水溫控制系統(tǒng)

摘要

現如今，人們的生活越來越強調智能化以及低碳化，無論是智能化還是低碳化，生活在人們都希望自己的電器越來越智能，即能按照人們的意愿，低功耗的實現功能。水溫控制作為人們生活以及工業(yè)的重要組成部分，能否實現智能化以及低功耗化十分重要。水溫控制系統(tǒng)以STC89C51作為核心的溫度控制系統(tǒng)，將DS18B20作為溫度感應器，可直接反饋數字量的溫度信息并可以調節(jié)精度；以繼電器以及螺旋加熱管作為加熱模塊；以發(fā)光二級管以及蜂鳴器作為聲光告警裝置；以數碼管作為溫度顯示模塊。程序上利用PID調節(jié)算法，多次調節(jié)其中參數，使得溫度控制更加精確。該系統(tǒng)具有簡單、成本低、質量安全可靠的特點。相信無論是在生活還是生產中都會有不錯的應用前景。

關鍵詞 智能化 溫度控制 STC89C51 DS18B20 PID調節(jié)算法

一．任務以及要求

設計并制作一個水溫自動控制系統(tǒng)，水溫可以在一定范圍內由人工設定，可以實現自動報警功能。

1.基本內容如下：

（1）溫度設定范圍為：40～90℃，最小區(qū)分度為1℃，標定溫度≤1℃。

（2）環(huán)境溫度降低時溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。

（3）用10進制數碼管顯示水的實際溫度。

2.發(fā)揮要求：

（1）溫度控制范圍擴大，最小區(qū)分度減小。

（2）溫度控制的靜態(tài)誤差≤0.2℃。

（3）特色與創(chuàng)新。

二．方案設計及其論證

水溫的控制，必須先精確地獲取溫度，所以溫度傳感器的選擇就非常重要。通常，溫度所測量的是模擬量，模擬量的轉換涉及到A/D的轉換。溫度傳感器把溫度傳送給處理器核心，處理器核心經過分析，判斷是否滿足處理的條件，進行相關的處理�？蓪崿F的動作包括以下幾項：達到設定溫度，進行聲光報警；溫度低，進行加熱處理。其中溫度的設定就要利用到鍵盤。聲光報警就需要用到發(fā)光二級管以及蜂鳴器。經以上分析，可以將溫度控制系統(tǒng)分為以下幾個模塊：

1.溫度傳感器

溫度傳感器應具有精度足夠高、處理速度足夠快、體積小等特點。采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出遠端引入。此器件具有體積小、質量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設計要求。更重要的是采用該溫度傳感器后不用采用A/D轉換。節(jié)省了大量的工作量。

2.鍵盤顯示

按鍵主要涉及到溫度的調節(jié)以及模式的轉換。顯示部分主要涉及到水溫的實時顯示，以及功能模式的顯示。按任務功能需求采用獨立鍵盤，并且利用MCU對鍵盤進行掃描。這種方案既能很好的控制鍵盤及顯示，又為MCU大大的減少了程序的復雜性，而且具有體積小，簡單易做的特點。顯示部分按照任務要求采用4位數碼管設計，來顯示水溫以及工作模式等。也具有簡單、可靠的特點。

3.CPU核心

CPU主要控制水溫以及其他模塊的協(xié)調工作。是該水溫控制系統(tǒng)的核心。根據對方案的分析，采用簡單易用的STC89C52單片機，其內部有4KB單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器，而且它的I/O口也足夠本次設計的要求。具有簡單方便、成本低以及可靠的特點。

經以上分析，只要合理設計電路以及正確編寫程序，以上幾個模塊在MCU以及程序的調節(jié)下能協(xié)調工作，共同完成水溫的控制，從而達到任務要求。

三．理論分析與計算

各個模塊要在MCU的調節(jié)下合理有序的工作，那么系統(tǒng)必須采用合理高效的控制系統(tǒng)。這就要涉及到過程控制，過程控制指對生產過程的某一或某些物理參數進行的自動控制。過程控制可分為：模擬控制系統(tǒng)、微機過程控制系統(tǒng)以及數字控制系統(tǒng)DDC。模擬控制系統(tǒng)中被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進行比較，得到偏差，模擬調節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程。微機過程控制系統(tǒng)以微型計算機作為控制器。控制規(guī)律的實現，是通過軟件來完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應的程序即可。

