智能水温控制系统

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1、智能水温控制系统摘要：为了实现水温控制系统的设计要求，通过对各个模块电路方案的比较和论 证，最后确定了以STC89C52单片机为核心的硬件电路，选用DS18B20温度传感 器测量水温。该系统具有实时显示、温度测量、温度设定并能根据设定值对水的 温度进行调节和控温的目的以及达到上限温度的报警功能，控制算法是基于数字 PID算法，在设定温度发生突变时，可自动打印水温随时间变化的曲线。关键词：AT89C52单片机、PID算法、温度测量和控温随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采 集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。 本设计论述了 一种以S

2、TC89C52单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器 的温度自动控制系统。该控制系统可以根据设定的温度，通过单片机控制继电器 开启和关闭，从而控制水泥电阻的加热和停止。硬件电路主要包括STC89C52单 片机最小系统、稳压电路、DS18b20测温电路、键盘电路、锁存器SN74HC573、 MT05011AR数码管显示电路、继电器电路，加热模块电路等。系统程序模块主要 包括主程序控制模块，温度处理子程序模块、按键处理程序模块、锁存器控制模 块、数码管显示模块。一、设计任务设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为500ml净水，容器为搪瓷器 皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环

3、境温度降低时实现自动控制， 以保持设定的温度基本不变。1）温度设定范围为2070oC，最小区分度为1oC,标定温度W1oC。2）用十进制数码管显示水的实际温度。3）采用适当的控制方法，当设定温度突变（比如：由50oC提高到60oC）时， 减小系统的调节时间和超调量。4）温度控制的静态误差W1C（达到发挥部分的要求）5）在设定温度发生突变时，自动打印水温随时间变化的曲线。整个系统分为以下几个部分：温度采样部分、控制电路部分、加热装置以及 串口通信部分。2.1温度采样部分采用温度传感器DS18B20,测温范围-55oC +125C,采用独特的单线接口方 式，仅需一条口线即可实现微处理器与DS18B

4、20的双向通讯，且在使用中不需要 任何外围元件；可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625C, 被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、 质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。采用STC89C52单片机作为主控芯片。STC89C52是一个超低功耗，高性能的 51内核的CMOS 8位单片机，片内含8KB空间的可反复擦写1000次的Flash只 读存储器，具有512bytes的随机存取数据存储器（RAM）, 32个I/O 口，两个16 位可编程定时计数器。且该系列的51单片机支持串口下载和串口调试。所以我们选择了方案2

5、。2.3键盘显示部分控制与显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，所以此部分电路设计 的好坏直接影响到电路的好坏。设计的系统中，共三个按键：菜单键和温度设定的“+”、-”控制键。对菜 单键按键一次，进入温度设定状态，通过连按“+”、-”控制键来设定温度，数 码管显示设定的温度值；对菜单键连按键两次，进入温度测量状态，数码管显示 当前的实际水温。2.4加热装置的选择采用螺旋加热管。可将螺旋加热管固定到容器内部，通电加热时能使水在容 器内形成对流，加热功率相对较高，加热较均匀，使得测量误差较小。对温度控 制的精度要求较高 2.5串口通信部分UART通信，是异步串口通信，在通信时只需要数据线，只需

6、要知道发送数 据的波特率，编程时设置好位长度即可。UART通讯编程简单，通讯速度远比IIC快，可以直接使用RS485延伸通讯 距离达到1km,通讯速度很容易做高。所以本实验中，采用UART通信将数据传 输给电脑。2.6软件算法的选择采用经典PID控制算法和根据实验数据分区间控制的算法，对于温度系统来 说，被控对象没有精确的数学模型。用螺旋加热器加热使得水温具有热惯性，采 用补氧设备往水里加入空气，使水的上下温差变得非常小，故检测的实时数据基 本能完全体现500ml水的实际温度，所以经典PID控制算法中的P能满足设计要 求，但必须根据实验数据进行调整。三、系统总体方案设计此方案采用STC89C5

7、2单片机系统实现，键盘输入温度设定值，用数字温度 传感器DS18B20采集准确的温度，数码管显示设定温度值和水温实测值，加热装 置采用固态继电器控制，当水温超过设定值时蜂鸣器报警。图1 温度控制系统框图四、硬件电路设计4.1温度采集电路一种电路是采用单线数字温度传感器DS18B20,可直接输出数字量，单线 器件和单片机的接口只需一根信号线，所以本设计的硬件电路十分简单，容易实 现。使用读取温度暂存寄存器的方法能达到0.1oC以上的精度。18B20连接电路 图如图2所示I吕朗ISA00P25图2温度采集电路4.2加热装置模块由于本系统要控制加热管，功率较大，因此要借助功率电路。使用继电器 可以很

