1. 引言
：电子式温度调节器的设计背景与意义
在家庭生活（如卧室供暖、鱼缸水温控制）、实验室（如试剂恒温存储）、工业生产（如小型设备温控）等场景中，温度稳定是保障舒适度、实验精度与生产质量的关键。传统机械温控器（如双金属片温控器）存在精度低（误差 ±2℃以上）、调节范围窄、无法数字化设置等问题；普通电子式温控器多依赖专用芯片，功能固化且扩展性差，难以适配不同场景的个性化温控需求。
51 单片机作为经典嵌入式控制器，具有成本低、编程灵活、接口清晰的优势，可通过软件精准实现温度采集、阈值判断与执行器控制；结合温度传感器与执行模块，能构建 “采集 - 判断 - 调节” 闭环温控系统。基于 51 单片机的电子式温度调节器，支持 0-100℃温度测量与 5-90℃目标温度设置，可自动控制加热 / 制冷设备，同时具备温度显示、参数存储与超温报警功能，适配鱼缸、孵化器、小型烘箱等多种场景。该设计不仅填补传统温控器的功能短板，还能通过软件灵活调整温控逻辑，符合 “数字化、个性化” 的温控发展趋势，具有重要实用价值与教学意义。
2. 核心硬件选型与电路搭建
系统以 STC89C52RC 单片机为核心，主要包含温度采集模块、执行控制模块、人机交互模块及电源模块，电路设计兼顾成本与温控精度，适配多场景使用需求。
温度采集模块选用 DS18B20 数字温度传感器（单总线接口），接入单片机 P3.0 引脚，测量范围 - 55℃-125℃，精度 ±0.5℃（0-70℃范围内），无需额外 AD 转换电路，简化硬件设计；模块内置温度补偿功能，在低温环境（0℃以下）仍能保持稳定测量，同时通过 1kΩ 上拉电阻增强总线驱动能力，避免信号传输干扰。
执行控制模块采用 “加热 + 制冷” 双路控制：加热回路通过继电器模块（SRD-05VDC-SL-C）驱动 12V/50W 加热片，继电器控制端接单片机 P1.0 引脚；制冷回路（适配小型半导体制冷片）通过另一个继电器驱动 12V/30W 制冷片，控制端接 P1.1 引脚；继电器输出端添加续流二极管，防止开关时产生的反向电动势损坏单片机；同时在加热 / 制冷片回路串联 0.1Ω 采样电阻，通过 ADC 引脚（P1.2）监测工作电流，实现过流保护。
人机交互模块：配备 4×4 矩阵键盘（连接 P2 口），用于目标温度设置（“+/-” 键调整）、模式切换（“加热 / 制冷” 键）、参数保存（“确认” 键）；采用 1602LCD 显示屏（连接 P0 口与 P3.2-P3.4 引脚），实时显示当前温度（如 “当前：25℃”）、目标温度（如 “目标：30℃”）与工作状态（如 “加热中”“待机”）；添加红色 LED 报警灯（P3.5 引脚）与蜂鸣器（P3.6 引脚），超温时同步触发声光报警。
电源模块采用 12V/2A 直流电源供电，经 LM1117-5V 稳压为继电器与制冷 / 加热片供电，再经 LM1117-3.3V 稳压为单片机、DS18B20 与 LCD 供电；电路中添加 0.1μF 去耦电容与 100μF 滤波电容，减少电源噪声，确保温度采集与执行控制稳定，同时添加防反接二极管，避免电源接反损坏模块。
3. 软件设计与温控逻辑实现
软件设计以 Keil C51 为开发环境，采用模块化编程，包含主程序、温度采集子程序、温控判断子程序、执行控制子程序、人机交互子程序，核心实现闭环温控与异常保护逻辑，适配不同场景的温控需求。
主程序流程：初始化单片机 I/O 口、DS18B20、LCD 显示屏与定时器（T0 用于 1 秒定时采集温度），默认目标温度设为 25℃，LCD 显示 “温控器就绪 - 当前：–℃”；读取单片机 EEPROM 中存储的历史参数（如上次设置的目标温度），自动加载并更新显示；进入循环控制状态，每 1 秒调用温度采集子程序，根据采集结果执行温控逻辑。
