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[導讀]本設計的主要原理是,單片機實時地將溫度傳感器所采集的溫度值與所設定的恒溫值進行比較和處理。從而監(jiān)控并保持樣品容器箱的溫度值。本文給出了該系統(tǒng)的方案設計、硬件電路、軟件設計、故障排除以及系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。

本設計的主要原理是,單片機實時地將溫度傳感器所采集的溫度值與所設定的恒溫值進行比較和處理。從而監(jiān)控并保持樣品容器箱的溫度值。本文給出了該系統(tǒng)的方案設計、硬件電路、軟件設計、故障排除以及系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。

系統(tǒng)的主要性能指標有:(1)恒定溫度值設定范圍:20-50℃,最小區(qū)分度:1℃;f 2)數(shù)碼管顯示實際溫度值,顯示范圍:0-99℃;最小區(qū)分度:0.1℃;(3)溫度控制誤差:≤4-1℃;(4)顯示精度:溫度控制的絕對誤差≤±3℃.鑒于風扇冷卻,環(huán)境溫度高于20℃.恒溫下限相應上移。

一、系統(tǒng)方案設計

本系統(tǒng)是基于經(jīng)典C51系列單片機的應用開發(fā),集環(huán)境溫度的信號采集、數(shù)據(jù)的處理及溫度的保持控制等等為一體的數(shù)字控制系統(tǒng)。同時,該系統(tǒng)設計有友好的人機交互界面以及簡易的設置按鍵。

系統(tǒng)由如下功能模塊組成:MCU模塊,顯示模塊。電源模塊,按鍵設置模塊,溫度采集模塊。

冷卻模塊以及加熱模塊。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。


圖1系統(tǒng)方案框

二、元器件選擇

本設計的MCU采用sTC89C52單片機;考慮到節(jié)省器件使用的需要。溫度傳感器則采用單總線制的數(shù)字溫度傳感器DSl8820,無需接A,D轉(zhuǎn)換器,采樣值可直接送單片機處理,簡易方便;系統(tǒng)采用普通單刀繼電器HK4100F作為控制開關(guān);兩個水泥電阻(10W,10Ω)串聯(lián)作為加熱器件,低壓(最高24V)供電,安全可靠;以5V直流供電小型風扇達到降溫或使容器受熱均勻的目的;采用普通的按鍵開關(guān),實現(xiàn)恒溫溫度的可調(diào)設置功能;三位一體的數(shù)碼管實時顯示當前容器的溫度值,簡易低廉,實現(xiàn)了人機交互界面之目標。

三、硬件電路設計

依據(jù)系統(tǒng)方案,概述主要模塊接口電路;1、電源模塊。12~24V交流輸入,輸入的交流電壓為水泥電阻的發(fā)出熱量提供電能;輸入交流電壓經(jīng)整流濾波,接入穩(wěn)壓芯片7805轉(zhuǎn)變?yōu)?V直流電壓(VCC)以供給MCU及其外設系統(tǒng)使用。

2、顯示模塊。共陽數(shù)碼管,段選接MCU I/013的P1組管腳。以9012三極管作為數(shù)碼管位選開關(guān),位選分別由P2"5、P2"6、P2"7等管腳控制,三位數(shù)碼管顯示當前溫度(采樣溫度)值,其中有一個為小數(shù)位。其余兩個分別為十位和各位。

3、加熱模塊。主要根據(jù)設定恒溫值與采樣溫度值的比較結(jié)果進行工作。即,采樣溫度值大于設定值時。繼電器閉合并接通水泥電阻加熱,否則斷開。

圖2中,JDl、JD2分別接串聯(lián)水泥電阻及交流電源的一端,該繼電器由單片機的P2"4管腳控制。


圖2 電路原理圖

四、系統(tǒng)軟件設計

1、系統(tǒng)軟件概述,如圖3所示,系統(tǒng)軟件主流程是一死循環(huán)程序。其主要任務是:

(1)初始化系統(tǒng)。主要完成相關(guān)單片機寄存器的配置,初始化全局變量等。

(2)判斷。設置按鍵是否按下".若按下。則轉(zhuǎn)入設置處理。并定時10S,若10S后仍然沒有按鍵按下,則跳出設置處理。

(3)采集溫度并處理數(shù)據(jù)。主要對DSl8820復位并讀取數(shù)值,對所得數(shù)據(jù)作相關(guān)處理并最終轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)以便于數(shù)碼管顯示。