8、容易的通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。使用电 磁继电器电路的实现十分简单，而且还可以实现较为精确的控制，是比较好的 一种方式。DS18B20测温芯片传送温度数据单片机的I/O 口 P2.5。对加热管通断的控制采用SSR固态继电器，SSR是半导体继电器，所以较小 的驱动功率即可使SSR工作。它的使用非常简单，且响应时间短，对系统干扰 小。只要在控制台端加上一个TTL、CMOS电平或光耦，即可实现对继电器的开关。其电路图如下所示。图4图34.3按键控制和显示模块K1DOWN#P2.0 接 KEY1, P2.1 接 KEY2, P2.2 接 KEY3。KEY1:菜单键，共有两种模式

9、：温度重新设置、 当前所测温度。KEY2:温度设置“+”。KEY3:温度设置“-”。系统上电后，数码管全部显示为当前所测温度值，根据按KEY1次数，若按 键一次，进入温度设定状态，通过连按“+”、-”控制键来设定温度，数码 管显示设定的温度值；若连按两次，进入温度测量状态，数码管显示当前的实 际水温。由于温度变化范围是4070oC，所以选用两个数码管显示温度。数码管采用 共阳极，经过1KQ的电阻限流后与单片机连接，由单片机I/O 口 P3对数码管进 行位选。4.4蜂鸣报警电路蜂鸣器通过一个三极管来驱动，这里选用PNP型三极管，电路图如下7CC1KEP4.5通信模块系统设计要求控制系统能同PC联

10、机通信，以利用PC图形处理能力打印显示 温度曲线，故使用了 STC89C52的异步串行端口 UART实现与PC通信。由于STC89C52串行口电平和PC不一致，(ST89C52 的 I/O 为 TTL 电平，PC 串行口 为RS232电平)，使用一片MAX232为进行电平转换驱动。通信速率为9600波特率。数据5秒传输一次。电路图如图7所示，MAX232的RXD1和TXD1分别接 STC89C52 的 P3.1(TXD)和 P3.0(RXD)。图7 串行通信电路UART模块提供了 一个全双工标准通信口，用于完成STC89C52与外设之间的 串行通信。根据RS-232的标准，STC89C52单片

11、机也是按照字节传输数据的。 UART还可以带缓冲接收数据，即可以在读取缓存器数据之前接收新的数据。但 是，如果新的数据被接收到缓存器之前一直未从中读取，先前的数据会发生数 据丢失。SBUF用于接收和发送数据的缓存，向该单元写入数据，将发送的数据 送入缓存器；读该单元取数据，可以从缓存器读出接收到的单字节数据。UART 模块的接收管脚Rx和发送管脚Tx分别与P3.1和P3.0共用。五、系统软件设计任何一个系统的软件设计都离不开硬件电路的连接，本课题硬件设计的高 度模块化决定了软件设计的模块化。本程序结构包括：主控程序模块、键盘扫 描及处理子程序、LED显示子程序、采样数据处理子程序、PID算法子

12、程序、串口通信并打印曲线图等 框图如图8。主控程序模块在整 管理所有子程序的调用，主控程序模块子程序几个部分。结构个结构中充当管理者， 就相当于个人计算机的操作系统。它主要负责初始化各个I/O 口，等待键盘事件的发生，并作出相应的处理。并在适当的时候调用 数据采样程序，并将采样到的数据与键盘设定值比较。再通过PID计算后用以 控制继电器的开断，从而控制加热管的输出功率，来达到水温的调整，并将实 测的水温数据上传给电脑，利用PC图形处理能力打印显示温度曲线。VVV键盘扫描键值处理LED传感器测温并上传串口通信PID计算继电器控制蜂鸣器报警温度曲线图8程序结构图程序流程图及部分程序5.1主程序程序

13、按照模块化设计，所有功能都可通过调用子程序完成，主程序较简 单，流程图如图9所示。开始系统初始化按键程序温度读取加热函数（包含蜂鸣报警）/*本设计系统是18b20温度报警系统数码管显示，可设置温度上限高温报警和下限 低温报警，报警温度可精确到1度，并具有掉电保存功能，数据保存在单片机内部EEPOM 中，进入设置界面后如果没有键按下系统会在15秒后自动退出设置界面，人性化的按键设 置，按键还具有连加、减功能。*/void main()(UART_init();time_init();/初始化定时器0read_eepom();if(a_a = 0xff)从主程序中可以看出，在进行一系列程序调用之前

