需要测量的温度信号转换为电信号，将模拟信号转换为数字信号再传给89C51单片机2，由单片机2控制A/D转换器，将模拟量变成单片机2所需的数字量。单片机2控制继电器3电路驱动加热装置6与散热装置5进行温度的自动控制。也可与PC机相连，通过PC显示所测量的结果。单片机2通过串口与上位机相连，可以通过上位机控制系统。方案二系统模块设计如图2所示。

温度传感器1的芯片型号为DS18B20，是由Dallas半导体公司生产的“单线总线”接口的温度传感器1。一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新概念，DS18B20的测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±0.0625℃，现场温度可直接通过“一线总线”以数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它工作在3V～5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计更灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。综合比较方案一与方案二，方案一更为适合于本设计系统对于温度传感器1的选择。

另一方面，方案一中采用增强型先进的89C51单片机2芯片，运算速度快，性能稳定，且设计简单，噪声低，功耗小，非常适用于精密仪器仪表，无需外接放大电路，可以直接输出温度值的编码。构成的系统具有高精度、低功耗、高稳定性的特点，且外围电路简单有利于生产及维护。方案一可以使测量的准确性大大提高。因此，我们选用方案一作为我们的设计方案。

数码管温度显示4采用12864LCD液晶显示屏，带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

基本特性：(1)、低电源电压(VDD：+3.0--+5.5V)(2)、显示分辨率：128×64点，(3)、内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)，(4)、内置128个16×8点阵字符，(5)、2MHZ时钟频率，(6)、显示方式：STN、半透、正显，(7)、驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS，(8)、视角方向：6点，(9)、背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5-1/10，(10)、通讯方式：串行、并口可选，(11)、内置DC-DC转换电路，无需外加负压，(12)、无需片选信号，简化软件设计，(13)、工作温度：0℃-+55℃，存储温度：-20℃-+60℃。

DS18B20温度传感器1：测温元件采用新型的温度传感器DS18B20。DS18B20是由Dallas半导体公司生产的“一线总线”接口的温度传感器。一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新概念，DS18B20的测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±0.0625℃，现场温度可直接通过“一线总线”以数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它工作在3V～5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计更灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的内部结构如图3所示。

DS18B20主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的封装形式及引脚排列如图4所不。

89C51单片机2：1)89C51的基本特性：1～12MHz(Atmel89Cxx为0～24MHz)，片8位的CPU，片内有振荡器和时钟电路,工作频率为内有128/256字节RAM，片内有0K/4K/8K字节程序存储器ROM，可寻址片外64K字节数据存储器RAM，可寻址片外64K字节程序存储器ROM，片内21/26个特殊功能寄存器(SFR)。4个8位的并行I/O口(PIO)，1个全双工串行口(SIO/UART)，2/3个16位定时器/计数器(TIMER/COUNTER)，可处理5/6个中断源，两级中断优先级内置1个布尔处理器和1个布尔累加器(Cy)，MCS-51指令集含111条指令。

2)单片机2是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能。

89C51型号的单片机2的片内含有4种频率(1/2/4/8MHz)的RC振荡源，可直接座位系统的工作时钟使用。同时片内还设有一个由反向放大器所构成的OSC振荡电路，外围引脚XTAL1和XTAL2分别为OSC振荡电路的输入和输出端，用于外接石英晶振等，构成高精度的或者其他的标称频率的系统时钟。系统时钟为控制器提供的时钟脉冲，是控制器的心脏。系统时钟的频率是单片机的重要性能指标之一。为89C51提供系统时钟时有一下3种方式：

(1)直接使用片内的1/2/4/SMHz的RC振荡源。

(2)在引脚XTAL1和XTAL2上外接有石英晶体和电容组成的谐振回路，配合片内的OSC振荡电路构成的振荡源。

(3)直接使用外部的时钟源输出的脉冲信号。

方式2)是比较常用的方法，由于采用了外接石英晶体作为振荡的谐振回路，因此可以提供比较灵活的频率(有使用晶体的谐振频率决定)和稳定精确的振荡。在引脚XTAL1和XTAL2上外接有石英晶体和电容组成的谐振回路，并与内部振荡电路的配合就能产生系统需要的时钟信号。最常采用的是一个石英晶体和两个电容组成的谐振电路。晶体频率可在0～16MHz之间选择，电容值在20～30pF之间。

