基于单片机的PWM控制的温度控制器的研究

张春来

安徽水利水电职业技术学院,安徽合肥，230601

单片机在电子产品中的应用越来越广泛，很多电子产品用到温度检测时都由单片机控制。温度传感器的种类有很多，其中DALLS公司生产的DS18 B20是一种数字温度传感器，它只需一个引脚即可读取数据，可以直接与单片机采用“单总线”的数据传输方式，具有接口简单，只占单片机一个I/O端口，无需任何外部器件就可读取温度[1]。

1 温度控制器构成

本系统由单片机芯片AT89C51、温度传感器DS18B20、时钟芯片DS1302、液晶显示屏160128LCD、直流电动机及报警器等构成，设计方案如图1所示。

图1 温度控制系统的设计方案

本控制器控制过程如下：用温度传感器DS18B20检测环境温度，并根据温度的高低来调节直流电动机的转速，当外部温度大于等于45℃时，直流电动机在L298驱动下加速正转(转速与温度成正比)，当温度达到75℃并大于75℃时，直流电动机全速正转；当外部温度小于等于10℃时，加速反转(转速也与温度成正比)，当温度小于等于0℃时，直流电动机全速反转；当温度介于10℃～45℃时，直流电动机逐渐停止工作[2]。液晶显示屏160128LCD主要显示时间、日期、测量温度及直流电机的工作状态。

2 系统硬件

2.1 控制系统

本系统的核心控制部件是AT89C51单片机，AT89系列单片机由ATMEL公司生产，其中AT89C51是一种低功耗、高性能、内含4 K字节闪电存储器(Flash Memory)的8位CMOS微控制器。单片机工作的时间基准由时钟电路提供,单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间接一只晶振及两只电容，构成了单片机的时钟电路，其电容器C1和C2取值22 pF，石英晶体选择12 MHZ。

2.2 温度传感器

(1)GND：地信号，接地。

(2)DQ：数据输入/输出引脚，与AT89C51的P3.5相连。

(3)VDD：可选择的VDD引脚。

2.3 时钟芯片

时钟芯片DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，工作电压为2.5～5.5 V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS18B20的引脚排列如下。

(1)RST：复位信号，与AT89C51的P1.2相连。(2)I/O：数据输入/输出引脚，与AT89C51的P1.0相连。(3)SCLK：串行时钟，与AT89C51的P1.1相连。(4)SCLK：X1、X2晶振引脚，接32.768 KHz晶振。

2.4 液晶显示屏

PG160128是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及格160×128全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示点阵汉字。PG160128的引脚功能及与单片机的接口见表1。

表1 PG160128的引脚功能及与单片机的接口

2.5 PWM控制

51系列单片机无PWM输出功能，可采用定时器配合软件的方法输出。PWM脉冲驱动直流电机的电路如图2所示。直流电机通过L298直流电机驱动芯片驱动，电机的转向通过L298的引脚IN1、IN2来控制，电机的转速大小由PWM输出的调宽脉冲的占空比来决定[3]。AT89C51的引脚P2.4与L298的IN1相连，P2.5与L298的IN2相连，只要P2.4=1，P2.5=0，直流电机就正转；P2.4=0，P2.5=1，直流电机就反转；P2.4=0，P2.5=0，直流电机停止。

AT89C51单片机的P2.6引脚输出占空比不等的调宽脉冲，当检测到温度大于等于75℃或小于等于0℃时，直流电机全速转动，此时要求引脚P2.6=1，输出占空比为100%，电机转速方向通过L298直流电机驱动芯片的输入口IN1、IN2控制。当检测到温度大于等于45℃时，直流电机开始加速正转，加速转速与检测到的温度有关，假设检测到的温度为Temp≥45℃，此时的转速与(Temp-45)成正比，当Temp≥75℃，则全速，所以只要PWM输出占空比α=(Temp-45)/30，就可以实现此功能，当检测到温度Temp≤0℃，直流电机加速反转原理一样。本文中，通过单片机的T0定时器输出不同的占空比PWM信号，从而控制直流电机的不同转速。T0定时器设置如下[4]：TMOD=0x11，TH0=-50000/256，TL0=-50000%256，IE=0x82，TR0=1。

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图2 PWM脉冲驱动直流电机的电路

2.6 温度控制系统的硬件电路图[5]

温度控制系统的硬件电路图如图3所示。

图3 温度控制系统的硬件电路图

3 温度控制系统的软件流程图

3.1 主程序

(1)调用读取温度的子函数模块，测量环境温度。

(2)根据测量的环境温度，在T0的中断服务程序里控制直流电机的不同转向及转速。

(3)调用读取日期的子函数模块，把日期、星期、时间送到相应的数组DataTime[ ]里。

(4)调用液晶显示的子函数模块，把日期、星期、时间、温度等相关参数送到液晶显示屏上，每隔1 s刷新显示。

其主程序的流程图如图4所示，主程序如下：

图4 主程序流程图

Void main( )

{

LCD_Initialise( )；

Read_Temerature( )；

Delay(50000)；

TMOD=0x11；

IE=0x82；

TH0=-50000/256；

TL0=-50000%256；

TR0=1；

Display_Str_xy(16,88,"当前温度：")；

while(1)；

}

3.2 中断子函数程序

设置定时器T0、T1两个中断子函数，其中T0的中断服务程序的功能如下：根据读取的温度Temp判断电机的运行；在T1的中断服务程序中，每隔1 s先读取温度值及时间值，再刷新液晶显示屏的内容，两个中断服务程序的的流程图如图5、图6所示。

图5 T0中断服务程序流程图

4 结 论

本文基于单片机AT89C51的工业生产温度控制系统，采用DS18B20数字温度传感器测量温度，在液晶显示屏上实时显示检测温度，并根据具体温度值控制直流电机不同的转速。该控制器具有结构简单、测量精度高等优点，可以应用于工业生产温度监控领域。

图6 T1中断服务程序流程图

参考文献：

[1]杨庆文，翠海.基于AT89C51单片机的温度控制系统[J].中国科技信息，2010,23(6):154-155

[2]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京:电子工业出版社，2009:299-301

[3]蓝厚荣.单片机的PWM控制技术[J].工业控制计算机，2010,23(3):97-98

[4]高卫东.51单片机原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社，2011:203-209

[5]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，2006:105-109

[6]焦峰超.基于51单片机的小型温度测量系统[J].宿州学院学报,2008,23(2):104-106

[7]杨庆文.基于AT89C51单片机的温度控制系统[J].中国科技信息,2008,21(3):64-66

[8]李宁,汪日燕.利用单片机定时器实现信号采样和PWM控制[J].微型机与应用,2004,7:35-37