14、对系统进行初始化，然 后进入while循环，重复以下步骤：执行键盘程序，对键值进行处理。进而调 用加热函数，用PID算法，来控制继电器对加热器的关断，实现温度控制。同 时执行数码管显示程序，实现温度的实时显示。当设定温度与实际温度相差较 大时，调用打印函数，与电脑进行串口通信，利用PC机图形处理能力打印显示 温度曲线。5.2系统初始化系统的初始化主要包括I/O 口的初始化，键盘初始化，定时、中断初始 化，串口初始化等等。以下列出部分初始化程序 / 串口初始化 / 5.3键盘程序1) 由于机械触点有弹性，在按下或弹起按键时会出现抖动，从最初按下到 接触稳定要经过数毫秒的弹跳时间，如图所示。为了保

15、证探险键识别的准确 性，必须消除抖动。消抖处理有硬件和软件两种方法：硬件消抖是利用加支抖 动电路滤避免产生抖动信号；软件消抖是利用数字滤波技术来消除抖动。我们 采用软件的方法，利用主程序循环扫描，主程序每循环一次扫描到的键值相同 时，则说明是某键按下。2) 键值处理/*按 键处理数码管显示函数 */设置高低阈值/5.5 PID算法由于单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制 量，因此式（1）中的积分和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法 逼近。在采样时刻t=iT（T为采样周期）。式（1）所示的PID调节规律可通过数 值公式（2）近似计算。u = Kp eT V+乙i

16、 j=ej + T(eT、 一七i） + Uo由式（2）可以得到:ui-1=K eP i-1+ T E eT ji j=+ (eTi-ie ) + u由（2）-（3）可得增量式算法公式:Au = u u=Kp (ete ) + e + d (e 2e + e )i 1T i T ii1i2i=K Ae + le + DA =K Ae + K e + % A e/* *PID计算部分*/5.6继电器控制继电器是和STC89C52单片机的P2.5 口相连的，它的开断完全取决于P2.5 口的输出，即PID计算的结果。当输出小于零说明设定值小于实际输出值，这 是就要关闭加热管，同时关闭定时器B的计时。

17、根据设定温度与实际温度的差 值改变加热的延时时间。显示窗口：六、数据测量与分析6.1使用说明书准备阶段：1）搪瓷水杯中接500ml的水，将螺旋加热管、数字温度传感器固定 在水杯中，继电器接220V交流电源，系统4.5V直流供电。工作阶段：2）系统默认温度为50oC，若不做任何操作，可自动将水加热到 50oC，然后继电器断开，停止加热。整个过程中，数码管实时显示水温。3）共三个按键：菜单键和温度设定的“+”、-”控制键。对菜单 键按键一次，进入温度设定状态，通过连按“+”、-”控制键来设定温度， 数码管显示设定的温度值；若15秒内没有按键“+”或-”，数码管自动显示 当前实际水温，否则显示设定温

18、度值。若对菜单键连按键两次，进入温度测量 状态，数码管显示当前的实际水温。结束阶段：4）先断开继电器电源，再断开系统电源，将温度传感器和加热管取 出。将实验设备整理好。6.2仪器设备与测试方法仪器设备：PC机、数字万用表、精密温度计（量程是0c-100c，分度值是 1/5C）,1）动态温度测量测量方式：将数据线接入控制仪，将容器中装入500ml室温的水，设定控温温 度。记录调节时间、超调温度、稳态温度波动幅度等。测量仪器：精密温度计（量程是0C-100C，分度值是1/5C）, DS18B20,秒 表，PC机。测量结果：如下表所示设定温度（C）5055606570超调量（C）11233变化范围（

19、C）50505455596064666972根据测量结果，控制的最大动态误差W2C，系统达到稳态的时间W5min。2）静态温度测量测量方式：断开电源，往容器里加入500ml 一定温度的水，连接好装置。保持 环境温度和其测量条件不变，接通电源，任意设置几组目标温度，利用精密温 度计测量水温，与数码管显示的水温进行比较。测量仪器：精密温度计（量程是0CT00C，分度值是1/5C）, DS18B20,秒 表，PC机。测量结果：如下表所示目标温度55C时间t(min)0306090120150180测量温度（C）55555454555555误差（C）0011000目标温度70C时间t（s）030609