当系统时钟电路的要求不高时，可以采用方式1)，即使用片内可选择的1/2/4/8MHz的RC振荡源作为系统的时钟源，这样可以节省外接器件。此时引脚XTAL1和XTAL2应悬空。

复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用一样，当你进行完了一个题目的计算后肯定是要清零的是吧!或者你输入错误，计算失误时都要进行清零操作。以便回到原始状态，重新进行计算。和计算器清零按钮有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。一是在给电路通电时马上进行复位操作；二是在必要时可以由手动操作；三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行。篡位电路都是比较简单的大都是只有电阻和电容组合就可以办到了。再复杂点就有三极管等等配合程序来进行了。

如果主板上没有ISA总线，也就是8XX系列芯片组的主板，IDE的复位直接来自于南桥，在两者之间通常也会有一个非门或是反向电子开关，PCI总线的复位直接来自于南桥，有些主板会在两者之间加有跟随器，此跟随器起缓冲延时作用。且PCI的常态为3.3V或5V，复位时为0V，AGP总线的复位信号和PCI总线的复位信号是同路产生。也有的主板AGP总线的复位也是由南桥直接供给，常态时为高电平，复位时为低电平，对于北桥的复位信号也是和PCI总线的复位信号同路产生，也就是说PCI总线的复位信号，AGP总线的复位信号和北桥的复位信号通常是串在一根线上的，复位信号都相同，对于CPU的复位信号，不同的主板都是由北桥供给，I/O的复位信号是由南桥直接供给，通常是3.3V或5V。在8XX系列芯片组的主板中，固件中心(B205)和时钟发生器芯片也有复位信号，且复位信号由南桥直接供给，常态为3.3V，复位时为0V。

(1)上电复位。当系统电源电压低于上电复位门限V时，MCU复位。

(2)外部复位。当外部引脚RESET为低电平，且低电平持续时间大于1.5us时，MCU复位。

(3)掉电检测(BOD)复位。BOD使能时，且电源电压低于掉电检测复位门限(4.0v或2.7v)时，MCU复位。

(4)看门狗复位。WDT使能时，并且WDT超时溢出时，MCU复位。

(5)JTAGAVR复位。当使用JTAG接口时，可由JTAG口控制MCU复位。

此处除了89C51的片内上电复位电路以外，还外加了有电阻、电容、按键、二极管组成的外部复位电路，外加复位是由外加在RESET引脚上的低电平产生的。当按键按下RESET引脚被拉低到低电平时间大于1.5um时，即触发复位过程。

对单片机2的编程操作，通常也称为程序下载，是指以特殊的手段和软硬件工具对单片机2进行特殊的操作，以实现如下三种功能：

(1)将PC机上生成的该单片机系统程序运行的代码写入单片机2内部的程序存储器中。

(2)用于对单片机2内部的Flash、EEPROM进行擦除、数据的写入(包括运行代码)和数据的读出。

(3)实现对AVR配置熔丝位的设置，芯片型号的读取，加密位的锁定等。

AVR单片机2支持多种形式的编程下载方式：

(1)高压并行编程方式：

对于外围引脚数大于20的AVR芯片，一般都支持这种高压并行编程方式。这种编程方式也是最传统的单片机的程序下载方式，其优点是编程速度快。但使用这种编程方式需要占用芯片众多的引脚和12V的电压，所以必须采用专用的编程器单独对芯片操作。这样AVR芯片必须从PCB板上取下来，不可以实现芯片在线(板)的编程操作，因此这种方式不适合系统调试过程以及产品的批量生产需要。

(2)串行编程方式(ISP)：

串行编程方式是通过AVR芯片本身的SPI或JTAG串行口实现的，由于编程时只需要占用比较少的外围引脚，所以可以实现芯片的在线编程(InSystemProgrammable)，不需要将芯片从PCB板上取下来，所以串行编程方式也是最方便和最常用的编程方式。串行编程方式还细分成SPI、JTAG方式，前者表示通过芯片的SPI串口实现对AVR芯片的编程操作，后者则是通过JTAG串口来实现的。AVR的许多芯片都同时集成有SPI和JTAG两种串口，因此可以同时支持SPI和JTAG的编程。使用JTAG方式编程的优点是，通过JTAG口还可以实现系统的在片实时仿真调试(OnChipDebug)，缺点是需要占用AVR的4个I/O引脚。而采用SPI方式编程，只需要一跟简单的编程电缆，同时可以方便的实现I/O口的共用，因此是最常使用的方式。其不足之处是不能实现系统的在片实时仿真调试。由于895C1片内含有SPI和JTAG口，所以对895C1能使用3种编程的方式：高压并行编程、串行SPI编程、串行JTAG编程。在本系统中将采用串行SPI编程方式。滤波主要指信号口、电源口与参考地之间的电容滤波。

