水温控制系统
摘要
现如今，人们的生活越来越强调智能化以及低碳化，无论是智能化还是低碳化，生活在人们都希望自己的电器越来越智能，即能按照人们的意愿，低功耗的实现功能。水温控制作为人们生活以及工业的重要组成部分，能否实现智能化以及低功耗化十分重要。水温控制系统以STC89C51作为核心的温度控制系统，将DS18B20作为温度感应器，可直接反馈数字量的温度信息并可以调节精度；以继电器以及螺旋加热管作为加热模块；以发光二级管以及蜂鸣器作为声光告警装置；以数码管作为温度显示模块。程序上利用PID调节算法，多次调节其中参数，使得温度控制更加精确。该系统具有简单、成本低、质量安全可靠的特点。相信无论是在生活还是生产中都会有不错的应用前景。
关键词 智能化 温度控制 STC89C51 DS18B20 PID调节算法
一．任务以及要求
设计并制作一个水温自动控制系统，水温可以在一定范围内由人工设定，可以实现自动报警功能。
1.基本内容如下：
（1）温度设定范围为：40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。
（2）环境温度降低时温度控制的静态误差≤1℃。
（3）用10进制数码管显示水的实际温度。
2.发挥要求：
（1）温度控制范围扩大，最小区分度减小。
（2）温度控制的静态误差≤0.2℃。
（3）特色与创新。
二．方案设计及其论证
水温的控制，必须先精确地获取温度，所以温度传感器的选择就非常重要。通常，温度所测量的是模拟量，模拟量的转换涉及到A/D的转换。温度传感器把温度传送给处理器核心，处理器核心经过分析，判断是否满足处理的条件，进行相关的处理。可实现的动作包括以下几项：达到设定温度，进行声光报警；温度低，进行加热处理。其中温度的设定就要利用到键盘。声光报警就需要用到发光二级管以及蜂鸣器。经以上分析，可以将温度控制系统分为以下几个模块：
1.温度传感器
温度传感器应具有精度足够高、处理速度足够快、体积小等特点。采用DS18B20温度传感器。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，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。更重要的是采用该温度传感器后不用采用A/D转换。节省了大量的工作量。
2.键盘显示
按键主要涉及到温度的调节以及模式的转换。显示部分主要涉及到水温的实时显示，以及功能模式的显示。按任务功能需求采用独立键盘，并且利用MCU对键盘进行扫描。这种方案既能很好的控制键盘及显示，又为MCU大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，简单易做的特点。显示部分按照任务要求采用4位数码管设计，来显示水温以及工作模式等。也具有简单、可靠的特点。
3.CPU核心
CPU主要控制水温以及其他模块的协调工作。是该水温控制系统的核心。根据对方案的分析，采用简单易用的STC89C52单片机，其内部有4KB单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。具有简单方便、成本低以及可靠的特点。
经以上分析，只要合理设计电路以及正确编写程序，以上几个模块在MCU以及程序的调节下能协调工作，共同完成水温的控制，从而达到任务要求。
三．理论分析与计算
各个模块要在MCU的调节下合理有序的工作，那么系统必须采用合理高效的控制系统。这就要涉及到过程控制，过程控制指对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。过程控制可分为：模拟控制系统、微机过程控制系统以及数字控制系统DDC。模拟控制系统中被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。微机过程控制系统以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。
现如今在生产以及实践中运用最多的是DDC(DirectDigitalCongtrol)系统：
图3-1DDC系统构成框图
DDC(DirectDigitalCongtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。
其中控制规律即为PID调节，本系统中为软件实现。涉及到的理论计算如下：
1.模拟PID控制规律的离散化
表一.模拟PID控制规律的数字化公式
模拟形式
离散化形式
2.数字PID控制器的差分方程
式中 为比例项
为积分项
为微分项
四．系统设计方案
1.工作模式
本着智能化以及按照题目要求，将系统设计有以下两个个工作模式：A.测定水温以及显示水温；B.设定水温并保温；其中A为默认工作状态，即开机工作状态，工作内容为实时测量水温并在数码管上显示。B为设定温度并保温。由用户设定一定的温度，系统自动工作，加热到设定温度后声光报警，声光报警装置可独立开关，如果不切断电源或切换模式，系统将自动竟然保温模式。其中温度的设定有键盘控制。不管在那种工作模式，一旦复位键按下，将回到默认工作模式。在B工作模式下并且显示实际水温时，按下加键可以显示用户设定温度。根据以上的分析总结如下：
2.电路设计
根据以上的分析，可以将整个系统分为以下几个部分：单片机最小系统，测温电路，功率电路，交流过零检测电路，显示电路，系统框图如下：
（1）89C52最小系统
最小系统采用将C52MCU以及独立键盘、数码管集成在一块板上的工作方式。其中P0口接数码管。其他包括复位电路、独立键盘、晶振电路。其电路如下图5-1所示：
图5-1最小系统
（2）18B20测温电路
测温电路是使用DS18b20数字式温度传感器，它无需其他的外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据，电路十分简单。它能够达到0.5℃的固有分辨率，使用读取温度的暂存寄存器的方法还能达到0.2℃以上的精度。DS18B20温度传感器只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ，外供电源线VDD，共用地线GND。外部供电方式(VDD接+5V，且数据传输总线接4.7k的上拉电阻，其接口电路如图5-2所示：
图5-2控制电路
（3）功率电路
功率电路主要是继电器模块，包括三极管以及电阻组成控制部分，与MCU进行通信。PNP管的导通控制着继电器的常闭触点的接通与否。继电器常闭触点连接着外部加热电路。其中继电器的电感部分连接着二极管，起着引流保护PNP管的作用。其电路如下图6-1：
图6-1功率电路
（4）声光报警电路
声光报警电路采用蜂鸣器以及二极管串联的形式，通过PNP三极管控制电路通断。利用P3.7来与MCU通信。如下图6-2：
图6-2声光报警电路
（5）红外接收装置
该部分为创新部分，采用红外接收装置来接受红外遥控器的信号，这样就可以通过无线方式进行信息的传递。通过遥控器可以设定温度，切换工作模式等。工作原理为红外遥控器产生红外信号，红外接收头接收到红外信号后，其内部电路把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平，还原出发射端的信号波形。最终将数字信号传输到MCU，MCU做出相应的反应。其电路如下图7-1：
图7-1红外接收装置
五．软件设计说明
（1）总流程
本系统是采用查询方式来显示和控制温度的。其中加入了红外以及键盘等的其他控制器件语句。总流程图如下图7-2：
图7-2总流程图
（2）工作时序
工作时序由初始化模块、测温、显示等模块组成。具体工作时序如下图8-1：
图8-1工作时序
（3）主要程序
1.主函数如下：
#include
#include
unsignedcharchoice;
unsignedcharkey_dowww.bsmz.net]，北京：电子工业出版社，2009
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