一、系統方案設計

本系統是基于經典C51系列單片機的應用開發，集環境溫度的信號采集、數據的處理及溫度的保持控制等等為一體的數字控制系統。同時，該系統設計有友好的人機交互界面以及簡易的設置按鍵。

系統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。系統方案框圖如圖1所示。

圖1 系統方案框

二、元器件選擇

本設計的MCU采用sTC89C52單片機；考慮到節省器件使用的需要。溫度傳感器則采用單總線制的數字溫度傳感器DSl8820，無需接A，D轉換器，采樣值可直接送單片機處理，簡易方便；系統采用普通單刀繼電器HK4100F作為控制開關；兩個水泥電阻（10W，10Ω）串聯作為加熱器件，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，實現恒溫溫度的可調設置功能；三位一體的數碼管實時顯示當前容器的溫度值，簡易低廉，實現了人機交互界面之目標。

三、硬件電路設計

依據系統方案，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出熱量提供電能；輸入交流電壓經整流濾波，接入穩壓芯片7805轉變為5V直流電壓（VCC）以供給MCU及其外設系統使用。

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

3、加熱模塊。主要根據設定恒溫值與采樣溫度值的比較結果進行工作。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

4、按鍵設置模塊。為了節省材料和硬件資源，系統設計了三個按鍵，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，以實現智能化控制。主要根據設定恒溫值與采樣溫度值的比較結果進行工作。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轉換器。即可實現對溫度測量并將測量數據直接送單片機處理。且可使系統實現溫度的巡回測量和顯示。其中，溫度傳感器的數據管腳接單片機的P3”5管腳。

四、系統軟件設計

1、系統軟件概述，如圖3所示，系統軟件主流程是一死循環程序。其主要任務是：

（1）初始化系統。主要完成相關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）采集溫度并處理數據。主要對DSl8820復位并讀取數值，對所得數據作相關處理并最終轉換為十進制數以便于數碼管顯示。

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傳感器數據子程序。溫度數據處理子程序，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數據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：

數碼管顯示程序：

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現檢測或排除故障；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4 PCB圖

六、系統調試與故障排除

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。從而進行軟硬件結合調試。

圖5 下載軟件界面圖

在調試的過程中，遇到如下故障，下載成功并給系統上電，剛開始程序正常運行，具有預期效果--數碼管顯示出溫度值。而不到1分鐘。數碼管不再顯示。此時，用手摸MCU，發現溫度正常不發熱。按復位鍵，無效；然后拔掉電源，用萬用表測試數碼管。數碼管完好；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，發現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。整個系統所具有的功能：（1）具有簡易可行的溫度采集功能。（2）依據所采集的溫度值和設定的恒溫值進行對比，并決定對系統環境加熱或者冷卻實現自動控溫。（3）實現對小范圍環境（如樣品容器箱）的恒溫。

圖6 成品效果展示圖

八、小結

本設計以經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。將使該系統控制精度更高、功耗更低。溫度控制范圍更大。