新型智能温度控制系统设计
【摘要】文中设计的电路以stc89le516ad单片机作为控制器，辅以外围电路：温度测量电路、温度控制电路、键盘输入电路和数码管显示电路等完成对温度的控制和显示功能。

该系统吸收了硬件软化的思想，并且大部分功能通过软件来实现。

使得硬件电路设计简单，在保证系统稳定性的同时，有效的降低了系统成本。

实验测试证明：该系统能够可靠稳定的测量温度，并能够实现对温度的控制。

【关键词】温度控制单片机点热数码管
温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。

而单片机具有处理能强，运行速度快，功耗低等优点，被广泛应用在温度测量与控制方面，具有控制简单方便，测量范围广，精度较高等优点。

在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，而对系统的快速性要求并不是不高［1］［2］。

本系统简单的分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法：现场温度利用热敏电阻对温度的敏感性，获取热敏电阻在电路中的分压比，将其转换为模拟电压信号，再经过低通滤波电路滤掉干扰信号后送放大器，信号放大后送a/d 转换器转换为数字信号送单片机，单片机根据用户输入的温度通过
控制加热设备的通断来完成对温度的控制与显示。

1 总体设计方案
1.1 系统工作原理
本系统利用stc单片机，加上其它外围电路实现对温度的实时监控［3］。

本系统允许用户输入需要设定的温度值，并通过数码管显示输入的要求温度值a。

设定完成之后，显示模块切换到对实时测量温度的显示。

实时温度的测量是利用热敏电阻的分压值获得的，再通过a/d转换后将模拟量转换为数字量，经过单片机的处理，便可获得实时测量温度值b。

对于本系统主要是要实现对温度加热的控制，制冷暂不在设计范围。

当系统上电后，用户可以根据需求，设定温度值，然后系统将自动比较a与b的值，当a大于b的时候，系统会控制继电器打开加热设备开始加热升温。

同时系统不断的测量实时温度，再与设定温度比较。

这样不断调整加热设备的工作状态使加热系统温度达到设定温度的要求。

1.2 电路框图
电路原理框图如下图1所示，本系统由stc单片机及其外围电路组成。

其中外围电路主要有温度值键盘输入电路、温度测量电路、显示电路等组成的。

2 系统硬件设计
2.1 主控单片机
主控单片机采用的是stc89le516ad，该单片机内部具有ad功能，不需要外围扩展，简化了设计，而且stc单片机使用方便，下载程
序只需使用自带的串口，不需要专门的编程器，也降低了系统成本。

2.2 温度测量模块
在系统硬件设计上，本系统采用三通道同步采集的方式来提高系统的精度。

本系统设计中，使用ntc（negative temperature coefficient）热敏电阻［4］和精密电阻串联的方式，利用热敏电阻对温度的敏感性：不同的温度下表现出不同的电阻值，通过热敏电阻的分压值来测量实时温度，原理图如下图2所示（图中只给出一个通道）。

图2中，我们所获得的信号是模拟电压信号，先通过一个设计跟随器u1（缓冲作用），，再通过一个低通滤波器滤除干扰信号(图中没有画出)，放大之后通过stc89le516ad单片机自带的ad转换功能转换为数字信号。

获得数字信号之后，通过相关的算法，转换为温度值，最后送数码管显示。

图2 单通道温度采集原理图
2.3 温度输入按键功能模块
按键输入功能模块如下图3所示，通过4个独立的按键便可实现对温度输入的设定。

对于对温度的设置可以在0-9999°范围内变化。

期中，最左边的按键可以实现对4个位置的数码管分别切换控制，而中间两个按键可以实现温度的加减。

图3 独立按键功能模块
2.4led显示模块
在本系统显示没有采用目前流行的液晶显示屏，而采用数码管的
主要原因在于：液晶显示屏的对比度比较低，只能在较近的距离才看的清楚；而且相当数码管来说，液晶显示屏成本比较高。

本系统显示模块利用4个74hc595［5］芯片级联在一起，原理图如下图4所示，每一个74hc595可单独的驱动一个8段数码管。

这种接法可以很大程度的节约单片机的io口硬件资源，我们只需要3根数据线ser、sclk、rclk便可控制4个数码管的显示。

图4 数码管显示模块
3 系统软件设计
程序流程图如下图5所示。

对于本系统，我们只采用4个数码管作为显示模块，这样需要在设定温度显示和测定温度显示之间来回进行切换，我们用“软件硬化”的思想简化了设计，同时也节约了成本。

当我们设定温度的时候，4个数码管用来显示设定温度，并记录下来。

设置完毕之后就将数码管的显示功能切换到实时测量温度的显示。

图5 程序流程图
在软件设计方面，本系统采用“点热“的方式对温度进行较为精确的控制，充分利用软件设计的思想简化硬件设计；同时也避免了复杂的pid算法，简化了软件设计。

“点热”的原理如下：当设定值相对于实时测量值，比较大的时候，单片机就会控制继电器，使得加热棒持续地加热。

于此同时，系统会不断地测量实时温度，并不断比较设定温度和测量温度的大
小，当两者相差越来越近的时候，单片机就会控制加热棒通断的速率不断提高，就是不断的通断式的加热，就像一个个点的方式进行加热。

从而使温度较为准确的达到设定值。

4 系统测试
系统上电后，数码管就会显示实时测量温度26°。

当我们设置需要温度的时候显示模块就会根据我们按键输入显示设置温度。

例如，当我们设置100°的时候，设置完成之后会发现继电器吧嗒的响了一声，于此同时，我们会发现数码管实时显示的温度慢慢的升了上去。

在到达50°之后，继电器吧嗒响的越来越频繁了，即通断的频率提高了，这就是我们系统中采用的“点热”的方式进行加热所产生的现象。

在100°之后，数码管显示的温度不再上升了，并且稳定在100°。

同样我们进行了另外一种测试，即不采用“点热”的加热方式，就是利用普通的控制方法——没有达到设定温度的时候，继电器控制加热棒持续加热，直到测量温度到达设定温度之后才断开加热棒，我们会发现最后实测温度总是会比设定温度高。

这种方式，精度很低，可靠性差。

通过上述2种加热方式的比较,我们选择“点热”的方式完成系统较为精确的温度控制.达到了系统的设计要求.
5 结论
在充分研究热敏电阻特性的基础上，利用ntc热敏电阻对温度的敏感性来测量温度，通过单片机，辅以外围电路，设计了一套实用、
简单、成本低的温度控制系统。

该系统利用“点热”的加热方式，实现了对温度的控制和显示，并且系统稳定性好。

在本文中，很大程度的利用了软件硬化的思想，简化了设计，节约了系统成本。

本文的设计被验证是正确的，而且可以广泛应用于工业控制及相关领域。

参考文献：
［1］ luo yun-song, li dan. the design of temperature control system based on at89c51 single chip microcomputer, china science and technology information,vol 12,2009. ［2］ chen miao-fang, hu xiao-dong. design of temperature control system based on at89s51 single-chip microcomputer. mechanical engineer,vol 01,2009.
［3］刘同法，陈忠平，彭继卫. 单片机外围接口电路与工程实践［m］. 北京，北京航空航天大学出版社，2009,03.
［4］郭宝亿，谭宝成，张峰. 基于arm的热敏电阻测温模块设计［p］.西安工业大学学报，2009，vol.29.
［5］ sgs-thomson microelectronics. m74hc595 datasheet.。