温度检测电路模块设计：在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。我们在为某水电站开发水轮发电机组轴瓦温度实时监测系统时，为了克服上面提到的三个问题，可以采用新型数字温度传感器DS1820，在对其测温原理进行详细分析的基础上，提出了提高DS1820测量精度的方法，使DS1820的测量精度由0.5℃提高到0.1℃以上，取得了良好的测温效果。

软件设计与调试：调试工具介绍，编译器设计最近的发展包括：首先，编译器包括了更加复杂算法的应用程序它用于推断或简化程序中的信息；这又与更为复杂的程序设计语言的发展结合在一起。其中典型的有用于函数语言编译的Hindley-Milner类型检查的统一算法。其次，编译器已越来越成为基于窗口的交互开发环境(InteractiveDevelopment Environment，IDE)的一部分，它包括了编辑器、连接程序、调试程序以及项目管理程序。这样的IDE标准并没有多少，但是对标准的窗口环境进行开发已成为方向。另一方面，尽管在编译原理领域进行了大量的研究，但是基本的编译器设计原理在近20年中都没有多大的改变，它正迅速地成为计算机科学。图5为本实用新型温度采集流程图。

参考文献：

[1]刘坤，赵红波，张宪栋著，51单片机C语言应用开发技术大全[M].北京：人民邮电出版社，2003，P89.

[2]邵贝贝，单片机嵌入式应用的在线开发方法[M]，北京：清华大学出版社，2004P127.

[3]张培仁，基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2003.P42.

[4]马潮，AVR单片机嵌入式系统原理与应用[J]，北京航空航天大学出版社，2009，P115.

[5]徐惠民，单片微型计算机原理接口与应用[M].第1版.北京：北京邮电大学出版社，1996，P224.

[6]肖洪兵，跟我学用单片机[J].北京：北京航空航天大学出版社，2002.8，P483.

[7]何立民，单片机高级教程[J].第1版.北京：北京航空航天大学出版社，2001，P302.

[8]耿德根宋建国马潮叶建勇编《AVR高速嵌入式单片机原理与应用》[M].北京航空航天大学出版社，2001，P302.

[9]何希才，传感器及其应用电路[M]，北京：电子工业出版社，2001，P302.

[10]Ben Niua.Yang Q；Simon Chi.Keung Shiu Sankar Kumar Pal TWo-dimensionalLaplacianfaces Method for Face Recognition[D]，2008，P142.

[11]Annalisa Franco.Dario Maio DaVide Maltoni2D Face Recognition based on SupervisedSubspace Leaming from3D Models[D]，2008，P262.

[12]Moghaddam B.Jebara T.Pentland A Bayesian Face Recognition[M]，2000，P231.

[13]Feng G C.Yuen P C Multi cues eye detection on gray intensity images[M]，2001，P89.

Claims (2)

1.一种温度控制系统，其特征在于：包括温度传感器(1)，温度传感器(1)连接单片机(2)，单片机(2)分别连接继电器(3)和数码管温度显示(4)，继电器(3)分别连接散热装置(5)和加热装置(6)，所述温度传感器(1)型号为DS18B20或DS1820；所述单片机(2)型号为89C51；所述数码管温度显示(4)采用型号为12864LCD液晶显示屏。 

2.一种温度控制系统，其特征在于：包括热电阻温度传感器(7)，热电阻温度传感器(7)连接放大器(8)，放大器(8)连接单片机(2)，单片机(2)分别连接继电器(3)和数码管温度显示(4)，继电器(3)分别连接散热装置(5)和加热装置(6)，所述单片机(2)型号为89C51；所述数码管温度显示(4)采用型号为12864LCD液晶显示屏。