0044基于51单片机恒温水箱水温控制系统原理图PCB设计Proteus仿真

【前言】

hello 大家好，今天给大家讲一讲基于51单片机的恒温箱水温控制系统，这类应用在我们日常生活中不是很常用，但它的原理和电热水器比较类似。

本次采用的硬件板子是钛叔最近设计的一款基于51单片机的多功能板(编号A01)，利用该板子再结合相应的小模块就可以满足绝大多数的项目应用，该多功能板的功能和兼容性都十分强大，接下来钛叔会详细介绍一下设计细节。本次项目采用的是A01多功能板 + S002 18B20传感器转接板 + S015 MOS管驱动模块(配合风扇和加热棒)的组合，通过按键可设置温度范围，通过LCD1602液晶可以实时显示当前温度及温度范围设定，超过温度设定范围将启动加热棒加热或风扇冷却，超过温度一定时间将声光报警。

【仿真设计】

下面是该项目的仿真图，模块化设计并配有功能说明，实现良好的易读性和移植性。（仿真文件为V8.11版本的，大家可以在此下载安装该版本：http://www.jh-tec.cn/archives/5696）

【硬件电路设计】

下面是该设计的整体原理图和PCB设计概览，原理图模块化分布，每部分都备注有对应的功能名称，便于阅读；PCB设计采用的3D封装的器件，主要是方便配合结构设计。

多功能主板原理图：

多功能主板PCB（支持三种显示器：LCD12864、LCD1602以及0.96寸OLED）：

* 关于S015 MOS驱动模块该模块的原理图如下图所示，使用的MOS管型号是AO4459，该管子支持连续漏极电流（Id）为5.8A，能满足绝大多数应用的功率；漏极的电源电压钛叔这里加了一个跳线帽可以直接接控制板过来的5V电压，同时预留了一个DC3-005座子，可以外接其他电源，比如电磁锁所需要的12V就可以通过此接口供电；源极设计了5.0mm的接线座子、XH2.54接口以及USB2.0立式母头（该座子主要是用于台灯路灯等项目）；

这里需要注意一下原理图中的控制部分，最开始钛叔选用的三极管是一个PNP的SS8550，但是回来测试发现了一个问题：当外部供电12V的时候，单片机的最高电压为5V，此时无论如何发射极的电压都高于基极，因此是无法控制三极管的开关的，所以钛叔后来改为NPN管子，但是由于单片机的初始默认电平是高，所以启动的时候为了避免误启动，钛叔这里采用了两个NPN，控制信号为低电平的时候MOS管导通，而高电平MOS管不通。

* S002 18B20传感器转接板该模块的原理图如下图所示，钛叔这次设计的18B20转接板可以外接常用的数字芯片封装，也可以通过XH2.54的接口外接防水型的18B20传感器，大家可以根据自己需求来选择，另外，数据和电源输入接口兼并了排针和XH2.54座子，其线序可直接与A01多功能板对接。

下面详细介绍控制主板的一些设计注意点哈，抛砖引玉~

1、关于MCU 多功能主板的MCU可以根据具体的项目需求来决定，大多数情况下普通51就能满足，当然有些场合，比如同时需要两路串口的情况，就可以采用加强51（STC12C5A60S2），44PIN的两种芯片是完全兼容的。本次项目采用的是STC89C52RC，最小系统如下图所示，很简单，这里不赘述具体原理。另说一句，在我们调试MCU小系统的时候，如果工作异常，无论什么类型芯片，首先第一步就是检查芯片的供电电源是否正常，再之后检测晶振和复位，绝大多数的问题都是出在这三个地方，钛叔记得以前学生时代有一次调试51单片机就始终下不进去程序，电源正常，复位也正常，最后发现就是晶振的谐振电容错焊成了1000pf，导致晶振起振失败，诸如类似的问题都可能导致芯片启动失败，所以大家按照我上述的三个点出发去调试，就一定能够解决问题。