20、0120150180测量温度（C）70697172717170误差（C）0112110误差分析：温度计和DS18B20反应的灵敏度不同，且测量的是不同位置的水温。此误差均在1C以内，且没有规律性，所以不再软件补偿温度值。 系统测量的静态误差W1C，系统达到稳态的时间为5min。6.3测试结果分析由以上测量可见，系统性能基本上达到了所要求的指标。静态测温的精度 主要由DS18B20决定。DS18B20的精度比较高，这里采取了读取温度寄存器办 法，本系统中温度最小区分度选择1oC,比较符合系统要求。在控温指标中，影响系统性能的因素非常多。最关键的是加热系统本身的 物理性质及控制算法。由于温度传感器

21、难免会有迟滞，螺旋加热器本身的延 迟，水对流传热等因素也会造成测温的延时，这些都会直接影响系统的控制性 能。控制算法方面，需反复试验比较，在上升时间和超调量之间作权衡，选出 较好的PID系数。七、总结此设计是水温控制系统，首先是方案的选择。网上相关的资料很多，但不 是每个都适合，这就需要甄选。最后定下来的方案都是经过综合各种资料而成 的。接下来是制作单片机最小系统，由于以前的实验有过经验，因此在复习了 相关知识之后，就很容易上手了，基本上没遇到什么困难。但需要注意的是元 器件的排版，要为以后添加的器件留下空间，最后可适当考虑美观的问题。体 会就是，制作板子的时候一定要统筹安排。电路焊好后，接上

22、电源，通过数据 线连接电脑下载编好的程序，进行调试。再接下来是添加单元电路，并进行调 试。调试过程中，遇到不少问题，主要是经验不足，经过不断的查找资料，修 改调试，问题基本上得到了解决。体会就是，系统要有良好的控制效果，其前 端采集温度信号并放大需要足够精确，其次系统的构成要简单实用，实时监控 系统状态参数，并且运用多种算法使得数据更为接近真实值。此次系统设计中遇到的难题有1.参量的设定，由于加热管的加热惯性，会 导致温度加热过快超过设定温度值。对于本系统来说参数设定只能使用经验凑 试。调试的时候一定要耐心，细心。2.串口通信部分的程序设计，由于第一次 接触这方面的内容，串口通信过程中出现了各

23、种问题，经过不断的尝试和参考 相关资料，最终基本上达到了题目要求中的发挥部分要求。团队的协同合作是 相当重要的，有时候1+12的作用。总的来说通过这次设计实验，学到了很多东西，无论是动手能力，分析问 题的能力都得到了提高，重要的是建立了对于电子设计信心，增强了对于电子 设计兴趣。最大的体会还是理论运用到实践还是有很大差距，理论学得再好到 了实际运用的时候还是会出现很多问题，这些问题通过多实践积累经验可以得 到解决。总之本次系统设计让我们收获颇丰。八、参考文献1. 可编程序控制器模拟量及PID算法应用案例，曹辉编著，北京：高等教 育出版社，20082. 2011版全国大学生电子设计竞赛硬件电路设

24、计精解，陈永真等著，北 京：电子工业出版社，20113. 全国大学生电子设计竞赛系统设计，黄智伟编著，北京：北京航空 航天大学出版社，2006.124. 基于VC+6. 0的数据可视化串口通信叶艳艳，樊峰，陈西曲，武汉工业 学院学报，2012.3 (31)5. 模拟电子技术基础，童诗白，华成英著，北京：高等教育出版社，2000.6. 数字电子技术基础，阎石著，北京：高等教育出版社，2005.九、电路图附录&R1_100 FIDB R2 _100 FllG R3 _100 Pl?PRS,100 P13E 而FMF R1_1100 Fl 5GR1_100 Fib口压_100 PITVCC101213P34 14F36 16P7717VCCTC1I+IQ1FIIY1口.1原 H.592MP1.0VCCP1.1PO.OP1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RSTP0.7CRXD)P3.0EA/7PP(TXD)P3.1ALE7PROG(IWiP32PSEN(INT1)P33P2.7CTO1P3.4P2.6(T1JP3.5P2.5迎P3.&P2.4CRD)P3.7P2.3XTAI2P2.2ZTAL1P2.1GNDP2.0S1CS9C52RC