温度采集子程序：通过单总线协议与 DS18B20 通信，发送温度转换指令（0x44）后等待 750ms，再读取温度寄存器数据（16 位二进制数）；将数据转换为十进制温度值（整数部分取高 8 位，小数部分通过低 4 位计算，如 0x000A 对应 10.0℃），采用滑动平均滤波算法（取 5 次采集值平均）去除随机干扰，确保温度数据稳定。
温控判断与执行控制：将当前温度与目标温度对比，若当前温度＜目标温度 - 1℃且处于加热模式，P1.0 引脚输出高电平吸合加热继电器，LCD 显示 “加热中”；若当前温度＞目标温度 + 1℃且处于制冷模式，P1.1 引脚输出高电平吸合制冷继电器，LCD 显示 “制冷中”；当温度处于目标温度 ±1℃范围内，断开两路继电器，进入待机状态，避免执行器频繁启停。
人机交互子程序：矩阵键盘按下 “+”/“-” 键时，目标温度按 1℃步长增减（限制在 5-90℃范围内），LCD 实时更新目标温度；按下 “确认” 键，将当前目标温度存储至 EEPROM，断电后不丢失；按下 “加热 / 制冷” 键，切换工作模式，LCD 显示对应模式标识。软件中添加超温保护逻辑：若当前温度＞95℃或＜0℃，立即断开执行器，触发 LED 报警灯与蜂鸣器（周期 1 秒的断续报警），LCD 显示 “超温报警”，直至温度恢复正常或手动复位。
4. 系统调试与性能测试
系统调试分为硬件调试、软件调试与场景测试，通过分步验证与实际场景模拟，确保温控器精准、稳定运行，具体流程如下：
硬件调试：单独测试各模块，给 DS18B20 通入标准温度环境（如 25℃温水、0℃冰水），用串口助手读取单片机发送的温度数据，确认测量值与标准值偏差＜0.5℃；测试执行控制模块，设置目标温度 30℃，当前温度 25℃时，加热继电器是否吸合，加热片是否正常工作；模拟超温场景（加热至 96℃），检查报警灯与蜂鸣器是否触发，执行器是否断开，排除电路虚接、模块兼容性问题。
软件调试：在 Keil 中在线调试，单步运行观察温度采集与转换逻辑，修正数据处理偏差（如小数部分计算错误）；模拟温度波动场景（快速加热 / 降温），验证执行器切换是否准确（如温度达目标值 ±1℃时是否停机）；测试参数存储功能，设置目标温度 35℃并保存，断电重启后确认是否自动加载，确保 EEPROM 读写正常。
场景性能测试在鱼缸（25℃恒温）与小型孵化器（37℃恒温）场景开展：精度测试，鱼缸场景目标温度 25℃，24 小时内温度波动范围 24.8-25.2℃，偏差＜±0.2℃；孵化器场景目标温度 37℃，波动范围 36.9-37.1℃，满足生物孵化精度需求；响应速度测试，从 20℃加热至 30℃，耗时约 8 分钟，温度上升速率稳定（1.25℃/ 分钟）；稳定性测试，连续运行 72 小时，无温度漂移、执行器故障或死机现象，超温保护触发准确率 100%。测试表明，系统在温控精度、响应速度与稳定性上均达到设计目标，能适配多场景温控需求。
5. 结语
基于 51 单片机的电子式温度调节器，通过数字化温度采集与闭环控制，解决了传统温控器精度低、功能单一的问题，兼具成本优势与功能扩展性，可广泛应用于家庭、实验室、小型工业场景，为用户提供精准、灵活的温控解决方案。
然而，系统仍有改进空间：一是可扩展无线通信模块（如 HC-05 蓝牙模块），支持手机 APP 远程查看温度与设置参数，适配智慧家居场景；二是添加多时段温控功能，通过定时器设置不同时间段的目标温度（如鱼缸白天 25℃、夜间 22℃），提升个性化程度；三是优化执行器控制算法，采用 PID 控制替代简单阈值控制，进一步缩小温度波动范围（如控制在 ±0.1℃内），适配高精度实验场景。后续可围绕这些方向优化，推动电子式温控器向更智能、更高精度的方向发展。
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