現如今在生產以及實踐中運用最多的是DDC(DirectDigitalCongtrol)系統(tǒng)：

圖3-1DDC系統(tǒng)構成框圖

DDC(DirectDigitalCongtrol)系統(tǒng)是計算機用于過程控制的最典型的一種系統(tǒng)。微型計算機通過過程輸入通道對一個或多個物理量進行檢測，并根據確定的控制規(guī)律(算法)進行計算，通過輸出通道直接去控制執(zhí)行機構，使各被控量達到預定的要求。由于計算機的決策直接作用于過程，故稱為直接數字控制。

其中控制規(guī)律即為PID調節(jié)，本系統(tǒng)中為軟件實現。涉及到的理論計算如下：

1.模擬PID控制規(guī)律的離散化

表一.模擬PID控制規(guī)律的數字化公式

模擬形式

離散化形式

2.數字PID控制器的差分方程

式中 為比例項

為積分項

為微分項

四．系統(tǒng)設計方案

1.工作模式

本著智能化以及按照題目要求，將系統(tǒng)設計有以下兩個個工作模式：A.測定水溫以及顯示水溫；B.設定水溫并保溫；其中A為默認工作狀態(tài)，即開機工作狀態(tài)，工作內容為實時測量水溫并在數碼管上顯示。B為設定溫度并保溫。由用戶設定一定的溫度，系統(tǒng)自動工作，加熱到設定溫度后聲光報警，聲光報警裝置可獨立開關，如果不切斷電源或切換模式，系統(tǒng)將自動竟然保溫模式。其中溫度的設定有鍵盤控制。不管在那種工作模式，一旦復位鍵按下，將回到默認工作模式。在B工作模式下并且顯示實際水溫時，按下加鍵可以顯示用戶設定溫度。根據以上的分析總結如下：

2.電路設計

根據以上的分析，可以將整個系統(tǒng)分為以下幾個部分：單片機最小系統(tǒng)，測溫電路，功率電路，交流過零檢測電路，顯示電路，系統(tǒng)框圖如下：

（1）89C52最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)采用將C52MCU以及獨立鍵盤、數碼管集成在一塊板上的工作方式。其中P0口接數碼管。其他包括復位電路、獨立鍵盤、晶振電路。其電路如下圖5-1所示：

圖5-1最小系統(tǒng)

（2）18B20測溫電路

測溫電路是使用DS18b20數字式溫度傳感器，它無需其他的外加電路，直接輸出數字量，可直接與單片機通信，讀取測溫數據，電路十分簡單。它能夠達到0.5℃的固有分辨率，使用讀取溫度的暫存寄存器的方法還能達到0.2℃以上的精度。DS18B20溫度傳感器只有三根外引線：單線數據傳輸總線端口DQ，外供電源線VDD，共用地線GND。外部供電方式(VDD接+5V，且數據傳輸總線接4.7k的上拉電阻，其接口電路如圖5-2所示：

圖5-2控制電路

（3）功率電路

功率電路主要是繼電器模塊，包括三極管以及電阻組成控制部分，與MCU進行通信。PNP管的導通控制著繼電器的常閉觸點的接通與否。繼電器常閉觸點連接著外部加熱電路。其中繼電器的電感部分連接著二極管，起著引流保護PNP管的作用。其電路如下圖6-1：

圖6-1功率電路

（4）聲光報警電路

聲光報警電路采用蜂鳴器以及二極管串聯的形式，通過PNP三極管控制電路通斷。利用P3.7來與MCU通信。如下圖6-2：

圖6-2聲光報警電路

（5）紅外接收裝置

該部分為創(chuàng)新部分，采用紅外接收裝置來接受紅外遙控器的信號，這樣就可以通過無線方式進行信息的傳遞。通過遙控器可以設定溫度，切換工作模式等。工作原理為紅外遙控器產生紅外信號，紅外接收頭接收到紅外信號后，其內部電路把信號送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發(fā)射器和接收器的距離遠近。交流信號進入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過30khz到60khz的負載波，通過解調電路和積分電路進入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號波形。最終將數字信號傳輸到MCU，MCU做出相應的反應。其電路如下圖7-1：

圖7-1紅外接收裝置

五．軟件設計說明

（1）總流程

本系統(tǒng)是采用查詢方式來顯示和控制溫度的。其中加入了紅外以及鍵盤等的其他控制器件語句�？偭鞒虉D如下圖7-2：

圖7-2總流程圖

（2）工作時序

工作時序由初始化模塊、測溫、顯示等模塊組成。具體工作時序如下圖8-1：

圖8-1工作時序

（3）主要程序

1.主函數如下：

#include

#include

unsignedcharchoice;

unsignedcharkey_dom.seogis.com]，北京：電子工業(yè)出版社，2009

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