圖3主程序流程圖

2、部分軟件程序代碼展示。軟件的設計,使用Keil C51開發(fā)編寫軟件程序。軟件程序主要由主程序,初始化子程序,讀取DSl8820傳感器數(shù)據(jù)子程序。溫度數(shù)據(jù)處理子程序,顯示子程序。中斷定時子程序以及按鍵設置子程序等組成。由于讀取DSl 8820數(shù)據(jù)的子程序涉及底層硬件接13,故該子程序采用匯編語言編寫,除此之外之外。其他全部程序代碼采用C語言編寫。

主程序:

4、按鍵設置模塊。為了節(jié)省材料和硬件資源,系統(tǒng)設計了三個按鍵,設置恒溫值時,一個用于遞增輸入;另一個用于遞減輸入;第三個預留。三個按鍵的一端接地。另一端分別接MCU的P2"1、P2"3、P2"2管腳。

5、冷卻模塊。安裝小型風扇,以5V直流電壓供電,以繼電器控制風扇的工作狀態(tài),以實現(xiàn)智能化控制。主要根據(jù)設定恒溫值與采樣溫度值的比較結(jié)果進行工作。即當采樣溫度值大于設定值時,繼電器閉合并啟動風扇冷卻。否則斷開。該繼電器由單片機的P2"3管腳控制。

6、溫度采集模塊,溫度采集模塊。以單總線操作的DSl8820溫度傳感器作為溫度采集器。從溫度傳感器獲取溫度值的方法非常簡潔,無須接A,D轉(zhuǎn)換器。即可實現(xiàn)對溫度測量并將測量數(shù)據(jù)直接送單片機處理。且可使系統(tǒng)實現(xiàn)溫度的巡回測量和顯示。其中,溫度傳感器的數(shù)據(jù)管腳接單片機的P3"5管腳。

數(shù)碼管顯示程序:

溫度控制子程序:

五、PCB設計與硬件焊接

以Altium Designer軟件繪制設計系統(tǒng)PCB圖。

如圖4所示。設計PCB時,主要注意如下問題:1、按模塊電路組合排列元器件。即將同一模塊的元器件盡量排列在一起,以避免布線繁雜而難以發(fā)現(xiàn)檢測或排除故障;2、布線時保證安全的線間距,設置好布線規(guī)則后。最好手動布線;3、需要與外界連接的接口,一般放在P C B的邊緣;4、濾波電容。

需靠近要濾波的器件附件,相互連接的導線不宜過長。否則影響濾波效果。檢查確保制成的PCB沒有短路、斷路以及連錯的情況下,將相應元器件焊接于制成的PCB上。


圖4PCB圖

六、系統(tǒng)調(diào)試與故障排除

以萬用表檢測硬件的連接線路;在保證硬件電路沒有短路、斷路等問題的情況下。使用宏晶科技單公司所提供的下載軟件(如圖5所示)。將程序下載到STC89C52RC單片機上。從而進行軟硬件結(jié)合調(diào)試。


圖5下載軟件界面圖

在調(diào)試的過程中,遇到如下故障,下載成功并給系統(tǒng)上電,剛開始程序正常運行,具有預期效果--數(shù)碼管顯示出溫度值。而不到1分鐘。數(shù)碼管不再顯示。此時,用手摸MCU,發(fā)現(xiàn)溫度正常不發(fā)熱。按復位鍵,無效;然后拔掉電源,用萬用表測試數(shù)碼管。數(shù)碼管完好;后來換了另外一塊完好的MCU,問題依然存在;最后著手去查硬件問題,發(fā)現(xiàn)MCU復位電路上的電解電容焊接反了,將該電容替換,問題得以解決。用WNY-03型0-1 50℃水銀溫度計頭插入溫控樣品容器箱,測20℃,30℃,40℃,50℃控制值與實際值的偏差。

七、功能簡介

制作成品如6所示。整個系統(tǒng)所具有的功能:(1)具有簡易可行的溫度采集功能。(2)依據(jù)所采集的溫度值和設定的恒溫值進行對比,并決定對系統(tǒng)環(huán)境加熱或者冷卻實現(xiàn)自動控溫。(3)實現(xiàn)對小范圍環(huán)境(如樣品容器箱)的恒溫。


圖6成品效果展示圖

八、小結(jié)

本設計以經(jīng)典的低廉單片機作為微控制器,設計了具有友好人及交互界面、智能化高等特點的溫控樣品容器箱。另外,需要指出的是。該系統(tǒng)仍然具有完善空間,如選用貼片封裝的元器件。半導體制冷器件等。改善軟件方面,亦有很大的空間。如程序濾波算法的應用,將進一步減少溫度誤差。將使該系統(tǒng)控制精度更高、功耗更低。溫度控制范圍更大。

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