【摘要】介紹了基于單片機的溫度控制系統設計思路，對一個小型雞蛋孵化箱的溫度控制系統進行軟硬件設計，仿真結果符合設計要求。
【關鍵詞】溫度控制系統；單片機；雞蛋孵化箱
溫度的測量與控制，是現代工業控制中最常碰到的問題之一。隨著電子技術的飛速發展，特別是大規模集成電路單片機的產生，使工業溫度控制進入了自動化的時代。使用單片機對溫度進行測控具有控制方便和靈活性大等優點，可以大幅度提高被控溫度的技術指標。本文主要介紹一個小型雞蛋孵化箱的溫度控制系統，該系統能夠在設定的溫度范圍類進行自動調節，具有高度自動化且人為可控。
1.設計方案及論證
本設計的整體思路是：利用DS18B20溫度傳感器直接輸出數字溫度信號給單片機AT89S51進行處理,在LCD1602屏幕上顯示當前環境溫度值以及預設溫度值。再根據當前設定的溫度上下限值，通過對半導體制冷元件的正接或反接來實現溫度的調整。當采集的溫度經處理后超過設定溫度的上限時，單片機通過三極管驅動繼電器導通進而正接半導體制冷元件從而降低孵化箱環境溫度。當采集的溫度經處理后低于設定溫度的下時，單片機通過三極管驅動繼電器反接半導體制冷元件，從而升高環境溫度。當由于環境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設備出現故障，或者溫度傳感頭出現故障導致在一段時間內不能將環境溫度調整到規定的溫度限內的時候，單片機通過三極管驅動揚聲器發出警笛聲。本系統可預置多個時段的溫度值，由非易失性存儲器24C02存儲溫度預置值。
針對孵化室的具體應用場景，結合單片機應用系統集成度高的特點，采用反饋—響應的基本設計思路進行具體的方案分析。
孵化室的溫度數據采集采用集成的溫度傳感器DS18B20，其獨特的一線接口通信簡化了分布式溫度傳感應用。DS18B20可用數據總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無需備用電源 測量溫度范圍為-55℃至+125℃。范圍內精度為±0.5℃本次設計采用多個DS18B20并聯在唯一的三線上，來達到多點組網的功能，實現溫度的分布式監視。
對采集到的孵化室溫度數據的分析，是根據預置的溫度值來進行決策的：系統中的MCU程序會對采集到的溫度進行判斷，若溫度超過預置的孵化室標準溫度上限值，那么單片機會發送降低溫度的控制信號到溫控電路，讓溫度下降；若溫度超過預置的孵化室標準溫度下限值，那么單片機會發送升高溫度的控制信號到溫控電路，讓溫度上升。根據孵化的不同時期需要的不同溫度來調節孵化箱的溫度，已達到更高的孵化效率。
本次設計考慮使用一個半導體制冷模塊（具體型號為TEC1），半導體制冷器件有兩種功能，既能制冷，又能加熱，因此使用一個器件就可以代替分立的加熱系統和制冷系統。半導體制冷器是電流換能型器件，通過輸入電流的控制，可以實現高精度的溫度控制，半導體制冷器的溫差范圍，從正溫90℃到負溫130℃都可以實現。以正接制冷反接制熱的方式來實現孵化箱內的溫度的實現，這個正反方向的連接可用差動電路或者繼電器來實現。半導體制冷器件也叫溫差制冷器件，它是依據珀爾貼效應為基礎的一種制冷技術，它的散熱吸熱工作原理是：當把N型和P型半導體元件聯接成電偶對并在兩塊半導體上通上直流電時，如圖所示，點偶對的一端就會吸熱逐漸變冷，另一端會放熱，這放熱一端稱為熱端。
2.具體模塊設計
本系統主要包括DS18B20數字溫度傳感器、LCD1602液晶顯示器、AT89S51單片機、鍵盤等部件。
2.1 DS18B20測溫原理
DS18B20測溫原理是通過計數時鐘周期來實現的，低溫系數振蕩器輸出的時鐘信號通過由高溫度系數振蕩產生的門周期而被計數。DS18B20初始化時預置了-55℃對應位基數值，將對低溫系數振蕩器輸出脈沖減數，A等于0時會重置,溫度寄存器的值加1。如此循環，直到減數計數器B的值為0，溫度寄存器的值將停止累加，此時溫度寄存器中存放的值就是測量到的環境溫度的數碼。只需將其讀出即可。DS18B20的單總線接口，僅使用復用的一根數據線與主機通信,使用DS18B20的一般步驟為：初始化DS18B20—跳過ROM操作—啟動溫度轉換—等待轉化完成—再次初始化—跳過ROM操作—讀取溫度寄存器的值。DS18B20在使用時，一般都采用單片機來實現數據采集。只須將DS18B20信號線與單片機1位I/O線相連，且單片機的1位I/O線可掛接多個DS18B20，就可實現單點或多點溫度檢測。
2.2 半導體制冷電路
系統啟動后，檢測一旦超過預置的適宜孵化的溫度，半導體制冷片驅動電路會接受MCU的控制信號，這個控制信號決定的是溫度調節是該升溫還是降溫。該信號控制光耦的導通，來改變半導體制冷片TEC1的正接和反接，從而調節溫度，使溫度保持在合理范圍。
2.3 DS18B20溫度格式轉換
DS18B20溫度寄存器中存放的溫度值格式是以16位符號擴展的二進制補碼形式提供的，以0.0625C/LSB形式表達，其中S是符號位。獲得12位溫度編碼的程序如下。
//溫度轉換
unsigned int DS18B20_Retem(void) {
uchar a=0;
uchar b=0;
unsigned int t=0;
DS18B20_Ini();
DS18B20_Wridir(0xcc);//跳過ROM
DS18B20_Wridir(0x44);//啟動溫度轉換
DS18B20_Ini();
DS18B20_Wridir(0xcc);
DS18B20_Wridir(0xbe);
a= DS18B20_Reodir(); //讀取低8位
b= DS18B20_Reodir(); //讀取高8位
t=b;
t<<=8;
t=t|a;
return(t);//返回12位數據
}
2.4 溫度預置
孵化室中的溫度是孵化最重要的條件，所以有規（下轉第286頁）（上接第189頁）律的控制孵化箱內的溫度，才能獲得高孵化率和優質雛。我們把雞的21天孵化期分為兩個階段：1到19天孵化箱內的溫度應該在37.8℃,19到21天孵化箱內的溫度應該在37～37.5℃。通過對溫度的預置，可以事先知道孵化室的最佳溫度，再與采集的實時溫度數據比對，可以自動對環境溫度進行調節。
3.仿真測試
本系統可通過Proteus軟件仿真運行，系統采集的當前孵化室溫度為20.0攝氏度，時間為21:30分39秒，孵化室溫度指標為Norm，即正常溫度。系統采集的當前孵化室溫度為33.0攝氏度，時間為21:30分06秒，孵化室溫度指標為Warn，即預警溫度，，MCU會發出控制信號給報警電路和溫度控制電路。
4.結束語
利用單片機處理能力強，運行速度快等優點，對溫度進行實時的監測和控制，通過數字溫度傳感器采集溫度環境，對各種信號處理，然后實現對溫度的控制，這將極大地提高了工業企業的自動化程度和技術水平。[科]
【參考文獻】
［1］陳妙芳,胡曉東.基于AT89S51單片機的溫度控制系統設計.機械工程師,2009.
［2］張玉峰.基于單片機的蔬菜大棚溫度控制系統設計.農機化研究,2010.