（下载接口钛叔这里采用的XH2.54，大家可以在钛叔的店铺采购下载器，通过XH2.54连接线可以直接相连，避免插错的情况）

2、关于电源 如下图所示，钛叔在设计电源接口的时候根据实际使用情况多方面考虑，设计了三种接口方式——排针、WJ128接线端子以及miniUSB，排针可以用在杜邦线供电的情况，接线端子可以用在电源裸线供电的情况（这两种情况供电根据板载丝印正确插入，切记别插反），miniUSB供电的方式比较推荐，可以避免插反烧坏板子情况，钛叔这里之所以采用miniUSB而不是microUSB，主要原因是由于microUSB体积比较小，在开放性板子上面容易多次拔插情况下给搞坏导致接触不良（所谓开放性板子就是无结构件固定的裸板），所以这里钛叔没有采用microUSB。

电源开关部分钛叔采用的是8.5x8.5的自锁开关，这里需要注意就是自锁开关的方向，有部分同学焊接反了导致按下时候为电源关断，弹上来是电源闭合。

钛叔在该设计板上习惯性放了三个MRK点，如果大家有需要量产的需求，且板子比较大不会涉及拼版的情况，就记得放，如果后面是需要拼版的话，可以在最终的大板上放MRK点。

多功能板载具有一路3.3V的LDO，主要是给板上3.3V模块供电的，这里需要注意LDO尽量要选用电流达到1A以上的，以满足部分功耗较大的模块。钛叔这里使用的是AMS117，该芯片的性价比很高，推荐大家使用，不过一定要去代理商或者嘉立创拿货，淘宝上很多假货。

3、关于显示 多功能板设计了LCD1602、LCD12864以及OLED三种显示器，大家可以根据自己的项目需求来选择，如果显示内容比较多，比如贪吃蛇之类的游戏的项目就可以选择LCD12864，如果需要注重显示效果就可以选择OLED，如果显示内容不多也不怎么注重效果就可以选择LCD1602。本次项目钛叔采用的就是LCD1602，这里需要注意如果用单片机的P0接口，记得加上拉电阻，这是该芯片决定的，不明白的朋友可以去看STC89C52RC数据手册哈；另外，LCD1602的R/W引脚，大多数的情况下直接接地保持写操作就行，如果是一些项目需要读操作的话，就需要把该引脚接入单片机（比如基于51单片机的示波器或者贪吃蛇这种项目）；VL引脚是调试对比度的，如果事先不知道这个分压参数，用的是电位器的话，很可能第一次使用时候分压不合适导致显示屏亮的但没有东西，就误以为是自己程序的问题，这个问题钛叔以前也犯过，捣鼓了半天才发现是对比度没有调好，其实程序早已经再运行，如果大家是在某宝上买的液晶屏，大多数都是满足下边的分压参数，大家可以参考参考哈。

4、关于按键 A01多功能板载有6个按键，可以满足绝大多数的应用，如果不够的话，可以通过外接矩阵键盘的方式扩展。板载按键的型号钛叔采用的是贴片的6*6轻触按键，这里需要提醒大家的是，如果大家采用的回流焊机子，一定要注意购买耐高温的元器件，一般如果用编带的按键基本能过高温，如果是袋装的散件很可能就过不了，按钮部分很容易被烤坏，这里提醒大家一下。

5、关于报警 A01多功能板载有声光报警，报警电路部分原理很简单，大家可以参考下图，一个蜂鸣器加LED就可以实现，这里需要注意两个地方，第一是蜂鸣器建议大家选用有源的，操作简单很多，另外就是电压需要选择对应的，钛叔这里采用的是5V的HNB09A05；第二就是这里的三极管建议大家采用PNP管子，原因是该单片机上电默认为高电平，如果这里采用的NPN管子，上电瞬间就会声光报警（即便程序里边该IO口初始化为低），所以这里我们采用PNP管子来避开这种情况。

6、关于时钟 A01多功能板载有时钟芯片，采用的芯片是常用的DS1302，该部分的电路设计很简单，数据接口记得加上拉电阻。另外，关于晶振部分是否需要加电容，这个钛叔测试过加和不加影响都不大，如果您不放心，可以在晶振两边备份两个电容。

7、接口 A01多功能板最大的特点就是接口兼容性强，具备3PIN、4PIN、8PIN、WIFI模块接口、AS608指纹模块接口、NRF24L01无线模块接口以及这次我们项目用到的矩阵键盘模块接口，这些接口对应的模块钛叔的店铺都有出售，模块的线序都是一一对应，采用的都是XH2.54，可以用排线直接对插，避免插座的情况，非常的方便！大家可以在钛叔的店铺选购。